JP5629847B2 - 鋼管杭を用いた免震基礎構造 - Google Patents

Description

本願発明は、建築物の基礎を地盤に貫入埋設した鋼管杭により支持する杭基礎構造に関し、特に、免震機能を発揮するように施工した鋼管杭を用いた免震基礎構造に関する。

従来技術によれば、小規模ビルや一般住宅の建築物においても、支持地盤耐力の不足を補完する構造として基礎杭、特に鋼管杭を用いた杭基礎構造が広く採用されている。

ところで、昨今、これらの小規模建築物において、大規模建築物（例えば、高層ビル、高層マンション）が有するような免震機能を備える旨の要望が高まりつつある。この免震機能とは、地震動の揺れに対する強度である耐震機能、及び地震エネルギーを吸収する制振機能とは異なり、地震エネルギーを建築物に伝達させないようにする機能をいう。この要望に応えるべき免震機能を得る小規模建築物向けの杭基礎構造として、特許文献１の「杭基礎構造」や特許文献２の「免震用杭頭部材」が提案され開示されている。

特許文献１の「杭基礎構造」は、杭の頭部に球支承部を形成すると共に、当該杭と分離された基礎下部に前記球支承部に対応する球状結合部を形成し、この球状支承部と球状結合部との間に滑り材を介在し、杭頭結合部をピン支持（すべり回転することにより応力を開放する構造）としたことを特徴としている。

また、特許文献２の「免震用杭頭部材」は、地盤に埋設した鋼管杭の上端面に裁置固定する短円柱部材と、これを上面から鋼管杭まで覆って被せ、短円柱部材より大きい内径の受容孔を有し、上面部が建築物の基礎部と一体化した上蓋部材とからなり、短円柱部材の上端面と上蓋部材の受容孔内底面とが互いに受容し合う凹凸球面で接することを特徴としている。また、凹凸球面間は、コーキング材を封入した封止構造としている。

特開平１０−２２７０４０号公報（第３頁、第１図） 特開２００３−２７５０２号公報（第２―３頁、第１図）

これらの特許文献の杭基礎構造は、杭頭をピン接合することにより、地震による地盤変動の際、杭頭が基礎に対して回転自在であること、また、杭頭と基礎に水平方向のすべりを生じさせることにより、杭頭から基礎への地震エネルギーの伝達を低減し、併せて杭頭曲げモーメントを低減する効果を得ている。なお、杭頭が基礎に対して回転するとは、杭頭が基礎の支持部に対してどの方向にも固定されず、杭と基礎に相対的な回転変位が生じた場合、杭と基礎に曲げモーメントが生じないという意味であり、以下の説明でも同じ意味で用いる。

しかし、これら杭基礎構造の杭頭と基礎のピン接合とする支持部は、相互に摺動し合う凸状球面と凹状球面により球座に構成している。このため、これら球座の製作はコストが嵩むものであった。

また、鋼管杭の周囲の基礎側に通常の配筋に加え、球座の各要素を鋼管杭及び基礎との双方に配置するため、その設置や位置合わせ、さらには両者の間にコーキング材を介在させる場合は、その封止作業が必要となり煩雑であった。これらの作業は、小規模建築物といえども、多数の鋼管杭を必要とするために作業工数が格段に増加して施工時間が増え、施工コストの大幅な上昇を招く結果となった。

そこで、本願発明は上記した問題点に着目し、比較的簡易な構造であり、かつ、施工においても簡便な鋼管杭を用いた免震基礎構造を提供するものである。

本願発明の鋼管杭を用いた免震基礎構造（以下、「本基礎構造」と略称する。）は、上記課題を解決するため、以下の構成を採用している。

すなわち、施工地盤に一定の高さの露出部を設けて立設状に埋設させた内部空洞の鋼管杭と、該鋼管杭の杭頭に回転方向の移動を自由にして上下方向で当接配置した当接体と、該当接体を取り込んで一体化すると共に前記杭頭の露出部の外周に一定の空隙域を設けて打設した基礎部と、から成ることを特徴としている。

ここで、上記当接体は、特に杭頭開口を被うと共に杭頭と回転方向の移動を自由にして配設した枠体から成ることを特徴としている。より具体的には鉄筋等の線材から外輪郭形が円形、又は多角形のいずれかの形の枠組みに形成したものである。枠体は輪郭を横断結合する補強筋を複数配設して網状に形成しても良い。この枠体は鋼管杭から基礎部側への側圧に対する補強である。

前記鋼管杭の杭頭開口縁部には保形部材を配設している。保形部材は、杭頭の開口縁から所定深さまで充填した中詰めコンクリ−ト、又は杭頭開口に嵌合させた金属盤、補正用の補強枠体、の何れかから選択している。

また、空隙域には緩衝材を充填したことを特徴としている。この緩衝材は、鋼管杭とその周囲にコンクリートを打設して形成する基礎部に空隙域を形成する際の型枠として配置し、コンクリートの打設後にそのまま留置することにより構成している。

さらに、杭頭露出部の上端縁から所定幅の外側周面に、コンクリ−ト縁切り面を形成したことを特徴としている。この面の形成は、鋼管杭の側周面に所定幅の絶縁テープ（ボンドブレーカー）を巻回して構成している。

上記構成の当接体、緩衝材、及び絶縁テープにより、鋼管杭と基礎部とは剛接合していないこととなる。これは、鋼管杭の杭頭と基礎部側の当接部において回転方向の移動が自由であり、鋼管杭の側周面とは緩衝材及び絶縁テープにより一体的に結合していないからである。この結果、鋼管杭は杭頭をもって基礎部を鉛直方向に支持するのみであり、基礎部側の当接体を基準として鋼管杭の回転方向の移動が自由となっている。

さらに、基礎部の底面と施工地盤との間に摺動層を形成したことを特徴としている。摺動層は基礎部下面と施工地盤との間に摩擦係数の小さいシート材を介在させることにより形成している。

本基礎構造は、保形部材をもって閉塞した鋼管杭の杭頭により基礎部を支持するが、基礎部と鋼管杭は剛接合しない構成のため、鋼管杭と基礎部はピン接合（回転方向を自由とする一方で、変位方向の移動を規制する形態と定義。）しているとみなすことができる。また、基礎部の底面と施工地盤との間に摺動層を形成している。このため、地震動を受けた際、鋼管杭というバネによって支えられた建築物は、地震動の周期、振幅、加速度とは異なる長い周期、小さな振幅、小さな加速度で変位する。この結果、本基礎構造は、地震エネルギーを基礎部、ひいては建築物に伝達し難い免震効果を発揮する。さらに、本基礎構造では、軽量な免震建物で問題となった風圧力による揺れや変位が生ぜず、免震建物に長周期地震動が作用した場合の共振による大きな揺れの問題もない。

従来発明の杭基礎構造は、上記免震機能を発揮させるため、相互に摺動し、回転、水平移動する球座を用いて実現していたが、本基礎構造は杭頭を閉塞した鋼管杭を周辺の基礎部とを剛接合させないことに加え、摺動層を形成する簡略な上記構成で実現している。このため、従来発明と比較すると、部品点数及び作業工数の削減により杭基礎構造の全体で大幅な施工時間及び施工コストの削減を可能としている。

特に、元来から低予算で免震機能を有する建築物の施工を目指していた一般住宅向けの建築業界にあっては、施工コストの削減効果は受注増に寄与し、本基礎構造の普及による社会への安全と安心の貢献も顕著である。

本基礎構造を示す断面図である。 図１のＡ部分拡大図である。 本基礎構造の鋼管杭の杭頭部分の組立斜視図である。 本基礎構造の施工状況を示す概略図である。

以下、本基礎構造の具体的な実施形態例を図面に基づき、詳細に説明する。
図１は本基礎構造１の断面を示し、鋼管杭２とその周囲に打設したコンクリート製の基礎部６の結合部分を示している。

図符号２は鋼管杭である。鋼管杭２は、所定の金属材（例えば、「構造用炭素綱」）から形成した一定強度を有する長尺状の中空円筒体であり、地盤８の所定位置に杭頭側の一部を露出させて貫入埋設している。なお、この杭頭を露出させる部分（「露出部」）の高さは、鋼管杭２の剛性、地盤８の状態、及び基礎部６と関わらせる状態などを考慮して、最適演算より設定されるものであり、本実施例では約３０〜５０ｍｍ程度に設定している。また、この鋼管杭２は、杭頭開口側の内部に所定深さまで中詰めコンクリート２１ａを打設して閉塞した平坦面２１を形成している。中詰めコンクリート２１ａは、杭頭開口から内部に懸架したパイルキャップ２１ｂで保持され、下方への脱落を防止されている。なお、上記平坦面２１は、鋼管杭２の杭頭に被冠又は嵌合させた金属盤、又は開口縁の形状の補正用の補強枠体を開口内部や外周縁に配置して形成しても良い。

鋼管杭２の地盤側の側周面には緩衝材３を配設している。この緩衝材３は下方が拡径した環状を成す発泡スチロール材である。緩衝材３は鋼管杭２の地盤側の側周面と、その周辺の基礎部６との付着を阻害すると共に、鋼管杭２が平坦面２１を基準に基礎部６に対して回転、特に傾斜したり撓んだりした場合に側周面と基礎部６との干渉を防止している。

上記緩衝材３より上側の鋼管杭２の側周面には、ボンドブレーカーである絶縁テープ４を巻回している。この絶縁テープ４は、緩衝材３を除いた鋼管杭２の側周面と周辺の基礎部６との付着を防止している。なお、前記ボンドブレーカーの幅として、上記露出部の高さを考慮して、本実施例の場合は約１０〜１５ｍｍ程度に設定している。

鋼管杭２の周囲の地盤上に摺動層５を形成している。この摺動層５は、摩擦係数の小さな樹脂性のシート材５１を地盤８の上面に１枚または複数枚を敷設し、シート材５１の間に低摩擦素材５２を介在させて構成している。なお、摺動層５はこの実施形態例に限定することなく、例えば、地盤上面に施工したモルタル層の上面に地盤と工学的に絶縁する素材、例えば、発泡ウレタン等を敷設して構成して良い。

鋼管杭２の周囲、及び摺動層５の上部側には、コンクリートを打設して所定形状の基礎部６を形成している。基礎部６と鋼管杭２の平坦面２１の接合部には当接体７を配設している。当接体７は、基礎部６の内部に取り込まれて一体となっており、鋼管杭２の外周縁側を囲うように線材である鉄筋から形成した枠体７１と、枠体７１の内側に鋼管杭２の平坦面２１に沿って配設した補強筋７２と、から構成している。この当接体７は、鋼管杭２から基礎部側への支圧応力と、鋼管杭２が水平力を受けた際に基礎部６と杭頭の接触面に作用する側圧に対する補強として機能している。

枠体７１は円形枠状を成し、鋼管杭２の上端縁から外側に離れて位置している。補強筋７２は枠体７１の内側に十字を成して配設し、４箇所に垂下状に鋼管杭２の外縁形に沿ったおおよその位置に位置決め筋７３を配設している。

次に、本基礎構造１の具体的な施工手順を説明する。
まず、地盤８の所定位置に所定長さ及び杭径の鋼管杭２を頭側の一部を露出させた状態で貫入埋設する。

次に、露出した鋼管杭２の内部にパイルキャップ２１ｂを挿入して中詰めコンクリート２１ａを打設して平坦面２１を形成する。これと同時に鋼管杭２の周囲の地盤８の上面に摺動層５を形成する。また、鋼管杭２の露出部分に緩衝材３を環装配置し、残りの露出部分の側周面に絶縁テープ４を巻回する。

鋼管杭２の杭頭に当接体７を位置決め筋７３により位置決めしつつ被冠させると共に、基礎部側の所定の配筋（図示省略）をし、型枠（図示省略）を構築する。

鋼管杭２の平坦面２１を形成する中詰めコンクリート２１ａが完全に硬化したことを確認した後、型枠内にコンクリート打設して所定形状の基礎部６を形成し、本基礎構造１の施工が完了する。

構築した基礎部６の下面の高さ位置、別言すれば摺動層５の形成位置は、周辺の地盤８の高さと略一致させても良い。この場合、図４にあるように、基礎部６の端部側は冬季の凍結を考慮して盛土９をする必要がある。

上記構成の本基礎構造１は、鋼管杭２と基礎部６は剛接合としていない。つまり、鋼管杭２は平坦面２１が接合する当接体７によって基礎部６の鉛直方向の荷重を支持するのみで、基礎部６に対しては回転自在となっている。これは、鋼管杭２の平坦面２１を形成する中詰めコンクリート２１ａの硬化後に基礎部形成用コンクリートを打設したために基礎部側の当接体７は平坦面２１とは相対移動可能で一体化しおらず、また、鋼管杭２の側周面と周辺の基礎部６とは緩衝材３及び絶縁テープ４により付着していないからである。

鋼管杭２と基礎部６が剛接合していないことにより、鋼管杭２と基礎部６は実質的に回転方向の移動が自由なピン接合とみなすことができる。地震動により建築物と地盤に相対変位が生じた際、杭頭がピン接合であることにより、地盤８に貫入埋設した鋼管杭２のバネ定数は杭頭が剛接合の場合に比較して小さく、建築物全体として固有周期は長くなる。その結果、地盤８の変位に比べて振幅、加速度が共に小さく、基礎部側への地震エネルギーの伝達が低減され、免震機能を発揮する。

また、本基礎構造１は、その構成により、水平荷重の作用時に鋼管杭２に回転変位が生じても杭頭モーメントが生ぜず、基礎部６にも曲げ応力、捻り応力が生じない。また、鋼管杭２の側周面に配置した緩衝材３により杭頭と基礎部６は干渉せず、双方の損傷も抑制している。

地盤８と基礎部下面の間に形成した摺動層５は、地盤８の基礎部６への摩擦力、粘着力を低減させて地盤８から基礎部６への地震動の伝達を小さくし、基礎部６と地盤８を同期して振動し難くする結果、より免震機能を高めている。また、基礎部６の下面高さを周縁地盤と一致させた場合、この位置関係によって基礎部６から地盤８への受動土圧を小さくし、地震エネルギーの伝達を低減している。

１ 本基礎構造
２ 鋼管杭
２１ 平坦面
２１ａ 中詰めコンクリート
３ 緩衝材
６ 基礎部
７ 当接体
７１ 枠体
８ 地盤

Claims (7)

1. 施工地盤に一定の高さの露出部を設けて立設状に埋設させた内部空洞の鋼管杭と、
   該鋼管杭の杭頭開口を被い、かつ杭頭と回転方向の移動を自由にして上下方向で当接配置した枠体から成る当接体と、
   該当接体を取り込んで一体化すると共に前記杭頭の露出部の外周に一定の空隙域を設けて打設した基礎部と、
   から成ることを特徴とする鋼管杭を用いた免震基礎構造。
2. 前記鋼管杭の杭頭開口縁部に、保形部材を配設したことを特徴とする請求項１記載の鋼管杭を用いた免震基礎構造。
3. 保形部材が、杭頭の開口縁から所定深さまで充填した中詰めコンクリ−ト、又は嵌合させた金属盤、補正用の補強枠体、の何れかであることを特徴とする請求項２記載の鋼管杭を用いた免震基礎構造。
4. 当接体の枠体が、線材の枠組みで形成し、かつ外輪郭形が円形、又は多角形のいずれかの形であることを特徴とする請求項１記載の鋼管杭を用いた免震基礎構造。
5. 空隙域に、緩衝材を充填して成ることを特徴とする請求項１記載の鋼管杭を用いた免震基礎構造。
6. 前記杭頭露出部の上端縁から所定幅の外側周面に、コンクリ−ト縁切り面を形成したことを特徴とする請求項１記載の鋼管杭を用いた免震基礎構造。
7. 基礎部の底面と施工地盤との間に摺動層を形成したことを特徴とする請求項１記載の鋼管杭を用いた免震基礎構造。

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