JP6589634B2 - ソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、仮設山留め壁として機能するソイルセメント柱列壁を、仮設山留め壁の前面側に構築した構造物の本設杭として利用するための、ソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法に関する。

従来より、仮設山留め壁として機能するソイルセメント柱列壁を構造物の本設杭として利用する場合には、ソイルセメント柱列壁を構成する複数のソイルセメント柱各々を単杭とみなして、単杭の許容鉛直支持力を地盤から定まる許容鉛直支持力にて評価する方法が一般に知られている。ただし、この場合にはあらかじめ、地盤から定まる許容鉛直支持力が、杭材料の許容応力度より定まる許容鉛直支持力を超えないよう対処する必要が生じる。

このため、例えば、特許文献１では、セメント系固化材とＨ形鋼よりなり、建物の地下部を構築する際の土留壁としての機能を有する地中壁体を、建物の地中の外壁として使用するとともに支持杭として使用するべく、地中壁体を従来の土留壁と比較して強度的にはるかに優れた構造物に構築している。また、地中壁体の下端部を支持層内に埋設するとともに、Ｈ形鋼下端部にはセメント系固化材より強度の高いセメント系根固め材を打設している。

特許第３６２５７５０号公報

しかし、上記の地中壁体のように本設杭としての機能を確保するべく、従来の土留壁と比較して強度を向上させ、また、セメント系根固め材を打設することは、施工を煩雑にするだけでなく材料費が嵩むこととなり、合理的な方法とはいえない。

また、地中壁体の下端部にセメント系根固め材を打設する方法に替えて、Ｈ形鋼の先端に閉塞加工を施すことで鉛直支持力を確保することも考えられるが、このような場合には、セメント系固化材中にＨ形鋼を建て込む際の施工性が大幅に低下するといった課題が生じる。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、仮設土留め壁としての機能のみを考慮し構築したソイルセメント柱列壁であっても、本設杭として利用するべく許容鉛直支持力を評価することの可能な、ソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法を提供することである。

かかる目的を達成するため、本発明のソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法は、仮設山留め壁として機能するソイルセメント柱列壁を、前記仮設山留め壁を利用して地下部分を構築した構造物の本設杭として利用するための、ソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法であって、前記ソイルセメント柱列壁において、芯材が埋設された複数のソイルセメント柱各々を単杭とみなして、前記構造物の底盤下面高さを杭頭、前記芯材の先端部を杭先端部に設定し、地盤から定まる極限支持力と杭材料の許容応力度から定まる極限支持力の両者を算定したうえで、いずれか小さい方の値を前記単杭の極限支持力として選定し、該単杭の許容鉛直支持力を算定することを特徴とする。

本発明によれば、ソイルセメント柱列壁において、芯材が埋設された複数のソイルセメント柱各々を単杭とみなし、その極限支持力を地盤から定まる極限支持力と杭材料の許容応力度から定まる極限支持力の両者から選定する。これにより、本設杭として利用しようとするソイルセメント柱列壁は、杭材料の許容応力度より定まる許容鉛直支持力を地盤から定まる許容鉛直支持力が超えることのないよう、予め仕様を設定して構築したものではなくとも、構造物の荷重の一部を負担する本設杭として利用することが可能となる。

したがって、ソイルセメント柱列壁は、少なくとも仮設山留め壁として機能する仕様を確保していればいずれの構造を有するものであってもよく、実情に見合った設計に基づいて経済的に構築することが可能となる。

ソイルセメント柱列壁の概略を示す図である。 本発明のソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法のフロー図である。 ソイルセメント柱列壁を構成する芯材の平面図である。 本発明における杭材料の許容応力度から定まる極限支持力の算定に用いる定数ν_pおよびν_pstとソイルセメント設計強度との関係を示す図である。 ソイルセメント柱列壁の平面図である。 ソイルセメント柱列壁の本設杭として機能する部分の概略を示す図である。

本発明は、仮設山留め壁として構築したソイルセメント柱列壁が副次的に有する壁杭としての支持性能を、仮設山留め壁を利用して地下部分を構築した構造物の荷重の一部を支持する本設杭として利用するための、ソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法に関するものである。

以下に、本発明のソイルセメント柱列壁よりなる杭の設計方法を、図１〜図６を参照して説明する。なお、本実施の形態では、構造物４が地下部４１のみを有する場合を事例とするが、必ずしもこれに限定されるものではなく、地下部４１と地上部を有するものであってもよい。

図１で示すように、地下部４１を有する構造物４の外周には、地下部４１を構築する際に仮設山留め壁として使用したソイルセメント柱列壁１が配置されている。ソイルセメント柱列壁１は、図５で示すように、芯材２が挿入された複数のソイルセメント柱３を連続一体に構築したものであり、ソイルセメント柱３は、例えば、多軸オーガーにて原地盤を削孔し、その先端よりセメントスラリーを吐出して削孔撹拌を行うことにより構築され、芯材２はＨ形鋼よりなる。

本実施の形態では、ソイルセメント柱３の一軸圧縮強度として高さ方向に一様な０．５Ｎ／ｍｍ²程度を確保するとともに、スタッドは設置しない構成のものを採用しているが、仮設山留め壁として機能するものであって、かつ芯材２とソイルセメント柱３が支持層５に根入れされているものであれば、ソイルセメントの一軸圧縮強度や芯材に対するスタッドの設置の有無等、その構造はなんら制限されるものではない。

上述する構成のソイルセメント柱列壁１は、図１で示すように、構造物４の鉛直荷重が、芯材２から芯材２とソイルセメント柱３の接触面における付着力や支圧によりソイルセメント柱３に伝達され、ソイルセメント柱３から周面摩擦力および先端支持力により周辺地盤へ伝達される。したがって、ソイルセメント柱列壁１を本設の壁杭とみなして、構造物４の鉛直荷重の一部を負担させる設計とすれば、構造物４の基礎構造は、負担すべき構造物４の鉛直荷重が低減されるため、杭の本数を削減する、もしくは杭径を小さくする等、経済的な設計を行うことができる。

そこで本実施の形態では、仮設山留め壁として構築したソイルセメント柱列壁１が副次的に有する壁杭としての支持性能を評価するにあたり、ソイルセメント柱列壁１において、図５で示すように、芯材２が埋設された複数のソイルセメント柱３各々を単杭６とみなし、これら単杭６の許容鉛直支持力を評価することとした。

以下に、図２のフロー図に従いながら、ソイルセメント柱列壁１よりなる杭の評価方法の手順を示す。なお、ソイルセメント柱列壁１が壁杭として機能する高さ範囲は、図１で示すように、構造物４の底盤４２の下面から芯材２の先端部２１までであるから、単杭６の杭頭部を構造物４の底盤４２の下面に相当する高さに、杭先端部を芯材２の先端部２１に相当する高さにそれぞれ設定している。

〈杭材料の許容応力度から定まる極限支持力の算定：ＳＴＥＰ１〉
本実施の形態において、単杭６の杭材料は芯材３とソイルセメント柱２であり、杭材料の許容応力度から定まる極限支持力Ｒ_uc1は、極限付着力Ｒ_fucと極限先端支持力Ｒ_pucの和で表すことができる。そこでまず、極限付着力Ｒ_fuc の算定方法を以下に示す。

〈極限付着力Ｒ_fucの算定：ＳＴＥＰ１−１〉
極限付着力Ｒ_fucは（１）式で示すように、残留付着力度τ_bu*から算定した芯材２とソイルセメント柱３との間の極限付着力Ｒ’_fucと、残留付着力度τ_bu*とせん断強度τ_s*から算定した芯材２とソイルセメント柱３との間の極限付着力Ｒ”_fucのうち、いずれか小さい値を採用する。

芯材２とソイルセメント柱３との間の極限付着力Ｒ’_fucとＲ”_fucを算定するにあたっては、図６で示すように高さ範囲として、杭先端部より上方０．５ｍから杭頭部までの間の区間Ｌを設定するが、芯材２におけるスタッドの有無でその計算方法が異なる。芯材２の先端部近傍にスタッドがない場合、極限付着力Ｒ’_fuc、は（２）式にて、極限付着力Ｒ”_fucは（３）式にて算定される。
〈スタッドがない場合〉

一方、芯材２の先端部近傍にスタッドがある場合には、極限付着力Ｒ’_fucは（４）式にて、極限付着力Ｒ”_fucは（５）式にて算定される。なお、図３に示すように、本実施の形態では芯材２がＨ形鋼であるから、Ｂはフランジ幅、Ｈはウェブ幅（Ｈ形鋼のせい）をさす。
〈スタッドがある場合〉
このとき、

なお、残留付着力度τ_bu*は、極限付着力Ｒ_fucが地震等によりソイルセメント柱３が損傷を受けた後にも耐力を担保できる評価式となるよう定義したものであり、せん断強度τ_s*、およびスタッドの支圧強度τ_st*と同様に、ソイルセメント設計強度ｑ_ucに係数をかけて規定されるものである。また、それぞれの係数は、地盤条件や構造物４の条件等を鑑み、あらかじめ模型実験を行い適宜設定する。

〈極限先端支持力Ｒ_pucの算定：ＳＴＥＰ１−２〉
極限先端支持力Ｒ_pucは、本実施の形態において芯材２の実断面積Ａ_p*に、定数ν_pおよびν_pstと低減係数ｒ_uをかけあわせることで算定しており、芯材２の先端部近傍にスタッドがない場合には（６）式にて、またスタッドがある場合には、芯材２の実断面積Ａ_p*にスタッドの支圧面積を含めた上で、（７）式にて算定される。
〈スタッドがない場合〉
〈スタッドがある場合〉
このとき、

ここで、極限先端支持力Ｒ_pucを算定するにあたり、ソイルセメント設計強度ｑ_ucに応じた定数ν_pおよびν_pstを採用している。定数ν_pおよびν_pstは、実大載荷試験の結果に基づくものであり、芯材２先端への到達軸力とソイルセメント柱３の強度から、それらの荷重伝達機構を考慮して、これら定数を下限値として設定している。

なお、図４で示すように、ソイルセメント設計強度ｑ_ucと定数ν_pおよびν_pstはそれぞれ比例関係にあることから、定数ν_pおよびν_pstはソイルセメント設計強度ｑ_ucに応じて図４から適宜直線補完し設定すればよい。

〈杭材料の許容応力度から定まる極限支持力Ｒ_uc1：ＳＴＥＰ１−３〉
上記の算定結果である極限付着力Ｒ_fucと極限先端支持力Ｒ_pucとを足し合わせることにより、杭材料の許容応力度から定まる極限支持力Ｒ_uc1が（８）式のように算定できる。

上記のとおり、杭材料の許容応力度から定まる極限支持力Ｒ_uc1の算定では、芯材２の先端部近傍にスタッドが設けられているか否かにより算定方法が異なる点が、大きな特徴である。スタッドの有無が、極限付着力Ｒ_fucおよび極限先端支持力Ｒ_pucの両者に反映されているため、芯材２にスタッドがない場合であっても極限支持力Ｒ_uc1に対して実情に合った安全側の評価を行うことが可能となる。

〈地盤から定まる極限支持力の算定：ＳＴＥＰ２〉
地盤から定まる極限支持力Ｒ_uc2は、地盤から定まる極限先端支持力Ｒ_pusと地盤から定まる極限周面摩擦力Ｒ_fusの和で表すことができる。

〈極限周面摩擦力Ｒ_fusの算定：ＳＴＥＰ２−２〉
本実施の形態では、図６で示すように、極限周面摩擦力Ｒ_fusを算定する高さ範囲として、杭先端部より上方０．５ｍから杭頭部までの間の区間Ｌを設定し、地盤から定まる極限周面摩擦力Ｒ_fusを（１０）式より算定している。
このとき、

ここで、周長φは図５で示すように、平面視におけるソイルセメント柱２と地盤とが接する部分の長さである。また、極限周面摩擦力Ｒ_fusはソイルセメント柱２の周長を用いているが、極限先端支持力Ｒ_pusは、ソイルセメント柱２に破壊が生じる場合を想定し安全側に評価するべく、ソイルセメント柱２の断面積を用いず、芯材２の閉塞面積Ａ_pを採用している。

〈地盤から定まる極限支持力Ｒ_uc2：ＳＴＥＰ２−３〉
上記の算定結果である極限先端支持力Ｒ_pusと極限周面摩擦力Ｒ_fusとを足し合わせることで、地盤から定まる極限支持力Ｒ_uc2は（１１）式のように算定できる。

〈単杭６の極限支持力：ＳＴＥＰ３〉
ＳＴＥＰ１で算定した芯材２及びソイルセメント柱３の許容応力度から定まる極限支持力Ｒ_uc1と、ＳＴＥＰ２で算定した地盤から定まる極限支持力Ｒ_uc2とを比較し、単杭６の極限支持力Ｒ_ucをとして、（１２）式で示すようにいずれか値の小さい方を選定する。

（１２）式より得られた単杭６の極限支持力Ｒ_ucを、（１３）式で示すように、安全率で除することにより、単杭６の許容鉛直支持力Ｒ_acが算定される。
このとき、
R_ac：載荷試験を行なわない場合の許容鉛直支持力 (kN)
F_s：安全率（長期3、短期1.5）

上記の算定結果から、ソイルセメント柱列壁１を本設杭として利用する場合には、単杭６が上記の鉛直支持力Ｒ_acを有するものとして、ソイルセメント柱列壁１が壁杭として負担可能な構造物４の鉛直荷重を算定し、その分を差し引いて構造物４における基礎構造の設計を行えばよい。

上記の方法によれば、ソイルセメント柱列壁１を構成する、芯材２が埋設された複数のソイルセメント柱３各々を単杭６とみなし、単杭６の極限支持力に、杭材料の許容応力度から定まる極限支持力Ｒ_uc1と地盤から定まる極限支持力Ｒ_uc2のうち、値の小さい方を選定する。これにより、ソイルセメント柱列壁１は、従来のように、杭材料の許容応力度より定まる許容鉛直支持力を地盤から定まる許容鉛直支持力が超えないよう、予め仕様を設定して構築したものではなくても、地下部４１を有する構造物４について、荷重の一部を負担する本設杭として使用することが可能となる。

したがって、ソイルセメント柱列壁１を本設杭として利用するべく、地盤の強度に対応させてソイルセメント柱３の一軸圧縮強度を変更する、ソイルセメント柱３との一体性を高めるため芯材２にスタッドを設ける、芯材２の先端部に閉塞効果を高める部材を設ける等を実施する必要がないため、施工時における煩雑な作業を不要とし、また、経済的な負担も回避することが可能となる。

なお、本発明のソイルセメント柱列壁１よりなる杭の評価方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１ ソイルセメント柱列壁
２ 芯材
２１ 先端部
３ ソイルセメント柱
４ 構造物
４１ 地下部
４２ 底盤
５ 支持層
６ 単杭

Claims (1)

1. 仮設山留め壁として機能するソイルセメント柱列壁を、前記仮設山留め壁を利用して地下部分を構築した構造物の本設杭として利用するための、ソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法であって、
   前記ソイルセメント柱列壁において、芯材が埋設された複数のソイルセメント柱各々を単杭とみなして、前記構造物の底盤下面高さを杭頭、前記芯材の先端部を杭先端部に設定し、
   地盤から定まる極限支持力と杭材料の許容応力度から定まる極限支持力の両者を算定したうえで、いずれか小さい方の値を前記単杭の極限支持力として選定し、該単杭の許容鉛直支持力を算定することを特徴とするソイルセメント柱列壁よりなる杭の評価方法。