JP5852475B2 - 杭基礎の改築方法 - Google Patents

Description

本発明は、杭基礎の改築方法に関する。

既存の構造物の中には、耐震性能が不十分なものがある。耐震性能が不十分な構造物は、地震時に作用する大きな外力により、杭頭部や基礎梁等に損傷が生じるおそれがある。
そのため、このような既存の構造物の耐震性を向上させることを目的とした杭基礎の改築方法が多数開発されている。

例えば、特許文献１には、既設杭と基礎スラブとの接合部において既設杭の断面積を縮小させることで、既設杭と基礎スラブとを半剛化し、杭頭部に作用する曲げモーメントを小さくする杭基礎の改築方法が開示されている。

また、特許文献２には、既存の基礎スラブの下に、免震装置用の新設のベタ基礎を設けた後、基礎スラブとベタ基礎との間にジャッキを配置して上部構造を支持するとともに既設杭の杭頭部を切断し、免震装置を組み込むことで、地震時の地盤の揺れが建物に直接伝わることのないようにする杭基礎の改築方法が開示されている。

特開２００９−１３７２０号公報 特許第４６２４８６７号公報

特許文献１の杭基礎の改築方法は、杭頭部の曲げモーメントが低減されるものの、免震構造ではないため、地震時の地盤の揺れが直接的に建物に伝わるものであった。

一方、特許文献２の杭基礎の改築方法は、既存の基礎スラブの下に、新たにベタ基礎を形成するため、大規模な掘削作業が必要となり、手間や費用が嵩むという問題があった。
また、掘削に伴い、建物の外周囲に山留壁を構築する必要があるので、狭隘な敷地では、構築が困難であった。

また、軟弱地盤など、地盤の剛性が不十分な場合には、基礎梁や土間コンクリートスラブ等を構築して杭の剛性を確保する必要があったが、その作業に手間や費用がかかっていた。

本発明は、前記の問題点を解決するものであり、簡易かつ安価に既存の杭基礎構造を、免震化および半剛化することを可能とした杭基礎の改築方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、第一発明の杭基礎の改築方法は、鋼管杭である複数の仮設杭を既設杭の周囲に配置する杭打ち工程と、前記既設杭の杭頭部周辺を掘削して作業ピットを形成する掘削工程と、上部構造の自重を前記仮設杭に受け替えるとともに、前記既設杭の杭頭部を切断する杭切断工程と、基礎スラブと既設杭との間に免震装置を挿入するとともに新設杭頭部を前記免震装置の直下に形成する免震化工程と、前記鋼管杭に鋼棒を挿入する鋼棒挿入工程と、前記基礎スラブの下方において前記鋼管杭を切断するとともに前記鋼棒の頭部を前記基礎スラブに接合する鋼棒接合工程とを備えることを特徴としている。

かかる杭基礎の改築方法によれば、簡易かつ安価に、既設構造物の免震化と杭頭部の半剛化が可能となる。
つまり、既設杭の周囲に配設された仮設杭に上部構造の自重を受け替えるため、既設杭の杭頭部の周囲のみを掘削すればよく、大規模な掘削工を要しない。
そのため、工期の短縮化と排土量の削減による環境影響の低減化が可能となり、かつ、作業の手間や土砂搬出に伴う工事費の削減も可能となる。
また、仮設杭をダンパーまたはスプリング部として転用することが可能となる。

なお、免震装置としてすべり支承を採用してもよい。この場合には、前記免震装置として前記基礎スラブの下面にすべり板を設置するとともに、前記杭頭部の上端にすべり材を設置する。

また、第二発明の杭基礎の改築方法は、複数の仮設杭を既設杭の周囲に配置する杭打ち工程と、前記既設杭の杭頭部周辺を掘削して作業ピットを形成する掘削工程と、上部構造の自重を前記仮設杭に受け替えるとともに、前記既設杭の杭頭部を切断する杭切断工程と、基礎スラブと既設杭との間に免震装置を挿入するとともに新設杭頭部を前記免震装置の直下に形成する免震化工程とを備える杭基礎の改築方法であって、前記免震化工程では、前記免震装置として前記基礎スラブの下面にすべり板を設置するとともに、前記新設杭頭部の上端にすべり材を設置することを特徴としている。

本発明の杭基礎の改築方法によれば、簡易かつ安価に、既存の杭基礎構造を、免震および半剛化することが可能となる。

本発明の実施形態に係る杭基礎構造を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の実施形態に係る杭基礎の改築方法の施工状況を説明するための図であって、（ａ）は杭打ち工程を示す断面図、（ｂ）は掘削工程を示す断面図である。 図３に続く杭基礎の改築方法の施工状況を説明するための図であって、（ａ）は杭切断工程を示す断面図、（ｂ）は免震化工程を示す断面図である。 図４に続く杭基礎の改築方法の施工状況を説明するための図であって、（ａ）は鋼棒挿入工程を示す断面図、（ｂ）は鋼棒接合工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る杭基礎構造１は、地震時の地盤の揺れが上部構造に直接的に伝わることのないように構成された免震構造と、せん断力伝達能力を確保しつつ、杭頭部に加わる曲げモーメントを低減する半剛接合構造とを備えてなるものである。

杭基礎構造１は、図１に示すように、上部基礎１０と、既設杭（主杭）２０と、免震装置３０と、ダンパー４０とを備えているが、スパンを隔てた隣の杭とは、スラブや梁等の部材で接合されていない。
なお、本明細書では、基礎スラブで頂部が一体化された群杭をまとめて１本の主杭とみなす。

上部基礎１０は、上部構造の下端に配設されていて、基礎スラブ１１と基礎梁１２とを有している。
なお、「基礎スラブ」とは、基礎の一部（底盤）であって、マットスラブや耐圧版、フーチング等を除外するものではない。

基礎スラブ１１は、コンクリート部材であって、図２にも示すように、既設部分１１ａと既設部分１１ａの周囲に一体に形成された新設部分１１ｂとにより構成されている。

基礎スラブ１１の既設部分１１ａは、柱２の直下に形成されていて、その下面には免震装置３０を介して既設杭２０が配置されている。
図２に示すように、本実施形態の既設部分１１ａは、平面視矩形状に形成されているが、既設部分１１ａの形状は限定されるものではない。

基礎スラブ１１の新設部分１１ｂは、後記するダンパー４０の頭部を巻き込んだ状態で、既設部分１１ａの周囲に形成されている。つまり、新設部分１１ｂにより、基礎スラブ１１とダンパー４０の頭部とが接合されている。
本実施形態の新設部分１１ｂは、平面視八角形に形成されているが、新設部分１１ｂの形状は限定されるものではない。

基礎梁１２は、コンクリート部材であって、図２に示すように、基礎スラブ１１の既設部分の四側面に接合されている。
図１に示すように、基礎梁１２の上面には床版１３が形成されている。

既設杭２０は、図１に示すように、上部構造の柱２の真下において地盤Ｇに埋め込まれている。本実施形態の既設杭２０の軸心と柱２の軸心は一致しているが、既設杭（主杭）２０の軸心と柱２の軸心は、必ずしも一致している必要はない。
既設杭２０は、コンクリート製であって、円柱状の本体部２１と、上に向うに従って縮径する新設杭頭部２２とを有している。なお、既設杭２０の材質や断面形状は限定されるものではない。また、既設杭２０は、地盤Ｇに打ち込まれた既製杭であってもよいし、現場施工により形成された現場打ち杭であってもよい。

新設杭頭部２２は、既設杭２０の上部基礎１０との接合部分（杭頭部）を切断（切除）した後に新たに形成された部分である。
新設杭頭部２２は、地盤面Ｇ１から突出しており、新設杭頭部２２の周囲には隙間Ｅが形成されている。隙間Ｅは、基礎スラブ１１の下面と地盤面Ｇ１との間に形成された空間である。

免震装置３０は、既設杭２０（新設杭頭部２２）の上端と基礎スラブ１１との間に介設されている。
本実施形態の免震装置３０は、いわゆるすべり支承であって、基礎スラブ１１の下面に固定されたすべり板３１と、新設杭頭部２２の上端に固定されたすべり材３２とにより構成されている。

ダンパー４０は、図２に示すように、既設杭２０の周囲を囲うように複数配設されている。
ダンパー４０は、鋼棒４２により構成されている。ダンパー４０の頭部は基礎スラブ１１に固定されており、ダンパー４０の下部は地盤Ｇに埋め込まれていて、ダンパー４０の中間部は隙間Ｅに露出している。なお、ダンパー４０の構成は限定されるものではない。

次に、本実施形態の杭基礎構造の改築方法について説明する。
杭基礎構造の改築方法は、杭打ち工程と、掘削工程と、杭切断工程と、免震化工程と、鋼棒挿入工程と、鋼棒接合工程と、埋め戻し工程とを備えている。

杭打ち工程は、図３の（ａ）に示すように、複数の仮設杭（補助杭）４４，４４，…を既設杭２０の周囲に配置する工程である。
仮設杭４４は、鋼管４１により構成されたいわゆる鋼管杭である。なお、仮設杭４４を構成する材料は鋼管４１に限定されるものではない。

仮設杭４４は、梁１２を避けた位置において（図２参照）、床版１３を貫通した状態で、地盤Ｇに圧入する。なお、仮設杭４４の配置方法は限定されるものではない。
本実施形態では、図２に示すように、８本の仮設杭４４，４４，…を配置するが、仮設杭４４の本数は限定されるものではない。また、仮設杭４４の断面寸法も限定されるものではなく、上部構造の自重等に応じて適宜設定すればよい。

掘削工程は、図３の（ｂ）に示すように、既設杭２０の杭頭部周辺の地盤Ｇを掘削して作業ピットＰを形成する工程である。

作業ピットＰは、上面が底面よりも広くなるように側部が傾斜しており、側視した状態で逆台形状を呈している。また、作業ピットＰの底面Ｐ１は、その周縁が仮設杭４４，４４，…の外側に位置するように形成されている。
なお、本実施形態では、一つの既設杭２０につき一つの作業ピットＰを形成しているが、複数の既設杭２０につき一つの作業ピットＰを形成してもよい。

作業ピットＰを形成することにより、既設杭２０の杭頭部および仮設杭４４，４４，…の一部が作業ピットＰ内において露出する。

杭切断工程は、図４の（ａ）に示すように、上部構造の自重を仮設杭４４，４４，…に受け替えるとともに、既設杭２０の杭頭部（既設杭頭部２３）を切断する工程である。

上部構造の自重の受け替えは、先ず、柱２の周囲に仮設桁４５を固定し、この仮設桁４５と仮設杭４４との間にジャッキ４６を介設する。
そして、ジャッキ４６を伸張させることにより仮設杭４４に軸力を導入することで、上部構造の自重を仮設杭４４，４４，…に受け替える。

既設杭頭部２３の切断は、上部構造の自重を仮設杭４４，４４，…に受け替えた状態で、作業ピットＰ内において実施する。本実施形態では、基礎スラブ１１の下面に沿って既設杭頭部２３を切断するとともに、その下方において既設杭頭部２３を切断し、その二つの切断面に挟まれた部分（既設杭頭部２３）を取り除く。
なお、既設杭頭部２３を切断したら、基礎スラブ１１の下面をはつりだしておく。

免震化工程は、図４の（ｂ）に示すように、基礎スラブ１１と既設杭２０との間に免震装置３０を挿入するとともに、上に向うに従って縮径する新設杭頭部２２を免震装置３０の直下に形成する工程である。

免震装置３０の挿入は、基礎スラブ１１の下面にすべり板３１を設置するとともに、新設杭頭部２２の上端面にすべり材３２を設置することにより行う。

本実施形態のすべり板３１は、基礎スラブ１１の既設部分１１ａの同等の平面形状を有している。なお、すべり板３１の形状は、地震時等における基礎スラブ１１と既設杭２０のずれに対して十分な面積を確保していれば限定されるものではない。
すべり板３１の固定方法は、基礎スラブ１１の下面に接着することにより行ってもよいし、ボルトやアンカー等の固定部材を介して固定してもよい。

本実施形態のすべり材３２は、新設杭頭部２２の上端面と同等の平面形状を有した板状の部材からなる。なお、すべり材３２の材質は限定されるものではなく、例えばシート状の部材であってもよいし、新設杭頭部２２の上端面に塗着されたものでもよい。
すべり材３２は、新設杭頭部２２の上端面に接着してもよいし、ボルトやアンカー等の固定部材を介して新設杭頭部２２の上端面に固定してもよい。

鋼棒挿入工程は、図５の（ａ）に示すように、鋼管４１に鋼棒４２を挿入する工程である。
鋼棒４２は、隙間Ｅの上下において、十分な定着長を確保できる長さを有している。なお、鋼棒４２に代えて、異形鉄筋やネジ鉄筋等を挿入してもよい。

鋼管４１には、鋼棒４２とともに固化材４３を注入し、鋼棒４２の下部を鋼管４１内に固定する。なお、固化材４３の材質は限定されないが、例えば、モルタルやグラウトを使用すればよい。本実施形態では、固化材４３を隙間Ｅの底面（地盤面Ｇ１）の高さまで注入しておく。

鋼棒接合工程は、図５の（ｂ）に示すように、基礎スラブ１１の下方において鋼管４１（仮設杭４４）を切断するとともに鋼棒４２の頭部を基礎スラブ１１に接合する工程である。

鋼棒４２の頭部は、基礎スラブ１１の新設部分１１ｂに固定する。
新設部分１１ｂの施工は、既設部分１１ａの周囲に必要な鉄筋を配筋するとともに型枠を配設した後、コンクリートを打設することにより行う。

新設部分１１ｂのコンクリートの養生後、隙間Ｅの位置に対応して鋼管４１を切断し、鋼管４１を上下に分割するとともに鋼棒４２の一部を露出させる。その後、新設部分１１ｂに埋設された鋼管４１に固化材４３を注入し、鋼棒４２の頭部の鋼管４１内で固定する。
なお、鋼管４１の切断は、基礎スラブ１１の新設部分１１ｂの前に行ってもよい。

埋め戻し工程は、新設杭頭部２２の周囲に隙間Ｅが形成されるように、作業ピットＰを埋め戻す工程である（図１参照）。
埋め戻し工程において作業ピットＰ内に投入される材料は、掘削工程において掘削した発生土でもよいし、外部から搬入した材料でもよい。

本実施形態の杭基礎構造１によれば、上部基礎１０と既設杭２０との接合状態を設計で見込んだ通りの半剛接合状態とすることができる。
つまり、図１に示すように、新設杭頭部２２を形成するとともに、新設杭頭部２２の周囲に空隙Ｅが存在しているので、地震時等においては、杭頭部の回転が許容される。そのため、地震等に起因して水平力（せん断力）が杭１０に作用しても、その杭頭部に大きな曲げモーメントが発生することがない。

ゆえに、長周期地震動や液状化地盤などの要因により構造物の水平変位や杭頭部の回転が大きくなった場合においても、杭頭部の回転追従性が大きく、かつ、水平を維持する性能も高い。よって、基礎梁やマットスラブ等の構造物の水平変位や杭頭部の回転を制御する機構を必要とせず、簡易かつ安価に構築することができる。

また、上部構造を、免震装置３０を介して免震支持しているため、地震等の地盤の揺れが上部構造に直接伝わることを防止できる。
独立した既設杭２０により免震支持することで、基礎構造１の省スペース化が可能であるとともに、安価に構築することができる。

作業ピットＰを形成するための掘削範囲が、既設杭２０の周囲のみで、比較的狭いため、排土量の削減による環境影響の低減、作業性の向上および工事費の削減が可能となる。

ダンパー４０を備えているため、地震時の外力により上部基礎１０と既設杭２０との間にズレが生じた場合も、ダンパー４０により元の状態に戻される。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

埋め戻し工程において、作業ピットＰ内にコンクリート等を打設し、既設杭（主杭）２０と仮設杭（補助杭）４４との一体化を行ってもよい。こうすることで、軟弱地盤等で杭頭部に曲げ剛性が必要とされる場合であっても、必要な剛性を確保することができる。

ダンパー４０は、必要に応じて配設すればよく、必ずしも配設されていなくてもよい。ダンパー４０を省略する場合には、鋼棒挿入工程および鋼棒接合工程を省略する。また、この場合、仮設杭４４は撤去してもよいし、切断してもよい。
また、ダンパーに変えてスプリングを採用してもよい。

前記実施形態では、新設部１１ｂを形成することによりダンパー４０を基礎スラブ１１に接合したが、ダンパー４０の基礎スラブ１１への接合方法は限定されるものではない。例えば、取付部材などを介して接合してもよい。

免震装置３０の構成は限定されるものではなく、例えば、積層ゴム支承により構成されていてもよい。
前記実施形態では、新設杭頭部２２の上に向うに従って縮径するように形成したが、新設杭頭部２２の形状は限定されるものではない。また、新設杭頭部２２は、通常の半剛接合で用いる錐台形状であってもよい。

１ 基礎構造
１０ 上部基礎
１１ 基礎スラブ
２０ 既設杭（主杭）
２１ 杭本体
２２ 新設杭頭部
３０ 免震装置
４０ ダンパー
４４ 仮設杭（補助杭）
Ｅ 隙間

Claims (3)

1. 鋼管杭である複数の仮設杭を既設杭の周囲に配置する杭打ち工程と、
   前記既設杭の杭頭部周辺を掘削して作業ピットを形成する掘削工程と、
   上部構造の自重を前記仮設杭に受け替えるとともに、前記既設杭の杭頭部を切断する杭切断工程と、
   基礎スラブと既設杭との間に免震装置を挿入するとともに、新設杭頭部を前記免震装置の直下に形成する免震化工程と、
   前記鋼管杭に鋼棒を挿入する鋼棒挿入工程と、
   前記基礎スラブの下方において前記鋼管杭を切断するとともに前記鋼棒の頭部を前記基礎スラブに接合する鋼棒接合工程と、を備えることを特徴とする、杭基礎の改築方法。
2. 前記免震化工程では、前記免震装置として前記基礎スラブの下面にすべり板を設置するとともに、前記新設杭頭部の上端にすべり材を設置することを特徴とする、請求項１に記載の杭基礎の改築方法。
3. 複数の仮設杭を既設杭の周囲に配置する杭打ち工程と、
   前記既設杭の杭頭部周辺を掘削して作業ピットを形成する掘削工程と、
   上部構造の自重を前記仮設杭に受け替えるとともに、前記既設杭の杭頭部を切断する杭切断工程と、
   基礎スラブと既設杭との間に免震装置を挿入するとともに、新設杭頭部を前記免震装置の直下に形成する免震化工程と、を備える杭基礎の改築方法であって、
   前記免震化工程では、前記免震装置として前記基礎スラブの下面にすべり板を設置するとともに、前記新設杭頭部の上端にすべり材を設置することを特徴とする、杭基礎の改築方法。

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