(57)【要約】【課題】実用できる程度に具体的な、原位置せん断摩擦試験（ＳＢＩＦＴ）の計測値に基づく道路橋基礎設計方法を提供する。【解決手段】まず、ＳＢＩＦＴにより、道路橋基礎設計の対象地となる地盤についてその層毎にせん断応力−垂直応力曲線、及び送水量−垂直応力曲線を求める。そして、該せん断応力−垂直応力曲線から求められる粘着力及び内部摩擦角と、該送水量−垂直応力曲線から求められる側圧値を用いて、該各層毎の周面摩擦力度を算出し、更に、該送水量−垂直応力曲線から変形係数を求める。また、地盤反力係数の推定に用いる、常時補正係数を２と、地震時補正係数を４とする。該層毎の周面摩擦力度は、該層が粘土質層であれば、該せん断応力−垂直応力直線から求められる粘着力及び内部摩擦角と、該送水量−垂直応力曲線から求められる側圧値を用いて算出し、該層が砂質層及び礫層であれば、Ｎ値により推定してもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原位置せん断摩擦試験（ＳＢＩＦＴ）により、道路橋基礎設計の対象地となる地盤についてその層毎にせん断応力−垂直応力直線、及び送水量−垂直応力曲線を求め、
該せん断応力−垂直応力直線から求められる粘着力及び内部摩擦角と、該送水量−垂直応力曲線から求められる側圧値を用いて、該層毎の周面摩擦力度を算出し、
該送水量−垂直応力曲線から変形係数を求め、
地盤反力係数の推定に用いる、常時補正係数を２と、地震時補正係数を４とすることを特徴とする道路橋基礎設計方法。
【請求項２】
該層毎の周面摩擦力度は、該層が粘土質層であれば、該せん断応力−垂直応力直線から求められる粘着力及び内部摩擦角と、該送水量−垂直応力曲線から求められる側圧値を用いて算出され、該層が砂質層及び礫層であれば、Ｎ値により推定される請求項１に記載の道路橋基礎設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、道路における橋梁の設計方法、特に、基礎杭の配置、本数などを決定する道路橋基礎設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
道路における橋梁は、「橋、高架の道路等の技術基準」(都市・地域整備局長、道路局長通達)に基づいて設計・施工されており、実際の設計・施工においては、その基準をまとめて解説した道路橋示方書が広く使用されている。
【０００３】
上記道路橋示方書による従来の設計法によれば、基礎杭の支持力を設定する際に使用される杭の周面摩擦力や変形係数は、標準貫入試験などで得たＮ値から間接的に評価された値が採用されていた。しかしながら、このＮ値は、その測定時に機械的誤差や人為的誤差が生じやすく、土壌によってはその性質を正確に表す指標とならない場合もあった。そのため、Ｎ値から推定した地盤定数を基に基礎設計をする場合には、安全率が見込まれる必要があり、結果として、基礎杭の数は、十分な強度を確保するために本来必要となる本数よりも過剰になる傾向があった。そして、実際の工事において、コストが嵩み工期も長くなるという問題を招致していた。
【０００４】
なお、変形係数については、あらかじめボーリングした孔に変形係数測定のための測定機を挿入する方法で測定し、その測定値を補正係数によって設計用に修正して使用する場合もある。しかしながら、この方法では、既に開けられたボーリング孔内の地盤に、応力解放によるゆるみが発生するため、実地盤の正確な強さが測定されない可能性が高かった。そのため、上記周面摩擦力の場合と同様、安全率を見込む必要があった。
【０００５】
そこで、近年では、地盤の性質をより正確に測定し、過大な安全率を見込むことなく、必要十分な杭を決定できる設計手法が研究されている。そして、そのような設計手法の前提となる、地盤の性質を正確に測定する方法として、原位置せん断摩擦試験（ＳＢＩＦＴ）が提案されている。このＳＢＩＦＴは、自然地盤の応力を緩めることなくセルフボーリングで掘削してそのボーリング孔を利用し、プローブの膨脹とせん断により地盤の強度と変形特性を一体的に測定する試験法である。そして、この試験法によれば、任意の土壌において、せん断強度定数（ｃ、φ又はδ）と変形係数Ｅ０を直接求めることができる。なお、ＳＢＩＦＴが提唱されている文献として、例えば、土と基礎Ｖｏｌ４５Ｎｏ１２の５０ページに掲載されている新技術紹介「土の原位置せん断・摩擦強度測定」、土木学会論文集第６１７号／ＩＩＩ−４６の１９１〜２００ページに掲載されている「原位置摩擦試験による地盤の強度・変形定数の推定と実務への適用」、或いは土木学会全国大会研究発表会講演概要集６２０〜６２１ページに掲載されている「ＳＢＩＦＴによる杭の周面摩擦力の推定について」がある。また、ＳＢＩＦＴを実施するための装置の改良に関する文献として、例えば、実用新案登録第３０６５０３０号公報がある。
【特許文献１】実用新案登録第３０６５０３０号公報
【非特許文献１】道路橋示方書（I共通編・IV下部構造編）同解説  社団法人日本道路協会発行
【非特許文献２】新技術紹介「土の原位置せん断・摩擦強度測定」、土と基礎、Ｖｏｌ４５、Ｎｏ１２、ｐｐ５０
【非特許文献３】原位置摩擦試験による地盤の強度・変形定数の推定と実務への適用、土木学会論文集、第６１７号／ＩＩＩ−４６、ｐｐ１９１〜２００
【非特許文献４】ＳＢＩＦＴによる杭の周面摩擦力の推定について、土木学会全国大会研究発表会講演概要集、ｐｐ６２０〜６２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記ＳＢＩＦＴでは、任意の土壌のせん断強度定数を直接求めることができるため、これらの計測値を利用して構造物基礎の設計を行うことにより、また、地盤の強さを正確に反映する変形係数を計測することができるため、その変形係数を用いることにより、従来の設計法よりも正確な結果を得ることが、理論的には可能である。しかしながら、ＳＢＩＦＴにより得られた計測値を利用した具体的な設計手法は、未だ提案されていないのが実状である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、実用できる程度に具体的な、ＳＢＩＦＴの計測値に基づく道路橋基礎設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる道路橋基礎設計方法では、まず、原位置せん断摩擦試験（ＳＢＩＦＴ）により、道路橋基礎設計の対象地となる地盤についてその層毎にせん断応力−垂直応力曲線、及び送水量−垂直応力曲線を求める。そして、該せん断応力−垂直応力曲線から求められる粘着力及び内部摩擦角と、該送水量−垂直応力曲線から求められる側圧値を用いて、該各層毎の周面摩擦力度を算出し、更に、該送水量−垂直応力曲線から変形係数を求める。また、地盤反力係数の推定に用いる、常時補正係数を２と、地震時補正係数を４とする。
【０００９】
道路橋基礎設計の対象地となる該地盤が、粘土質層、砂質層及び礫層から構成される場合、該層毎の周面摩擦力度は、該層が粘土質層であれば、該せん断応力−垂直応力直線から求められる粘着力及び内部摩擦角と、該送水量−垂直応力曲線から求められる側圧値を用いて算出し、該層が砂質層及び礫層であれば、Ｎ値により推定してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる設計方法によれば、ＳＢＩＦＴにより得られる、地盤の層毎におけるせん断応力−垂直応力直線及び送水量−垂直応力曲線を用いた、周面摩擦力度と地盤反力係数の具体的算出方法が決定しているので、道路橋基礎杭の必要最少本数を実際に決定することができる。
【００１１】
また、道路橋基礎設計の対象地となる地盤が、粘土質層、砂質層及び礫層から構成され、砂質層及び礫層が特にもろく崩れやすい場合は、砂質層及び礫層の周面摩擦力度をＮ値により推定することで、より正確な設計を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明にかかる道路橋基礎設計方法の具体例を、図１〜８を参照しながら説明する。図１は同設計手法のフローチャート図、図２はＳＢＩＦＴに用いられる試験装置の外観を示す地盤の断面図、図３はＳＢＩＦＴで求められた応力−せん断変位曲線の一例を示すグラフ、図４はＳＢＩＦＴで求められた送水量−垂直応力曲線の一例を示すグラフ、図５は図３のグラフを基にして得られたせん断応力−垂直応力直線を示すグラフ、図６は図４のグラフの不連続部を連続させた場合に得られる曲線の概念形状を示すグラフ、図７は変形係数から算出される水平方向地盤反力係数と載荷試験により得られた水平方向地盤反力係数を比較して示すグラフ、図８は設計対象となる道路橋基礎の橋脚構造寸法を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は橋軸方向から見た正面図である。
【００１３】
この設計方法の基本的な流れは、従来と同様、道路橋示方書に従ったものとなる。具体的には、図１に示すように、ステップＳ１で荷重条件および地盤条件の整理を行い、ステップＳ２で杭種・杭径を設定し、更に、ステップＳ３で杭設計条件の整理を行った後、ステップＳ４で杭配置・杭本数の設定を行う。ただし、この設計方法では、ステップＳ３の杭設計条件の整理における数値設定方法、具体的には周面摩擦力度設定方法と地盤反力係数設定方法が従来の道路示橋方書に沿ったものと相違し、これらの数値設定方法において特徴を有するものとなっている。そこで、以下ではこれらの数値設定方法について詳述する。
【００１４】
この設計方法においては、杭設計条件の整理にあたり、まず、原位置せん断摩擦試験（ＳＢＩＦＴ）により、道路橋基礎設計の対象地となる地盤についてその層毎にせん断応力−垂直応力曲線及び送水量−垂直応力曲線を求める。
【００１５】
ＳＢＩＦＴは、既述の通り公知技術であり、図２に示すように、先端に掘削手段２を備え周面が自在に膨脹するプローブ１を使用して行う試験である。プローブ１は、内部の空隙を囲うゴム等の弾性材で構成された周壁を備え、その空隙に、水圧ポンプ３により高圧の水を注入することにより膨脹する構造となっている。
【００１６】
プローブ１の先端（土中に挿入された状態において下側に配置される端部）には掘削手段２としてビットが設けられ、計測地点への自己掘進による到達が可能となっている。また、基端（土中に挿入された状態において上側に配置される端部）にはボーリングロッド４が接続されており、このボーリングロッド４を介して対象地盤内のプローブ１を引っ張ることが可能となっている。そして、計測地点において、プローブ１を膨脹させ対象地盤の壁面に垂直応力を載荷するとともに、プローブ１に引っ張り力を負荷し対象地盤の壁面にせん断応力を載荷し、その際の地盤のひずみ及びせん断の生じるせん断応力を、測定機５で計測することにより、図３に示すような応力−せん断変位曲線及び図４に示すような送水量−垂直応力曲線を得ることができる。ただし、ＳＢＩＦＴにより得られた応力−せん断変位曲線は、設計に必要な各種値を直接示すものではないため、この曲線から、図５に示すようなせん断応力−垂直応力直線を求める。一方、ＳＢＩＦＴにより得られた送水量−垂直応力曲線は、試験の性質による不連続部分を有するが、図６に示すような連続曲線とその本質は同じであり、設計に必要な各種数値を直接示すものとなっている。なお、図４及び図６の縦軸は送水量となっているが、送水量はプローブ周壁の膨脹すなわち地盤の変形に比例するため、実質的には地盤のひずみを示すものである。
【００１７】
せん断応力−垂直応力直線及び送水量−垂直応力曲線が求めることができれば、そのせん断応力−垂直応力直線のせん断応力軸切片の値から粘着力Ｃを、垂直応力軸に対する傾きから内部摩擦角φを求めることができる。また、送水量−垂直応力曲線の０点側変曲点Ｐにおける垂直応力から、側圧値Ｐ０を求めることができる。そして、各層毎の周面摩擦力度ｆを、ｆ＝Ｃ＋Ｐ０ｔａｎφの式により算出する。
【００１８】
一方、送水量−垂直応力曲線については、０点側変曲点Ｐを越える領域の垂直応力軸に対する傾きから、変形係数Ｅ０を求める。例えば、図４において、変曲点Ｐが送水量Ｖ２の領域に存在する場合、変形係数Ｅ０は、領域Ｖ３、Ｖ４及びＶ５の直線Ｌ３、Ｌ４及びＬ５の傾きの平均値とする。そして、以下の数式１及び２より、地盤反力係数（鉛直方向及び水平方向）を求める。なお、数式１及び数式２は、道路示橋方書にも示されている。
【数１】
2007270542.tif 000003
【数２】
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【００１９】
これら数式１及び２において、補正係数（地盤反力係数の推定に用いる係数）αは、変形係数Ｅ０の推定方法に応じて設定する必要があるところ、変形係数Ｅ０をＳＢＩＦＴで算出した場合の補正係数αは未だ解明されていない。そこで、変形係数Ｅ０をＳＢＩＦＴで算出した場合の補正係数αを以下のように設定する。
【００２０】
既述のように、ＳＢＩＦＴでは、ボーリング孔を予め掘ることなく、プローブのセルフボーリングで掘削したボーリング孔を利用するため、自然地盤の応力を緩めることなく、比較的精度の高い変形係数を得ることができる。しかしながら、その変形係数から算出した水平方向地盤反力係数は、載荷試験により得られた水平方向地盤反力係数に対し、若干の差があることがわかった。また、ＳＢＩＦＴで算出した変形係数を２倍にすると、そこから算出した水平方向地盤反力係数は、載荷試験により得られた水平方向地盤反力係数とよく一致することも判明した。図７に、ＳＢＩＦＴで算出した変形係数を２倍にした場合（補正係数α＝２）及びＳＢＩＦＴで算出した変形係数をそのまま採用した場合（補正係数α＝１）に算出される水平方向地盤反力係数と、載荷試験により得られた水平方向地盤反力係数との比較を示す。なお、横軸は、基礎の載荷幅Ｄに対する地表面変位量Ｓの割合で、道路橋示方書では、変形係数Ｅ０をＮ値から推定する場合には、この割合が１％の地点でほぼ一致する関係式Ｅ０＝２８００Ｎを採用している。参考までに、変形係数Ｅ０を２８００Ｎと推定した場合に算出される水平方向地盤反力係数も、図７に併せて示す。
【００２１】
これらの事実を考慮し、地盤反力係数を求める際の補正係数は、常時（常時補正係数）を２とする。また、地震時（地震時補正係数）は、従来の設計方法と同様、常時の２倍とする。すなわち、この設計方法では４とする。
【００２２】
なお、道路橋基礎設計の対象地となる地盤が、粘土質層、砂質層及び礫層から構成され、砂質層及び礫層が特にもろく崩れやすい場合には、砂質層及び礫層の周面摩擦力度をＮ値により推定する。
【実施例】
【００２３】
本発明にかかる道路橋基礎設計方法により、以下の条件の道路橋基礎の設計を行った。
（基本条件）
１）上部工重量：鋼５径間連続狭小箱桁橋
２）橋      長：３８９．０００ｍ
３）桁      長：３８８．０００ｍ
４）支  間  長：６９．８００ｍ＋７８．０００ｍ＋８６．０００ｍ＋８７．０００ｍ＋６６．８００ｍ
（荷重条件）
１）活  荷  重：Ｂ活荷重
２）死荷重反力：Ｒｄ＝１３１００ｋＮ
３）活荷重反力：ＲＬ＝３６００ｋＮ
４）Ｌ１設計震度：ｋｈ＝０．２５（Ｌｇ），ｋｈ＝０．２６（Ｔｒ）
５）地震時水平力：Ｈ＝３４５０ｋＮ（Ｌｇ），Ｈ＝３４５０ｋＮ（Ｔｒ）
６）Ｌ２分担重量：Ｗｕ＝１３１００ｋＮ（Ｌｇ），Ｗｕ＝１３１００ｋＮ（Ｔｒ）
（耐震設計に関する区分）
１）重要度別区分：Ｂ種（高速自動車国道）
２）地域区別  ：Ｂ地域（新潟県）
３）地域別補正係数：Ｃｚ＝０．８５
４）地盤種別  ：III種地盤
（構造形状・寸法）
１）基礎形式  ：鋼管ソイルセメント杭（φ１．２ｍ）
なお、構造寸法は図８に示す通りである。
【００２４】
設計の対象地となる地盤についてＳＢＩＦＴ及び標準貫入試験を行い、表１に示す周面摩擦力度及び補正変形係数を求めることができた。なお、表１において、Ａｓ１、Ａｇ２、Ｄｇ１−１、Ｄｐ−２、Ｄｓ１、Ｄｃ１−２及びＤｇ１−２の層の周面摩擦力度は、Ｎ値から求めた。そして、表２に示す結果を得ることができた。
【表１】
2007270542.tif 000005
【表２】
2007270542.tif 000006
【００２５】
また、比較用として、全層の周面摩擦力度及び補正変形係数をＮ値から求めた場合に得られた結果、すなわち、従来の設計方法により得られた結果を表３及び表４に示す。
【表３】
2007270542.tif 000007
【表４】
2007270542.tif 000008
【００２６】
上述の通り、この設計方法によれば、ＳＢＩＦＴにより得られる、地盤の層毎におけるせん断応力−垂直応力直線及び送水量−垂直応力曲線を用いた、周面摩擦力度と地盤反力係数の具体的算出方法が決定しているので、道路橋基礎杭の必要最少本数を実際に決定することができる。しかも、その本数は、Ｎ値を利用して決定した場合よりも少ないことから、この設計方法により、過大な安全率を見込むことなく、必要十分な杭を決定できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明にかかる道路橋基礎設計方法の具体例のフローチャート図である。
【図２】ＳＢＩＦＴに用いられる試験装置の外観を示す地盤の断面図である。
【図３】ＳＢＩＦＴで求められた応力−せん断変位曲線の一例を示すグラフである。
【図４】ＳＢＩＦＴで求められた送水量−垂直応力曲線の一例を示すグラフである。
【図５】図３のグラフを基にして得られたせん断応力−垂直応力直線を示すグラフである。
【図６】図４のグラフの不連続部を連続させた場合に得られる曲線の概念形状を示すグラフである。
【図７】変形係数から算出される水平方向地盤反力係数と載荷試験により得られた水平方向地盤反力係数を比較して示すグラフである。
【図８】設計対象となる道路橋基礎の橋脚構造寸法を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は橋軸方向から見た正面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    プローブ
２    掘削手段
３    水圧ポンプ
４    ボーリングロッド
５    測定機
Ｓ１  荷重条件および地盤条件の整理工程
Ｓ２  杭種・杭径の設定工程
Ｓ３  杭設計条件の整理工程
Ｓ４  杭配置・杭本数の設定工程
【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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