JP2006336294A

JP2006336294A - 杭頭部の補強方法

Info

Publication number: JP2006336294A
Application number: JP2005162138A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ishii; 勝石井; Gen Iwata; 弦岩田
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-06-02
Also published as: JP4643364B2

Abstract

【課題】既設杭の杭頭部の補強に有効で、容易に施工可能な杭頭部の補強方法を提供する。
【解決手段】杭頭部１２ａの周囲の地盤２１に地盤改良材（グラウト３）を注入することによって、前記杭頭部１２ａの外周面に付着した地盤固結体２３を造成するものである。このため、杭の上に構築された上部構造体の荷重は杭頭部に直接伝達された後、杭へそのまま伝達されていくものと、杭の外周面と地盤固結体との付着力によって地盤固結体に伝達され、地盤固結体下部の地盤へ伝達されるものとになる。
また、この地盤固結体２３は、杭頭部１２ａの損傷部分を埋めると共に、地震発生時に液状化しやすい地盤においては、液状化の発生を抑制し、地盤２１の剪断抵抗を増大する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築物等の基礎の杭頭部を補強する技術に関し、特に、損傷した既設の杭頭部を補強するのに有効な方法に関する。

ビルディングや、橋脚、鉄塔などの構築物は、一般に、基礎部分を基礎杭で支持する構造が採用されている。そして、このような既設構築物の基礎杭（以下、単に杭という）の杭頭部を耐震補強するための工法としては、従来、杭頭部鋼管巻工法や、増し杭工法が知られている。図８は、杭頭部鋼管巻工法を示す説明図、図９は、増し杭工法を概略的に示す説明図である。

これら図８及び図９において、Ｇは地盤で、軟弱な上部地盤Ｇ１と、その下層の堅固な支持地盤Ｇ２からなる。地盤Ｇ上の建築物１０１の底部（基礎１０１ａ）からは、多数の杭１０２が鉛直下方へ延びている。図示のように、杭１０２の下端が支持地盤Ｇ２に達するものにおいては、建築物１０１の荷重は杭１０２を介して一部が摩擦力によって上部地盤Ｇ１に伝達され、他部が支持地盤Ｇ２に伝達される。

図８に示される杭頭部鋼管巻工法は、建築物１０１の下側の地盤Ｇ（上部地盤Ｇ１）の一部を掘削することによって、地震等によって損傷を受けた杭１０２Ａの杭頭部１０２ａを露出させ、その外径よりも大きな内径の鋼管１０３を巻き、この鋼管１０３と杭頭部１０２ａとの間にグラウト（不図示）等を充填して硬化させることにより、杭頭部１０２ａを耐震補強するものである（例えば下記の特許文献１参照）。

また、図９に示される増し杭工法は、損傷を受けた既設の杭１０２Ａの近傍に、新たに杭１０４を増設することによって、耐震補強を行うものである（例えば下記の特許文献２参照）。
特開平１０−１５２８３５号公報特開２００１−２５４３６８号公報

しかしながら、図８に示される杭頭部鋼管巻工法は、損傷した杭１０２の１本１本について、その杭頭部１０２ａに鋼管１０３を巻いてグラウト等の注入を行う必要があり、その都度、損傷した杭頭部１０２ａの周囲地盤を掘削して作業空間Ｓを確保しなければならない。このため、建築物１０１の基礎１０１ａの中央部付近に位置する杭１０２Ｂを杭頭部鋼管巻により耐震補強する場合、作業が非常に困難であった。

また、増し杭工法も、特許文献２のような鉄塔の柱脚等、比較的面積の小さい基礎の場合には、施工が容易であるが、図９に示されるような、基礎１０１ａの面積が比較的大きい建築物１０１では、この基礎１０１ａの中央部付近に位置する杭１０２Ｂに対して増し杭を行う場合、作業空間を確保するのが難しく、建築物１０１の基礎１０１ａに増し杭挿入用の比較的大径の穴を開設しなければならず、建築物１０１への影響が大きいといった問題がある。しかも、新たな杭１０４を造成するものであるため、施工コストが割高にならざるを得なかった。

更には、図８、図９のいずれの工法も、杭頭部１０２ａの周囲地盤を掘削するため、埋め戻しても、元の地盤よりも軟弱化して、地盤自体の支持力がある程度低下してしまうことが避けられない。

本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、既設杭の杭頭部の補強に有効で、容易に施工可能な補強方法を提供することにある。

上述の技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る杭頭部の補強方法は、杭頭部の周囲地盤に地盤改良材を注入することによって、前記杭頭部の外周面に付着した地盤固結体を造成することを特徴とするものである。このため、杭の上に構築された上部構造体の荷重は、杭頭部に直接伝達された後、杭へそのまま伝達されていくものと、杭の外周面と地盤固結体との付着力によって地盤固結体に伝達され、地盤固結体下部の地盤へ伝達されるものとになる。また、この地盤固結体は、杭頭部の損傷部分を埋めると共に、地震発生時に液状化するような地盤においては、地盤の剪断抵抗を増大することで、液状化を抑制する作用する効果がある。

請求項２の発明に係る杭頭部の補強方法は、請求項１に記載の方法において、地盤固結体を、杭の上に構築された上部構造体の基礎底面と接した状態に造成することを特徴とするものである。このため、上部構造体の荷重は、杭頭部に直接伝達されるものと、基礎底面から地盤固結体に伝達されるものとになる。杭頭部に直接伝わった荷重は、杭へそのまま伝達されていき、地盤固結体に伝わった荷重は、地盤固結体と杭との付着力によって杭に伝わっていくものと、地盤固結体の下側の地盤へ伝達されるものとになる。

また、請求項３の発明に係る杭頭部の補強方法は、請求項１に記載の方法において、地盤改良材の注入を、ジェットグラウト工法又は薬液注入工法により行うことを特徴とするものである。

請求項１の発明に係る杭頭部の補強方法によれば、杭の上に構築された上部構造体の荷重に対する地盤の支持力が、造成された地盤固結体によって増大するので、杭自体が負担する荷重が軽減され、しかも杭頭部の損傷部分に介入して結合するため、優れた補強効果を得ることができる。また、地震時の水平荷重に対する杭頭部周囲の剪断抵抗力が増大し、地盤の液状化の防止などにも有効であり、耐震性も向上させることができる。

請求項２の発明に係る杭頭部の補強方法によれば、請求項１の発明による効果に加え、地盤固結体に、上部構造体の荷重の一部が、その基礎の底面から直接伝達されるので、杭自体が負担する荷重が一層軽減される。

請求項３の発明に係る杭頭部の補強方法によれば、請求項１の発明による効果に加え、施工による建上部構造体への影響を極力小さく抑えつつ、容易に施工することができる。

以下、本発明に係る杭頭部の補強方法の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る杭頭部の補強方法を示す鉛直断面図、図２は、本発明に係る杭頭部の補強方法により造成される地盤固結体と杭頭部との平面上の位置関係の例を示す説明図である。

まず図１において、参照符号２は、軟弱な上部地盤２１と、その下層の堅固な支持地盤２２からなる地盤、参照符号１は、地盤２（上部地盤２１）上に構築されたビルディングなどの建築物である。建築物１における基礎１１の底面からは、多数の杭１２が地盤２中へ鉛直に延びており、その下端は、支持地盤２２に達している。

基礎１１は、図２に示される例では、縦横に延びる基礎梁１３と、その接合部に形成されたフーチング１４とを有し、杭１２は、フーチング１４の下面に所定の格子点間隔で設けられている。

杭１２，１２，・・・のうち、杭１２Ａは、地震等によって杭頭部１２ａが損傷（図中に×印で示す）を受けたものである。図示の形態では、このような杭１２Ａを含む杭１２，１２，・・・を耐震補強するために、杭頭部１２ａの周囲地盤２（上部地盤２１）にグラウト３を高圧注入することによって、各杭頭部１２ａの外周面に付着した地盤固結体２３を造成する。なお、グラウト３は、請求項１に記載された地盤改良材に相当するものである。

グラウト３の高圧注入による地盤固結体２３の造成には、ジェットグラウト工法を用いることが好ましい。すなわちこの形態では、建築物１における基礎１１のスラブ上に、軸心と直交する方向へ流体を高圧噴射するノズル４１ａを有するパイプ４１と、このパイプ４１にグラウトを高圧で供給する手段４２と、パイプ４１を鉛直方向へ移動させる手段４３及び回転手段を有するジェットグラウト装置４を設置し、前記スラブから、上部地盤２１中に掘削孔２１ａを鉛直に穿孔し、この掘削孔２１ａに前記パイプ４１を挿入して、その軸心を中心に旋回させながら、上部地盤２１中に、流動性を有するグラウト３を高圧噴射し、徐々に引き上げて行く。上部地盤２１中へのグラウト３の高圧噴射は、基礎１１の底面位置まで行う。

上述の工程において、ノズル４１ａから噴射されたグラウト３の高圧噴流は、上部地盤２１を切削するようにその土粒子間隙へ介入し、経時的に硬化することによって、掘削孔２１ａを中心とする円柱状の地盤固結体２３が形成される。したがって、地盤固結体２３は、基礎１１の底面と密着した状態で造成される。また、この地盤固結体２３の一部は、杭頭部１２ａの損傷部分を埋めるように介在した状態に形成される。なお、掘削孔２１ａは、パイプ４１を引き上げて行く過程で、グラウト３の一部が流れ込んで埋められる。

掘削孔２１ａの穿孔位置、言い換えればパイプ４１の挿入位置は、各杭頭部１２ａの外周を包囲する領域に地盤固結体２３を互いにほぼ連続して造成することの可能な位置、具体的には、図２に示されるような格子点位置とする。また、掘削孔２１ａの深さは、造成すべき地盤固結体２３の層厚ｔ（図１参照）によって決定され、この層厚ｔは、建築物１の荷重を支持するのに必要・十分な杭１２と地盤固結体２３の付着力によって決定される。

この方法によれば、ジェットグラウト工法によって造成された地盤固結体２３は、杭頭部１２ａの外周面に付着した状態でその周囲を包囲するように分布している。このため、建築物１の荷重は、杭頭部１２ａに直接伝わるものと、基礎１１の底面から地盤固結体２３に伝達されるものとになる。杭頭部１２ａに直接伝わった荷重は杭１２をそのまま伝達していき、地盤固結体２３に伝わった荷重は、地盤固結体２３と杭１２との付着力によって杭１２に伝わっていくものと、地盤固結体２３の下側の地盤へ伝達されるものとになる。したがって、建築物１の荷重を杭頭部１２ａがすべて負担することがなく、しかも地盤固結体２３の一部が、杭頭部１２ａの損傷部分を埋めるように形成されることによって、この損傷部分を補強・修復する作用を有する。

また、図示の例のように、地盤固結体２３が、損傷していない健全な杭頭部１２ａの周囲にも同様に造成されることによって、杭頭部１２ａの損傷部分に作用する荷重を軽減することができる。

そして、地盤固結体２３は、土粒子間の結合力を増大させるため、地震時の水平荷重に対する杭頭部１２ａの周囲の剪断抵抗力が増大すると共に、液状化が発生しやすい地盤では液状化を抑制する作用を有する。このため、上述の支持力上昇作用と相俟って、有効に耐震補強することができる。

また、図示の形態によれば、ジェットグラウト工法による地盤固結体２３の造成に際して、基礎１１のスラブを斫ることなく、パイプ４１の挿入するための小径の孔を穿孔するだけなので、容易に施工可能であり、施工による建築物１への影響が小さくて済む。また、従来工法のように杭頭部１２ａの周囲を掘削することはないので、上部地盤２１の軟化による支持力低下も生じ得ず、建築物１の基礎１１の平面中央部付近に位置する杭頭部１２ａの補強も、何ら支障なく行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、地盤固結体２３の造成手段としてジェットグラウト工法を採用したが、薬液注入工法を採用することも可能である。この薬液注入工法も、基本的には同様に、基礎１１のスラブから上部地盤２１中に注入パイプを用いてグラウト等の地盤改良材を注入するものである。

次に、地震によって杭頭部に損傷を生じた杭に対して、ジェットグラウト工法を用いた耐震補強工事に先立って、本発明による杭頭部の補強方法の妥当性に関する実験を行った例について説明する。

図３は、この実験のための施工を示す平面図、図４は図３におけるIV−IV断面図である。すなわちこの実験では、図３及び図４に示されるように、補強する杭として鋼管杭を想定し、地盤２に139.8φの鋼管杭１２０を、1250mm間隔で鉛直に２本挿入し、この鋼管杭１２０，１２０間の中間位置と、そこから鋼管杭１２０，１２０を通る直線上を1250mm隔てた位置（合計３ヵ所）で、ジェットグラウト工法の一種であるＪＳＧ工法により約1800φの地盤固結体２３を地盤２中に施工し、以下の試験によって、その施工性を確認した。

なお、試験体の作成は、図４に示されるように、まず鋼管杭１２０の施工後に、地表面を、建物の基礎底板に見立てた土間コンクリート１１０で覆い、その上から、ＪＳＧ工法による地盤固結体２３を地盤２中に造成した。ＪＳＧ工法による施工の仕様は、表１のとおりとした。

［固結体の圧縮試験］：地盤固結体２３から、86φの円柱状のコア２３ａを抜き取り、このコア２３ａから複数の試験体Ｔを採取して圧縮強度試験を行い、表２に示される圧縮設計基準強度（ジェットグラウト工法技術資料；日本ジェットグラウト協会；平成１６年９月）以上であるかを確認した。なお、コア抜きの位置は、図３に示されるように、鋼管杭１２０の近傍であって、２本の地盤固結体２３の造成領域が重なっている部分とした。また、試験体Ｔの採取は、コア２３ａの上部（地表面より40cmの深さに相当）と、中間部（地表面より70cmの深さに相当）と、下部（地表面より130cmの深さに相当）の３ヵ所から１ピースずつ、計３ピースとした。

表３は、上記圧縮試験の結果を示すものである。この表３に示されるように、試験体Ｔ（地盤固結体２３）の圧縮強度は最低でも3.57MN/m^２、平均4.43MN/m^２であり、いずれも表２に示される圧縮設計基準強度（3MN/m^２）を満足するものであった。また、コア抜きの際に、土間コンクリート１１０と地盤固結体２３の境界部分を観察したところ、土間コンクリート１１０と地盤固結体２３が隙間なく密着しており、地盤固結体２３が基礎の下面まで十分に造成されることが確認された。

［鋼管杭の引抜試験］：次に、図３及び図４に示される鋼管杭１２０を、地盤固結体２３から引き抜き、このときの引抜抵抗から鋼管杭１２０と地盤固結体２３の付着力を測定し、先の表２に示される付着設計基準強度以上であるかを確認した。図５は、この引抜試験の方法を概略的に示す説明図で、この図５に示されるように、ジャッキａによって鋼管杭１２０に鉛直上方への引抜荷重を与え、それによる変位を、変位計ｂで測定した。

なお、引き抜きは２本の鋼管杭１２０の双方について行い、１本目は極限引抜力（付着力）を確認するため、大きな引抜荷重を設定し（１サイクル85kN；2ステップ）、２本目の引抜荷重は、１本目の試験結果に基づいて設定し（１サイクル20kN；10ステップ）、２本目で詳細な極限引抜力を測定することとした。また、測定時間は、各サイクルごとに0，1，2，5，10分とした。

１本目の引抜試験では、１ステップ目（引抜荷重85kN）から２ステップ目（引抜荷重170kN）へ引抜荷重を上昇させる途中で、地盤固結体２３との付着力がなくなり、鋼管杭１２０の急激な抜け上がりと同時に荷重が上昇しなくなった。計測モニタによる目視確認によれば、極限引抜荷重は約115kNと推測された。なお、１ステップ目（引抜荷重85kN）の変位量は0.285mmであった。また、極限引抜荷重を115kNとすると、鋼管杭１２０の外周面の付着力は、鋼管杭１２０の根入長さが1500mmであることから、
115000N／6585cm^２＝17.5N/cm^２
となる。

次に、２本目の引抜試験では、８ステップ目（引抜荷重160kN）に移行する前に、荷重値の荷重値の上昇がみられなくなる現象が現われた。図６は、２本目の引抜試験において計測された７ステップ目（引抜荷重140kN）までの鋼管杭の上方変位量を各ステップの引抜荷重と対応させて示す線図、図７は、同じく鋼管杭の上方変位量を引抜荷重と対応させて対数目盛で示す図である。これらの図から明らかなように、極限引抜荷重は140〜160kNの間にあると推測され、計測モニタによる目視確認から、極限引抜荷重は150kNであると判断した。また、極限引抜荷重を150kNとすると、鋼管杭１２０の外周面の付着力は、鋼管杭１２０の根入長さが1500mmであることから、
150000N／6585cm^２＝22.8N/cm^２
となる。

このため、１本目及び２本目の引抜試験の結果、いずれも、鋼管杭１２０の外周面の付着力が、上述の表２に示される付着設計基準強度16.7N/cm^２を満足する値が得られた。

したがって、上述の実験結果から、地盤固結体２３の圧縮強度及び付着力が、いずれも設計基準値を上回ることから、本発明の方法には施工性に問題がないことが確認された。

本発明に係る杭頭部の補強方法を示す鉛直断面図である。本発明に係る杭頭部の補強方法により造成される地盤固結体と杭頭部との平面上の位置関係を示す説明図である。本発明による杭頭部補強方法の妥当性に関する実験のための施工を示す平面図である。図３におけるIV−IV断面図である。本発明による杭頭部補強方法の妥当性に関する実験のうち、引抜試験の方法を概略的に示す説明図である。２本目の引抜試験において計測された鋼管杭の上方変位量を、各ステップの引抜荷重と対応させて示す線図である。２本目の引抜試験において計測された鋼管杭の上方変位量を、引抜荷重と対応させて対数目盛で示す線図である。従来の技術の一例として、杭頭部鋼管巻工法を概略的に示す説明図である。従来の技術の他の例として、増し杭工法を概略的に示す説明図である。

符号の説明

１建築物
１１基礎
１２，１２Ａ杭
１２ａ杭頭部
１３基礎梁
１４フーチング
２地盤
２１上部地盤
２１ａ掘削孔
２２支持地盤
２３地盤固結体
３グラウト（地盤改良材）
４ジェットグラウト装置

Claims

杭頭部の周囲地盤に地盤改良材を注入することによって、前記杭頭部の外周面に付着した地盤固結体を造成することを特徴とする杭頭部の補強方法。
地盤固結体を、杭の上に構築された上部構造体の基礎底面と接した状態に造成することを特徴とする請求項１に記載の杭頭部の補強方法。
地盤改良材の注入を、ジェットグラウト工法又は薬液注入工法により行うことを特徴とする請求項１に記載の杭頭部の補強方法。