杭基礎の完全ガイド：種類・設計理論・施工・維持管理を徹底解説

2025年12月25日 最終更新日時 : 2025年12月25日 エバープレイ編集部

概要：杭基礎とは何か、なぜ必要か

杭基礎（くいきそ）は、軟弱地盤や地盤支持力が不足する場所で建物や構造物の荷重を十分な深さにある支持層へ伝達するための基礎形式です。表層の軟弱な土層が厚い、地下水位が高い、周辺地盤が不均一である、あるいは地震時の液状化対策が必要な場合などに広く採用されます。杭は荷重を杭先端で支持する「支持杭」と、杭周面摩擦力（スキン摩擦）によって荷重を負担する「摩擦杭」に大別されますが、実際の設計では両者の混合的作用を考慮します。

杭の種類と特徴

  • 場所打ちコンクリート杭（現場造成杭）：掘削後に現場で鉄筋とコンクリートを打設。騒音振動が比較的少なく、既設障害物対応や高耐久が必要な場合に有利。
  • 既製杭（プレキャスト杭）：工場製作のコンクリート杭や鋼管杭を現場で打ち込む。品質管理が容易で施工速度が速いが、打撃による振動が発生。
  • 鋼杭（H形鋼、鋼管杭）：高い支持力と細長い断面で狭い場所や深層支持に有効。腐食対策（塗装、被覆、カソード保護など）が重要。
  • 小径杭・マイクロパイル：既存構造物の補強や狭小地での補強に用いられる小口径のアンカー的杭。
  • 注入杭（薬液注入、土質改良杭）：土を改質して支持力を向上させるタイプ。地盤改良と杭の中間的手法。

設計の基本概念

杭基礎設計では、以下の要素を組み合わせて安全性と経済性を確保します。

  • 荷重の種類：静荷重、偏心荷重、地震荷重、横荷重。
  • 支持機構：先端支持（端面支持）と周面摩擦（スキン摩擦）。
  • 許容支持力と極限支持力：許容設計値は安全率や設計法に基づき設定（従来の許容応力度設計または限界状態設計）。
  • 沈下許容値：建物種別ごとに許容沈下量が定められ、グループ杭の沈下と不同沈下を考慮。
  • 群杭効果：複数杭の近接配置により支持力低減や沈下増大が発生。群杭係数や作用範囲を考慮。
  • 負のスキン摩擦（ダウン・ドラッグ）：上部構造や地盤沈下により杭に下向きの摩擦力が作用することがあるため、これを設計に反映。

地盤調査とデータの活用

設計の出発点は正確な地盤情報です。ボーリング調査、標準貫入試験（SPT/N値）、コーン貫入試験（CPT）、土のサンプル採取と室内試験（粒度、含水比、一軸圧縮強度、剪断試験など）、地下水位観測を実施します。得られた土質パラメータは、杭の支持力評価（端面支持力、スキン摩擦、せん断パラメータ）や施工時の安定性評価、沈下解析に用いられます。

支持力の評価方法（概要）

支持力の評価には経験式や理論式が用いられます。日本では土質の種類に応じて次のような方法が一般的に採用されています。

  • 粘性土に対するα法（アルファ法）：杭周面の単位長さあたりの摩擦力を、周辺土の一軸圧縮強さや粘着力に係数αを乗じて見積もる。
  • 砂質地盤に対するβ法やq-p法：相対密度や単位体積重量、CPTデータからスキン摩擦を推定。
  • 端面支持力：掘削や孔内試験、静的載荷試験の結果、あるいは地盤パラメータからの理論式で評価。
  • 実測による検証：最終設計では静的載荷試験や動的診断（PDA）により設計値の裏付けを取ることが望ましい。

設計荷重と安全性係数

設計では、作用する永久荷重、積載荷重、風荷重、地震荷重を整理し、極限状態設計（L/SD）や許容応力度設計に基づき設計強度・許容支持力を設定します。地震時挙動では、液状化リスクの有無、地盤の剛性低下、地震時荷重の増減を考慮し、必要に応じて耐震補強（深い支持層への支持、杭の曲げ抵抗の確保、基礎梁の強化）を行います。

施工法と現場上の注意点

代表的な施工法と特徴：

  • 打ち込み杭：既製杭や鋼杭を打撃または振動で圧入。高速施工が可能だが振動・騒音と周辺建物への影響に注意。
  • 場所打ち杭（掘削＋コンクリート打設）：バケットやオーガで掘削後、鉄筋かご設置→コンクリート打設。地中障害や地下水管理が課題。
  • アースオーガー工法（拡底杭等）：掘削と同時に掘削土を排土し、性能を確保する。
  • 圧入・薬液注入法：掘削を伴わず圧入や注入で支持力を確保。狭隘地や既設建物近接で使われる。

施工上の品質管理点：

  • 杭位置・立て矢の精度（鉛直度・位置誤差）
  • 打ち込み記録（打撃数、打撃エネルギー）や打設時の貫入量の管理
  • コンクリートのヤング率・強度（スランプ管理、打設温度管理）、練混ぜ比の記録
  • 鋼杭の継手処理、防食処理、溶接品質
  • 地下水・湧水対策、孔内土の排除、トラブル（孔壁崩壊、拡大）への対処

試験・検査と性能確認

設計に対する妥当性を現場で確認するため、以下の試験が重要です。

  • 静的載荷試験：実際の杭に荷重を段階的に載荷し、沈下量と荷重の関係を確認して支持力を直接評価するゴールドスタンダード。
  • 動的試験（PDA：Pile Driving Analyzer）：打撃時の応答を計測して支持力推定や打込み時の損傷検出に使用。
  • 標準貫入試験（SPT）・CPTによる間接評価：設計段階での支持力推定や土層特定に使う。
  • 非破壊検査：既製杭の継手・内部欠陥検査には超音波（クロスホール等）やレーダーを用いる場合がある。

耐久性と維持管理

杭は埋設構造物であり長期的な耐久性が重要です。特に鋼杭は腐食による断面減少が懸念されるため、設計段階で被覆厚、コンクリート被り、材料選定（耐候性鋼や防食処理）、必要に応じてカソード防食を検討します。コンクリート杭は適切な被り厚、凍結融解や化学攻撃（硫酸等）に対する耐性を確保します。維持管理では漏水・沈下・傾斜の定期点検、周辺地盤の変化監視が必要です。

都市部・環境配慮のトレンド

近年は既存建物やインフラが密集する都市部での施工環境を考慮し、低振動・低騒音施工（サイレントパイリング、静的圧入工法、場所打ち杭の採用）や地盤改良との組合せ（柱状改良＋浅い杭）による経済的手法が注目されています。また、耐震性や地盤の環境負荷低減（有害物質の封じ込め等）にも配慮が必要です。

設計規範・参考ガイドライン

日本国内では日本建築学会（AIJ）や土木学会（JSCE）、国土交通省（MLIT）が発行する指針や基準が設計・施工の基準となります。設計者は最新の指針や地域特性、現場条件に応じた留意事項を確認し、必要に応じて専門家による詳細解析や試験を行うべきです。

まとめ：実務者への要点

  • 杭基礎は地盤調査と設計の精度が安全性を左右するため、十分な地盤情報を取得すること。
  • 施工法選定は周辺環境（振動・騒音・既存構造）、経済性、耐久性のバランスで判断する。
  • 静的載荷試験やPDA等の現場試験により設計値を確認し、必要に応じて設計の修正を行う。
  • 耐久性（腐食、化学的劣化）と維持管理計画を初期段階から組み込む。
  • 地震・液状化対策、群杭効果、負のスキン摩擦など特殊な現象を見落とさない。

参考文献

カテゴリー
建築・土木
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