JP4605935B2 - 杭基礎構造物における杭頭接合方法及び接合構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、杭基礎構造物の鉛直力を、支持杭と基礎底面地盤とにそれぞれ分担して支持させ、また、地震時の水平力に対しても支持杭と基礎底面地盤とをそれぞれ分担して抵抗させる杭頭接合方法及び杭頭接合構造の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、杭基礎構造物の場合は、同構造物の鉛直荷重及び水平荷重に対して、支持杭のみで抵抗させ支持すると考えて設計しているのが一般的である。しかし、実際には、図３に例示したように、構造物１の基礎底面には地盤２が存在し、地盤２も鉛直荷重に対する抵抗要素（抵抗力Ｒ）になっていることは事実である。したがって、地盤２の抵抗力Ｒを全く考慮することなく、構造物の鉛直荷重及び水平荷重に対して、支持杭３のみで抵抗させ支持する設計思想はまことに不経済であり、実状にも反する。図３中の符号３が支持杭で、その抵抗力をＴで表している。
【０００３】
一方、図４のように摩擦杭４を用いるパイルドラフト基礎の場合は、摩擦杭４による抵抗力ｔと基礎底面地盤２の抵抗力Ｒとで鉛直荷重Ｗに対して抵抗し沈下を抑制する構造なので、基礎底面地盤２の抵抗力Ｒは正当に評価され、設計思想に活かされていることがわかる。
【０００４】
なお、先行技術として、特開平１１−１７２６９３号公報に記載された「構造物基礎の不同沈下低減方法」の発明（以下、公知発明という）が注目される。この公知発明は、直接基礎（ベタ基礎）又は摩擦杭基礎の技術分野に分類されるもので、構造物の柱の直下へ、柱の軸力を負担する流体圧シリンダを設置し、各流体圧シリンダは共通の流体圧ラインで結んで流体圧を一定に保つように各シリンダ内の流体の出入りを自由にし、該構造物基礎の地盤に不同沈下を発生したときは、各流体圧シリンダのピストン部が伸張動作してセルフレベリング機能を発揮して構造物基礎の不同沈下量を最少限度に抑制する技術である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の杭基礎構造物のように、構造物の鉛直荷重及び水平荷重に対して、支持杭３のみで抵抗させ支持する設計思想は、地盤２が鉛直荷重に対する抵抗要素（抵抗力Ｒ）になっていることを考慮すれば、まことに不経済であり、実状にも反する。さりとて支持杭３は支持層地盤にまで到達していて沈下しないので、地盤の沈下に対し基礎底面が追随して沈下し確実に一定の条件下で地盤と常時接触させ得る手段を採用しない限り、地盤の前記抵抗は期待できない訳で、設計思想の単純な転換は無理である。
【０００６】
その一つの対策として、支持杭の軸剛性を小さくすることも考えられるが、そうすると、地盤の不同沈下によって構造物が傾くおそれがあり、不都合である。
【０００７】
上記パイルドラフト基礎（図４）の場合は、摩擦杭４による抵抗力ｔと基礎底面地盤２の抵抗力Ｒとで鉛直荷重Ｗに対して抵抗し沈下を抑制する構造ではあるが、本発明の杭基礎とは根本的に異なる技術思想のものであり、参照するに値しない。
【０００８】
また、上記の公知発明は、ピストン・シリンダ型のアクチュエータを用いる点で一見本願発明と類似するようであるが、同公知発明は、直接基礎（ベタ基礎）又は摩擦杭基礎の技術分野に分類されるものであり、本発明の杭基礎とは基本理念を異にするほか、前述した地盤の沈下に追随して基礎底面が沈下し確実に一定の条件下で地盤と常時接触させる課題の解決手段には何ら参考とならない。
【０００９】
本発明の目的は、杭基礎構造物において、鉛直力及び水平力に対する基礎底面地盤の抵抗力を設計思想に活かして、実状に沿って経済的な基礎設計を可能にすることである。更に云えば、支持杭が沈下しないにもかかわらず、基礎底面が地盤の沈下に追随して沈下し、常時地盤と確実に接触させ初期荷重を確保する機構を採用した杭頭接合方法及び接合構造を提供することである。
【００１０】
本発明の究極の目的は、杭基礎構造物の鉛直力及び水平力に対して、支持杭と基礎底面地盤とが分担して（又は共同して）抵抗する構成とした杭頭接合方法及び接合構造を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る杭基礎構造物における杭頭接合方法は、
杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータを設置し、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持させると共に、平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータのピストンにより、地盤の沈下に追随して構造物の基礎底面を、回転することなく沈下可能に接合し支持させたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載した発明に係る杭基礎構造物における杭頭接合方法は、
杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータを設置し、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持させると共に、平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータのピストンにより、地盤の沈下に追随して構造物の基礎底面を、回転することなく沈下可能にピン結合状態に接合し支持させたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載した発明に係る杭基礎構造物における杭頭接合方法は、
杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータを設置し、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持させると共に、平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータ同士のピストン上室とピストン下室を相互に連通させ、地盤の沈下に追随して前記ピストンの位置を変位させて、構造物の基礎底面を、回転することなく沈下可能に接合し支持させたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載した発明に係る杭基礎構造物における杭頭接合構造は、
杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータが設置され、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持されていること、
平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータ同士のピストン上室とピストン下室とが連通され閉鎖系を構成していること、
地盤の沈下に追随して前記ピストンの位置を変位させ、構造物の基礎底面を、回転することなく沈下可能としたことを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載した発明は、請求項４に記載した杭基礎構造物における杭頭接合構造において、
平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータ同士のピストン上室とピストン下室とが２本のパイプでクロス状態に連通され閉鎖系を構成していることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載した発明は、請求項４に記載した杭基礎構造物における杭頭接合構造において、
杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータが設置され、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持されていること、
前記アクチュエータのピストンロッドとの接合部分がピン結合状態に接合されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施形態】
以下に、添付の図１と図２を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
図１と図２はそれぞれ、支持杭３…によって構造物１を支持する杭基礎構造物において、支持杭３の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータ５を設置し、構造物１の基礎底面は地盤２へ一定大きさの初期荷重Ｒ（抵抗）を負担させた状態で、前記アクチュエータ５と接合して支持させている。つまり、構造物１の鉛直荷重Ｗは、支持杭３のみでなく、地盤２にも初期荷重Ｒを分担支持させているのである。
【００２０】
そして、構造物１の重心を平面的に見て対称な配置で対をなす関係の支持杭３、３における前記アクチュエータ５、５同士のピストン上室５ａとピストン下室５ｂとがパイプ６で連通され閉鎖系を構成している。
【００２１】
特に図１の実施形態は、前記配置のアクチュエータ５、５同士のピストン上室５ａとピストン下室５ｂとが２本のパイプ６と６’でクロス状態に連通され、それぞれのパイプ６、６’の途中に開閉弁７、７’を設置し、常時は開閉弁７を閉じて閉鎖系を構成していることを特徴とする。この場合にアクチュエータ５の各ピストン室に使用される作動流体は、液体（油）又は気体（空気）のいずれでも良い。
【００２２】
一方、図２の実施形態においては、前記配置のアクチュエータ５、５同士のピストン上室５ａとピストン下室５ｂとが１本のパイプ６で片側だけ連通され、閉鎖系を構成していることを特徴とする。この場合にアクチュエータ５の各ピストン室に使用される作動流体は、パイプ６で連通されたピストン上室５ａ’とピストン下室５ｂ’は液体（油）又は気体（空気）のいずれでも良いが、他側のピストン上室５ａとピストン下室５ｂは圧縮性の気体（空気）であることを要す。
【００２３】
なお、図１及び図２の実施形態に共通する構成として、各アクチュエータ５のシリンダ外径は、図示したように中立位置にあるピストン５ｃの上下において大小に異なる。その理由は、ピストン上室におけるピストン５ｃの受圧面積がピストンロッド５ｄの外径分だけ小さくなることを、シリンダ外径によって補償する考えによる。
【００２４】
図１及び図２の実施形態において、請求項１〜３に記載した発明に係る杭頭接合方法の実施例を、以下に説明する。
【００２５】
先ず図１の実施形態は、構造物１の建築施工の途中までは、構造物重量の全部を基礎底面地盤２の抵抗Ｒで支持させることにより、一定大きさまでの初期鉛直荷重Ｒを自由に地盤２に負担させることができる。目標とする大きさの初期荷重Ｒに達した段階で、２本のパイプ６、６’の開閉弁７、７’を全閉とし動作流体を閉鎖系の中に閉じ込めることにより、以後の上載荷重Ｑは、支持杭３の抵抗Ｐで支持することになる。ピストン５ｃの上下面に作用する全圧力は等しく釣り合いを保つ。つまり、構造物１の鉛直荷重Ｗのうち、地盤２の摩擦抵抗Ｒを差し引いた残りの荷重Ｑが支持杭３へ負担することになる。
【００２６】
図１の実施形態の場合、地盤２の沈下に対しては、一旦開閉弁７と７’を開いて、卓越する鉛直荷重Ｗで構造物１の基礎底面を沈下させる操作（メンテナンス）を行い、基礎底面を地盤２へ一定の初期荷重Ｒで接触させる。その際、各アクチュエータ５のピストン５ｃの上下に作用する作動流体の圧力は均等なので、不同沈下する心配はない（回転しない）。
【００２７】
つまり、支持杭３の杭頭と構造物１の基礎底面とは、地盤２に一定大きさの初期荷重Ｒを負担させた状態で、地盤２の沈下に追随して構造物１の基礎底面を上下方向にのみ、回転することなく沈下させることが可能である。構造物１の基礎底面が地盤２へ一定大きさの初期荷重Ｒを負担させているかぎり、その初期荷重Ｒに起因する摩擦力Ｕが、地震等の水平力に対する抵抗として働くことに多くの説明を要しないであろう。
【００２８】
図２の実施形態も、ほぼ同様な思想原理に立脚しているが、本実施形態の場合には、図中右側のピストン下室５ｂに圧縮性の気体を圧入し、パイプ６で連通したピストン上室５ａ’とピストン下室５ｂ’には非圧縮性の液体又は圧縮性気体のいずれかを圧入している。そのため地盤２が沈下して初期荷重Ｒが低下すると、必然的に支持杭３の抵抗力Ｐが増大するので、その差分だけ、図２中の右側のピストン下室５ｂの空気が圧縮されピストン５ｃが下方へ変位する。と同時に、パイプ６で連通されたピストン上室５ａ’とピストン下室５ｂ’の関係では、図２中の左側のピストン下室５ｂ’から相当量の作動流体が他方のピストン上室５ａ’の方へ移動して均衡を保つことになり、結局は左右のピストンの位置は自動的に同一レベルを保つ結果となる（セルフレベリング機能）。したがって、やはり支持杭３の杭頭と構造物１の基礎底面とは、地盤２に一定大きさの初期荷重Ｒを負担させた状態で、地盤２の沈下に追随して構造物１の基礎底面は上下方向にのみ、回転することなく（不同沈下を発生することなく）沈下可能である。かくして構造物１の基礎底面が、地盤２へ一定大きさの初期荷重Ｒを負担させているので、その初期荷重Ｒに起因する摩擦力Ｕが、地震等の水平力に対する抵抗として働くことになる。
【００２９】
図１及び図２の実施形態においては、いうなれば、支持杭３と構造物１の基礎底面とが、ピストン・シリンダ型のアクチュエータ５における、支持杭３の外径に比して遙かに細径のピストンロッドで接合され支持されているので、これは地盤の沈下に追随して構造物１の基礎底面を上下方向にのみ、回転することなく沈下可能に接合しているだけでなく、低剛性で実質的にピン結合に近い状態に接合し支持させたことになる。したがって、地震時などの水平力の作用に対して、杭頭部に過大な応力が発生することは防止される。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１〜３に記載した発明に係る杭基礎構造物における杭頭接合方法、及び請求項４〜６に記載した発明に係る杭基礎構造物における杭頭接合構造よれば、以下に説明する効果を奏する。
１ 構造物の鉛直荷重に対して支持杭及び基礎底面地盤が分担して抵抗する。必然的に地震時の水平力に対しても、支持杭及び基礎底面地盤とが分担して抵抗する。従って、基礎底面地盤の抵抗を考慮に入れた経済設計ができる。
２ 地盤が不同沈下しても、構造物はセルフレベリング機能を発揮しつつ基礎底面と地盤とは一定の荷重条件で接触した状態を保ち、上記の経済設計を実効あらしめる。
３ 支持杭の杭頭がピン結合に近い状態で構造物の基礎底面と接合されるので、杭頭に過大な応力が発生することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の杭基礎構造物の杭頭接合構造の実施形態を示した主要部の概念図である。
【図２】本発明の杭基礎構造物の杭頭接合構造の異なる実施形態を示した主要部の概念図である。
【図３】従来の杭基礎構造物の杭頭接合部分を示した立面図である。
【図４】従来のパイルドラフト基礎を示した立面図である。
【符号の説明】
１ 構造物
２ 地盤
３ 支持杭
５ アクチュエータ
６、６’ パイプ

Claims (6)

1. 杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータを設置し、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持させると共に、平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータのピストンにより、地盤の沈下に追随して構造物の基礎底面を、回転することなく沈下可能に接合し支持させたことを特徴とする、杭基礎構造物における杭頭接合方法。
2. 杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータを設置し、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持させると共に、平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータのピストンにより、地盤の沈下に追随して構造物の基礎底面を、回転することなく沈下可能にピン結合状態に接合し支持させたことを特徴とする、杭基礎構造物における杭頭接合方法。
3. 杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータを設置し、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持させると共に、平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータ同士のピストン上室とピストン下室を相互に連通させ、地盤の沈下に追随して前記ピストンの位置を変位させて、構造物の基礎底面を、回転することなく沈下可能に接合し支持させたことを特徴とする、杭基礎構造物における杭頭接合方法。
4. 杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータが設置され、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持されていること、
   平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータ同士のピストン上室とピストン下室とが連通され閉鎖系を構成していること、
   地盤の沈下に追随して前記ピストンの位置を変位させ、構造物の基礎底面を、回転することなく沈下可能としたことを特徴とする、杭基礎構造物における杭頭接合構造。
5. 平面的に見て対をなす配置とした支持杭の前記アクチュエータ同士のピストン上室とピストン下室とが２本のパイプでクロス状態に連通され閉鎖系を構成していることを特徴とする、請求項４に記載した杭基礎構造物における杭頭接合構造。
6. 杭基礎構造物における支持杭の杭頭にピストン・シリンダ型のアクチュエータが設置され、構造物の基礎底面は地盤へ一定大きさの初期荷重を負担させた状態で前記アクチュエータと接合して支持されていること、
   前記アクチュエータのピストンロッドとの接合部分がピン結合状態に接合されていることを特徴とする、請求項４に記載した杭基礎構造物における杭頭接合構造。

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