(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電施設を支持するモノパイルを沿岸域の陸上又は海底の地盤中へ根入れして成る基礎構造において、
（Ａ）支持層上に軟弱層が堆積して成る地盤の前記軟弱層のうちモノパイルが根入れされる領域を、水平方向の範囲は、予め設定された改良地盤の滑動抵抗力、抵抗モーメント、支持力、端し圧が下記（I）〜（IV）の条件を満たすように地盤改良すること、
（I）改良地盤の滑動抵抗力は、下記の［数１］によって求める、
［数１］  Ｈ＜Ｒ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、Ｈは改良地盤に作用する水平力、Ｒが改良地盤の滑動抵抗力、
（II）改良地盤の抵抗モーメントは、下記の［数２］によって求める、
［数２］  Ｍ＜ＭＲ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、Ｍは改良地盤に作用する転倒モーメント、ＭＲが改良地盤の抵抗モーメント、
（III）改良地盤の支持力は、下記の［数３］によって求める、
［数３］  ｔ＜ｑ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、ｔは支持層の地盤反力、ｑが改良地盤の支持力、
（IV）改良地盤の端し圧は、下記の［数４］によって求める、
［数４］  ｔ＜ｑｕ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、ｔが改良地盤の端し圧、ｑｕは改良地盤の設計基準強度、
（Ｂ）地盤の深さ方向には前記軟弱層の深さ全域の範囲を地盤改良して、モノパイルの  支持に必要とされる水平方向への支持力が確保されること、
（Ｃ）前記改良地盤の範囲を平面的に見た中央部に、モノパイルが、前記改良地盤の深 さの範囲内に、又は支持層に一部到達する深さまで根入れされること、
（Ｄ）モノパイルは、風力発電施設の荷重、及び風や地震の外力に耐える直径及び肉厚  で形成されていること、
をそれぞれ特徴とする風力発電施設のモノパイル式基礎構造。
【請求項２】
上記モノパイルの直径、肉厚は、予め設定された改良地盤の応力度、支持力、根入れ長さが下記の条件（V）〜（VI）を満たす構成とする、
（V）モノパイルの応力度は、下記の［数５］によって求める、
［数５］  σ＝Ｐ／Ａ＋Ｍｐ／Ｚ＜σａ
但し、Ｐはモノパイルに作用する鉛直力、Ａはモノパイルの断面積、Ｍｐはモノパイルに作用する最大モーメント、Ｚはモノパイルの断面係数、σａが許容応力度である、
（VI）モノパイルの支持力は、下記の［数６］によって求める、
［数６］  Ｐ＜Ｒｕ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、Ｐはモノパイルに作用する鉛直力、Ｒｕがモノパイルの支持力である、
ことをそれぞれ特徴とする、請求項１に記載した風力発電施設のモノパイル式基礎構造。
【請求項３】
モノパイルの根入れ長さは、下記の［数７］によって求める、
［数７］  Ｌ＞３／β
但し、Ｌがモノパイルの根入れ長さ、βは仮想固定点である、
ことを特徴とする、請求項１に記載した風力発電施設のモノパイル式基礎構造、
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、陸上又は海上の風力発電施設のモノパイル式基礎構造の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の排出量を低減するべく、火力発電等の代替手段として自然エネルギーを利用する風力発電が、米国、欧州などを中心として大規模に実施されている。
【０００３】
我が国でも風力発電は実施されているが、陸上において風力発電で要求される断続的に一定以上の安定した風力を得ようとすると、起伏が激しい地域に限定され、当該地域では、風が巻き込むなどの影響で、一方向からの風を得ることはできず、良好な風力発電が難しい。また、広い敷地を確保することができず大規模に実施できないなどの地理的事情がある。それに比べて、海上では断続的に一定以上の安定した風力を一方向から得やすく、しかも大規模に実施できる利点を有するので、風力発電施設を海上へ構築できるように、従来からケーソン式や組杭式などの基礎構造が種々開発されている。なかでも海底地盤の沈下や波力による影響を受け難く、その他の基礎構造に比べて安価に構築できるモノパイル式（単杭式）基礎構造が注目されている。
【０００４】
モノパイル式基礎構造は、風力発電施設を支持するモノパイルの下端部が、海底地盤の支持層まで根入れされた構造である。通例、前記モノパイルは大口径（一例として、４０００mm程度）の鋼管で構成され、打設用の大型専用船を用いて現地に構築される。なお、特許文献１には、モノパイルをコンクリートパイルで構成した技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２０７９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モノパイル式基礎構造は、支持層までの深さが浅い遠浅の欧州沿岸を中心として、根入れ長さが短くて済むため、多数実施され主流となりつつある。しかし、我が国沿岸の海底地盤は、支持層までの深さが深く、同支持層上に軟弱層が厚く堆積している。軟弱層は支持力を発揮しないので、支持層の深くまでモノパイルを根入れする必要があり、結果としてモノパイルの根入れ長さが長くなって根入れ作業が大変である。また、大口径のモノパイルは高価なので、長くなる分コストが嵩む問題点がある。
【０００６】
しかも、海底地盤の軟弱層は水平方向への支持力を殆ど発揮しないので、モノパイル上端での水平変位（撓み変位）が大きく、同モノパイルが塑性変形して、風力発電施設が傾く虞がある。そのため、モノパイルの肉厚を厚くして剛性を高める必要があり、やはりコストが嵩む問題点がある。特に、台風などによる突風が頻繁に吹く我が国で実施しようとすると、該突風による風荷重に十分耐え得る剛性とする必要があり、尚のことである。
【０００７】
本発明の目的は、沿岸域の埋め立て地等の陸上又は海底地盤の軟弱層を、モノパイルが根入れされる部位の周辺領域を一定範囲まで地盤改良してモノパイルを支持させ、モノパイルを支持層の深くまで根入れしなくても風力発電施設を堅固に支持できる基礎構造を提供することであり、更に云えば、根入れ長さが短くて済み、根入れ作業が容易でコストの削減を図れる、風力発電施設のモノパイル式基礎構造を提供することである。
【０００８】
本発明の次の目的は、改良地盤に水平方向への支持力を発揮させて、モノパイルの上端での水平変位を小さくし、風力発電施設を健全な状態で支持できる基礎構造を提供することであり、更に云えば、モノパイルの肉厚をむやみに厚くして剛性を高める必要が無く、コストの削減を図れる、風力発電施設のモノパイル式基礎構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記従来技術の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風力発電施設のモノパイル式基礎構造は、
風力発電施設を支持するモノパイルを沿岸域の陸上又は海底の地盤中へ根入れして成る基礎構造において、
（Ａ）支持層８上に軟弱層９が堆積して成る地盤の前記軟弱層９のうちモノパイルが根入れされる領域を、水平方向の範囲は、予め設定された改良地盤の滑動抵抗力、抵抗モーメント、支持力、端し圧が下記（I）〜（IV）の条件を満たすように地盤改良すること、
（Ｉ）改良地盤１０の滑動抵抗力は、下記の［数１］によって求める、
［数１］  Ｈ＜Ｒ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、Ｈは改良地盤に作用する水平力、Ｒが改良地盤の滑動抵抗力、
（II）改良地盤１０の抵抗モーメントは、下記の［数２］によって求める、
［数２］  Ｍ＜ＭＲ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、Ｍは改良地盤に作用する転倒モーメント、ＭＲが改良地盤の抵抗モーメント、
（III）改良地盤１０の支持力は、下記の［数３］によって求める、
［数３］  ｔ＜ｑ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、ｔは支持層の地盤反力、ｑが改良地盤の支持力、
（IV）改良地盤１０の端し圧は、下記の［数４］によって求める、
［数４］  ｔ＜ｑｕ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、ｔが改良地盤の端し圧、ｑｕは改良地盤の設計基準強度、
（Ｂ）地盤の深さ方向には前記軟弱層９の深さ全域の範囲を地盤改良して、モノパイル  ６の支持に必要とされる水平方向への支持力が確保されること、
（Ｃ）前記改良地盤１０の範囲を平面的に見た中央部に、モノパイル６が、前記改良地  盤１０の深さの範囲内に、又は支持層８に一部到達する深さまで根入れされること、
（Ｄ）モノパイル６は、風力発電施設２の荷重、及び風や地震の外力に耐える直径及び  肉厚で形成されていること、をそれぞれ特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した風力発電施設のモノパイル式基礎構造において、
上記モノパイル６の直径、肉厚は、予め設定された改良地盤１０の応力度、支持力、根入れ長さが下記の条件（V）〜（VI）を満たす構成とする、
（V）モノパイル６の応力度は、下記の［数５］によって求める、
［数５］  σ＝Ｐ／Ａ＋Ｍｐ／Ｚ＜σａ
但し、Ｐはモノパイルに作用する鉛直力、Ａはモノパイルの断面積、Ｍｐはモノパイルに作用する最大モーメント、Ｚはモノパイルの断面係数、σａが許容応力度である、
（VI）モノパイル６の支持力は、下記の［数６］によって求める、
［数６］  Ｐ＜Ｒｕ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、Ｐはモノパイルに作用する鉛直力、Ｒｕがモノパイルの支持力である、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載した風力発電施設のモノパイル式基礎構造において、  
モノパイル６の根入れ長さは、下記の［数７］によって求める、
［数７］  Ｌ＞３／β
但し、Ｌがモノパイルの根入れ長さ、βは仮想固定点である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る風力発電施設のモノパイル式基礎構造は、沿岸域の埋め立て地等の陸上又は海底地盤を形成する軟弱層９における、モノパイル６が根入れされる部位の周辺領域を、水平方向には上記[数１]〜[数４]によって求めた条件を満たす範囲まで地盤改良して、及び地盤の深さ方向には前記軟弱層９の深さ全域の範囲を地盤改良して、前記改良地盤１０の深さの範囲内に、又は支持層８に一部到達する深さまでモノパイル６を根入れして支持させるので、改良地盤１０の弾性係数が大きい分だけモノパイル６の根入れ長さを短くでき、モノパイル６を支持層８の深くまで根入れしなくても風力発電施設２を堅固に支持できる。こうしてモノパイル６の根入れ長さを短くできるので、根入れ作業が容易であり、工期の短縮を図ることもできる。しかも根入れ長さが短くて済む分、モノパイル６の全長を短くできるので、コストの削減を図れる。
【００１４】
特に、上記[数１]〜[数４]によって求めた条件を満たす範囲まで地盤改良した改良地盤１０は水平方向への支持力も発揮するので、モノパイル６の上端での水平変位が小さくなり、風力発電施設２を健全な状態に支持できる。そのためモノパイル６の直径、肉厚は上記請求項２の[数５]と[数６]によって求める条件を満たす設定とすれば足り、むやみに大きくして剛性を高める必要が無く、やはりコストの削減を図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
請求項１〜３に記載した発明に係る風力発電施設のモノパイル式基礎構造の実施形態を、図１〜図３に基づいて説明する。
【００１６】
図１等に示すモノパイル式基礎１は、通例のモノパイル式基礎と略同様に、風力発電施設２の基礎として構築されるものである。すなわち、ブレード３が取り付けられた風力発電機４の支柱５を支持するべく、鋼管から成るモノパイル６の下端部が海底地盤７に根入れされ、上端部は前記支柱５の下端部を連結するべく、海面から突き出されている。但し、本発明のモノパイル式基礎１は、海底の支持層８上に軟弱層９が厚く堆積した海底地盤７上へ構築される風力発電施設２の基礎として好適な構造とされている。
【００１７】
その手段として、海底地盤７の軟弱層９は、前記モノパイル６が根入れされる部位の周辺領域を、水平方向に一定の範囲まで、深さ方向には前記軟弱層９の深さ全域の範囲を必要最小限度に地盤改良し、この地盤改良された改良地盤１０（以下、単に改良地盤１０と云う。）の略中央部に、モノパイル６が前記改良地盤１０の範囲内に、又は海底地盤７の支持層８に一部到達する深さまで根入れされている。改良地盤１０の弾性係数が大きいことによりモノパイル６の根入れ長さを短くできるので、モノパイル６は支持層８の深くまで根入れしなくても風力発電施設２を堅固に支持できる。そのためモノパイル６の根入れ長さが短くて済み、根入れ作業が容易で、工期の短縮を図ることもできる。しかも、根入れ長さが短くて済む分、モノパイル６の全長を短くできるので、コストの削減を図れるのである。
【００１８】
特に、改良地盤１０は水平方向への支持力も発揮するので、モノパイル６の上端での水平変位が小さくなり、風力発電施設２を健全な状態に支持できる。そのため、モノパイル６の肉厚をむやみに厚くして剛性を高める必要が無く、やはりコストの削減が図れる。
【００１９】
モノパイル６の支持に必要とされる水平方向への支持力を発揮させるべく、実施した改良地盤１０の必要最小限度の範囲は、次のように設定される。
【００２０】
具体的には、改良地盤１０の範囲は、予め設定された改良地盤１０の滑動抵抗力、抵抗モーメント、支持力、端し圧を満たすように設定される（図３を参照）。なお、以下に示す［数１］〜［数４］に用いられている記号の説明は重複した記載を省略している。
【００２１】
（Ｉ）改良地盤１０の滑動抵抗力Ｒは、以下の［数１］によって求められる。
［数１］  Ｈ＜Ｒ／Ｆｓ
但し、Ｆｓは安全率、Ｈは改良地盤１０に作用する水平力である。
ここで改良地盤１０の滑動抵抗力Ｒは、Ｒ＝（Ｗupper＋Ｗpile＋Ｗdm）×tanφ＋Ｐｐで定義される。
また、改良地盤１０に作用する水平力Ｈは、暴風時がＨ＝Ｆwind＋Ｆwave＋Ｐａ、地震時がＨ＝Ｅupper＋Ｅpile＋Ｐａで定義され、算出された両値を満たすように設定される。安全率Ｆｓは、一例として暴風時が１．２、地震時が１．０に設定され、両値を満たすように設定される。
但し、Ｗupperは風力発電施設２の自重、Ｗpileはモノパイル６の自重、Ｗdmは改良地盤１０の自重、φ  は内部摩擦角、Ｆwind：風荷重、Ｆwave：波荷重、Ｐａ：主働土圧、Ｅupper：風力発電施設２に作用する地震荷重、Ｅpile：モノパイル６に作用する地震荷重である。
【００２２】
（II）改良地盤１０の抵抗モーメントＭＲは、以下の［数２］によって求められる。
［数２］  Ｍ＜ＭＲ／Ｆｓ
但し、Ｍは改良地盤１０に作用する転倒モーメントを示す。
ここで改良地盤１０の抵抗モーメントＭＲは、ＭＲ＝（Ｗupper＋Ｗpile＋Ｗdm）×ｒ＋Ｐａ×ｙ７で定義される。また、改良地盤１０の転倒モーメントＭは、暴風時がＭ＝Ｆwind×ｙ１＋Ｆwave×ｙ２＋Ｐａ×ｙ３、地震時がＭ＝Ｅupper×ｙ４＋Ｅpile×ｙ５＋Ｅdm×ｙ６＋Ｐａ×ｙ３で定義され、算出された両値を満たすように求められる。安全率Ｆｓは、一例として暴風時が１．２、地震時が１．１に設定され、両値を満たすように求められる。
因みに、Ｅdmは改良地盤１０に作用する地震荷重、ｙ１は海底地盤７の軟弱層９の底面から風荷重Ｆwindの作用点までの高さ、ｙ２は海底地盤７の軟弱層９の底面から波荷重Ｆwaveの作用点までの高さ、ｙ３は海底地盤７の軟弱層９の底面から主働土圧Ｐａの作用点までの高さ、ｙ４は海底地盤７の軟弱層９の底面から風力発電施設２に作用する地震荷重Ｅupperの作用点までの高さ、ｙ５は海底地盤７の軟弱層９の底面からモノパイル６に作用する地震荷重Ｅpileの作用点までの高さ、ｙ６は海底地盤７の軟弱層９の底面から改良地盤１０に作用する地震荷重Ｅdmの作用点までの高さを示す。
【００２３】
（III）改良地盤の支持力ｑは、以下の［数３］によって求められる。
［数３］  ｔ＜ｑ／Ｆｓ
ｔ：支持層の地盤反力
安全率Ｆｓは、一例として暴風時が２．５、地震時が１．５に設定され、両値を満たすように求められる。
【００２４】
（IV）改良地盤の端し圧ｔは、以下の［数４］によって求められる。
［数４］  ｔ＜ｑｕ／Ｆｓ
但し、ｑｕは改良地盤の設計基準強度を示す。
安全率Ｆｓは、一例として暴風時が３．０、地震時が２．０に設定され、両値を満たすように求められる。
【００２５】
上記モノパイル６は、風力発電機施設２の荷重、風や波等の外力に十分耐え得る直径、肉厚とされており、同モノパイル６の直径、肉厚は、予め設定された応力度、支持力、根入れ長さを満たすように設定される（図３を参照）。なお、以下に示す［数５］〜［数７］に用いられる記号の説明も、上記［数１］〜［数４］と同様に重複した記載を省略している。
【００２６】
（V）モノパイル６の応力度は、以下の［数５］によって求められる。
［数５］  σ＝Ｐ／Ａ＋Ｍｐ／Ｚ＜σａ
但し、Ｐはモノパイル６に作用する鉛直力、Ａはモノパイル６の断面積、Ｍｐはモノパイル６に作用する最大モーメント、Ｚはモノパイル６の断面係数、σａは許容応力度を表す。
ここでモノパイル６に作用する鉛直力Ｐは、Ｐ＝Ｗupper＋Ｗpileで定義される。
また、許容応力度σａは、一例として暴風時が１９０Ｎ／mm２、地震時が２８５Ｎ／mm２に設定され、両値を満たすように求められる。
【００２７】
（VI）モノパイル６の支持力Ｒｕは、以下の［数６］によって求められる。
［数６］  Ｐ＜Ｒｕ／Ｆｓ
ここでモノパイル６の支持力Ｒｕは、Ｒｕ＝ｃ×Ａｓｃ＋２Ｎ×Ａｓｓと定義される。
但し、ｃは軟弱層９の粘着力（ｃ＝ｑｕ／２で定義される。）、Ａｓｃはモノパイル６の改良地盤１０内の全表面積、Ａｓｓはモノパイル６の支持層８内の全表面積を表す。
【００２８】
（VII）モノパイル６の根入れ長さＬは、以下の［数７］によって求められる。
［数７］  Ｌ＞３／β
但し、βは仮想固定点（β＝｛Ｅｓ／（４ＥＩ）｝１／４で定義される。）、Ｅｓは改良地盤１０の弾性係数、Ｅはモノパイル６の弾性係数、Ｉはモノパイル６の断面二次モーメントを表す。
【００２９】
以上の［数１］〜［数７］に基づいて改良地盤１０の水平方向の範囲、及びモノパイル６の直径、肉厚を設定することで、大掛かりな実験などをすることなく、簡易に且つ迅速に適切な改良地盤１０の範囲、モノパイル６の直径、肉厚を設定することができる。
【００３０】
図４は、上記［数１］〜［数７］に基づき、各条件下における改良地盤１０の範囲、及びモノパイル６の直径、肉厚を設定した本発明のモノパイル式基礎と、当該各条件下で通例の設計指針によって設定した従来のモノパイル式基礎とを比較している。図５は、図４の検討結果に示した両モノパイル式基礎の海底面位置での水平変位量（暴風時）をグラフにして示している。図６は、図４の検討結果に示した両モノパイル式基礎の海底面位置での水平変位量（地震時）をグラフにして示している。
【００３１】
図４から本発明のモノパイル式基礎は、モノパイルの全長が短くて済むことが明らかである。また、図５及び図６からは、いずれの条件下でも本発明のモノパイル式基礎の海底面位置での水平変位量が、従来のモノパイル式基礎の海底面位置での水平変位量より圧倒的に小さくなることが明らかである。
【００３２】
したがって、本発明に係るモノパイル式基礎構造は、我が国沿岸のように支持層までの深さが深く、同支持層上に軟弱層が厚く堆積した海底地盤上へ構築される風力発電施設２の基礎として、好適な構造であることが云える。
【００３３】
なお、軟弱層の地盤改良の施工法については特に限定する理由がなく、セメント又はセメント系固化材を攪拌混合する通例の深層混合処理工法、又は同深層混合処理工法に石炭灰を安定剤として添加する深層混合処理工法（所謂ＦＧＣ（フライアッシュ・ジプサム・セメント）−ＤＭ工法）を用いて実施することができる。ＦＧＣ−ＤＭ工法は、安定剤として石炭灰と必要に応じて石膏をセメント又はセメント系固化材に添加するので、通例の深層混合処理工法ではスラリー量が少なく均一な攪拌混合が困難な低強度域の地盤改良が可能であり、モノパイル６の根入れ作業が行いやすい低強度改良地盤を形成することができる。
【００３４】
本実施形態では、海上に風力発電施設２を構築するべく海底地盤７にモノパイル式基礎１が構築されているが、これに限らない。類似した地盤が想定される沿岸域の埋め立て地等の陸上に風力発電施設２を構築するべく、同埋め立て地等の地盤にモノパイル式基礎１が構築されても良い。この場合、図３の波荷重とモノパイルに作用する地震荷重、及びモノパイルの自重が作用しないことになるが、風力発電施設２の基礎構造として、同様に好適な構造である（図４〜図６の水深０ｍのデータを参照）。
【００３５】
なお、以上に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る風力発電施設のモノパイル式基礎構造を用いて構築された風力発電施設を示した立面図である。
【図２】モノパイル式基礎構造の水平断面図である。
【図３】モノパイル式基礎構造の力学特性を示した立面図である。
【図４】各条件下における改良地盤の範囲、モノパイルの直径、肉厚を設定した本発明のモノパイル式基礎と、従来のモノパイル基礎との比較図である。
【図５】図４の検討結果に示した両モノパイル式基礎の海底面位置での水平変位量（暴風時）を比較したグラフである。
【図６】図４の検討結果に示した両モノパイル式基礎の海底面位置での水平変位量（地震時）を比較したグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１      モノパイル式基礎
２      風力発電施設
６      モノパイル
７      海底地盤
８      支持層
９      軟弱層
１０    改良地盤
【図１】
0004606086.tif 000002
【図２】
0004606086.tif 000003
【図３】
0004606086.tif 000004
【図４】
0004606086.tif 000005
【図５】
0004606086.tif 000006
【図６】
0004606086.tif 000007