JP6872993B2 - 杭基礎構造 - Google Patents

Description

本発明は、杭基礎構造に関する。

道路や鉄道などの構造物に供される高架橋の橋脚として、複数の柱を有する多柱式橋脚等と呼ばれる構造が知られている。その一例として、複数の鋼管などを柱とし、これらの柱を水平の部材ないし斜めの部材にて相互に連結し、立体構造とした多柱式橋脚が挙げられる。一般的に、橋脚は、基礎によって地盤に支持される。地盤が堅固な場合には、フーチングと呼ばれる直接地盤に接する鉄筋コンクリート版が用いられることもある。しかし、たとえば地盤が軟弱な場合には、杭基礎が採用されることも多い。

杭基礎構造に用いられる杭として、鋼管杭またはＰＨＣ（Pretensioned Spun High-strength Concrete；プレテンション方式遠心力高強度プレストレストコンクリート）杭等が挙げられる。たとえば、特許文献１には、多柱式橋脚において鋼管柱と鋼管杭とが上下方向に接続され、フーチングが省略された構造が記載されている。この構造では、多柱式橋脚の１本の鋼管柱に対して、１本の鋼管杭を接続し、フーチングを介さずに上部構造や橋脚からの荷重を杭基礎に直接的に伝達する構造（１柱１杭形式の構造）が採用されている。

特開２００８−３０３５９８号公報

上記した非特許文献１に記載の杭基礎構造では、地震時の液状化に伴って発生する流動力が考慮されており、流動力に対する抵抗性能が検討されている。液状化時の流動力に対して杭の変位を抑えるため、たとえば杭を太くすることも考えられる。しかし、杭を太くすることは、杭に求められる本来の機能（橋脚等の構造物の支持機能）を超えることとなってしまうため、そのような杭基礎構造は合理的とは言えない。

本発明は、液状化時の流動力に対して杭の変位を抑えるための機能が、杭による構造物の支持機能とは別に備わった杭基礎構造を提供することを目的とする。

本発明は、地震時に流動し得る液状化層を含んだ地盤に設けられ、地上の構造物を支持するための杭基礎構造であって、地盤に設けられて下端が支持層に達すると共に、杭頭部に構造物が結合された複数の杭と、支持層よりも上において、複数の杭を取り囲むように地盤内に設けられた拘束体と、拘束体に上端部が定着されると共に、支持層に下端部が定着された連結体と、を備え、拘束体は、液状化時に液状化層に対して沈むことなく浮上する見かけ比重を有しており、連結体は、支持層に定着された下端部である定着部材と、拘束体に定着された上端部である第１端と定着部材に連結された第２端とを含む鋼材と、を含むグラウンドアンカーを有することを特徴とする。

この杭基礎構造によれば、複数の杭を取り囲むように設けられた拘束体と、この拘束体を支持層に対して連結する連結体とが備わっているので、液状化時に流動力が作用した場合でも、杭の変位は拘束体によって拘束されることとなり、杭の変位が抑えられる。拘束体および連結体は、杭の構造物支持機能とは別に設けられている。すなわち、液状化時の流動力に対して杭の変位を抑えるための機能が、杭による構造物の支持機能とは別に備わっている。このように、機能分離型の杭基礎構造によれば、液状化時の流動力対策のために杭を太くする必要はなく、合理的である。連結体がグラウンドアンカーを有すると、グラウンドアンカーによって、液状化時の引張力（引抜力）に抵抗することができる。

拘束体は、複数の杭の全体を取り囲む枠状をなしてもよい。この場合、液状化時に複数の杭が移動した場合でも、枠状の拘束体によって、これらの杭の変位が抑えられる。また、枠状の拘束体は、杭の打設後であっても杭の打設前であっても構築され得る。このように、枠状の拘束体によれば、構築手順の自由度が高められており、あらゆる杭基礎を対象とすることができる。

複数の杭には、複数の杭同士を連結する連結部材が設けられてもよい。この場合、杭同士は、連結部材によって連結されており、液状化時には一体となって移動し得る。そして、枠状の拘束体によって、杭の変位が抑えられる。

拘束体は、複数の杭のそれぞれが挿通される複数の孔を含む平板状をなしてもよい。この場合、各杭が拘束体によって取り囲まれることになるので、拘束体によって、各杭の変位が抑えられる。杭同士を連結する連結部材を省略することができる。

拘束体は、中空の構造を有してもよい。
拘束体の見かけ比重は、液状化時における液状化層の見かけ比重より小さくてもよい。

地盤は、地震時の液状化に伴う側方流動における流動方向を有しており、連結体は、拘束体の流動方向の下流側の部分に設けられて当該下流側の部分を支持する少なくとも１つの杭体を有してもよい。流動方向の下流側に杭体が設けられると、この杭体によって、液状化時の圧縮力（押込力）に抵抗することができる。

本発明によれば、液状化時の流動力に対して杭の変位を抑えるための機能が、杭による構造物の支持機能とは別に備わっており、液状化時の流動力対策のために杭を太くする必要がない。

本発明の第１実施形態に係る杭基礎構造を示す図である。 図１の杭基礎構造の平面断面図である。 本発明の第２実施形態に係る杭基礎構造を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る杭基礎構造を示す図である。 図４の杭基礎構造の平面断面図である。 拘束体の変形例を示す平面図である。 本発明の変形例に係る杭基礎構造を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、第１実施形態に係る杭基礎構造１０について説明する。図１に示されるように、杭基礎構造１０は、比較的軟弱な地盤Ｘに設けられて、地上の構造物である橋脚１を支持するためのものである。橋脚１は、たとえば道路や鉄道等の地上の構造物に供される高架橋を支える。橋脚１は、たとえば、複数の鋼管柱２を有する鋼管集成橋脚（または多柱式橋脚）である。複数の（たとえば４本の）円筒状の鋼管柱２は、地盤Ｘ上において、互いに平行に立設されている。複数の鋼管柱２は、橋軸方向および橋軸直角方向に並ぶように配列されている。なお、複数の鋼管柱２の本数や配列は、この態様に限られない。

隣り合う２本の鋼管柱２は、水平方向に延びる横つなぎ材３によって連結されている。横つなぎ材３は、鋼板からなり、２本の鋼管柱２に対して、たとえば溶接等によって接合されている。横つなぎ材３は、水平方向に対して斜めに設けられてもよい。横つなぎ材３が省略されてもよい。橋脚１の上端部は、上部構造に接続される。橋脚１の下端部すなわち鋼管柱２の下端部２ａには、杭基礎構造１０が接続されている。なお、杭基礎構造１０が支持する構造物は、橋脚１に限られない。杭基礎構造１０が支持する構造物は、たとえば建物等であってもよい。

杭基礎構造１０は、複数の（たとえば４本の）杭１１を有しており、これらの杭１１が地盤Ｘの支持層Ｘｂまで到達するように設けられている。地盤Ｘ内に設けられた複数の杭１１は、水平方向に離間しており、それらの軸線が互いに平行となるように設けられている。橋脚１および杭基礎構造１０において、鋼管柱２の軸線および杭１１の軸線が、いずれも鉛直方向に延びてもよい。杭１１は、たとえば鋼管杭である。杭１１として、通常の鋼管杭よりもより剛性の高い鋼管ソイルセメント杭が用いられてもよい。鋼管ソイルセメント杭を用いることにより、杭１１の本数を最小化することができる。杭１１は、ＰＨＣ杭等であってもよい。

各杭１１は、各鋼管柱２の下端部が結合された杭頭部１１ａを含む上部１１ｄと、地盤Ｘの支持層Ｘｂに達する下端１１ｂとを有する。各杭頭部１１ａに対して各鋼管柱２の下端部２ａが結合されており、これによって、鋼管柱２に杭基礎構造１０が接続されている。橋脚１および杭基礎構造１０は、いわゆる１柱１杭形式の構造とされている。杭１１の上部１１ｄは、杭１１の全長のうち、たとえば中間部より上の部分である。たとえば、地盤Ｘは、橋脚１に近い上部において、地震時に流動し得る液状化層Ｘｄを含んでいる。この液状化層Ｘｄは、杭１１の上部１１ｄに対応する領域に形成されてもよいし、上部１１ｄと部分的に重複する領域に形成されてもよい。液状化層Ｘｄは、杭１１の上部１１ｄよりも下に形成されてもよい。

杭基礎構造１０では、隣接する杭１１の間には、水平に延びる連結部材１２が設けられている。複数の杭１１の杭頭部１１ａ同士が、複数の連結部材１２によって連結されている。連結部材１２は、杭１１の上部１１ｄで且つ杭頭部１１ａよりも下に設けられてもよい。連結部材１２は、たとえば鋼材からなる。連結部材１２は、たとえば地中梁として機能する。複数の杭１１同士を連結する連結部材１２によって、複数の杭１１の杭頭部１１ａ（上部１１ｄ）が一体化されている。連結部材１２の形状は、水平に延びる形状に限られない。連結部材１２は、斜めに延びるブレース形状でもよい。このように、複数の杭１１の杭頭部１１ａが連結部材１２によって連結された構造は、フーチングが省略された杭基礎構造である。

杭基礎構造１０は、複数の杭１１の上部１１ｄを取り囲むように地盤Ｘ内に設けられた拘束体２０と、拘束体２０と支持層Ｘｂとを連結する連結体４０とを備える。これらの拘束体２０および連結体４０を備えることにより、杭基礎構造１０は、地震時に液状化現象が発生した際に、複数の杭１１の変動を所定範囲以内に抑えることを可能にしている。

拘束体２０は、支持層Ｘｂよりも上に設けられている。拘束体２０は、地盤Ｘの液状化層Ｘｄ内に位置してもよいし、液状化層Ｘｄと重なるように位置してもよいし、液状化層Ｘｄより上に位置してもよい。拘束体２０の位置（すなわち深度）は、杭１１の曲げモーメント分布を考慮して設定され得る。すなわち、拘束体２０は、杭１１の曲げモーメントの最大値が小さくなるような位置に設けられる。拘束体２０は、杭頭部１１ａを取り囲むように設けられてもよい。

拘束体２０の構成についてより詳細に説明すると、図１および図２に示されるように、拘束体２０は、平面視において複数の杭１１の全体を取り囲む枠状をなしている。拘束体２０は、矩形の枠状をなしている。言い換えれば、拘束体２０は、平面視においてロの字状をなしている。拘束体２０は、複数の杭１１に対面する内周面２１を含み、拘束体２０の内周側に、複数の杭１１が配置される。たとえば、４本の杭１１の外側に配置された拘束体２０の内周面２１と、各杭１１との間には、隙間（遊間）が形成されている。

拘束体２０は、矩形断面を有する中空のコンクリートからなってもよい。拘束体２０は、地盤Ｘ内において、液状化時に浮上する程度の軽い構造体になっている。拘束体２０は、液状化時の地盤Ｘ（液状化層Ｘｄ）に対して比較的小さい比重を有しており、液状化時に、沈むことなく浮上し得るように構成されている。なお、拘束体２０は、地震が発生しない通常時には、地盤Ｘ内に埋設されて静止している。拘束体２０は、鋼製あるいはコンクリート製の中空の箱であって、見かけの比重が液状化層Ｘｄの比重よりもなるべく小さくするのが好適である。

拘束体２０と杭１１との間の隙間は、杭１１の変形性能に合わせて設定され得る。たとえば、隙間は、杭１１における許容変位よりも大きく設定される。なお、拘束体２０と杭１１との間に、ゴムやスポンジ等の緩衝材等を挟み込んでもよい。

連結体４０は、拘束体２０と支持層Ｘｂとを連結する４つのグラウンドアンカー３０を有している。各グラウンドアンカー３０は、上端部である第１端３１ａが拘束体２０に定着された鋼材３１と、鋼材３１の第２端３１ｂに連結された下端部である定着部材３２と、を含む。定着部材３２は、支持層Ｘｂに定着されている。

鋼材３１は、たとえば、ＰＣ鋼（ピアノ線）からなるより線である。各鋼材３１の第１端３１ａは、たとえば、拘束体２０の四隅の位置に定着されている。鋼材３１は、拘束体２０から支持層Ｘｂに向けて、放射状に広がるように（四角錐の斜辺をなすように）設けられている。拘束体２０に対する鋼材３１の定着形態として、公知のくさび定着が用いられてもよい。定着部材３２に対する鋼材３１の連結形態として、公知のくさび定着が用いられてもよい。また、定着部材３２は、支持層Ｘｂに対して公知の打設方法を用いて定着されてもよい。鋼材３１および定着部材３２からなるグラウンドアンカー３０は、所定の引張力（引抜力）に耐え得るように構成されている。

続いて、杭基礎構造１０の構築方法（施工方法）について説明する。まず、地盤Ｘ内の所定の位置に、拘束体２０を設置する。次に、複数の杭１１を所定の配置で打設し、支持層Ｘｂに到達させる。杭１１の打設には、中堀工法、埋込工法、打撃工法、圧入工法、およびこれらの工法の併用など、各種の工法が適用され得る。このとき、予め設置した拘束体２０をガイドとして、杭１１を打設してもよい。杭１１の打設前に、杭１１同士を連結部材１２によって連結してもよいし、杭１１の打設後に連結部材１２を取り付けてもよい。さらに、杭基礎構造１０（本実施形態では各杭１１）に対して、鋼管柱２を結合し、橋脚１を構築する。杭基礎構造１０の構築方法では、杭１１を打設後に拘束体２０を構築してもよいし、杭１１より先に拘束体２０を構築してもよい。このように構築手順を自由に選べることにより、本実施形態の杭基礎構造１０は、たとえば、既設の杭基礎に対する耐震補強としても適用可能になっている。

本実施形態の杭基礎構造１０によれば、複数の杭１１を取り囲むように設けられた拘束体２０と、この拘束体２０を支持層Ｘｂに対して連結する連結体４０とが備わっているので、液状化時に流動力が作用した場合でも（図１に示される流動方向Ｄ参照）、杭１１の変位は拘束体２０によって拘束されることとなり、杭１１の変位が抑えられる。拘束体２０および連結体４０は、杭１１の構造物支持機能とは別に設けられている。すなわち、液状化時の流動力に対して杭１１の変位を抑えるための機能が、杭１１による橋脚１の支持機能とは別に備わっている。このように、機能分離型の杭基礎構造１０によれば、液状化時の流動力対策のために杭１１を太くする必要はなく、合理的である。

杭基礎構造１０によれば、液状化時に複数の杭１１が移動した場合でも、枠状の拘束体２０によって、これらの杭１１の変位が抑えられる。また、枠状の拘束体２０は、杭１１の打設後であっても杭１１の打設前であっても、比較的容易に構築することができる。このように、枠状の拘束体２０によれば、構築手順の自由度が高められており、あらゆる杭基礎を対象とすることができる。

杭１１同士は、連結部材１２によって連結されており、一体化されている。複数の杭１１は、液状化時には一体となって移動し得る。そして、枠状の拘束体２０によって、杭１１の変位が抑えられる。

連結体４０がグラウンドアンカー３０を有すると、グラウンドアンカー３０によって、液状化時の引張力（引抜力）に抵抗することができる。

続いて、図３を参照して、第２実施形態に係る杭基礎構造について説明する。第２実施形態の杭基礎構造１０Ａが先の実施形態の杭基礎構造１０と違う点は、４つのグラウンドアンカー３０のうち一部（たとえば２つ）のグラウンドアンカー３０が杭体３５に置換された連結体４０Ａを備える点である。この杭基礎構造１０Ａでは、地震時の液状化に伴う側方流動の方向が考慮されている。地盤Ｘによっては、側方流動の流動方向Ｄを特定できる場合がある。流動方向Ｄが特定される場合、流動方向Ｄにおける拘束体２０の下流側の部分（図示右側の部分）には、当該下流側の部分を支持する少なくとも１つの杭体３５が設けられてもよい。

たとえば、拘束体２０において、流動方向Ｄの上流側の２つの隅部には、第１実施形態と同様の２つのグラウンドアンカー３０が設けられ、流動方向Ｄの下流側の２つの隅部に、２つの杭体３５が設けられる。杭体３５の上端部３５ａは拘束体２０に定着されており、杭体３５の下端部３５ｂは支持層Ｘｂに定着されている。杭体３５は、ＰＨＣ杭であってもよいし、鋼管杭であってもよい。地震時には、グラウンドアンカー３０は引抜側に位置し、杭体３５は押込側に位置する。

杭基礎構造１０Ａによれば、杭基礎構造１０と同様、杭１１の変位は拘束体２０によって拘束されることとなり、杭１１の変位が抑えられる。液状化時の流動力に対して杭１１の変位を抑えるための機能が、杭１１による橋脚１の支持機能とは別に備わっている。機能分離型の杭基礎構造１０Ａによれば、液状化時の流動力対策のために杭１１を太くする必要はなく、合理的である。さらには、流動方向Ｄの下流側に杭体３５が設けられる。この杭体３５によって、液状化時の圧縮力（押込力）に抵抗することができる。

続いて、図４および図５を参照して、第３実施形態に係る杭基礎構造について説明する。第３実施形態の杭基礎構造１０Ｂが第１実施形態の杭基礎構造１０と違う点は、４つのグラウンドアンカー３０に加えて、更に８つのグラウンドアンカー３０が設けられた連結体４０Ｂを備える点である。図４および図５に示されるように、８つのグラウンドアンカー３０の鋼材３１は、４つのグラウンドアンカー３０の鋼材３１よりも長くなっている。より詳細には、３つずつの定着部材３２が、第１実施形態と同様、支持層Ｘｂ内の４箇所に設けられている。長い鋼材３１を含むグラウンドアンカー３０は、支持層Ｘｂ内のある箇所から、その箇所にもっとも近い拘束体２０の隅部の更に隣りの隅部にまで延びている。その結果、３本の鋼材３１が、支持層Ｘｂから異なる方向に延びている。そして、３つずつの第１端３１ａが、拘束体２０の四隅の位置に定着されている。

このように、たとえば合計１２個のグラウンドアンカー３０が、地中において立体トラスを形成するように配置されている。この連結体４０Ｂを備えた杭基礎構造１０Ｂによれば、拘束体２０に生じる液状化時の浮力とグラウンドアンカー３０に生じる張力により、拘束体２０はより安定して元の位置にとどまろうとする。その結果として、杭１１の変位をより確実に拘束することが可能となる。第１実施形態では、拘束体２０自身が流動化力を受ける場合、浮力の大きさによっては、拘束体２０が遊動円木のように変位し得る。そのため、杭１１の変位を十分に拘束できないこともあり得る。この連結体４０Ｂを備えた杭基礎構造１０Ｂによれば、拘束体２０自身が流動化力を受けた場合でも、拘束体２０の変位を抑えて、杭１１の変位を拘束できる。なお、グラウンドアンカー３０を立体トラス状に配置する場合に、連結体４０Ｂとは異なる他の配置が採用されてもよい。

本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、拘束体の形状や構造は、適宜に変更可能である。図６に示されるように、複数の杭１１のそれぞれが挿通される複数の孔２２を含む平板状の拘束体２０Ｃを有する杭基礎構造１０Ｃであってもよい。孔２２の直径は、杭１１の直径よりも大きい。このように、拘束体２０Ｃは、杭１１を個別に囲んでいる。この場合、孔２２に形成される各杭１１の周りの隙間も、複数の杭１１と拘束体２０との間の隙間と同じ考え方によって設定されてもよい。拘束体２０Ｃと杭１１との間の隙間に、ゴムやスポンジ等の緩衝材等を挟み込んでもよい。杭基礎構造１０Ｃでは、各杭１１が拘束体２０Ｃによって取り囲まれることになるので、拘束体２０Ｃによって、各杭１１の変位が抑えられる。杭１１同士を連結する連結部材を省略することができる。

第２実施形態の杭基礎構造１０Ａの杭体３５（連結体４０Ａ）と、上記の拘束体２０Ｃとを組み合わせてもよい。連結体が有するグラウンドアンカー３０や杭体３５の数は、適宜に変更可能である。１つのみのグラウンドアンカー３０が設けられてもよい。１つのみの杭体３５が設けられてもよい。グラウンドアンカー３０が設けられず、複数の杭体３５のみが設けられてもよい。拘束体と杭１１との間に、隙間が設けられなくてもよい。

第３実施形態の杭基礎構造１０Ｂの連結体４０Ｂと、上記の拘束体２０Ｃとを組み合わせてもよい。拘束体２０Ｃに対しても、立体トラスを形成するあらゆる配置のグラウンドアンカー３０が採用され得る。

また、拘束体２０が取り囲む杭基礎は、上記したようなフーチングレスな構造に限られない。たとえば、図７に示されるように、杭頭部１１ａに設けられたコンクリート版であるフーチング１５を備える杭基礎に対し、枠状の拘束体２０および連結体４０が適用された杭基礎構造１０Ｄであってもよい。その場合、たとえば、拘束体２０は、平面視において複数の杭１１の全体を取り囲むと共に、フーチング１５をも取り囲む。たとえば、拘束体２０の内周面２１はフーチング１５の側面に対面している。拘束体２０の内周面２１とフーチング１５との間には、隙間（遊間）が形成されている。

フーチング１５が設けられた杭基礎構造に対しても、上記したあらゆる形態の連結体が採用され得る。また、図７に示される態様とは異なり、フーチング１５が設けられた杭基礎構造に対して、フーチング１５とは異なる箇所（深度）において拘束体２０が複数の杭１１を取り囲む態様であってもよい。

本発明の杭基礎構造において、拘束体２０は、複数の杭１１を含むあらゆる基礎構造に対して設けられてもよい。

本発明の杭基礎構造は、既設の杭基礎（基礎構造）および構造物が有る場合に、その既設の杭基礎に対して、後から施工する耐震補強に適用されてもよい。その場合、拘束体および連結体が後から施工されて、本発明の杭基礎構造が構築される。

１…橋脚、１０…杭基礎構造、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…杭基礎構造、１１…杭、１１ａ…杭頭部、１１ｂ…下端、１１ｄ…上部、１２…連結部材、１５…フーチング、２０…拘束体、２０Ｃ…拘束体、２２…孔、３０…グラウンドアンカー、３１…鋼材、３１ａ…第１端（上端部）、３１ｂ…第２端、３２…定着部材（下端部）、３５…杭体、３５ａ…上端部、３５ｂ…下端部、４０…連結体、４０Ａ，４０Ｂ…連結体、Ｄ…流動方向、Ｘ…地盤、Ｘｂ…支持層、Ｘｄ…液状化層。

Claims (7)

1. 地震時に流動し得る液状化層を含んだ地盤に設けられ、地上の構造物を支持するための杭基礎構造であって、
   前記地盤に設けられて下端が支持層に達すると共に、杭頭部に前記構造物が結合された複数の杭と、
   前記支持層よりも上において、前記複数の杭を取り囲むように前記地盤内に設けられた拘束体と、
   前記拘束体に上端部が定着されると共に、前記支持層に下端部が定着された連結体と、を備え、
   前記拘束体は、液状化時に前記液状化層に対して沈むことなく浮上する見かけ比重を有しており、
   前記連結体は、
   前記支持層に定着された前記下端部である定着部材と、
   前記拘束体に定着された前記上端部である第１端と前記定着部材に連結された第２端とを含む鋼材と、を含むグラウンドアンカーを有することを特徴とする杭基礎構造。
2. 前記拘束体は、中空の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の杭基礎構造。
3. 前記拘束体の前記見かけ比重は、液状化時における前記液状化層の見かけ比重より小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の杭基礎構造。
4. 前記拘束体は、前記複数の杭の全体を取り囲む枠状をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の杭基礎構造。
5. 前記複数の杭には、前記複数の杭同士を連結する連結部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の杭基礎構造。
6. 前記拘束体は、複数の杭のそれぞれが挿通される複数の孔を含む平板状をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の杭基礎構造。
7. 前記地盤は、地震時の液状化に伴う側方流動における流動方向を有しており、
   前記連結体は、前記拘束体の前記流動方向の下流側の部分に設けられて当該下流側の部分を支持する少なくとも１つの杭体を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の杭基礎構造。

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