JP2013249709A - 既存建物の杭補強構造およびその構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
新たにフーチングを構築することを不要とし、既存建物の杭基礎補強工事を簡易なものとして工事期間を短期化するとともに建物空間の減少を防止すること、ならびに、増設杭の杭頭に作用する地震水平力を抑えて杭径を小さくすることにより補強工事コストを大幅に削減することが可能な既存建物の杭補強構造およびその構築方法を提供すること。
【解決手段】
既存建物の基礎梁または基礎スラブに穿設された貫通孔と、該貫通孔を貫通して増設された圧入杭の杭頭に接合され後施工アンカーにより前記基礎梁または基礎スラブに固着された杭頭連結材と、から構成された既存建物の杭補強構造において、前記貫通孔内に位置する圧入杭の杭頭部外周面と前記貫通孔壁面との間には杭頭部の水平変位を許容する間隙が形成されて前記増設された圧入杭と前記既存建物の基礎梁または基礎スラブとが半剛接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、既存建物の杭補強構造及びその構築方法に関する。

一般に、既存建物は、地震等の強い水平力を受けると杭頭部に大きな曲げモーメントが発生して杭頭部に亀裂等の損傷を受けることがある。
これら損傷を受けた杭基礎の補強構造として、既存杭の周囲に補助杭を圧入する補助杭圧入工法が知られている。

特許文献１には、既存構造物の基礎スラブ上に、アンカー鉄筋等の繋ぎ材を介して基礎梁と構造的に一体化した鉄筋コンクリート造の新設フーチングを構築すると共に、同新設フーチングに鋼管杭の圧入用孔を形成し、且つアンカー材により新設フーチングに支持されてほぼ垂直に立ち上がる複数本のＰＣ鋼材を設置する段階と、
前記新設フーチングのコンクリートが所定の強度を発現した後に、前記圧入用孔の直下の基礎スラブを掘削して開口を設け、前記圧入用孔及び開口を通じて鋼管杭を挿入して地盤上に立て、また、前記ＰＣ鋼材の上部に反力盤を取り付け、同反力盤の下側に鋼管杭圧入用のジャッキを設置し、前記鋼管杭をジャッキにより地盤中へ圧入する段階と、
鋼管杭を地盤中へ所定の深度まで圧入して打ち止め確認後に、同鋼管杭の杭頭部外周にスタッド等の応力伝達要素を取り付け、補強鉄筋を配筋し、鋼管杭の杭頭部と新設フーチングとの間にコンクリート等の固結材を充填して鋼管杭と新設フーチングを構造的に一体化する段階と、
から成る鋼管杭圧入による既存構造物の基礎補強工法
が記載されている。

また、特許文献２には、既存建物の直下位置の外周部及び中央部に配置される既存杭に隣接して新設杭を設置して杭基礎を補強する方法であって、
前記既存杭の近傍の基礎地盤上に既存フーチングと一体化した新設フーチングを構築し、同新設フーチングに設けた貫入孔から新設杭を圧入し、その後、新設フーチングの上面に反力受けを構築し、同反力受けを反力源とし新設杭の杭頭に設置したジャッキにより同新設杭へ所定のプレロードを載荷し、同プレロードを載荷した状態で杭頭部にグラウトし、前記新設フーチングと一体化する既存建物の杭基礎の補強方法、
が記載されている。

特許文献１および特許文献２に記載された発明は、既存建物直下に増設杭を設置することができるものの、新たにフーチングを構築する必要があり、既存建物の杭基礎補強工事が大掛かりとなり、工事期間が長期化し高額な補強費用を要する要因となっていた。

また、特許文献１および特許文献２に記載された発明は、新規の増設杭頭が既存建物と剛接合する構造であるので、大きな地震水平力が作用するため杭頭部の強度を大きくする必要が生じて杭径も必然的に大きくなり、これもコストアップ要因となっていた。

さらに、特許文献１に記載された発明は、新設フーチングが基礎スラブ上端面より上方に突出する形態である関係から、建物空間が減少する問題もある。

特許第３８９９０９４号公報 特許第４７０５４９７号公報

本発明は、新たにフーチングを構築することを不要とし、既存建物の杭基礎補強工事を簡易なものとして工事期間を短期化するとともに建物空間の減少を防止すること、ならびに、増設杭の杭頭に作用する地震水平力を抑えて杭径を小さくすることにより補強工事コストを大幅に削減することが可能な既存建物の杭補強構造およびその構築方法を提供することを目的としている。

請求項１に係る発明は、既存建物の基礎梁または基礎スラブに穿設された貫通孔と、該貫通孔を貫通して増設された圧入杭の杭頭に接合され後施工アンカーにより前記基礎梁または基礎スラブに固着された杭頭連結材と、から構成された既存建物の杭補強構造として、
前記貫通孔内に位置する圧入杭の杭頭部外周面と前記貫通孔壁面との間には杭頭部の水平変位を許容する間隙が形成されて前記増設された圧入杭と前記既存建物の基礎梁または基礎スラブとが半剛接合された既存建物の杭補強構造とした。

請求項２に係る発明は、圧入杭は、複数本が既存杭の周囲に既成杭に対して対称的に配設された中空の鋼管杭または中空のコンクリート製既成杭であることを特徴としている。

請求項３に係る発明は、柱頭連結材は、鋼製またはコンクリート製の板状材であることを特徴としている。

請求項４に係る発明は、請求項１に係る既存建物の杭補強構造を構築する方法を、既存建物の基礎梁または基礎スラブに圧入杭の径よりも大きい径の貫通孔を穿設する第１の工程と、圧入杭を前記貫通孔内に杭頭部が前記既存建物の基礎梁または基礎スラブから少し突出した深さまで圧入する第２の工程と、前記圧入杭に杭頭連結材を接合する第３の工程と、前記杭頭連結材と前記基礎梁または基礎スラブとを後施工アンカーにて一体化する第４の工程と、から構成するとともに、前記第３の工程と前記第４の工程のいずれかを先に施工し、貫通孔内に位置する前記鋼管杭の杭頭部外周面と前記貫通孔壁面との間に杭頭部の水平変位を許容する間隙を形成することとした。

請求項１に係る発明によれば、既存建物の杭補強構造を、既存建物の基礎梁または基礎スラブに穿設された貫通孔と、該貫通孔を貫通して増設された圧入杭の杭頭に接合され後施工アンカーにより前記基礎梁または基礎スラブに固着された鋼材プレートと、から構成しているので、既存建物の杭と上部建物の耐震性能を、フーチングを設けない簡易な杭補強構造で増強することが可能である。
また、圧入杭は、既存建物の基礎直下に設けることとしているので、狭隘敷地に建つ既存建物でも杭補強が可能である。
さらに、増設する圧入杭は杭頭半剛接合形式とすることで、杭頭部に作用する地震水平力を低減し、従来の補強杭に比し杭径を縮減することが可能である。

請求項２に係る発明によれば、圧入杭は、複数本が既存杭の周囲に既成杭に対して対称的に配設されているので、鉛直荷重に対してバランスの取れた杭補強構造とすることができる。

請求項３に係る発明によれば、圧入杭として鋼管杭を用い、杭頭連結材として鋼材プレートを用いた場合は、圧入杭と杭頭連結材を溶接により容易に接合することができる。
また、圧入杭としてコンクリート製既成杭を用い、杭頭連結材としてＲＣ造の板材を用いた場合は、杭頭連結材の中央に杭圧入用孔を設け、杭圧入用孔内に、圧入杭頭部の端部金具に備わるメスねじ部に接合させた定着用アンカー鋼棒を配置させた後、無収縮モルタルを充填して、圧入杭と杭頭連結材を接合させる。
さらに、圧入杭にコンクリート製既成杭を用い、杭頭連結材を場所打ちコンクリートで形成させる場合には、杭圧入用孔は不要で、圧入杭頭部に定着用アンカー鋼棒を接合させた後、圧入杭と杭頭連結材を場所打ちコンクリートで一体化させる。

請求項４に係る発明によれば、基礎梁または基礎スラブに圧入杭の径よりも大きい径の貫通孔を穿設することにより、貫通孔内に位置する圧入杭の杭頭部外周面と貫通孔壁面との間に杭頭部の水平変位を許容する間隙を形成して圧入杭に杭頭連結材を接合し、これと前後して杭頭連結材と基礎梁または基礎スラブとを後施工アンカーにて一体化することにより、既存建物と増設杭とを半剛接合構造とすることができ、大きな地震水平力に対する耐力を確保することが可能となっている。

本発明の既存建物の杭補強構造の実施例の縦断面図である。 本発明の既存建物の杭補強構造の実施例の平面図である。 本発明の既存建物の杭補強構造と従来技術の曲げモーメント図であり、左側に本発明、右側に従来技術を示す。 本発明の施工手順図であり、（ａ）は基礎スラブ等の穿孔工程、（ｂ）は圧入杭の第１圧入工程、（ｃ）は圧入杭と鋼材プレートとの接合工程、（ｄ）は圧入杭の第２圧入工程、（ｅ）は圧入杭と基礎スラブ等との一体化工程を示す。

この実施例は、圧入杭と杭頭連結材とを鋼材にて構成している。
本実施例について、図１を参照してその構成を説明する。
1は既存建物（図示省略）の基礎梁または基礎スラブ２に穿設された貫通孔３を貫通して既存建物に反力を取った公知の圧入装置（図示省略）により地盤４内に圧入された圧入杭である。
１１は既存杭、１２は既存基礎フーチング、１３は既存柱である。
この圧入杭１は、既存杭１１より短く、支持基盤に達しない摩擦杭である。

圧入杭１の杭頭には、その周縁に沿ってアンカー挿通用孔が形成された鋼材プレート５が溶接によって接合されているとともに、この鋼材プレート５は、上記挿通用孔を介して後施工アンカー７により基礎梁または基礎スラブ２に固着されている。
これにより、圧入杭１と基礎梁または基礎スラブ２は一体化されている。

圧入杭１は、複数本が既存杭１１の周囲に既成杭に対して対称的に配設されており、鉛直荷重に対してバランスの取れた杭補強構造とされている。
鋼材プレート５の形状は、図２の平面図に示すように、円形や矩形とすることができ、後施工アンカー７は、鋼材プレート５の外周縁に沿って配列されている。

そして、圧入杭１の柱頭の貫通孔３内に位置する圧入杭１の杭頭部外周面１１と前記貫通孔３壁面との間には杭頭部の水平変位を許容する間隙６が形成され、増設された圧入杭１の杭頭と既存建物の基礎梁または基礎スラブ２とが半剛接合されている。

従来より一般に、構造物は杭のような棒状部材と基礎スラブのような板状部材の組み合わせで構成されており、各部材端部が接する接合部分は、完全剛体で変形しない領域（剛域）として力学的に捉えられてきた（参考文献１：日本建築学会関東支部：鉄筋コンクリート構造の設計〜学びやすい構造設計〜、p188-189）。

図３の右側に示すように、増打ちされた杭１４と基礎スラブ２が剛接合構造の場合、杭材の全長に地震水平力が作用することで、図中２点鎖線で示される杭軸方向に沿って基礎スラブ２の断面中央線（右側に実線で表示）上まで曲げモーメント分布が形成される。
従来、剛接合構造による杭体は、杭頭面に生じる最大曲げモーメントに抵抗させるために、高強度コンクリートを用いて大径化し、杭縦鋼材も密に配筋されてきた。
また、杭体と基礎スラブまたは基礎梁間では、杭体と基礎スラブ等の剛接合部を介して、曲げモーメントが伝達される。
したがって、基礎スラブ等は、杭頭面に生じる曲げモーメント相応の外力に抵抗するために、スラブ厚さは大きくなり、スラブ底板には多数の配力筋が配置されてきた。
本発明では、細い杭径を可能とさせ、杭鋼材量を削減する方法として、杭体に作用する曲げモーメントの大きさを低減させるために、杭体を杭頭半剛接合構造とした。

これに対して本発明による杭頭半剛接合構造の場合、杭頭部と基礎スラブ間に隙間を設けることで、杭頭に生じる水平変位を基礎スラブ部分が抵抗することはなく、杭軸方向に沿った杭材の曲げモーメントは基礎スラブ下面位置で上限となり、一定値以上の地震水平力（外力）は基礎スラブへ伝達されず、本発明の圧入杭の径を従来の増打ちされた杭のそれより小さくしても、十分な耐力を確保することが可能となる（参考文献２、日本建築学会：建築基礎構造設計指針、pp.270、表6.6.1一様地盤中の弾性支承梁の解、表中に示される、『杭が地上に突出し、杭頭固定条件の場合』が、本発明による杭材に生じる曲げモーメント分布と類似している。）。
本発明では、杭頭面に生じる杭体の曲げモーメントを、杭頭連結材と基礎スラブ等を一体するために設けた複数の後施工アンカーに作用する引張力と杭頭連結材が基礎スラブ面を押す圧縮力との力の釣り合い関係より杭頭連結材が抵抗する曲げモーメントと相殺する方向に働かせるものである（図３左側の曲げモーメント図参照）。
したがって、本発明では、杭頭連結材を杭頭面に生じる曲げモーメントに抵抗させることで、基礎スラブへ伝達される曲げモーメント量は僅かとなり、杭と基礎スラブが剛接合構造の場合に比べて、基礎スラブが杭体に生じる曲げモーメントに抵抗するために必要な配力筋量は削減可能となる。

次いで、本発明の杭補強構造の構築方法の施工手順について、図４を参照して説明する。
図４（ａ）は、既存建物の基礎梁または基礎スラブ２に、電気設備などの配線、配管を設置する際に用いる穿孔機（図示省略）を用いて、環状にコアを連続で穿孔し、貫通孔３を穿設する穿孔工程を示す。
貫通孔３の径は、杭頭部の水平変位を許容する間隙６を形成するため、圧入杭１の径よりも大きいものとする。
図４（ｂ）は、鋼管杭１を貫通孔６内に杭頭部が既存建物の基礎梁または基礎スラブ２から少し突出した深さまで圧入する第１圧入工程を示す。
この工程において圧入杭１は、先に圧入された短尺の中空鋼管が、図４（ｂ）に示される頭が少し基礎梁または基礎スラブ２の上端面から突出した状態で次の短尺中空鋼管を溶接により継ぎ足して、この圧入、溶接作業を繰り返して圧入され、最終的に杭頭部が既存建物の基礎梁または基礎スラブ２から少し突出した状態となる。
図４（ｃ）は、圧入された鋼管杭１頂部と杭圧入用孔の形成されていない鋼材プレート５下面とを溶接にて接合する接合工程を示す。
図４（ｄ）は、鋼材プレート５下面が基礎梁または基礎スラブ２の上面に接するまで圧入する第２圧入工程を示す。
図４（ｅ）は、鋼管杭１頂部に溶接された鋼材プレート５と基礎梁または基礎スラブ２とを後施工アンカー７にて一体化する一体化工程を示す。

以上の実施例は、鋼材プレート５の中央に杭圧入用孔を形成していないものであるが、圧入杭１の杭径と略同径の杭圧入用孔が形成されている場合は、図４（ｄ）に示された第４工程である第２圧入工程は不要となる。すなわち、杭頭を鋼材プレートの厚み分基礎梁等から突出させておいて、鋼材プレートを杭頭に嵌合してその杭頭と鋼材プレートとを溶接するものである。
そして、この杭圧入用孔が形成された鋼材プレート５を用いる場合には、図４（ｃ）、図４（ｅ）に示された第３工程と第５工程を前後逆にして先に鋼材プレート５を基礎梁または基礎スラブ２に固定してから、圧入杭１の杭頭外周面１１と鋼材プレート５に形成された杭圧入用孔を溶接する手順としてもよい。

上記した５工程または４工程を経て本発明の既存建物の杭補強構造を構築することができ、既存建物の杭と上部建物の耐震性能を、フーチングを設けない簡易な杭補強構造で増強することができ、狭隘敷地に建つ既存建物でも杭補強が可能であり、杭頭部に作用する地震水平力を低減し、従来の補強杭に比し杭径を縮減することができ、鉛直荷重に対してバランスの取れた杭補強構造とすることができ、鋼管杭を鋼材プレートと溶接等により容易に接合することができるとともに、既存建物と増設杭とを半剛接合構造とすることができ、大きな地震水平力に対する耐力を確保することが可能となった。

この実施例では、圧入杭１と杭頭連結材５とを鋼材から構成しているが、両者とも鉄筋コンクリートから構成することもできる。
プレキャスト鉄筋コンクリート製の短尺の既成中空管は、キャッブ状の端部金具を両端部に備えており、中空管の環状部分にスパイラル筋が配筋され、加えて、材軸方向にはＰＣ鋼材が配置されて端部金具に接合されている。

圧入杭は、一方の既成中空管の端部に、他方の既成中空管の端部同士を継ぎ合わせ、その継ぎ合わせ部分に内リングと外リングを挟み込ませる構造により、各管を継ぎ足していき、所定長さが形成されるまで圧入を続ける。
この圧入作業を繰返して、圧入杭を所定長さまで埋設させて、圧入杭と杭頭連結材を一体化する段階において、圧入杭の少し突出した杭頭部の端部金具のメスねじ部にオスねじ部を備えた定着用アンカー鋼棒をねじ込み接合させ、その定着用アンカー鋼棒を杭頭連結材の圧入貫通孔内に配置させた後、無収縮モルタルを充填して杭頭連結材と圧入杭を一体化させる。更にＲＣ造による杭頭連結材は、後施工アンカーにより基礎梁または基礎スラブ２に固着する。
この杭頭連結材と圧入杭の一体化工程と後施工アンカーによる基礎スラブ等に対する固着工程は、前後逆に施工してもよい。
なお、この実施例においては、中空管と杭頭連結材とはともにプレキャストコンクリートにて形成しているが、杭頭連結材は場所打ちとすることもできる。

Claims (4)

1. 既存建物の基礎梁または基礎スラブに穿設された貫通孔と、該貫通孔を貫通して増設された圧入杭の杭頭に接合され後施工アンカーにより前記基礎梁または基礎スラブに固着された杭頭連結材と、から構成された既存建物の杭補強構造であって、
   前記貫通孔内に位置する圧入杭の杭頭部外周面と前記貫通孔壁面との間には杭頭部の水平変位を許容する間隙が形成されて前記増設された圧入杭と前記既存建物の基礎梁または基礎スラブとが半剛接合されている既存建物の杭補強構造。
2. 前記圧入杭は、複数本が既存杭の周囲に既成杭に対して対称的に配設された中空の鋼管杭または中空のコンクリート製既成杭であることを特徴とする請求項１に記載された既存建物の杭補強構造。
3. 前記柱頭連結材は、鋼製またはコンクリート製の板状材であることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載された既存建物の杭補強構造。
4. 既存建物の杭補強構造の構築方法において、
   既存建物の基礎梁または基礎スラブに圧入杭の径よりも大きい径の貫通孔を穿設する第１の工程と、
   圧入杭を前記貫通孔内に杭頭部が前記既存建物の基礎梁または基礎スラブから少し突出した深さまで圧入する第２の工程と、
   前記圧入杭に杭頭連結材を接合する第３の工程と、
   前記杭頭連結材と前記基礎梁または基礎スラブとを後施工アンカーにて一体化する第４の工程と、
   から構成するとともに、前記第３の工程と前記第４の工程のいずれかを先に施工し、
   貫通孔内に位置する前記鋼管杭の杭頭部外周面と前記貫通孔壁面との間に杭頭部の水平変位を許容する間隙を形成することを特徴とする既存建物の杭補強構造の構築方法。