JP2007277945A - 沈下修正機能付き構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】上部構造を支持する基礎等の下部構造に不同沈下が生じ、上部構造が傾斜したときに、下部構造を不同沈下させたまま、上部構造の傾斜の修正を可能にする。
【解決手段】地中、もしくは地上に構築される下部構造２と、下部構造２から構造的に分離し、下部構造２上に構築される上部構造３と、下部構造２と上部構造３との間に介在し、上部構造３を下部構造２に対して相対移動自在に支持する支承体４から沈下修正機能付き構造物１を構成し、下部構造２の上面と上部構造３の下面の少なくともいずれか一方を下に凸の曲面に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は上部構造を支持する基礎等の下部構造に不同沈下が生じ、上部構造が傾斜したときに、下部構造を不同沈下させたまま、上部構造の傾斜の修正を可能にする沈下修正機能付き構造物に関するものである。

軟弱地盤や液状化の可能性のある地盤上に構造物を構築した場合、構造物が支持層に到達する杭で支持される場合を除き、地盤の圧密沈下、地震による地盤の変状により構造物が不同沈下を起こすことがある。

地震によって不同沈下を起こした構造物に対しては構造物の下からジャッキアップする方法が一般的であるが（特許文献１、２参照）、構造物の基礎の底面より下の深度まで一旦、地盤を掘削し、ジャッキを設置しなければならないため、不同沈下している構造物の傾斜を直接的に修正することはできない。

沈下した構造物と地盤との間にグラウトを充填することにより構造物の沈下分を上昇させる方法もあるが（特許文献３、４参照）、構造物の内部にグラウト注入のためのパイプ、及びそれに付随する装置を持ち込む必要があるため、構造物内部での生活や営業等の機能を一時的に停止させなければならない。グラウトの注入後、グラウトが硬化するまでの間も引き続き、構造物を使用状態に置くことができないため、構造物内部の機能を回復させるまでに多くの時間を要する。

また上記ジャッキアップの方法とグラウト注入の方法のいずれも、構造物の傾斜を修正する以前にそのための準備作業が不可欠であるため、工期の長期化が避けられない。

一方、構造物の下の地盤中に予め中空の球体や柱状体を埋設しておき、不同沈下の発生後にこれら中空体の内部に非圧縮性流体を充填させ、中空体を膨張させることにより沈下した部分を上昇させる方法がある（特許文献５、６参照）。

特開平６−３３４７５号公報（請求項１、段落０００９〜００２０、図１〜図３） 特開２００３−２５３６９３号公報（請求項１、段落００２０〜００３１、００３３〜００４７、図１〜図９） 特開平７−２７９４４１号公報（請求項１、段落０００５〜０００８、図１〜図３） 特開２００５−２７３１３６号公報（請求項１、段落００１６〜００２３、図２〜図７） 特開２００３−１９３４８９号公報（請求項１、段落００１０〜００２０、図１、図２、図５、図６） 特開２００４−２１８２０１号公報（請求項１、段落００１２〜００２２、図１〜図３、図８、図９）

特許文献５、６の方法では中空体内への非圧縮性流体の充填によって沈下量分を上昇させるため、地盤沈下による構造物の傾斜を修正することはできる。しかしながら、中空体内への非圧縮性流体の充填が沈下の検知に基づいて行われるため、検知手段を必要とする上、非圧縮性流体の充填を能動的に制御しなければならないため、複雑なシステムが必要になる。

本発明は上記背景より、地盤、もしくは下部構造の沈下に伴って発生した構造物の傾斜を準備作業を要することなく、直接的に修正することが可能な沈下修正機能付き構造物を提案するものである。

請求項１に記載の発明の沈下修正機能付き構造物は、地中、もしくは地上に構築される下部構造と、この下部構造から構造的に分離し、下部構造上に構築される上部構造と、下部構造と上部構造との間に介在し、上部構造を下部構造に対して相対移動自在に支持する支承体とを備え、前記下部構造の上面と前記上部構造の下面の内、少なくともいずれか一方が下に凸の曲面であることを構成要件とする。

ここで、下部構造の上面と上部構造の下面が共に平坦面であれば、下部構造に生じた不同沈下に伴って上部構造が傾斜した状態から、上部構造は下部構造の上面に沿って滑動できるが、下部構造の上面上を平行移動できるだけであるから、傾斜が修正されることはない。平坦な下部構造の上面と上部構造の下面間に介在する転がり支承や滑り支承等は上部構造を下部構造に対して自由に平行移動させるものの、上部構造を傾斜前の状態に復帰させることはない。

例えば図３に示すように上部構造が下に凸の、複数個の曲面上に載っている場合において、上部構造が下部構造に対して相対移動したとき、各曲面上の支承（回転体）の、曲面に対する水平変位量と鉛直変位量は等しい。このため、下部構造が不同沈下を起こし、傾斜した状態から支承が曲面上を移動したとき、上部構造は下部構造に対して浮き上がることができるものの、平行移動できるだけである。よって支承が下部構造上を移動しても全体的には上部構造も下部構造の傾斜に合わせて傾斜したままであり、上部構造に回転が生じ、上部構造の傾斜が修正されることはない。

これに対し、請求項１では下部構造の上面と上部構造の下面の内、少なくともいずれか一方が下に凸の曲面であることで、上部構造が曲面の曲率中心を中心とし、下部構造に対して回転することができるため、下部構造に不同沈下が残っている状況下においても、上部構造を回転させ、傾斜を修正することが可能になる。請求項１では下部構造の上面と上部構造の下面が共に、下に凸の曲面である場合を含む。

上部構造は下部構造の上面が曲面で、上部構造の下面が平坦面である場合には下部構造の上面の曲率中心を中心として回転することができ、下部構造の上面が平坦面で、上部構造の下面が曲面である場合には上部構造の下面の曲率中心を中心として回転することができる。共に曲面である場合には、上部構造はその下面の曲率中心を中心として回転することができる。

図１−（ｂ）に破線で示すように下部構造の不同沈下に起因して上部構造が傾斜したときには、不同沈下を起こした下部構造を沈下させたまま、上部構造に水平方向、または下部構造上面、もしくは上部構造下面がなす曲面の接線方向の成分を持つ荷重を加えるだけで、実線で示すように上部構造を下部構造上面、もしくは上部構造下面の曲率中心を中心として回転させ、傾斜を修正することが可能になる。

上部構造が回転するとき、各支承体は縦断面上、前記曲面の曲率中心を中心とする円弧に沿って移動する。上部構造の下面が円筒面や球面のように一定の曲率を有する曲面の場合には、図２に示すようにこの円弧上に位置する複数個の支承体の水平移動距離（水平変位量）はほぼ等しいが、鉛直移動距離はレベル（深さ）毎に相違し、浅いレベルの支承体の鉛直移動距離（鉛直変位量）が大きくなる。

このように浅いレベル（上部構造寄り）の支承体の鉛直移動距離が大きくなることで、上部構造の前記曲率中心回りの回転が許容されることになる。図２では支承体が回転体の転がり支承である場合を示しているが、必ずしもその必要はなく、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）その他の低摩擦材を用いた滑り支承等の場合もある。

請求項１では下部構造の上面と上部構造の下面の少なくともいずれか一方が下に凸の曲面を形成するため、例えば支承体が円柱体や球体等のような回転体である場合、回転体は自ら回転しながら下部構造の上面と上部構造の下面に沿って転動することにより、または下部構造と上部構造に対する位置を変えずに回転することにより上部構造を前記の曲率中心を中心として回転させる。下部構造の上面と上部構造の下面が形成する曲面は必ずしも１個の曲率を持つとは限らず、複数の曲率を持つ場合もある。

下部構造の上面と上部構造の下面が共に曲面の場合、各曲面の曲率中心は必ずしも一致している必要はないが、下部構造と上部構造との間に介在する支承体が複数ある場合において、その支承体の厚さや大きさを一定にする上では、請求項２に記載のように下部構造の上面と上部構造の下面が共に同一の曲率中心を有する曲面に形成される。この場合、下部構造上面の曲面と上部構造下面の曲面の曲率中心が一致する。下部構造上面の曲面と上部構造下面の曲面の曲率中心が一致しない場合、下部構造上面の曲面の曲率が上部構造下面の曲面の曲率より小さい場合と大きい場合がある。

前記のように傾斜した上部構造に水平方向、または曲面の接線方向の荷重を加えるのみで傾斜の修正を行うことができることで、上部構造の下に地盤の掘削によるジャッキアップのための空間を確保する必要はなく、上部構造の内部にグラウト注入のための装置を搬入する必要もないため、上部構造の修正のための準備作業が一切必要でなくなる。この結果、上部構造の使用を継続したままの作業が可能であり、必ずしも構造物の機能を停止させる必要がない。仮に停止の必要がある場合でも、上部構造の内部に装置を搬入する必要がないため、停止期間を最短で済ませることが可能である。

上部構造は免震支承によって下部構造に支持されているため、上部構造を前記の曲率中心回りに回転させるために必要な荷重は例えば沈下した上部構造をジャッキアップするのに要する力より小さくて済む。この荷重は特に請求項３に記載のように支承体が回転体からなり、複数ある場合に、より小さくすることが可能になる。請求項３の場合、支承体は転がり支承になるため、滑り支承等の場合より上部構造の滑動時に発生する摩擦力が小さくなることによる。

上部構造を回転させる上では、下部構造の上面、もしくは上部構造の下面が例えば円筒面等のような一次曲面、または楕円体面（楕円曲面）のような二次曲面の一部を構成していればよい。二次曲面は二方向に曲率中心を持つ曲面であるが、二方向の曲率中心が同一になった場合が球面になる。曲面が球面である場合、回転体は球体になる。

曲面が球面の場合には上部構造を任意の方向に回転させる際にも曲率中心が一定しているため、水平面に対する荷重の作用方向を一定にすることが可能である。具体的には、上部構造の外周部における曲面の接線方向が水平面に対して同一方向になるため、上部構造に荷重を加える二方向のジャッキ等の加力装置の加力方向を統一することが可能である。

上部構造が下部構造に対して独立して回転可能であることで、上部構造は下部構造が不同沈下を起こさなくても、地震や強風によって回転変位する可能性があるが、上部構造の無秩序な挙動は風荷重等に対する抵抗要素であるダンパー等の振動吸収装置を介して下部構造や地盤に連結されることで回避される。振動吸収装置は風荷重と地震による上部構造の振動を吸収し、上部構造の安定性を確保する。

上部構造と下部構造が分離し、両者間に、上部構造を下部構造に対して相対移動自在に支持する支承体が介在することで、上部構造は下部構造に対して独立し、下部構造上を滑動することができる。また下部構造上面と上部構造下面の少なくともいずれか一方が下に凸の曲面であることで、上部構造が下部構造上を回転できるため、下部構造に不同沈下が残っている状況下においても、上部構造の傾斜を修正することができる。

上部構造は免震支承となる支承体を介して下部構造に支持されているため、上部構造を回転させるために必要な荷重は沈下した上部構造を直接ジャッキアップするのに要する力より小さくてよい。特に支承体が複数の回転体からなる場合には上部構造を回転させる際の摩擦力が低減されるため、より小さくて済む。

上部構造の傾斜を修正するには上部構造に水平方向や曲面の接線方向の荷重を加えるのみでよいため、上部構造の下にジャッキアップのための空間を確保する必要も、上部構造の内部にグラウト注入のための装置を搬入する必要もなく、上部構造の修正のための準備作業が一切不要になる。この結果、上部構造の使用を継続したままの作業も可能であり、構造物の機能を停止させる必要がない。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１−（ａ）は地中、もしくは地上に構築される下部構造２と、下部構造２から構造的に分離し、下部構造２上に構築される上部構造３と、下部構造２と上部構造３との間に介在し、上部構造３を下部構造２に対して相対移動自在に支持する支承体４とを備え、下部構造２の上面と上部構造３の下面の少なくともいずれか一方が下に凸の曲面である沈下修正機能付き構造物１の構築例を示す。下部構造２は直接基礎に相当する。上部構造３は建築構造物であるか、土木構造物であるかを問わない。

下部構造２の上面と上部構造３の上面のいずれか、または双方が下に凸の曲面であれば、上部構造３を不同沈下し、傾斜した下部構造２上を回転させることができるため、曲面の曲率中心は上部構造３側にあればよい。下部構造２の上面、または上部構造３の下面の形状は円筒面等の一次曲面やそれに近似した形状の曲面に、または球面、回転楕円体面等の二次曲面やそれに近似した形状の曲面、あるいはこれらの曲面が組み合わせられた曲面に形成される。

下部構造２上面と上部構造３下面の双方を下に凸の曲面に形成した場合を示す図面では下部構造２と上部構造３との間に介在する複数個の支承体４の大きさを統一するために、下部構造２上面と上部構造３下面を同一の曲率中心を有する曲面に形成している。この他、下部構造２上面の曲率中心は上部構造３下面の曲率中心より上に位置する場合と下に位置する場合もある。

下部構造２上面と上部構造３下面の曲率中心が相違する場合、支承体４の大きさ、または厚さは下部構造２の平面上の中心部と周辺部とで相違する。例えば下部構造２上面の曲率中心が上部構造３下面の曲率中心より下に位置する場合には、平面上の中心部に配置される支承体４の大きさ、または厚さが周辺部に配置される支承体４より大きくなる。

下部構造２は地盤の圧密沈下、地震による地盤の変状、液状化等、地震により不同沈下を起こす可能性のある地盤上に構築される。

下部構造２の構築後、または構築と並行し、下部構造２の上面上に複数の支承体４を配置してその上に上部構造３を構築することが行われる。上部構造３の構築は支承体４の配置作業と並行して行われることもある。

支承体４には図示するような円柱体や球体等の回転体を用いた転がり支承、またはＰＴＦＥやステンレススチール等の低摩擦材を用いた滑り支承、あるいは滑り支承と積層ゴムを組み合わせた弾性滑り支承等が使用される。転がり支承の場合、支承体４は上部構造３を安定させて支持する上で、少なくとも３個配置される。

特に支承体４に球体を用いる場合には、球体を下部構造２の上面と上部構造３の下面に単に接触させる形で介在させることもあるが、下部構造２の上面側と上部構造３の下面側の少なくともいずれか一方に埋め込むこともある。

下部構造２、または上部構造３に埋め込む場合には下部構造２、または上部構造３に球面を有する凹部が形成され、その凹部から球体の一部が突出する状態で球体が凹部内に収納される。この場合、凹部内で球体が任意の方向に自由に回転できるよう、小球等のベアリングが凹部と球体との間に介在させられる。支承体４に球体を用いる場合、下部構造２上面と上部構造３下面の曲面の形態は一次曲面であるか二次曲面であるかを問わない。

下部構造２上の支承体４上に載った状態で上部構造３を構築した後、上部構造３が地震や強風によって回転変位しないよう、上部構造３と下部構造２や地盤との間に、地震や風による水平力の上部構造３への作用を緩和、または吸収するダンパー等の振動吸収装置が架設される。振動吸収装置は水平２方向に均等に配置される。

図１−（ａ）に示すように沈下修正機能付き構造物１の完成状態から、地震による地盤の液状化、地盤自体の圧密沈下や変状により図１−（ｂ）に示すように下部構造２に不同沈下が生じたとき、上部構造３は破線で示すように下部構造２の不同沈下に起因して傾斜する。

破線の傾斜状態からは上部構造３に、下部構造２上面、もしくは上部構造３下面の曲率中心より下のレベルの、上部構造３の周辺においてジャッキその他の加力装置を用いて水平方向、または曲面の接線方向に力を与えることで、傾斜が修正され、実線で示すように梁や床等の水平材が水平に、柱や壁等の鉛直材が鉛直に復帰させられる。

下部構造２は不同沈下を起こしたまま放置され、上部構造３は地盤の沈下量に応じた沈下を残すことになるが、上部構造３の傾斜が修正され、水平面と鉛直面が確保されれば、下部構造２の不同沈下自体の影響は解消され、上部構造３内部での生活や営業に支障はなくなるため、上部構造３の沈下は許容される。

（ａ）は本発明の沈下修正機能付き構造物の構築時の様子を示した縦断面図、（ｂ）は下部構造に不同沈下が生じ、上部構造が傾斜した後に上部構造の傾斜を修正したときの様子を示した縦断面図である。 本発明における下部構造とその上を移動する回転体の支承体との関係を示した断面図である。 上部構造が下に凸の、複数個の曲面上に載っている、本発明と対比される構造物において、上部構造が下部構造に対して相対移動したときの、下部構造と支承体との関係を示した断面図である。

符号の説明

１………沈下修正機能付き構造物
２………下部構造
３………上部構造
４………支承体

Claims (3)

1. 地中、もしくは地上に構築される下部構造と、この下部構造から構造的に分離し、前記下部構造上に構築される上部構造と、前記下部構造と前記上部構造との間に介在し、前記上部構造を前記下部構造に対して相対移動自在に支持する支承体とを備え、前記下部構造の上面と前記上部構造の下面の内、少なくともいずれか一方は下に凸の曲面であることを特徴とする沈下修正機能付き構造物。
2. 前記下部構造の上面と前記上部構造の下面は共に曲面であり、同一の曲率中心を有することを特徴とする請求項１に記載の沈下修正機能付き構造物。
3. 前記支承体は回転体であり、複数あることを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載の沈下修正機能付き構造物。
   

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