(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物を支持するため地盤中に構築される杭の構造であって、
前記杭には、地盤の液状化層と非液状化層との境界近傍位置にヒンジ部が形成され、該ヒンジ部が、該杭の他の部分よりも小さな力で変形する構成とされ、
前記杭の他の部分に前記ヒンジ部を構成する部材の端部が挿入されて、かつこれらの間に充填材が充填されてなり、
該充填材を充填する部分の上下が板材でそれぞれ塞がれ、充填材が板材間に密封されて拘束されていることを特徴とする杭構造。
【請求項２】
構造物を支持するため地盤中に構築される杭の構造であって、
前記杭には、地盤の液状化層と非液状化層との境界近傍位置にヒンジ部が形成され、該ヒンジ部が、該杭の他の部分よりも小さな力で変形する構成とされ、
前記ヒンジ部を構成する複数の部材が、前記杭の他の部分よりも小径とされ、且つ多段階に設けられていることを特徴とする杭構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばビル等の各種構造物を例えば軟弱地盤などに構築する場合、その基礎として用いて好適な杭構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば軟弱地盤等に構築するビル等の各種構造物の基礎の一種として、杭を用いたものがある。
【０００３】
従来より、このような杭には既製杭と場所打ち杭とがあるが、いずれの場合においても、杭頭部をフーチング等で構造物の下部に剛結合させ、杭の先端部（下端部）を地中の硬質支持層にまで到達させている。
【０００４】
ところで、平成７年（１９９５年）の兵庫県南部地震では、建物や橋梁等の構造物の、上記従来の杭構造を採用した杭が大きな被害を受けて損傷した。図６に示すように、杭１の損傷は、この杭１で支持する上部の構造物２の慣性力が原因となって生じる杭頭１ａにおけるものだけでなく、杭中間部１ｂでも生じており、その原因が今回の兵庫県南部地震で初めて明らかにされた。
【０００５】
杭中間部１ｂの損傷は、地盤Ｇの液状化に伴う側方流動（水平変位）により、杭１が強制的に変形したことが原因となっていた。すなわち、地盤Ｇの軟弱な液状化層Ｇ１が液状化して側方流動が発生した場合、杭１には当然のことながら断面方向のせん断力が作用するが、特に、杭１の先端部１ｃは非液状化層Ｇ２に十分に根入れされてその拘束状態が半固定又は固定に近くなっているため、その上方で非液状化層Ｇ２から液状化層Ｇ１に変わり地盤Ｇの剛性が急変する部分では、杭１に大きな断面方向のせん断力が集中して作用する。また、杭頭１ａにおける拘束状態が固定に近いほど、外力により杭１に作用する曲げモーメントが大きくなる。このようにして杭中間部１ｂに作用するせん断力や曲げモーメントによって変形が生じ、この部分での損傷が発生していたのである。
【０００６】
このような杭中間部１ｂにおける被害は、特に護岸付近の構造物で顕著に認められており、護岸付近の沖積砂層で液状化が生じ、これに伴った大きな側方流動に引きずられて杭１が変形したと判断されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の杭構造には、以下のような問題が存在する。
従来の杭構造においては、上記のような側方流動による被害を回避するには、杭１の径を大きくしたり硬度の高い材料を用いる等して、杭１の剛性を高めるしかないのが現状である。しかしながら、震度７といった強大な地震によっても被害を受けないような杭１にするには、コストが大幅に上昇するだけでなく、大量の材料が必要となることから、有限な資源を前提とすると非現実的なものでもあり、従来の杭構造の技術では十分な杭変位抑制効果を得ることが困難であるのが現状である。
【０００８】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、地震等による地盤の液状化に伴う側方流動が発生しても、被害を受けることなく杭としての機能を維持することのできる杭構造を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、構造物を支持するため地盤中に構築される杭の構造であって、前記杭には、地盤の液状化層と非液状化層との境界近傍位置にヒンジ部が形成され、該ヒンジ部が、該杭の他の部分よりも小さな力で変形する構成とされ、前記杭の他の部分に前記ヒンジ部を構成する部材の端部が挿入されて、かつこれらの間に充填材が充填されてなり、該充填材を充填する部分の上下が板材でそれぞれ塞がれ、充填材が板材間に密封されて拘束されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項２に係る発明は、構造物を支持するため地盤中に構築される杭の構造であって、前記杭には、地盤の液状化層と非液状化層との境界近傍位置にヒンジ部が形成され、該ヒンジ部が、該杭の他の部分よりも小さな力で変形する構成とされ、前記ヒンジ部を構成する複数の部材が、前記杭の他の部分よりも小径とされ、且つ多段階に設けられていることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る杭構造の第一および第二の実施の形態について、図１ないし図５を参照して説明する。ここで、従来例として示した図６と共通する部分については同符号を付してある。
【００１４】
［第一の実施の形態］
図１に示すように、例えば表層部に液状化層Ｇ１が存在し、その下方に非液状化層Ｇ２が存在する構成の地盤Ｇ上に構築された構造物２は、杭頭部１０ａが構造物２の下面に一体化され、先端部１０ｂが非液状化層Ｇ２あるいはその下方の硬質支持層に十分に根入れされた杭１０によって支持されている。
【００１５】
この杭１０には、杭頭部１０ａと、中間部１０ｃとに、少なくとも２カ所のヒンジ部１１が形成されている。中間部１０ｃのヒンジ部１１は、地盤Ｇの剛性が上下方向において急変するところ、すなわち液状化層Ｇ１と非液状化層Ｇ２の境界近傍に設けられている。さらに、この中間部１０ｃのヒンジ部１１は、液状化層Ｇ１と非液状化層Ｇ２との境界の若干下方位置とするのが望ましい。
【００１６】
図３に示すように、各ヒンジ部１１は、その部分において杭１０が切断されて設けられたような構成となっている。各ヒンジ部１１は、その上下の杭１０内に、杭１０自体よりも小径のヒンジ材１２が挿入され、かつ杭１０とヒンジ材１２との間に、例えばモルタル等の充填材１３が充填された構成となっている。
【００１７】
このとき、ヒンジ材１２は、杭１０を形成する母材と同材料で小径のもの、あるいは母材よりも低強度または低剛性の材料で形成されている。例えば杭１０が鋼管杭である場合には、ヒンジ材１２には、小径の鋼管、または、コンクリート管，ＦＲＰ（繊維強化樹脂）管，硬質塩化ビニール管，木杭，鉄筋等が用いられる。また、杭１０が例えばコンクリート杭である場合には、ヒンジ材１２には、小径のコンクリート管、または、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）管，硬質塩化ビニール管，木杭等が用いられる。
【００１８】
上述した杭構造では、杭１０に、杭頭部１０ａと、中間部１０ｃの液状化層Ｇ１と非液状化層Ｇ２との境界近傍位置とに、それぞれヒンジ部１１が設けられた構成となっており、各ヒンジ部１１は、杭１０の他の部分に比較して、小径とされるか、あるいは、低強度または低剛性な材料で形成された構成となっている。これにより、水平方向の外力が作用した場合に、ヒンジ部１１のヒンジ材１２が、杭１０の他の部分よりも小さな力で降伏して変形し、いわば塑性ヒンジとして機能するようになっている。
このような構成とすることによって、地震等によって地盤Ｇの液状化層Ｇ１の液状化に伴う側方流動が発生した場合に、杭１０は液状化層Ｇ１の変位に追従して、ヒンジ部１１，１１で折れ曲がるようにして変形する。このとき、液状化した液状化層Ｇ１の水平抵抗はゼロ（０）に近く、かつ構造物２の慣性力による影響は液状化層Ｇ１の側方流動による杭１０の変位よりも先行して発生するので、液状化層Ｇ１内のヒンジ部１１，１１間の杭１０に作用する応力は、ゼロ（０）となり、ヒンジ部１１以外の箇所でたわむことはない。したがって、杭１０は液状化層Ｇ１の変位に追従して変形しつつも損傷することはなく、鉛直荷重に対してはその支持機能を十分に発揮して、杭としての機能を保持することができる。さらに、このようにして、杭１０を地盤Ｇの側方流動に伴う変位に追従して変形する構造としておくことによって、従来のようにせん断力や曲げモーメントに耐え得るために杭強度の向上を図ることなく、地震による杭１０の破損等の被害を被るのを防止することができ、杭１０を経済的なものとすることができる。
【００１９】
なお、上記第一の実施の形態において、地震時にヒンジ部１１が変位したときに、充填材１３が破壊してしまう場合もあるため、例えば図３に示すように、充填材１３を充填する部分の上下を鋼板等の板材１５で塞ぎ、充填材１３をこれら板材１５，１５間に密封して拘束する構成とする。これにより、杭１０とヒンジ材１２との結合強度が高められ、ヒンジ部１１での変形はヒンジ材１２の塑性変形のみとなる。
【００２０】
また、図４に示すように、ヒンジ材１２の側面にスタッド１６を設けるようにしてもよい。これにより、軸力に対する補強が図られる。
【００２１】
さらに、図２に示したように、ヒンジ材１２の杭１０内への挿入長さＬ（のみ込み長さ）を十分に取るようにしてもよい。これにより、曲げに対する補強が図られる。このとき、挿入長さＬが、杭１０の内径Ｄに対して、Ｌ＞１．４Ｄとなるのが好ましく、このようにすれば、結合部の破壊は、充填材１３の強度に依存せず、ヒンジ材１２の母材の強度のみに支配される。
【００２２】
［第二の実施の形態］
次に、本発明に係る杭構造の第二の実施の形態について説明する。以下に説明する第二の実施の形態において、前記第一の実施の形態と共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。
【００２３】
図１に示したように、杭頭部２０ａで構造物２を支持し、先端部２０ｂを非液状化層Ｇ２またはその下方の硬質支持層に根入れした杭２０には、杭頭部２０ａと、中間部２０ｃとに、少なくとも２カ所のヒンジ部２１が形成されている。中間部２０ｃのヒンジ部２１は、地盤Ｇの剛性が上下方向において急変するところ、すなわち液状化層Ｇ１と非液状化層Ｇ２の境界近傍に設けられている。
【００２４】
図５に示すように、各ヒンジ部２１は、この部分において、杭２０が切断されて設けられたような形態となっている。ヒンジ部２１は、その上下の杭２０，２０間に、複数のヒンジ材２２が多段階に設けられ、これらヒンジ材２２の上下端部と、杭２０との間には、例えばモルタル等の充填材２３が充填され、さらにこれらヒンジ材２２は、モルタル等の被覆材２４によって被覆された構成となっている。ヒンジ材２２は、その上下の杭２０，２０に挿入された小径のヒンジ材２２Ａ，２２Ａと、これらヒンジ材２２Ａ，２２Ａに挿入されたさらに小径のヒンジ材２２Ｂ，２２Ｂと、これらヒンジ材２２Ｂ，２２Ｂ間に挿入されたさらに小径のヒンジ材２２Ｃとから構成されている。
【００２５】
このとき、これらヒンジ材２２は、杭２０を形成する母材と同材料で小径のもの、あるいは母材よりも低強度または低剛性の材料で形成されている。例えば杭２０が鋼管杭である場合には、ヒンジ材２２には、小径の鋼管、または、コンクリート管，ＦＲＰ（繊維強化樹脂）管，硬質塩化ビニール管，木杭，鉄筋等が用いられる。また、杭２０が例えばコンクリート杭である場合には、ヒンジ材２２には、小径のコンクリート管、または、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）管，硬質塩化ビニール管，木杭等が用いられる。
【００２６】
上述したような杭構造においても、上記第一の実施の形態で示した杭１０の構造と同様、地震等によって地盤Ｇの液状化層Ｇ１の液状化に伴う側方流動が発生した場合に、杭２０は液状化層Ｇ１の変位に追従して、ヒンジ部２１，２１で変形するので、損傷することがなく、鉛直荷重に対してはその支持機能を十分に発揮して、杭としての機能を保持することができる。
【００２７】
なお、上記第二の実施の形態においても、前記第一の実施の形態と同様、図３ないし図４に示した板材１５やスタッド１６を設けたり、挿入長さの確保をしたりすることによって、杭２０とヒンジ材２２との結合強度を高めてヒンジ部２１での変形をヒンジ材２２の塑性変形のみとしたり、軸力や曲げに対する補強を図る構成としてもよい。
【００２８】
また、上記第一および第二の実施の形態において、ヒンジ部１１，２１を杭１０，２０の上下２カ所に設ける構成としたが、液状化層Ｇ１の地質等によっては、杭中間部１０ｃ，２０ｃのみに設ける構成としてもよい。
【００２９】
さらに、上記第一および第二の実施の形態では、本発明に係る杭構造を適用する地盤Ｇとして、表層部に液状化層Ｇ１が存在し、その下方に非液状化層Ｇ２が存在する構成のものを用いたが、言うまでもなくこのようなものに限定するものではなく、液状化層Ｇ１が存在する地盤であれば上記杭構造を適用することによって、上記と同様の効果を奏することが可能である。例えば、上記第一および第二の実施の形態で示した地盤Ｇにおいて、液状化層Ｇ１上にさらに非液状化層が存在するような場合、ヒンジ部１１，２１を、杭頭部１０ａ，２０ａ、および液状化層Ｇ１とその下方の非液状化層Ｇ２との境界部だけでなく、液状化層Ｇ１とその上方の非液状化層との境界近傍にも設ければよい。ただしこの場合、液状化層Ｇ１の上方の非液状化層の厚さが薄ければ、これらの境界近傍にヒンジ部１１，２１を設けなくてもよい。このように、液状化層の上下に非液状化層が存在する場合には、液状化層の上下の境界近傍にヒンジ部１１，２１を設ければよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る杭構造によれば、杭には、地盤の液状化層と非液状化層との境界近傍位置にヒンジ部が形成され、このヒンジ部が、杭の他の部分よりも小さな力で変形する構成となっており、杭の他の部分にヒンジ部を構成する部材の端部が挿入されて、かつこれらの間に充填材が充填され、充填材を充填する部分の上下が板材でそれぞれ塞がれ、充填材が板材間に密封されて拘束されている。また、請求項２に係る杭構造によれば、杭には、地盤の液状化層と非液状化層との境界近傍位置にヒンジ部が形成され、このヒンジ部が、杭の他の部分よりも小さな力で変形する構成となっており、ヒンジ部を構成する複数の部材が、杭の他の部分よりも小径とされ、且つ多段階に設けられた構成となっている。これにより、地震等によって地盤の液状化に伴う側方流動が発生した場合にも、杭は地盤の変位に追従してヒンジ部が変形するので、杭自体が損傷することなく、鉛直荷重に対してその支持機能を十分に発揮して、杭としての機能を保持することができる。さらに、このようにして、杭を地盤の側方流動に伴う変位に追従して変形する構造としておくことによって、従来のようにせん断力や曲げモーメントに耐え得るために杭強度の向上を図ることなく、地震による杭の破損等の被害を被るのを防止することができ、杭を経済的なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る杭構造を適用した杭の例を示す立断面図である。
【図２】杭に設けたヒンジ部の参考例を示す立断面図である。
【図３】前記杭構造の第一の実施の形態を示す図であって、前記杭に設けたヒンジ部を示す立断面図である。
【図４】前記ヒンジ部の他の参考例を示す立断面図である。
【図５】前記杭構造の第二の実施の形態を示す図であって、前記杭に設けたヒンジ部を示す立断面図である。
【図６】従来の杭構造を適用した杭の一例を示す立断面図である。
【符号の説明】
２  構造物
１０，２０  杭
１１，２１  ヒンジ部
１３，２３  充填材
Ｇ  地盤
Ｇ１  液状化層
Ｇ２  非液状化層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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