JP3189885B2 - 耐震杭構造および耐震杭工法 - Google Patents

耐震杭構造および耐震杭工法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】これまでの地震災害や1995年
の阪神淡路大震災の経験により、杭で支持された構造物
の耐震安全性を高めるためには構造物を支持する杭基礎
構造体の耐震安全性を高めることの重要性が指摘されて
いる。本発明は、地震時に杭体に発生する応力を大幅に
低減させることにより、簡便且つ経済的な方法で杭基礎
の耐震安全性能を飛躍的に高める杭基礎構造方法であ
り、あらゆる構造物の杭基礎に適用できるものである。
【0002】
【従来技術】軟弱地盤等に構造物を建設する場合には、
構造物を支持するために鋼杭やプレストレスト鉄筋コン
クリート杭などの既成杭、あるいは場所打ちコンクリー
ト杭など各種の杭基礎が採用されている。
【0003】これらの杭は、平常時における構造物の重
量を支持することが本来の目的であったが、過去におけ
るこれまでの地震災害において杭の損傷事例が多数報告
されてきたために、地震時における杭および基礎構造体
の耐震安全性を確保することが耐震設計上の重要課題と
なっている。
【0004】杭の耐震安全性を向上させる従来の方法
は、杭と構造物の連結部である杭頭の曲げ応力に対して
「杭頭固定」条件が成立するように基礎フーチングや地
中梁で拘束し、その杭頭に構造物からの水平力が伝達さ
れた場合の応力を計算し、杭体にはその応力以上の曲げ
およびせん断耐力を付与するというものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】1995年の阪神淡路
大震災をはじめとして、近年の地震災害では水平最大加
速度が1000cm/s前後、最大速度は100cm
/s前後あるいはそれ以上という極めて強い地震動が観
測されている。そのような強い地震動に対して構造物を
耐震設計しようとすると、構造物には極めて大きな水平
力が発生し、従って杭体にも非常に大きな水平力が伝達
されることになる。また、近年の地震被害や研究によ
り、地層の水平変位によって強制される変形により杭体
には極めて大きな応力が発生することが判ってきた。
【0006】これらの大きな地震時応力に対して杭基礎
構造体を安全に設計しようとすると、極めて大径の杭と
大断面の地中梁が必要となり、設計不可能・施工不能の
基礎構造体となる場合が生じている。
【0007】阪神淡路大震災以降、わが国においては免
震構造建物が普及しつつあるが、地震応答が著しく低減
される免震構造においてさえ、上記の問題が生じる場合
が多く、ましてや厳しい地震応答が生じる従来の耐震構
造では殆ど設計不可能と言わざるを得ない場合が多発し
ているのが実状である。
【0008】この杭基礎構造体の耐震安全性能の改善と
いう難題に対して、杭頭や杭先端の過大な応力を緩和す
る画期的な方法としては、杭頭・杭先端をピン接合に近
い状態にする解決策(特願平9−81791)が考案さ
れているが、杭体中間部には依然として厳しい応力が発
生することが杭体の耐震設計上の重要課題として残され
ている。
【0009】本発明は、杭体が地層から強制変形を受け
ることによって発生する杭体中間部の大きな地震時応力
を飛躍的に低減させ得る方法を提案するものである。本
発明と上記発明の両者を採用することにより、杭頭から
杭先端までの杭体全体の地震時発生応力を大幅に低減さ
せ、厳しい地震動作用時においても杭体全体が損傷を受
けない耐震安全性能の高い杭基礎を経済的に建設するこ
とを可能にしようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】杭頭および杭先端に発生
する地震時応力(曲げモーメントおよびせん断力)は杭
端部の結合条件を回転自由のピン接合とすることによっ
て大幅に低減させることができるが、杭体中間部の応力
は地層の水平変位によって受ける強制変形に支配され、
杭端部の結合条件には左右されない。この杭体中間部の
応力を低減させるために、本発明は、杭体周囲の地層に
地震時水平せん断変形が発生しても杭体には強制変形が
作用しないようにするものである。
【0010】通常、杭体は地中に直接埋設され杭体は周
囲地層に接触しているため、周囲の地層が水平変位を生
じると地層に引きずられて杭体にも水平変形が発生す
る。本発明では、杭体の側面周囲に柔らかい緩衝材層を
設け、地層に水平せん断変形が発生しても、この緩衝層
が変形し潰れることによって地層の変位を杭体に強制し
ないようにさせる。杭体の曲げ変形は地層のせん断変形
から分離されるため、杭体は滑らかな曲線を描いて曲げ
変形するようになり、地層の不連続な変位による局部的
な応力が解消されることになる。
【0011】請求項1〜3は、この杭体周囲に緩衝層を
有する杭の構成を規定したもので、地層条件により緩衝
層をある一部の地層部分に設ける。
【0012】緩衝層は杭構築時に作用する土圧・水圧や
硬化前のコンクリートによる圧力等では潰れることな
く、地震時に杭体が変形し周囲地盤から圧縮力を受ける
と容易に圧縮されることが必要である。
【0013】請求項4と5は、杭構築時に作用する硬化
前コンクリートの圧力や水圧などに対して緩衝層材料の
圧縮強度が不足する材料を使用する場合の使用方法を示
したもので、発泡樹脂板の周囲を薄いモルタルや亀甲金
網入りモルタル・ラスモルタル等で被覆することによ
り、杭構築時に作用する圧力に対しては充分に抵抗で
き、地震時の圧縮力では容易に破壊するブロックを構成
する方法である。このブロックの大きさにより、緩衝材
としての圧縮強度は容易に調整可能であり、且つ適当な
大きさに分割されるために施工上の取り扱いも容易にな
る。更に、このブロック体は周囲モルタル保護層により
重量が増えるので、地中深くに設置する場合に作用する
浮力を軽減する効果もある。
【0014】杭体周囲側面に緩衝層を有する本発明を適
用する杭体の種類は、現場で構築する場所打ちコンクリ
ート杭をはじめとして、既製コンクリート杭等の既製杭
や鋼管杭にも適用可能である。
【0015】請求項5は、場所打ちコンクリート杭に本
発明を適用する場合の構築方法を示したもので、緩衝層
を構成するブロック体を先組鉄筋かごに堅固に固定し、
その鉄筋かごを所定の位置につり込んだ後、コンクリー
トを打設することによって周囲に緩衝層を有する場所打
ちコンクリート杭を構築することができる。
【0016】
【実施例】以下、本発明を実施例を示す図面に基づいて
説明する。
【0017】図1は、従来の一般的な場所打ちコンクリ
ート杭(拡底工法)の形状を示している。杭先端は支持
層5に根入れし、杭頭は基礎フーチングで固定し、それ
を地中梁で連結し杭頭の回転を拘束して杭頭固定の条件
としている。
【0018】図2は、図1の杭体の周囲全面に渡って緩
衝層を設けた場合を示しており、杭体の周囲全面を緩衝
層31で被覆し、周囲地層に不均一な水平変位が発生し
た場合でも杭体は均一で滑らかな変形になるようにして
いる。
【0019】図3は、地層の条件により、杭体に大きな
応力(曲げモーメント・せん断力)が発生する部分に対
して緩衝層を設けた場合を示している。
【0020】図4は、本発明を含めて更に複雑な各種の
杭体の耐震性能改善対策を組み合わせた実施例を示して
いる。杭頭部の応力を低減させるために杭頭をピン結合
21とし、杭体の上部付近は鋼管被覆コンクリート杭3
2とし、杭先端近くの部分に緩衝層を設けて地層の堅さ
が急変する部分の発生応力を緩和している。
【0021】図5は、本発明の緩衝層を場所打ちコンク
リート杭に設けた場合の杭の断面構成例を示している。
請求項に示すように発泡樹脂板を亀甲金網入りモルタ
ルで被覆したブロックとし、これを杭体の外周面に配置
している。
【0022】図6は、緩衝層ブロックの縦断面とその固
定要領を示したもので、緩衝層ブロックを杭体内に挿入
される鉄筋かごにフープ筋などの鉄筋により固定する。
この緩衝層ブロックには、コンクリート打設時に硬化前
コンクリートの圧力と浮力が作用するので、それらの施
工中に作用する外力によってはずれたり、脱落・移動す
ることのないように堅固に固定しなければならない。
【0023】図7は、図4に示した実施例について、大
地震時の厳しい地震動が作用した場合に杭体に発生する
応力を、地盤−杭−構造物連成系振動解析モデルによる
地震応答解析により、在来工法による杭と比較して示し
たものである。
【0024】まず杭頭は、在来工法では短期許容耐力を
越える応力が発生するが、杭頭ピンを採用することで短
期許容耐力内の応力に収まっている。GL−18m付近
には大きな応力が発生しているが、鋼管被覆杭としてい
るので短期許容耐力内に収まっている。またGL−36
m〜GL−42m付近では、在来工法では短期許容耐力
を上回る応力が発生するが、本発明の緩衝層適用により
せん断力・モーメント共に図の矢印に示すように減少
し、短期許容耐力以下に抑制されている。
【0025】
【発明の効果】以上により、本発明による杭基礎構造体
では、杭周面に設けた緩衝層の働きにより地震時の地層
の水平変位を杭体に強制しないので、杭体の応力が大き
く緩和され、杭体の地震時安全性能が大幅に改善され
る。
【0026】本発明による杭体の耐震性能改善方法は、
杭体を補強したり強度の高い材料を用いるなど杭体の耐
力上昇による改善策ではなく、杭に発生する応力そのも
のを小さく抑制する方法であるので、杭体のコストアッ
プを伴わない極めて経済的な耐震性能向上方法である。
【0027】図4および図7に示した実施例のとおり、
本発明と特願平9−81791の杭基礎方式を組み合わ
せることにより、杭頭から杭先端までの杭全長に渡って
杭体に発生する地震時応力を飛躍的に低減させることが
可能となった。本発明は、従来の杭基礎と比較してはる
かに耐震安全性能の高い杭基礎構造体を、極めて経済的
に実現可能としたものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の場所打ちコンクリート杭の形状図
【図2】 緩衝層を杭全長に渡って設けた杭の実施例
【図3】 緩衝層を地層条件に応じて2カ所に設けた
杭の実施例
【図4】 杭頭をピン、杭上部を鋼管被覆コンクリー
ト杭とし、杭下部に緩衝層を設けた杭の実施例
【図5】 杭周面に緩衝層を設けた杭の断面構成説明
【図6】 緩衝層断面(図5円内)の詳細図および緩
衝層の固定要領
【図7】 在来工法の杭と本発明の実施例(図4の
杭)の地震時杭応力の比較(地盤−杭−構造物連成系振
動解析モデルによる地震応答解析結果の一例)本発明適
用部分31の発生応力が72→73へ、76→77へ大
きく低減されている。
【符号の説明】
1:杭頭の地中梁 2:杭頭の基礎
フーチング 3:杭体軸部 4:杭拡底部 5:支持地盤 6:杭周面の緩
衝層 8:杭体の鉄筋 21:杭頭ピン結合部 31:鋼管被覆部 61:緩衝層ブロック 62:緩衝材
(発砲樹脂) 63:緩衝材保護モルタル 71:杭全数の短期許容せん断耐力 72:在来工法
杭に発生するせん断力 73:本発明実施例(図4)杭に発生するせん断力 75:杭全数の短期許容モーメント 76:在来工法
杭に発生するモーモント 77:本発明実施例(図4)杭に発生するモーメント 81:杭体のせん断補強筋 82:緩衝層ブ
ロック固定用鉄筋
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) E02D 27/34 E02D 5/60 E02D 27/16 E02D 31/08

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 軟弱地盤に構築された構造物を支持する
    杭基礎において、 杭体の周囲側面であって、地層の堅さが急変する部分
    に、前記地層と直接接しており、杭体周囲の地層の不連
    続な水平変位により変形して潰れる柔らかい緩衝層を設
    けたことを特徴とする耐震杭構造。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の耐震杭構造において、 前記杭体の先端近くの部分にのみやわらかい緩衝層を設
    けたことを特徴とする耐震杭構造。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の耐震杭構造において、 地層の固さが急変する部分であって、杭体の先端近くの
    部分を含む杭体の2箇所の周囲側面に柔らかい緩衝層を
    設けたことを特徴とする耐震杭構造。
  4. 【請求項4】杭体と、 この杭体の側面周囲に設けた緩衝体層と、 この緩衝体層を被覆し、杭構築時作用する圧力に抵抗で
    き、地震時の圧力で容易に破壊するブロック体とから成
    ることを特徴とする耐震杭構造。
  5. 【請求項5】杭構築時に作用する圧力に抵抗でき、地震
    時の圧力で容易に破壊するブロック体で被覆保護した柔
    らかい緩衝層を、先組鉄筋かごに固定して所定の深さに
    配置した後、コンクリートを打設することを特徴とする
    耐震杭工法。
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