JP2004339894A

JP2004339894A - 杭基礎構造物の耐震補強構造

Info

Publication number: JP2004339894A
Application number: JP2003140800A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Mano; 英之真野
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】地震時水平方向力作用時における既設あるいは新設の構造物の基礎フーチングの過大な変位を防止し、フーチングを支持する既設杭に作用する地震時水平方向力の低減を図る。
【解決手段】杭基礎構造物１のフーチング３の外周に設けられた杭基礎構造物の耐震補強構造であって、フーチング３の周囲を取り囲むように設けられ、地震時水平方向力作用時に杭基礎構造物１から伝達された水平変位の一部を吸収するとともに塊状体として変位する充填材２１で満たされた緩衝層２０と、緩衝層２０内に生じた受働すべり面より上側の塊状体の変位を受けて剛体変位して地震時水平方向力を負担する水平変位抑止構造とを備えた。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は杭基礎構造物の耐震補強構造に係り、地震時水平方向力作用時における既設あるいは新設の構造物の基礎フーチングの過大な変位を防止し、フーチングを支持する既設杭に作用する地震時水平方向力の低減を図るようにした杭基礎構造物の耐震補強構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高架橋の橋脚の杭基礎構造等では、設計当初の構造物重量及び地震時荷重に対して十分な耐力と靱性が確保できるように構造設計が行われ、基礎フーチングの寸法、杭径、本数等の諸元が決定されているが、供用後に従前より厳しく耐震設計基準が改正されたり、上部工の増設等により設定荷重が増加した場合、杭基礎構造における所要の地震時耐力等の確保が困難となる場合がある。
【０００３】
このような場合に対して既設構造物基礎では既存構造に付加する形で各種の耐震補強が行われている。図９〜図１１は従来の基礎構造物の耐震補強構造の一例を示した一部断面図である。図９は、既設フーチング５０の外周を囲むように増設フーチング５１を一体化させた増し杭構造による耐震補強構造の一例を示している。この増し杭構造では、既設杭５２と同等耐力の新設杭５３を打設するとともに、杭頭を固定するための増設フーチング５１が既設フーチング５０の側面に多数のアンカー筋等のせん断負担材５４を介して一体的に接合されている。これにより既設部に加え、新設杭５３及び一体的に拡幅されたフーチング５０，５１により鉛直荷重、地震時の水平荷重を負担するようになっている。
【０００４】
図１０は、増設フーチング５１の下方の地中部に、既設杭５２の杭頭周囲を囲むように地中連続壁５５を造成した耐震補強構造の一例を示している。この耐震補強構造では同図に示したように、既設杭５２を囲むように、増設フーチング５１と一体的に造成された地中連続壁５５が地震時に作用する水平方向力を負担し、地中連続壁５５で囲まれた地盤内に位置する既設杭５２の杭頭への水平方向力の作用を低減できるようになっている。
【０００５】
これらの耐震補強構造例では、構造物に作用する水平力を新設杭や地中連続壁に伝達するため、杭や地中連続壁を既存のフーチングと剛結する必要があるため、多数のアンカー等を介して拡幅部の増設フーチングを既設フーチングに一体化させる必要があり、煩雑な増設工事を要する。また、増設フーチングによる基礎平面が拡幅されるため、土地の制限を受ける場合がある。さらに新設杭、地中連続壁の施工に、大型の施工機械が必要となり、特に高架橋下などのように工事のための架空制限を受ける場所では適切な施工ができないこともある。また、図１５に示した地中連続壁では、地中連続壁が構造上十分な鉛直支持力を有しないため、耐震補強工の重量分だけ既設杭の軸力が増加し過度な応力状態が生じるという問題もある。
【０００６】
これに対して、十分な水平方向支持力と鉛直支持力とを備えた耐震補強構造の例として既設フーチング６０の周囲に、大径の地盤改良体６２を造成するとともに、この地盤改良体６２内に既製杭６３を打設した複合杭を施工し、それらの杭頭を増設フーチング６１で固定し、増設フーチング６１を既設フーチング６０に一体化させることで、水平方向、鉛直方向に十分な支持力が得られる耐震補強構造が提案されている（図１１，たとえば特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１８８１５７公報（第４頁［００１８］〜［００２０］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の先行技術文献情報に開示された耐震補強構造は、図１１に示したように、既設フーチングの外周に高圧噴射撹拌工法によって造成された大径の改良体内に既製杭を打設することで、既製杭の鉛直支持力を改良体で負担するようにしたので、新設杭を支持層まで到達させることなく、鉛直支持力を負担できるようにしている。このため、改良体頭部、既製杭頭部の固定を行うために十分剛性の高い増設フーチングを既設フーチングと一体的に構築する必要がある。既設フーチングの周囲に施工される改良体、既製杭、及び増設フーチングとが一体となった耐震補強構造とする各部材を施工し、さらにそれぞれを一体化させる多くの施工工程を要する。また、高架下等においては既製杭の長さ等の制限を受けるため、施工できないケースもあり得る。
【０００９】
一方、出願人は上述した課題を解決可能な手段として、杭基礎構造物のフーチングの外周面を囲むように、絶縁層を介して地震時水平方向力を負担する水平変位抑止枠構造を構築した杭基礎構造物の耐震補強構造を提案している（特願２００２−３２９０７１）。この発明によれば、既設構造物の基礎周辺に、アスファルト充填層等からなる絶縁層を介して、擁壁形状等からなる基礎水平変位抑止枠構造を構築し、この基礎水平変位抑止枠構造が地震時に作用する水平方向力を十分負担するため、既設構造物の杭基礎に対して鉛直荷重の増加を生じさせることなく、地震時に既設杭に作用する水平力を低減することができる。
【００１０】
しかし、既設構造物の形状により応答が大きい場合や、既設構造物と自由地盤変位の位相差が大きい場合には、前述の手法では、フーチング部分の拘束が大きすぎ、杭基礎の防護は果たせても上部構造側に大きな加速度を生じさせる原因となるおそれがある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、簡易な耐震補強構造により既設構造物のフーチングの過大変位を防止し、これによりフーチングを支持する杭基礎に作用する地震時水平方向力の負担低減を図れるようにした杭基礎構造物の耐震補強構造を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、杭基礎構造物のフーチングの外周に設けられた杭基礎構造物の耐震補強構造であって、前記フーチングの周囲を取り囲むように設けられ、地震時水平方向力作用時に前記杭基礎構造物から伝達された水平変位の一部を吸収するとともに塊状体として変位する充填材で満たされた緩衝層と、該緩衝層内に生じた受働すべり面より上側の前記塊状体の変位を受けて剛体変位して前記地震時水平方向力を負担する水平変位抑止構造とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
このとき前記水平変位抑止構造は、前記緩衝層内に生じる前記塊状体の変位を保持可能な立壁部を有する、前記フーチングの外周面を囲むように構築された擁壁構造からなり、該立壁部と一体構築された底版の下面と地盤面との底面摩擦により地震時水平方向力に抵抗させるものである。
【００１４】
また、前記緩衝層は、現地発生土または所定のせん断抵抗角が確保された混合改良土からなる充填材が所定密度で充填することが好ましい。
【００１５】
前記水平変位抑止構造は、前記底版の下面を粗面に仕上げることで、底面摩擦を増加させることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の杭基礎構造物の耐震補強構造の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は既設構造物としての橋脚基礎のフーチングの外周に構築された本発明の耐震補強構造の一部を切欠いて示した斜視図で、図２は同正面図及び平面図である。図１において、既設構造物１は、本実施の形態では、縦横に等間隔をあけて打設された９本の杭２（図２（ｂ）参照）と、この杭２の杭頭を固定してなる平面視して矩形形状をなす鉄筋コンクリート製のフーチング３と、このフーチング３上に一体的に立設された鉄筋コンクリート柱４とからなる（上部工の図示は省略している）。そしてこの既設構造物１のフーチング３の外周を囲むようにして耐震補強構造が構築されている。なお、以下の説明では既設構造物１のフーチング３の耐震補強を例に説明を行っているが、新設構造物における同様の基礎フーチングに本発明の耐震補強構造を適用することも有効であることは言うまでもない。
【００１７】
耐震補強構造は、図１に示したように耐震補強の対象となる既設杭基礎構造物１の基礎フーチング３の外周を取り囲むように構築された基礎水平変位抑止構造１０と、該基礎水平変位抑止構造１０の内側でフーチング３を所定幅で囲むように形成された緩衝層２０とから構成されている。
【００１８】
本実施の形態による基礎水平変位抑止構造１０は、図１，図２に示したような断面形がＬ型をなす鉄筋コンクリート製の擁壁構造１１からなる。立壁１２の前面は、フーチング３の外周面に面し、その高さはフーチング厚さに等しく、所定の底版長さを有する。またフーチング３の外周面を完全に囲むように設けられている。なお、立て壁１２の高さと底版１３の長さとは基礎水平変位抑止構造１０の目標抵抗値により適宜設定され、その断面形状が決定される。すなわち、基礎水平変位抑止構造１０が、図１に示したような擁壁構造１１である場合には、その立壁１２の高さおよび底版１３の底面積を、耐震補強構造において必要とされる水平抵抗力に応じて適宜に設定すればよい。すなわち、大きな水平抵抗力を必要とする場合には底版１３の底面積を広くするか、底版１３に作用する鉛直荷重を増やすか、立壁１２の高さを高くすればよい。
【００１９】
緩衝層２０は、図１〜図３に示したように、フーチング３の側面の外周を、所定幅で平面視して□形状をなすように囲むように、基礎水平変位抑止構造１０の立壁１２の前面との間が所定粒度分布からなる充填材２１で満たされた水平変位を一部減衰しつつ、水平方向力を立壁１２に伝達する機能層である。充填材２１としては、所定の一軸圧縮強さとせん断抵抗角φを有すれば現地発生土をそのまま利用でき、調整材料として、良質土を混合して所定のせん断抵抗角を有するようにした改良土、単粒砕石、発泡ビーズを混合して所定の密度、変形追従性を確保した混合軽量土等を用いることができる。混合する発泡ビーズとしては、粒径１〜１０ｍｍ程度の発泡ポリスチレン、発泡ポリプロピレン等の公知樹脂材料を用いればよい。また、土材料を充填する代わりに大型の発泡スチロール（ＥＰＳ）、硬質ウレタンブロック等を設置して緩衝層とすることもできる。
【００２０】
［耐震補強構造の構築］
上述の基礎水平変位抑止構造１０と緩衝層２０とを構築する施工手順の一例としては、まず図２（ｂ）に示したように、緩衝層の幅Ｄ_１と、基礎水平変位抑止構造１０の底版１３の幅Ｄ_２とを考慮して決定されたフーチング３の周囲の地盤の所定範囲で掘削する。このとき地盤状態に応じて土留め工等を施し、掘削空間の確保を図ることが好ましい。次いでフーチング３の外周を緩衝層の幅Ｄ_１だけ離して取り囲むように、擁壁構造１１を構築する。擁壁構造１１は現場施工の鉄筋コンクリート構造としてもよいし、プレキャストコンクリート製品を搬入して長手方向に隣接する壁体間をＰＣ鋼材等を用いて一体構造とさせることもできる。その後、フーチング３と擁壁構造１１との間に充填材２１を充填する。充填材２１の積層高さと合わせて擁壁構造１１の背面部分を埋戻して埋戻し土１５と擁壁構造１１とを一体化させ、基礎水平変位抑止構造１０を完成させる。
【００２１】
ここで、図２（ａ）、図３を参照して、地震時における緩衝層２０と、基礎水平変位抑止構造１０の挙動について説明する。緩衝層２０と基礎水平変位抑止構造１０とを有する耐震補強構造を設けた既設構造物に、地震力等の水平方向力が作用すると、地中に位置する既設構造物のフーチング３と基礎水平変位抑止構造１０とには、それぞれの構造物の形状、質量、構造系に応じた応答変位が生じる。このとき既設構造物の質量は、フーチング、橋脚、橋脚で支持する上部工の総和であり、基礎水平変位抑止構造１０は、上述の擁壁構造１１とその背面の底版１３上の埋戻し土１５を合わせた質量を有する。この結果、フーチング３には、多大な上部の質量の影響を受けて地盤変位とほぼ一体に変位する基礎水平変位抑止構造１０に比べ、位相差を持つ大きな水平変位が生じる。そして図３に示したように、フーチング３の移動方向前面でこの緩衝層２０を押圧する。このとき緩衝層２０内部では、充填材２１の粒子間の噛み合いによって形成されている空隙が圧縮され、水平方向変位の一部が吸収され低減されるとともに、フーチング３の前面からの受働土圧に相当する一様水平方向力が作用した状態となり、緩衝層２０内には充填材２１のせん断抵抗角に応じた受働すべり面Ｓが生じる。そしてこの受働すべり面Ｓより上側の充填材２１が塊状となって変位し、基礎水平変位抑止構造１０の立壁１２に水平荷重として作用する。このとき立壁１２の脚部は作用する地震時水平方向力に応じた補強がなされている。また、擁壁底版１３の底面１３ａは粗面となっており、底面１３ａと地盤との間には十分な摩擦力が生じ、この摩擦力の分だけ杭２が負担する水平方向力が低減される。すなわち既設の杭２の耐力を越えた分の水平方向力の負担が可能となり、既設杭基礎構造物１の耐震性が向上する。基礎水平変位抑止構造１０としての擁壁構造１１の底面１３ａに作用する摩擦力の限界値は、砂地盤では擁壁構造１１の自重と埋戻し土１５の重量の和に摩擦係数を乗じたものとなる。粘性土地盤では、地盤の粘着力と摩擦力の小さい方で決まる。
【００２２】
［基礎水平変位抑止構造の断面形状］
以上述べたように、緩衝層２０と基礎水平変位抑止構造１０の耐震作用を十分発揮させるためには、基礎水平変位抑止構造１０としての鉛直荷重を十分大きくし、その底面と地盤面との間で十分大きな底面摩擦を確保することが重要である。図４各図は、基礎水平変位抑止構造２０の断面形状として、想定される各種断面形状を示した断面図である。図４（ａ）に示した擁壁構造１１は、もっとも基本的な断面を示しているが、図４（ａ）の例では、フーチング３の外面に絶縁層２２が設けられている。この絶縁層２２は鉛直方向に生じるフーチング３と緩衝層２０間の鉛直変位を完全に吸収できる変形能力を有する。本実施の形態では、この絶縁層２０はアスファルト充填層からなるが、絶縁材料としてはアスファルト等の瀝青材料の充填材料の他、せん断変形性が十分大きい各種ゴム系材料、ゴム系エラストマー等の弾性部材をフーチング３の側面に固着するようにしてもよい。
【００２３】
このとき基礎水平変位抑止構造の底面に十分な鉛直荷重を作用させるのに、たとえば図４（ｂ）に示したような矩形断面形状の中実重量構造１８とすることが好ましい。この場合にも中実重量構造構造１８は、その内側面が緩衝層２０を介してフーチング３の外周面を囲むように構築されている。この中実重量構造１８は、自重が擁壁構造１１の重量と底版１３上の埋戻し土１５の土被り重量の和より大きくなるので、中実重量構造１８の底面１８ａと地盤面との摩擦は、擁壁構造１１（図４（ａ））底版１３の底面１３ａと地盤面との摩擦より大きくなる。
【００２４】
また、既設杭構造物に対して、設置される基礎水平変位抑止構造の水平方向力の負担が十分見込まれるならば、図４（ｃ）に示したような地中スラブ構造１９を基礎水平変位抑止構造１０として採用することもできる。この場合、図４（ｃ）に示した地中スラブ構造１９では、埋戻し土１５の重量との和により鉛直荷重が決定するが、地中スラブ構造１９の底面１９ａと地盤面との摩擦が十分とれるようにするとともに、緩衝層２０に生じる受働すべり面に沿った土塊変位を地中スラブ構造１９が確実に負担できるようなスラブ厚にする。このように、基礎水平変位抑止構造の断面形状は、緩衝層２０内に生じ受働すべり面より上側の土塊の変位を確実に伝達できる寸法を有し、また底面と地盤面との間の摩擦により得られる目標抵抗が満たされれば、種々の断面形状、寸法に設定できる。
【００２５】
基礎水平変位抑止構造１０としての擁壁構造１１は、地震時に緩衝層２０の充填材２１の塊状体（すべり塊）の水平変位に抵抗しながら変位するように想定されている。このとき擁壁構造１１の底面１３ａが地盤に対して十分な摩擦抵抗を発揮し、フーチング３を囲む枠体構造全体が一様に剛体変位できるような剛性が必要がある。そのため、上述したＬ型擁壁において立壁１２の剛性が不足するおそれがある場合には立壁１２の背面に控え壁１６を設けることが好ましい（図５（ａ））。また、十分な剛性を確保するためには、上方が開放された箱形断面１７とし、内部に埋戻し土１５を充填させることが好ましい（図５（ｂ））。
【００２６】
［底面摩擦の増加、水平変位の拘束手段］
図６各図は基礎水平変位抑止構造１０の底面摩擦の増加を図るための構成を示している。図６（ａ）は基礎水平変位抑止構造１０の一実施の形態としての擁壁構造１１において、その底版１３下の地盤面に割栗石３０を敷設し、底版１３との摩擦増加を図った例を示している。図６（ｂ）は、擁壁構造１１の底版１３との境界地盤に地盤改良層３１を設け、底版１３の底面にせん断キーとしての突起１３ｂを形成して地盤面に対するせん断抵抗を増加させるようにした例を示している。上述の構成により底面摩擦の増加を図ることにより、フーチング３の杭２の水平抵抗負担分を大幅に低減することができる。また、地震時にフーチング３から緩衝層２０を介して擁壁構造１１に加わる水平方向力による基礎水平変位抑止構造１０の変位を積極的に拘束する手段として、図７各図に示した構成を採用することもできる。すなわち、図７（ａ）は擁壁構造１１の底版１３下に短杭３２を打設し、短杭の杭頭を底版１３に固定した構造を示している。この場合、短杭３２が鉛直荷重を支持して底面摩擦が減少しないように、杭周面に摩擦低減処理を行うことが好ましい。また、受働すべり面Ｓが杭断面を横切ることになるので、杭断面の水平せん断に対する安全性を確保することが必要である。図７（ｂ）は比較的低い立壁１２を有する擁壁構造１１とし、底版１３からその下部の地盤にかけてアンカーボルト３３を所定の傾角で打設し、各アンカーボルト３３に水平方向分力を負担させるようにした例を示している。なお、地震力作用時には、擁壁構造１１から外周に向けて打設されたアンカーボルト３３のうち、引張材として作用する方向に位置するアンカーボルト３３が有効に機能する。またこの場合にもアンカー体３４が受働すべり面Ｓより下側に位置し、アンカーの外的安定性を確保することが必要である。
【００２７】
図８各図は、既設構造物に対して設けられる緩衝層２０と基礎水平変位抑止構造１０の変形例について示している。以上の説明では緩衝層２０と基礎水平変位抑止構造１０は既設構造物の外周を取り囲むように構成されていたが、図８（ａ）に示したように、臨海部における護岸工の背面に構築された杭構造物の場合、地震時の水平方向力は護岸構造物を海側に押し出すように作用し、この結果側方流動現象が生じることが多く確認されている。このように既設構造物の立地条件により作用する水平方向力が一方向に顕著な場合には、図８（ｂ）に示したように、予想される水平変位方向に直交するように擁壁構造１１を設け、フーチング３との間に、充填材２１で満たされた緩衝層２０を設けることが好ましい。このように荷重条件、構造条件によって特定方向の変位、作用力が顕著なことが予想される場合には、その方向に対して耐震性能を発揮するように耐震補強構造を採用することが経済上、好ましい。
【００２８】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、比較的簡易に構築できる基礎水平変位抑止構造の底面摩擦抵抗及び緩衝層での変位吸収により、既設構造物等の地震時水平方向への過大な変位を防止することができ、これにより既設構造物に作用する水平方向力を低減させ、基礎フーチングを支持する杭への水平方向力を十分低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による杭基礎構造物の耐震補強構造の一実施の形態を示した斜視図。
【図２】本発明の杭基礎構造物の耐震補強構造の一例を示した正面図、平面図。
【図３】緩衝層、基礎水平変位抑止構造の配置例を示した部分断面図。
【図４】緩衝層、基礎水平変位抑止構造の形状例を示した部分断面図。
【図５】基礎水平変位抑止構造の形状例を示した部分断面図。
【図６】擁壁構造の底版の底面摩擦の増加方法について示した部分断面図。
【図７】擁壁構造の底版の支持例について示した部分断面図。
【図８】緩衝層、基礎水平変位抑止構造の配置変形例を示した正面図、平面図。
【図９】従来の耐震補強構造（増し杭方式）の一例を示した部分断面図。
【図１０】従来の耐震補強構造（連壁方式）の一例を示した部分断面図。
【図１１】従来の耐震補強構造（複合杭方式）の一例を示した部分断面図。
【符号の説明】
１既設構造物
２杭
３フーチング
１０基礎水平変位抑止構造
１１擁壁構造
１２立壁
１３底版
１５埋戻し土
１８中実重量構造
１９スラブ構造
２０緩衝層
２１充填材

Claims

杭基礎構造物のフーチングの外周に設けられた杭基礎構造物の耐震補強構造であって、前記フーチングの周囲を取り囲むように設けられ、地震時水平方向力作用時に前記杭基礎構造物から伝達された水平変位の一部を吸収するとともに塊状体として変位する充填材で満たされた緩衝層と、該緩衝層内に生じた受働すべり面より上側の前記塊状体の変位を受けて剛体変位して前記地震時水平方向力を負担する水平変位抑止構造とを備えたことを特徴とする杭基礎構造物の耐震補強構造。
前記水平変位抑止構造は、前記緩衝層内に生じる前記塊状体の変位を保持可能な立壁部を有する、前記フーチングの外周面を囲むように構築された擁壁構造からなり、該立壁部と一体構築された底版の下面と地盤面との底面摩擦により地震時水平方向力に抵抗することを特徴とする請求項１に記載の杭基礎構造物の耐震補強構造。
前記緩衝層は、現地発生土または所定のせん断抵抗角が確保された混合改良土からなる充填材が所定密度で充填されたことを特徴とする請求項１に記載の杭基礎構造物の耐震補強構造。
前記水平変位抑止構造は、前記底版の下面が粗面仕上げされたことを特徴とする請求項２に記載の杭基礎構造物の耐震補強構造。