JP5041517B2 - 建造物基礎の造成工法 - Google Patents

Description

本発明は、建造物の耐震技術に関する。より詳細には、新規に建造物を造成するに際して、耐震強度が向上した建造物基礎を造成するための技術に関する。

例えば、従来の木造家屋においては、地盤に造成された基礎上に家屋が載置されているのみであり、基礎と家屋とは固定されていない。地震が発生した際には、基礎と家屋とが固定されていないので、家屋が基礎上の所定位置から「ずれて」しまう場合がある。

これに対して、一部の建造物においては、例えば、図９で示すように、地盤Ｇ中に埋設された複数本の棒状の基礎２（図９では４本）が、建造物１に対して固定されている。なお、図９において、基礎２が建造物１に固定されている個所が、符号３で示されている（図９では４個所）。
図９で示すような構造であれば、地震が発生した際に、基礎２と建造物１との相対的な位置関係が変位して、建造物１が基礎２に対して「ずれて」しまう事はない。

しかし、図９で示すような構造においては、震度の大きい地震が発生した際には、基礎２は地震による大きな振動を吸収することが出来ず、地震のエネルギーが固定個所３（基礎２が建造物１に固定されている個所）に集中してしまうので、固定個所３が破断されてしまう。

その他の従来技術として、砂地盤の様に液状化を生じる恐れがある地盤に建造物の基礎を造成するに際して、液状化を生じる恐れがある地盤を、その性状を保つ領域と、液状化を生じない改良領域、とに分ける技術が開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
しかし、これらの技術は、地震の発生のみならず、地震の震度や周波数等を予測することが出来ない現状では、具体的な実施に問題があり、且つ、効果が予測し難いという問題を有している。

また、砂地盤の下方に位置する（液状化を生じる恐れがない）支持地盤に、支持杭或いはセメント壁を造成して、その支持杭或いはセメント壁の上部に免震装置を配置する技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
しかし、係る技術では、支持杭或いはセメント壁の上部に、たとえば、ばね定数の一定な免震装置を所定の位置に配置する必要がある。最も一般的な免震装置は、弾性材としてゴムが使用されるが、ゴム材のばね定数は非線形特性も含めて、例えば１０％程度のばらつきに抑えることは容易でなく、コストが高騰してしまう。

また、複数の免震装置を配置するのであれば、建造物の構造、重量配分とのかかわりを配慮する必要がある。さらに、免震装置のゴム材が空気中に晒される場合には、劣化が避けられないので、適宜、交換しなければならない。
特開２０００−９６５８０号公報 特開２００３−２０６５９号公報 特開平１１−３１５５４４号公報 特開２００１−３２５７０号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、地震が発生しても建造物との相対的な位置関係が変動する（ずれてしまう）ことがなく、且つ、建造物との境界部分が破断してしまうことがなく、地震のエネルギーを十分に吸収或いは減衰して、耐震強度を向上することが出来る様な建造物基礎を造成することが出来る造成方法の提供を目的としている。

発明者は、２００４年１０月２３日に新潟県中越地方で複数回発生した震度６強の地震（いわゆる「中越地震」）の被害状況を検討した。発明者が検討した建造物の基礎構造の中に、概略、図９で示すようなものが存在した。
図９において、建造物１は複数の棒状の基礎２を有しており、係る基礎２により建造物１は地盤Ｇに対して支持されている。ここで、一般的な木造家屋においては、建造物１は基礎２上に載置されているのみである場合が多い。
それに対して、図９で示す建造物１では、基礎２が建造物１に対して固定されている。図９において、基礎２が建造物１に対して固定されている個所が、符号３で示されている。

中越地震の被害状況を検討するに際して、当初、基礎２が建造物１に対して固定されているタイプの建造物では、基礎２が建造物１に固定されている個所３は、全て破断していることが予想されていた。
しかし、発明者の検証によれば、中越地震で倒壊しなかった建造物において、基礎２が建造物１に対して固定されているタイプであるにもかかわらず、固定個所３が破断していないケースが、非常に多かった。

ここで、震度６強の地震があったにもかかわらず、基礎２が建造物１に対して固定されている個所３が破断しなかったのは、地盤Ｇにおいて、複数の基礎２が埋設されている領域Ｇ１（図９において、点線で示す領域）そのものが弾性を有しているためであると理解出来る。そして、基礎２が存在する地盤中の領域が弾性を有していれば、地震に対する耐性が良好となることも知見される。
本発明は、その様な知見に基づいて創作された。

本発明によれば、建造物を造成する際に耐震強度が向上した建造物基礎を造成するための建造物基礎の造成工法において、地上側（Ｅ）にスイベルジョイント（４４）を設けてロッド部（４１）を有し、そしてそのロッド部（４１）に撹拌翼（４２）と注入孔（４３）とが設けられている撹拌機（４）を備えた混練装置（１０）を準備し、前記撹拌機（４）を垂直方向に昇降されると共に回転方向を反転させながらロッド部（４１）を回転させ、その間に地上に設置したゴムチップ供給機構（５）と固化材供給機構（６）と繊維供給機構（１２）とからゴムチップと固化材と繊維とを前記スイベルジョイント（４４）を介して前記注入口（４３）から施工領域に注入し、現位置土（Ｇ）とゴムチップと固化材と繊維との混合物により建造物を固定するための円筒状の基礎（Ｇｃ）を造成するようになっている。

上述する構成を具備する本発明において、造成された基礎（Ｇｃ）の上縁部（Ｇｃｕ）を建造物（１）に固定すれば、地震が発生しても、基礎（Ｇｃ）と建造物（１）との相対位置がずれてしまうことはない。

ここで、本発明により造成される基礎、すなわちチップ状の弾性材料（ゴムチップ）を混合した基礎（Ｇｃ）によれば、負荷し得る応力（図３のσ軸）は従来の基礎と同程度であっても、許容可能なひずみ（図３のε軸）は遥かに大きくなる。そのため、基礎（Ｇｃ）が吸収可能な（減衰可能な）地震エネルギーは、従来の基礎に比較して、遥かに大きくなる（図３参照）。
本発明により造成された基礎によれば、相当な震度であっても、地震のエネルギーは基礎（Ｇｃ）により吸収され、建造物（１）と基礎（Ｇｃ）との固定個所に、地震のエネルギーが集中的に作用してしまうことはない。従って、基礎（Ｇｃ）と建造物（１）との固定個所が破断することが防止できる。

そして、地震エネルギーの吸収能力（減衰特性）の優秀性に起因して、本発明により造成された基礎によれば、当該基礎（Ｇｃ）及び／又はそれに固定された建造物の耐震性は良好である。

本発明において、チップ状の弾性材料と固化材（例えば、セメントミルク）に加えて、繊維を混合すれば、地震エネルギーの吸収能力（減衰特性）と、建造物の耐震性は、さらに向上する。

以下、添付図面の図１〜図５を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、図１〜図３を参照して、第１実施形態について説明する。

図１〜図３の第１実施形態は、建造物下方における基礎を造成するべき領域の土壌（現場の土壌）に、チップ状の弾性材料であるゴムチップと、固化材であるセメントミルクを注入して、混練することにより、円筒状（或いは杭状）の基礎を造成している。

図１は、基礎を造成するべき領域の原位置土（現場の土壌）に、ゴムチップとセメントミルクとを混合して、混練装置により混合する状態を示している。

図１において、全体を符号１０で示す混練装置は、撹拌機４と、ゴムチップ供給機構５と、固化材供給機構６とを備えている。
図１において、施工領域Ｇに撹拌機４が建て込まれている。撹拌機４のロッド部４１の先端近傍には、隣接して上下２段の撹拌翼４２が取付けられている。
ロッド部４１において、上下２段の撹拌翼４２の上下方向中間位置には、注入孔４３が形成されている。そして、ロッド部４１の地上側Ｅには、スイベルジョイント４４が設けられている。
なお、撹拌機４は、ボーリングロッドの先端に撹拌翼を備えたものであってもよい。

ゴムチップ供給機構５と、固化材供給機構６とは地上側Ｅに設置されている。
ゴムチップ供給機構５と撹拌機４のスイベルジョイント４４とは、ゴムチップ供給ラインＬ５によって接続されている。また、固化材供給機構６とスイベルジョイント４４とは、固化材供給ラインＬ６によって接続されている。

撹拌機４のロッド部４１において、スイベルジョイント４４と注入口４３との間の領域は、図１では図示されていないが、１本の供給流路で連通している。スイベルジョイント４４に流入したゴムチップと固化材（例えばセメントミルク）は、当該図示されていない供給流路を経由して、注入口４３から施工領域内に、矢印Ｙで示す様に注入される。

ゴムチップは、固化材であるセメントミルクに対して、均等に混合する必要がある。
図１の実施形態では、撹拌機４の先端に設けた撹拌翼４２によって、原位置土にゴムチップを混練し、混合、撹拌することにより、撹拌翼４２で混練された範囲内では、ゴムチップは均等に分布される。

ここで、図示の実施形態において、ゴムチップ自体は微小な寸法で均一化する必要は無い。比較的寸法が大きいゴムチップから、微小サイズのゴムチップに至るまで、種々のサイズのゴムチップが混在している状態で、基礎を造成するべき領域にゴムチップを混練すれば良い。

図１における撹拌に際しては、撹拌機４全体を矢印Ｕ、矢印Ｄで示す様に垂直方向へ昇降しつつ、矢印Ｒで示す様に時計方向と反時計方向へ回転方向を反転させながら、ロッド部４１を回転させている。

図２は、図１で示す混練装置１０により、原位置土（現場の土壌）Ｇとゴムチップとセメントミルクとの混合物により、円筒状（杭状）の基礎Ｇｃを造成した後、基礎Ｇｃの上縁部Ｇｃｕを、建造物１に固定した状態を示している。

図３は、造成された基礎における地震エネルギーの減衰特性（或いは吸収能力）を示す。図３の縦軸には土壌に作用する剪断応力σをとり、横軸には剪断応力に対応するひずみ（ひずみ率）εをとっている。
図３において、曲線ＰＡは、セメントミルクと原位置土のみを混合して造成した基礎（ゴムチップを含有しない基礎）における、地震エネルギーの減衰特性（あるいは応力−ひずみ特性）を示している。
一方、曲線ＰＩは、セメントミルクとゴムチップと原位置土を混練して造成した基礎（図示の実施形態の基礎）における、地震エネルギーの減衰特性（あるいは応力−ひずみ特性）を示している。

発明者の実験によれば、ゴムチップを混合しない場合における許容可能なひずみεは、１％程度である。これに対して、ゴムチップを混合した場合における許容可能なひずみεは、５％程度まで増加する。
係るひずみεの増加により、負荷可能な応力σが同程度であっても、セメントミルクとゴムチップと原位置土を混練して造成した基礎における地震エネルギーの吸収能力或いは減衰特性は、ゴムチップを混合しない従来の基礎に比較して、遥かに大きくなる。

図３を参照して、具体的に説明する。
従来のセメントミルクと原位置土のみの基礎における地震エネルギーの吸収能力は、図３において、曲線ＰＡの下側のハッチングを付した部分の面積ＳＡで示される。すなわち、曲線ＰＡと、ε＝１％のラインＡと、ε軸（横軸）で囲まれた部分の面積ＳＡが、ゴムチップを含有しない従来の基礎における地震エネルギーの吸収能力を示す。

一方、図１、図２で説明した第１実施形態に係る基礎（セメントミルクとゴムチップと原位置土を混練して造成した基礎）Ｇｃにおける地震エネルギーの吸収能力は、図３において、曲線ＰＩの下側のハッチング（曲線ＰＡの下側のハッチングとは異なるハッチング）を付した部分の面積ＳＩで示される。すなわち、曲線ＰＩと、ε＝５％のラインＩと、ε軸（横軸）で囲まれた部分の面積ＳＩが、第１実施形態に係る基礎の地震エネルギーの吸収能力である。

両者を比較すれば明らかな様に、第１実施形態に係るセメントミルクとゴムチップと原位置土を混練して造成した基礎では、従来の基礎（特性曲線ＰＡ）に比較して、地震エネルギー吸収能力が遥かに向上している。

図２において、基礎Ｇｃの上縁部Ｇｃｕが建造物１に固定されているので、地震が発生しても、基礎Ｇｃと建造物１との相対位置がずれてしまうことはない。
そして、図３を参照して上述したように、基礎Ｇｃにおける地震エネルギーの吸収能力（減衰特性）は非常に良好であり、相当な震度であっても、地震のエネルギーは基礎Ｇｃにより吸収され、建造物１との固定個所に集中してしまうことはない。従って、基礎Ｇｃと建造物１との固定個所が破断してしまうことが防止される。

さらに、基礎Ｇｃにおける地震エネルギーの吸収能力（減衰特性）の優秀性に起因して、基礎Ｇｃの耐震性と、基礎Ｇｃに固定された建造物の耐震性も良好となる。

次に、図４、図５を参照して、第２実施形態を説明する。
図４、図５の第２実施形態では、基礎となるべき領域の土壌を掘削し、掘削された空間内に、土とゴムチップとセメントミルクとの混合物を充填している。

図４において、基礎を造成するべき領域Ｇの土壌を、パワーショベル等の建設機械７により掘削する。
図４における符号Ｈは、掘削されてできた空間（穴）を示す。

図５において明示はされていないが、土とゴムチップとセメントミルクとの混合物を、基礎を造成するべき領域Ｇ及びその近傍の作業現場とは別の個所、例えば、作業現場から離隔した個所に設けられている図示しない専用のプラント等で準備する。
そして、図示しない専用のプラント等で準備された混合物Ｍを、輸送手段（例えば、貨物自動車８）により、当該プラントから作業現場まで輸送する。輸送された混合物Ｍは、貨物自動車８の供給ホース９から空間Ｈに投入され、空間Ｈを混合物Ｍで充填する。

明確には図示されていないが、図４で示す段階で掘削された土を、プラントに搬送して、ゴムチップとセメントミルクと混合しても良い。
また、図示しないプラントが、基礎を造成するべき領域から比較的近い位置に設けられているのであれば、図示しない搬送手段（例えば、ベルトコンベア）により、プラントから空間Ｈまで搬送しても良い。

図示はされていないが、作業現場において、（図４で示す段階で）掘削された土と、ゴムチップと、セメントミルクとを混合し、当該混合物を直接空間Ｈに投入・充填することも可能である。

図４、図５の第２実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図１〜図３で示す第１実施形態と同様である。

図６は、本発明の第３実施形態を示している。
図４、図５の第２実施形態では、基礎となるべき領域の土壌を掘削し、掘削された空間内に土とゴムチップとセメントミルクとの混合物を充填している。それに対して、図６の第３実施形態では、土壌の掘削作業を省略している。
図６において、地盤Ｇにおいて基礎を造成するべき領域は、窪地ＲＳである。

係る窪地ＲＳの近傍に停車されている貨物自動車８（輸送手段）には、図示しない専用のプラント等で準備された混合物Ｍ（土とゴムチップとセメントミルクとの混合物）が充填されており、当該混合物Ｍを貨物自動車８の供給ホース９から地表における凹部（窪地）ＲＳに投入し、窪地ＲＳを混合物Ｍで充填する。

図４、図５の第２実施形態と同様に、図６の第３実施形態においても、図示しないプラントが、窪地ＲＳ近傍に設けられているのであれば、図示しないベルトコンベア等の搬送手段により、プラントから窪地ＲＳまで搬送しても良い。
図６の第３実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図４、図５の第２実施形態と同様である。

図７は、図６の第３実施形態の変形例を示している。
図７では、傾斜面ＳＬを有する地盤Ｇに擁壁ＶＷを造成し、傾斜面ＳＬと擁壁ＶＷで包囲された領域に、土とゴムチップとセメントミルクとの混合物Ｍを充填している。

図７では明示されていないが、混合物Ｍが充填される領域における紙面に垂直な方向の両端部は、地盤Ｇの傾斜面や壁面、及び／又は、擁壁（図示せず）となっている。
図７の変形例におけるその他の構成及び作用効果は、図６の第３実施形態と同様である。

図８は、本発明の第４実施形態を示している。
図８において、全体を符号１０Ａで示す混練装置では、スイベルジョイント４４にラインＬ５を介してゴムチップ供給機構５が接続され、ラインＬ６を介して固化材供給機構６が接続されていると共に、ラインＬ７を介して繊維供給機構１２が接続されている。
繊維供給機構１２は、地盤中に混合されると絡み合って強度を発現するような繊維を貯蔵している。その繊維は、ラインＬ７を介してスイベルジョイント４４に流入して、ゴムチップと固化材（例えばセメントミルク）と混合されて、ロッド部４１の注入口４３から施工領域内に、矢印Ｙで示す様に注入される。

図８の第４実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図１〜図３の第１実施形態と同様である。
なお、図４、図５の第２実施形態、図６、図７の第３実施形態においても、図８で示すのと同様に、ゴムチップと固化材（例えばセメントミルク）に繊維を加えて、混合することが可能である。

下表１は、セメントとゴムチップとスラリー（請求項２〜４における「土壌」）を混練した材料において、ゴムチップ添加量とひずみεとを求めた試験の結果を示している。
係る試験において、セメントとしては高炉セメントＢ種を使用し、ゴムチップの比重は約１．１である。そして、スラリーは、水と粘性土（シルト及び粘土）と砂とを混合しており、砂は体積比で４０±２．５％だけ含有されている。
ここで、ゴムチップの粒径は、５ｍｍ以下であり、ひずみεとしては、一軸圧縮応力を負荷した場合における破壊ひずみを採用している。

表１において、番号２〜５、７〜１０のロットにおいて、ひずみεが３％を超えている。
表１から明らかな様に、ひずみεが４％を超えている場合（番号３〜５、９、１０のロット）には、セメント添加量に対するゴムチップ添加量（ゴムチップ添加量／セメント添加量）は、重量比で、４．０以上となっている。

図３を参照すれば明らかな様に、ひずみεが４％以上であれば（εが３％以上であっても）、地震エネルギーの吸収能力（図３において、曲線ＰＩの下側のハッチングを付した部分の面積ＳＩで表現される）は、ゴムチップを含有しない従来の基礎における地震エネルギーの吸収能力（図３において、曲線ＰＡと、ε＝１％のラインＡと、ε軸（横軸）で囲まれた部分の面積ＳＡで表現される）よりも、十分に大きい。従って、良好な耐震性を獲得することが出来る。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定するものではないことを付記する。
例えば、図示の実施形態において、繊維を加えているのは図８の第４実施形態（第１実施形態と対応する実施形態）であるが、上述した通り、図４〜図７の各実施形態においても、ゴムチップと固化材と繊維を混合することが可能である。

本発明の第１実施形態で用いられる混練装置の概要図。 第１実施形態に係る施工が完了した状態を示す図。 地震エネルギーの減衰特性図。 第２実施形態の掘削工程を示した断面図。 第２実施形態の混合物充填工程を示した説明図。 第３実施形態を示す説明図。 第３実施形態の変形例を示す説明図。 第４実施形態を示す説明図。 従来技術を説明する図。

符号の説明

１・・・建造物
４・・・ボーリングロッド
５・・・ゴムチップ供給機構
６・・・固化材供給機構
７・・・建設機械／パワーショベル
８・・・輸送機
９・・・供給ホース
１２・・・繊維供給機構
４２・・・撹拌翼
４３・・・注入口
４４・・・スイベルジョイント
Ｇ・・・地盤
Ｇｃ・・・建造物基礎
Ｌ５・・・ゴムチップ供給ライン
Ｌ６・・・固化材供給ライン
Ｌ７・・・繊維供給ライン

Claims (1)

1. 建造物を造成する際に耐震強度が向上した建造物基礎を造成するための建造物基礎の造成工法において、地上側（Ｅ）にスイベルジョイント（４４）を設けてロッド部（４１）を有し、そしてそのロッド部（４１）に撹拌翼（４２）と注入孔（４３）とが設けられている撹拌機（４）を備えた混練装置（１０）を準備し、前記撹拌機（４）を垂直方向に昇降されると共に回転方向を反転させながらロッド部（４１）を回転させ、その間に地上に設置したゴムチップ供給機構（５）と固化材供給機構（６）と繊維供給機構（１２）とからゴムチップと固化材と繊維とを前記スイベルジョイント（４４）を介して前記注入口（４３）から施工領域に注入し、現位置土（Ｇ）とゴムチップと固化材と繊維との混合物により建造物を固定するための円筒状の基礎（Ｇｃ）を造成することを特徴とする建造物基礎の造成工法。

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