JP2008208631A

JP2008208631A - 杭基礎の耐震補強構造

Info

Publication number: JP2008208631A
Application number: JP2007046931A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Imamura; 眞一郎今村
Original assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Current assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】杭基礎において、巨大地震時の地盤大変形に伴う杭の損傷対策として固化改良で対応しながら、周辺地盤の水平地盤反力の確保にも対応できる複合的な耐震補強構造を提供する。
【解決手段】杭基礎１の地盤中に、杭２に隣接させて固化工法により造成する改良体３を、深さ方向に間隔を開けて配置する（改良体３ａ・３ｂ・３ｃ）。さらに、杭基礎１の周辺地盤に、透水性を具備するドレーン材６を埋設する。具体的には、改良体３ａ・３ｂ・３ｃを、杭基礎１の周辺地盤にも配置する。そして、ドレーン材６を、改良体３ａ・３ｂ・３ｃの外周側近傍に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、杭基礎の固化改良による耐震補強構造に関する。

例えば、兵庫県南部地震時の液状化に伴う構造物基礎の損傷・破壊メカニズムなどは複雑な現象であり、これらの現象に関する研究開発期間が短いこともあって、地震直後の復旧工事では、応急処置的な補強工事として行われ、その補強工事は杭基礎周辺の固化改良や連続地中壁や増し杭を基礎外周に打設するなど、必ずしも合理的な設計・施工とは言えないものであった。
最近の事例では、道路や鉄道などの橋梁基礎を中心にマイクロパイルや斜杭により耐震補強、薬液注入による地盤改良などが提案され、実際に施工が行われつつある。
液状化対策を含め、耐震補強対策として行われる地盤改良は、杭周辺の締固め、固化（例えば特許文献１参照）、排水（例えば特許文献２参照）などの原理に基づく工法、ならびに構造的改良として、杭径、杭剛性を増大した増杭などが挙げられる。
近年では地震周期から巨大地震の襲来が高い確率で予測されている。例えば、兵庫県南部地震では、地震動の大きさも過去例がなかったもので数多くの基礎構造物に甚大な被害を与えた。兵庫県南部地震後、各研究機関で精力的な研究が進められてきたが、被害メカニズムは十分に解明されておらず、経済的で合理的な耐震補強工法が確立されていないのが実状である。
従って、次のような在来工法単独では耐震補強効果が十分でないと考えられる。
１）「地盤改良」：薬液注入工法、浸透固化工法など
２）「構造的改良」：増し杭、連壁の打設、マイクロパイル、斜杭の打設等
３）「杭頭免震工法」：ベアリング、積層ゴムなど
特開２００３−１５５７５２号公報特開２００４−２７８０４４号公報

以下に在来工法の主な課題を述べる。
１）「地盤改良」：薬液注入工法、浸透固化工法など
・現行の各示方書、基準などに基づく液状化対策範囲は大きく、液状化対策用の注入材料（シリカ材等）の材料費も高いため、施工費が高くなる。
・特許文献１のように、杭の水平断面方向に変形拘束壁（補強体）を施工し、さらに、例えば深さ方向に間隔を開けて積層状に部分改良された地盤改良と杭基礎による複合体は、地震動の発生に伴い周辺地盤が液状化すると地盤反力が取れないため、杭基礎全体にとって危険な状態になる可能性がある。例えば層状をなす部分改良方法によれば、改良層間の未改良部や杭基礎下端において過大な杭応力の発生が懸念される。よって、杭基礎構造物にとっては、杭基礎直下を全面的に改良する必要が望まれる。
２）「構造的改良」：増し杭、連壁の打設、マイクロパイル、斜杭の打設等
・既設構造物の場合、斜杭の打設スペースの確保が難しい。
・地中連続壁の施工費が高く、囲まれた範囲を全て施工する地盤改良と組み合わせると、さらにコスト高となる。
３）「杭頭免震工法」：ベアリング、積層ゴムなど
・既設構造物の場合、供用中の構造物に対して施工が困難で、施工スペースの確保の問題がある。
・深い地中における杭の損傷対策が必ずしも期待できない。

本発明の課題は、杭基礎において、巨大地震時の地盤大変形に伴う杭の損傷対策として固化改良で対応しながら、周辺地盤の水平地盤反力の確保にも対応できる複合的な耐震補強構造を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、杭基礎の地盤中に、杭に隣接させて固化工法により造成する改良体を、深さ方向に間隔を開けて配置して、前記杭基礎の周辺地盤に、透水性を具備するドレーン材を埋設した、杭基礎の耐震補強構造を特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の杭基礎の耐震補強構造であって、前記改良体を、横方向に並ぶ杭に対し間隔を開けて交互に配置したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の杭基礎の耐震補強構造であって、前記改良体を、前記杭基礎の周辺地盤にも配置したことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の杭基礎の耐震補強構造であって、前記ドレーン材を、前記改良体の外周側近傍に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、部分改良と排水工法を組み合わせることで、従来の固化工法による全断面、部分改良に比べて、トータルコストを低減することが可能であり経済的である。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
初めに、本耐震補強構造は、既設・新設に関わらず杭基礎構造物の直下や周辺地盤が地震時の液状化に伴い、杭を支える地盤の水平地盤反力がゼロになっても、深さ方向に対して、杭の水平断面方向に改良体を部分的に造成することで、強地震時の地盤の大変形に伴う杭の大きな損傷、折損を防ぎ、ならびに杭頭部での破壊など壊滅的な被害を防止するものである。さらに、周辺地盤に排水材を設置することで、周辺地盤の水平地盤反力を確保する複合的なものである。

本耐震補強構造による効果
１）改良範囲の縮減化
・液状化層における構造物基礎杭に対して、固化工法により改良体を水平断面方向に層状、あるいは交互に造成することで、液状化に伴い失われた杭間の地盤反力を改良体により杭の変形を抑制させ、構造物基礎直下や周辺の地盤が液状化によって発生する杭頭や杭の損傷、破壊を防止できる。
・改良体は、建物の重要度、許容する変形の程度によって、固化体の配置方法、改良径および強度を調整することで水平対抗を想定通りに任意調整できるため、地震時の液状化地盤における杭基礎の構造物の被害を最小限に抑制できる。

２）排水工法による水平抵抗の確保
・周辺地盤が液状化してしまうと、水平地盤反力がゼロに近くなるため、周辺地盤には確実な水平地盤反力が必要となる。よって、杭基礎近傍に設置した排水工法により地盤の水平抵抗を保持することで、部分改良による固化工法の対策範囲をより縮減することも可能であり、地盤改良率、つまり注入量の縮減ができるため、安価な施工の実現を可能にする。
なお、ドレーン材は、その性能および仕様、現場条件に合わせて設置間隔、設置位置を適切に設定する。また、設置深さは実施した検証実験に基づくと、周辺地盤の水平地盤反力を得るためには、ドレーン材を液状化層の下端まで設置する方が望ましい。
・複合的な工法ゆえに、コストが高くなると考えられるが、周辺地盤に確実な水平抵抗を確保できるため、薬液注入固化改良やセメント固化改良による改良層の厚さを薄くすることも可能である。

３）施工性
固化工法および排水工法は、施工機械も軽量で小型であることから、過密な都市部や施工スペースが小さい場合での施工も実施可能である。また、固化工法では改良位置、改良深度によって、曲がりボーリングによる注入施工により改良体を造成することができる。

４）汎用性
小規模から大規模の既設構造物への適用が可能であり、岸壁背面や河川際に建設された橋梁基礎のような側方流動を受ける可能性のある既設の杭基礎構造物に対しても適用できる。

〔第１実施形態〕
図１および図２は本発明を適用した杭基礎の耐震補強構造の第１実施形態を示すもので、１は既設構造物（杭基礎）、２は杭、３は改良体、５は支持地盤、６はドレーン材である。

実施形態では、図１に示すように、杭基礎による既設構造物１が多数の杭２の上に支持され、杭２は支持地盤５まで達して施工されている。そして、杭２に隣接させて固化工法により造成する改良体３を、深さ方向に間隔を開けて層状に配置した構造としている。

図示例では、三層の改良体３ａ・３ｂ・３ｃで、例えば断面角形で一列に並ぶ杭２にオーバーラップして直線状に造成されていて、鉛直方向において互いに平行に配置されている。また、改良体３ａ・３ｂ・３ｃは、杭２の外側の周辺地盤まで突出している。なお、最上部の改良体３ａは既設構造物１にも隣接しており、上下方向の厚さは、最上部の改良体３ａが最も厚く、次に中間部の改良体３ｂで、最下部の改良体３ｃが最も薄いものとなっている。また、改良体は２層、３層以上でもよいが、土質、地盤構成に応じて検討することが必要である。この改良厚さの設定は，土質，地盤構成によって変わるものであり、事前の有効応力解析などに応じて、それぞれ適切に厚さを決めることが望ましい。

以上において、改良体３は、注入材をシリカ系などの液状化対策用の薬液とし、例えば杭基礎による既設構造物１の近傍に構築した立坑から地盤改良により造成したり、または、改良位置や深度に対応して曲がりボーリングによる注入施工により造成する。
このように、固化工法による改良体３を、杭２の深さ方向に間隔を開けて造成することで、改良範囲の減縮化、施工性、汎用性の面での効果が以下のように得られる。

Ａ．改良範囲の減縮化
１）地震時の液状化により構造物基礎直下や周辺地盤の反力が失われた場合において、杭２に対し深さ方向に間隔を開けて配置した改良体３によって、液状化に伴う杭２の変形を抑制できる。従って、液状化によって発生する杭頭や杭２の大きな損傷、破壊を防止できる。
２）改良体３は、建物の重要度、許容する変形の程度によって、固化体の改良径や強度を調整することで、水平抵抗を自在に調整できる。
３）従来で採用される固化工法による対策範囲を大幅に縮減でき、材料を低減できる。従って、安価なコストによる施工を実現できる。

Ｂ．施工性
改良体３を、改良位置や深度に対応して曲がりボーリングによる注入施工により造成することで、注入工法は施工機械も軽量で小型であることから、過密な都市部や施工スペースが小さい場合でも施工できる。

Ｃ．汎用性
１）改良体３を、注入材をセメント系とし、杭基礎による既設構造物１の近傍に構築した立坑から地盤改良により造成することで、軟弱粘性土地盤に対しても適用できる。
２）小規模から大規模の既設構造物への適用が可能であり、岸壁背面や河川際の橋梁基礎のような側方流動を受ける可能性のある既設の杭基礎構造物に対しても適用できる。

さらに、実施形態では、図１および図２に示すように、既設構造物１の周辺地盤に、透水性を具備するドレーン材６を垂直に埋設している。このドレーン材６は、例えば内外周を貫通する多孔質で透水性を具備する中空プラスチック材を腐食布で巻いたものである。

図示例では、改良体３ａ・３ｂ・３ｃの外周側近傍にドレーン材６が配置されている。そして、ドレーン材６は、図２に示すように、平面視方形状の既設構造物１の四隅部から放射状に配置されるとともに、既設構造物１の四辺部の中央部からも放射状に配置されている。さらに、ドレーン材６は、その下端が支持地盤５まで達して埋設されている。
なお、図１および図２に示したドレーン材の設置数、打設位置は代表事例であり、ドレーン材の打設本数多く増やするほど耐震補強効果はより向上する。

このように、既設構造物の周辺地盤にドレーン材６を埋設したため、巨大地震時において、支持地盤５上の地盤が液状化した際、その液状化地盤内の過剰間隙水がドレーン６の外周から浸透して内部に流れ込み、間隙水はドレーンの内部を通り地上に向かって噴出する。
従って、以下の効果が得られる。

Ｄ．排水工法による水平抵抗の確保
１）周辺地盤が液状化してしまうと、地盤反力がゼロに近くなるため、周辺地盤には確実な水平地盤反力が必要となる。よって、杭基礎近傍に設置したドレーン材６による排水工法により地盤の水平抵抗を保持することで、部分改良による固化工法の対策範囲をより縮減することも可能であり、注入量が少なく安価な施工を実現できる。
２）複合的な工法ゆえに、コストが高くなると考えられるが、周辺地盤に確実な水平抵抗を確保できるため、薬液注入による改良層の厚さを薄くすることができる。

〔第２実施形態〕
図３は本発明を適用した杭基礎の耐震補強構造の第２実施形態を示すもので、前述した第１実施形態と同様、１は既設構造物（杭基礎）、２は杭、５は支持地盤、６はドレーン材であって、４は球状改良体である。

すなわち、第２実施形態では、図示のように、杭２に対し深さ方向に間隔を開けるとともに、横方向に並ぶ杭２に対し間隔を交互に開けて球状改良体４を配置した構造としている。球状改良体４は、図示のように、横方向に並ぶ二本の杭２に各々オーバーラップして、鉛直方向及び水平方向において互いに間隔を開けて交互に造成されている。

なお、球状改良体４は、前述した第１実施形態の改良体３と同様、注入材をシリカ系などの液状化対策用の薬液とし、例えば杭基礎による既設構造物１の近傍に構築した立坑から地盤改良により造成したり、または、改良位置や深度に対応して曲がりボーリングによる注入施工により造成する。
このように、固化工法による球状改良体４を、杭２の深さ方向に間隔を開けて配置するとともに、横方向に並ぶ杭２に対し間隔を開けて交互に造成することで、前述した第１実施形態と同様、改良範囲の減縮化、施工性、汎用性の面での効果が得られることに加えて、以下の効果が得られる。

Ａ．改良範囲の減縮化
４）未対策地盤における杭基礎では、地震動の発生に伴い地盤が液状化すると、杭の反力がとれないため、極めて危険な状態になる。例えば、深さ方向に間隔を開けた積層状をなす部分改良方法では、すなわち、前述した第１実施形態のように、深さ方向に間隔を開けて改良体３を配置しただけでは、未改良部において過大な杭応力の発生が懸念されるが、横方向に並ぶ杭２に対し間隔を開けて交互に配置した球状改良体４によって、杭２の反力を得ることができる。

図４はドレーン材配置パターンの他の例を示したもので、図示例において、ドレーン材６は、図２の例と対比して、既設構造物１の四隅部および四辺部中央部から大きく離間して配置されている。

なお、以上の実施形態においては、既設構造物の杭基礎としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、新設構造物の杭基礎に適用しても良い。
また、改良体やドレーン材の形状や数や配置の仕方等も任意であり、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明を適用した杭基礎の耐震補強構造を示すもので、第１実施形態の構成を示した縦断面図である。図１のドレーン材の配置を示した平面図である。本発明を適用した杭基礎の耐震補強構造を示すもので、第２実施形態の構成を示した縦断面図である。ドレーン材配置パターンの他の例を示した平面図である。

符号の説明

１杭基礎
２杭
３（３ａ・３ｂ・３ｃ）改良体
４球状改良体
５支持地盤
６ドレーン材

Claims

杭基礎の地盤中に、杭に隣接させて固化工法により造成する改良体を、深さ方向に間隔を開けて配置して、
前記杭基礎の周辺地盤に、透水性を具備するドレーン材を埋設したことを特徴とする杭基礎の耐震補強構造。
前記改良体を、横方向に並ぶ杭に対し間隔を開けて交互に配置したことを特徴とする請求項１に記載の杭基礎の耐震補強構造。
前記改良体を、前記杭基礎の周辺地盤にも配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の杭基礎の耐震補強構造。
前記ドレーン材を、前記改良体の外周側近傍に配置したことを特徴とする請求項３に記載の杭基礎の耐震補強構造。