JP5861882B2 - 構造物の基礎構造 - Google Patents

Description

本発明は、排水機能を備えた構造物の基礎構造に関する。

従来、地下水で飽和された砂地盤等の液状化層を支持層として構造物を構築した場合、地震発生時に液状化層に液状化現象が生じることにより、構造物を支える十分な支持力が喪失し、構造物が沈下する等の現象が起こりやすい。このような液状化する地盤に対する液状化対策としては、液状化しない支持層まで支持杭を根入れしているのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２４８７８１号公報

しかしながら、上述した従来の液状化対策に採用される基礎構造では、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１に示すような支持層に支持杭を根入れする工法では、大掛かりな打設機械を用いて支持杭を打設する必要があり、とくに液状化層が深い場合には支持杭の本数、長さも増大し、施工費が大きくなるという問題があり、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、液状化対策として用いる支持層まで根入れする支持杭の施工を不要とすることで、施工費の低減を図ることができる構造物の基礎構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る構造物の基礎構造では、下層を構成する非液状化層と、上層を構成する液状化層と、を有する地盤上に構築される構造物の基礎に用いられる構造物の基礎構造であって、基礎の下面全面にわたって設けられた排水層と、基礎の側面に沿って上下方向に連続し、排水層と地上部とを連通する側方通水部と、排水層の下面から非液状化層に向けて鉛直に設けられるとともに、非液状化層の上面に接続する透水性を有するドレーンパイプと、を有し、排水層、側方通水層、およびドレーンパイプは、それぞれ全体が透水性を有する砂利や砂礫からなり、ドレーンパイプの上端面が排水層に連通していることを特徴としている。

本発明では、地震により液状化層内に生じた過剰間隙水をドレーンパイプにより集水し、さらにその水がドレーンパイプから排水層にくみ上げられ、排水層に連通する側方通水部を通じて地上に排水することが可能になる。つまり、液状化層内において、液状化に伴って生じる過剰間隙水圧を抑制することができ、砂の流動や噴砂を抑え、液状化現象の発生を防止することができる。そのため、噴砂に伴う構造物の不同沈下を防止することができ、周辺地盤と同等レベルの沈下に抑えることができ、地震時の液状化層において過剰間隙水圧比が１に達した後にせん断変形により剛性が回復する状態（これを「ポスト液状化状態」という）を保持して安定した変形挙動をするように制御することが可能となる。これにより、従来のように支持杭を支持層に根入れする施工が不要となり、コストを抑えた施工を行うことができる。

また、本発明に係る構造物の基礎構造では、側方通水部は、基礎の側面に形成された上下方向に延在する凹溝に設けられていることが好ましい。

本発明の基礎構造によれば、基礎の側面に所定の通水断面積を有する側方通水部を容易に確保することができるため、基礎の側面より外方で地盤との間に側方通水部を設ける場合に比べて施工が容易であり、施工にかかるコストを低減することができる。

また、本発明に係る構造物の基礎構造では、側方通水部は、平面視で基礎の側面全周にわたって設けられていることが好ましい。

この場合には、側方通水部が基礎の側面のうち部分的に設けられている場合に比べて、側方通水部の排水層に連通する範囲が大きくなるので、ドレーンパイプよりくみ上げられた排水層の水を効率的に且つ確実に側方通水部を通じて地上部へ排水することができる。

また、本発明に係る構造物の基礎構造では、側方通水部は、ドレーンパイプよりも透水性の高い材料によって構成されていることが好ましい。

この場合には、基礎の側面に沿って設けられる側方通水部は最も液状化し易い深度に位置（深浅部）するので、この側方通水部をドレーンパイプよりも透水性の高い材料とすることで、前記深浅部における排水機能を高めることが可能となり、より確実に液状化を防止することができる。

本発明の構造物の基礎構造によれば、地震によって生じる液状化層内の過剰間隙水をドレーンパイプによって排水層にくみ上げ、さらに排水層に連通する側方通水部を介して地上に排水することで液状化を抑制することが可能となるので、液状化対策として用いる支持層まで根入れする支持杭の施工を不要とすることができ、施工費の低減を図ることができる。

本発明の実施の形態による構造物の基礎構造を示す斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線断面図であって、基礎構造の構成を示す水平断面図である。 図１に示す布基礎の周囲の排水層と側方通水部の構成を示す拡大図である。 本実施の形態の原理を説明するための図である。 第２の実施の形態による布基礎を示す水平断面図である。 第３の実施の形態による構造物の基礎構造を示す斜視図である。 図６に示すＢ−Ｂ線断面図であって、基礎構造の構成を示す水平断面図である。 図７に示す第３の実施の形態の変形例による直接基礎の構成を示す水平断面図である。 第４の実施の形態による構造物の基礎構造を示す斜視図である。 図９に示すＣ−Ｃ線断面図であって、基礎構造の構成を示す水平断面図である。 図１０に示す第４の実施の形態の変形例による独立基礎の構成を示す水平断面図である。

以下、本発明の実施の形態による構造物の基礎構造について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本第１の実施の形態による構造物の基礎構造１は、下層を構成する非液状化層２と、上層を構成する液状化層３と、を有する地盤上に構築される構造物１０を支持する構造である。
ここで、構造物１０は、例えばビル等であり、布基礎１１（基礎）によって支持されている。なお、図１および図２において、布基礎１１は、断面視で逆Ｔ字状をなし、複数列（ここでは３列）に配列されている。

基礎構造１は、液状化層３の上位層に設けられて、構造物１０の布基礎１１のそれぞれの下側全面に設けられた排水層１２と、布基礎１１の側面１１ａに沿って上下方向に連続し、排水層１２と地上部とを連通する側方通水部１３と、排水層１２から非液状化層２に向けて鉛直に設けられるとともに、非液状化層２に接続する透水性を有するドレーンパイプ１４と、が設けられている。

排水層１２は、側方通水部１３に接続して連通した状態となっており、ドレーンパイプ１４の施工に先立って施工領域に砂利や砂礫などを敷設することで形成される。

図３に示すように、側方通水部１３は、砂利や砂礫などの透水性を有する材料からなり、平面視で布基礎１１の側面全周にわたって設けられている。

ドレーンパイプ１４は、砂利や砂礫などの透水性を有する材料からなり、液状化層３中で液状化によって生じた過剰間隙水を集水して排水層１２を通じて地上（地表面側）へ通水して排水する機能を有し、１箇所の布基礎１１に対して所要本数（図1に示す側面視で３本）を液状化層３の深さ方向で全体にわたって均等に分散配置されている。
なお、側方通水部１３は、ドレーンパイプ１４と同様の材料でもよいし、ドレーンパイプ１４よりも透水性の高い材料によって構成されていてもよい。

次に、上述した基礎構造１のドレーンパイプ１４の算定手法の一例を説明する。
この場合、構造物の沈下に伴う排水量ｑ_ｗ１がドレーンパイプの可能排水量ｑ_ｗ２以下となるように求める。
つまり、ドレーンパイプは、構造物の液状化中あるいは後の地盤沈下に伴って生じる間隙水を地上へ排水できる能力をもつように設計する。具体的は、構造物の沈下に伴う排水量を算出する。液状化後の地盤の沈下量Ｄ_ｓによる必要排水量ΔＶ_ｗを（１）式により算定する。なお、（１）式において、Ｌ_ａ、Ｌ_ｂは、それぞれ建物（構造物）の短辺、長辺を示している。

ここで、地盤の沈下量Ｄ_ｓは、例えば特許文献２（特開２００７−９５５８号公報）に示される計算手法により算定することができる。
沈下は、時間Δｔ（１日程度）がかかって生じるとき、必要な排水流量ｑ_ｗ１は（２）式に基づいて算出される。

次に、鉛直ドレーンで排水できる流量ｑ_ｗ２は、（３）式および（４）式により算出する。
ここで、Ａ_ｗｖは、ドレーンパイプの断面積である。導水勾配ｉ_ｖは、ドレーンパイプの下端深度をＨ、ドレーン下端、上端に作用する水頭をそれぞれｈ_ｗ１、Ｈ_ｗ２として、以下の式から算定する。水圧は、深度Ｈの面に作用する全応力に等しいと仮定し、この値からｈ_ｗ１を算出する。そして、（５）式を満たすようにしてドレーンパイプを設計する。

なお、液状化後の構造物１０の沈下量については、例えば特許文献３（特許第４６４０６７１号公報）の手法により求めることができる。

次に、上述した構成の基礎構造１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施の形態の基礎構造１では、地震により液状化層３内に生じた過剰間隙水をドレーンパイプ１４により集水し、さらにその水がドレーンパイプ１４から排水層１２にくみ上げられ、排水層１２に連通する側方通水部１３を通じて地上に排水することが可能となる。つまり、液状化層３内において、液状化に伴って生じる過剰間隙水圧を抑制することができ、砂の流動や噴砂を抑え、液状化現象の発生を防止することができる。そのため、噴砂に伴う構造物１０の不同沈下を防止することができ、周辺地盤と同等レベルの沈下に抑えることができる。

ここで、通常の液状化に対する設計手法では、地盤の過剰間隙水圧比が１に達した状態を完全に液状化した状態（液体になった状態）として、これ以降の状態を考えることはないが、本実施の形態では過剰間隙水圧比が１に達した後にせん断変形により剛性が回復する状態（以下、これを「ポスト液状化状態」という）を呈することに着目し、そのポスト液状化状態を安定に継続させることで構造物に対する支持力を維持し確保するという設計思想に基づくものである。
すなわち、図４に示すように、ポスト液状化状態に達した地盤に対して排水することなくさらにせん断力を作用し続けると、非可逆の塑性体積ひずみ（圧縮側）にダイレクタンシーによる可逆的な塑性体積ひずみ（膨張側）が追いつけず、地盤が完全な液体状態なる。この状態が噴砂や構造物の不同沈下が生じる地盤の破壊に達した状態である。
一方、適切に排水しながら上記のせん断力を作用させると、非可逆の塑性体積ひずみ圧縮側）と可逆的な塑性体積ひずみ（膨張側）が常に釣り合い、ポスト液状化状態が安定に継続するから、本実施の形態はそのような安定なポスト液状化状態を保持することで構造物の支持力を確保するという技術思想に基づき、構造物の沈下や傾斜といった液状化被害を低減するものである。
なお、本実施の形態の有効性については、本出願人が先に特願２０１２−１８４９５により記載した解析実験に基づいて確認することができる。

このように、本実施の形態の基礎構造１では、ポスト液状化状態を保持して安定した変形挙動をするように制御することが可能となることから、従来のように支持杭を支持層に根入れする施工が不要となり、コストを抑えた施工を行うことができる。

また、図１に示すように、側方通水部１３が平面視で基礎の側面全周にわたって設けられているので、側方通水部が基礎の側面のうち部分的に設けられている場合に比べて、側方通水部１３の排水層１２に連通する範囲が大きくなるので、ドレーンパイプ１４よりくみ上げられた排水層１２の水を効率的に且つ確実に側方通水部１３を通じて地上部へ排水することができる。

さらに、布基礎１１の側面１１ａに沿って設けられる側方通水部１３は最も液状化し易い深度に位置（深浅部）するので、この側方通水部１３をドレーンパイプ１４よりも透水性の高い材料とすることで、前記深浅部における排水機能を高めることが可能となり、より確実に液状化を防止することができるという利点がある。

上述のように本第１の実施の形態による構造物の基礎構造では、地震によって生じる液状化層３内の過剰間隙水をドレーンパイプ１４によって排水層１２にくみ上げ、さらに排水層１２に連通する側方通水部１３を介して地上に排水することで液状化を抑制することが可能となるので、液状化対策として用いる支持層まで根入れする支持杭の施工を不要とすることができ、施工費の低減を図ることができる。

次に、本発明の構造物の基礎構造による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図５に示すように、第２の実施の形態の基礎構造は、布基礎１１の側面に上下方向に延在する凹溝１１ｂに透水性を有する材料を充填させた構成の側方通水部１５を設けたものである。凹溝１１ｂは、布基礎１１の側面の周方向に所定間隔をもって複数設けられ、排水層１２（図３参照）に連通している。なお、凹溝１１ｂ内に充填される材料としては、砂利が用いられるが、その他に例えばプラスチック立体細状成形品のような透水性の高い材料を採用してよもよい。

本第２の実施の形態の側方通水部１５においても、上述した第１の実施の形態の側方通水部１３（図１参照）と同様の機能を有する。さらに、布基礎１１の側面１１ａに所定の通水断面積を有する側方通水部１５を容易に確保することができるため、布基礎１１の側面より外方で地盤との間に側方通水部（上述した第１の実施の形態の側方通水部１３）を設ける場合に比べて、施工が容易であり、施工にかかるコストを低減することができる利点がある。

なお、上述した第１の実施の形態の側方通水部１３と第２の実施の形態の側方通水部１５とを組み合わせた構成であってもかまわない。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について、説明する。
図６および図７に示すように、第３の実施の形態では基礎部が構造物１０の面積に配置される直接基礎１６（基礎）に適用したものである。すなわち、直接基礎１６の下面１６ｂの全面にわたって設けられる排水層１２と、その排水層１２に連通するとともに非液状化層２に接続される複数のドレーンパイプ１４と、直接基礎１６の側面１６ａに沿って設けられる側方通水部１７と、を有している。側方通水部１７は、地上部に連通しており、これにより排水層１２に集水されている水を地上に排水できる構成となっている。
この場合も、上述した第１の実施の形態および第２の実施の形態と同様に、地震によって生じる液状化層３内の過剰間隙水を地上に排水することで液状化を抑制することが可能となるので、液状化対策として用いる支持層まで根入れする支持杭の施工を不要とすることができ、施工費の低減を図ることができる。

また、第３の実施の形態では、直接基礎１６の側面１６ａに沿って設けられる側方通水部１７に代えて、図８に示すように、直接基礎１６の外周側面に周方向に所定間隔をもって凹溝１６ｃを設け、この凹溝１６ｃに透水性を有する材料（図８で符号１７Ａ）を充填する構成としてもよい。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について、説明する。
図９および図１０に示すように、第４の実施の形態では、構造物１０を支持する複数の独立基礎１８（基礎）に適用したものである。この独立基礎１８は、平面視矩形をなし、構造物１０に対して複数が互いに間隔をあけて設けられている。すなわち、本実施の形態による基礎構造１は、独立基礎１８の側面１８ａに沿って形成される側方通水部１９が設けられるとともに、下面１８ｂの全面にわたって所定の厚さ寸法で形成される排水層１２が設けられ、その排水層１２に連通するとともに非液状化層２に接続される複数のドレーンパイプ１４を有している。

この場合も、上述した第１〜第３の実施の形態と同様に、地震によって生じる液状化層３内の過剰間隙水を地上に排水することで液状化を抑制することが可能となるので、液状化対策として用いる支持層まで根入れする支持杭の施工を不要とすることができ、施工費の低減を図ることができる。

また、第４の実施の形態では、独立基礎１８の側面１８ａに沿って設けられる側方通水部１９に代えて、図１１に示すように、独立基礎１８の外周側面に周方向に所定間隔をもって凹溝１８ｃを設け、この凹溝１８ｃに透水性を有する材料（図１１で符号１９Ａ）を充填する構成としてもよい。

以上、本発明による構造物の基礎構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では布基礎１１、直接基礎１６、独立基礎１８を基礎の対象としているが、これらに限定されることはなく、他の形状の基礎に適用することも可能である。
また、基礎の側面に凹溝を形成し、その凹溝に透水性を有する材料を充填する構成について、凹溝の位置、数量、形状は任意に設定することができる。
さらに、排水層１２や側方通水部１３、１５、１７（１７Ａ）、１９（１９Ａ）の厚さ寸法についても、適用する液状化層３の地盤条件に基づいた適宜な算定に基づく寸法に設定することができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 基礎構造
２ 非液状化層
３ 液状化層
１０ 構造物
１１ 布基礎（基礎）
１１ａ 側面
１１ｂ 凹溝
１２ 排水層
１３、１５、１７、１７Ａ、１９、１９Ａ 側方通水部
１４ ドレーンパイプ
１６ 直接基礎（基礎）
１６ａ 側面
１６ｃ 凹溝
１８ 独立基礎（基礎）
１８ａ 側面
１８ｃ 凹溝

Claims (4)

1. 下層を構成する非液状化層と、上層を構成する液状化層と、を有する地盤上に構築される構造物の基礎に用いられる構造物の基礎構造であって、
   前記基礎の下面全面にわたって設けられた排水層と、
   前記基礎の側面に沿って上下方向に連続し、前記排水層と地上部とを連通する側方通水部と、
   該排水層の下面から前記非液状化層に向けて鉛直に設けられるとともに、前記非液状化層の上面に接続する透水性を有するドレーンパイプと、
   を有し、
   前記排水層、前記側方通水層、および前記ドレーンパイプは、それぞれ全体が透水性を有する砂利や砂礫からなり、
   前記ドレーンパイプの上端面が前記排水層に連通していることを特徴とする構造物の基礎構造。
2. 前記側方通水部は、前記基礎の側面に形成された上下方向に延在する凹溝に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の構造物の基礎構造。
3. 前記側方通水部は、平面視で前記基礎の側面全周にわたって設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の基礎構造。
4. 前記側方通水部は、前記ドレーンパイプよりも透水性の高い材料によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の構造物の基礎構造。

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