(57)【要約】      （修正有）【課題】水平方向の耐荷重を大きくできる建物の基礎構造、および、建物の基礎構造の形成方法を提供する。【解決手段】建物の基礎構造の形成方法は、支柱杭２１１を圧入する箇所の地盤Ｇを地表面Ｆから所定の深さまで締固める改質強化工程と、改質強化工程により締固めた地盤Ｇに複数の支柱杭２１１のそれぞれを圧入する圧入工程とを有する。【選択図】図３
2017078269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支柱杭を有する建物の基礎構造の形成方法であって、
前記支柱杭を圧入する箇所の地盤を地表面から所定の深さまで締固める改質強化工程と、
前記改質強化工程により締固めた前記地盤に前記支柱杭を圧入する圧入工程と、
を有することを特徴とする建物の基礎構造の形成方法。
【請求項２】
前記改質強化工程においては、前記支柱杭を圧入する箇所の前記地盤に、土と砂と砂利とセメントとの少なくとも何れか、又は、土と砂と砂利とセメントとの少なくとも何れかを含む改質材を圧入することを特徴とする請求項１に記載の建物の基礎構造の形成方法。
【請求項３】
複数の支柱杭を有する建物の基礎構造であって、
複数の前記支柱杭が互いに接近する場合は集成杭を形成するとともに、
前記集成杭ごとに、複数の前記支柱杭の上端部が地盤の地表面よりも高い位置において、連結部材によって互いに連結され、
前記連結部材どうしが、前記地表面よりも高い位置において、水平方向に延伸する横架材によって互いに連結されることを特徴とする建物の基礎構造。
【請求項４】
前記横架材は、内部に補強材料が充填された管状の部材であることを特徴とする請求項３に記載の建物の基礎構造。
【請求項５】
前記支柱杭には、前記地表面の近傍であって前記地盤の内部の位置に下側が開口する箱状の部材が取り付けられており、
前記箱状の部材は、前記支柱杭を、前記支柱杭の周囲に存在する地盤とともに囲むことを特徴とする請求項３または４に記載の建物の基礎構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物の基礎構造の形成方法および建物の基礎構造に関する。特には、支柱杭を用いた建物の基礎構造の形成方法および建物の基礎構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の建物の基礎構造においては、地震の発生時における水平荷重を、支柱の水平応力と、基礎根入れの側面で負担していた。このような構成において、水平荷重に対する耐力の大きくするためには、フーチングなどのコンクリートにより形成される部分の重量を大きくする構成や、基礎根入れの部分を深くする構成や、支柱を太くする構成や、支柱どうしを地中において連結する構成がある。
【０００３】
しかしながら、このような構成では、使用するコンクリートの量が増加し、養生期間も長くなる。また、発生する排土の量も増加する。さらに、大径の支柱杭を用いると、支柱杭を打設する際に大きな力が必要になり、使用する機材が大型化する。このため、大型の機材を搬入できない箇所においては、施工が困難である。また、掘削を行うため、残土処理が必要になる。
【０００４】
支柱杭の周囲の地盤を締め固める構成として、特許文献１には、筒状で外周側に外方に突出する螺旋翼を備えた杭周囲土締固め用治具を用い、地面に支柱杭を打ち込んだ後、支柱杭を治具内に挿入して治具を地面の所定の深さ位置まで回転圧入し、その後、治具を逆回転させながら上昇させていくという構成が開示されている。特許文献１に記載の構成は、治具の螺旋翼で、上方の土砂を下方に送り込んで杭周囲の土砂を下から上へと締め固めていき、最終的に治具を地面から抜き去るというものである。また、特許文献２には、支柱杭の周囲の地盤アースオーガーを正転しながら所定深さの掘削孔を形成し、この後、アースオーガーを低速で逆回転すると共に、掘削方向の軸力を加え、アースオーガーにより地表部から投入した骨材に水平方向の力を加えて掘削孔の周囲及び掘削孔内を圧密するという構成が開示されている。特許文献３には、オーガーを正回転して所定の深さまで施工地盤に貫入させ、その後、オーガーを逆回転して所定距離だけ上昇させる工程と、オーガーを逆回転させながら固化材を噴射する圧縮工程とを繰り返す構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４４９０１４９号公報
【特許文献２】特開２００１−１７２９５６号公報
【特許文献３】特開２００３−２１３６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、杭周囲土締固め用治具を地盤から引き抜く際に、支柱杭と地盤との間に、治具の厚さ分の隙間が形成される。このため、支柱杭とその周辺の地盤とを密着させることは困難である。さらに、特許文献１に記載の構成では、地表面近傍の地盤が螺旋翼によって乱される。このため、地表面から１ｍ程度の範囲の地盤は、施工前よりも脆弱になる。また、特許文献２に記載の構成では、地盤が軟弱であると、アースオーガーの掘削羽根によって送られた土壌は下方に沈むが、水平方向には広がらない。特許文献３に記載の構成は、従来の支柱杭の現場打ちと同様の構成であり、支柱杭の周囲の地盤の密度を高めるものではない。また、この構成では、引抜き荷重に対しては、支柱杭の本体の自重以外に抵抗力がない。
【０００７】
上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、支柱杭を用いる建物の基礎構造であって、水平方向の耐荷重を大きくする建物の基礎構造を提供すること、および、このような建物の基礎構造の形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、支柱杭を有する建物の基礎構造の形成方法であって、前記支柱杭を圧入する箇所の地盤を地表面から所定の深さまで締固める改質強化工程と、前記改質強化工程により締固めた前記地盤に前記支柱杭を圧入する圧入工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
前記改質強化工程においては、前記支柱杭を圧入する箇所の前記地盤に、土と砂と砂利とセメントとの少なくとも何れか、又は、土と砂と砂利とセメントとの少なくとも何れかを含む改質材を圧入する構成であってもよい。
【００１０】
本発明は、複数の支柱杭を有する建物の基礎構造であって、複数の前記支柱杭が互いに接近する場合は集成杭を形成するとともに、前記集成杭ごとに、複数の前記支柱杭の上端部が地盤の地表面よりも高い位置において、連結部材によって互いに連結され、前記連結部材どうしが、前記地表面よりも高い位置において、水平方向に延伸する横架材によって互いに連結されることを特徴とする。
【００１１】
前記横架材は、内部に補強材料が充填された管状の部材であってもよい。
【００１２】
前記支柱杭には、前記地表面の近傍であって前記地盤の内部の位置に下側が開口する箱状の部材が取り付けられており、前記箱状の部材は、前記支柱杭を、前記支柱杭の周囲に存在する地盤とともに囲む構成であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、あらかじめ締固められた地盤に支柱杭が圧入されることにより、支柱杭の周囲の地盤がさらに締固められる。このため、支柱杭の水平方向の耐荷重を大きくできる。また、このような支柱杭の上端部どうしが連結部材および横架材によって連結される構成であるから、建物の基礎構造に含まれる複数の支柱杭が一体となる。このため、建物の水平荷重を全ての支柱杭で受けることができるようになるから、建物の基礎構造の全体の水平方向の耐荷重を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、改質強化治具の構成例を模式的に示す図である。
【図２】図２は、改質強化工程を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、支柱杭の圧入工程を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、連結部材および横架材を取り付ける工程を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態および実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態では、軟弱な元の地盤Ｇが高い地耐力を有するように、地表面Ｆから所定の深さまで締固めや突き固めによって改質強化し、地盤Ｇの改質強化した部分に支柱杭２１１を打ち込む（圧入する）。以下、地盤Ｇの改質強化した部分を「改質強化部」と記す。これにより、地盤Ｇの反力と摩擦力と支持力とを、地上部の建造物の補強に用いる。なお、軟弱な地盤Ｇの地耐力が向上した部分を形成するに際しては、支柱杭２１１に対する垂直荷重も考慮しなければならないが、地震発生時の支柱杭２１１の上部における水平方向の反力が重要になる。地表面Ｆからある程度深い範囲においては、支柱杭２１１は地盤Ｇと一体に揺れるため、反力を考慮しなくてもよく、地表面Ｆからある深さまでの範囲（例えば、地表面Ｆ〜２，３ｍの範囲）において反力を向上させればよい。そこで、本発明の実施形態では、地表面Ｆから所定の深さまでの範囲を締固や突き固めによって改質強化する。すなわち、支柱杭２１１が圧入される深さの全長にわたって地盤Ｇを改質強化しなくてもよく、支柱杭２１１の上部が接触する部分のみ改質強化すればよい。
【００１６】
まず、地盤Ｇの改質強化（締固め）に用いる治具の構成例について説明する。以下、この治具を、「改質強化治具」と称する。なお、地盤Ｇの改質強化（締固め）は、以下に示す改質強化治具を用いる構成に限定されない。地盤Ｇの改質強化には、公知の各種の治具や機材が適用できる。また、改質強化方法（締固めや突き固めの方法）も、公知の各種方法が適用できる。
【００１７】
図１は、改質強化治具１１の構成の例を模式的に示す図である。なお、図１（ａ）は、改質強化治具１１の側面図および端面図であり、図１（ｂ）は羽根１１２の構成例を示す図である。図１（ａ）に示すように、改質強化治具１１は、円筒状のロッド１１１と、このロッド１１１の外周に設けられる複数の羽根１１２とを有する。例えば、ロッド１１１には鋼管が適用され、羽根１１２には鋼板が適用される。図１（ｂ）に示すように、羽根１１２は、軸線方向視で略半円形の板状の構成を有している。そして、複数の羽根１１２のそれぞれが、ロッド１１１の外周面に、ロッド１１１の軸線に直角な直線に対して傾斜した向きで取り付けられる。また、複数の羽根１１２は互いに分離しており、ロッド１１１の軸線方向に所定のピッチで並べて設けられる。
【００１８】
改質強化治具１１の各部の寸法は特に限定されないが、圧入する支柱杭２１１よりも大径の孔を掘削できる寸法であればよい。特に、圧入する支柱杭２１１の径の３倍以上の径の孔を掘削できる寸法であることが好ましい。例えば、圧入する支柱杭２１１の外径が１４０ｍｍ程度であれば、羽根１１２の外径は６００ｍｍが適用できる。この場合、ロッド１１１の外径は２３２．４ｍｍ、ロッド１１１の肉厚は８．２ｍｍ、羽根１１２のリード角（ロッド１１１の軸線に直角な直線と羽根１１２の表面とがなす角）は１０°が適用できる。
【００１９】
次に、建物の基礎構造２の形成方法の実施形態について説明する。図２〜図４は、建物の基礎構造２の形成方法の手順を模式的に示す断面図である。
【００２０】
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、改質強化工程を示す。まず、図２（ａ）に示すように、支柱杭２１１を圧入する箇所の地盤Ｇを、改質強化治具１１を正回転させて所定の深さまで掘削する。改質強化治具１１の正回転は、羽根１１２によって掘削した地盤Ｇの排土を上方に送ることができる回転方向である。掘削の深さは、地表面Ｆから２〜３ｍ程度の深さでよい。この際、排土１６が発生するが、少量であるため（例えば、地表面Ｆからの深さが２〜３ｍであれば、０．８ｍ3程度）、施工の敷地内で処分が可能である。
【００２１】
次いで、図２（ｂ）に示すように、掘削した孔に改質材１５を投入し、改質強化治具１１を逆回転させることによって、投入した改質材１５を締固める。ここで、逆回転とは、羽根１１２どうしの間に存在する改質材１５が下側に送られる方向をいう。そして、改質強化治具１１を逆回転させながら複数回にわたって往復させ、投入した改質材１５を締固める。これにより、改質材１５の密度が上がる。改質材１５は、例えば、粉状、粒状、または粘土状の材料、若しくはこれらの混合物である。改質材１５は、例えば、土、砂、砂利、セメントのいずれか、若しくは、これらの一部または全部の混合物が適用される。また、改質材１５は、建物の基礎構造２に緊結する上部の建造物の荷重などに応じて品質管理されたものが適用される。
【００２２】
また、地盤Ｇの改質強化の方法として、図２（ｃ）に示すように、ハンマー１２などによって地表面Ｆを打撃することにより、地盤Ｇを突固める方法であってもよい。さらに、図２（ａ）（ｂ）に示すように、改質強化治具１１を用いて地盤Ｇを締固める方法と、ハンマー１２を用いて突き固める方法とを併用してもよい。以上の工程を経て、支柱杭２１１を圧入する箇所の地盤Ｇに、圧入する支柱杭２１１よりも大径の円柱形状の改質強化部Ｈが形成される。
【００２３】
なお、本発明の実施形態では、改質強化部Ｈに、改質強化治具１１のロッド１１１による掘削孔などが残らないようにする。
【００２４】
また、地盤Ｇの改質強化の方法は、このような方法に限定されるものではなく、従来公知の各種方法が適用できる。要は、地表面Ｆから所定の深さの範囲（例えば、地表面Ｆから２〜３ｍの範囲）について、地盤Ｇを締固めや突き固めることができる方法であればよい。
【００２５】
改質強化部Ｈが、建造物が必要とする地耐力を充足しているか否かは、Ｎ値を測定することによって確認できる。一般に、「軟弱な地盤」のＮ値は３以下であり、「固い地盤」のＮ値は１５以上である。そして、改質強化部ＨのＮ値は、６以上であることが好ましく、８〜１５の範囲にあることがさらに好ましい。
【００２６】
図３は、支柱杭２１１の圧入工程を模式的に示す断面図である。図３（ａ）に示すように、支柱杭２１１を圧入する箇所に、地表土拘束治具２２を設置する。地表土拘束治具２２は、内部が空洞で下側が開口する箱状の部材であり、その上面には、支柱杭２１１を挿通可能な貫通孔が形成される。そして、開口する側を下側に向けた状態で、下部を地盤Ｇの地表面Ｆの近傍に埋設する。このため、支柱杭２１１が、その周囲に存在する地盤Ｇ(改質強化部Ｈ)ともに、箱状の部材である地表土拘束治具２２に囲まれた状態となる。これにより、地表面Ｆの近傍において、支柱杭２１１の周囲の地盤Ｇ、特に改質強化部Ｈが、地表土拘束治具２２によって囲まれて水平方向に移動できない状態となる。このように、箱状の地表土拘束治具２２を用いることにより、地表面Ｆの近傍において、支柱杭２１１の周囲の地盤Ｇが崩れることが防止される。
【００２７】
そして、図３（ｂ）に示すように、改質強化部Ｈであって地表土拘束治具２２を設置した箇所に、支柱杭２１１を回転させながら圧入する。前述のとおり、地表土拘束治具２２には貫通孔が形成されており、この貫通孔を通じて支柱杭２１１を改質強化部Ｈに圧入する。
【００２８】
本発明の実施形態では、先端側（下側）の端部が塞がれた鋼管杭を使用しているが、支柱杭２１１はこの形態に限らず、先端を塞いでいない筒状のみのもの、あるいは筒状内に強度を上げるためにコンクリートや改質材を充填したものや、鋼管・コンクリート杭、木杭等を用いてもよい。これらの支柱杭２１１を打ち込む事によって、支柱杭２１１の周辺の土壌の密度を上げ、その結果、支柱杭２１１との摩擦力を向上させる。なお、図３（ｂ）に示すように、支柱杭２１１の下部は、改質強化部Ｈよりも深い位置に達している。すなわち、圧入された支柱杭２１１の上部は、改質強化部Ｈによって支持され、下部は、元の状態の地盤Ｇ（改質強化されていない地盤Ｇ）に支持されることになる。また、支柱杭２１１の上端部は、地表面Ｆからある所定の高さだけ突出した状態になる場合もある。
【００２９】
そして、全ての地表土拘束治具２２の設置と、全ての支柱杭２１１の圧入とを行う。本発明の実施形態では、複数の支柱杭２１１を接近して圧入することにより、互いに接近する複数の支柱杭２１１からなる集成杭２１を形成する。そして、建物の基礎構造２は、このような集成杭２１を複数有する。なお、１つの集成杭２１に含まれる支柱杭２１１の数および相対的な位置関係は、建物の基礎構造２の構成などに応じて適宜設定されるものであり、特に限定されない。同様に、集成杭２１の数および集成杭２１どうしの相対的な位置関係も、特に限定されない。
【００３０】
図４は、連結部材２３の取付工程と横架材２４の取付工程を模式的に示す図である。図４（ａ）（ｂ）に示すように、建物の基礎構造２は、複数の集成杭２１と、集成杭２１ごとに複数の支柱杭２１１を連結する連結部材２３と、連結部材２３どうしを連結する横架材２４とを有する。
【００３１】
図４（ａ）に示すように、それぞれの集成杭２１ごとに、集成杭２１に含まれる複数の支柱杭２１１の上端部を、地表面Ｆよりも高い位置において、連結部材２３によって一体に連結する。連結部材２３には、鋼板や棒鋼などが適用できる。なお、連結部材２３の構成は限定されない。連結部材２３は、連結部材２３は、１つの集成杭２１に含まれる複数の支柱杭２１１を、一体に連結できる構成であればよい。このような集成杭２１によれば、１本の支柱杭２１１を用いる構成と比較して、地盤Ｇとの接触面積を増大させることができる。すなわち、支柱杭２１１の引抜き抵抗は、地盤Ｇとの接触面積が大きくなるにしたがって高くなるから、集成杭２１を構成することによって、１本の支柱杭２１１を用いる構成よりも引抜き抵抗の向上を図ることができる。また、このような構成によれば、小径の支柱杭２１１を用いることができるから、小型の機材によって支柱杭２１１を圧入できる。したがって、大型の機材を搬入できないような場所においても施工が可能である。
【００３２】
次いで、図４（ｂ）に示すように、複数の連結部材２３を、地表面Ｆよりも高い位置において、水平方向に延伸する横架材２４によって連結する。この図では、地表面Ｆにおいて連結されるようになっているが、地中上部においてでもよい。また、前記横架材２４には、必要な強度に合わせて公知の材料を自由に選択、使用することができる。このほか、横架材２４にＨ形鋼が適用される構成であってもよい。また、横架材２４は、これらに限定されるものではなく、公知の各種棒状の部材（建設用資材）が適用できる。複数の連結部材２３を、地表面Ｆよりも高い位置で横架材２４によって連結する構成であれば、横架材２４を設置するために地面を掘削するなどの工事の必要がない。
【００３３】
以上説明した建物の基礎構造２の形成方法によれば、軟弱な地盤Ｇが高い地耐力を有するように、地表面Ｆから所定の深さまで、棒状・円柱状の改質強化部Ｈを形成し、形成した改質強化部Ｈに支柱杭２１１を圧入する。このような構成によれば、支柱杭２１１の上部の外周面が、改質強化部Ｈに押し付けられる。このため、改質強化部Ｈと支柱杭２１１との摩擦力が向上し、建物の基礎構造２に緊結された建造物からの荷重、特に横荷重に対して、支柱杭２１１と改質強化部Ｈとが一体となって大きな耐力を有するようになる。この結果、地盤反力を著しく増大させることができ、支柱杭２１１の水平方向の耐荷重を大きくできる。この増大させた地盤反力と、支柱杭２１１と地盤Ｇとの摩擦力とを建物の基礎構造２の耐力に繋げることにより、建物の基礎構造２の構成の簡素化を図ることができる。さらに、コンクリートの養生期間が不要になるから、工期の短縮を図ることができる。さらに、このような工法によれば、排出する土砂がほとんどないため、残土処理の必要がほとんどなく、地中を損傷しないなど、環境に対する負荷を低減できる。
【実施例】
【００３４】
次いで、本発明の実施例について説明する。地震時に生じる建造物の水平応力は、原地盤の水平方向地盤反力（単位：ｋＮ／ｍ3）で表され、そこにおける係数（地盤反力係数Ｋh）によって決定され、次式で表される。
Ｋh＝α・Ｅ0・（Ｂ／１０）-0.75
α：係数  ＝８０（砂質土である場合）
Ｅ0：地盤のヤング率  ＝７００×Ｎ値
Ｂ：支柱杭径
なお、地盤Ｇのヤング率Ｅ0はＮ値に正比例する。この数式は、地盤Ｇの改質強化部Ｈ、ここでは、支柱杭２１１の周辺の部分にのみ当てはまるものであり、また、既存地盤への影響は、円柱状または円筒状の改質強化部Ｈの外周のみに与えられる。
【００３５】
以下に示す各実施例では、上記実施形態の方法を用いて改質強化する前後の地盤Ｇについて、地盤反力係数Ｋhを測定した。
【００３６】
（第１の実施例）
次の表１は、第１の実施例における地盤Ｇの改質強化の前後におけるＮ値と地盤反力係数を示す表である。
【００３７】
【表１】
2017078269.tif 000003
【００３８】
表１に示すように、上記実施形態の方法によって改質強化する前後の地盤Ｇについて、外径１３９．８ｍｍの支柱杭２１１を用い、地盤反力係数Ｋhを測定した。締固め土量は０．８４７ｍ3である。地盤ＧのＮ値は、改質強化前では２であったのに対して、改質強化後では８となった。地盤反力係数Ｋhは、改質強化前は０．０１５５Ｎ／ｍｍ3であったのに対して、改質強化後は０．０６１９Ｎ／ｍｍ3となった。このように、第１の実施例によれば、地盤反力係数Ｋhを高められることが確認された。
【００３９】
（第２の実施例）
次の表２は、第２の実施例における地盤Ｇの締固め（改質強化）の前後におけるＮ値と地盤反力係数と、支柱杭２１１の水平応力および水平方向の変位量とを示す表である。
【００４０】
【表２】
2017078269.tif 000004
【００４１】
表２に示すように、上記実施形態に示す方法によって締固める前後の地盤Ｇについて、外径１３９．８ｍｍの支柱杭２１１を用いて測定を行った。締固め土量は０．８４７ｍ3である。締固める前の地盤ＧのＮ値は２であったのに対して、締固めた地盤ＧのＮ値は１０となった。地盤反力係数Ｋhは、締固める前は０．０１１６Ｎ／ｍｍ3であったのに対して、締固めた後は０．０７７３Ｎ／ｍｍ3となった。第２の実施例でも、地盤反力係数Ｋhを高められることが確認された。さらに、締固め前後の地盤Ｇに所定の本数の支柱杭２１１を圧入して建物の基礎構造２を形成し、形成した建物の基礎構造２について、支柱杭２１１の水平方向の変位量と１本当たりの水平応力を測定した。ここでは、支柱杭２１１の本数は、締固め前においては２５本とし、締固め後においては２０本とした。表２に示すように、締固め後においては支柱杭２１１の本数を少なくしても、それぞれの支柱杭２１１の変位量が小さくなり、水平応力が大きくなっている。このことから、支柱杭２１１の本数を削減できるばかりでなく、支柱杭２１１の変位量を減少できることが確認された。
【００４２】
以上、本発明の実施形態および実施例を、図面を参照して詳細に説明したが、前記実施形態および実施例は、本発明の実施にあたっての具体例を示したに過ぎない。本発明の技術的範囲は、前述した実施形態および実施例に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、建物の基礎構造の形成方法および建物の基礎構造に関する技術である。本発明によれば、建物の基礎構造の水平方向の耐荷重を大きくできる。
【符号の説明】
【００４４】
１１：改質強化治具
１１１：ロッド
１１２：羽根
１２：ハンマー
１５：改質材
１６：排土（残土）
２：建物の基礎構造
２１：集成杭
２１１：支柱杭
２２：地表土拘束治具
２３：連結部材
２４：横架材
Ｆ：地表面
Ｇ：地盤
Ｈ：改質強化部
【図１】
2017078269.tif 000005
【図２】
2017078269.tif 000006
【図３】
2017078269.tif 000007
【図４】
2017078269.tif 000008