JP4762618B2 - 杭基礎構造およびその施工方法 - Google Patents

Description

本発明は杭基礎構造およびその施工方法に関し、上部構造物の慣性力として作用する水平力を負担する水平抵抗体と、当該水平抵抗体を介して伝達される上部構造物からの鉛直力（鉛直荷重）を負担する鉛直支持体との役割分担をより明確にすることで、より効率的な杭基礎設計の実現を可能にしたものである。

従来、杭基礎構造においては、主として鉛直支持力を負担する下杭に、例えば、鋼管杭、ＰＲＣ杭、ＳＣ杭等の曲げ剛性の大きな杭を上杭として接続し、上部構造物からの水平力に抵抗する設計が行われている。

また、上部構造物を支持する杭基礎構造の他に、水平力のみを負担させる数ｍ程度の短杭状の水平抵抗体を、前記杭の周りに必要数打ち込むことによって支持杭にかかる水平力を軽減させる工法も提供されている（特許文献１，２，３，４参照）。
特開２０００−１８６２号公報 特開２００２−１３８４９４号公報 特開２００３−３０１４６９号公報

しかし、前者にあっては、上杭と下杭とが剛接合されていることから、下杭にもある程度の曲げモメーメントが発生し、このため、曲げモーメントが殆ど発生しない深さ位置まで、水平耐力のある杭を使用しなければならない等の課題があった。

また、後者にあっては、短杭状の水平抵抗体により、水平力がかなり軽減されるとはいえ、鉛直力を負担する杭にも、上部構造物からの水平力によって、ある程度せん断力や曲げモーメントが発生するので、この曲げモーメントに耐えられる仕様の杭が必要となる等の課題があった。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、水平力を負担する水平抵抗体と鉛直力を負担する鉛直支持体との役割分担をより明確にして効率的かつ経済的な杭基礎設計の確立を可能にした杭基礎構造およびその施工方法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、上部構造物の下部地盤に径を大きくして周囲の地盤に対する受働抵抗を大きくし、作用する水平力に充分抵抗できる曲げ剛性を有する水平抵抗体を配置し、当該水平抵抗体の下方に当該水平抵抗体と直列に前記水平抵抗体より小径の既製杭からなる鉛直支持体を配置し、当該鉛直支持体と前記水平抵抗体との境界部に前記水平抵抗体の下面の大きさ形状とほぼ等しく、周縁部に下方に向けたストッパー用の突縁を設けたスライド部材を介在させたことを特徴とするものである。

本発明は特に、水平力を負担する水平抵抗体と鉛直力を負担する鉛直支持体との境界部をスライド可能にして、水平抵抗体から鉛直支持体には軸力のみが伝達され、曲げモーメントとせん断力は伝達されない柔軟な構造とすることで、水平抵抗体と鉛直支持体の役割分担をより明確にし、これにより効率的かつ経済的な杭基礎の設計を可能にしたものである。

すなわち、水平抵抗体と当該水平抵抗体の下方に位置する鉛直支持体を直列に配置するとともに、水平抵抗体の下面と鉛直支持体の上面をスライド可能に面接触させて構成することにより、鉛直支持体に地震時の上部構造物からの水平力が伝達されないよう絶縁し、もって、鉛直支持体の水平力による折損、破損を軽減することができる。

また、このことにより、今まで水平耐力まで考慮して設計していた鉛直支持体を、鉛直支持力のみ考慮した安価なものに置き換えることができるので、杭基礎構造自体を安価に提供することができる。

この場合の水平抵抗体と鉛直支持体との境界部は、水平抵抗体と鉛直支持体との境界部にスライド部材として例えば金属板などのスライド板を介在することによりスライド可能な構造とすることができる。

また、水平抵抗体と鉛直支持体との境界部が外れないように、スライド板の周縁部に下方に向けたストッパー用の突縁を設けておくのが望ましい。

なお、水平抵抗体自体の下端面または鉛直支持体自体の上端面（杭端板）を、その周縁部に上方に向けたストッパー用の突縁を備えたスライド部材としてもよい。また必要に応じて、砂、砂利、砕石等の絶縁材を境界部に一定の層厚に敷き詰めてスライド部材としてもよい。

さらに、水平抵抗体および鉛直支持体の構造は、特に限定されるものではなく、それぞれＳＣ杭、ＰＲＣ杭などの既製杭または場所打ちコンクリート杭、無配筋の地盤改良コラム等、あるいはこれらの組み合せによって上部構造物からの水平力および上部構造物からの鉛直力に抵抗するのに充分な断面剛性と水平抵抗を備えた構造に形成することができ、いずれの構造形式とするかは任意に選択することができる。

また、水平抵抗体および鉛直支持体の形状も、特に限定されるものではなく、例えば平面円形状、矩形状、多角形状などの形状が考えられ、また特に水平抵抗体にあっては壁状をなすものでもよく（例えば図９参照）、地盤の状況に応じて最も適した形状を任意に選択することができる。

さらに、水平抵抗体および鉛直支持体の大きさ（径および長さ(深さ)）も、地盤の状況に応じて、それぞれ必要な水平抵抗力と鉛直支持力、さらに断面剛性を得るのに必要な寸法とすることができ、例えば水平抵抗体と鉛直支持体を同一径としたり、一方を他方より大径としてもよい。

特に、水平抵抗体の大きさ（断面および長さ（深さ））は、作用する水平力に充分抵抗できる曲げ剛性を有する寸法であればよく、長さは、地盤の水平地盤反力係数（ｋｈ）、杭径（Ｂ）、曲げ剛性（弾性係数Ｅ×断面二次モーメントＩ）で算出される特定値βにより求められる値につき、１／β以下に設定することが望ましい。しかし、主に水平力に抵抗する地盤深さは４〜５ｍであることから、おおよそ４〜５ｍ程度あればよい。

また、境界部にスライド部材を設置するだけで、鉛直支持体と水平抵抗体との境界部をきわめて容易にスライド可能な構造とすることができる。

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、水平抵抗体に拡径部が形成されてなることを特徴とするものである。

本発明によれば、水平抵抗体に拡径部を設けることで、水平抵抗体に引抜き力も負担させることができる。

請求項３記載の杭基礎構造の施工方法は、水平抵抗体と当該水平抵抗体の下方に当該水平抵抗体と直列に配置された鉛直支持体とから、当該鉛直支持体と前記水平抵抗体との境界部をスライド可能に構成してなる杭基礎構造の施工方法において、地盤中に杭孔を削孔し、当該杭孔内に既製杭による鉛直支持体を前記水平抵抗体の下面まで連続して施工し、当該鉛直支持体の上側を当該鉛直支持体の外径より大きい内径の拡径穴に掘削し、当該鉛直支持体の上に前記水平抵抗体の下面の大きさ形状とほぼ等しい径のスライド部材を設置し、当該スライド部材の上側に前記鉛直支持体より大きい径の水平抵抗体を施工することを特徴とするものである。

本発明は特に、水平力を負担する水平抵抗体と上部構造からの鉛直力を負担する鉛直支持体との境界部にスライド部材を介在することで、水平抵抗体から鉛直支持体には鉛直力のみが伝達され、曲げモーメントとせん断力は伝達されないため、水平抵抗体と鉛直支持体の役割分担をより明確にすることができ、これにより無駄のないより効率的な杭基礎の設計を行うことができる。また、簡単な構造故にコストも低減できる。

また、水平抵抗体と鉛直支持体との境界部に金属板などからなるスライド部材を介在するだけで、上部構造物の慣性力として作用する水平力に対し、水平抵抗体と鉛直支持体との境界面を確実にスライド可能な構造とすることができるため、最適な杭基礎の設計を行うことができる。

図１は、本発明の杭基礎構造の一例を示し、図において、杭基礎１は、杭頭部に作用する水平力Ｑと曲げモーメントＭに抵抗する水平抵抗体２と当該水平抵抗体２を介して伝達される上部構造物からの鉛直力（軸力）Ｎを支持地盤３に伝達する鉛直支持体４と水平抵抗体２と鉛直支持体２との境界部に介在されたスライド板５とから形成されている。

そして、水平抵抗体２の上側に上部構造として地中梁１０と柱１１がＲＣ構造によってそれぞれ構築されている。

水平抵抗体２は、水平力Ｑおよび曲げモーメントＭに抵抗するのに不利な上層の地盤中に必要な抵抗力が得られる形状と大きさに形成されている。また、水平抵抗体２はかご状に配筋された補強筋２ａとその周囲に充填されたコンクリート２ｂとからなるＲＣ構造によって形成され、形状は特に限定されるものではなく、例えば平面円形状、矩形状または多角形状などに形成され、その際、主に径を大きくして周囲の地盤に対する受働抵抗を大きくすることにより所定の水平抵抗が確保される。

また、水平抵抗体２は、地盤の状況に応じて径と深さを決定して必要な水平抵抗を得るのに最適な形状と大きさに形成されており、したがって比較的軟弱な地盤にあっては、径および深さ共に大きめに形成する必要があり、一方比較的良質な安定した地盤の場合にあっては、径および深さは共に小さめでよい。

なお、水平抵抗体２の長さ（深さ）は、設置地盤などの条件によっても異なるが、主に水平力に抵抗する地盤深さは４〜５ｍであることから、おおよそ４〜５ｍ程度の深さに形成され、また径は１．５ｍ程度に形成されている。

鉛直支持体４は、水平抵抗体２が配置された上層部の地盤より下方の地盤中に、水平抵抗体２と直列に、かつ当該水平抵抗体２の下端部から支持地盤３まで連続して形成されている。また、鉛直支持体４は水平抵抗体２より小径の柱状に形成され、例えばＲＣ杭やＰＣ杭、鋼杭、ＳＣ杭、ＰＲＣ杭などの既製杭によって形成されている。

なお、鉛直支持体４の径は、上部構造物からの荷重や設置地盤などの条件によって異なるが、水平抵抗体２を上記の大きさとした場合、０．５ｍ程度に形成されている。

スライド板５は、水平抵抗体２と鉛直支持体４との境界部に水平に介在されている。また、スライド板５は鋼板などの金属板から水平抵抗体２とほぼ同じ径に形成され、その周縁部には鉛直支持体４の上端部から外れないにように突起５ａが周方向に連続して垂設されている。

このように、水平抵抗体２と鉛直支持体４との境界部にスライド板５が介在されていることで、水平抵抗体２と鉛直支持体４との境界部は軸力のみを伝達し、曲げモーメントとせん断力は伝達されない構造に形成されている。

また、水平抵抗体２が予期せぬほど過大に水平移動したとしても、突起５ａの働きにより水平抵抗体２が鉛直支持体４から外れない構造になっている。

このような構成において、図２（ａ），（ｂ）に図示するように、杭頭部に作用する水平力Ｑおよび曲げモーメントＭに対しては、水平抵抗体２の前面地盤による受動土圧、さらには周面摩擦により抵抗し、杭頭部に作用する軸圧縮力Ｎに対しては、支持地盤に支持された鉛直支持体４が水平抵抗体２を介して抵抗する。

また、スライド板５の働きにより、水平抵抗体２は過大な水平力Ｑに対し、鉛直支持体４の上端部をスライドすることで、水平抵抗体２から鉛直支持体４側に曲げ力が伝達されることはなく、しかも水平抵抗体２が過大に水平移動したとしても突起５ａの働きにより、鉛直支持体４の上端部から水平抵抗体２がはずれてしまうことがない。

図３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の杭基礎構造の施工方法を示し、以下順を追って説明する。

最初に、地盤中に杭孔６を削孔する。削孔にはアースオーガー穿孔機などの重機を用い、地表から所定の支持地盤３まで連続して削孔する。

次に、杭孔６内に鉛直支持体４を施工する。鉛直支持体４は、支持地盤３から鉛直支持体４の後に施工する水平抵抗体２の下端部まで連続して施工する。 ＰＨＣ杭などの既製杭を用いるときは、必要に応じて適宜継ぎ足しながら施工する。

次に、杭孔６の鉛直支持体４より上側部分を地表から鉛直支持体４の上端部まで幅広く掘削して、鉛直支持体４の上側に拡径穴７を形成する。

次に、拡径穴７内の鉛直支持体４の上端部にスライド板５を設置し、その上に補強筋２ａを配筋し、コンクリート２ｂを打設する。

図４と図５は、共に水平抵抗体の変形例を示したものであり、特に図４（ａ），（ｂ）は、水平抵抗体２の下端部に裾広がりの拡径部２ａを設けることにより、上部構造物からの引抜きにも抵抗できるようにしたものである。

また、図５（ａ），（ｂ）は、複数の既製杭８を所定間隔おきに配置し、その周囲に固化材９を充填することにより、複数の既製杭８と固化材９とが一体化された水平抵抗体２を示したものである。

この例によれば、複数の既製杭８が配置されていることにより、固化材９の強度が少々落ちても充分な剛性を確保することができるため、必要な水平抵抗力を有する水平抵抗体２を形成することができる。

図６〜図９は、鉛直支持体の変形例を示したものであり、例えば、図６と図７は、一ないし複数の既製杭８とその周囲に充填された固化材９とから一体的に形成された鉛直支持体４を示したものであり、図８（ａ），（ｂ）は、かご状の補強鉄筋４ａとコンクリート４ｂとからなる場所打ちコンクリートによって形成された鉛直支持体４を示したものである。

そして、図９は、水平抵抗体２および鉛直支持体４の変形例を示したものであり、水平抵抗体２は壁状に形成され、鉛直支持体４は水平抵抗体２の下側に既製杭８とその周囲に充填された固化材９とから水平抵抗体２の長手方向に所定間隔おきに複数形成されている。

なお、これらの例において、既製杭８にはＲＣ杭、ＰＣ杭、ＳＣ杭、ＰＲＣ杭などが用いられ、固化材９にはコンクリート、セメントモルタル、セメントミルク、ソイルセメント、スラグ等が用いられている。

本発明は、上部構造物の慣性力として作用する水平力に抵抗する水平抵抗体と当該水平抵抗体を介して伝達される上部構造物からの鉛直力を負担する鉛直支持体の役割をより明確にすることにより、より効率的かつ経済的な杭基礎の設計を行うことができる。

杭基礎構造の一例を示す縦断面図である。 （ａ），（ｂ）は杭頭に作用する外力とその抵抗力を示す杭基礎構造の縦断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、杭基礎構造の施工手順を示す縦断面図である。 杭基礎構造の変形例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 杭基礎構造の変形例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 杭基礎構造の変形例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 杭基礎構造の変形例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 杭基礎構造の変形例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 杭基礎構造の変形例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。

符号の説明

１ 杭基礎
２ 水平抵抗体
３ 支持地盤
４ 鉛直支持体
５ スライド板（スライド部材）
６ 杭孔
７ 拡径孔
８ 既製杭
９ 固化材
１０ 地中梁

Claims (3)

1. 上部構造物の下部地盤に径を大きくして周囲の地盤に対する受働抵抗を大きくし、作用する水平力に充分抵抗できる曲げ剛性を有する水平抵抗体を配置し、当該水平抵抗体の下方に当該水平抵抗体と直列に前記水平抵抗体より小径の既製杭からなる鉛直支持体を配置し、当該鉛直支持体と前記水平抵抗体との境界部に前記水平抵抗体の下面の大きさ形状とほぼ等しく、周縁部に下方に向けたストッパー用の突縁を設けたスライド部材を介在させたことを特徴とする杭基礎構造。
2. 水平抵抗体に拡径部を形成したことを特徴とする請求項１記載の杭基礎構造。
3. 水平抵抗体と当該水平抵抗体の下方に当該水平抵抗体と直列に配置された鉛直支持体とから、当該鉛直支持体と前記水平抵抗体との境界部をスライド可能に構成してなる杭基礎構造の施工方法において、地盤中に杭孔を削孔し、当該杭孔内に既製杭による鉛直支持体を前記水平抵抗体の下面まで連続して施工し、当該鉛直支持体の上側を当該鉛直支持体の外径より大きい内径の拡径穴に掘削し、当該鉛直支持体の上に前記水平抵抗体の下面の大きさ形状とほぼ等しい径のスライド部材を設置し、当該スライド部材の上側に前記鉛直支持体より大きい径の水平抵抗体を施工することを特徴とする杭基礎構造の施工方法。

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