JP6746342B2 - 構造物の支持構造及び杭基礎構造物の補強方法 - Google Patents

Description

本発明は、杭基礎を有する構造物の支持構造と杭基礎構造物の支持杭を補強する方法とに関するものである。

従来、既設構造物を支持する支持杭を補強する方法として、構造物直下の地盤に、セメントミルク等の液状硬化材を注入・固化して補強壁体を形成し、この補強壁体により複数の支持杭を一体に連結させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１によれば、このような補強壁体を設ければ、構造物直下の地盤に砂質地盤等の軟弱地盤があった場合でも、地震等により支持杭に作用する側圧を分散させることができるので、支持杭の座屈や折損を防止することができる。

特開平１０−２５７３４号公報

しかしながら、上記従来の方法では、地盤そのものは改良されてはいるものの、硬化材の支持杭への付着力が弱いため、支持杭と補強壁体とが必ずしも一体になっているとはいえず、その結果、地震等による構造物や支持杭の変形を確実に抑制することが困難であるといった問題点があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、構造物を支持する支持杭と地盤に注入・固化された硬化剤とを強固に連結することのできる構造物の支持構造及び杭基礎構造物の補強方法とを提供することを目的とする。

本発明は、構造物の支持構造であって、前記構造物直下の地盤に埋設されて前記構造物を支持する複数本の支持杭と、前記地盤の、前記構造物の基礎の下面から鉛直方向に深さがＨだけ深い位置から、深さがＨ＋ｈだけ深い位置までの範囲に設けられて、前記支持杭を支持する地中構造体とを備え、前記地中構造体が、前記地盤に注入されて固化された地盤改良材から成り、前記支持杭は、前記地中構造体と接する部分に凹凸部が形成されており、前記凹凸部が形成されている部分の前記支持杭に沿った長さが前記ｈであることを特徴とする。
これにより、地盤改良材を支持杭に強固に付着させることができるので、複数の支持杭と地中構造体とを確実に一体化できる。したがって、地震等による支持杭の変形を確実に防止することができる。
また、複数の杭と地中構造体とが一体となっているので、支持杭が打ち込まれた硬い地盤（支持層）と構造物との間の地盤（中間層）に構造物の荷重を伝達することができる。その結果、杭先端の軸力負担が軽減でき、構造物全体の支持力も向上する。
また、支持杭として、当該杭の表面から突出する突起部を備えた凹凸部が形成された支持杭を用いれば、地盤改良材を支持杭に一層強固に付着させることができる。

また、本発明は、構造物直下の地盤に埋設されて前記構造物を支持する複数の支持杭を備えた杭基礎構造物の補強方法であって、前記支持杭の表面の、前記構造物の基礎の下面から鉛直方向に深さがＨだけ深い位置から、深さがＨ＋ｈだけ深い位置までの範囲に凹凸部を形成するステップと、前記地盤の前記支持杭の凹凸部が形成された箇所の周囲に地盤改良材を注入・固化して地中構造体を構築するステップとを備え、前記地中構造体を構築するステップでは、前記固化された地盤改良材が前記複数の支持杭同士を連結するように、前記地盤改良材を注入することを特徴とする。
これにより、既成の杭基礎構造物の支持杭と一体化される地中構造体を構築することができるので、地震等による支持杭の変形を確実に防止することができるとともに、杭基礎構造物全体の支持力を向上させることができる。

また、前記複数の支持杭の表面を目荒らしして前記凹凸部を形成すれば、支持杭の表面に容易に凹凸部を形成できる。
あるいは、前記複数の支持杭の表面を切り欠いて前記凹凸部を形成してもよい。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

本発明の実施の形態に係わる杭基礎建物を示す図である。 地中構造体の作用を説明するための図である。 杭基礎構造物の補強方法を示す図である。 凹凸部の形成方法を示す図である。 地中構造体の形成方法を示す図である。 地中構造体の他の例を示す図である。 支持杭補強部と連結された地中構造体を示す図である。 下部地中構造体を備えた杭基礎建物を示す図である。 地中構造体の形成方法の他の例を示す図である。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係わる杭基礎建物１０を示す図で、１は構造物としての建物、２は建物１を下部から支持する支持杭、３は支持杭２の先端が打ち込まれた硬い地盤（以下、支持層という）、４は支持層３と建物１との間の地盤（以下、中間層という）、５は中間層４に注入・固化された地盤改良材から成る地中構造体で、建物１と支持杭２とで杭基礎建物１０を構成する。
なお、杭基礎建物１０としては新設のものであってもよいし、既設の支持杭２を地中構造体５で補強したものであってもよい。
図１（ｂ）に示すように、支持杭２の地中構造体５と接する部分には凹凸部６が形成されている。凹凸部６は、支持杭２の表面に、例えば、ウォータージェットなどの高速の流体を噴射するなどして支持杭２の表面を目荒らしして形成される。
なお、支持杭２としては、図１（ｃ）に示すような、支持杭２の表面を切り欠いて形成した凹部７ａを有する凹凸部７や、図１（ｄ）に示すような、支持杭２の表面から突出する突起部８ａを備えた凹凸部８が形成された支持杭を用いてもよい。
凹部７ａは、例えば、ウォータージェットを支持杭の所定の箇所に集中的に噴射するなどして形成すればよい。
また、突起部８ａは、例えば、支持杭２を作製する際に、コンクリートを増し打ちすることで、形成することができる。

中間層４に注入される地盤改良材としては、例えば、セメントミルク等の液状硬化材が用いられる。このような、液状硬化材を中間層４に注入して固化させることで、中間層４の土砂の一部はコンクリートに置換されて、地中構造体５を構成する。
本例では、地中構造体５を、平面形状が建物１の平面形状と相似形で、かつ、建物平面を包含するように形成した。
本例の支持杭２は、地中構造体５と接する部分に凹凸部６が形成されているので、液状の硬化材が凹凸部６の凹部に入り込んで固化するとともに、凹凸部６の凸部が硬化材中に入り込んだ状態で固化するので、地中構造体５の厚さが同じならば、固化後の硬化材と支持杭２との接触面積が、凹凸部６がない場合に比較して著しく増大する。したがって、地中構造体５を支持杭２に強固に付着させることができるので、複数の支持杭２と地中構造体５とを確実に一体化することができる。

このように、本発明では、複数の支持杭２と地中構造体５とが強固に連結されるので、図２（ａ）の垂直方向の矢印で示す、支持杭２に伝達される建物１の荷重（鉛直荷重）を地中構造体５直下（引き抜きの場合は直上）の中間層４へと伝達される。この地中構造体５から中間層４へ伝達される力は、同図の斜め下方を向く矢印で示すように、中間層４へ分散されるので、支持層３に打ち込まれた支持杭２の先端部及び杭軸部に伝達される力が減少する。その結果、支持杭２の先端部及び杭軸部の軸力負担が軽減されるので、支持杭２による建物１の支持力を向上させることができる。
また、支持力が向上すると、支持杭２の沈下や抜き上がりや、それに伴う建物１の沈下や浮き上がりを抑制することができる。
例えば、地震等により建物１が水平力を受けた場合には、図２（ｂ）に示すように、建物１の一方の側面１ａ側の支持杭２ａには引き抜き力が作用し、他方の側面１ｂ側の支持杭２ｂには押し込み力が作用する。しかしながら、本例の杭基礎建物１０の支持杭２は、地中構造体５と強固に連結されているので、支持杭２ａの抜き上がりや支持杭２ｂの沈下を抑制することができる。その結果、建物１の変形についても最小限に抑えることができる。

次に、既設の杭基礎構造物１０の補強方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、各支持杭２に、図１（ｂ）に示した凹凸部６を形成する。なお、符号２０は、後述する立坑である。
凹凸部６は、地中構造体５の構築位置である、建物１の基礎の下面から鉛直方向に深さがＨだけ深い位置から深さがＨ＋ｈだけ深い位置までの範囲に設けられる。なお、ｈは凹凸部６の支持杭２に沿った長さである。
具体的には、図４（ａ）に示すように、建物１の側面側に所定の深さの立坑２０を掘削した後、立坑２０の近くに、水槽１１ａと高圧ポンプ１１ｂとを備えた高圧水供給装置１１を設置するとともに、高圧水供給装置１１に接続され、導入管１２内に搭載されたウォータージェット装置１３を立坑２０から支持杭２に向かって挿入する。
本例では、図４（ｂ）に示すように、挿入方向と挿入方向とは直角方向にそれぞれ噴出孔１３ａ〜１３ｃを有するヘッド１３Ｋを有するウォータージェット装置１３を用いる。
ウォータージェット装置１３の挿入時には、挿入方向の噴出孔１３ａから、高圧水を地盤（中間層４）内に噴出させながら、ウォータージェット装置１３を支持杭２に向かって推進させる。そして、ヘッド１３Ｋが立坑２０から一番遠い支持杭２の一方の側面２ｐに対向する位置まで到達した段階で、噴出孔１３ａを閉じ、支持杭２側の噴出孔１３ｂから支持杭２の表面に高圧水を噴射して側面２ｐの表面を目荒らしする。その後、ウォータージェット装置１３を立坑２０側に戻しながら、ヘッド１３Ｋが次の支持杭２（立坑２０側の支持杭２）の側面２ｐに対向する位置に達する毎に支持杭２の一方の側面２ｐの表面に高圧水を噴射して支持杭２の表面を目荒らしする。
次に、ウォータージェット装置１３を、支持杭２の他方の側面２ｑに対向する位置まで挿入し、上記と同様の動作にて、支持杭２の他方の側面２ｑの表面に高圧水を噴射することで、支持杭２に凹凸部６を形成する。なお、この場合に使用する噴射孔は、支持杭２側の噴出孔である噴出孔１３ｃとなる。
なお、図１（ｃ）に示した凹凸部７を形成する場合には、ウォータージェットを支持杭２の所定の箇所に集中的に噴射するなどして形成すればよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、各支持杭２の凹凸部６が形成された箇所に地中構造体５を構築する。
本例では、噴射攪拌式深層混合処理工法を用いて地中構造体５を構築した。
具体的には、図５（ａ），（ｂ）に示すように、立坑２０から支持杭２に向かってガイド管１４を挿入した後、このガイド管１４内に硬化材噴射装置１５の回転ヘッド１５Ｋを挿入し、噴射ヘッド１５Ｋを回転させながら噴出孔１５ｐから、圧縮空気を伴った超高圧硬化材５Ｌを地盤（中間層４）内に噴出させる。そして、硬化材噴射装置１５を立坑２０側に戻しながら、上記の操作を行うことで、円柱状の地中構造体５を構築する。
そして、この操作を繰り返すことで、図３（ｂ）に示すような、円柱の集合である地中構造体５を構築する。
なお、圧縮空気はエアコンプレサ１６から、硬化材は硬化材供給槽１７ａとポンプ１７ｂとを備えた硬化材供給装置から、高圧水は水槽１８ａとポンプ１８ｂとを備えた高圧水供給装置１８から、それぞれ、硬化材噴射装置１５に送られ、圧縮空気を伴った液状の超高圧硬化材として、噴射ヘッド１５Ｋの噴出孔１５ｐから地盤内に噴射される。
また、ガイド管１４は、例えば、ガイド管１４内にオーガスクリューを内装し、オーガスクリューにより地盤（中間層４）を削孔しながらガイド管１４を地盤内に挿入する。オーガスクリューはガイド管１４の挿入後に回収される。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

例えば、前記実施形態では、杭基礎構造物を杭基礎建物１０としたが、これに限るものではなく、高速道路の脚台や道路橋などの他の杭基礎構造物にも適用可能である。
また、前記実施形態では、地中構造体５を建物１が構築される地面に平行な平板状としたが、図６に示すように、支持層３と中間層４との間に傾斜している地層（以下、傾斜層９という）がある場合には、地中構造体５を傾斜層９に沿って設けてもよい。
また、同図に示すように、地中構造体５は、深さ方向に複数設けてもよい。
あるいは、図７に示すように、支持杭２の周囲を補強し、この補強した部分５Ｔと地中構造体５とを連結する構成とすれば、杭基礎構造物１０全体の支持力を更に向上させることができる。
また、前記実施形態では、地中構造体５の平面形状を建物１の平面形状と相似形としたが、これに限るものではなく、長方形や円形など他の形態であってもよい。また、地中構造体５は、建物平面を包含するような平面形状に形成する必要はなく、支持杭２と連結して、建物１の支持力を高める形態であればよい。
ところで、地中構造体５は、上記のように、支持杭２に伝達される建物１の荷重（鉛直荷重）を中間層４へ分散させて、支持杭２の先端部及び杭軸部に伝達される力を減少させることで、支持杭２による建物１の支持力を向上させるものであるので、地中構造体５と全ての支持杭２とを連結する必要はない。
つまり、地中構造体５は、各支持杭２、もしくは、複数の支持杭２に連結していれば、その地中構造体５と、他の支持杭２に連結している地中構造体５と連結していなくても、各支持杭２に伝達される建物１の荷重は、地中構造体５を介して、中間層４へ分散されるので、支持杭２による建物１の支持力は向上する。

また、前記実施形態では、既設の杭基礎建物１０の支持杭２を地中構造体５で補強する方法について説明したが、新たに杭基礎建物１０を構築する場合には、地盤に打ち込む支持杭２として、図１（ｂ），（ｃ）に示した凹凸部６や凹凸部７、あるいは、図１（ｄ）に示した凹凸部８が予め形成された支持杭２を用いればよい。
この場合には、凹凸部６や凹凸部７は、必ずしもウォータージェットを用いて形成する必要はなく、斫り機やカッターなどを用いて加工してもよい。なお、凹凸部８は、上記したように、コンクリートを増し打ちすることで形成することが好ましい。
なお、地中構造体５の構築と建物１の構築とは、どちらが先であってもよいし、並行して行ってもよい。
また、図８に示すように、支持層３が深く支持杭２を打ち込むのが困難な場合には、支持杭２の先端部に、凹凸部８と同構成の下部凹凸部（図示せず）を形成するとともに、支持杭２の中間部と連結する地中構造体５に加えて、支持杭２の先端部同士を連結する地中構造体５Ｇを設ける構成としてもよい。
この場合も、支持杭２の先端から地中構造体５Ｇに建物１の荷重が伝達されるので、荷重を効果的に分散させことができ、建物１の支持力を向上させることができる。

また、前記実施形態では、建物１の側面側に立坑２０を掘削し、この立坑２０からウォータージェット装置１３を支持杭２に向かって挿入したが、図９（ａ）に示すように、建物１の支持杭２が位置している近傍の床下から鉛直方向に、ウォータージェット装置１３を装着した導入管１２を地盤（中間層４）内に挿入して、支持杭２の表面を目荒らして凹凸部６を形成してもよい。
また、地中構造体５を構築する際には、例えば、図９（ｂ）に示すように、建物１の床下から、ガイド管１４を地盤（中間層４）内の所定の深さ（支持杭２の凹凸部６の建物１とは反対側の端部の位置）まで挿入した後、このガイド管１４に硬化材噴射装置１５を挿入し、ガイド管１４と硬化材噴射装置１５とを建物１側に戻しながら、圧縮空気を伴った超高圧硬化材５Ｌを地盤（中間層４）内に噴出させて、軸方向が鉛直方向である円柱状の地中構造体５を構築する。そして、このような操作を繰り返すことで、円柱の集合である地中構造体５を構築する。

１ 建物、２ 支持杭、３ 支持層、４ 中間層、５ 地中構造体、
６ 凹凸部、１０ 杭基礎建物。

Claims (5)

1. 構造物の支持構造であって、
   前記構造物直下の地盤に埋設されて前記構造物を支持する複数本の支持杭と、
   前記地盤の、前記構造物の基礎の下面から鉛直方向に深さがＨだけ深い位置から、深さがＨ＋ｈだけ深い位置までの範囲に設けられて、前記支持杭を支持する地中構造体とを備え、
   前記地中構造体が、前記地盤に注入されて固化された地盤改良材から成り、
   前記支持杭は、地中構造体と接する部分に凹凸部が形成されており、
   前記凹凸部が形成されている部分の前記支持杭に沿った長さが前記ｈであることを特徴とする構造物の支持構造。
2. 前記凹凸部は、当該支持杭の表面から突出する突起部を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造物の支持構造。
3. 構造物直下の地盤に埋設されて前記構造物を支持する複数の支持杭を備えた杭基礎構造物の補強方法であって、
   前記支持杭の表面の、前記構造物の基礎の下面から鉛直方向に深さがＨだけ深い位置から、深さがＨ＋ｈだけ深い位置までの範囲に凹凸部を形成するステップと、
   前記地盤の前記支持杭の凹凸部が形成された箇所の周囲に地盤改良材を注入・固化して地中構造体を構築するステップとを備え、
   前記地中構造体を構築するステップでは、
   前記固化された地盤改良材が前記複数の支持杭同士を連結するように、前記地盤改良材を注入することを特徴とする杭基礎構造物の補強方法。
4. 前記複数の支持杭の表面を目荒らしして前記凹凸部を形成したことを特徴とする請求項３に記載の杭基礎構造物の補強方法。
5. 前記複数の支持杭の表面を切り欠いて前記凹凸部を形成したことを特徴とする請求項３に記載の杭基礎構造物の補強方法。