JP5032012B2 - 矢板併用型直接基礎及びその施工方法 - Google Patents

Description

本発明は地中に構築すべき構造物の基礎以深に軟弱地盤が存在する場合に、杭基礎の形態にすることなく基礎の安定性を確保する矢板併用型直接基礎及びその施工方法に関するものである。

地中にフーチング等の構造物の基礎を構築する際、基礎には地震時に上部構造からの曲げモーメントによる転倒モーメントが作用するため、基礎の下層の、支持層までの間に例えばＮ値が５以下の軟弱地盤が存在する場合、特に粘性土層が存在する場合には軟弱地盤における不同沈下を防止、あるいは低減するための対策が必要になる。

通常は基礎の下に支持層に到達する先端支持杭を圧入等により設置することになるが、支持層までの距離が大きく、例えば４０ｍを超えるような場合には杭の全長が長くなるため、基礎工事に要する経費が増大する不利益を伴う。摩擦杭は軟弱地盤自体の圧密沈下と共に沈下する可能性があるため、不同沈下を低減する上では有効とは言い難い。

杭に代え、基礎の下に原地盤土と固化材液を攪拌・混合した地盤改良体を構築すると共に、軟弱地盤を利用することにより上部構造物を免震構造化する方法があるが（特許文献１、２参照）、地震時の上部構造の応答を低減する方法では上記のような上部構造からの曲げモーメントに対して基礎の安定性が十分に得られない可能性があるため、曲げモーメントを考慮すれば、地盤改良体を支持層に到達させるか、または支持層に到達する杭が併用されることになる（特許文献参照３、４）。

一方、基礎の下の地盤に対しては、基礎を包囲するように矢板を圧入、もしくは打設し、矢板からなる矢板壁で地盤を拘束することにより地盤の締め固め効果と、地盤の変形抑制効果等を期待する方法がある（特許文献５参照）。

特開２００３−０２０６５９号公報（請求項１、段落００１５、００２０〜００３４、図１〜図６） 特開２００４−２９３１５７号公報（請求項５、段落００５３、図５） 特開平６−２８７９６４号公報（請求項１、段落００１４、図１、図２） 特開平１１−２００３８１号公報（請求項１、段落００１１〜００２２、図１、図２） 特開２００４−３００８１６号公報（請求項１、段落００１４、図１〜図３）

支持層までの距離が大きい場合に支持層に到達する地盤改良体を構築する、または支持杭を併用する特許文献３、４の方法によれば、経費増大の問題が伴い、中間層に地盤改良体のみを構築する特許文献１、２の方法では前記転倒モーメントに対する抵抗力が得られない可能性が高い。

本発明は上記背景より、支持層までの中間層に軟弱地盤が存在する場合に、支持杭を用いることなく基礎の安定性を確保する矢板併用型直接基礎及びその施工方法を提案するものである。

請求項１に記載の発明の矢板併用型直接基礎は地中に構築すべき構造物の基礎を包囲するようにその周方向に隣接しながら、地中に前記基礎の底面を超えた深度まで挿入される矢板と、前記矢板からなる矢板壁で包囲された領域に、前記基礎の底面の深度から柱状に構築され、前記領域の縁に沿って連続して並べて配置される地盤改良体とを備えることを構成要件とする。

請求項１においては、矢板が基礎を包囲し、基礎の周方向に隣接しながら、地中に基礎底面を超えた深度まで挿入されることで、基礎直下の地盤に対する地盤の締め固め効果と変形抑制効果、並びに地盤からの水平抵抗が得られる。この場合、矢板を基礎に密着するように挿入できることと、基礎底面を超えた深度まで矢板を挿入することで、特許文献５の方法より効果が大きい。この結果、基礎に伝達される上部構造からの曲げモーメントに対し、基礎と基礎直下の地盤が一体的に挙動し、基礎が地盤から抵抗モーメントを受けることができるため、曲げモーメントによる不同沈下を軽減する効果が発揮される。

また矢板壁で包囲された領域に、基礎の底面の深度から軟弱地盤中に地盤改良体が構築されることで、軟弱地盤における圧密沈下が低減されるため、矢板壁で拘束された地盤による不同沈下の軽減効果を併せ、軟弱地盤上に構築された基礎の安定性が確保される。請求項１では基礎が地盤改良体の上に直接載る形になり、地盤改良体に支持されるため、基礎直下の地盤の沈下等の影響を受けにくい利点がある。

特に請求項１において、請求項２に記載のように矢板壁の少なくとも基礎以深の区間が地盤改良体中に埋設される場合には、矢板壁の少なくとも基礎以深の区間が地盤改良体中に埋設される形になるため、硬化した地盤改良体と矢板との一体性が得られる。この結果、矢板壁の安定性と剛性が向上するため、矢板壁による地盤の拘束効果が高まり、不同沈下を軽減する効果とそれによる基礎の安定性が向上する。

更に請求項２において、請求項３に記載のように矢板壁の外側の地盤改良体が基礎の底面の深度より上の、例えば地表面の深度まで構築された場合には、矢板壁が深度方向の全長、またはそれに近い区間に亘って地盤改良体中に埋設される形になる結果、矢板壁の安定性と剛性が一層向上するため、矢板壁による地盤の拘束効果が更に高まり、不同沈下を軽減する効果とそれによる基礎の安定性がより向上する。

支持層の深度が２０ｍ前後程度である場合には、請求項４に記載のように地盤改良体が支持層に到達しても支持杭を打設する場合より施工に要する経費を抑えることができるため、請求項１〜３においては、支持層の深度が２０ｍ前後程度以下であるか否か、が地盤改良体の先端を支持層に到達させるか否か、の目安になる。

そこで、支持層の深度が２０ｍ前後程度以下である場合に、請求項４のように地盤改良体の先端を支持層に到達させれば、基礎が軟弱地盤の影響を受けることがないため、基礎の不同沈下が確実に防止されることになる。地盤改良体の先端を支持層に到達させない場合には、地盤改良体は表面の摩擦力と先端の抵抗力によって沈下に対する安定性を確保することになる。

請求項１〜４に記載の発明は主に図５−（ａ）、（ｂ）等に示すように基礎の底面の下から、または地表面からＮ値の小さい粘性土層が存在し、その粘性土層が支持層まで連続するような地盤に適用され、地盤改良体は深度方向に基礎の直下から粘性土層中の一部の区間、または粘性土層の全区間に構築される。

請求項１〜４のいずれかに記載の矢板併用型直接基礎は請求項５に記載のように、地中に構築すべき構造物の基礎の底面の深度以下の地中に柱状に地盤改良体を構築する工程と、前記基礎を包囲するようにその周方向に隣接させながら、前記基礎の底面を超えた深度まで矢板を挿入する工程と、前記地盤改良体上の、前記矢板からなる矢板壁で包囲された領域に前記基礎を構築する工程を経て完成する。

請求項１〜４においては、矢板は地盤改良体の構築後、硬化前に地盤中、または地盤改良体中に挿入されるが、請求項２、３の場合には矢板の少なくとも先端側の一部の区間が地盤改良体中に挿入されることから、地盤改良体の硬化前に挿入を完了させれば、小さい抵抗で挿入することができるため、挿入作業性がよく、作業効率が高まる利点がある。

請求項２、３を含め、請求項１において、矢板壁の内周側に地盤改良体が構築され、矢板が地盤改良体に接するように挿入される場合には地盤改良体の硬化によって矢板が地盤改良体に一体化するため、矢板の剛性が上がり、矢板壁による基礎直下の地盤の拘束効果が高まる。

請求項１〜４の場合、矢板は地盤改良体の構築後に地中に挿入されるが、地盤改良体の構築は地表面から施工され、地盤改良体の構築深度に至るまでの区間の地盤は地盤改良機の掘削によって緩められるため、請求項５では矢板の挿入作業と、基礎の構築位置の地盤の掘削、排出作業が容易になる。また請求項５では矢板の挿入前に地盤改良体を先行して構築することで、地中に存在する礫や玉石等の地中埋設物を排除することが可能であるため、その後の矢板の挿入作業を円滑に遂行できる利点がある。

上記の通り、構築すべき基礎を包囲しながら、地中に基礎底面を超えた深度まで矢板を挿入し、基礎直下の地盤に対する締め固め効果と変形抑制効果、並びに地盤からの水平抵抗を得ることで、基礎に伝達される上部構造からの曲げモーメントに対し、基礎と矢板壁によって拘束された基礎直下の地盤を一体的に挙動させ、基礎が地盤からの抵抗モーメントを受けることができるため、曲げモーメントによる不同沈下を軽減することができる。

また矢板壁で包囲された領域より下層の軟弱地盤中に地盤改良体が構築される、または矢板壁で包囲された領域を含む領域に、基礎の底面の深度から軟弱地盤中に地盤改良体が構築されることで、軟弱地盤における圧密沈下が低減されるため、矢板壁で拘束された地盤による不同沈下の軽減効果を併せ、軟弱地盤上に構築された基礎の安定性を確保することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。

矢板併用型直接基礎（以下、直接基礎と言う）１は、図１〜図４に示すように地中に構築されるフーチング等、構造物の基礎２を包囲するようにその周方向に隣接しながら、地中に基礎２の底面を超えた深度まで挿入される矢板４と、矢板４からなる矢板壁５で包囲された領域より下層の地中に構築される地盤改良体６とを備えている。

基礎２は主に鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造等で構築され、その上の橋脚や建物等の上部構造３は主に鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造の他、鋼管コンクリート造、鉄骨造等で構築される。矢板４には圧入作業性の面から鋼矢板の使用が適切であるが、地盤条件によってはコンクリート矢板、鋼管矢板も使用される。基礎２は図１等に示すように基礎２上に構築され、埋め戻し土中に埋設される等、地表面以深に位置する上部構造３の脚部を含むこともある。

矢板４は矢板壁５で包囲された地盤の締め固め効果や地盤からの水平抵抗、及び基礎２と直下の地盤との一体化の効果を有効に発揮させるために、地表面から基礎２の底面を超えた深度、例えば基礎２底面の深度の２倍前後程度以上の深度まで挿入される。矢板４は山留め壁を兼ねることから、頂部は地表面、またはその付近に位置する。具体的な数値は図１−（ａ）の具体例を示す図４−（ａ）に記載されている。

地盤改良体６は例えば後述のように先端に掘削攪拌翼７を有するロッド８を回転させながら、ロッド８の先端へ固化材液を供給し、掘削土と固化材液を攪拌・混合する深層混合処理工法等により構築されるが、構築される深度が浅く、平面上、広範囲に連続的に構築される場合にはバックホウ等の地上の掘削機を使用することも可能であり、特に構築方法は問われない。掘削土と固化材液を攪拌は機械攪拌方式の他、高圧噴射方式によって行われ、掘削土は固化材液と攪拌・混合されることなく、完全に置換されることもある。

図１〜図３の場合、地盤改良体６は基礎２の底面から距離を隔てた下層の地中に構築されることに伴い、基礎２の底面からの上部構造３の鉛直荷重は下層側へは次第に拡大した領域に伝達されることから、上部構造３の荷重を漏れなく地盤改良体６に伝達する上では、図４に示すように矢板壁５で包囲された領域より平面上、広範囲の領域に地盤改良体６を構築することが適切である。

直接基礎１の施工は前記基礎２の底面の深度より下層の地中に地盤改良体６を構築した後、基礎２の周囲の地中に基礎２の底面を超えた深度まで矢板４を挿入し、基礎２の周方向に周回する矢板４から山留め壁となる矢板壁５を構成し、その矢板壁５で包囲された領域の地盤を掘削・排出し、矢板４へのアンカー筋の接合、基礎２部分における鉄筋等の配筋、矢板壁５内部へのコンクリートの打設により基礎２を構築する、という要領で行われ、引き続き、基礎２上に上部構造３が構築される。基礎２の施工は矢板壁５を山留め壁として行われるため、基礎２の完成により矢板４は基礎２に密着することになる。

地盤改良体６が上記の深層混合処理工法によって構築される場合には地盤改良体６の構築開始深度から固化材液を吐出することになるが、その深度に至るまでは地表面から掘削攪拌翼７によって地盤が空掘りされ、土の抵抗が低減されているため、その後の矢板４の挿入作業と、基礎２の構築位置の地盤の掘削、及び排出作業が容易に行われる。図６以降の例においても同様である。

図１は基礎２の下層の地盤中の、基礎２の底面より広範囲の領域の全面、またはほぼ全面に地盤改良体６を構築した場合を示す。（ａ）は基礎２及び矢板４と地盤改良体６の関係を、（ｂ）は深度に対応したＮ値の変化の様子を示す。ここに示すように地盤改良体６はＮ値が相対的に小さい（地盤強度が小さい）深度の範囲に集中的に構築されるが、そのＮ値が小さい範囲の一部の区間に、またはその範囲を挟んだ区間に亘って構築されることもある。（ｃ）、（ｄ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面を示す。（ｃ）は前記領域の全面に隙間なく地盤改良体６を構築した場合、（ｄ）は円柱状の地盤改良体６を互いに接触、または重複させながら構築した場合である。

図２は基礎２の底面より広範囲の領域のほぼ全面に地盤改良体６を構築した場合を示す。（ａ）は基礎２及び矢板４と地盤改良体６の関係を、（ｂ）は深度に対応したＮ値の変化の様子を示す。（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面を示す。ここでは前記領域の周辺部分を含めて格子状に、円柱状の地盤改良体６を互いに接触、または重複させながら構築している。

図３は基礎２の底面より広範囲の領域の周辺部分に地盤改良体６を構築した場合を示す。（ａ）は基礎２及び矢板４と地盤改良体６の関係を、（ｂ）は深度に対応したＮ値の変化の様子を示す。（ｃ）〜（ｅ）は（ａ）のＣ−Ｃ線の断面を示す。（ｃ）は前記領域の周辺部分に、周方向に連続的に地盤改良体６を構築した場合、（ｄ）は前記周辺部分の隅角部にのみ円柱状の地盤改良体６を構築した場合、（ｅ）は周方向に沿って円柱状の地盤改良体６を互いに接触、または重複させながら構築した場合である。

図１〜図３は地盤改良体６の下端が支持層に接している場合の例を示しているが、支持層の深度が例えば２０ｍを超えるような場合には地盤改良体６が支持層に接しない状態で構築されることもある。その場合、地盤改良体６は沈下に対し、表面の摩擦力と先端の抵抗力によって抵抗する。

図４−（ａ）は図１−（ａ）の具体例として基礎２上に連続して上部構造３である橋脚を構築し、その上に橋桁を構築、または架設した場合を示している。（ｂ）は柱状図とＮ値の関係を示す。ここでは地表面から地下１８ｍ程度の深度まで砂質土が存在し、その下に２４ｍ程度の深度まで粘性土が存在する地盤において、基礎２の底面の深度が５ｍ、基礎２の幅が５ｍの場合に、１０ｍの深度まで矢板４を挿入し、地下１５ｍ程度から２４ｍ程度までの範囲の区間に、基礎２底面の幅より広い、１２ｍ程度の幅に亘って円柱状の地盤改良体６を互いに接触させながら構築している。支持層は地下４０ｍを超えた深度に存在している。

図４−（ａ）に示す直接基礎１の施工手順例を図５−（ａ）〜（ｄ）に示す。図５の場合、（ａ）に示すようにロッド８の先端に掘削攪拌翼７を有する地盤改良機を用いて地表面から地盤を掘削し、地盤改良体６の構築開始深度から地中に固化材液を吐出しながら掘削土と攪拌・混合し、地盤改良体６の構築終了深度まで到達したところで、固化材液の吐出を停止し、ロッド８を引き上げる、という作業を繰り返すことにより地盤改良体６が構築される。

続いて（ｂ）に示すように地表面から矢板４を挿入し、腹起しと切梁等の支保工９により矢板４の安定性を確保しながら矢板壁５を形成する一方、（ｃ）に示すように矢板壁５内部の掘削土が排出される。（ａ）の地盤改良体６の構築時点で、地盤改良体６上の地盤は掘削攪拌翼７によって一旦、掘削され、緩められているため、ここでは改めて掘削を行う必要はない。

その後、矢板壁５の内周面に基礎２との一体性を確保するための孔あき鋼板１０等の鋼材やアンカー筋等を接合すると共に、根切り底に捨てコンクリート１１を打設して基礎２の鉄筋を配筋し、矢板壁５の内部にコンクリートを打設することにより基礎２が構築される。更に（ｄ）に示すように基礎２に連続して上部構造３を構築し、矢板壁５内の基礎２上に掘削土を埋め戻して直接基礎１の施工が終了する。

図６〜図９に示す直接基礎１は、地中に構築される構造物の基礎２を包囲するようにその周方向に隣接しながら、地中に基礎２の底面を超えた深度まで挿入される矢板４と、矢板４からなる矢板壁５で包囲された領域を含む領域に、基礎２の底面の深度から構築される地盤改良体６とを備えている。基礎２と上部構造３の構造、矢板４の種類、挿入深度、地盤改良体６の構築方法、並びに直接基礎１の施工手順等は図１〜図４に示す直接基礎１と同様である。

図６は矢板壁５で包囲された領域内の矢板壁５寄りの部分に地盤改良体６を構築した場合を示す。（ａ）は基礎２及び矢板４と地盤改良体６の関係を、（ｂ）は深度に対応したＮ値の変化の様子を示す。（ｃ）〜（ｅ）は（ａ）のＤ−Ｄ線の断面を示す。（ｃ）は矢板壁５で包囲された領域の隅角部に円柱状の地盤改良体６を構築した場合、（ｄ）は前記領域の縁に沿って連続的に地盤改良体６を構築した場合、（ｅ）は前記領域の縁に沿い、円柱状の地盤改良体６を互いに接触、または重複させながら構築した場合を示す。

図７は矢板壁５で包囲された領域の中心部分に地盤改良体６を構築した場合を示す。（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線の断面を示す。ここでは前記領域の中心部分に、径の大きめの、１本の円柱状の地盤改良体６を構築しているが、小径の円柱状の地盤改良体６を多数集合させることもある。

図８は矢板壁５で包囲された領域の隅角部と中心部分に地盤改良体６を構築した場合を示す。（ｃ）〜（ｅ）は（ａ）のＦ−Ｆ線の断面を示す。（ｃ）は矢板壁５で包囲された領域の隅角部と中心部に円柱状の地盤改良体６を構築した場合、（ｄ）は隅角部と中心部を含む部分に連続的に地盤改良体６を構築した場合、（ｅ）は（ｄ）と同じく隅角部と中心部を含む部分に円柱状の地盤改良体６を互いに接触、または重複させながら構築した場合を示す。

図９は矢板壁５の内側の領域に加え、外側の領域にも地盤改良体６を構築した場合、特に外側の地盤改良体６を基礎２の底面の深度より上の深度、例えば地表面まで構築した場合を示す。（ｃ）〜（ｅ）は（ａ）のＧ−Ｇ線の断面を示す。（ｃ）は矢板壁５を挟んだ内側と外側の領域に連続的に地盤改良体６を構築した場合、（ｄ）は矢板壁５の隅角部に円柱状の地盤改良体６を構築した場合、（ｅ）は矢板壁５を挟んだ内側と外側の領域に円柱状の地盤改良体６を互いに接触、または重複させながら構築した場合を示す。

図９では矢板壁５の外側の領域の地盤改良体６を地表面まで構築することで、矢板壁５が深度方向の全長に亘って地盤改良体６中に埋設される形になるため、矢板壁５の安定性と剛性が高まる利点がある。

以上の図６〜図９の例では地盤改良体６の先端が支持層に到達している場合を示しているが、支持層の深度が大きく、例えば２０ｍを超えるような場合には図１０〜図１３に示すように地盤改良体６の先端を支持層に到達させず、地盤改良体６の表面の摩擦力と先端の抵抗力によって上部構造３の荷重に抵抗させることもできる。図１０〜図１３はそれぞれ図６〜図９に対応している。

（ａ）は基礎の下層の地盤中の、基礎底面より広範囲の領域に地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフ、（ｃ）、（ｄ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。 （ａ）は基礎の下層の地盤中の、基礎底面より広範囲の領域に他の地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフ、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。 （ａ）は基礎の下層の地盤中の、基礎底面より広範囲の領域に他の地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフ、（ｃ）〜（ｅ）は（ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。 （ａ）は基礎上に連続して橋脚を構築し、その上に橋桁を架設した様子を示した縦断面図、（ｂ）は柱状図とＮ値の関係を示したグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は図４−（ａ）に示す直接基礎の施工手順を示した縦断面図である。 （ａ）は矢板壁で包囲された領域の矢板壁寄りの部分に地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフ、（ｃ）〜（ｅ）は（ａ）のＤ−Ｄ線の断面図である。 （ａ）は矢板壁で包囲された領域の中心部分に地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフ、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線の断面図である。 （ａ）は矢板壁で包囲された領域の矢板壁寄りの部分と中心部分に地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフ、（ｃ）〜（ｅ）は（ａ）のＦ−Ｆ線の断面図である。 （ａ）は矢板壁の内側の領域と外側の領域に地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフ、（ｃ）〜（ｅ）は（ａ）のＧ−Ｇ線の断面図である。 （ａ）は矢板壁で包囲された領域の矢板壁寄りの部分に支持層に到達しない地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフである。 （ａ）は矢板壁で包囲された領域の中心部分に支持層に到達しない地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフである。 （ａ）は矢板壁で包囲された領域の中心部分と矢板壁寄りの部分に支持層に到達しない地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフである。 （ａ）は矢板壁の内側の領域と外側の領域に支持層に到達しない地盤改良体を構築した場合を示した縦断面図、（ｂ）は深度とＮ値の関係を示したグラフである。

符号の説明

１………矢板併用型直接基礎
２………基礎
３………上部構造
４………矢板
５………矢板壁
６………地盤改良体
７………掘削攪拌翼
８………ロッド
９………支保工
１０……孔あき鋼板
１１……捨てコンクリート

Claims (5)

1. 地中に構築すべき構造物の基礎を包囲するようにその周方向に隣接しながら、地中に前
   記基礎の底面を超えた深度まで挿入される矢板と、
   前記矢板からなる矢板壁で包囲された領域に、前記基礎の底面の深度から柱状に構築され、前記領域の縁に沿って連続して並べて配置される地盤改良体とを備えることを特徴とする矢板併用型直接基礎。
2. 前記矢板壁の少なくとも基礎以深の区間が地盤改良体中に埋設されていることを特徴と
   する請求項１に記載の矢板併用型直接基礎。
3. 前記矢板壁の外側の地盤改良体は前記基礎の底面の深度より上の深度まで構築されてい
   ることを特徴とする請求項２に記載の矢板併用型直接基礎。
4. 前記地盤改良体は支持層に到達していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいず
   れかに記載の矢板併用型直接基礎。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の矢板併用型直接基礎の施工方法であり、
   構造物の基礎が構築される地中に柱状に地盤改良体を構築する工程と、
   前記基礎を包囲するようにその周方向に隣接させながら、前記基礎の底面を超えた深度まで矢板を挿入する工程と、
   前記地盤改良体上の、前記矢板からなる矢板壁で包囲された領域に前記基礎を構築する工程とを含むことを特徴とする矢板併用型直接基礎の施工方法。

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