(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の常時の鉛直力を杭で支持し、地震時の水平力等にも杭で抵抗する杭基礎構造において、
構造物の基礎底面の鉛直断面形状を、水平変形時に地盤の抵抗を受ける両傾斜面の舟形に構築され、地震等による構造物基礎の水平変形時には地盤の抵抗により変形方向の前方側に水平方向の摩擦抵抗力及び鉛直方向上向きの力を発生させて杭の負担を軽減させ、後方側は地盤の抵抗を減少させる構成としたことを特徴とする、高耐震杭基礎構造。
【請求項２】
杭は鉛直方向に構築され、構造物の基礎底面の鉛直断面形状は水平方向の左右に等しく傾斜する舟形に構築され、地震等による構造物基礎の水平変形時には、変形方向の前方側では地盤の抵抗を増大させて水平方向の摩擦抵抗力及び鉛直方向上向きの力を発生させて杭の負担を軽減し変動軸力を小さくし、後方側は地盤の抵抗を減少させる構成としたことを特徴とする、請求項１に記載した高耐震杭基礎構造。
【請求項３】
構造物の基礎底面の鉛直断面形状は、地震等による構造物基礎の水平変形時には地盤の抵抗を受ける両傾斜面に沿って階段状に変化する舟形に形成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載した高耐震杭基礎構造。
【請求項４】
直接基礎に杭が併用されているパイルド・ラフト基礎において、
基礎版の底面の鉛直断面形状が、水平変形時に地盤の抵抗を受ける両傾斜面の舟形に構築され、地震等による基礎版の水平変形時には地盤の抵抗により変形方向の前方側に水平方向の摩擦抵抗力及び鉛直方向上向きの力を発生させ、後方側は地盤の抵抗を減少させる構成としたことを特徴とする、高耐震パイルド・ラフト基礎構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、構造物の常時の鉛直力を杭で支持し、地震時の水平力等にも杭で抵抗する杭基礎構造及び直接基礎に杭が併用されたパイルド・ラフト基礎の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
杭基礎構造の場合は、常時の鉛直力を杭のみで支持するように設計している。そして、地震時にも杭のみで抵抗するため、地震時の水平力や増分鉛直力にも杭で抵抗する。そのため地震時の水平力や鉛直力に見合うように杭の設計を行う必要があり、不経済な設計となっている。
【０００３】
即ち、従来一般の杭基礎構造は、図７に例示したように、各杭１…は支持層２まで先端を到達させた支持杭とし、且つ先端部の軸径を拡大した拡径杭とされている。構造物３の基礎底面４は略水平な形状（水平面）で地盤と接する構成で構築されている。したがって、支持杭１…が構造物３の自重による常時の鉛直力Ｗを全て負担し、基礎底面４は地盤と接してはいるが、鉛直力は負担しないものとして設計されている。
【０００４】
要するに、図７と図８に示すように、地震時に水平力Ｈおよび構造物３の転倒モーメントＭが作用した場合、構造物３の転倒モーメントＭによる変動軸力により、変形方向前側（図中の右側）の杭１には（＋Ｖ１）、（＋Ｖ２）、（＋Ｖ３）のように鉛直力が更に増加して作用する（いわゆる増分鉛直力）。逆に、変形方向後方側（図中の左側）の杭１には（−Ｖ１）、（−Ｖ２）のように引き抜き力が作用する。よって、いずれの杭も前記の各作用力（水平力Ｈと変動軸力）に対して抵抗力を確保するように断面設計を行う必要がある。そのため、変動軸力が大きい構造物３の端部寄り位置の杭については、先端の断面積が地震時の鉛直力（常時の鉛直力±変動軸力）で決定され、軸部直径も水平力Ｈ及び曲げモーメントよりも優越する鉛直力で決定されることになる。また、構造物３の中央寄り位置の杭については、軸部の断面積が鉛直力よりも優越する水平力Ｈ及び曲げモーメントの大きさで決定されることになり、杭先端径は鉛直力Ｖの大きさで決定されるものが多く、不経済な設計となることが知られている。
【０００５】
杭基礎の従来技術として、特許文献１には、構造物のフーチングを杭で支持する構造において、フーチングの両端部を支持するグランドアンカーを設置して緊張した耐震杭基礎構造が開示されている。
特許文献２には、杭頭をピン構造とし、杭先端もピン構造とし、更に基礎地盤に斜めアンカーケーブルを配置した耐震基礎構造が開示されている。
特許文献３には、基礎躯体と杭頭との結合部に弾塑性材料を介在させ、杭の破損を防止した杭基礎構造が開示されている。
特許文献４には、フーチングと杭の結合部に振動吸収手段を設置した杭基礎構造が開示されている。
【０００６】
次に、特許文献５、６には、構造物の底面と地盤との間に、水平力に抵抗する摩擦力を発生させる基礎構造が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−８２０５７号公報
【特許文献２】
特開平１０−２３７８８１号公報
【特許文献３】
特開２０００−１７８９８１号公報
【特許文献４】
特開２００１−３０３５９０号公報
【特許文献５】
特開平４−８５４０８号公報
【特許文献６】
特開平７−１１９１６４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１〜４に開示された杭基礎構造は、いずれも杭の支持力を如何にして効果的に発揮させるかに腐心した発明と認められ、せっかく存在する地盤の働きについての工夫や研究は認められない。
一方、特許文献５、６に開示された基礎構造は、構造物に働く水平力に対する抵抗を、地盤の摩擦力に求めている点を評価できるが、杭基礎ではない。
【０００９】
本発明の目的は、常時の鉛直力は杭のみで支持するが、地震時の一部の鉛直力および水平力は地盤の抵抗で負担させ、もって杭の負担を軽減し、杭の経済設計を可能にした高耐震杭基礎構造を提供することである。
【００１０】
本発明の次の目的は、構造物の基礎底面の鉛直断面形状を、地震等による水平変形時に地盤の抵抗を期待できる舟形として地盤の抵抗に水平力と鉛直力を発生させ杭の負担を軽減する構成とした高耐震杭基礎構造を提供することである。
本発明の更なる目的は、直接基礎に分類される、杭を併用したパイルド・ラフト基礎についても同様に、基礎版底面の鉛直断面形状を、地震等による水平変形時に地盤の抵抗を期待できる舟形として、地盤の抵抗に水平力と鉛直力を発生させ耐震性を高めた高耐震パイルド・ラフト基礎構造を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る高耐震杭基礎構造は、
構造物の常時の鉛直力を杭で支持し、地震時の水平力等にも杭で抵抗する杭基礎構造において、
構造物の基礎底面の鉛直断面形状を、水平変形時に地盤の抵抗を受ける両傾斜面の舟形に構築され、地震等による構造物基礎の水平変形時には地盤の抵抗により変形方向の前方側に水平方向の摩擦抵抗力及び鉛直方向上向きの力を発生させて杭の負担を軽減させ、後方側は地盤の抵抗を減少させる構成としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した高耐震杭基礎構造において、杭は鉛直方向に構築され、構造物の基礎底面の鉛直断面形状は水平方向の左右に等しく傾斜する舟形に構築され、地震等による構造物基礎の水平変形時には、変形方向の前方側では地盤の抵抗を増大させて水平方向の摩擦抵抗力及び鉛直方向上向きの力を発生させて杭の負担を軽減して変動軸力を小さくし、後方側は地盤の抵抗を減少させる構成としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載した高耐震杭基礎構造において、
構造物の基礎底面の鉛直断面形状は、地震等による構造物基礎の水平変形時には地盤の抵抗を受ける両傾斜面に沿って階段状に変化する舟形に形成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載した発明に係る高耐震パイルド・ラフト基礎構造は、直接基礎に杭が併用されているパイルド・ラフト基礎において、
基礎版の底面の鉛直断面形状が、水平変形時に地盤の抵抗を受ける両傾斜面の舟形に構築され、地震等による基礎版の水平変形時には地盤の抵抗により変形方向の前方側に水平方向の摩擦抵抗力及び鉛直方向上向きの力を発生させ、後方側は地盤の抵抗を減少させる構成としたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施形態および実施例】
次に、請求項１〜３に記載した発明に係る高耐震杭基礎構造の実施形態を図面に基いて説明する。
先ず図１に示した杭基礎構造は、構造物３の常時の鉛直力Ｗを、支持層２へ届く支持杭１…で支持させ、地震時の水平力Ｈ及び転倒モーメントＭ等にも支持杭１…で抵抗する杭基礎構造であって、同構造物３の基礎底面５の鉛直断面形状が、水平変形時に地盤６の抵抗を受ける両傾斜面の舟形に構築されていることを特徴とする。なお、敢えて図示することは省略したが、図１中に指示したように構造物３の中央を通るＩ−Ｉ線に沿って切断した鉛直断面形状も同様な舟形に構築することが好ましい。従って、構造物３の基礎底面５は角錐形状とされる。もっとも、構造物３が図１の紙面と垂直方向に十分長い形態の場合は、同方向の耐震性は大きいから、敢えて舟形に形成する必要はない。
【００１６】
地震時の水平変形状態を図２に誇張して示した。構造物基礎の水平変形時には、地盤６の抵抗が構造物３の基礎底面５に作用する。即ち、構造物基礎の変形方向前方側（図２の右側）の底面５（傾斜面）には、図３にベクトル図を示したように、地盤６によって、基礎底面５の傾斜角θに起因する水平方向の摩擦抵抗力Ｒの水平成分（−ΔＨ）及び鉛直方向上向きの成分（−ΔＶ）がそれぞれ発生する。変形方向の後方側（図２の左側）では、構造物３の基礎底面５は地盤６から離れて抵抗を生じない。
【００１７】
要するに、地震等による構造物３の水平変形時には、変形方向前方側（基礎底面５の右約半分）において、水平力Ｈに抵抗する杭頭の抵抗力（−Ｈ’）のほかに、地盤６の抵抗力Ｒの水平成分（−ΔＨ）が抵抗力として働くので、地震の水平力を軽減できる。
同時に、地盤６の抵抗力Ｒの上向き鉛直成分（−ΔＶ）も発生して、杭１に作用する鉛直力Ｖを軽減する。
【００１８】
結局、変形方向前方側（基礎底面５の右約半分）に働く地盤６の抵抗力Ｒの水平成分（−ΔＨ）との相殺の形で杭の水平力負担が軽減され、杭の軸部断面の設計を経済的に行える。同時に、地盤６の抵抗力Ｒの上向き鉛直成分（−ΔＶ）との相殺として杭の鉛直力負担が軽減され、変動軸力の低減化と、軸先端径を縮小化する経済設計が達成される。ひいては杭径が小さくなる分だけ、その構築作業の省力化が図れるのである。特に構造物３の中央寄り位置の杭に効果が大きい。
【００１９】
上記した地盤６の抵抗力Ｒを一層積極的に活用する手段として、基礎底面５の直下の地盤の強度、剛性、面圧などを地盤改良などによって高めること、或いは地盤の硬軟の性状に差異があるときは、構造物３の基礎底面５の鉛直断面形状を、図１に示した左右対称な両傾斜面の舟形に限らず、左右の傾斜角度を異ならせたり、或いは左右の傾斜面の長さを異ならせる等々の非対称形状の舟形に構築して同様に実施することができる。
【００２０】
次に、図４〜図６は、上記構造物３の基礎底面５の鉛直断面形状が、変形方向の前方側では地盤の抵抗を増大させ、後方側では地盤の抵抗を減少させる舟形の異なるバリエーションを示す。
先ず図４は、隣り合う杭１と１の間を直線（直平面）で繋ぎつつ舟形を形成した例を示す。図５は、隣り合う杭１と１の間を山形線（山形曲面）で繋ぎつつ舟形を形成した例を示す。図６は、階段形状で舟形を形成した例を示す（請求項３に記載した発明）。階段の高さや幅寸は図示例のかぎりではない。
【００２１】
なお、図示することは省略したが、フーティング基礎やべた基礎に代表されるいわゆる直接基礎の中で、杭（摩擦杭）を併用するパイルド・ラフト基礎に関しても、本発明の上記技術的思想を適用することができ、同様な作用効果を得ることが出来る。
即ち、直接基礎の基礎版底面の鉛直断面形状を、同基礎版の水平変形時に地盤の抵抗を受ける両傾斜面の舟形に構築すると、地震等による基礎版の水平変形時には地盤の抵抗により変形方向の前方側に水平方向の摩擦抵抗力及び鉛直方向上向きの力を発生して、それぞれ杭の負担を軽減できる。勿論、後方側では地盤の抵抗を減少させることが出来るのである（請求項４に記載した発明）。
【００２２】
【発明が奏する効果】
請求項１〜３に記載した発明に係る高耐震杭基礎構造は、常時の鉛直力は杭のみで支持するが、地震時の一部の鉛直力および水平力は地盤の抵抗で負担するから、その分だけ杭の負担を軽減し、杭の経済設計を可能にした。
【００２３】
本発明によれば、構造物の基礎底面の鉛直断面形状を、地震等による水平変形時に地盤の抵抗を期待できる舟形として地盤の抵抗に水平力と鉛直力を発生させて杭の負担を軽減するから、既往技術により容易に実施できる。
請求項４に記載した発明に係るパイルド・ラフト基礎構造の場合は、機能的には直接基礎であるとしても、その基礎版底面の鉛直断面形状を、地震等による水平変形時に地盤の抵抗を期待できる舟形として、地盤の抵抗に水平力と鉛直力を発生させるので、耐震性を高めることができる。
【００２４】
以上要するに、本発明によれば、構造物の地震時の安定性が図れ、地震時の水平力や転倒モーメントに基礎が抵抗して、杭へ作用する変動軸力や水平力を軽減できる。よって、杭の軸部径を縮小化でき、杭の合理化が図れる。変形方向前方側の基礎下地盤の鉛直抵抗力（面圧）が増加することにより、付随的に、杭の前方側地盤の極限地盤抵抗が増大し、杭の極限水平抵抗も増加する利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高耐震杭基礎構造の実施形態を示した垂直断面図である。
【図２】前記高耐震杭基礎構造の作用効果説明図である。
【図３】前記高耐震杭基礎構造の作用効果説明図である。
【図４】本発明に係る高耐震杭基礎構造の異なる実施形態を示した垂直断面図である。
【図５】本発明に係る高耐震杭基礎構造の異なる実施形態を示した垂直断面図である。
【図６】本発明に係る高耐震杭基礎構造の異なる実施形態を示した垂直断面図である。
【図７】従来の杭基礎構造の一例を示した垂直断面図である。
【図８】前記杭基礎構造の作用効果説明図である。
【図９】前記杭基礎構造の作用効果説明図である。
【符号の説明】
１    杭
３    構造物
５    基礎底面
Ｒ    地盤の抵抗力
６    地盤
【図１】
0003650892.tif 000002
【図２】
0003650892.tif 000003
【図３】
0003650892.tif 000004
【図４】
0003650892.tif 000005
【図５】
0003650892.tif 000006
【図６】
0003650892.tif 000007
【図７】
0003650892.tif 000008
【図８】
0003650892.tif 000009
【図９】
0003650892.tif 000010