JP4562558B2 - 杭基礎構造 - Google Patents

Description

本発明は杭基礎構造に関し、特に杭の水平抵抗に最も影響を与える杭の前面地盤（なお、ここでは、杭頭部が水平変位する側の地盤を、便宜上「杭の前面地盤」という）の特性を向上させて杭の水平抵抗力を増大させたものである。

杭基礎の地震時水平抵抗に関する設計では、外力として建物の慣性力が支配的であると考え、通常、上部構造物の慣性力(水平力)を杭頭に作用させて設計する。作用させた水平力によって発生する杭の応力（曲げモーメントＭ，せん断力Ｑ）と水平変位が、設計時の主な検討すべき事項とされ、杭に発生する応力が許容値以下で、かつ杭の水平変位が構造物に有害な影響を及ぼさない許容変位量以下となるように検討する必要がある。

ところで、杭の水平抵抗は、杭の前面地盤の特性に最も影響を受けることが知られている。例えば、図６は、杭の水平抵抗における杭の前面地盤の塑性化状態を示したものであり、杭が水平荷重Ｑを受けて水平に変位すると、これに伴って杭前面地盤の比較的浅い領域部分（塑性域I）は殆ど抵抗力を示すことなく上方に盛り上がり、これより深い領域部分（塑性域II）は、地盤の上載効果から杭の側方に回り込むような挙動を示す。

よって、杭前面地盤の特に塑性域Ｉの抵抗力が殆ど期待できないため、杭頭部付近には大きな応力と水平変位が発生する。したがって、杭前面地盤を上から押え付けて塑性域Ｉの抵抗力を向上させることにより、杭に作用する応力と水平変位を低減することで、杭の水平抵抗力を増大させることができるものと考えられる。

従来、水平力を受けた際に、杭頭部で発生する応力を低減する方法として、杭周辺の地盤改良を行って杭周辺地盤の抵抗力を高める方法の他に、例えば図５（ａ），（ｂ）に図示するように杭１０とその上側に上部構造として設けられたフーチング１１との接続を柔軟な構造にする方法がある。一般的には、上述した方法以外で杭頭部付近に用いる杭の耐力を向上させる方法が主流である。
特開２００４−３２１６号公報 小林一樹、外３名著 「杭頭に付加した水平力抵抗機構についての模型実験比較（Ｐ．５６７）」土木学会第５８回年次学術講演会（平成１５年９月 III-２８４）

しかし、杭周辺の地盤改良は大掛かりな工事となるだけでなく、コストが大幅に嵩む等の課題があった。一方、杭１０とフーチング１１との接続を柔軟な構造とする方法は、剛な構造より杭１０の変位が大きくなるという問題があり、そのため、安全な設計を行うためには、変位に応じて地盤の抵抗力を低減せざるを得ない。

さらに、杭頭部付近の杭の耐力を向上させる方法は、杭頭部に鋼材を巻き付ける等の方法によって行われるが、コストが嵩む等の課題があった。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、きわめて簡単な方法で杭の水平耐力の向上を可能にした杭基礎構造を提供することを目的とする。

請求項１記載の杭基礎構造は地中に配置された杭の頭部と上部構造を柔軟な構造に接続すると共に、当該杭頭部近傍の杭外周に前記上部構造から離間させて外径が前記杭の外径より数倍程度大きく、前記杭の径方向に広がる支圧部材が前記杭の変位に追従して前記杭の前面地盤を下方に圧縮するように配置されてなることを特徴とするものである。

本発明は、杭頭部付近に配置された支圧部材が、杭の変位に追従して下方に傾くことによって上方に盛り上がろうとする前面地盤を抑え込む。この作用によって地盤を効果的に締め固め、結果として前面地盤の水平力に対する抵抗力を増大させる効果が見込める。

また、支圧部材と地盤との摩擦抵抗も付加されるため、さらなる杭の水平抵抗の増大が図れる。本発明は、場所打ちコンクリート杭の他、ＲＣ杭、ＰＣ杭、ＳＣ杭、鋼管杭などの既製杭に広く適用することができる。

また、この場合の支圧部材は、ＲＣ構造、鋼構造またはＳＲＣ構造などによって構築することができ、杭の構造形式に応じて最も適したものを適宜選択することができる。さらに、支圧部材の平面形状および大きさは、特に限定されるものではなく、例えば円形、矩形、多角形等などの形状が考えられ、杭径の数倍程度の大きさがあればよい。

なお、ここでいう「上部構造」とは、地上に建つ構造物本体に限らず、構造物本体を受ける基礎のフーチングやベタ基礎のスラブ等も含む意である。

また、杭頭部が上部構造に対して柔軟な構造に接続され、杭が回転（変位）しやすい構造であることから、この回転に追従して杭頭部付近に配置された支圧部材が、前面地盤を下方により強く圧縮することで、上方へ移動する地盤の動きを抑え、さらに、地盤を効果的に締め固めることができる。

よって、杭の水平抵抗が増大し、柔軟な構造で接続した場合の欠点とされた杭頭部での水平変位の増大は、極力抑える効果が見込める。さらに、もともと上部構造に対して柔軟な構造で接続しているため、杭頭部に発生する応力は小さいが、こちらもさらなる低減の効果が期待できる。なお、この場合の柔軟な構造としてピン構造などが考えられる。

請求項２記載の杭基礎構造は、請求項１記載の杭基礎構造において、支圧部材は、杭の深さ方向に所定間隔をおいて複数配置されてなることを特徴とするものである。

本発明は特に、支圧部材を複数段に配置して、杭の前面地盤を押え付ける働きを上下の支圧部材で分担し、これにより、若干深い部分の地盤にも効果的な圧縮力を加えることができることを狙ったものである。この場合、杭に作用する水平力によって上方に移動する地盤は、深くなるにつれて少ないことから下段側の支圧部材は上段側より小さくてよい。

なお、上記したいずれの発明においても、支圧部材は箱型、円盤型、平板型、傘型、円錐型または角錐型などの形状に形成することができ、また一つの上部構造に対して複数の杭が配置される群杭の場合にあっては、各杭に支圧部材が配置されてもよい。

本発明は、杭の頭部付近にこれより大きい形状の支圧部材を設けるというきわめて簡単な構造で、杭に作用する水平力に対する杭前面地盤の抵抗力を向上させ、これにより杭に発生する応力および水平変位を低減し、杭の水平耐力を向上させることができる。また、簡単な構造故にコストも低減できる。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の一例を示し、図において、地中に杭１が配置され、当該杭１の杭頭部付近に支圧部材２が配置され、さらに当該支圧部材２の上側に上部構造としてフーチング３が配置されている。

杭１には場所打ちコンクリート杭の他、ＲＣ杭、ＰＣ杭、ＳＣ杭、鋼管杭などの既製杭が用いられている。

支圧部材２は、いわゆる塑性域Ｉ内の表層部に配置され、かつ水平力Ｑに対して杭１と一体な挙動をするように杭１に対して剛な構造に接続されている。また、支圧部材２はＲＣ構造、鋼構造またはＳＲＣ構造などによって杭１の径より大きく、杭１の径方向に広がる平板状に構築されている。

フーチング３は支圧部材２から所定間隔離れた位置に配置され、かつ水平力Ｑに対して杭１の頭部が変位しやすいように、杭１の頭部に対して柔軟な構造に接続されている。

このような構成において、杭１の杭頭部に作用する水平力Ｑに対し、杭は水平力Ｑの作用方向に変位しようとするが、杭１の杭頭部がフーチング３に対して柔軟な構造に接続されているため、杭頭部が変形（回転）しやすく、杭１の杭頭部付近に剛な接合で設けられた支圧部材２が、杭１の変形に伴って前面地盤を下方に強く圧縮するような挙動することから、水平力Ｑに対する前面地盤の抵抗力が向上する。

よって、杭頭部を柔軟な構造で接続した場合の欠点とされた水平変位の増大を極力抑えることができ、また、もともと杭頭部での応力の発生は小さいが、さらなる低減も見込めることから、杭１の水平耐力が向上する。

図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の変形例を示し、例えば図２（ａ）に図示した例の場合、支圧部材２が杭１の深さ方向に所定間隔をおいて複数設置されていることで、前面地盤を押え付ける働きを上下の支圧部材２，２で分担することができ、これにより、若干深い部分の地盤にも効果的な圧縮力を加えることができる。

なお、図示するように、深い位置に設けられた下側の支圧部材２は、水平力Ｑによる地盤の上方への移動が少ないことから上側の支圧部材２より小径に構築されている。

また、図２（ｂ）に図示した例の場合、支圧部材２の周縁部にリブ２ａを垂設して傘状に構築されていることで、前面地盤を押え付ける働きを高めることができる。そして、図２（ｃ）、（ｄ）に図示した例はそれぞれ、支圧部材２が円盤型、円錐または角錐型に構築された例を図示したものである。

また、図３（ａ），（ｂ）も、本発明の他の例を示し、一つのフーチング３に対して杭１が所定間隔をおいて複数配置され、この場合、図４（ａ），（ｂ）に図示するように、各杭１に支圧部材２が互いに干渉しないように互いに一定の間隔を開けてそれぞれ配置されている。

本発明は、杭の杭頭部付近に、杭径より大きく、杭の径方向に広がる形状の支圧部材を設けるだけで、杭に発生する応力および水平変位を低減し、杭の水平耐力を著しく向上させることができる。

杭基礎構造の一例を示し、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は水平力に対する杭および支圧部材の挙動を示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、杭基礎構造の他の例を示す縦断面図である。 一つのフーチングに対して複数の杭が配置された杭基礎構造の一例を示し、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は水平力に対する杭および支圧部材の挙動を示す縦断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図３（ａ）におけるイ−イ線断面図である。 従来の杭基礎構造の一例を示し、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は水平力に対する杭の挙動を示す縦断面図である。 杭の水平抵抗における杭前面地盤の塑性化状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 杭
２ 支圧部材
２ａ リブ
３ フーチング（上部構造）

Claims (2)

1. 地中に配置された杭の頭部と上部構造を柔軟な構造に接続すると共に、当該杭頭部近傍の杭外周に前記上部構造から離間させて外径が前記杭の外径より数倍程度大きく、前記杭の径方向に広がる支圧部材が前記杭の変位に追従して前記杭の前面地盤を下方に圧縮するように配置されてなることを特徴とする杭基礎構造。
2. 支圧部材は、杭の深さ方向に所定間隔をおいて複数配置されてなることを特徴とする請求項１記載の杭基礎構造。

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