JP2021188438A - 基礎の根固め構造および基礎の根固め方法 - Google Patents

Abstract

【課題】施工費が安価で周面摩擦力の低下を防止できる基礎の根固め構造および基礎の根固め方法を提供する。【解決手段】地盤３にモノパイル１を設置しつつ、モノパイル１の周囲の緩んだ地盤３に石灰石粉と水と減水剤とからなる無機粒体材料５を充填する。モノパイル１は地盤３の所定の深さまで根入れされ、外周面に接触する地盤３が全て無機粒体材料５で置き換えられる。無機粒体材料５は、モノパイル１の根入れ部分の周囲の略一定の厚さの範囲に充填される。波浪や風などの自然力によって矢印Ａに示す水平方向の荷重が作用すると、モノパイル１は上端に近づくほど右に大きく変位し、モノパイル１の周囲の無機粒体材料５が地盤３と置き換えられた範囲内でモノパイル１と地盤３との間に空洞が発生しないように変形して剛性が急激に増大する。無機粒体材料５は荷重が解消されると元の形に戻る。【選択図】図２

Description

本発明は、基礎の根固め構造および基礎の根固め方法に関するものである。

近年、自然エネルギーが脚光を浴びており陸上・洋上風力発電プロジェクトが盛んになっている。洋上風力では、施工性や経済性に鑑みてモノパイル基礎が標準的に採用されている。モノパイル基礎の支持層上に軟弱層が厚く堆積している場合には、軟弱層を地盤改良することによって改良地盤に水平方向への支持力を発揮させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特許第４６０６０８６号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法では、広範囲に地盤改良を実施するためコストが嵩む。また、日本の海域は地震多発地帯であり、地震時はモノパイル基礎に繰返し載荷が作用する。波浪や風による繰返し荷重によってモノパイル基礎周辺部に空洞が発生すると、引抜抵抗力が設計時よりも弱くなる可能性がある。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、施工費が安価で周面摩擦力の低下を防止できる基礎の根固め構造および基礎の根固め方法を提供することである。

前述した目的を達成するために第１の発明は、水底の地盤に設置された基礎と、前記基礎の周囲の地盤と置き換えられた、石灰石粉と水と減水剤とからなる無機粒体材料と、を具備し、前記無機粒体材料は、前記基礎に水平方向の荷重が作用して変位が生じると一定の体積を保持できる材料であることから材料内に負圧が発生することで剛性が増大し、前記荷重が解消されると元の形に戻ることを特徴とする基礎の根固め構造である。

第１の発明では、低間隙比の無機粒体材料で基礎の周囲の地盤を置き換えることにより、水平荷重が作用して基礎に変位が生じると無機粒体材料が基礎の多少の変位を許容しつつ壊れずに変形して剛性が増大し、荷重が解消されると無機粒体材料が元の形に戻る。そのため、波浪や風による繰り返し荷重が作用しても当初の周面摩擦力が低下しない。また、無機粒体材料は低間隙比であることから、変形して粒体同士にせん断力が発生すると体積膨張を生じるので、周面摩擦力の増加を期待することができる。

前記無機粒体材料は、流動性を有することから、前記基礎の周囲に空洞が生じないように変形する。
無機粒体材料の強度低下がなく、基礎の周囲に空洞が発生しなければ、基礎の周面摩擦力の低下を確実に防止できる。

前記基礎は例えばモノパイルである。
モノパイルの周囲の地盤を無機粒体材料で置き換えることで、周面摩擦力の増大を見込めることから、モノパイルの根入れ深さを短くすることができる。

前記基礎の内部に前記無機粒体材料が充填されてもよい。
無機粒体材料を用いれば基礎の内部を密実に充填することが可能となり、基礎の内部の無機粒体材料の変形に伴う負圧の発生によってさらなる剛性の増大を期待できる。
前記基礎の周囲の地盤上にフィルター材、フィルターユニット又はアスファルトマットの少なくとも一つが配置されてもよい。

第２の発明は、水底の地盤に基礎を設置する工程ａと、前記基礎の周囲の地盤に、石灰石粉と水と減水剤とからなる無機粒体材料を設置する工程ｂと、を具備し、前記無機粒体材料は、前記基礎に水平方向の荷重が作用して変位が生じると変形して剛性が増大し、前記荷重が解消されると元の形に戻ることを特徴とする基礎の根固め方法である。

第２の発明では、安価な無機粒体材料を基礎の周囲の地盤に設置するため、施工費を抑えることができる。

第２の発明では、前記工程ａで、前記基礎を打撃工法または中掘り工法で設置した後、前記工程ｂで、前記基礎の周囲の緩んだ地盤に前記無機粒体材料を充填してもよい。また、前記工程ａで、前記基礎を打撃工法または中掘り工法で設置しつつ、前記工程ｂで、前記基礎の周囲の緩んだ地盤に前記無機粒体材料を充填してもよい。
無機粒体材料は高密度で自己充填性が高いので、緩んだ地盤に流し込んで充填することができる。後者のように地盤に基礎を設置しつつ無機粒体材料を充填すれば、基礎設置時の周辺地盤の乱れを抑制し、騒音や振動を緩和することができる。

第２の発明では、前記工程ａで、水底の地盤に孔を掘削して前記孔に基礎を設置し、前記工程ｂで、前記孔と前記基礎との隙間に前記無機粒体材料を充填してもよい。
地盤がある程度自立する硬さであれば、孔壁が崩れないため孔を先に掘削する工法を選択できる。

本発明によれば、施工費が安価で化学的に安定しており周面摩擦力の低下を防止できる基礎の根固め構造および基礎の根固め方法を提供できる。

洋上風力発電設備９の施工方法を示す図。 モノパイル１に変位が生じた状態を示す図。 根固め構造３１ａを示す図。 根固め構造３１ｂを示す図。 根固め構造３１ｃの構築方法を示す図。 根固め構造３１ｄの構築方法を示す図。 他の基礎に適用した例を示す図。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。

[第１の実施形態]
図１は本発明の根固め構造３１を用いた洋上風力発電設備９の施工方法を示す図である。図１（ａ）は、基礎であるモノパイル１を設置している状態を示す図、図１（ｂ）はモノパイル１の根固め構造３１を完成した状態を示す図、図１（ｃ）は洋上風力発電設備９を完成した状態を示す図である。

洋上風力発電設備９を施工するには、まず図１（ａ）に示すように、海底の地盤３にモノパイル１を例えば打撃工法で設置しつつ、モノパイル１の周囲の緩んだ地盤３に無機粒体材料５を充填する。図１（ｂ）に示すように、モノパイル１は地盤３の所定の深さまで根入れされ、モノパイル１の外周面に接触する地盤３が全て無機粒体材料５で置き換えられる。無機粒体材料５は、モノパイル１の根入れ部分の周囲の略一定の厚さの範囲に充填される。

無機粒体材料５は、石灰石粉と水と減水剤とからなる。無機粒体材料５は、例えば特許公報第６２７９９７８号に記載された材料であり、粒形７５μｍ以下の石灰石粉を７０％以上含み、間隙比が０．３以上０．６以下であり、混和剤を０．０８％以上１０％以下含有する。好ましくは、粒形７５μｍ以下の石灰石粉を７５％以上含み、間隙比が０．４０以上０．５５以下である。第１の実施形態では海底の地盤３を無機粒体材料５で置き換えるため、混和剤には、海水に対応した高耐久性の減水剤や、増粘剤を添加した不分離性を向上した減水剤など、高性能化した減水剤を適用してもよい。

無機粒体材料５は自己充填性が高いことから、スクイーズポンプなどを用いてモノパイル１の周囲の緩んだ地盤３にホースで流し込んで充填することができる。また、無機粒体材料５は振動エネルギーを減衰する効果を有するため、地盤３にモノパイル１を打撃工法で設置しつつ無機粒体材料５を充填すれば、モノパイル１設置時の周辺の地盤３の乱れを抑制し、騒音や振動を緩和することもできる。

モノパイル１および無機粒体材料５を地盤３に設置したら、モノパイル１の周囲の地盤３上にフィルター層１１（砂利などのフィルター材）を敷設し、フィルター層１１上にフィルターユニット１３（石等の中詰め材が収容された袋体）を設置して根固め構造３１を完成する。フィルター層１１およびフィルターユニット１３は、波浪によるモノパイル１の周囲の地盤３の洗掘を防止すると同時に、波浪による無機粒体材料５の逸散も防止する。

モノパイル１の根固め構造３１を完成したら、図１（ｃ）に示すようにモノパイル１上に上部構造７を設置して洋上風力発電設備９を完成する。

図２は、モノパイル１に変位が生じた状態を示す図である。図２に示すように、洋上風力発電設備９では、波浪や風などの自然力によって矢印Ａに示す水平方向の荷重が作用する。すると、モノパイル１は上端に近づくほど右に大きく変位し、モノパイル１の周囲の無機粒体材料５が地盤３と置き換えられた範囲内でモノパイル１と地盤３との間に空洞が発生しないように変形する。

無機粒体材料５は、上記したように間隙比が極めて小さい粒体材料である。そのため、図２に示すようにモノパイル１が右に変位し無機粒体材料５が地盤３と置き換えられた範囲内で変形すると、モノパイル１より右側の無機粒体材料５は、せん断力の発生による正のダイレイタンシー効果で体積が膨張しようとし、内部で粒体同士が引張り合うような力が働いて負圧が生じ、剛性が急激に増大する。剛性が急激に増大すると無機粒体材料５が変形に対抗するようになり、モノパイル１の一定以上の変位が許容されにくくなる。このように、モノパイル１に水平方向の荷重が作用して変位が生じると、無機粒体材料５は変形して剛性が増大しつつ、モノパイル１の周面摩擦力増大に伴う引抜抵抗力を確保することができる。

根固め構造３１では、図２に示す矢印Ａに示す方向の荷重が作用した時には、無機粒体材料５がモノパイル１を右方向の多少の変位を許容しつつ支持する。同様に、矢印Ａと反対方向の荷重が作用した時には、無機粒体材料５がモノパイル１を左方向の多少の変位を許容しつつ支持する。すなわち、根固め構造３１は、繰返し荷重が作用した時にモノパイル１の変位を限られた範囲内に留めて揺動を抑制することができる。

なお、無機粒体材料５は、モノパイル１に水平荷重が作用してせん断力が生じれば生じるほど大きな負圧が作用し、理論上は壊れることなく強度が上がる。荷重が解消されると、無機粒体材料５は元の形に戻り、強度も元に戻る。

このように、第１の実施形態の根固め構造３１によれば、水平荷重が作用してモノパイル１に変位が生じると、無機粒体材料は一定の体積を保持できる材料であることから、無機粒体材料５がモノパイル１の周囲に空洞が生じないように変形して材料内に負圧が発生し、負圧発生に伴って剛性が増大する。また、荷重が解消されると無機粒体材料５が元の形に戻ることにより、繰返し荷重が作用したときにモノパイル１を多少の変位を許容しつつ元の位置で支持することができる。

無機粒体材料５と置き換えられない通常の地盤３でモノパイル１を支持する場合、モノパイル１に波浪や風による水平荷重が繰返して作用すると、地盤３が崩壊して強度が低下し、モノパイル１との間に空洞が発生し、当初見込んでいた周面摩擦力が期待できなくなる。例えば、上記した特許文献１記載のモノパイル式基礎構造では、軟弱層を地盤改良して壊れないように硬くすることにより、繰返し荷重による強度低下や空洞の発生を防止している。一方、根固め構造３１では、地盤を固くするのではなく、地盤と同程度の剛性を保有するが壊れない無機粒体材料５でモノパイル１の周囲の地盤３を置き換えることにより、繰返し荷重による強度低下や空洞の発生を防止していることから、当初見込んでいた周面摩擦力を確実に得ることができる。また、無機粒体材料５の体積膨張による周面摩擦力の増加が想定されるので、繰返し荷重による引抜抵抗力に対してより安全側の応力状態になることが期待できる。

根固め構造３１では、繰返し荷重が作用しても周面摩擦力が低下しないので、通常の地盤３で支持する場合と比較してモノパイル１の根入れ深さを短くすることができる。また、安価な無機粒体材料５を用いるため、地盤を改良する場合と比較して施工費を低減することができる。

なお、第１の実施形態ではモノパイル１を打撃工法によって地盤３に設置したが、日本国内の海底地盤は岩盤面が浅く、打撃貫入ではモノパイル１を施工できない事例が想定される。この場合、中掘り工法を採用してもよい。モノパイル１を中掘り工法によって設置する場合には、モノパイル１を地盤３に打設しつつモノパイル１の内部を掘削土または無機粒体材料で埋め戻す。モノパイル１の内部を無機粒体材料で埋め戻せば、モノパイル１にたわみ変位が生じた時に負圧発生によるモノパイル１の剛性増大を見込むことができる。但し、モノパイル１が大口径である場合には、埋め戻し材料が大量に必要となることから掘削土と無機粒体材料とを併用してもよい。この場合、地盤３の表層付近など、繰返し荷重が作用した際に一次変形モードによる変位が卓越する場所だけを無機粒体材料で置換することが効果的である。

また、根固め構造の構成は上記したものに限らない。図３は、根固め構造３１ａを示す図である。図３に示す根固め構造３１ａのように、地盤３の表層付近において無機粒体材料５ａに増厚部１５を設けてもよい。モノパイル１は、水平荷重が繰返して作用した時に下端付近よりも地盤３の表層付近において大きく変位するので、地盤３の表層付近に増厚部１５を設けることによってモノパイル１の揺動を確実に抑制することができる。なお、一般的にモノパイル１の設計上、許容されている回転角は０．５度である。このため、モノパイル１の下端から回転角０．５度の角度でモノパイル１を傾斜させた際に、モノパイル１の周囲に無機粒体材料５ａが存在可能な程度の範囲において、地盤３を無機粒体材料５ａに置換しておくことが望ましい。

図４は、根固め構造３１ｂを示す図である。図４に示す根固め構造３１ｂのように、モノパイル１の周囲の地盤３上にフィルター層１１およびフィルターユニット１３の代替としてアスファルトマット１７を設置してもよい。すなわち、モノパイル１の周囲の地盤３上にフィルター材、フィルターユニット又はアスファルトマットの少なくとも一つが配置されることが望ましい。

以下、本発明の別の例について、第２、第３の実施形態として説明する。各実施形態はそれまでに説明した実施形態と異なる点について説明し、同様の構成については図等で同じ符号を付すなどして説明を省略する。また、第１の実施形態も含め、各実施形態で説明する構成は必要に応じて組み合わせることができる。

[第２の実施形態]
図５は、根固め構造３１ｃの構築方法を示す図である。第２の実施形態は、モノパイル１を打設した後に無機粒体材料５を設置する点で第１の実施形態と主に異なる。

図５（ａ）に示す工程では、地盤３に打撃工法でモノパイル１を設置する。その後、図５（ｂ）に示す工程で、モノパイル１の打設によって緩んだ地盤３の範囲１９内に無機粒体材料５を充填する。無機粒体材料５は自己充填性が高いので、緩んだ範囲１９に流し込んで充填することができる。

図５（ａ）に示す工程では、地盤３に中掘り工法でモノパイル１を設置してもよい。モノパイル１を中掘り工法によって設置する場合には、図５（ａ）に示す工程で、モノパイル１を地盤３に打設しつつモノパイル１の内部を掘削土または無機粒体材料で埋め戻す。

[第３の実施形態]
図６は、第３の実施形態の根固め構造３１ｄの構築方法を示す図である。第３の実施形態は、地盤３に孔２１を掘削した後にモノパイル１を打設する点で第１の実施形態と主に異なる。第３の実施形態は、地盤３がある程度自立する硬さである場合に適用される。

図６（ａ）に示す工程では、地盤３に孔２１を掘削する。地盤３は自立する硬さであるため、孔２１の壁面は崩落しない。次に、図６（ｂ）に示すように孔２１にモノパイル１を設置する。その後、図６（ｃ）に示すように、孔２１とモノパイル１との隙間と、モノパイル１の内部とに無機粒体材料５を充填する。孔２１とモノパイル１との隙間については、フィルターユニット１３の袋体と同じ材質などの可撓性を有する袋体に無機粒体材料５を充填したものを予め準備しておき、これを設置してもよい。

第２、第３の実施形態の根固め構造３１ｃ、３１ｄにおいても、モノパイル１の周囲の地盤３を無機粒体材料５で置き換えることにより第１の実施形態の根固め構造３１と同様の効果が得られる。

なお、第１から第３の実施形態では、基礎の例としてモノパイルを示したが、基礎の形式はこれに限らない。図７は、他の基礎に適用した例を示す図である。図７（ａ）に示す例では、ジャケット式基礎２３のアンカー杭２５の周囲の地盤３が無機粒体材料５ｂで置き換えられる。図７（ｂ）に示す例では、重力式基礎２７のスカート２９の周囲の地盤３が無機粒体材料５ｃで置き換えられる。本発明の基礎の根固め構造および根固め方法は、その他のトリポッド式の基礎などにも適用可能である。

第１から第３の実施形態で根固めされるモノパイル１は、図６（ｃ）に示すように根入れ部分の部材厚さが一定である。または、モノパイルの根入れ部分の下端が刃口のように先細りしていてもよい。上記した特許公報第６２７９９７８号に記載されたアンカー構造では、先端に定着部を有するアンカーの周囲に無機粒体材料を充填してアンカーの軸方向に作用する引抜き力に対して無機粒体材料の引張り抵抗力を発揮させているのに対し、本発明の根固め構造では、モノパイルの下端に定着部は設けられずモノパイルの揺れに対して無機粒体材料の保持力を利用して揺動を抑制することを目的としている。本発明の根固め構造では、先端部に拡径した定着部を有さず、基礎の先端まで略同径または、先端部に先細り部を有していてもよいため、体積膨張が生じないよう軸方向に極めてゆっくり引張れば基礎を引き抜くことも可能である。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、基礎が設置される地盤は海底に限らず、河川等の水底でもよい。また、構造物の支持力のモニタリングやメンテナンスのために、モノパイル１等に加振器と加速度センサを取り付けて、加振器によってモノパイル１へ振動を付加し、加速度センサによってモノパイル１の加速度を測定（間接的に変位を測定）してもよい。この場合、例えば、モノパイル１へ水平方向に直交する２方向へ０．１〜４Ｈｚ程度の加振を行うことで、周囲の地盤３からのモノパイル１の支持力を把握することができ、根固め構造の健全性を把握することができる。なお、根固め構造の健全性の把握には、撮像装置で得られる画像によって、モノパイル１等の揺れの判定を行ってもよい。また、無機粒体材料は免震材としても機能するため、モノパイル１等に加速度センサを取り付けておくことで、地震時におけるモノパイル１等の揺れの低減効果を把握することもできる。

１………モノパイル
３………地盤
５、５ａ、５ｂ、５ｃ………無機粒体材料
７………上部構造
９………洋上風力発電設備
１１………フィルター層
１３………フィルターユニット
１５………増厚部
１７………アスファルトマット
１９………範囲
２１………孔
２３………ジャケット式基礎
２５………アンカー杭
２７………重力式基礎
２９………スカート
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ………根固め構造

Claims (9)

1. 水底の地盤に設置された基礎と、
   前記基礎の周囲の地盤と置き換えられた、石灰石粉と水と減水剤とからなる無機粒体材料と、
   を具備し、
   前記無機粒体材料は、前記基礎に水平方向の荷重が作用して変位が生じると変形して剛性が増大しつつ周面摩擦力増大に伴う引抜抵抗力を確保可能であり、前記荷重が解消されると元の形に戻ることを特徴とする基礎の根固め構造。
2. 前記無機粒体材料が、前記基礎の周囲に空洞が生じないように変形することを特徴とする請求項１記載の基礎の根固め構造。
3. 前記基礎がモノパイルであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の基礎の根固め構造。
4. 前記基礎の内部に前記無機粒体材料が充填されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の基礎の根固め構造。
5. 前記基礎の周囲の地盤上にフィルター材、フィルターユニット又はアスファルトマットの少なくとも一つが配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の基礎の根固め構造。
6. 水底の地盤に基礎を設置する工程ａと、
   前記基礎の周囲の地盤に、石灰石粉と水と減水剤とからなる無機粒体材料を設置する工程ｂと、
   を具備し、
   前記無機粒体材料は、前記基礎に水平方向の荷重が作用して変位が生じると変形して剛性が増大し、前記荷重が解消されると元の形に戻ることを特徴とする基礎の根固め方法。
7. 前記工程ａで、前記基礎を打撃工法または中掘り工法で設置した後、
   前記工程ｂで、前記基礎の周囲の緩んだ地盤に前記無機粒体材料を充填することを特徴とする請求項６記載の基礎の根固め方法。
8. 前記工程ａで、前記基礎を打撃工法または中掘り工法で設置しつつ、
   前記工程ｂで、前記基礎の周囲の緩んだ地盤に前記無機粒体材料を充填することを特徴とする請求項６記載の基礎の根固め方法。
9. 前記工程ａで、水底の地盤に孔を掘削して前記孔に基礎を設置し、
   前記工程ｂで、前記孔と前記基礎との隙間に前記無機粒体材料を充填することを特徴とする請求項６記載の基礎の根固め方法。

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