JP6459372B2 - 既設杭基礎構造に用いる制震構造、及び既設杭基礎構造の補強方法 - Google Patents

Description

本発明は、既設杭基礎構造に用いる制震構造、及び既設杭基礎構造の補強方法に関する。

従来、高架水槽、高炉、タンク等の既設の上部構造物は、液状化地盤に施工されている杭基礎上に基礎コンクリートが設けられ、その基礎コンクリート上に設置されている。
このような軟弱地盤からなる液状化地盤では、中大規模の地震時において、地盤の抵抗力が低減し、杭基礎が大きく変形して損傷するおそれがある。そのため、既設の杭基礎構造における耐震補強方法としては、例えば下記特許文献１に示されるように、タンクなどの構造物の下方に鋼矢板を円周状に液状化地盤に達するまで打設し、リング状の液状化防止工を形成し、リング状に囲われた内側の地盤を拘束して構造物直下の液状化を防止する液状化対策が一般的に知られている。

また、上部構造物と杭基礎とをＰＣケーブルやダンパ等の制震装置によって、基礎フーチングの振動を抑え、杭に作用する応力を軽減する方法についても、例えば特許文献２に記載されている。

特開２０００−１７０１４８号公報 特開平１０−７７６１８号公報

しかしながら、従来の既設杭基礎構造に対して行われる耐震補強方法では、以下のような問題があった。
すなわち、前述のような高架水槽やタンクといった上部構造物では、その基礎フーチング（基礎コンクリート）が地盤中に埋設された配管を介して他の設備と連結されている。
一方で、上述した特許文献１のような矢板工法によって上部構造物の直下の地盤を囲う液状化対策の場合、リング状に配置される鋼矢板の内側の液状化地盤の液状化を抑制し、杭基礎の変形を抑える効果はあるものの、基礎フーチング自体の変形を小さく抑えるものではない。そのため、基礎フーチングと周囲地盤との間での変形が大きくなり、地盤中に埋設され基礎フーチング内に接続されている配管が例えば接続部分で切断されたり、変形によって損傷するおそれがあり、その点で改善の余地があった。

しかも、矢板工法の場合には、施工時に高さのある打設機械が必要であり、施工スペースの制約を受ける。また、上部構造物の直下の地盤を全周にわたって鋼矢板で囲うため、施工範囲が広範囲であり、工期や施工費が増大するという問題があった。

また、特許文献２に示すように制震装置を用いて上部構造物と杭とを振動を減衰させる方法では、所定の減衰効果はあるものの、それぞれの固有周期が異なるので、十分な効果が得られないという課題がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、施工が容易で、杭基礎構造の変形を効果的に抑制することができ、基礎フーチングに連結される配管の損傷を防止することができる既設杭基礎構造に用いる制震構造、及び既設杭基礎構造の補強方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る既設杭基礎構造に用いる制震構造は、液状化層に杭基礎が設けられ、該杭基礎の上部に既設の上部構造物を支持する平面視円形の基礎フーチングが設けられ、前記基礎フーチング内に、地盤に埋設され前記上部構造物に接続される配管が連結されている既設杭基礎構造に用いる制震構造であって、前記基礎フーチングから前記液状化層の下層に位置する支持層に向けて複数の地中アンカーが設けられ、該地中アンカーは、一端が前記基礎フーチングに固定され、他端が前記支持層に定着されており、前記地中アンカーの上端の固定位置が前記円形の基礎フーチングの外周部に定着され、前記複数の地中アンカーは、周方向に間隔をあけて３方向以上の放射状となるように設けられていることを特徴としている。
また、本発明に係る既設杭基礎構造の補強方法は、液状化層に杭基礎が設けられ、該杭基礎の上部に既設の上部構造物を支持する平面視円形の基礎フーチングが設けられ、前記基礎フーチング内に、地盤に埋設され上部構造物に接続される配管が連結されている既設杭基礎構造の補強方法であって、前記基礎フーチングから前記液状化層の下層に位置する支持層に向けて複数の地中アンカーを設置し、該地中アンカーは、一端が前記基礎フーチングに固定され、他端が前記支持層に定着され、前記地中アンカーの上端の固定位置が前記円形の基礎フーチングの外周部に定着され、前記複数の地中アンカーは、周方向に間隔をあけて３方向以上の放射状となるように設けられていることを特徴としている。

本発明では、基礎フーチングが所定の張力が付与された複数の地中アンカーによって支持層に支持されているので、その地中アンカーの張力によって、地震時の変形に抵抗することができ、基礎フーチング及び上部構造物の地震時の変形を低減することが可能となる。そのため、上部構造物から杭基礎に伝わる加速度も小さくなるので、杭基礎の損傷を抑制することができる。
また、本発明では、基礎フーチングの変形が低減されるので、基礎フーチングと地盤とのずれを小さくすることができる。そのため、地盤と基礎フーチングを通じて配管が設置されている場合には、地盤と基礎フーチングとのずれによって配管に作用する力が抑えられるので、配管が損傷したり、切断したりすることを防ぐことができる。

また、本発明の制震構造では、陸上部分の杭基礎や基礎フーチングに対して地中アンカーを設置することが可能であり、地中に設けるような構成に比べて、施工が容易であり、かつ確実に地震時の変形を抑制することが可能である。
さらに、地中アンカーを基礎フーチングの外周部の任意の位置に設けることができるので、その設置方向に自由度があり、上部構造物の周囲設備の配置状態やスペースに応じて適宜な位置（方向）に地中アンカーを配置することができる。そのため、地中アンカーの施工時において、地上の設備を移設するといった作業を行う必要がない利点がある。

さらにまた、本発明では、３方向以上の地中アンカーが設けられているので、地震動に対して方向性のバランスが良く、地震時の変形に対して確実に抵抗することができる。

また、本発明に係る既設杭基礎構造に用いる制震構造は、前記地中アンカーには、制震ダンパが介在されていることが好ましい。

この場合には、地中アンカーに設けられる制震ダンパによって地震時の加速度を減衰させることができる。

本発明の既設杭基礎構造に用いる制震構造、及び既設杭基礎構造の補強方法によれば、施工が容易で、杭基礎構造の変形を効果的に抑制することができ、基礎フーチングに連結される配管の損傷を防止することができることができる。

本発明の実施の形態による既設杭基礎構造を示す側面図である。 基礎フーチングにおける地中アンカーの配置状態を示す平面図である。 地中アンカーの概略構成を示す側面図である。 （ａ）は実施例による二次元解析モデルを示す図、（ｂ）は上部構造物の解析モデルを示す図である。 実施例による解析結果であって、基礎位置最大変位を示す図である。 実施例による解析結果であって、杭モーメント最大値を示す図である。

以下、本発明の実施の形態による既設杭基礎構造に用いる制震構造、及び既設杭基礎構造の補強方法について、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施の形態の既設杭基礎構造に用いる制震構造は、例えば製鉄所等に設置されている既設の高架水槽１（上部構造物）を対象としている。高架水槽１は、地盤Ｇに打設された杭基礎２の上部に設けられる鉄筋コンクリート造の基礎フーチング３上に設置されている。
高架水槽１が設けられている地盤Ｇは、表層Ｇ０の下層に液状化層Ｇ１が設けられ、その下層に支持層Ｇ２を有する地盤となっている。杭基礎２は、鋼管杭などの適宜な杭種の、ものが採用され、複数本が支持層Ｇ２に達するまで打設されている。

高架水槽１は、平面視で略円形状に鉄骨組された略３０ｍの高さに立設された支持脚部１１と、その支持脚部１１の上部に設けられた水槽本体１２と、地盤Ｇに埋設され水槽本体１２と他の設備（図示省略）との間で連結される配管１３と、を備えている。水槽本体１２は、鉛直荷重が例えば１２００ｔｆとなる。
配管１３は、高架水槽１と他の設備とを地盤Ｇを介して連続される送水管であって、基礎フーチング３の側面（外周部３ａ）から内部を通過して、高架水槽１側に向けて立ち上がり支持脚部１１内に配管されて、水槽本体１２の下面に接続されている。

基礎フーチング３は、平面視で略円形をなし、表層部分に設けられ、すべての杭基礎２の杭頭と高架水槽１の支持脚部１１とを一体的に固定している。基礎フーチング３の面積は、複数配置されている杭基礎２よりも外側に広がる範囲にまで設けられている。

基礎フーチング３には、図２に示すように、その外周部３ａにおいて周方向に所定間隔をあけて略放射状に複数本（ここでは８本、８方向）の地中アンカー４、４、…が地盤Ｇ中に設けられている。杭基礎２、基礎フーチング３、及び地中アンカー４からなる杭基礎構造１０が構成されている。
地中アンカー４は、図３に示すように、一端（上端４ａ）が基礎フーチング３の外周部３ａに第２定着部４２によって定着され、その上端４ａから側面視で略斜め４５°下方に向かうにしたがい杭基礎２から外側に離れるように延び、所望の張力が付与された状態で下端４ｂが第１定着部４１によって支持層Ｇ２に定着されている。

地中アンカー４として、例えばより線７本の直径１２．７ｍｍのＰＣ鋼線を用いることができる。地中アンカー４の下端４ｂの第１定着部４１は、支持層Ｇ２において削孔穴に前記下端４ｂと共にセメント等の固化材を入れて固化させることで、支持層Ｇ２に定着されている。

また、各地中アンカー４には、図１に示すように、地中アンカー４に作用する地震エネルギーを吸収するためにオイルダンパ等の制震ダンパ５が介在されている。制震ダンパ５は、１本の地中アンカー４に設けられていれば良いのであって、位置、数量、性能は任意に設定することができる。

次に、上述した既設杭基礎構造に用いる制震構造の作用について、図面に基づいて説明する。
本実施の形態では、図１に示すように、基礎フーチング３が所定の張力が付与された複数の地中アンカー４によって支持層Ｇ２に支持されているので、その地中アンカー４の張力によって、地震時の変形に抵抗することができ、基礎フーチング３及び高架水槽１の地震時の変形を低減することが可能となる。そのため、杭基礎２の変形も小さくなるので、杭基礎２の損傷を抑制することができる。

また、本実施の形態では、基礎フーチング３の変形が低減されるので、基礎フーチング３と地盤Ｇとのずれを小さくすることができる。そのため、地盤Ｇと基礎フーチング３を通じて配管１３が設置されている場合には、地盤Ｇと基礎フーチング３との間（図１及び図２に示す符号Ｔ）のずれによって配管１３に作用する力が抑えられるので、配管１３が損傷したり、切断したりすることを防ぐことができる。

また、本実施の形態の制震構造では、陸上部分の杭基礎２や基礎フーチング３に対して地中アンカー４を設置することが可能であり、地中に設けるような構成に比べて、施工が容易であり、かつ確実に地震時の変形を抑制することが可能である。
さらに、地中アンカー４を基礎フーチング３の外周部３ａの任意の位置に設けることができるので、その設置方向に自由度があり、高架水槽１の周囲設備の配置状態やスペースに応じて適宜な位置（方向）に地中アンカー４を配置することができる。そのため、地中アンカー４の施工時において、地上の設備を移設するといった作業を行う必要がない利点がある。

また、本実施の形態では、３方向以上となる８方向に地中アンカー４が設けられているので、地震動に対して方向性のバランスが良く、地震時の変形に対して確実に抵抗することができる。

また、本実施の形態では、地中アンカー４に設けられる制震ダンパ５によって地震時の加速度を減衰させることができる。

上述のように本実施の形態による既設杭基礎構造に用いる制震構造では、施工が容易で、杭基礎構造の変形を効果的に抑制することができ、基礎フーチング３に連結される配管１３の損傷を防止することができることができる。

次に、上述した実施の形態による既設杭基礎構造に用いる制震構造の効果を裏付けるための実施例について以下説明する。

（実施例）
実施例は、上述した実施の形態の既設杭基礎構造に用いる制震構造の制震効果について、ＦＥＭ解析結果から明らかにしたものである。
すなわち、２次元動的解析により、地中アンカーによる杭基礎構造の制震効果を確認した。上部構造物である高架水槽に入力した地震動は、三浦半島での地震（ＥＷ波：東西方向の波、ＮＳ波：南北方向の波）、及び南海トラフによる地震とした。具体的には、ＥＷ波として２３５ｇａｌ、ＮＳ波として２８１ｇａｌ、南海トラフとして４１５ｇａｌの地震波を与えている。なお、地盤条件としては、ローム、砂質ローム、及び粘土質ロームからなる土質と対象とした。

図４（ａ）は、２次元解析モデルＰ１を示している。このうち高架水槽１からなる上部構造物の解析モデルＰ２は、図４（ｂ）に示すように、基礎フーチング３の上面から水槽本体１２の中心までの高さを３１．２ｍとし、地表面から水槽本体１２の中心までの高さを３５ｍ、基礎フーチング３の高さを３．８ｍとしている。水槽本体１２の荷重を１２００ｔｆ（１１，７６８ｋＮ）とし、基礎フーチング３の重量を７１５ｔｆ（７０１２ｋＮ）とした。

そして、図４（ａ）に示すように、２次元解析モデルＰ１では、地中アンカー４の配置および本数を静的な検討により設定する。静的解析モデルをなす２次元解析モデルＰ１は、杭群を１本の縮合した杭６０と、杭配置から設定される回転ばね６１に置き換え、簡単なモデルとする。杭の上下端は、ピン結合とした両端ピン構造とする。
なお、地中アンカー４の設定に際して、構造に作用する地震力を設定するために、１次元の地盤液状化解析（非液状化も含む）を実施し、その地表面での地震動より応答スペクトルを求め、高架水槽の固有周期に相当する応答加速度より静的地震力を設定する。図４（ａ）において、縮合した杭６０の紙面左側には、非液状化時の杭の水平ばね６２を示している。

この２次元解析モデルＰ１を用いて、地中アンカー４の本数を変えて計算を行い、地中アンカー４の許容耐力以下で基礎の許容変位以下の本数を求める。計算は、地盤が液状化した場合と液状化しなかった場合の２つのケースを行い、それぞれの地中アンカー４の必要本数を求めた。
適用する地中アンカー４は、ＰＣ鋼より線７本より線Ｂ種φ１２．７ｍｍ（ＳＷＰＲ７Ｂ）、断面積Ａｓが０９．７１ｍｍ^２、ヤング係数Ｅｓが２．０×１０^５Ｎ／ｍｍ^２、降伏荷重が１５６ｋＮ（０．２％永久ひずみ）、引張荷重が１８３ｋＮ（３．５％伸び）のものを使用した。なお、アンカーが設けられる液状化層として沖積層（地表面から１１ｍの深さまで）、支持層として洪積層を対象とした。基礎フーチングの定着部から支持層の定着部までのアンカーの長さＬは、斜め４５°の角度で配置され、かつ沖積層の地表面からの深さを１１ｍの条件において、１５．６ｍに設定した。また、アンカーのばね定数Ｋは、Ａｓ×Ｅｓ／Ｌの式より、１２６６ｋＮ／ｍとなる。
また、鋼管杭は、直径４０６．９ｍｍ、厚さ６．４ｍｍのものを使用した。

そして、本実施例では、上述した条件に基づいて、第１実施例、第１実施例よりも地中アンカー４の本数を１／２（ヤング係数を１／２）にした第２実施例、第１実施例の地中アンカー４に制震ダンパを設けた第３実施例、無対策の第１比較例、および矢板工法による従来の対策を示す第２比較例の５つにおいて、それぞれ液状化を考慮し、上述した三浦半島によるＥＷ波、ＮＳ波、及び南海トラフによる波の３パターンの地震動を与えて解析を行った。

表１及び図５に示す解析結果は、基礎フーチング３（基礎位置）における最大変位を示している。この結果、第１、第２、第３実施例は、いずれも第１比較例の無対策に比べて変位が大幅に小さくなっており、矢板工法による第２比較例と同等、あるいはやや小さくなっていることが確認できる。また、地中アンカー４の本数が多い第１実施例と、制震ダンパを設けた第３実施例は、地中アンカー４の本数が少ない第２実施例よりも変位が小さくなっている。
そして、第１実施例と第３実施例では、変位の差がほとんど無いが、南海トラフの波において、第３実施例が第１実施例よりも僅かに変位が小さくなっているので、制震ダンパによる減衰効果があることが確認できる。
このように、本実施例の条件においては、地中アンカー４を多くすることで基礎フーチング３の変位を小さくする効果があることがわかった。

表２及び図７に示す解析結果は、杭頭における杭モーメントの最大値を示している。この結果、三浦半島での地震のＥＷ波及びＮＳ波において、第１、第２、第３実施例は、いずれも第１比較例の無対策、及び矢板工法による第２比較例に比べて最大モーメントが小さくなっていることが確認できる。なお、南海トラフでの地震の波においては、第１、第２、第３実施例、及び第１、２比較例ともに、ほぼ同等となっている。また、第１、第２、第３実施例では、ＥＷ波、ＮＳ波、及び南海トラフの波による効果の差が明確ではないが、比較例に比べて杭モーメントを低下させることが可能といえる。

以上、本発明による既設杭基礎構造に用いる制震構造、及び既設杭基礎構造の補強方法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、地中アンカー４に制震ダンパ５を設ける構成としているが、これに限定されることはなく、制震ダンパ５を省略することも可能である。
また、地中アンカー４の構成、すなわち材質、本数、方向、角度、定着構造などの構成は、制震対象となる上部構造物の形状、重量、大きさ、あるいは、周辺施設の状態、地盤などの条件に応じて適宜に設定すればよい。
そして、地中アンカー４の上端４ａの固定位置として、基礎フーチング３の外周部３ａとしているが、外周部３ａを固定位置とすることに制限されるものではなく、他の位置でもよい。例えば、基礎フーチング３を厚さ方向に削孔し、地中アンカー４を挿通させた上端４ａを基礎フーチング３の上面で固定するといった固定構造としてもよい。

また、上部構造物として、本実施の形態では高架水槽１を対象としているが、これに限らず、例えば高炉やタンクなどの設備とすることが可能である。

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 高架水槽（上部構造物）
２ 杭基礎
３ 基礎フーチング
４ 地中アンカー
４ａ 上端
４ｂ 下端
５ 制震ダンパ
１２ 水槽本体
１３ 配管
４１ 第１定着部
４２ 第２定着部
Ｇ 地盤
Ｇ１ 液状化層
Ｇ２ 支持層

Claims (3)

1. 液状化層に杭基礎が設けられ、該杭基礎の上部に既設の上部構造物を支持する平面視円形の基礎フーチングが設けられ、前記基礎フーチング内に、地盤に埋設され前記上部構造物に接続される配管が連結されている既設杭基礎構造に用いる制震構造であって、
   前記基礎フーチングから前記液状化層の下層に位置する支持層に向けて複数の地中アンカーが設けられ、
   該地中アンカーは、一端が前記基礎フーチングに固定され、他端が前記支持層に定着されており、
   前記地中アンカーの上端の固定位置が前記円形の基礎フーチングの外周部に定着され、
   前記複数の地中アンカーは、周方向に間隔をあけて３方向以上の放射状となるように設けられていることを特徴とする既設杭基礎構造に用いる制震構造。
2. 前記地中アンカーには、制震ダンパが介在されていることを特徴とする請求項１に記載の既設杭基礎構造に用いる制震構造。
3. 液状化層に杭基礎が設けられ、該杭基礎の上部に既設の上部構造物を支持する平面視円形の基礎フーチングが設けられ、前記基礎フーチング内に、地盤に埋設され上部構造物に接続される配管が連結されている既設杭基礎構造の補強方法であって、
   前記基礎フーチングから前記液状化層の下層に位置する支持層に向けて複数の地中アンカーを設置し、
   該地中アンカーは、一端が前記基礎フーチングに固定され、他端が前記支持層に定着され、
   前記地中アンカーの上端の固定位置が前記円形の基礎フーチングの外周部に定着され、
   前記複数の地中アンカーは、周方向に間隔をあけて３方向以上の放射状となるように設けられていることを特徴とする既設杭基礎構造の補強方法。

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