(57)【要約】【課題】地盤自体を補強することにより極限支持力の向上、初期剛性に対する補強を成し、構造規模の低減、掘削量の減少等を図り得る基礎の補強構造を提供する。【解決手段】基礎構造物の設置面の下側地盤領域及び／又は設置面の外側地盤領域において、前記基礎構造物１のすべり破壊面を貫くようにせん断抵抗杭２，２…を設置する。また、基礎構造物周囲の隣接地盤領域において、地盤を締固めるための締固め補強杭３，３…を設置する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎構造物の設置面の下側地盤領域及び／又は設置面の外側地盤領域において、前記基礎構造物のすべり破壊面を貫くようにせん断抵抗体を設置することを特徴とする基礎の補強構造。
【請求項２】
前記基礎構造物の設置面の下側地盤領域にせん断抵抗体を設置する場合において、基礎構造物の幅寸法をＢとし、基礎構造物の端部からのせん断抵抗体の設置範囲をＬ１とした時、Ｌ１／Ｂ≧０．４５の関係を満たすように前記せん断抵抗体を設置する請求項１記載の基礎の補強構造。
【請求項３】
前記基礎構造物の設置面の外側地盤領域にせん断抵抗体を設置する場合において、基礎構造物の幅寸法をＢとし、基礎構造物の端部からＬ３だけ離れた位置からすべり破壊面と地盤面との交点手前若しくはその近傍の範囲を補強することとした時、Ｌ３／Ｂ≧２．５の関係を満たすように前記せん断抵抗体を設置する請求項１、２いずれかに記載の基礎の補強構造。
【請求項４】
基礎構造物周囲の隣接地盤領域において、地盤を締固めるための締固め補強杭を設置することを特徴とする基礎の補強構造。
【請求項５】
前記基礎構造物の幅寸法をＢとし、基礎構造物の端部からの締固め補強杭の設置範囲をＬ２とした時、Ｌ２／Ｂ≧０．６の関係を満たすように前記締固め補強杭を設置する請求項４記載の基礎の補強構造。
【請求項６】
前記せん断抵抗体または締固め補強杭の頭部同士を相互に結合するようにした請求項１〜５いずれかに記載の基礎の補強構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤自体を補強することにより設置ケーソン、ベタ基礎などの直接基礎形式の極限支持力の増大等を図り得る基礎の補強構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基礎構造は、一般的にフーチング基礎、ベタ基礎、設置ケーソンなどの浅い基礎と、ケーソン、杭基礎などの深い基礎とに大別される。土質工学的には基礎幅の根入れ深さに等しいか大きいものが浅い基礎である。
【０００３】
基礎構造の選定に際しては、支持地盤が浅い場合には前者の浅い基礎が採用され、支持地盤が深い場合には支持層に先端が達するように打設された杭または周面の摩擦力により基礎を支持するようにした摩擦杭などの杭を地盤中に設け、この杭によって基礎構造物を支持する杭基礎が採用されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年施工された吊橋、斜張橋などの長大橋梁における基礎構造物（主塔基礎）では、多くの場合、支持層となる岩盤まで掘削し、海上輸送した鋼製ケーソンを沈設した後、水中コンクリートを打設する設置ケーソン工法が採られている。
【０００５】
しかしながら、岩盤層が海底面から深いようなケースでは、設置ケーソンのために水中掘削を行うにしても、別途杭基礎を採用するにしても著しく施工コストが増大することになる。一方で、明石海峡大橋の主塔基礎では岩盤が海底下数十ｍに及ぶため、洪積層を支持層とする設置ケーソン工法が採用されたが、地盤反力の低減を図るために構造規模が大きくなるとともに、地盤強度を確保するために相当量の海底掘削を必要とするなどの問題がある。
【０００６】
そこで本発明の主たる課題は、例えば岩盤よりも支持力の弱い地盤層を支持層として基礎構造物を設置する場合において、地盤自体を補強することにより極限支持力の向上、初期剛性に対する補強を成し、構造規模の低減、掘削量の減少等を図り得る基礎の補強構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、基礎構造物の設置面の下側地盤領域及び／又は設置面の外側地盤領域において、前記基礎構造物のすべり破壊面を貫くようにせん断抵抗体を設置することを特徴とする基礎の補強構造が提供される。
【０００８】
請求項２に係る本発明として、前記基礎構造物の設置面の下側地盤領域にせん断抵抗体を設置する場合において、基礎構造物の幅寸法をＢとし、基礎構造物の端部からのせん断抵抗体の設置範囲をＬ１とした時、Ｌ１／Ｂ≧０．４５の関係を満たすように前記せん断抵抗体を設置する請求項１記載の基礎の補強構造が提供される。
【０００９】
請求項３に係る本発明として、前記基礎構造物の設置面の外側地盤領域にせん断抵抗体を設置する場合において、基礎構造物の幅寸法をＢとし、基礎構造物の端部からＬ３だけ離れた位置からすべり破壊面と地盤面との交点までの範囲を補強することとした時、Ｌ３／Ｂ≧２．５の関係を満たすように前記せん断抵抗体を設置する請求項１、２いずれかに記載の基礎の補強構造が提供される。
【００１０】
請求項４に係る本発明として、基礎構造物周囲の隣接地盤領域において、地盤を締固めるための締固め補強杭を設置することを特徴とする基礎の補強構造が提供される。
【００１１】
請求項５に係る本発明として、前記基礎構造物の幅寸法をＢとし、基礎構造物の端部からの締固め補強杭の設置範囲をＬ２とした時、Ｌ２／Ｂ≧０．６の関係を満たすように前記締固め補強杭を設置する請求項４記載の基礎の補強構造が提供される。
【００１２】
請求項６に係る本発明として、前記せん断抵抗体または締固め補強杭の頭部同士を相互に結合するようにした請求項１〜５いずれかに記載の基礎の補強構造が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
【００１４】
〔第１補強態様〕
工学的に、地盤上に基礎を設置し載荷した場合の破壊面に関し、基礎底面が滑らかな場合には、基礎直下の土は側方に動きやすく、図１（Ａ）に示すような破壊パターンとなる。一方、基礎底面が粗い場合には、基礎と地盤との間の摩擦が十分に効き、図１（Ｂ）に示すような破壊パターンとなる。地盤内の塑性つりあい状態を考える時、基礎直下の領域は主働域と呼ばれ、弾性つりあいの状態にある。基礎からの荷重により前記主働域が横方向に拡がろうとする傾向が土と基礎底面との間の摩擦力や付着力により拘束される。従って、この主働域はあたかも基礎の一部であるかのように挙動する。隣接する塑性過渡領域は基礎端から出る放射線とこれを中心とする対数螺旋とから成り立っており、また受働域は受働ランキン帯とも呼ばれる抵抗領域である。
【００１５】
以下の説明では、前者の基礎底面が滑らかな場合の例について詳述することとする。
図２に示されるように、地盤上面に基礎構造物１を設置することとした場合、本発明では、前記基礎構造物１の設置面の下側地盤領域及び／又は設置面の外側地盤領域において、前記基礎構造物１のすべり破壊面を貫くようにせん断抵抗杭２，２…を設置することにより、極限支持力に対して高い補強効果を得るとともに、初期剛性に対しても同様に高い補強効果を得るようにしたものである。従って、本発明における杭は、基礎構造物を支持する支持杭として機能するものではなく、地盤のせん断抵抗を増すために設置されるものである。
【００１６】
以下、具体的にせん断抵抗杭２の設置態様について詳述すると、基礎構造物１直下の主働域に対する補強は、基礎構造物１の端部から中心側に向かってＬ１の範囲に亘り、せん断抵抗杭２，２…を設置するようにする。前記設置範囲Ｌ１は、基礎構造物の幅寸法をＢとした時、Ｌ１／Ｂ≧０．４５、好ましくはＬ１／Ｂ≧０．５の関係を満たすことが望ましい。すべり破壊面を貫くせん断抵抗杭を設置する限り、無補強の場合に比べて補強効果は望めるものの、Ｌ１／Ｂ≧０．４５である場合には、後述の実施例に示されるように、補強効果が格段に高くなる。
【００１７】
さらに基礎構造物１の離隔地盤領域、すなわち受働域に対する補強は、基礎構造物の端部からＬ３だけ離れた位置からすべり破壊面と地盤面との交点手前若しくはその近傍範囲Ｓに前記せん断抵抗杭２，２…を設置するようにする。基礎構造物１からの離隔距離Ｌ３は、基礎構造物１の幅寸法をＢとした時、Ｌ３／Ｂ≧２．５、好ましくはＬ３／Ｂ≧３．０の関係を満たすことが望ましい。すべり破壊面を貫くせん断抵抗杭を設置する限り、無補強の場合に比べて補強効果は望めるものの、Ｌ３／Ｂ≧２．５である場合には、後述の実施例に示されるように、補強効果が格段に高くなる。
【００１８】
前記せん断抵抗杭２としては、せん断抵抗を有するすべての杭を対象とすることができる。具体的には、鋼管杭、中掘り鋼管杭、コンクリート場所打ち杭、プレキャストコンクリート杭などの杭体を使用することができる。これらの杭の中でも、施工の点からは鋼管杭が最も好適である。また、杭長は図示例では一定としたが、場所毎またはグループ毎に長さを変化させるようにしてもよい。なお、設置したせん断抵抗杭２，２…はすべての杭がせん断破壊面を貫くようにするのが望ましいが、解析で想定したせん断破壊面が実際とは異なることが多々あるため、そのばらつきを考慮し、ある程度の余裕を見込んだ範囲に設置するのが望ましい。
【００１９】
前記せん断抵抗杭２の施工は、図３に示されるように、鋼製リング４，４…を連結部材５，５…により相互に連結したテンプレート枠６を使用し、格子状または千鳥格子状等の任意の配列でせん断抵抗杭２，２…配置した後、前記鋼製リング４とせん断抵抗杭２の頭部とを結合することにより、せん断抵抗杭２，２…全体で抵抗させるようにするのが望ましい。
【００２０】
なお、上記第１態様に係る補強の場合には、すべり破壊面を貫くせん断抵抗体が存在すれば地盤の補強効果が望めるため、前記せん断抵抗杭に代えて地中連続壁などの地下構造物をせん断抵抗体とすることができる。
【００２１】
〔第２補強態様〕
次いで図４に基づいて、本発明に係る第２の地盤補強構造について詳述する。
【００２２】
基礎構造物１の周囲ではせん断破壊面が深いため、せん断破壊面を貫くようにせん断抵抗杭２を設ける場合には、いきおい杭長が長くなり不経済となる。従って、基礎構造物１周囲の隣接地盤領域では、地盤を締固め地盤を改良する目的で締固め補強杭３，３…を設置するようにするのがよい。
【００２３】
基礎構造物１の隣接地盤領域の補強は、基礎構造物１の端部から外側に向かってＬ２の範囲に亘り、締固め補強杭３，３…を設置するようにする。前記設置範囲Ｌ２は、基礎構造物１の幅寸法をＢとした時、Ｌ２／Ｂ≧０．６、好ましくはＬ２／Ｂ≧０．８の関係を満たすことが望ましい。締固め補強杭３，３…を設置する限り、無補強の場合に比べて補強効果は望めるものの、Ｌ２／Ｂ≧０．６である場合には、後述の実施例に示されるように、補強効果が格段に高くなる。なお、本締固め補強杭３，３…は、前記せん断抵抗杭２，２…とともに設置するのが望ましい。
【００２４】
以上、本発明に係る第１補強態様及び第２補強態様について詳述したが、本補強構造は、新設の基礎構造物はもちろんのこと、既設基礎構造物の外側地盤領域に対し前記せん断抵抗杭２、締固め補強杭３をする態様であれば、既設基礎構造物の補強としても活用することができる。
【００２５】
【実施例】
《実験方法》
本実験では、地盤の支持力特性を明らかにするために載荷試験を行った。載荷試験は土槽に詰めた豊浦標準砂をバイブレータにより締め固め、模型地盤を作成した。模型地盤の寸法は平面ひずみ状態を仮定し１２００ｍｍ×４６０ｍｍ×１００ｍｍとした。載荷は、底面が滑らかで載荷幅Ｂ＝５０ｍｍの載荷板を用いて、荷重増分を１０ｋＰａとして、地盤が破壊するまで行った。
【００２６】
本発明による補強を行った地盤では、補強効果を検討するため、支持力理論より図１（Ａ）のように地盤のすべり破壊面を想定し、実験ケース毎に杭の挿入位置を変えて載荷試験を行った。なお、杭は５ｍｍ間隔で挿入した。以下に実験ケースの分類を説明する。
【００２７】
▲１▼Ｃａｓｅ１：主働域に生じるすべり破壊面にせん断抵抗するための杭の配置
▲２▼Ｃａｓｅ２：塑性域に対して抵抗するための杭の配置
▲３▼Ｃａｓｅ３：受働域に生じるすべり破壊面にせん断抵抗するための杭の配置
以上の実験をケース毎に３回行い、その平均値により地盤の補強効果の検討を行った。
【００２８】
《実験結果》
無補強地盤の極限支持力Ｐは１４３．７ｋＰａであった。
【００２９】
Ｃａｓｅ１では、図５に示すように杭を配置し、杭（せん断抵抗杭２）の範囲幅Ｌ１を変えることでさらに４ケースに分類し実験を行った。極限支持力（Ｐ）と、杭の設置範囲（Ｌ１／Ｂ）の関係を図６に示す。極限支持力Ｐは、Ｌ１／Ｂ＝０．２〜０．４では１５０ｋＰａ程度でほぼ一定の値なのに対し、Ｌ１／Ｂが０．４５を超えると急激に上昇し、Ｌ１／Ｂ＝０．５になると１６７．３ｋＰａと大きく向上した。これは、Ｌ１／Ｂ＝０．５では図７に示すように載荷板中央から載荷板端に発生するすべり破壊面を貫くように多数の杭が設置されているため、矢印で示したような地盤の挙動に対して抵抗することができ、高い補強効果を示すと考えられる。
【００３０】
Ｃａｓｅ２では、図８に示すように杭（締固め補強杭３）を設置し、杭の設置範囲Ｌ２を変えることでさらに３ケースに分類し実験を行った。極限支持力（Ｐ）と、杭の設置範囲（Ｌ２／Ｂ）の関係を図９に示す。Ｌ２／Ｂが０．６を超えると極限支持力Ｐが急激に上昇し、Ｌ２／Ｂ＝１．０では無補強地盤に比べて１７％向上することが確認された。これは多数の杭を挿入したために地盤が締め固められ、地盤改良効果が発揮されたためであると考えられる。
【００３１】
Ｃａｓｅ３では、図１０に示すように杭（せん断抵抗杭２）を設置し、杭の設置位置Ｌ３を変えることでさらに２ケースに分類し実験を行った。極限支持力（Ｐ）と、杭の設置位置（Ｌ３／Ｂ）の関係を図１１に示す。杭の設置位置がＬ３／Ｂ＝２．０では極限支持力は１４７．８ｋＰａとあまり向上がみられなかったのに対し、杭の設置位置がＬ３／Ｂ＝２．５を超え、Ｌ３／Ｂ＝３．０になると極限支持力は１６３．７ｋＰａとなり、無補強地盤に比べて１４％向上した。これは、図１２に示すように、Ｌ３／Ｂ＝２．０では杭がすべり破壊面を貫いていない。一方、Ｌ３／Ｂ＝３．０では杭が破壊面を貫くように設置されているためであり、すべり破壊面を貫くように杭を設置することで、地盤の破壊に対するせん断抵抗が増し、極限支持力に対して高い補強効果を示すことが確認された。
【００３２】
次に、前記Ｃａｓｅ１〜Ｃａｓｅ３における杭の設置範囲、位置と初期剛性の関係を図１３〜図１５に示す。同図から明らかなように、すべての実験ケースにおいて、杭の設置範囲が広いほど初期接線係数の値は大きい値になっている。これは、杭の設置範囲、すなわち杭の挿入本数が多くなることで、より地盤が締固められ、初期接線係数が向上したと考えられる。また、Ｌ１／Ｂ＝０．５やＬ３／Ｂ＝３．０のときに初期接線係数は大きく向上した。このことから、すべり破壊面を貫くように杭を設置することで初期剛性に対しても高い補強効果を得ることが確認された。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳説のとおり本発明によれば、地盤のすべり破壊面を貫くようにせん断抵抗体を設置したり、及び／又は、基礎の周囲地盤領域に多数の補強杭を設置し地盤を締固めることにより、基礎構造物の極限支持力および初期剛性に対して高い補強効果が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）及び（Ｂ）は地盤の破壊パターンを示す図である。
【図２】せん断抵抗杭２による地盤補強例図である。
【図３】テンプレート枠６の斜視図である。
【図４】締固め補強杭３による地盤補強例図である。
【図５】実施例のＣａｓｅ１による杭の配置を示す図である。
【図６】Ｃａｓｅ１の杭の設置範囲と極限支持力の関係図である。
【図７】主働域における杭とすべり面の関係を示す図である。
【図８】実施例のＣａｓｅ２による杭の配置を示す図である。
【図９】Ｃａｓｅ２の杭の設置範囲と極限支持力の関係図である。
【図１０】実施例のＣａｓｅ３による杭の配置を示す図である。
【図１１】Ｃａｓｅ３の杭の設置範囲と極限支持力の関係図である。
【図１２】受働域における杭とすべり面の関係を示す図である。
【図１３】Ｃａｓｅ１における杭の配置と初期剛性の関係図である。
【図１４】Ｃａｓｅ２における杭の配置と初期剛性の関係図である。
【図１５】Ｃａｓｅ３における杭の配置と初期剛性の関係図である。
【符号の説明】
１…基礎構造物、２…せん断抵抗杭、３…締固め補強杭、４…鋼製リング、５…連結部材、６…テンプレート枠
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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