JP2012021346A - 摩擦杭基礎構造 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦杭基礎を地震時に液状化の発生が予測される地盤に適用し、地盤に液状化が発生しても沈下を抑制できるようにする。
【解決手段】地震時に液状化の発生が予測される地盤Ｒに施工する摩擦杭基礎３の杭３２下端に、沈下を抑制する大径部３３を備える。具体的には、大径部３３は、杭３２下端の地盤を改良して造成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、地震時に液状化の発生が予測される地盤に適用して沈下を抑制する摩擦杭基礎構造に関する。

摩擦杭基礎は、パイルドラフト基礎（例えば特許文献１参照）と呼ばれている。
図２に示すように、摩擦杭基礎３は、スラブ基礎などの直接基礎１と、硬い支持地盤Ｇまで打ち込まれる杭基礎２を併用したような基礎形式であり、荷重に対してラフト３１と硬い支持地盤Ｇまで達しない摩擦杭３２とが複合して抵抗することから、合理的な基礎形式といえる。
なお、図示例では、構造物としてタンクＴを例示している。

摩擦杭基礎３は、構造物荷重をラフト３１と摩擦杭３２で分担して支えるため、建築基礎の設計では構造物直下地盤の液状化が許容されていない。
そのため、地震時に液状化の発生が予測される場合には、予め地盤改良などの対策を施すことが必須とされている。
土木構造物でも地盤との摩擦を期待できる粘性土地盤などに採用されているが、図示のように、液状化の発生が予測される地盤Ｒに摩擦杭基礎３を適用した事例はない。

兵庫県南部地震では臨海部や人工島において広範囲に渡って地盤の液状化が発生し、支持杭基礎を持つ構造物が大きな被害を受けたが、一方で同様な地盤に立地する摩擦杭構造物は、基礎・上部構造物には大きな被害が生じなかったことが報告されている（非特許文献１参照）。この非特許文献１では、さらに摩擦杭構造物は周辺地盤とともに、ほぼ均等に沈下したため、周辺地盤との相対沈下が生じなかったと述べている。

図３に示すように、先端支持杭基礎２では、地震時の地盤沈下に伴って杭頭付近に構造物の慣性力が作用することで杭が損傷、破断する。
なお、図示例では、点線で示される地震前の地表面高さから実線で示した液状化による地震後の地表面高さに変化している。
これに対し、摩擦杭基礎３では、構造物周辺では地盤沈下が生じるので、摩擦杭基礎３に地盤と同程度の沈下が発生する。この時、構造物基礎に沈下が生じる欠点があるものの、地盤と一緒に沈下したことで構造物基礎に大きなダメージが生じなかったものと考えられている。これらの摩擦杭基礎は、当初から液状化が予測される地盤に設置されたものではないが、摩擦杭基礎の建物には被害が少なく、周辺地盤との相対沈下が生じなかったことが地震後の被害調査で注目されている。

このような知見のもと、土木分野においても、タンク基礎を対象に液状化の発生が予測される地盤にパイルドラフト基礎の適用に向けた検討も始められている（非特許文献２・３参照）。
しかし、これらの検討では、基礎の不等沈下が抑制されているが、基礎には沈下が発生している。また、基礎直下地盤は完全液状化しないことや杭に発生する応力が低減することが確認されている。

この構造物基礎の沈下量をある程度抑制することが可能になれば、設計段階から摩擦杭基礎の沈下予測も可能になり、地震時における摩擦杭基礎の設計法が確立されることが期待されるが、現状では基礎の沈下を制御できる方法が確立されていない。

特開２００４−６８２５３号公報

金井重夫他 : 摩擦杭基礎の地震に対する安全性 , 基礎工 , pp.69-73 , 1996. 土木学会第６３回年次学術講演会（平成２０年９月）発表論文３−１０８「液状化地盤における屋外貯蔵タンクのパイルドラフト基礎の沈下性状」２１５頁−２１６頁 土木学会第６３回年次学術講演会（平成２０年９月）発表論文３−１０９「液状化地盤における屋外貯蔵タンクのパイルドラフト基礎の支持力性状」２１７頁−２１８頁

既往の研究から得られた知見を参考にすれば、摩擦杭基礎形式の構造物基礎周辺の地盤が液状化しても、基礎直下地盤は完全液状化が発生しない。
しかしながら、地震の発生に伴って地盤内の過剰間隙水圧が上昇し、すなわち、準液状化（完全に液状化することはないが、地震の発生に伴い地盤内の過剰間隙水圧が上昇し、その発生量に応じて地盤が軟化すること）が発生するため、この影響によって地盤の支持力が減少する。この結果、摩擦杭基礎に沈下が発生する。

本発明の課題は、摩擦杭基礎を地震時に液状化の発生が予測される地盤に適用し、地盤に液状化が発生しても沈下を抑制できるようにすることである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、地震時に液状化の発生が予測される地盤に施工する摩擦杭基礎であって、当該摩擦杭基礎の杭下端に、沈下を抑制する大径部を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摩擦杭基礎構造であって、前記大径部は、前記杭下端の地盤を改良して造成されることを特徴とする。

本発明によれば、地震時に液状化の発生が予測される地盤に適用した摩擦杭基礎において、地盤に液状化が発生しても沈下を抑制することができる。

本発明を適用した摩擦杭基礎構造の一実施形態の構成を示すもので、地盤を縦断して示した構成図である。 タンクの基礎形式の相違を示した構成図である。 基礎形式の相違による地震時の液状化による変化を示した図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
図１は本発明を適用した摩擦杭基礎構造の一実施形態の構成を示すもので、図中、Ｇは固い支持基盤、Ｒは液状化の発生が予測される地盤、Ｔはタンク、３は摩擦杭基礎である。

図示のように、摩擦杭基礎３は、構造物であるタンクＴの直下のラフト３１と、下端が硬い支持地盤Ｇまで達しない摩擦杭３２とを備える。
そして、摩擦杭３２の下端に大径部３３を備えている。
この大径部３３は、地震時に液状化の発生が予測される地盤Ｒを改良して造成した球形の改良体であり、摩擦杭３２の沈下を抑制するものである。

このように、摩擦杭基礎３の摩擦杭３２先端の地盤に改良体を造成して大径部３３を形成することで、摩擦杭基礎３の直下の液状化の可能性がある地盤Ｒの液状化を抑制し、杭先端地盤の支持力の減少を抑えることができる。よって、摩擦杭基礎３の沈下を抑制することができる。

また、改良体である大径部３３は、建物の重要度、許容する沈下の程度によって、その固化体の改良径や強度を調整することで、沈下量をある程度調整することができる。
そして、全ての杭先端地盤を改良することで、タンクＴの構造物基礎の不等沈下の発生を抑制できる。

また、従来方法では、例えば液状化層厚１０ｍの液状化の可能性のある地盤Ｒに対しては、その対象範囲を全て液状化対策する必要があるが、図１に示したように、部分改良によって大幅に液状化対策コストを縮減できる。
従って、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し、材料が少なく済み、安価な施工を実現することができる。

ところで、杭先端の液状化の可能性がある地盤を全て改良すると、地盤の軟化による免震効果は期待できない。すなわち、全て改良することで基礎の沈下は少なくなると考えられるが、構造物の地震時の揺れが高くなってしまう。

これに対し、図１に示したように、摩擦杭基礎３の直下地盤に未改良範囲を残置することで、地盤の軟化に伴う免震効果によって、構造物基礎の揺れを抑制することができる。

そして、構造物基礎の揺れについては、実験や数値解析などによって予測・評価し、適切な改良径や改良強度を検討すればよい。
また、杭先端の液状化の可能性がある地盤Ｒを全て改良する場合には、改良率や改良強度を下げることで、地盤の免震効果を生かすことが可能になる。

そして、杭先端地盤における改良径や改良強度を変化させることで、構造物基礎の沈下を制御できることが可能になる。

また、注入固化工法は、施工機械も軽量で小型であることから、配管が錯綜するタンクヤードや都市部など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、改良位置や狭い杭間においても、曲がりボーリングを用いた注入施工により改良体を造成することができる。

さらに、地震時に沈下をある程度許容できる柔構造物基礎（石油タンクなど）であれば、小規模から大規模の既設・新設構造物に問わずに適用でき、汎用性が高い。
しかも、地震時の沈下を制御できることから、対象構造物の諸条件（沈下量、傾斜（変形角）など）を満足できれば、土木構造物のみならず、建築基礎にでも適用できるものとなる。

なお、以上の実施形態においては、球形の大径部としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、どのような形状であっても杭径より大径であれば良い。
また、各部の形状・寸法等も任意であり、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。

１ 直接基礎
２ 杭基礎
３ 摩擦杭基礎
３１ ラフト
３２ 摩擦杭
３３ 大径部
Ｇ 固い支持基盤
Ｒ 液状化の発生が予測される地盤
Ｔ 構造物（タンク）

Claims (2)

1. 地震時に液状化の発生が予測される地盤に施工する摩擦杭基礎であって、
   当該摩擦杭基礎の杭下端に、沈下を抑制する大径部を備えることを特徴とする摩擦杭基礎構造。
2. 前記大径部は、前記杭下端の地盤を改良して造成されることを特徴とする請求項１に記載の摩擦杭基礎構造。

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