JP5077857B1 - 複合地盤杭基礎技術による既設構造物基礎の耐震補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】杭基礎と上部基礎と備えた既設構造物基礎の耐震補強構造を提供する。
【解決手段】地盤82中の所定の深度から上部基礎2,5の底面2A1，5Aまでの鉛直方向範囲及び既設構造物基礎の周囲の所定の水平方向範囲に拡がる領域に、地盤改良により造成された第１固化改良体1Aと、上部基礎2,5の底面2A1，5Aから地上面82Aまでの鉛直方向範囲及び既設構造物基礎の周囲の所定の水平方向範囲に拡がる領域に、地盤改良により造成された第２固化改良体1Bと、を備え、かつ、第１固化改良体1A及び第２固化改良体1Bにおける所定の水平方向範囲の外周は、平面視にて、少なくとも上部基礎2,5の外周よりも外側に位置することを特徴とする複合地盤杭基礎技術による既設構造物基礎の耐震補強構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟弱地盤に構築された既設構造物基礎の耐震性を補強するための耐震補強構造に関し、特に、杭と地盤改良体を併用する基礎工法である複合地盤杭基礎技術を用いた耐震補強構造に関する。

現存する既設構造物基礎の中には、小中規模地震（レベル１地震動）に対する耐震設計のみがなされ、必ずしも大規模地震（レベル２地震動）に対する耐震性能を十分に確保していないものが数多く存在する。そのため、既設構造物基礎において、既に変状をきたし明らかに耐震性が不足している場合あるいは老朽化又は損傷が認められる場合は、既設構造物基礎に対して、必要に応じた耐震補強対策を講じる必要がある。特に、せん断強度の過小な泥炭性軟弱地盤や液状化が想定される火山灰地盤に施工された既設構造物基礎においては、耐震補強対策の重要性及び緊急性が大きい。

従来、杭基礎とフーチング基礎を併用した構造物基礎に対する耐震補強技術の例として、特許文献１〜３がある。
特許文献１は、既設杭と既設フーチングからなる既設構造物基礎の周囲の地盤に鋼矢板壁と増設杭とを設け、鋼矢板壁とフーチングの間をコンクリートで一体化固定するとともに、フーチングより下方の地盤を固化材により地盤改良したものである。
特許文献２は、既設杭と既設フーチングからなる水上既設構造物基礎の周囲の地盤に鋼矢板壁を設け、鋼矢板壁とフーチングの間をコンクリートで一体化固定するとともに、フーチングより下方の地盤を固化材により地盤改良したものである。
特許文献３は、フーチング構築予定位置の周囲に地中壁を埋設し、その内部に複数の杭を打ち込むと共に、所定の深度まで地盤を固化改良したものである。

その他に、杭基礎に対する耐震補強技術の例として、特許文献４がある。特許文献４では、杭基礎は地上の基礎梁及び柱を直接支持している。杭基礎の周囲地盤に対し、水平方向には杭径の数倍程度の範囲、及び深さ方向には地盤上端面から杭径の数倍程度の深さまでの範囲にわたり地盤改良を行うことにより、地盤改良層の支圧効果により杭の水平抵抗を増大させている。

特開２００５−１８００７９号公報 特開２００５−２９０８６９号公報 特開２００７−２４７３３９号公報 特許第３１２７２７５号公報

従来の構造物基礎の耐震補強構造については、以下のような問題点がある。
特許文献１〜３の構造は、地中に鋼矢板壁、又は鋼矢板壁と増設杭を設けるので、一般にコスト高で施工性も悪い。
特許文献１、２の構造は、フーチングと鋼矢板の間をコンクリートで連結するので、地盤掘削、コンクリート打設及び埋戻しを行う工程が必要であり、施工性（工期）が大きな課題である。
特許文献４の構造は、既設構造物基礎には適用困難であることに加え、地中には杭基礎のみが存在し、杭基礎のみでの補強改良であるため、補強効率が悪い。すなわち十分な補強が得られ難い。

本発明は、複合地盤杭基礎技術による既設構造物基礎の耐震補強構造であって施工性がよくかつ補強効率に優れた構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、本発明は以下の構成を提供する。なお、括弧内の数字は、後述する実施例を示した図面中の符号であり、参考のために付するが本発明を実施例に限定する意図ではない。

本発明による既設構造物基礎の耐震補強構造は、支持層（81）まで打設された複数の杭基礎（3）と、前記支持層（81）より上の地盤（82）中にて前記複数の杭基礎（3）により支持された上部基礎（2,5）と、を備えた既設構造物基礎の耐震補強構造（1）であって、
前記地盤（82）中の所定の深度から前記上部基礎（2,5）の底面（2A1，5A)までの鉛直方向範囲及び前記既設構造物基礎の周囲の所定の水平方向範囲に拡がる領域に、地盤改良により造成された第１固化改良体（1A）と、
前記上部基礎（2,5）の底面（2A1，5A)から地上面（82A）までの鉛直方向範囲及び前記既設構造物基礎の周囲の所定の水平方向範囲に拡がる領域に、地盤改良により造成された第２固化改良体（1B）と、を備え、かつ、
前記第１固化改良体（1A）及び前記第２固化改良体（1B）における前記所定の水平方向範囲の外周は、平面視にて、少なくとも前記上部基礎（2,5）の外周よりも外側に位置するとともに、
前記第２固化改良体（1B）における前記所定の水平方向範囲は、前記上部基礎（2,5）における地盤（82）中に埋設された部分から該所定の水平方向範囲の外周の位置までの全範囲を含むことを特徴とする。
上記の一態様においては、前記第１固化改良体（1A）が、前記上部基礎（2,5）の直下の領域には造成されない。
上記の一態様においては、前記第１固化改良体（1A）の鉛直方向範囲における前記所定の深度は、地上面（82A）から特性長に相当する深さである特性長深度（d0）、又は、前記特性長深度（d0）よりも深い深度（d1）であり、かつ、
前記第１固化改良体（1A）及び前記第２固化改良体（1B）における前記所定の水平方向範囲の外周（1C）は、平面視にて、前記複数の杭基礎（3）の各々における前記特性長深度（d0）の位置（P）から、鉛直方向に対して受働土圧勾配（θ）をなして延びる直線と地上面（82A）との交差位置（Q）の軌跡上、又は、前記交差位置（Q）の軌跡よりも外側に位置する。
上記の一態様においては、前記第１固化改良体（1A）及び前記第２固化改良体（1B）における前記所定の水平方向範囲の外周の位置に地中壁を設けている。
上記の一態様においては、前記上部基礎（2,5）がフーチング基礎（2）である。
上記の一態様においては、前記上部基礎（2,5）がケーソン基礎（5）である。

本発明は、杭基礎により支持されたフーチング基礎又はケーソン基礎等の上部基礎を備えた既設構造物基礎の耐震補強構造であり、特に、杭と地盤改良体を併用する基礎工法である複合地盤杭基礎技術を用いた耐震補強構造である。上部基礎の底面より下方の所定の範囲に地盤改良を行って造成した第１固化改良体と、上部基礎の底面から地上面までの所定の範囲に地盤改良を行って造成した第２固化改良体とを有するものである。杭基礎及び上部基礎が、周囲に造成された第１及び第２の固化改良体から受働土圧（反力）を受けることにより、耐震補強効果が向上する。

本発明は、基本的には、地中に増設杭や地中壁を設ける必要がないため施工性がよい。また、地盤改良工は、機械攪拌や高圧ジェット等の既存技術を用いて例えばセメント系固化材を注入又は噴射するものであるので、狭隘な作業空間においても比較的容易に実施することができる。この結果、工期短縮及びコスト縮減に寄与する。

第１固化改良体及び第２固化改良体は、連続施工も可能なため、その場合、さらに施工性が改善される。

また、地中壁（鋼矢板など）を用いて受働土圧の分散化を図ることにより、さらに効率のよい改善も可能である。

図１は、既設構造物基礎の耐震補強構造の一実施例を概略的に示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。 図２は、既設構造物基礎の耐震補強構造の別の実施例を概略的に示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。 図３は、既設構造物基礎の耐震補強構造のさらに別の実施例を概略的に示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。 図４は、既設構造物基礎の耐震補強構造のさらに別の実施例を概略的に示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。 図５は、図１、図２及び図４の実施例において地盤改良を行う領域の鉛直方向範囲及び水平方向範囲を決定する方法を説明する図である。 図６は、図３の実施例において地盤改良を行う領域の鉛直方向範囲及び水平方向範囲を決定する方法を説明する図である。

以下、実施例を示した図面を参照して、本発明による既設構造物基礎の耐震補強構造の実施形態を説明する。本発明の対象とする既設構造物基礎は、支持層まで打設された複数の杭基礎と、これらの杭基礎により支持された上部基礎とを備えた基礎である。本明細書における「上部基礎」とは、少なくとも一部が地盤中に埋設されており、その底面が杭基礎の頭部（上端）により支持された直接基礎又はケーソン基礎を含む概念である。直接基礎の典型例は、フーチング基礎である。

図１は、既設構造物基礎の耐震補強構造の一実施例を概略的に示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
既設構造物基礎は、複数の杭基礎３と、これらの杭基礎３により支持されたフーチング基礎２とを備えている。杭基礎３の下端は、支持層８１まで打設されている。フーチング基礎２は、フーチング２Ａと立ち上がり部２Ｂを有する。フーチング２Ａは、支持層８１の上層の地盤８２中に埋設されている。杭基礎３の頭部は、地盤８２中にてフーチング２Ａの底面２Ａ１を支持している。フーチング２Ａの中央から立ち上がり部２Ｂが立設され、鉛直上方に向かって地上面８２Ａ上に延びている。

本発明による耐震補強構造は、杭と地盤改良体を併用する基礎工法である複合地盤杭基礎技術を用いたものである。この耐震補強構造は、既設構造物基礎の周囲の地盤に対して地盤改良工を施すことにより造成された固化改良体１により形成される。固化改良体１は、下方部分である第１固化改良体１Ａと、上方部分である第２固化改良体１Ｂとを有する。なお、第１固化改良体１Ａと第２固化改良体１Ｂは、その造成領域の位置を区別するために別の呼称としたものであって、両者の特性が異なる必要はない。また、図示のように両者の境界が明確である必要もない。但し、第２固化改良体１Ｂの固化強度を、第１固化改良体１Ａのそれよりも大きくすることにより、既設構造物基礎の変形に対する耐性が向上するので好ましい。

第１固化改良体１Ａは、所定の鉛直方向範囲及び所定の水平方向範囲に拡がる。第１固化改良体１Ａの鉛直方向範囲は、図１（ａ）に示すように、地盤８２中の所定の深度からフーチング基礎２（すなわちフーチング２Ａ）の底面２Ａ１までの範囲である。なお、第１固化改良体１Ａの下端である所定の深度の決定方法は、後述する図５において説明する。

第１固化改良体１Ａの水平方向範囲は、図１（ｂ）に示すように、平面視にて既設構造物基礎の周囲に拡がる。水平方向範囲の外周は、平面視にて、少なくともフーチング基礎２の外周すなわちフーチング２Ａの外周よりも外側に位置する。この場合、フーチング２Ａの底面は長方形であるので、水平方向範囲の外周形状もこれと相似な長方形としている。
以上のような鉛直方向範囲及び水平方向範囲を有するので、第１固化改良体１Ａの全体形状は直方体となる。

第２固化改良体１Ｂもまた、所定の鉛直方向範囲及び所定の水平方向範囲に拡がる。第２固化改良体２Ａの鉛直方向範囲は、図１（ａ）に示すように、フーチング基礎２（すなわちフーチング２Ａ）の底面２Ａ１から地上面８２Ａまでの範囲である。

第２固化改良体１Ｂの水平方向範囲もまた、第１固化改良体１Ａのそれと同様に平面視にて既設構造物基礎の周囲に拡がる。また、第２固化改良体１Ｂの水平方向範囲の外周も、平面視にて、少なくともフーチング基礎２の外周すなわちフーチング２Ａの外周よりも外側に位置する。

なお、図示の例では、第１固化改良体１Ａと第２固化改良体１Ｂの水平方向範囲が一致しているが、これらが異なってもよい。

第１固化改良体１Ａは、概ね、地盤改良後の発現強度が１０００ｋＮ／ｍ^２程度である。これは、一般に用いられるセメント系固化材により得られる強度である。地盤改良工の種類は特に限定しないが、例えば、機械撹拌工法で行う。機械攪拌工法は比較的低コストである。

図１に示すように、既設構造物基礎の直下すなわちフーチング２Ａの底面２Ａ１の下方地盤に対しても、基本的に全ての水平方向範囲で地盤改良工を行うことが好ましい。これは、将来的な変動要因に十分に対処できるようにするためである。この場合の施工方法として、傾斜削孔を行って斜めノズルにより固化材を地盤に注入することが可能である。あるいは、フーチング２Ａにノズル用の孔を空けて固化材を地盤に注入することも可能である。

第２固化改良体１Ｂは、基本的には、第１固化改良体１Ａと同強度の地盤改良工を行う。第１固化改良体１Ａと第２固化改良体１Ｂは、同時にすなわち連続施工することも可能である。第２固化改良体１Ｂの施工では、改良機械の選択によっては狭隘な作業空間においても施工が可能となる。第２固化改良体１Ｂの鉛直方向範囲は、フーチング２Ａの底面２Ａ１から地上面８２Ａまでであるが、一般的に０．５〜２．０ｍ程度である。

図２は、既設構造物基礎の耐震補強構造の別の実施例を概略的に示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
図２の耐震補強構造の実施例において、図１の実施例と異なる点は、既設構造物基礎の直下すなわちフーチング２Ａの底面２Ａ１の下方地盤の一部に対して地盤改良を行っていない点である。この地盤改良を行わなくてもよい範囲は、最外郭に位置する複数の杭基礎３の各々の中心より内側の範囲である。図２の実施例では、施工が簡略化される。

図３は、既設構造物基礎の耐震補強構造のさらに別の実施例を概略的に示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
図３の耐震補強構造の実施例において、図１の実施例と異なる点は、第１固化改良体１Ａ及び第２固化改良体１Ｂの水平方向範囲の外周の位置に地中壁４を設けている点である。但し、地中壁４を設ける場合は、図１の実施例の場合に比べて固化改良体１の水平方向範囲の外周の位置を、より既設構造物基礎に近い位置に設定することができる。よって、狭い範囲で施工すれば足りることとなる。なお、地中壁４の位置の決定方法は、後述する図６において説明する。

図４は、既設構造物基礎の耐震補強構造のさらに別の実施例を概略的に示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
図４の耐震補強構造の実施例において、図１の実施例と異なる点は、既設構造物基礎がフーチング基礎ではなくケーソン基礎５である点である。上述した図１〜図３の実施例についての説明は、図４のケーソン基礎５に適用する場合にも同様に適用される。

図５は、図１、図２及び図４の実施例（地中壁を設けない実施例）において地盤改良を行う領域の鉛直方向範囲及び水平方向範囲を決定する方法を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ概略的かつ模式的に示した縦断面図及び平面図である。

固化改良体の鉛直方向範囲は、次のように決定される。
第１固化改良体１Ａの下端は、第２固化改良体１Ｂも含めた固化改良体全体の鉛直方向範囲の下端でもある。図５（ａ）に示すように、鉛直方向範囲における下端の深度ｄ１は、地上面８２ａから特性長１／βに相当する深さ（以下「特性長深度」と称する）ｄ０と同じか、又は、特性長深度ｄ０よりも下方の位置に設定される。特性長深度ｄ０は、一般的に５〜１０ｍ程度となる。

ここで、通常の特性長１／βは、杭基礎の水平抵抗に有効な範囲とされている特性値であり、杭基礎の頭部からの所定の距離の位置に相当する。しかしながら、本発明においては、杭基礎３の頭部から地上面８２ａまでの範囲にも第２固化改良体１Ｂが形成される。よって、第２固化改良体１Ｂを、杭基礎３の延長部分である仮想杭区間と想定し、地上面を仮想杭頭部として特性長１／βを導出し、この特性長を適用することにより、固化改良体の鉛直方向範囲を設定する。

また、固化改良体の水平方向範囲は、次のように決定される。
図５（ａ）に示すように、先ず、複数の杭基礎３の各々における特性長深度ｄ０の位置Ｐから、鉛直方向に対して受働土圧勾配θをなして延びる直線（傾斜した点線）と地上面８２Ａとの交差位置Ｑを求める。受働土圧勾配（受働すべり面の勾配）θは、θ＝４５°＋φ／２（φは地盤のせん断抵抗角）で表される。各杭基礎３についての交差位置Ｑの軌跡は、図５（ｂ）の平面図において、二点波線で示すように円（半径ｒ）となる。固化改良体の水平方向範囲の外周１Ｃは、この交差位置Ｑのいずれの軌跡円よりも外側に位置するように設定する。図示の例では、平面視にて、交差位置Ｑの軌跡円が全て含まれるような最小の長方形を、固化改良体の外周１Ｃと設定している。この場合、施工範囲が最小となるので好ましい。

図６は、図３の実施例（地中壁を設ける実施例）において地盤改良を行う領域の鉛直方向範囲及び水平方向範囲を決定する方法を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ概略的かつ模式的に示した縦断面図及び平面図である。

固化改良体の鉛直方向範囲は、図５と同様に決定される。図示の例では、固化改良体の鉛直方向範囲の下端の深度を、特性長深度ｄ０と設定している。

また、地中壁を設ける場合の固化改良体の水平方向範囲は、次のように決定される。
図６（ａ）に示すように、図５（ａ）と同様に、複数の杭基礎３の各々における特性長深度ｄ０の位置Ｐから、鉛直方向に対して受働土圧勾配θをなして延びる直線（傾斜した点線）と地上面８２Ａとの交差位置Ｑを求める。

次に、地中壁４を設けることによって外側に制限される三角形の範囲Ａ１と、内側に制限される三角形の範囲Ａ２の関係が、Ａ２≧Ａ１となるように地中壁４の位置を決定する。Ａ２＝Ａ１のとき、地中壁４が、既設構造物基礎に対して最も近くなる。

次に、本発明による既設構造物基礎の耐震補強構造の施工方法の一実施例について説明する。
・ステップ１：地質調査及び改良強度の決定
耐震補強構造の対象現場の変状および地質調査により現況を把握する。
地盤改良による固化改良体と原地盤による複合地盤を、通常の地盤として想定して扱い、杭基礎の設計法を行う。固化改良体を杭基礎の反力体と考えて杭基礎自体の設計を行う。
杭基礎の水平抵抗は、改良強度ｑｕを変形係数Ｅに換算し水平地盤反力とする。
杭基礎の頭部周辺の範囲に、杭の水平抵抗の関与深さである杭特性長、第２固化改良体の構造物躯体部分をも仮想杭区間として算出した杭基礎の水平抵抗の関与範囲である１／βから、土の極限状態の釣り合いの受働土圧勾配θ に基づいて３次元の直方体範囲を、地盤改良工による複合地盤の領域として決定する。

・ステップ２：改良機械セット
第１固化改良体及び第２固化改良体の造成のための改良機械をセットする。一般的に、撹拌式混合処理機械又は高圧噴射式混合処理機械が用いられる。

・ステップ３：固化改良体の造成
ステップ１で設定した通りの範囲に、固化改良体の造成を行う。鉛直方向範囲は、一般的に５〜１０ｍ程度で、水平方向範囲は、例えば特性長深度１／β及び受働土圧勾配θに基づいて決定した直方体範囲とする。
フーチングの直下は斜め施工またはフーチング内ボーリング孔を利用して施工する（別の実施例では、フーチング直下は施工しなくともよい）。

また、上記の施工方法の実施例の変形例として地中壁を設ける場合は、次の通りである。
・ステップ１において地中壁の位置を決定する。
・ステップ１とステップ２の間：地中壁の設置
地中壁として、一般的に鋼矢板を施工する。施工機械としては圧入機械またはバイブロハンマ機械などが用いられる。地中壁の位置は、上述の図６の通り設定された位置である。

１ 耐震補強構造
１Ａ 第１固化改良体
１Ｂ 第２固化改良体
１Ｃ 固化改良体外周
２ フーチング基礎
２Ａ フーチング
２Ａ１ フーチング基礎底面
２Ｂ 立ち上がり部
３ 杭基礎
４ 地中壁
５ ケーソン基礎
５Ａ ケーソン基礎底面
８１ 支持層
８１Ａ 支持層の上面
８２ 地盤
８２Ａ 地上面
ｄ０ 特性長深度
ｄ１ 固化改良体下端深度
Ｐ 特性長深度位置
Ｑ 交差位置

Claims (6)

1. 支持層（81）まで打設された複数の杭基礎（3）と、前記支持層（81）より上の地盤（82）中にて前記複数の杭基礎（3）により支持された上部基礎（2,5）と、を備えた既設構造物基礎の耐震補強構造（1）であって、
   前記地盤（82）中の所定の深度から前記上部基礎（2,5）の底面（2A1，5A)までの鉛直方向範囲及び前記既設構造物基礎の周囲の所定の水平方向範囲に拡がる領域に、地盤改良により造成された第１固化改良体（1A）と、
   前記上部基礎（2,5）の底面（2A1，5A)から地上面（82A）までの鉛直方向範囲及び前記既設構造物基礎の周囲の所定の水平方向範囲に拡がる領域に、地盤改良により造成された第２固化改良体（1B）と、を備え、かつ、
   前記第１固化改良体（1A）及び前記第２固化改良体（1B）における前記所定の水平方向範囲の外周は、平面視にて、少なくとも前記上部基礎（2,5）の外周よりも外側に位置するとともに、
   前記第２固化改良体（1B）における前記所定の水平方向範囲は、前記上部基礎（2,5）における地盤（82）中に埋設された部分から該所定の水平方向範囲の外周の位置までの全範囲を含むことを特徴とする
   既設構造物基礎の耐震補強構造。
2. 前記第１固化改良体（1A）が、前記上部基礎（2,5）の直下の領域には造成されないことを特徴とする請求項１に記載の既設構造物基礎の耐震補強構造。
3. 前記第１固化改良体（1A）の鉛直方向範囲における前記所定の深度は、地上面（82A）から特性長に相当する深さである特性長深度（d0）、又は、前記特性長深度（d0）よりも深い深度（d1）であり、かつ、
   前記第１固化改良体（1A）及び前記第２固化改良体（1B）における前記所定の水平方向範囲の外周（1C）は、平面視にて、前記複数の杭基礎（3）の各々における前記特性長深度（d0）の位置（P）から、鉛直方向に対して受働土圧勾配（θ）をなして延びる直線と地上面（82A）との交差位置（Q）の軌跡上、又は、前記交差位置（Q）の軌跡よりも外側に位置することを特徴とする
   請求項１又は２に記載の既設構造物基礎の耐震補強構造。
4. 前記第１固化改良体（1A）及び前記第２固化改良体（1B）における前記所定の水平方向範囲の外周の位置に地中壁を設けたことを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の既設構造物基礎の耐震補強構造。
5. 前記上部基礎（2,5）がフーチング基礎（2）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の既設構造物基礎の耐震補強構造。
6. 前記上部基礎（2,5）がケーソン基礎（5）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の既設構造物基礎の耐震補強構造。

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