JP3578210B2 - 地下壁構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地下階を有する構造物の建造に用いられる山留め壁のＨ形鋼や鋼矢板等の仮設の鋼製の山留め壁杭材と、鉄筋コンクリート造の外壁体とを連結し、山留め壁杭材を土圧および水圧が作用する地下外壁の補強に利用する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
掘削した地中に、耐久構造物である鉄筋コンクリート製の外壁体を構築するのに先立ち、周りの地盤が崩れないように押さえる目的で、山留め壁が構築される。山留め壁には、親杭横矢板壁、鋼矢板壁あるいはソイルセメント壁等がある。
【０００３】
これら山留め壁は、地下工事期間中の仮設構造物として用いられ、使用後はそのまま地中に放置されるのが一般的である。この場合には、仮設の山留め壁とその後に施工される本設の鉄筋コンクリート造の外壁体とは、別個独立の壁体として地中に配されることになるため、鉄筋コンクリート造の外壁体は、山留め壁が存在しないものとして、該外壁体のみで全土圧および全水圧を支持することができるように設計されなければならない。
【０００４】
一方、図１１に示されるように、地下の掘削によって露出させた山留め壁杭材３０の表面に、高さ方向の全域にわたって頭付きスタッド等の接合部材３１を溶接した後に、鉄筋コンクリート造の外壁体３２を山留め壁杭材３０の露出表面に密着させるように施工することにより、接合部材３１を外壁体３２の内部に埋設させ、山留め壁杭材３０を鉄筋コンクリート造の外壁体３２と一体化させた合成壁として地下外壁３３を構成する方法がある。この場合には、山留め壁杭材３０により地下外壁３３の強度が向上されるという力学的な合成効果が発揮される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記地下外壁３３は、各階の床スラブ３４，３５の高さにおいて水平方向に支持され、かつ、水平方向に加わる土圧や水圧などの水平力により発生する曲げモーメントが支配する曲げ材として機能する。このため、上記のように山留め壁杭材３０と鉄筋コンクリート造の外壁体３２とを合成壁として構築し、その力学的な合成効果を発揮させるためには、両者の接触面に垂直方向に発生するせん断力に耐えて、山留め壁杭材３０と外壁体３２とを一体的に保持するように、せん断ずれ止めとして機能するのに十分な数のスタッド等の接合部材３１を階高の全長にわたって設ける必要があった。
【０００６】
したがって、この場合には、夥しい数の接合部材３１が必要となり、その接合部材３１を山留め壁杭材３０に溶接する溶接作業にも、莫大な作業工数が必要となるという不都合がある。
【０００７】
また、実際に作用する外力に対して接合部材３１の数が不足する不完全合成壁となる場合には、せん断力によって接合部材３１が破断する可能性がある。
さらに、合成壁を構築する場合には、山留め壁杭材３０および鉄筋コンクリート造の外壁体３２に作用する水平力による荷重の分担割合が、山留め壁の種類と仕様、接合の程度、地盤条件および時間経過等によって異なるために容易に設定できず、設計が困難であるという問題もある。
【０００８】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、多量の接合部材を使用することなく、山留め壁杭材を鉄筋コンクリート造の外壁体の補強材として有効に機能させることができる地下壁構造を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提案している。
〔請求項１に係る発明〕 山留め壁を構成する鋼製杭部材と、鋼製杭部材に隣接して施工される本設の鉄筋コンクリート造の壁体とを、所定の階高の中間域のみにおいて、縦方向に部分的に設けた連結部材により、横方向に連結し、
鋼製杭部材を仮設の山留め壁杭材として使用すると共に、鉄筋コンクリート造の壁体に対する本設の補強材として利用し、
鉄筋コンクリート造の壁体は、上下階の床スラブ、梁などの横架材の間に水平変形の可撓域である内法階高を形成し、
所定の階高の中間域は、連結部材をせん断力による破断を生じること無く設けることができる縦方向の範囲であって、横架材の上面から内法階高の略２５％〜７５％の範囲であり、
連結部材を、その材軸方向に引っ張り力を受ける引っ張り構造部材として形成した地下壁構造である。
【００１０】
〔請求項２に係る発明〕 前記連結部材が、一端を鋼製杭部材に固定され、他端を鉄筋コンクリート造の壁体に定着した頭付きスタッドである請求項１に記載の地下壁構造である。
【００１１】
〔請求項３に係る発明〕 前記連結部材が、鋼製杭部材に固定した鉄筋、鋼製部材などの引張構造部材からなるとともに、所定の定着長さが鉄筋コンクリート造の壁体に埋め込まれている請求項１または請求項２のいずれかに記載の地下壁構造である。
【００１２】
〔請求項４に係る発明〕 前記鋼製杭部材に雌ねじ部が設けられ、連結部材に雌ねじ部に締結される雄ねじ部が設けられている請求項３記載の地下壁構造である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る地下壁構造の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
本実施形態の地下壁構造１は、図１および図２に示されるように、山留め壁杭材として地下に設置された仮設の鋼製杭部材２と、該鋼製杭部材２に隣接する後打ち躯体３として施工される本設の鉄筋コンクリート造の外壁体４，５とを、所定の階高の中間域６，７のみにおいて、連結部材８により横方向に連結したものである。
【００１４】
本実施形態では、山留め壁がソイルセメント柱列壁である場合について説明する。したがって、山留め壁杭材である鋼製杭部材２は、ソイルセメント９内に埋設されている形鋼、例えば、Ｈ形鋼である。
なお、山留め壁としては、ソイルセメント柱列壁の他、親杭横矢板壁、鋼矢板壁等を採用することができ、それぞれの場合に鋼製杭部材２は、親杭となるＨ形鋼や鋼矢板である。
【００１５】
前記後打ち躯体３は、例えば、地盤に打ち込まれる杭１０と、該杭１０上に形成される基礎スラブ１１および基礎梁１２からなる基礎１３とを具備するとともに、該基礎１３の上方に、各階ごとに形成される床スラブ１４，１５，１６、外壁体４，５および梁１７，１８を具備している。この後打ち躯体３は、工事中の仮設構造物である山留め壁とは異なり、比較的長期間にわたって地下構造体として耐久的に使用される本設の耐久構造物となる。
【００１６】
前記連結部材８は、図に示す例では、頭付きスタッド８である。頭付きスタッド８は、鋼製杭部材２と鉄筋コンクリート造の外壁体４，５とを連結したときに、土圧、水圧などの水平力によって頭付きスタッド８自体に加わる水平方向の引張力に十分に耐え得る強度および寸法並びに本数を有し、かつ、そのような引張力によっても鉄筋コンクリート造の外壁体４，５が破壊せずに鋼製杭部材２との連結状態を維持するのに十分な埋込深さＴＬおよび頭部径寸法を有している。
なお、連結部材８としては、頭付きスタッドに代えて、鉄筋、鋼製部材などの任意の引張構造部材を採用してもよい。
【００１７】
前記階高の中間域６，７とは、各階高Ｈ１，Ｈ２の高さ方向の中央近傍の領域を意味している。さらに具体的には、図２に示されるように、地下１階部分を例に挙げて説明すると、各階高Ｈ１から床スラブ１５，１６や梁１７，１８などの横架材の断面高さＧＤを差し引いた内法階高ｈ０１の中央高さから上下に均等にｈ０１／４ずつ割り振った領域６、言い換えると、下階の床スラブ１５の上面位置を基準として、その上方の内法階高ｈ０１の２５％〜７５％の範囲をいうものとする。このような階高の中間域６，７に連結部材８を設置した理由については後述する。
【００１８】
また、図９に示されるように、特定の階の床スラブが存在しない吹抜け構造の場合には、吹抜けの上下に配される床スラブ１４，１６間の高さ（Ｈ１＋Ｈ２）を、便宜上、階高と考え、この階高から上階の梁１７等の横架材の断面高さＧＤを差し引いたものを、便宜上、内法階高ｈ１２と考えるものとする。この場合には、階高の中間域は、下階の床スラブ１４上面から上方の内法階高ｈ１２の２５％〜７５％の範囲を言うものとする。
【００１９】
このような地下壁構造１は、次のようにして構築される。
まず第１に、山留め壁を構築する。山留め壁は、多軸オーガーでセメントミルクと地山を攪拌しながら削孔し、鋼製杭部材２を挿入して硬化させる、従来のソイルセメント工法によって構築することができる。鋼製杭部材２は、図１に示されるように、後打ち躯体３の深さを超える十分な深さまで挿入される。また、鋼製杭部材２は、図３に示されるように、水平方向に所定のピッチＰ１をおいて設けられる。
【００２０】
次に、山留め壁の内側の地盤を掘削して鋼製杭部材２の一表面を露出させる。
そして、露出させた鋼製杭部材２の表面の所定の位置、すなわち、上述した各階高の中間域６，７に相当する位置に、連結部材８を取り付ける。連結部材８の取り付けは、図４に示されるように、従来と同様にして、先端を鋼製杭部材２の露出面２ａに溶接によることとしてもよいが、図５に示されるように、鋼製杭部材２の一側面に、予め貫通孔１９を設けるとともに、該貫通孔１９の裏側に袋ナット２０を取り付けておき、雄ねじ部８ａを有するボルト状の頭付きスタッド８を袋ナット２０に締結することとしてもよい。この場合には、鋼製杭部材２のソイルセメント７内への挿入に際して、袋ナット２０内にソイルセメント７が浸入しないように、貫通孔１９をテープ等の閉塞部材（図示略）で閉鎖しておけばよい。
【００２１】
最後に、後打ち躯体３を構築する。まず、地盤に固定するための杭１０を打ち、該杭１０の上に基礎スラブ１１および基礎梁１２からなる基礎１３を構築し、該基礎１３の上に、各階ごとに、床スラブ１４，１５，１６、外壁体４，５および梁１７，１８からなる鉄筋コンクリート造の構造物を構築していく。
【００２２】
鉄筋コンクリート造の外壁体４，５は、掘削により露出した山留め壁に隣接するように、一定の壁厚Ｗｄで構築される。特に、外壁体４，５を鋼製杭部材２に隣接するように構築することにより、該鋼製杭部材２の表面に突出状態に取り付けた連結部材８を、所定の長さＴＬにわたって外壁体４，５内部に埋設して定着させることができ、これにより、連結部材８の位置で、鋼製杭部材２と鉄筋コンクリート造の外壁体４，５とを横方向に連結することができる。
【００２３】
（構造的特徴）
このようにして構成された本実施形態に係る地下壁構造１の構造的特徴について、以下に説明する。
本実施形態の地下壁構造１は、仮設の鋼製杭部材２と本設の鉄筋コンクリート製の外壁体４，５とを頭付きスタッド８によって連結したものであるが、合成壁を構成する従来の地下壁構造とは明確に相違している。
【００２４】
従来の地下壁構造は、階高の全長にわたって多数設置した頭付きスタッドを鉄筋コンクリート造の外壁体に埋設させることによって、仮設の鋼製杭部材と本設の鉄筋コンクリート造の外壁体とを完全に一体化させて１つの壁体として構成するものであったのに対し、本実施形態の地下壁構造１は、仮設の鋼製杭部材２と本設の鉄筋コンクリート造の外壁体４，５とは一体化されるものではない。
【００２５】
これを図示すると図６のとおりである。図６は、任意の１階分の鋼製杭部材２と外壁体４およびこれらを連結する頭付きスタッド８を模式的に示したものである。この図６においては、床スラブの厚みは考慮しないものとし、梁などの他の横架材もないものと仮定している。
【００２６】
各階床スラブ位置Ｐ，Ｑにおいて水平方向に支持された外壁体４には、上下階の床スラブ位置Ｐ，Ｑの間に形成された階高の範囲内で水平変形の可撓域２１が形成される。また、外壁体４と鋼製杭部材２とを連結する連結部材８は、外壁体４および鋼製杭部材２と、それぞれピン接合されているものと仮定することができる。このため、外壁体４は、床スラブ位置Ｐ，Ｑにおける支持方向とは反対の方向から作用する土圧および水圧などの水平力Ｆによって水平方向に変形させられるが、連結部材８によって外壁体４に連結されている鋼製杭部材２にも略同一の水平方向の変形が生ずる。
【００２７】
本実施形態の地下壁構造１では、本設の鉄筋コンクリート造の外壁体４は、仮設の鋼製杭部材２と一体化されるのではなく、連結部材８を引張構造部材として機能させることにより、該連結部材８による連結位置において、仮設の鋼製杭部材２と協働化させられている。
ここで、協働化とは、別個の構造物を一体化することなく連結して、一定の外力に対して同一の挙動をさせることを意味するものとする。
【００２８】
図７は、このことを、さらに視覚的に明確に示した図である。鉄筋コンクリート造の外壁体４は、水平力Ｆを受ける一方、上下の床スラブ１５，１６で水平方向に支持されることにより圧縮力Ｃを加えられる。したがって、床スラブ１５，１６間の外壁体４は可撓域２１を構成し、水平力Ｆによって水平方向に変形させられる結果、連結部材８の位置で、該連結部材８を介して引張力Ｔが鋼製杭部材２に伝達され、該鋼製杭部材２にも連結部材８の位置で外壁体４と同一の水平方向の変形を生ずることになる。
なお、図７では、明確のために、鋼製杭部材２のピッチＰ１を図３に示したものよりも大きくしている。
【００２９】
次に、本実施形態に係る地下壁構造１の構造的特徴がもたらす効果について説明する。
図８は、図１に示した本実施形態に係る地下壁構造１の応力算定モデルを示す概念図である。ここでは、仮設の鋼製杭部材２および本設の鉄筋コンクリート造の外壁体４，５を、それぞれ、基礎スラブ１１および各階床スラブ１４，１５，１６の位置において支持された曲げ材と仮定し、かつ、鋼製杭部材２の受圧面積が十分に小さく、設置ピッチＰ１が十分に大きいものとして、土圧や水圧等の水平力Ｆは外壁体４，５のみに作用するものと仮定している。
【００３０】
鋼製杭部材２と外壁体４，５とを連結する連結部材８は、鋼製杭部材２と外壁体４，５との間で横方向の引張力Ｔ_１，Ｔ_２を伝達する引張構造部材であるため、結果として、一定の剛性ｋ_１，ｋ_２を有するバネ要素と仮定している。
また、土圧、水圧などの水平力Ｆは、地表からの深さに比例する分布荷重としている。
【００３１】
水平力Ｆが外壁体４，５に作用すると、外壁体４，５に垂直方向の曲げモーメントが発生し、各スラブ１１，１４，１５，１６の位置に固定された支持点Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓを基準として水平方向に一定の変形を生ずる。外壁体４，５は連結部材８を介して鋼製杭部材２に連結されているので、外壁体４，５に生じた変形により、連結部材８に引張力が生じ、該引張力によって、鋼製杭部材２の連結箇所に、外壁体４，５と略同一の変形が生じる。
【００３２】
このように応力算定モデルを仮定すると、鋼製杭部材２および外壁体４，５に発生する曲げモーメントおよび上下方向に発生するせん断力の分布は、図９に実線で示されるとおりとなる。図中（ａ）は鋼製杭部材２の曲げモーメント、（ｂ）は外壁体４，５の曲げモーメント、（ｃ）は鋼製杭部材２のせん断力、（ｄ）は外壁体４，５のせん断力をそれぞれ示している。図９（ｂ），（ｄ）において、破線で示される曲げモーメントおよびせん断力は、鋼製杭部材２と外壁体４，５とを連結しない場合に外壁体４，５に生ずる曲げモーメントおよびせん断力をそれぞれ示している。
【００３３】
この図９の（ｄ）を見ると、破線で示された連結部材６を設けない場合の外壁体４，５に発生する上下方向のせん断力は、外壁体４，５の各階高の中央においてゼロとなっている。すなわち、階高の中央位置は、その位置を境界として、その上下のせん断力の方向が切り換わる位置である。したがって、この位置に連結部材８を配置しても、該連結部材８に作用するせん断力は僅かであると考えられる。
【００３４】
また、階高の中央位置に限られず、その近傍の一定範囲、すなわち、上記において定義した階高の中間域６，７においては、鉄筋コンクリート造の外壁体４，５に発生する上下方向のせん断力は十分に小さい絶対値を有している。したがって、この範囲に連結部材８を配置しても、該連結部材８に作用するせん断力は十分に小さく、連結部材８が破断することはない。
【００３５】
仮設の鋼製杭部材２と本設の鉄筋コンクリート造の外壁体４，５とを多数の接合部材によって一体化させるのではなく、階高の中間域６，７のみに設けた連結部材８によって協働化させることにより、連結部材８のせん断力による破断の問題を生ずることなく、連結部材８の本数を大幅に低減することができるという効果がある。
【００３６】
また、図９の（ｂ）によれば、鉄筋コンクリート造の外壁体４，５と鋼製杭部材２とを連結部材８によって横方向に連結することにより、各階高の中間域６，７に設けた連結部材８の位置で、鉄筋コンクリート造の外壁体４，５に、土圧、水圧などの水平力Ｆとは反対方向の外力Ｔ_１，Ｔ_２を作用させ、その結果、連結部材８を設けない場合と比較して、鉄筋コンクリート造の外壁体４，５に発生する曲げモーメントを低減することができる。
【００３７】
また、連結部材８の位置で鉄筋コンクリート造の外壁体４，５を拘束することにより、連結部材８の位置以外の他の位置においても該外壁体４，５に発生する曲げモーメントの絶対値を低減することができる。
【００３８】
さらに、図９の（ｄ）によれば、鉄筋コンクリート造の外壁体４，５に発生する上下方向のせん断力は、連結部材８を取り付けることによって、その分布形態が変化している。この図によれば、連結部材８を取り付けない場合にはゼロであった階高の中央位置におけるせん断力は、連結部材８を取り付けることにより増加しているものの、その絶対値は十分に小さい値に抑えられている。また、特に、床スラブ１４，１５，１６等の横架材の位置において発生していた最大せん断力は、十分に低減されている。
【００３９】
すなわち、本実施形態に係る地下壁構造１によれば、階高の中間域６，７に設けた連結部材８によって、本設の鉄筋コンクリート造の外壁体４，５に発生する前モーメントおよびせん断力を外壁体４，５の高さ方向に平均化させることができる。
【００４０】
【発明の効果】
〔請求項１に係る発明〕
（１） 本発明によれば、少ない連結部材を用いて、本設の鉄筋コンクリート造の壁体を仮設の鋼製杭部材によって確実に補強することができる地下壁構造が提供される。
（２） 本発明は、上下方向に作用するせん断力が十分に小さいと考えられる所定の階高の中間域のみに連結部材を配することにより、連結部材に作用するせん断力を低く抑えることができる。したがって、従来、仮設の鋼製杭部材と本設の鉄筋コンクリート造の壁体とを接合する接合部材の数を減らして不完全合成壁とする際に生じていた、接合部材の破断の問題を生ずることなく、その数を大幅に低減することができる。
（３） 本発明は、本設の鉄筋コンクリート造の壁体を階高の中間域において仮設の鋼製杭部材に支持させるので、本設の外壁体に生ずる曲げモーメント並びに上下方向のせん断力を低減することができる。
下階の横架材の上面から内法階高の２５％〜７５％の範囲は、鉄筋コンクリート造の壁体に発生するせん断力が十分に低い領域であり、この範囲に連結部材を配することにすれば、連結部材に作用するせん断力を、連結部材が破断しない程度に十分に低く抑えることができる。
【００４１】
〔請求項２に係る発明〕
連結部材を頭付きスタッドとすれば、本発明を簡易に構成することができる。すなわち、頭付きスタッドの一端を鋼製杭部材に固定し、他端である頭部を含む所定の長さにわたって鉄筋コンクリート造の壁体に定着させることにより、鋼製杭部材と鉄筋コンクリート造の壁体とを確実に連結し、協働化させることができる。
【００４２】
〔請求項３に係る発明〕
連結部材を、鉄筋、鋼製部材などの任意の引張構造部材としても、頭付きスタッドと同等の効果を奏することができる。また多様な方法でこの発明の地下壁構造を構築することができる。
【００４３】
〔請求項４に係る発明〕
連結部材の取り付けを溶接によることなく、ねじの締結によることとすれば、現場での溶接作業が不要となり、簡易かつ確実に取り付けることができる。鋼製杭部材に雌ねじ部を設けておき、鋼製杭部材の設置後に連結部材を締結する構造とすれば、鋼製杭部材の設置の際に、鋼製杭部材の表面に突出部が形成されないので、設置作業を円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る地下壁構造を概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１の地下壁構造の内の任意の１階分を概略的に示す縦断面図である。
【図３】図１の地下壁構造を概略的に示す横断面図である。
【図４】図１の地下壁構造の連結部材を説明する縦断面図である。
【図５】図１の地下壁構造の他の連結部材を説明する縦断面図である。
【図６】図２の地下壁構造を模式的に示す図である。
【図７】図２の地下壁構造を模式的に示す斜視図である。
【図８】図１の地下壁構造の応力算定モデルを示す図である。
【図９】図６の応力算定モデルを用いて得られた曲げモーメントおよびせん断力の分布を示す図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る地下壁構造を概略的に示す縦断面図である。
【図１１】従来の地下壁構造を概略的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ｈ１，Ｈ２ 階高
ｈ０１ 内法階高
１ 地下壁構造
２ 鋼製杭部材
４，５ 壁体
６，７ 中間域
８ 頭付きスタッド（連結部材）
８ａ 雄ネジ部
１４，１５，１６ 床スラブ（横架材）
１７，１８ 梁（横架材）
２０ 袋ねじ部（雌ねじ部）

Claims (4)

1. 山留め壁を構成する鋼製杭部材と、鋼製杭部材に隣接して施工される本設の鉄筋コンクリート造の壁体とを、所定の階高の中間域のみにおいて、縦方向に部分的に設けた連結部材により、横方向に連結し、
   鋼製杭部材を仮設の山留め壁杭材として使用すると共に、鉄筋コンクリート造の壁体に対する本設の補強材として利用し、
   鉄筋コンクリート造の壁体は、上下階の床スラブ、梁などの横架材の間に水平変形の可撓域である内法階高を形成し、
   所定の階高の中間域は、連結部材をせん断力による破断を生じること無く設けることができる縦方向の範囲であって、横架材の上面から内法階高の略２５％〜７５％の範囲であり、
   連結部材を、その材軸方向に引っ張り力を受ける引っ張り構造部材として形成した地下壁構造。
2. 前記連結部材が、一端を鋼製杭部材に固定され、他端を鉄筋コンクリート造の壁体に定着した頭付きスタッドである請求項１に記載の地下壁構造。
3. 前記連結部材が、鋼製杭部材に固定した鉄筋、鋼製部材などの引張構造部材からなるとともに、所定の定着長さが鉄筋コンクリート造の壁体に埋め込まれている請求項１または請求項２のいずれかに記載の地下壁構造。
4. 前記鋼製杭部材に雌ねじ部が設けられ、連結部材に雌ねじ部に締結される雄ねじ部が設けられている請求項３記載の地下壁構造。

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