JP2010229747A - 洋上構造物用水底基礎構造及びその構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】支持地盤に対する杭の根入れ深さを極力浅くし、且つ、従来の杭による基礎構造と同様の方法によって得られる洋上構造物用水底基礎構造及びその構築方法の提供。
【解決手段】水底の表層地盤１下にこれより硬質の支持地盤２が存在する水底地盤に、杭１２の下端を支持地盤２内に根入れした状態に設置し、その上に洋上構築物を支持させる洋上構造物用水底基礎の構築に際し、杭設置位地の表層地盤を、杭の周囲の一定範囲において前記支持地盤と同程度の強度（Ｎ値や一軸圧縮強度等で評価される）となるように地盤改良した改良地盤１３を形成し、その中心の杭挿入孔１４に杭１２を挿入するとともに支持地盤１に対して杭１２の外径以下の長さに根入れした状態で固定した構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、洋上に設置する風力発電装置の支柱等の洋上構造物を支持させるための水底基礎であって、水底地盤に支持杭を立設することによって構築される洋上構造物用水底基礎構造及びその構築方法に関する。

近年、洋上における風力発電装置の構築例が多くなっている。風力発電装に作用する荷重としては、自重、風荷重、地震時荷重が考えられるが、洋上建設の場合は陸上に建設される場合には不要な波浪荷重を考慮する必要があり、こうした荷重に対して構造安定性が確保されるように設計しなければならない。

従来、この種の洋上構造物の構築に際し、その基礎として杭を水底地盤内に打設し、この杭に洋上構築物を支持させる方法が開発されている（例えば特許文献１）。
特開２００７−１２０４７０号公報

一般に、水底地盤は、図８に示すように支持地盤１とその上に土砂等が堆積することによって形成された表層地盤２から構成されているが、このような地盤条件下において前述した杭３による水底基礎を設置する際には、従来、杭の根入れ深さは、次式によって求められるβ値を用い、３／βで決定されていた。ここで、β値は杭の特性値である。

例えば、図８に示すように表層地盤１のＮ値を１０、表層地盤１の深さが１５ｍであり、杭の外径その他の条件が次の如くである場合、杭３の根入れ長は、前述の３／βで決定される。

β算出例
鋼管杭φ ４３００×ｔ４５
Ｅ＝２．０×１０^８（ｋＮ／ｍ^２）
Ｉ＝１．３６（ｍ^４）
ｋｓ＝１５，０００（ｋＮ／ｍ³）
Ｄ＝４．３（ｍ）
３／β≒２４．５
表層地盤
変形係数Ｅ＝２８，０００（ｋＮ／ｍ^２）
ポアソン比ν＝０．３３
支持地盤
変形係数Ｅ＝１４２，０００（ｋＮ／ｍ^２）
ポアソン比ν＝０．２５
この例では、３／β＝２４．５ｍであるので、この場合の根入れ長さは、計算上Ｎ値１０の表層地盤１の最下端深度１５ｍから更に深くＮ値５０以上の硬い支持地盤２に９．５ｍまでの深さまで設置する必要がある。

一般的には、硬い支持地盤に杭を設置する場合は、大型の掘削機械などを用いてあらかじめ杭を挿入するための孔を削孔する必要があり、深い表層地盤下にある支持地盤内への杭設置深さが大きくなればなる程、大幅にコストが増加するという問題があった。

本発明は、このような従来の問題にかんがみ、支持地盤に対する杭の根入れ深さを極力浅くし、且つ、従来の杭による基礎構造と同様の方法によって得られる洋上構造物用水底基礎構造及びその構築方法の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決し、所期の目的を達成する請求項１に記載の発明の特徴は、水底の表層地盤下にこれより硬質の支持地盤が存在する水底地盤に、杭の下端を前記支持地盤内に根入れした状態に設置し、その上に洋上構築物を支持させる洋上構造物用水底基礎構造において、前記杭の下端の支持地盤に対する根入れ長さを該杭の外径以下の深さとし、且つ、該杭の周囲の前記表層地盤を、地盤改良工法によって支持地盤と同程度の強度に改良された改良地盤としたことにある。尚、支持地盤の強度とはＮ値や一軸圧縮強度等で評価される強度をいう（以下同じ）。

請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、前記杭周囲の改良地盤は、該杭の外径の２倍以上であることにある。

請求項３に記載の発明の特徴は、請求項１又は２の何れか１の請求項の構成に加え、前記杭の周囲の改良地盤は、円柱形状や角柱形状等の改良体を１つの要素とした改良体群から構成され、未改良となっている改良体群の中央の孔を挿入孔としてその内部に杭を挿入し、該杭と杭挿入孔との隙間にグラウト等の充填材が充填されて杭と改良地盤が一体化されていることにある。

請求項４に記載の発明の特徴は、水底の表層地盤下にこれより硬質の支持地盤が存在する水底地盤に、杭の下端を前記支持地盤内に根入れした状態に設置し、その上に洋上構築物を支持させる洋上構造物用水底基礎の構築に際し、前記杭設置位置の表層地盤を、前記杭の周囲の一定範囲において前記支持地盤と同程度の強度となるように改良された改良地盤を形成するとともに、該改良地盤の中央に杭挿入孔を形成し、該杭挿入孔を通じて前記支持地盤に根入れ長さが該杭の外径以下の杭下端挿入孔を形成し、然る後、前記杭挿入孔内に杭を挿入しその下端を支持地盤の杭下端挿入孔に挿入して、該杭外周の隙間にグラウト等の充填材を充填する洋上構造物用水底基礎の構築方法にある。

請求項５に記載の発明の特徴は、請求項４の構成に加え、前記改良地盤の中央の杭挿入孔は、該杭挿入孔形成部分を残して円柱形状や角柱形状等の改良体を１つの要素とした改良体群から構成されるよう地盤改良し、然る後未改良となっている前記杭挿入孔形成部分の表層地盤土砂を除去することによって形成することにある。

上述したように、本発明においては、水底の表層地盤下にこれより硬質の支持地盤が存在する水底地盤に、杭の下端を前記支持地盤内に根入れした状態に設置し、その上に洋上構築物を支持させる洋上構造物用水底基礎の構築に際し、杭設置位地の表層地盤を、前記杭の周囲の一定範囲において前記支持地盤と同程度の強度となるように地盤改良された改良地盤を形成し、その中心の杭挿入孔に杭を挿入するとともに支持地盤に対して該杭の外径以下の長さに根入れした状態で固定した構造とすることにより、従来に比べて支持地盤に対する根入れ長さが著しく短いにも拘わらず、十分な杭支持力が得られ、このため施工コストが著しく削減されることとなったものである。

また、杭周囲の改良地盤の水平面内の大きさは、該杭の中心より該杭の直外径の２倍程度で、従来方法と同等又はそれ以上の効果が得られ、より杭支持力の大きい安定した水底基礎が構築できる。

更に、杭の周囲の改良地盤は、円柱形状や角柱形状等の改良体を１つの要素とした改良体群から構成され、未改良となっている改良体群の中央の孔を杭挿入孔としてその内部に杭を挿入し、該杭と杭挿入孔との隙間にグラウト等の充填材が充填されて杭と改良地盤を一体化するようにしたことにより、地盤改良範囲を少なくすることを可能とし、さらに杭挿入孔の掘削形成をより容易になしうる。

次に本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る洋上構造物用水底基礎の概略構成を示しており、図において１は水底の表層地盤、２は表層地盤下の支持地盤、１０は両地盤の支持させた水底基礎である。１１は例えば４隅を水底基礎１０によってそれぞれ支持させた床版であり、この床版１１上に例えば風力発電装置などの設備が設置される。

各水底基礎１０には杭１２が使用されている。各杭１２は、表層地盤１を地盤改良した改良地盤１３の中心の杭挿入孔１４内に挿入され、その周囲の隙間がグラウト等の充填材１５によって埋められている。改良地盤１３は縦向き筒状または矩形状をしており、その中心が杭挿入孔１４となっている。杭１２には鋼製品やプレキャストコンクリート製品等の杭が利用できる。

杭１２の下端は、支持地盤２の表面に形成された杭下端挿入孔１６内に挿入され、その周囲の隙間が、前述したグラウト等の充填材１５によって埋められている。
このようにこの構成される杭１２を使用した水底基礎は、杭１２の下端を支持地盤２の表面の杭下端挿入孔１６内に挿入することによって杭下端の水平方向の滑りが阻止され、これによって改良地盤１３の横滑りが防止されるようになっている。

また、杭１２の上端側の移動は、主として改良地盤１３の水平方向の反力によって受け持たせている。

支持地盤２のＮ値は５０以上であり、改良地盤１３は、支持地盤２と同程度のＮ値となるように、セメント系の地盤改良材を使用して地盤改良している。この地盤改良には、例えば、回転軸の外周に地盤を撹拌する撹拌翼が放射状に突設された地盤撹拌軸を、回転させながら表層地盤１中に挿入し、撹拌翼に備えた固化材吐出ノズルから固化材を吐出させつつ地盤を撹拌する所謂深層混合工法が使用できる。

次に、上記水底基礎の構築方法について説明する。図２（ａ）に示すように、水底基礎１０を構築する水底地盤の表層地盤１に地盤改良を施し、柱状の改良地盤１３を造成する。この地盤改良は前述したように例えば深層混合工法によって改良する。

各改良地盤１３の改良処理終了後、図２（ｂ）に示すように、それぞれの中心に杭挿入孔１４を形成する。この杭挿入孔１４は、例えば、改良地盤１３が所望の最終強度に達する前に、図３に示すように円筒状の鋼管ケーシング２１を地盤中に押し込みつつ内部土砂をバケット２２によって排出することによって容易に形成することができる。

このようにして表層地盤１における改良地盤１３の中心部分に杭挿入孔１４を形成した後、ケーシング２１を通して掘削バケット２２により支持地盤２表面に杭下端挿入孔１６を形成し、その作業終了後にケーシング２１を抜き取る。
このようにして杭挿入孔１４及び杭下端挿入孔１６を形成した後、図２（ｃ）に示すように、杭１２を挿入し、鉛直度を調整した後、図２（ｄ）に示すように周囲の隙間にグラウト等の充填材１５を充填する。この充填材は例えば注入ホースを使用して杭下端部外周から順次上方に打設する。充填材には、水中セメントを使用したセメントミルク、水中モルタル、水中セメント等が使用できる。

このようにして必要数の杭１２を立設した後、図１に示すように、その上端に支持させて洋上構造物を設置するための床版１１を構築する。

尚、上述の実施例では、改良地盤１３の造成処理を行った後にその中心に杭挿入孔１４を掘削形成しているが、この他、図４(ａ)、(ｂ)に示すように、地盤改良を杭挿入部分を残してその周囲に平面円形配置に連続した形状に造成処理することによって円柱形状や角柱形状等の改良体を１つの要素とした改良体群から構成させ、その強度発現後に、中心の未処理部分の土砂をバケットやジェット水によって排出し、これによって形成される空間を杭挿入孔１４としてもよい。

また、本発明は、上述の洋上風力発電装置用の基礎の他、橋梁の杭式基礎構造等、各種の洋上構造物基礎に適用することができる。

数値解析
図５に、前述した従来の杭基礎（図８）と本発明に係る基礎構造の性能に関する数値解析モデルを示す。ここでは杭は鋼管杭としている。

この数値解析は従来の方法と本発明の基礎構造の２ケースについて実施した。なお、本発明の数値解析は、杭基礎の周辺の表層地盤の水平方向の全改良範囲を杭中心より杭径の１、２、３及び４倍とした４種類行った。

深度方向は、表層地盤は全面改良するものとした。なお、荷重は杭頭部に鉛直荷重Ｖと水平荷重Ｈを作用させた。水平荷重Ｈは地震力を想定し、鉛直荷重Ｖの１／２を作用させた。杭基礎構造の性能評価は、杭頭部の水平変位で評価した。

図６は従来の基礎構造と本発明の基礎構造の性能を比較したものである。図の縦軸は、（本発明の杭頭水平変位）／（従来方法の杭頭水平変位）である。横軸は従来方法及び水平方向の全地盤改良範囲が杭径Ｄの１、２、３と４倍である。図より、従来の方法と性能がほぼ同等の本発明の水平方向の地盤改良範囲は、概ね杭径Ｄの２倍であると判断される。

図７は従来の基礎構造と本発明の基礎構造の直接工事費を比較したものである。図の縦軸は、（本発明の直接工事費）／（従来方法の直接工事費）である。横軸は図６と同じである。図７から、従来の方法とほぼ同等の性能を有する本発明の水平方向の改良範囲２×Ｄでの直接工事は、従来の方法に比較して約３割低減していることがわかる。

この例では、鋼管杭を使用した場合を示しているが、本発明は、この他プレキャストコンクリート杭や場所打ちコンクリート杭等、各種の杭を使用する場合においても適用できる。

本発明に係る洋上構造物用水底基礎の概略を示す断面図である。 本発明方法の施工工程を示すもので（ａ）は、表層地盤を地盤改良した状態の断面図、（ｂ）改良地盤に杭挿入孔を形成した状態の断面図、（ｃ）は杭を立て込んだ状態の断面図、（ｄ）はグラウト完了状態を示す断面図である。 同施工工程における杭挿入孔の形成例を示す断面図である。 本発明における改良地盤造成の他の例を示すもので（ａ）は平面図、（ｂ）は部分縦断面図である。 従来の杭基礎と本発明に係る基礎構造の性能に関する数値解析モデルである。 図８は従来の基礎構造と本発明の基礎構造の性能を比較したグラフである。 従来の基礎構造と本発明の基礎構造の直接工事費を比較したグラフである。 従来の杭を使用した水底基礎を示す縦断面図である。

１ 表層地盤
２ 支持地盤
１０ 水底基礎
１１ 床版
１２ 杭
１３ 改良地盤
１４ 杭挿入孔
１５ グラウト
１６ 杭下端挿入孔
２１ 鋼管ケーシング
２２ バケット

Claims (5)

1. 水底の表層地盤下にこれより硬質の支持地盤が存在する水底地盤に、杭の下端を前記支持地盤内に根入れした状態に設置し、その上に洋上構築物を支持させる洋上構造物用水底基礎構造において、前記杭の下端の支持地盤に対する根入れ長さを該杭の外径以下の深さとし、且つ、該杭の周囲の前記表層地盤を、地盤改良工法によって支持地盤と同程度の強度に改良された改良地盤としたことを特徴とする洋上構造物用水底基礎構造。
2. 前記杭周囲の改良地盤の水平面内の大きさは、該杭の中心より該杭の外径の２倍以上である請求項１に記載の洋上構造物用水底基礎構造。
3. 前記杭の周囲の改良地盤は、円柱形状や角柱形状等の改良体を１つの要素とした改良体群から構成され、未改良となっている改良体群の中央の孔を杭挿入孔としてその内部に杭を挿入し、該杭と杭挿入孔との隙間にグラウト等の充填材が充填されて杭と改良地盤が一体化されている請求項１又は２の何れか１に記載の洋上構造物用水底基礎構造。
4. 水底の表層地盤下にこれより硬質の支持地盤が存在する水底地盤に、杭の下端を前記支持地盤内に根入れして、その上に洋上構築物を支持させる洋上構造物用水底基礎の構築に際し、前記杭設置位置の表層地盤を、前記杭の周囲の一定範囲において前記支持地盤と同程度の強度となるように改良された改良地盤を形成するとともに、該改良地盤の中央に杭挿入孔を形成し、該杭挿入孔を通じて前記支持地盤に根入れ長さが該杭の外径以下の杭下端挿入孔を形成し、然る後、前記杭挿入孔内に杭を挿入しその下端を支持地盤の杭下端挿入孔に挿入して、該杭外周の隙間にグラウト等の充填材を充填することを特徴とする洋上構造物用水底基礎の構築方法。
5. 前記改良地盤の中央の杭挿入孔は、該杭挿入孔形成部分を残して円柱形状や角柱形状等の改良体を１つの要素とした改良体群から構成されるよう地盤改良し、然る後未改良となっている前記杭挿入孔形成部分の表層地盤土砂を除去することによって形成する請求項４に記載の洋上構造物用水底基礎の構築方法。

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