JP7177754B2 - 半地下基礎構造物とその補強方法 - Google Patents

Description

本発明は半地下基礎構造物とその補強方法に関し、特に深礎杭の補強方法に関する。

耐震性の向上などの目的で、施工された土木構造物の基礎を補強することがある。基礎の補強方法として、基礎のフーチングを増し打ちすることが知られている（特許文献１、２）。

特開２０１２－２３７０９３公報 特開平９－３１６８９２号公報

特許文献１、２に記載された工法は基礎自体の増し打ちやそれに伴う基礎周囲の掘削が必要である。本発明は、より簡便な半地下基礎構造物の補強方法を提供することを目的とする。

本発明は、頂部が地上に露出するとともに側面の一部が地上に露出した半地下基礎構造物の補強方法に関する。半地下基礎構造物の補強方法は、頂部で保持されるとともに地上に露出した側面と対向する補強体であって、補強体の周方向に延びる第１の貫通孔を備える補強体を設けることと、岩盤に支持され、第１の貫通孔を通る第１のアンカーを設けることと、第１のアンカーを緊張させることと、を有する。

本発明によればより簡便な半地下基礎構造物の補強方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る深礎杭の補強方法を示す概念図である。 補強体の斜視図である。 第２の実施形態に係る深礎杭の補強方法を示す概念図である。 第３の実施形態に係る深礎杭の補強方法を示す概念図である。 第４の実施形態に係る深礎杭の補強方法を示す概念図である。 第５の実施形態に係る深礎杭の補強方法を示す概念図である。

以下、図面を参照して本発明の半地下基礎構造物の補強方法の実施形態について説明する。本発明が対象とする半地下基礎構造物は、一部が地上に露出した土木構造物である限り限定されないが、典型的には、地上設置される上部構造物を支持する基礎構造物である。本実施形態では、基礎構造物は地中深くまで施工される深礎杭であり、上部構造物は橋脚であるが、これらは基礎構造物と上部構造物の一例にすぎない。例えば、上部構造物は建物などの建築物であってもよい。本発明は既設の半地下基礎構造物を対象とするが、施工開始後に補強が必要となった半地下基礎構造物に適用することも可能である。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る深礎杭１の補強方法を示す概念図であり、図１（ａ）は深礎杭１と補強体３と第１のアンカー４を示す側方図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図２は補強体３の斜視図である。深礎杭１は斜面に設置され、その上部が地上に露出している。深礎杭１は円筒形の構造物であり、橋脚２を支持する頂部１１はほぼ円形である。深礎杭１の頂部１１は地上に露出しており、深礎杭１の少なくとも斜面下方を向く側面１０は地上に露出している。深礎杭１は補強体３と第１のアンカー４によって耐震補強される。深礎杭１に掛かる土圧は斜面の下側よりも上側のほうが大きいため、深礎杭１は斜面の下側方向に転倒する向きのモーメント（以下、下向きモーメントＭ１という）を受ける。このため、深礎杭１は地震力などが作用すると斜面の下側に傾きやすくなる。斜面の下側で表層崩壊などが生じると（破線参照）、斜面下側の土圧が減少するため、下向きモーメントＭ１がさらに増加し、深礎杭１はさらに斜面の下側に傾きやすくなる。本実施形態では、深礎杭１に保持された補強体３と、補強体３を介して深礎杭１に斜面の上側方向に転倒する向きのモーメント（以下、上向きモーメントＭ２という）を掛ける第１のアンカー４と、が設けられる。

補強体３は斜面の下側、すなわち深礎杭１の斜面下側を向く側面１０に設けられている。補強体３は深礎杭１の周囲の地表面の最も低い位置を中心として、深礎杭１の周囲に１８０°に渡って設けられている。補強体３は弧状の壁体３Ａとフランジ部３Ｂとを有している。壁体３Ａは側面１０に沿う内側面１６を備え、頂部１１の上方まで延びている。フランジ部３Ｂは壁体３Ａから内側に突き出し、深礎杭１の頂部１１に保持されている。フランジ部３Ｂは壁体３Ａの全周に渡って設けられる。フランジ部３Ｂは補強体３の自重の支持のために設けられるので、強度上問題がなければ、壁体３Ａに沿った周方向に間歇的に設けてもよい。補強体３は周方向に延びる第１の貫通孔１２を有し、第１の貫通孔１２には第１のアンカー４が挿入されている。第１の貫通孔１２（第１のアンカー４）は鉛直方向の互いに異なる２つのレベルに設けられているが、その数は限定されない。

第１のアンカー４は上方からみて、補強体３の両側の側方端面から斜面上側方向、すなわち斜面下側を向く側面１０と反対方向に延びている。第１のアンカー４は第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂとに分割されている。第１の部分４Ａと第２の部分４ＢはＰＣ鋼材（ＰＣケーブル）からなるが、アラミド繊維や炭素繊維などからなるケーブルであってもよい。第１の部分４Ａの一部と第２の部分４Ｂの一部はそれぞれ第１の貫通孔１２に約９０°の周長に渡って挿入され、端部同士が定着具６で相互に固定されている。第１の部分４Ａの残部と第２の部分４Ｂの残部は地盤に掘削された案内孔１４に挿入され、第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂの端部はグラウト１５で岩盤に固定されている。定着具６は第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂを互いに固定し、第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂを一体化させる。また、定着具６は第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂを緊張させ、これによって第１のアンカー４全体に引張力を加える。この緊張力ないし引張力によって、補強体３に周方向のプレストレスが導入され、深礎杭１に上向きモーメントＭ２が掛けられる。定着具６の種類は特に限定されないが、一例として特許第３４３９４０３号記載の定着具を用いることができる。この定着具はＰＣ鋼材の端部を保持する２つのスリーブを一体化したもので、コンクリートに埋め込まれることによってＰＣ鋼材の引張力をコンクリートに伝達することができるようにされている。

上述のように、補強体３は深礎杭１の周囲に１８０°に渡って設けられているため、第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂは互いに平行に配置される。このため、第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂの引張力のすべてが上向きモーメントＭ２の発生に寄与する。第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂは１８０°以外の角度をなしていてもよく、その場合、補強体３はこれに応じた角度範囲に設置される。

第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂは、第１の貫通孔１２の内部と地盤内を水平に、または水平方向に対し２０度以下の下向きの傾斜角度θで、岩盤の支持部（グラウト１５）に向けて延びている。第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂは地盤内では直線状に延びている。換言すれば、第１のアンカー４は水平面、または水平面から２０度以下の下向きの傾斜角度θで広がる一つの平面内を延びている。第１のアンカー４の下向きの傾斜角度θが大きいと補強体３に掛かる鉛直力が大きくなり、補強体３から深礎杭１への鉛直荷重の伝達が難しくなることがある。

補強体３は周方向に複数のＰＣａ（プレキャスト）セグメント３１に分割されている。各ＰＣａセグメント３１は第１の貫通孔１２の他、周方向に延びる第２の貫通孔１３を有している。第２の貫通孔１３にはＰＣａセグメント３１に周方向のプレストレスを導入するための第２のアンカー５が挿通される。第２のアンカー５はＰＣ鋼材（ＰＣケーブル）からなるが、アラミド繊維や炭素繊維などからなるケーブルであってもよい。第２の貫通孔１３（第２のアンカー５）は補強体３の上端付近と下端付近に設けられている。第２の貫通孔１３（第２のアンカー５）の数と設置レベルは特に限定されないが、分割施工される補強体３の一体性を確保するため、第２の貫通孔１３（第２のアンカー５）は、互いに異なる複数の鉛直方向位置に設けることが好ましい。

深礎杭１の補強工事は、補強体３の設置工程と、第１のアンカー４の設置工程とを有している。補強体３の設置は以下の手順で行う。まず、複数のＰＣａセグメント３１を深礎杭１の頂部１１の所定の位置に個別に搭載し、深礎杭１にボルトなどで仮固定する。フランジ部３Ｂが深礎杭１の頂部１１に搭載され、ＰＣａセグメント３１の自重が深礎杭１で支持される。従って、仮固定は簡易なもので十分である。複数のＰＣａセグメント３１を個別に搭載するため、補強体３を仮置きする用地が少なくて済み、揚重機の容量も少なくて済む。しかし、用地や揚重機の容量に余裕がある場合、近傍のヤードで複数のＰＣａセグメント３１を一体化し、補強体３を一括搭載することも可能である。補強体３が小規模である場合、補強体３を一体で製作することもできる。この場合、第２の貫通孔１３と第２のアンカー５は不要である。補強体３は、現場でコンクリートを打設して製作してもよい。補強体３はコンクリートに限らず例えば鉄板で形成してもよい。

すべてのＰＣａセグメント３１を深礎杭１の所定の位置に搭載した後、第２の貫通孔１３に第２のアンカー５を挿通する。第２のアンカー５の一端を定着具７で固定し、他端をジャッキで緊張させて定着具８で固定することでＰＣａセグメント３１に周方向のプレストレスを導入する。これによってＰＣａセグメント３１同士が密着し、一体化される。この際、第２のアンカー５を仮緊張させた後に仮固定用のボルトを外し、その後第２のアンカー５を本緊張させることが好ましい。これによって、ボルトの破損や深礎杭１へのダメージを防止することができる。以上によって、補強体３が深礎杭１の地上に露出した頂部１１で保持されるともに、地上に露出した側面１０にその周方向に渡って対向することとなる。補強体３を深礎杭１に密着して接合させるため、補強体３の壁体３Ａと深礎杭１の側面１０との間、及び補強体３のフランジ部３Ｂと深礎杭１の頂部１１との間に樹脂からなる接合材９を設けることが好ましい。あるいは補強体３の壁体３Ａと深礎杭１の側面１０との間、及び補強体３のフランジ部３Ｂと深礎杭１の頂部１１との間にあらかじめ空隙を設けておき、空隙に接合材９としてモルタルを注入してもよい。接合材９は補強体３を深礎杭１に強固に固定するとともに、第１のアンカー４の引張力を深礎杭１の側面１０に均一に伝達する。

次に、第１のアンカー４を設置する。まず地盤に、第１の部分４Ａが挿入される第１の案内孔１４Ａと、第２の部分４Ｂが挿入される第２の案内孔１４Ｂとを掘削する。第１の案内孔１４Ａと第２の案内孔１４Ｂは岩盤まで達している。次に、第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂを第１の貫通孔１２に挿入する。ＰＣａセグメント３１の定着具６が設けられる部位は予め切欠きとしておく。これによって、第１の貫通孔１２はその周方向の中央部付近で二分割され、中央部付近には第１の貫通孔１２の２つの開口が形成されている。第１の部分４Ａを中央部付近の一方の開口から第１の貫通孔１２の一方の半部に挿入し、この一方の半部の反対側の開口を経由して第１の案内孔１４Ａに挿入する。同様に、第２の部分４Ｂを中央部付近の他方の開口から第１の貫通孔１２の他方の半部に挿入し、この他方の半部の反対側の開口を経由して第２の案内孔１４Ｂに挿入する。次に、第１の案内孔１４Ａと第２の案内孔１４Ｂにグラウトを注入し、第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂの端部を、グラウトを介して岩盤に定着させる。グラウト１５の定着長さは第１のアンカー４の必要引張力、岩盤の強度などによって決定する。第１のアンカー４の第１の部分４Ａは、第１の貫通孔１２の周方向の中央付近から第１の貫通孔１２の両側端部の一方の開口を通り岩盤まで延び、第２の部分４Ｂは、第１の貫通孔１２の中央付近から第１の貫通孔１２の両側端部の他方の開口を通り岩盤まで延びる。

第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂは第１の貫通孔１２の周方向の中央付近で、定着具６によって一体化される。その際、第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂが緊張させられ引張力が加えられる。第１の部分４Ａの端部と第２の部分４Ｂの端部は補強体３の周方向中心付近で連結され、緊張させられるが、適切に引張力を掛けることができれば他の位置で連結し緊張させてもよい。すなわち、第１の貫通孔１２を周方向に二分割する位置は周方向中央部付近である必要はない。ＰＣａセグメント３１の定着具６が設けられる部位は切欠きとなっているため、外部から定着具６や緊張用のジャッキの操作が可能である。一連の作業が終わった後、切欠きがモルタル等で埋め戻され、定着具６はＰＣａセグメント３１と一体化される。第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂは同時に緊張させることが好ましい。別々のタイミングで緊張させると深礎杭１に軸方向中心軸周りのモーメントが掛かり、深礎杭１が回転する可能性がある。ただし、鉛直方向位置の異なる第１のアンカー４は異なるタイミングで緊張させてもかまわない。

本実施形態によれば、既存の深礎杭１を拡幅したり打ち増ししたりする必要がない。また、第１のアンカー４は補強体３に設けられるため、深礎杭１に穿孔する必要もない。補強体３は深礎杭１の地上部に取り付けられるため、第１のアンカー４の案内孔１４を除き地盤の掘削も不要である。さらに、補強体３は複数のＰＣａセグメント３１に分割されるため、補強体３の取り付けも短時間で済み、しかも現場に広いスペースや大容量の揚重機が不要である。特に、斜面に設置される深礎杭１は山岳部にあることが多く、スペースの確保が容易でないことが多いため、このメリットは重要である。

（第２の実施形態）
図３は第２の実施形態に係る深礎杭１の補強方法を示す概念図であり、図３（ａ）は深礎杭１と補強体３と第１のアンカー４を示す側方図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。ここでは第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。本実施形態では、深礎杭１は直方体の基礎構造物である。第１の実施形態と同様、補強体３は側面１０に沿う内側面１６を有するとともに頂部１１の上方まで延びる壁体３Ａと、壁体３Ａから内側に突き出し頂部１１に保持されるフランジ部３Ｂと、を有する。壁体３Ａの内側面１６は、深礎杭１の側面に合わせ矩形形状とされている。壁体３Ａと深礎杭１の側面１０との間、及びフランジ部３Ｂと深礎杭１の頂部１１との間には第１の実施形態と同様、樹脂やモルタルなどの接合材９が設けられている。フランジ部３Ｂは壁体３Ａの全周には設けられておらず、深礎杭１のコーナー部と対向する位置に設けられている。本実施形態でも第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３の実施形態）
図４は第３の実施形態に係る深礎杭１の補強方法を示す概念図であり、図４（ａ）は深礎杭１と補強体３と第１のアンカー４を示す側方図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。ここでは第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。本実施形態では、深礎杭１は直方体の基礎構造物である。補強体３は、側面１０と対向する弧状の壁体３Ａと、壁体３Ａから内側に突き出し頂部１１に保持されるフランジ部３Ｂと、壁体３Ａを深礎杭１に接続するフレーム部材３Ｃと、を有している。壁体３Ａ及びフランジ部３Ｂは第１の実施形態の壁体３Ａ及びフランジ部３Ｂと同様の構成である。フレーム部材３Ｃは鋼材で製作される。第２の実施形態では壁体３Ａの重量が大きくなる傾向があるが、本実施形態によれば補強体３を軽量化することができる。

（第４の実施形態）
図５は第４の実施形態に係る深礎杭１の補強方法を示す概念図であり、図５（ａ）は深礎杭１と補強体３と第１のアンカー４を示す側方図、図５（ｂ）は、深礎杭１と補強体３と第１のアンカー４を示す平面図である。ここでは第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。本実施形態では、深礎杭１は平坦地に設置されている。第１のアンカー４は第１～第４の実施形態の第１のアンカー４と同じである。平坦地であるため、深礎杭１が特定の方向に傾きやすくなることはない。このため、本実施形態では３つの第１のアンカー４が深礎杭１を中心に概ね放射状に設けられている。補強体３は深礎杭１の側面１０の全周に渡って設けられ、第２の貫通孔１３は補強体３の全周を延びている。第２のアンカー５は補強体３の全周を延びており、定着具６と同様の構成の定着具（図示せず）を用いて緊張させることができる。

３つの第１のアンカー４は深礎杭１から互いに１２０°の角度差で延びている。第１のアンカー４の数は限定されないが、直交する２方向での耐震性が向上するよう、少なくとも３つの第１のアンカー４を設けることが好ましい。第１のアンカー４は補強体３の中心に関し回転対称の関係で設けられることが好ましい。３つの第１のアンカー４は同時に緊張させることが好ましい。第１の貫通孔１２は補強体３の全周に設けられ、補強体３のすべての周方向位置で２本の第１のアンカー４が通過する。第１の貫通孔１２は２本の第１のアンカー４が通る共通の貫通孔とすることが好ましい。その場合、１つの共通貫通孔に、３つの第１のアンカー４の両端部が挿入される計６つの開口が６０°ピッチで設けられる。第１のアンカー４毎に専用の第１の貫通孔１２を設けることもできる。

（第５の実施形態）
図６は第５の実施形態に係る深礎杭１の補強方法を示す概念図であり、図６（ａ）は深礎杭１と補強体３と第１のアンカー４を示す側方図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。ここでは第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。本実施形態では、第１のアンカー４の第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂは岩盤内で一体化されている。すなわち、第１のアンカー４は１本のＰＣ鋼材からなり、第１の貫通孔１２の所定の位置から第１の貫通孔１２を通り、斜面の上側の岩盤内の案内孔１７と第１の貫通孔１２の他方の開口を通って所定の位置まで延び、両端が所定の位置で連結され緊張させられる。本実施形態では、第１のアンカー４の引張力は案内孔１７の壁面で直接支持される。このため、第１のアンカー４のモルタルでの定着が不要である。

１ 半地下基礎構造物（深礎杭）
３ 補強体
３Ａ 壁体
３Ｂ フランジ部
３Ｃ フレーム部材
４ 第１のアンカー
４Ａ 第１の部分
４Ｂ 第２の部分
５ 第２のアンカー
９ 接合材
１０ 側面
１１頂部
１２ 第１の貫通孔
１３ 第２の貫通孔
３１ ＰＣａセグメント

Claims (14)

1. 頂部が地上に露出するとともに側面の一部が地上に露出した半地下基礎構造物の補強方法であって、
   前記頂部で保持されるとともに地上に露出した前記側面と対向する補強体であって、前記補強体の周方向に延びる第１の貫通孔を備える補強体を設けることと、
   岩盤に支持され、前記第１の貫通孔を通る第１のアンカーを設けることと、
   前記第１のアンカーを緊張させることと、を有する半地下基礎構造物の補強方法。
2. 前記半地下基礎構造物は斜面に設置され、斜面下方を向く側面の少なくとも一部が露出しており、前記補強体は前記露出した側面に設けられ、前記第１のアンカーは前記露出した側面と反対側に延びる、請求項１に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
3. 前記第１のアンカーは、前記第１の貫通孔の所定の位置から前記第１の貫通孔の一方の開口を通り岩盤まで延びる第１の部分と、前記所定の位置から前記第１の貫通孔の他方の開口を通り岩盤まで延びる第２の部分と、を有し、前記第１の部分と前記第２の部分は岩盤に固定された後、前記所定の位置で緊張させられる、請求項２に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
4. 前記第１のアンカーは、前記第１の貫通孔の所定の位置から前記第１の貫通孔を通り、岩盤内の案内孔と前記第１の貫通孔の他方の開口を通って前記所定の位置まで延び、両端が前記所定の位置で緊張させられる、請求項２に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
5. 前記半地下基礎構造物は平坦地に設置され、前記補強体は前記半地下基礎構造物の前記側面の全周に渡って設けられ、複数の前記第１のアンカーが前記半地下基礎構造物から互いに異なる方向に延びる、請求項１に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
6. 前記複数の第１のアンカーが前記半地下基礎構造物の中心に関し回転対称の関係で設けられる、請求項５に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
7. 前記補強体は周方向に分割された複数のＰＣａセグメントを有し、各ＰＣａセグメントは周方向に延びる第２の貫通孔を有し、
   前記複数のＰＣａセグメントの前記第２の貫通孔を通り、前記複数のＰＣａセグメントに周方向のプレストレスを導入する第２のアンカーが設けられる、請求項１から６のいずれか１項に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
8. 前記第１のアンカーと前記第２のアンカーの少なくともいずれかは、前記補強体の互いに異なる鉛直方向位置に設けられる、請求項７に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
9. 前記第１のアンカーは水平に、または水平方向に対し２０度以下の下向きの角度で、岩盤の支持部に向けて延びている、請求項１から８のいずれか１項に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
10. 前記補強体と前記半地下基礎構造物との間にモルタルまたは樹脂からなる接合材が設けられる、請求項１から９のいずれか１項に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
11. 前記半地下基礎構造物は円筒形または直方体の形状を有し、前記補強体は、前記半地下基礎構造物の前記側面に沿う内側面を有するとともに前記頂部の上方まで延びる壁体と、前記壁体から内側に突き出し前記頂部に保持されるフランジ部と、を有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
12. 前記半地下基礎構造物は直方体の形状を有し、前記補強体は、前記側面と対向する弧状の壁体と、前記壁体を前記半地下基礎構造物に接続するフレーム部材と、を有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
13. 前記半地下基礎構造物は橋脚を支持する深礎杭である、請求項１１または１２に記載の半地下基礎構造物の補強方法。
14. 頂部が地上に露出するとともに側面の一部が地上に露出した半地下基礎構造物であって、
    前記頂部で保持されるともに地上に露出した前記側面と対向する補強体であって、前記補強体の周方向に延びる第１の貫通孔を備える補強体と、
    岩盤に支持され、前記第１の貫通孔を通り、緊張させられた第１のアンカーと、を有する半地下基礎構造物。

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