JP2020037780A - 杭基礎 - Google Patents

Abstract

【課題】水平力に対する抵抗力を確保しつつ、工期の短縮が可能な杭基礎を得る。【解決手段】鉛直方向に沿って延在され、杭頭２４Ａが地盤２６よりも上方に突出されて塔状構造物１４を支持する杭２４と、杭２４における地盤２６中の地表面の近傍に設けられ、杭２４の外周面から径方向外側へ突出されたリブ２８と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、杭基礎に関する。

特許文献１には、筒状の杭本体の先端に螺旋翼が設けられた回転圧入鋼管杭を備えた杭基礎において、この鋼管杭の杭頭及び外周面を覆うように場所打ちコンクリート杭を形成した構造が開示されている。また、特許文献２には、液状化が生じる地層部分を貫通する杭が開示されており、この杭における液状化部分と対応する周面に地盤攪乱体が形成されている。

特開２００５−２３２６９４号公報 特開平７−１２７０５３号公報

ところで、塔状構造物を支持する杭基礎では、杭の径を拡大させることなく水平力に対する抵抗力を確保できる構造が求められる。この構造の一例として、上記特許文献１に記載されているように、回転鋼管杭の杭頭の周囲にコンクリート杭を形成する構造が考えられる。しかしながら、回転鋼管杭を回転させるためには大掛かりな装置が必要となる。また、コンクリートを打設するために杭頭の周囲の地盤を掘削する必要があり、工期の観点で改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、水平力に対する抵抗力を確保しつつ、工期の短縮が可能な杭基礎を得ることを目的とする。

請求項１に記載の杭基礎は、鉛直方向に沿って延在され、杭頭が地盤よりも上方に突出されて塔状構造物を支持する杭と、前記杭における地盤中の地表面の近傍に設けられ、前記杭の外周面から径方向外側へ突出されたリブと、を有する。

請求項１に記載の杭基礎では、延長方向に沿って杭が延在されており、この杭の杭頭が地盤よりも上方に突出されている。また、杭における地盤の地表面の近傍には、リブが設けられており、このリブは、杭の外周面から径方向外側へ突出されている。これにより、杭に水平力が入力された場合、杭のすべり面を杭の周面からリブの先端側へシフトさせることができる。この結果、地盤から受ける抵抗力が大きくなり、水平力に対する抵抗力を確保することができる。

また、リブを形成するだけで水平力に対する抵抗力を大きくすることができるため、リブが無い場合と同様に施工することができ、工期の短縮が可能となる。

請求項２に記載の杭基礎は、請求項１において、前記リブは、前記杭の周方向に等間隔で複数設けられている。

請求項２に記載の杭基礎では、杭に対して様々な方向から水平力が入力された場合であっても水平力に対する抵抗力を確保することができる。

請求項３に記載の杭基礎は、請求項１又は２において、前記リブの上端部が地盤の地表面よりも下側に位置している。

請求項３に記載の杭基礎では、リブが地盤の地表面よりも上方まで延在されていないため、この地表面に床版などを設けることができる。

請求項４に記載の杭基礎は、請求項１〜３の何れか１項において、前記杭は、鋼管で形成されており、前記リブは、鋼材で形成されている。

請求項４に記載の杭基礎では、杭及びリブを鋼材で形成することにより、杭へリブを固定する際に、ボルト及びナットなどによる機械的な締結によってリブを固定する方法に加えて、溶接などの方法を用いリブを杭に固定する方法を採用することができる。

請求項５に記載の杭基礎は、請求項１〜４の何れか１項において、前記塔状構造物は、風力発電装置の脚部を構成している。

請求項５に記載の杭基礎では、風力発電装置などの重量物によって杭に転倒する方向の外力が入力された場合であっても、リブによって、この水平力に対する抵抗力を確保することができる。

請求項６に記載の杭基礎は、請求項１〜５の何れか１項において、前記杭は、筒状に形成されており、前記杭における地盤中に埋設された部位の内周面から径方向内側へ突出された内リブを備えている。

請求項６に記載の杭基礎では、杭の外周面のリブに加えて、杭の内周面に設けられた内リブによってさらに杭の剛性を向上させることができる。この結果、杭を小型化しても必要な抵抗力を確保することができる。

以上説明したように、本発明に係る杭基礎及び杭基礎の施工方法によれば、水平力に対する抵抗力を確保しつつ、工期の短縮が可能となる。

第１実施形態に係る杭基礎が適用された風力発電装置の全体図を示す模式図である。 （Ａ）は第１実施形態に係る杭基礎の立面図であり、（Ｂ）は図２のＡ−Ａで切断した状態を示す平断面図である。 （Ａ）は比較例における杭に外力が作用した際のすべり面を示す概略図であり、（Ｂ）は第１実施形態における杭に外力が作用した際のすべり面を示す概略図である。 （Ａ）は第１実施形態の第１変形例に係る杭基礎の立面図であり、（Ｂ）は図４（Ａ）の４Ｂ−４Ｂ線で切断した状態を示す平断面図である。 （Ａ）は第１実施形態の第２変形例に係る杭基礎の平断面図であり、（Ｂ）は第１実施形態の第３変形例に係る杭基礎の平断面図であり、（Ｃ）は第１実施形態の第４変形例に係る杭基礎の平断面図である。 （Ａ）は第１実施形態の第５変形例に係る杭基礎の立断面図であり、（Ｂ）は第１実施形態の第６変形例に係る杭基礎の立断面図である。 （Ａ）は第１実施形態の第７変形例に係る杭基礎の立断面図であり、（Ｂ）は第１実施形態の第８変形例に係る杭基礎の立断面図である。 （Ａ）は第２実施形態に係る杭基礎の立面図であり、（Ｂ）は平面図である。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る杭基礎１０について、図面を参照して説明する。図１に示されるように、本実施形態の杭基礎１０は、風力発電装置１２を支持する基礎とされている。

風力発電装置１２は、杭基礎１０から鉛直方向に延在された塔状構造物としての脚部（タワー）１４と、この脚部１４の上端部に設けられた風車部１６とを含んで構成されている。また、風車部１６は、ナセル１８、ハブ２０及びブレード２２を含んで構成されている。

脚部１４は、上方へ向かうにつれて徐々に小径となるように形成されており、この脚部１４の下端が杭基礎１０に連結されている。また、風車部１６を構成するナセル１８は、脚部１４の上端部に回動自在に取り付けられており、このナセル１８の内部には、図示しない発電機や増幅器が収容されている。

ナセル１８は、図示しないロータ軸を介してハブ２０と連結されている。そして、ハブ２０には複数の回転翼であるブレード２２が取り付けられており、本実施形態では一例として３枚のブレード２２がハブ２０の周面に取り付けられている。

以上のように構成された風力発電装置１２の脚部１４が杭基礎１０に支持されている。ここで、本実施形態の杭基礎１０は、杭２４とリブ２８とを含んで構成されている。

杭２４は、鋼管で形成されて鉛直方向を軸方向として延在されており、風力発電装置１２の脚部１４と略同軸上に設けられている。また、杭２４は、上部に設けられた杭頭２４Ａを除いた部分が打撃工法によって地盤２６中に打ち込まれている。ここで、本実施形態では、洋上の風力発電装置１２の杭基礎１０に適用しているため、杭２４は、海底に打ち込まれており、地盤２６から杭２４の杭径の４〜６倍程度の深さまで打ち込まれる。本実施形態では一例として、杭径が８ｍの杭２４を用いており、地盤２６から４０ｍ程度の深さまで打ち込まれている。

図２（Ａ）に示されるように、杭頭２４Ａは、地盤２６よりも上方に突出されている。また、杭２４における地盤２６の地表面の近傍には、複数のリブ２８が設けられている。リブ２８はそれぞれ、杭２４の軸方向（鉛直方向）に延在されており、本実施形態では、地盤２６の地表面の位置から下側へ延在されている。すなわち、リブ２８の上端部が地盤２６の地表面に位置しており、この地表面よりも上側に突出しないように配置されている。

図２（Ｂ）に示されるように、本実施形態では、杭２４の周方向に等間隔で８つのリブ２８が設けられている。それぞれのリブ２８は、杭２４の外周面から径方向外側へ突出されている。

ここで、リブ２８は、鋼材で形成されており、杭２４を打ち込む前に杭２４の外周面に溶接などの方法で固定されている。そして、リブ２８を固定した状態で打撃工法によって杭２４が地盤２６に打ち込まれている。なお、リブ２８を固定する方法は、溶接の他にボルト及びナットによって機械的に締結する方法を採用してもよい。

（作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態の杭基礎１０では、杭２４の外周面から径方向外側へ複数のリブ２８が突出されているため、風力発電装置１２から杭２４へ転倒する方向の外力（水平力）が入力された場合であっても、リブ２８によって、杭２４のすべり面を杭２４の周面からリブ２８の先端側へシフトさせることができる。この結果、この水平力に対する抵抗力を確保することができる。この作用について、図３を参照して説明する。

図３（Ａ）に示されるように、リブ２８が設けられていない比較例の杭１００の場合について考える。この構造では、杭２４に水平力が入力された場合、この杭２４の周面と地盤２６との境界部分がすべり面Ｐ１となる。

これに対して、図３（Ｂ）に示されるように、本実施形態の杭基礎１０を構成する杭２４では、リブ２８が設けられていることにより、リブ２８の先端部分と地盤２６との境界部分がすべり面Ｐ２となる。このように、本実施形態の杭基礎１０では、リブ２８が無い比較例に対して、より地盤２６から大きな抵抗力を受けることができる。なお、図３（Ｂ）では、説明の便宜上、地盤２６からの抵抗力を受けるリブ２８のみを図示しており、他の６つのリブ２８の図示を省略している。

また、打撃工法によって杭２４を打ち込む場合、杭２４の周面の近傍の地盤２６は、杭２４の打ち込みによって軟質になっている。すなわち、摩擦力が小さくなっている。このような構造では、比較例のようにリブ２８が無い場合、すべり面Ｐ１が杭１００の周面の摩擦力の小さい部分となるため、抵抗力が小さくなる可能性がある。

本実施形態では、すべり面Ｐ２が杭２４の周面よりも外側になるため、より摩擦力の大きい部分で地盤２６からの抵抗力を得ることができ、水平力に対する抵抗力を確保することができる。

また、本実施形態では、リブ２８を形成するだけで水平力に対する抵抗力を大きくすることができるため、杭２４の径を大きくすることがない。また、リブ２８を鉛直方向に延在させることにより、打撃工法によって杭２４を打ち込む際に、リブ２８から抵抗を受けるのを抑制することができる。この結果、リブ２８が無い場合と同様に施工することができ、工期の短縮が可能となる。

さらに、本実施形態では、図２（Ｂ）に示されるように、リブ２８が杭２４の周方向に等間隔で複数（８つ）設けられている。これにより、杭２４に対して様々な方向から水平力が入力された場合であっても水平力に対する抵抗力を確保することができる。

さらにまた、本実施形態では、リブ２８の上端部が地表面よりも下側に位置している。すなわち、リブ２８が地表面よりも上側まで延在されていない。これにより、この地表面に床版などを設けて水平力に対する抵抗力を増大させることができる（図８参照）。一方で、杭２４における地盤２６の地表面の近傍は、モーメントが大きくなる部分であるため、この部分にリブ２８を設けることで、水平力に対する抵抗力を確保することができる。

また、本実施形態では、杭２４を鋼管で形成しており、リブ２８を鋼材で形成している。これにより、杭２４へリブ２８を固定する際に、ボルト及びナットなどによる機械的な締結によってリブ２８を杭２４に固定する方法に加えて、溶接などの方法を用いリブ２８を杭２４に固定する方法を採用することができる。

なお、本実施形態では、杭２４を構成する鋼管の内部を空洞にしたが、これに限定されない、例えば、図４に示す第１変形例の構造を採用してもよい。また、リブの形状や数について、図５〜７に示す第２変形例〜第８変形例の構造を採用してもよい。

（第１変形例）
図４（Ａ）に示されるように、本変形例では、鋼管で形成された杭２４の内部にコンクリート３２が充填された、所謂ＣＦＴ造（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ-Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ：充填形鋼管コンクリート構造）とされている。図４（Ｂ）に示されるように、杭２４の内部にコンクリート３２を充填することで、コンクリート３２が鋼管の内周面に密着している。

図４（Ａ）に示されるように、コンクリート３２は、地盤２６の地表面よりも上側に位置する杭頭２４Ａからリブ２８の下端部よりも下側まで充填されている。このように、杭２４の耐力が必要となる部分にコンクリート３２を充填することで、杭２４の厚みを薄くしたり、杭２４の径を小さくすることができる。

（第２変形例）
図５（Ａ）に示されるように、本変形例では、杭２４の周方向に等間隔で１６つのリブ２８が設けられている。それぞれのリブ２８は、杭２４の外周面から径方向外側へ突出されている。また、リブ２８の杭２４の周面からの長さは全て同じ長さとされている。

（第３変形例）
図５（Ｂ）に示されるように、本変形例では、杭２４における地盤２６中に埋設された部位の内周面から径方向内側へ突出された内リブ３４を備えている。このように、杭２４の外周面のリブ２８に加えて、杭２４の内周面に設けられた内リブ３４によって、さらに杭２４の剛性を向上させることができる。この結果、杭２４を小さくしても必要な抵抗力を確保することができる。

なお、図５（Ｂ）では、杭２４の内側を空洞としているが、実際には、打撃工法によって杭２４を地盤２６に打ち込むことで、杭２４の内部に土砂が入り込んでいる。

（第４変形例）
図５（Ｃ）に示されるように、本変形例では、リブ２８の杭２４の周面からの長さが第１実施形態よりも短く形成されている。例えば、地盤２６が比較的硬質な場合は、リブ２８の長さを短くすることで、杭２４を打ち込みやすくすることができる。

（第５変形例）
図６（Ａ）に示されるように、本変形例では、杭２４の周面から径方向外側へリブ４０が突出されており、このリブ４０の下端部は、下側に向かうにつれて径方向の長さが徐々に短くなっている。そして、本変形例におけるリブ４０の下端部は、下側へ向かうにつれて径方向外側に位置するように傾斜されている。

（第６変形例）
図６（Ｂ）に示されるように、本変形例では、杭２４の周面から径方向外側へリブ４２が突出されており、このリブ４２の下端部は、下側に向かうにつれて径方向内側に位置するように傾斜されている。第５変形例及び第６変形例のように、リブの下端部を傾斜させることで、杭２４を打ち込みやすくできる。

（第７変形例）
図７（Ａ）に示されるように、本変形例では、杭２４の周面から径方向外側へリブ４４が突出されており、このリブ４４の下端部は、下側に向かうにつれて径方向内側に位置するように湾曲されている。

（第８変形例）
図７（Ｂ）に示されるように、本変形例のリブ４６は、第７変形例とは逆向きに湾曲されている。すなわち、リブ４６の下端部は、下側に向かうにつれて径方向外側に位置するように湾曲されている。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る杭基礎５０について、図面を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態の杭基礎５０は、杭２４、リブ２８及び床版５２を含んで構成されており、杭２４及びリブ２８については第１実施形態と同様の構造とされている。また、床版５２は、杭２４の杭頭２４Ａに設けられており、この床版５２は、ベース５４と三角板５６とを含んで構成されている。

ベース５４は、杭２４の軸方向（鉛直方向）を厚み方向として形成されており、地盤２６上に設置されている。また、図８（Ｂ）に示されるように、ベース５４は、平面視で杭２４と同心状の略円形に形成されている。そして、本実施形態では一例として、ベース５４が鋼材で形成されており、杭頭２４Ａの周面に固定されている。ベース５４を杭頭２４Ａに固定する方法としては、溶接の他、ボルト及びナット等によって機械的に締結する方法を採用してもよい。

ベース５４の上面側には複数の三角板５６が設けられている。三角板５６は、杭２４の周方向に沿って等間隔に８つ設けられおり、それぞれの三角板５６は、杭２４に沿った方向とベース５４に沿った方向とが直線部分となるように略三角形状に形成されている。また、本実施形態では三角板５６の位置とリブ２８の位置とは一致している。このため、平面視で三角板５６とリブ２８とが上下に重なるように位置している。

三角板５６の下端面は、ベース５４に沿って杭２４の径方向に延在されており、ベース５４の上面に固定されている。また、三角板５６における杭２４の中心側に位置する側面は、杭頭２４Ａに沿って鉛直方向に延在されており、この杭頭２４Ａに固定されている。この三角板５６をベース５４及び杭頭２４Ａに固定する方法としては、ベース５４と同様に溶接の他、ボルト及びナット等によって機械的に締結する方法を採用してもよい。

以上のように、床版５２は、地盤２６上に設置されており、杭頭２４Ａに固定されている。このため、杭２４に作用する外力が床版５２を介して地盤２６へ伝達されるように構成されている。

（杭基礎の施工方法）
次に、本実施形態の杭基礎５０の施工方法の一例について説明する。初めに、杭２４と床版５２が分離された状態で、予め杭２４にリブ２８を固定しておく。そして、打撃工法により杭２４を地盤２６に所定の深さまで打ち込む。このように打撃工法を採用すれば、地盤２６が土砂地盤や比較的緩い礫地盤に限らず、軟岩であっても杭２４を施工する（打ち込む）ことができる。

続いて、打ち込まれた杭２４に床版５２を固定する。ここで、本実施形態では、海中で床版５２を杭頭２４Ａに固定する作業となるため、予めベース５４に三角板５６を取り付けて床版５２を形成しておき、この状態で杭２４の上側から床版５２を杭頭２４Ａに通して地盤２６上に設置する方法を採用してもよい。

床版５２を地盤２６上に設置した後、ベース５４及び三角板５６を所定の方法で杭頭２４Ａに固定する。このようにして、杭基礎５０が施工される。

（作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態の杭基礎５０では、地盤２６上に床版５２が設置されており、この床版５２は、杭２４に固定されて杭２４に作用する力を地盤２６へ伝達させるように構成されている。これにより、塔状構造物である風力発電装置１２の脚部１４から杭２４に対して、杭２４が倒れる方向の外力が入力された場合であっても、この外力の少なくとも一部を床版５２を介して地盤２６へ伝達させることができ、水平力に対する杭２４の抵抗力を確保することができる。その他の作用については第１実施形態と同様である。

以上、第１、第２実施形態及び変形例について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、塔状構造物として風力発電装置を支持する杭基礎について説明したが、これに限定されない。すなわち、他の塔状構造物を支持する杭基礎に適用してもよく、鉄塔などの塔状構造物を支持する杭基礎に適用してもよい。この場合、複数の杭を地盤に打ち込むことで、鉄塔などの塔状構造物を支持することができる。

また、上記実施形態では、１つの杭で風力発電装置を支持するモノパイル基礎としたが、これに限定されず、他の基礎に適用してもよい。例えば、３つの杭を地盤に打ち込み、これらの杭を連結して風力発電装置を支持する三脚式（トライポッド式）の基礎に適用してもよい。この場合、それぞれの杭にリブを設けることで、上記実施形態と同様の作用を奏し得る。

さらに、上記実施形態では、杭を鋼管で形成したが、杭の材質は特に限定されず、他の材質で杭を形成してもよい。例えば、木造の木杭やコンクリート造のコンクリート杭を用いてもよい。また、これらの材質を組み合わせた杭を用いてもよい。

さらにまた、上記実施形態では、リブの上端部が地盤２６の地表面に位置しているが、これに限定されず、リブを地表面よりも上側まで突出させた構造としてもよい。

また、図６、７に図示された第５〜第８変形例では、リブの下端部の形状を変更した構造について説明したが、さらにリブの先端部分を尖らせてもよい。例えば、図２（Ａ）に示されるリブ２８において、このリブ２８の下端部を下側へ向かうにつれて徐々に厚みが薄くなるように形成してもよい。このようにすれば、リブ２８の下端部が尖るため、杭２４を打ち込む際のリブ２８から受ける抵抗を低減させることができる。

１０ 杭基礎
１２ 風力発電装置
１４ 脚部（塔状構造物）
２４ 杭
２４Ａ 杭頭
２６ 地盤
２８ リブ
３４ 内リブ
４０ リブ
４２ リブ
４４ リブ
４６ リブ
５０ 杭基礎

Claims (6)

1. 鉛直方向に沿って延在され、杭頭が地盤よりも上方に突出されて塔状構造物を支持する杭と、
   前記杭における地盤中の地表面の近傍に設けられ、前記杭の外周面から径方向外側へ突出されたリブと、
   を有する杭基礎。
2. 前記リブは、前記杭の周方向に等間隔で複数設けられている請求項１に記載の杭基礎。
3. 前記リブの上端部が地盤の地表面よりも下側に位置している請求項１又は２に記載の杭基礎。
4. 前記杭は、鋼管で形成されており、
   前記リブは、鋼材で形成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の杭基礎。
5. 前記塔状構造物は、風力発電装置の脚部を構成している請求項１〜４の何れか１項に記載の杭基礎。
6. 前記杭は、筒状に形成されており、
   前記杭における地盤中に埋設された部位の内周面から径方向内側へ突出された内リブを備えている請求項１〜５の何れか１項に記載の杭基礎。