JP2007113202A - 上部構造を支持する基礎構造 - Google Patents

Abstract

【課題】既に伝統的な木杭基礎に具現化されていたパイルドラフト基礎の考え方を具体的数値等で計算できる基礎構造を提供することにある。
【解決手段】杭先端が支持層に達しない深さに設定して地盤中に建て込んだ複数本の摩擦杭と、該摩擦杭の杭頭部とつながる基礎スラブとからなる上部構造を支持する基礎であって、 次式（１） Ｗ＝（ｘ−４）×１５ ｋＮ／ｍ^２ ・・・・式（１） 但し、Ｗは上部構造で考慮する荷重を示す。 ｘは上部構造の地上階数を示す。から上部構造で考慮する荷重Ｗを求め、この荷重Ｗに対して、前記基礎スラブ底面の接地圧及び前記摩擦杭の周面摩擦力の合力で前記上部構造を支持する構成とした上部構造を支持する基礎構造。
【選択図】図６

Description

本発明は上部構造を支持する基礎構造、更に詳しくは、建造物等の上部構造の鉛直荷重
を基礎スラブ底面の接地圧と摩擦杭の周面摩擦力が協働して支持するようにした上部構造
を支持する基礎構造に関する。

建物の基礎には地盤の強度によって直接基礎，地盤改良，杭基礎等が用いられる。これ
らの基礎のうち杭基礎において、杭は地盤との周面摩擦力と杭先端抵抗で支持されるが、
後者の杭先端抵抗を重視したのが支持杭である。

このような従来からある杭先端抵抗力（杭先端支持力）重視の考え方は、杭１本当たりの支持力が大きく見込めるために、建築などの場合は一柱一杭あるいはそれに類した構造形式となることが多く、それがいくつかの問題点を生じさせることにつながっている。すなわち、杭先端支持力重視の考え方を守り通すと、図７に示すように、地盤Ｇ中の支持層Ｇ₁ に根入れされた杭先端Ｃ₀ で突っ張ることで、軟弱地盤Ｇ₂ での地盤沈下という自然の流れに逆らって上部構造Ｋの沈下を阻止するという挙動につながる。スパンごとの不同沈下も生じやすい傾向となる。

その結果、杭Ｃの周面には負の摩擦力ａを生じさせ、上部構造Ｋの基礎スラブＢ底面と沈下した地表面Ｇ₃ との間には、軟弱地盤Ｇ₂ の地盤沈下量に応じた空隙ｈが生じることになる。基礎スラブＢ底面と沈下した地表面Ｇ₃ との間に空隙ｈができたことで、杭頭部Ｃ₃ は地表面Ｇ₃ から上方に突出した突出杭となるので、該突出杭の部分には地震時の水平力に対して過大な応力が発生する恐れが生じる。

地震時にはそれだけでなく、図８（Ｉ）に示すように、杭先端Ｃ₀ が支持層Ｇ₁ に深く根入れされることで杭先端境界条件が固定に近くなり、図８（II）に示すように、杭先端境界付近に過大な応力が発生する恐れがある。また、剛性の変化が激しい中間層境界付近などでも杭応力が過大となる心配があり、一柱一杭の構造形式などの場合は杭の軸力が大きいためにその影響を無視できない。

さらに、横波（水平動）の卓越する海洋型の地震に対して縦波（鉛直動）の卓越する直下型地震では、より一層杭先端Ｃ₀ が良好な支持層Ｇ₁ に根入れされていることが突出杭になり易いことの原因として考えられる。そして、一柱一杭の構造形式の場合、不幸にして１本の杭に損傷などの不具合が生じた時に、それに代わって支持力を発揮する支援部材は存在しないという、所謂フェイル・セーフ（fail-safe ）の機構が無いという心配もある。

このように、杭先端支持力重視の考え方は、地震時も考慮に入れると問題点が急増する
ことを念頭に置く必要があるが、それでは軟弱地盤の場合にはどのような基礎形式が望ま
しいのであろうか。杭基礎が使用されるような軟弱地盤は中間層を含む多層地盤であり、
普段から地盤沈下が進行していることが多い。地盤沈下の原因には地下水汲み上げなど人
為的な理由も含まれることがあるが、地盤沈下のメカニズムそのものは自然の営み自然の
成行きである。その意味で地盤沈下が生じている地域では建物もそれに応じて沈下するこ
とが自然であると言える。

スパンごとの不同沈下が現れて部材にひび割れが生じるということでもない限り、また
過大な鉛直あるいは水平方向の傾斜が生じることなく、図９に示すように、一体的な一様
沈下であればそれは被害とは言えないからである。なお、図中ｂは摩擦杭Ｃの周面に生じ
る正の摩擦力である。

然るに、このような軟弱地盤での杭基礎の問題に対処する方法として、「建築基礎構造
設計指針」2001（編集・発行：日本建築学会）には、直接基礎と杭基礎が複合してその両
者で上部構造を支持するパイルド・ラフト基礎が規定された。そして、「建築基礎構造設
計例集」2004（編集・発行：日本建築学会）に具体的数値等が例示された。

日本建築学会：編集・発行「建築基礎構造設計指針」（2001） 日本建築学会：編集・発行「建築基礎構造設計例集」（2004）

しかし、日本建築学会が編集・発行の前記「建築基礎構造設計指針」（2001）にはパイルド・ラフト基礎の考え方だけを記述しており、また、同じく前記日本建築学会が編集・発行の「建築基礎構造設計例集」（2004）に記載された具体的数値等は例示に過ぎない。そしてまた、直接基礎・杭基礎が複合して支持する場合の杭の継手や杭頭接合は従来の指針を引用しているのみで、本工法に特有な細目は規定されていない。

本発明は、上記のような従来の基礎の問題点を全て解決したものを提供しようとするも
のであり、その目的の一つは、既に伝統的な木杭基礎に具現化されていたパイルドラフト
基礎の考え方を具体的数値等で計算できる基礎構造、詳しくは、基礎スラブ底面の接地圧
と摩擦杭の周面摩擦力が協働して上部構造を支持する本工法に特有な細目を具体的数値等
で計算できる基礎構造を提供することにある。

そして、その他の目的は、地震時に上部構造に発生する水平力に対して突出杭に発生す
る過大な応力を抑え、杭頭部の被害を防止できる上部構造を支持する基礎構造を提供する
ことにあり、更なる目的は、地震時に過大な応力の発生の恐れがある杭先端境界付近及び
剛性の変化が激しい中間層境界付近での杭の被害を防止できる上部構造を支持する基礎構
造を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために成された上部構造を支持する基礎構造であり、
杭先端が支持層に達しない深さに設定して地盤中に建て込んだ複数本の摩擦杭と、該摩擦
杭の杭頭部とつながる基礎スラブとからなる上部構造を支持する基礎であって、
次式（１）
Ｗ＝（ｘ−４）×１５ ｋＮ／ｍ² ・・・・式（１）

但し、Ｗは上部構造で考慮する荷重を示す。
ｘは上部構造の地上階数を示す。

から上部構造で考慮する荷重Ｗを求め、この荷重Ｗに対して、前記基礎スラブ底面の接地
圧及び前記摩擦杭の周面摩擦力の合力で前記上部構造を支持する構成としたことを最も主
要な特徴とするものである。

本発明の上部構造を支持する基礎構造は、上記のように、式（１）から上部構造で考慮
する荷重Ｗを求め、施工現場における平板載荷試験データをもとに、或いはボーリングデ
ータなどをもとに根入れを考慮して決めた基礎スラブ底面の接地圧から、摩擦杭の周面摩擦力，杭径，杭長，杭本数等の杭仕様を計算によって求めることが出来る。また、地震時に過大な応力の発生の恐れがある杭頭部，杭先端境界付近及び剛性の変化が激しい中間層境界付近の杭同士の継手部に無溶接の靭性継手を配置することでの杭の被害を防止することができるといった利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図１乃至図６に基づいて詳細に説明する。図１において、Ａは上部構造Ｋの基礎構造で、地表面Ｇ₃ の下方の地下部分に位置しており、上部構造Ｋの荷重及び上部構造Ｋに加わる各種の外力を地盤Ｇに伝える役目を担っている。この基礎構造Ａは、図１乃至図３に示すように、基礎スラブＢと、該基礎スラブＢと杭頭部で繋がった複数本の摩擦杭Ｃとから構成されており、上部構造Ｋの鉛直荷重はこの基礎スラブ底面の接地圧と前記摩擦杭Ｃの周面摩擦力の合力により支持されている。

また、前記基礎スラブＢは、上部構造Ｋのスパンを２分或いは３分する格子梁１で組み立てられた下部スラブ２及びこの下部スラブ２よりも厚みの小さい上部スラブ３からなる
上下二重スラブのべた基礎で構成されている。この下部スラブ２のスラブ厚さは後述する
理由により３０〜４５ｃｍとすることが望ましいが、格子梁１の間隔によってはこの下部
スラブ２のスラブ厚をある程度調整してもよい。

前記下部スラブ２には、図４に示すように、上杭Ｃ₂ の頭部が下部スラブ２の下面から内部に貫入し埋設されていることで繋がっているが、本発明にあって、この上杭Ｃ₂ の設置位置を、上部構造Ｋの支柱Ｓを支持固定した部分の真下に集中して配置することなく、下部スラブ２に対して均等に配置させる構成としている。上杭Ｃ₂ の頭部が下部スラブ２の下面から所定の深さまで埋設することで、上杭Ｃ₂ の頭部と下部スラブ２とが繋がるようにするためには、構造強度の観点から、下部スラブ２のスラブ厚さを３０〜４５ｃｍ或いはそれ以上とする必要がある。また、地下水位が浅く、過大な浮力が作用するような地盤条件の場合には、下部スラブ２のスラブ厚を上記の範囲内で増減することで荷重調整にも用いる。

前記摩擦杭Ｃはストレート杭または節杭である。この摩擦杭Ｃには、上記のように杭先端抵抗は期待しないので、杭先端Ｃ₀は支持層Ｇ₁に達しない深さに設定する。杭先端が支持層に達しないで杭先端と支持層の間にある区間を設けることは、地盤沈下が予想される地域での建物の沈下と地盤の沈下に差を生じさせないため、長期的に突出杭にならないことと、その区間が直下型地震に対してクッションとなり、地震時に杭頭部が地表に突出する突出杭にならないようにすることを考慮している。また、杭１本あたりの軸力が大きくなり過ぎることがないようにするために、比較的小口径の杭を選定するようにする。すなわち、一柱一杭のような大支持力の杭に代わって、１本ごとの支持力は小さいが多数配置することで全体的な支持力を確保する構成としている。

また、前記上部構造Ｋが大規模で摩擦杭Ｃにかかる荷重が大きい場合には、上部構造Ｋへの地震力の入力を減少させるため、摩擦杭の杭頭部に従来の既製杭の継手方法である現場溶接に代えて、図４に示すような無溶接の靭性継手Ｄを配置する。すなわち、上杭Ｃ₂ ，下杭Ｃ₁ の端板４₂ ，４₁ の突起部に二つ割りの内リング５をかみ合わせて挟み込み、該内リング５の外周を外リング６で拘束して嵌合する継手方式、いわゆる無溶接の靭性継手方式により固定する。

また、地盤Ｇの中間に密な砂礫層とか逆に液状化が予想される緩い砂層とかが存在し、
地盤の応答が急変する可能性のある場合には、図５に示すように、その境界付近にも上記
の構成からなる無溶接の靭性継手Ｄを配置する構成とする。このように、上部構造Ｋが地
震力を受けた場合に、杭頭部，剛性の変化が激しい中間層の境界付近では杭に過大な応力
が発生する恐れがあるが、これらの部分に無溶接の靭性継手Ｄを設けることによって、杭
の被害を防止するものである。

上記構成からなる基礎構造Ａにあって、上部構造Ｋを支持する支持力機構は、基礎スラ
ブＢの底面の接地圧と摩擦杭Ｃの摩擦支持力で構成される。このような上部構造Ｋの荷重
とバランスした支持力を持たせる基礎構造はフローティング基礎と呼ばれる構造形式の考
え方と同様であるが、具体的な検討としては、上部構造Ｋの荷重に替えて、後述する上部
構造で考慮する荷重Ｗを用いる点に特徴があり、また基礎スラブ底面の接地圧に対しても
摩擦杭の周面摩擦力に対しても法規上の長期許容支持力を用いて設計する。

つぎに、中高層の上部構造Ｋを構築する場合、この上部構造の鉛直荷重を支持するため
にはどの程度の大きさの支持力が基礎構造Ａに要求されるのであろうか、その求め方を図
６に示す設計のフローチャート図に基づいて以下に説明する。

先ず、摩擦杭Ｃの先端が支持層に達しないように設定して地盤中に建て込んだ複数本の
摩擦杭Ｃと、該摩擦杭Ｃの杭頭部とつながる基礎スラブＢとからなる上部構造Ｋを支持す
る基礎構造Ａの場合に、この基礎構造Ａに要求される支持力Ｗを下記の式（１）

Ｗ＝（ｘ−４）×１５ ｋＮ／ｍ² ・・・・式（１）

から求める。求められた値Ｗは考慮すべき上部構造Ｋの荷重であり、ｘは上部構造Ｋの地
上階数である。また、数字４は排除した土の重量と新しくできる地下室の重量の差に相応
する階数分である。

上記の式（１）から上部構造で考慮する荷重Ｗを求められる根拠を以下に説明すると、
本実施例では、地下１階（ＧＬー６ｍ）を造ることを原則とし、その部分の土の単位体積
重量を１８ｋN ／ｍ³ と仮定する。また、地下部分の単位体積重量を１８ｋN ／ｍ³ と仮定する。すなわち、地下の空間に対して、コンクリート躯体の占める容積比を３０〜３５％とする。この場合、コンクリートの単位体積重量２４ｋN ／ｍ³ とすれば、地下部分の単位体積重量は、24×(0.30 〜0.35）＝7.2 〜8.4 ｋN ／ｍ³ と推定される。

したがって、排除した土の重量と、新しくできる地下室の重量の差は、18ー８＝10ｋN
／ｍ³ と計算できる。この重量差は地下水があって浮力が生じる場合でも変わらない。ま
た、地下室だけが水中にある場合を想定すると浮くものと考えられる。因みに、液状化地
盤で水の入っていない水槽が浮いた実例がある。

つぎに、地下１階部分を６ｍとしたので、この重量差を単位面積当たりの重量に換算す
れば、10×６＝60ｋN ／ｍ² となる。地上階の１階当たりの重量は12〜15ｋN ／ｍ² と推
定できるので、この重量差を階数に換算すると、60÷（12〜15）＝４〜５階となり、安全
側に見て４階部分がフローティング基礎としてバランスする「重量に対応する上部階数」
と計算できる。したがって、上部階は４階までが土の重量とバランスしており、５階以上
の重量に対してだけ鉛直支持力を考えればよいことになる。地上階の１階当たりの重量は
安全側を考慮して15ｋN ／ｍ² とする。

基礎スラブＢの底面での接地圧は、実際の敷地での平板載荷試験によって又はボーリン
グデータをもとに根入れを考慮して決めることを原則とする。試験が不可能な場合又はボ
ーリングデータが無い場合は、安全側の処置として法規上、軟弱地盤としての最低値であ
る２０kN/m² を用いて計算する。ただし、杭の配置が決まった場合に、杭の占める面積分
は差し引いて計算する。

接地面積の初期値として５０％を仮定し、接地圧に対する杭の摩擦支持力の分担を接地
面積を変えることで繰り返し計算し、最適値を見つける。

杭の支持力は、敷地の地盤条件と、上部構造Ｋの荷重及び接地圧を勘案して定める。す
なわち、上部構造Ｋの荷重から接地圧を差し引いた値に対して、必要な支持力を持つよう
に杭の諸元を決定する。ただし、接地圧を求める面積や、杭径，杭長，杭本数は互いに相
関しているので、何回かの繰り返し計算が必要となる。

そこで、接地圧を求める際の初期値として接地面積は５０％と仮定する。すなわち、杭
が占める面積と半々から始める。この値に対して、杭径と杭長，本数の概算値を求める。
その際、法規で許されている長期許容値としての杭周面摩擦力のみを考慮し、杭先端抵抗
力は無視する。ただし、杭先端位置が支持層あるいはそれに相当する地層でないことを地
盤柱状図等で確認しておくことを必要条件とする。この繰り返し計算をすることで、最終
的に収斂させる。

しかし、摩擦杭といえども、杭先端の地層条件によってはいくばくかの杭先端抵抗力が
生じているのが実状である。したがって、杭の鉛直支持力を杭周面摩擦力と杭先端支持力
の和として計算する。もし、この計算結果が杭周面摩擦力度のみを考慮した長期許容支持
力の１．２倍以上の値を示すようであれば、杭先端の支持力が大き過ぎて杭先端抵抗力重
視の考え方に近過ぎているので、再計算するものとする。
1.1〜1.2 ×Ｒ_ａ＝1.1 〜1.2 ×（1/3)Ｒ_F≦（1/3)（Ｒ_ｐ＋Ｒ_F）

本システムは、地盤沈下が生じている地域では、建物もそれに応じて沈下することが自
然であることを考慮している。決定された最終的な基礎形式について沈下検討を行う。厳
密には、日本建築学会「建築基礎構造設計指針」(2001)に示された詳細検討法によるのが
望ましいが、日本建築学会「建築基礎構造設計指針」(1988)に示された簡便法によって行
ってもよい。

本発明に係る基礎を備えた上部構造の説明図である。 同基礎の断面図である。 同基礎の一部を切り欠いた平面図である。 同基礎の断面拡大部分図である。 本発明に係る基礎を備えた上部構造の地震発生時における作用説明図であ る。 本発明に係る基礎を構成する摩擦杭の杭仕様を求める手順を示すフローチ ャートである。 従来の杭先端が支持層で支持された杭基礎を備えた上部構造の作用説明図 である。 従来の杭先端が支持層に深く根入れされた杭基礎を備えた上部構造の作用 説明図である。 基礎と上部構造とが一体的な一様沈下を示す説明図である。

符号の説明

Ｋ 上部構造
Ａ 基礎構造
Ｂ 基礎スラブ
Ｃ 杭
Ｃ₀ 杭先端
Ｃ₁ 下杭
Ｃ₂ 上杭
Ｄ 靭性継手
Ｇ 地盤
Ｇ₁ 支持層
Ｇ₂ 軟弱地盤
Ｇ₃ 地表面
１ 格子梁
２ 下スラブ
３ 上スラブ
４₁ ，４₂ 端板
５ 内リング
６ 外リング

Claims (8)

1. 杭先端が支持層に達しない深さに設定して地盤中に建て込んだ複数本の摩擦杭と、該摩
   擦杭の杭頭部とつながる基礎スラブとからなる上部構造を支持する基礎であって、
   次式（１）
   Ｗ＝（ｘ−４）×１５ ｋＮ／ｍ² ・・・・式（１）
   
   但し、Ｗは上部構造で考慮する荷重を示す。
   ｘは上部構造の地上階数を示す。
   
   から上部構造で考慮する荷重Ｗを求め、この荷重Ｗに対して、前記基礎スラブ底面の接地
   圧及び前記摩擦杭の周面摩擦力の合力で前記上部構造を支持する構成としたことを特徴と
   する上部構造を支持する基礎構造。
2. 前記基礎スラブは、前記上部構造のスパンを２分あるいは３分する格子梁で組み立てら
   れた上下二重の基礎スラブのべた基礎であることを特徴とする請求項１記載の上部構造を
   支持する基礎構造。
3. 前記基礎スラブを構成する下部スラブのスラブ厚は３０〜４５ｃｍであることを特徴と
   する請求項２記載の上部構造を支持する基礎構造。
4. 前記摩擦杭はストレート杭又は節杭であり、前記上部構造で考慮する荷重Ｗから基礎ス
   ラブ底面の接地圧を差し引いた値に対して必要な（摩擦）支持力を持つように、前記摩擦
   杭の杭仕様を決定する構成としたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一つに記
   載の上部構造を支持する基礎構造。
5. 前記摩擦杭の周面摩擦力は、摩擦杭の先端支持力も含めた全鉛直支持力から杭先端支持力を差し引いた値であって、長期許容支持力の１．２倍以下の値であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一つに記載の上部構造を支持する基礎構造。
6. 前記摩擦杭は前記基礎スラブ底面に対して均等に配置したことを特徴とする請求項１〜
   ５のうちいずれか一つに記載の上部構造を支持する基礎構造。
7. 上部構造が大規模で摩擦杭にかかる荷重が大きい場合には、上部構造への地震力の入力
   を減少させるため、摩擦杭の杭頭に無溶接の靭性継手を配置することを特徴とする請求項
   １〜６のうちいずれか一つに記載の上部構造を支持する基礎構造。
8. 地震時に過大な応力の発生の恐れがある杭先端境界付近及び剛性の変化が激しい中間層
   境界付近の摩擦杭同士の継手部に無溶接の靭性継手を配置することを特徴とする請求項１
   〜７のうちいずれか一つに記載の上部構造を支持する基礎構造。
   
   

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