JP4253795B2 - 合成壁の構造 - Google Patents

Description

本発明は、山留壁と鉄筋コンクリート壁とを一体化した本設の地下壁としての合成壁の構造に関する。

近年、ソイルミキシングウォールやＨ鋼横矢板等の仮設の山留壁と、その上部前面側に設けられる本来の地下壁である鉄筋コンクリート壁とを構造的に一体化して合成壁とし、その合成壁を本設の地下壁とすることが行われている。このような合成壁によれば、従来においては仮設として扱われてきた山留壁を本設構造の一部として活用することで、本来の地下壁の厚さを小さくでき、地下階の有効空間を拡大でき、コストダウンも図ることができることから、極めて有効であると考えられ、広く普及する気運にある。

図５はそのような合成壁の一従来例を示すものである。符号１は柱列として形成された山留壁（図示例はソイルミキシングウォール）、２はその芯材としての鉄骨（図示例はＨ形鋼）、３は山留壁１の前面側に設けられた本来の地下壁としての鉄筋コンクリート壁であり、それら山留壁１と鉄筋コンクリート壁３とを、芯材２に植設した多数のスタッド等のシヤキー４により構造的に一体化して合成壁５としている。そして、図示例のものでは、基礎杭６により支持して設けた基礎としての底盤７（あるいは基礎梁）を合成壁５における鉄筋コンクリート壁３の下端部に剛接合するという構造を採用している。
特開２００２−３７１５４５号公報

このような合成壁５は山留壁１の芯材２の軸力により合成壁５の曲げ応力を負担させようとするものであり、その設計手法としては建築学会の各種の「合成構造設計指針」や、トンネル協会の「Ｈ形鋼を芯材とする土留壁本体利用の手引き」等が参照されている。

ところで、上記のような合成壁５を設計するための従来一般の設計手法では、山留壁１の全体を合成壁５の一部として評価するのではなく、あくまで鉄筋コンクリート壁３と一体化している上部の範囲のみを合成壁５として構造的に有効なであると評価し、それよりも下部の範囲については山留壁１の単なる根入れ部１ａとして評価しているに過ぎない。そして、そのような設計手法によって図５に示したような合成壁５とした場合には、合成壁５の脚部に生じる応力の全てを底盤７の端部において処理する必要があった。

すなわち、図５に示したような合成壁５は土水圧を受けて内側に倒れ込むような曲げ変形（正曲げ）を受け、合成壁５およびそれに剛接合されている底盤７には図６（ａ）に示すような曲げモーメントが生じ、それらの曲げモーメントはそれらの接合部において最大かつ等しくなる（Ｍ＝Ｍ’）。また、正曲げにより芯材には軸力（引張力）が生じ、図６（ｂ）に示すようにその軸力も底盤７との接合部において最大（Ｎmax）となる。したがってそのような大きな曲げモーメントＭ’および軸力Ｎmaxを処理するために底盤７の所要厚が大きなものとならざるを得ないし、その厚さの範囲内に多数のシヤキー４を集約して設ける必要があり、そのため芯材２や底盤７の設計および施工が煩雑になりコスト高となる要因となっていた。

上記事情に鑑み、本発明は、基礎以深の山留壁根入れ部を有効に評価することで、山留壁と鉄筋コンクリート壁とを一体化した合成壁の合理的な構造を提供することを目的とする。

上述したように従来においては山留壁の根入れ部は合成壁としての機能には何等関与しないものであったが、本発明は根入れ部にも合成壁としての機能の一部を負担させるようにしたものである。

すなわち、請求項１の発明は、鉄骨を芯材とする山留壁の上部前面側に鉄筋コンクリート壁を一体に設けて本設の合成壁とし、その合成壁における鉄筋コンクリート壁の脚部に基礎を剛接合した構造において、山留壁の芯材に生じる引張力に対してその山留壁の基礎以深の根入れ部に作用する抵抗力を見込み、かつ合成壁に生じる曲げモーメントおよび軸力の一部を山留壁の根入れ部における芯材に負担せしめたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、山留壁として鉄骨を芯材とするソイルミキシングウォールを採用し、その下端部に他の部分よりも富調合のソイルセメントによる根固め部を形成するとともに、芯材の下端部には根固め部に定着するためのシヤキーを設けたことを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、基礎よりも上部に設けられた合成壁脚部に生じる応力の一部が山留壁根入れ部の芯材に負担されることにより、従来のようにその応力の全てを芯材と基礎との接合部において伝達する場合に較べて基礎を簡略化することが可能であり、それにより基礎成の削減、基礎配筋量の削減、芯材と基礎とを剛接合して一体化するためのシヤキーの軽減が可能となり、その結果、合成壁および基礎の施工の簡略化と工費削減を実現することができる。さらに、基礎成を低減することで、掘削底面を浅くでき、掘削土量の低減、山留め工事の軽減、切梁段数の削減を図ることができ、短工期とローコスト化を図ることができる。

請求項２の発明によれば、芯材の下端部における地盤への定着性能を向上させることができ、それにより芯材に生じる引張力に対する抵抗力を充分にかつ確実に見込むことができ、芯材の軸力および曲げに対する耐力と剛性を充分に活用することができる。

本発明の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である合成壁の構造を示すものであり、これは基本的には図５に示した従来のものと同様に、鉄骨を芯材２とする山留壁１としてのソイルミキシングウォールの上部前面側に、シヤキー４を介して鉄筋コンクリート壁３を一体に設けて本設の合成壁５とし、その合成壁５における鉄筋コンクリート壁３の下端部に基礎としての底盤７を剛接合し、かつその底盤７を支持する基礎杭６を設けたものである。そして、従来においては山留壁１の根入れ部１ａは合成壁５としての機能には何等関与しないものであったのに対し、本実施形態では山留壁１の根入れ部１ａにも合成壁５としての機能を一部負担させており、その点で本実施形態の合成壁５は従来一般のものとは大きく相異している。

具体的には、本実施形態の合成壁５も従来と同様に土水圧を受けて内側に倒れ込むような曲げ変形（正曲げ）を受け、それによりこの合成壁５には図２（ａ）に示すように下端部で最大（Ｍ）となる曲げモーメントが生じる。また、そのような正曲げにより山留壁１の芯材２には図２（ｃ）に示すような軸力が生じる。その軸力は図１に示すように芯材２に引張力Ｎとして生じ、その反力として内側の鉄筋コンクリート壁３には圧縮力−Ｎが生じ、その圧縮力−Ｎは底盤７を介して基礎杭６に圧縮力として伝達される。なお、その際には、図２（ｂ）に示すように芯材２と鉄筋コンクリート壁３との間では芯材２が上向きにずれるような応力が生じ、芯材２と底盤７との間では逆向きの応力が生じるので、シヤキー４はそのようなずれに抗し得るように設ける必要がある。また、上記のように鉄筋コンクリート壁３に生じる圧縮力−Ｎは底盤７を介して基礎杭６に圧縮力として伝達されることから、基礎杭６の支持力にはその圧縮力−Ｎ分を予め見込んでおく必要がある。

芯材２に生じる上記の引張力Ｎに対しては、従来においてはシヤキー４を介して鉄筋コンクリート壁３および底盤７により抵抗していたのであるが、本実施形態ではその引張力Ｎに対して山留壁１の底盤７よりも以深の根入れ部１ａによっても抵抗するものとしている。すなわち、山留壁１はそれ自体が自ずとかなりの重量を有するものであり、またその根入れ部１ａと地盤との間には自ずとかなりの摩擦抵抗が生じるので、それら自重と摩擦力を芯材２に生じる引張力に対する抵抗力として見込むことができるのである。そして、本実施形態ではそのような抵抗力を充分かつ確実に確保するために山留壁１としてソイルミキシングウォールを採用し、図２（ｂ）に示すように芯材２に生じる引張力Ｎを芯材２からソイルセメントに伝達し、さらにソイルセメントから摩擦力によって地盤に伝達するようにし、しかもそのソイルミキシングウォールの下端部に他の部分よりも富調合のソイルセメントによる高強度の根固め部１ｂを形成し、かつ芯材２の下端部にもシヤキー４としてのスタッドを設けて根固め部１ｂに確実に定着するようにしている。

本実施形態では、上記のように山留壁１の根入れ部１ａでの抵抗力を見込むことにより、底盤７の端部に生じる曲げモーメントを軽減することができる。すなわち、図２（ａ）に示すように合成壁５の下端部（底盤７との接合部）には従来と同様に大きな曲げモーメントＭが生じるのであるが、上記のように芯材２に引張力Ｎが生じるとともに基礎杭６にはその反力としての圧縮力−Ｎが生じるので、合成壁５と底盤７とを剛接合としている接合部（図２（ａ）に剛域として示す）にはその曲げモーメントＭとは逆向きの曲げモーメントＮ・Ｌ（Ｌは剛域の長さ：芯材２と基礎杭６との芯々間の距離）が生じ、そのような曲げモーメントＮ・Ｌが生じる分だけ底盤７の端部に生じる曲げモーメントＭ’は合成壁５に生じる曲げモーメントの最大値Ｍよりも小さくなる。つまり、従来においては図６（ａ）に示したように底盤７の端部に生じる曲げモーメントＭ’は合成壁５に生じる曲げモーメントの最大値Ｍと等しくなるのに対し、本実施形態ではＭ＝Ｍ’＋Ｎ・Ｌの関係から、Ｍ’＝Ｍ−Ｎ・Ｌとなり、基礎底盤に生じる曲げモーメントＭ’を従来よりも小さくできるのである。以上の結果として、そこに設けるシヤキー４を軽減できるばかりでなく、底盤７の所要厚を従来よりも薄くすることが可能であり、底盤７における所要配筋量を削減することも可能であり、それにより施工の簡略化とコストダウンを図ることができる。

また、従来においては、芯材２に生じる大きな軸力（引張力）を底盤７との接合部のみで処理せざるを得ないのであるが、本実施形態では山留壁１の根入れ部１ａにおける芯材２に生じる軸力（引張力）を見込むことができるので、合成壁５に生じる軸力の一部を根入れ部１ａにおける芯材２に負担させることができることになり、その分、底盤７で処理すべき軸力を従来の場合よりも軽減することができる。すなわち、図２（ｃ）に示すように、根入れ部１ａにおいて軸力Ｎが生じるとすれば、底盤７では接合部における軸力の最大値Ｎmaxと根入れ部１ａでの軸力Ｎとの差分ΔＮのみを処理すれば足り、それによっても芯材２と底盤７との間のシヤキー４を軽減することができる。一例を挙げると、従来の設計例では合成壁５と底盤７との接合部にシヤキーとして１６ｍｍφのスタッドが１５０ｍｍピッチで２０本程度必要であり、そのために底盤７の所要厚が１５００ｍｍでは不足するような場合でも、上記のように山留壁１の根入れ部１ａの芯材２による抵抗力を考慮することで、スタッドの本数を１０本程度にまで削減することができ、底盤７の所要厚も１５００ｍｍあれば充分となる。

さらに、本実施形態では、根入れ部１ａにおける芯材２の曲げ剛性も評価して、合成壁５に生じる曲げモーメントの一部を根入れ部１ａにおける芯材２に負担せしめることが可能である。すなわち、合成壁５が曲げ変形を受けた場合には根入れ部１ａにおける芯材２にも図２（ｄ）に示すような曲げモーメントが生じるので、底盤７との接合部において芯材２に生じる曲げモーメントをＭ”とすると、そこではＭ＝Ｍ’＋Ｍ”＋Ｎ・Ｌの関係が成り立つから、底盤７の端部で処理すべきモーメントＭ”はＭ”＝Ｍ−Ｍ’−Ｎ・Ｌとなって上記の場合よりもさらに小さなものとなる。

図３は上記の合成壁５の性能確認のためのシミュレーション結果を示すものである。Ａは比較例としての従来の合成壁（根入れ部の芯材を考慮せず）の場合であり、ＢおよびＣは根入れ部の芯材を考慮した本発明の合成壁である。また、Ｂは底盤７内へのスタッドを一部省略したもの、Ｃは省略せずに全数のスタッドを配置したものである。シミュレーションは、模式図に示すように、Ａ（従来例）の場合は底盤７の端部と中間部を支持し、ＢおよびＣ（本発明）の場合には芯材２の下端と底盤７の中間部を支持し、その状態で合成壁５の頂部に水平荷重Ｐｘを与えて荷重Ｐｘと変位量δｘとの関係を調べたものである（図中のＡ，Ｂ，Ｃは境界条件としてピン支持位置を示す）。その結果としては、Ａ（従来例）の場合には４００ｋＮ程度の荷重で底盤７が降伏してしまい、その時点での合成壁５の変位も１０ｃｍを越えたが、Ｂ，Ｃ（本発明）の場合にはいずれも８００ｋＮ程度までは底盤７が降伏せず、その時点での合成壁５の変位も５ｃｍ程度に留まり、従来に較べて遙かに高耐力で高靱性の合成壁とできることが実証された。

なお、上記実施形態では杭基礎への適用例であるが、本発明においては基礎杭６は必ずしも必要ではなく、図４に示すように基礎杭６を省略した直接基礎の場合にも同様に適用可能であり、その場合も、芯材２に生じる引張力Ｎの反力が地盤の圧縮力−Ｎ（接地圧の合計）に代わるだけで上記と全く同様に機能する。また、上記実施形態では基礎として底盤（マット）７を採用したが、基礎梁とすることでも良く、いずれにしても上記実施形態において図示しているようにその端部（合成壁５との剛接合部）にハンチ７ａを設けることも可能である。また、上記実施形態では山留壁１としてソイルミキシングウォールを採用したが、本発明は芯材２を有するものであればたとえばＨ鋼横矢板による山留壁等の他の構造の山留壁も同様に適用可能である。さらに本発明は建物のみならずたとえばカルバート等の各種の地中構造物にも同様に適用可能である。

本発明の合成壁の一実施形態を示す概略構成図である。 同、その構造特性を説明するための図である。 同、シミュレーション結果を示す図である。 同、他の実施形態を示す概略構成図である。 従来の合成壁を示す図である。 同、その構造特性を説明するための図である。

符号の説明

１ 山留壁（ソイルミキシングウォール）
１ａ 根入れ部
１ｂ 根固め部
２ 芯材（鉄骨）
３ 鉄筋コンクリート壁
４ シヤキー（スタッド）
５ 合成壁
６ 基礎杭
７ 底盤（基礎）
７ａ ハンチ

Claims (2)

1. 鉄骨を芯材とする山留壁の上部前面側に鉄筋コンクリート壁を一体に設けて本設の合成壁とし、その合成壁における鉄筋コンクリート壁の脚部に基礎を剛接合した構造において、山留壁の芯材に生じる引張力に対してその山留壁の基礎以深の根入れ部に作用する抵抗力を見込み、かつ合成壁に生じる曲げモーメントおよび軸力の一部を根入れ部における芯材に負担せしめたことを特徴とする合成壁の構造。
2. 山留壁として鉄骨を芯材とするソイルミキシングウォールを採用し、その下端部に他の部分よりも富調合のソイルセメントによる根固め部を形成するとともに、芯材の下端部には根固め部に定着するためのシヤキーを設けたことを特徴とする請求１記載の合成壁の構造。

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