日本建築学会大会学術講演梗概集
（北海道）
年 月

○小林 恒一*1
小椋 仁志*1
和田 章*2

正会員
正会員
正会員
杭頭接合部

耐震設計

動的相互作用１．はじめに杭頭接合の歴史を振返ると、小径の杭を用いていた場
合には杭を地業と見なし、基礎部と杭の間には敷砂や捨てコンクリートなどにより縁が切られた工法が一般的であった。杭頭を基礎フーチングに埋め込みさせる場合でも、数 cm 程度の埋め込みで接合筋を設けない場合が一般的であった。この当時の杭は、基本的には鉛直支持性能のみを期待していた。その後、いくつかの地震被害を受け、杭頭部での損傷が明らかになるにつれて、杭自体は地震時の水平力も負担できる水平部材として考えられるようになった。
このような杭頭接合の歴史と地震被害事例の関係について調べると、1978 年の宮城県沖地震では杭頭部が大きく損傷した被害事例が多く見られ、杭の耐震設計として設計指針 1)が策定されることになった。この時、これまでの杭頭接合と基礎部の接合部における応力伝達について未解明な部分があったが、安全側の設計として杭頭を固定とする考え方が一般的となった。そのため、固定条件を満たす接合工法を標準の接合工法として、既製コンクリート杭では 10cm 以上の埋め込みと接合筋で杭頭を基礎部と一体化させることが一般的になった。しかし、1983年の日本海中部地震の地震被害事例調査 2)では、杭頭と基礎部が完全に緊結していない４階建て建物で杭頭に滑動が生じることにより（地震後に建物に約 15cm の残留変位有り）、杭および建物にほとんど被害が生じていなかった事例が見られた。また、兵庫県南部地震における杭の被害事例から、杭頭と基礎部の間をピンやローラー接合することにより、杭頭部の応力を低減させる工法も開発されるようになってきた 3）。
残留変位が残ることを問題にしなくて良い場合には、基礎部と上部構造を分離した工法および設計は合理的な基礎工法と成りうることが分かる。ここでは、その一つの工法として、1 次設計レベルでは杭と基礎フーチングの滑動を許容しない設計とし、水平力は杭で負担する（ただし、杭頭境界条件はピンあるいは半固定条件）設計とする。さらに、2 次設計レベルでは、水平力をすべて杭で負担すると高耐力の杭が必要となるので、ある程度の水平力までは杭（それ以上の水平力で杭頭と基礎部の滑動を許容する）に抵抗し、それ以上の水平力は他の水平抵抗要素（埋込み部、耐震杭など）を考慮しつつ杭との併用で負担する設計が合理的であると考えられる。
ここでは、このような杭頭接合工法を「杭頭縁切り工法」と呼ぶこととする。本報告では、「杭頭縁切り工法」の設計の考え方およびモデル建物の解析結果について述べる。
２．設計の考え方
杭頭縁切り工法に関する設計モデルを図―１に示す。
設計は建物の地震時の水平力を杭と埋込み部で抵抗することを基本としている。通常であれば、杭頭は基礎と緊結するが、ここでは杭頭と基礎部の間に緩衝材を設け、基礎部からあるレベルを超える水平力が作用した場合には、この緩衝材ですべりが発生し、それ以上の水平力は杭頭に作用しない機構とする。
ここで、上記の考え方を用いて設計する場合の設計条件は以下に示す。また、この設計の考え方に基づいた設計フローを図―２に示す。
＜設計条件＞
・１次設計時には、杭と基礎フーチング間の滑動を許容しない。また、杭頭は半固定とし、杭・基礎の設計はスタート許容応力度設計法とする。
・杭の基本設計・摩擦係数の設定
基本設計
・滑動許容値の設定
・建物の層せん断力と基礎・水平抵抗部材の選定
1次設計
有部分の慣性力は、杭と埋込滑動の有無の検討
み部（または水平抵抗部材）滑動有無の検討
無μ・Ｗ＞Ｑμ：摩擦係数によって抵抗すると考える。
Ｑ：杭頭短期総せん断力
杭の設計（上部せん断＋基礎慣性力）
杭頭固定度の評価
・２次設計レベルの大地震
Ｗ：地震時建物総重量
杭体断面の検討時には杭と基礎フーチング
基礎梁の設計間の滑動を許容する。ただし、免震効果等を建物の地 2次設計
有震時せん断力に反映させな
滑動の有無の滑動量算定用のモデル化検討
い。
無基本設計

＊滑動の有無の検討の考え方は１次設
計と同じ

２次設計
（杭・基礎）
基本設計

P
Q1

動的解析による応答値（滑動等）の算定滑動量の検討
許容値と応答値の比較

Q4
基本設計

Q2

偏心荷重による基礎の安全性の検討

Q3
総合評価

END

図―１ 設計モデル

図―２

設計フロー

A Study on Method of Pile Head Joint with Sliding Mechanism(Part1 Design Method and Model Analysis)
KOBAYASHI

Koichi,OGURA Hitoshi, WADA Akira

・隅柱、側柱に浮き上がりが生じないアスペクト比の建物に適用する（部分的な浮き上がりは許容する）。
・敷地は、建物とある程度の余裕のある場所とする。
3.解析モデル
４階の建物 4)を対象としたモデル解析を行った。ここでは、杭頭と基礎部のすべり荷重をパラメータとして、摩擦係数が 0.2,0.4 および固定の場合の 3 種類(case1,2,3)を考え、解析を行った。なお、図―２の設計フローに従い、杭種や杭長などの基本設計を行なっており、ここでは、２次設計における滑動量の算定に関する解析についてのみ報告を行なう。
3.1 解析概要
1)建物 対象としたモデルは、RC 造４F 階（Ｘ方向：ラーメン構造、Ｙ方向：耐震壁構造）の建物とした。平面形は 12m×48ｍ(1×8 スパン)であり、高さは 12m である。
建物の構造特性に関する諸定数は文献 4)に示す。
2)地盤および基礎・地盤 表層から GL-20m まではＮ値３の粘性層であり、ＧＬ−20〜30m がＮ値 20 の細砂層、GL-30m 以深ではＮ値 50 の砂礫層である。
・基礎 杭頭は GL―2.0m と想定し、杭は杭長 22m の既製コンクリート杭とした。杭種は、SC 杭(φ600,Ｌ＝7m)＋PHC 杭(φ600,Ｌ＝5m)＋PHC 節杭(φ600-450,Ｌ＝10m)とした。杭の長期許容支持力は 1200kＮ/本とし、中柱の基礎フーチングは 3 本、隅柱下は 2 本の杭で支持させた。
なお、杭以外の水平抵抗要素とし、深さ 1.5m の埋込み部を考慮した。
3.2 モデル化
滑動量算定モデルを図―３に示す。解析モデルは上部構造および基礎を多質点系モデル（剛性は弾性とする）

摩擦係数が 0.2 の場合には、最大滑動量は約 15cm であった。また、すべり変形に伴い、上部の応答加速度は低減する効果が見られた。Y 方向も同様な結果であった。
NOばねのモデル化
Q

K1

単杭の杭頭荷重−変位関係δて bi-linear 型にモデル化した。なお、終局モーメントに達した時点を最大耐力としたため、ピンの場合、中間のPHC 杭で最大耐力が決まるため、固定条件と最大耐力にあまり差が見られない。埋込み部のばねは、各振動方向に対して、前面受動抵抗 Qwy を文献 1)の方法で算定し、bi-linear 型でモデル化した。履歴特性について、杭は bilinear 型、埋込み部はスリップ型とした。表―1,2 には、杭と埋込み部のばねのモデルに関する定数を示す。
3.3 解析結果

4003002001000

埋込み部ばね図―３解析モデル

02468変位(cm）10

図―４ 杭頭荷重―変位関係

CASE1（μ＝0.2）

0.15
0.100.05
0.00-0.05-0.10-0.15
0.020.040.0

60.0

80.0

時間(sec）

CASE2（μ＝0.4）

0.15
0.10
0.05
0.00-0.05-0.10-0.15

121080.020.0

40.060.080.0

6CASE1（μ＝0.2）

4CASE2（μ＝0.4）

2CASE３（固定）時間(sec）
0.150.10
0.05
0.00-0.05-0.10-0.15

CASE3（固定）

000.0

20.0

40.0

60.0

80.036912

加速度（m/sec2）
Ｘ方向

時間(sec）

図―５

解析結果（X 方向）

４．まとめ1)杭頭部のすべりが許容される場合、地震時におけるその変形を検討する考え方を示した。
2)４階建ての建物の解析事例であるが、摩擦係数が 0.2程度でも、最大の滑動量は 15cm 程度であった。
＜参考文献＞
1)日本建築センター：地震力に対する建築物の基礎の設計、平成 3
年7月2)日本建築学会：1982 年浦河沖地震・1983 年日本海中部地震災害査報告書、PP.205〜219、1984 年 12 月
3)日本建築学会構造委員会基礎構造運営委員会：杭基礎の耐震性に入力地震波は建築センターのレベル２地震波を用いた。
以下に、基礎の変位波形と最大加速度分布を示す。

関する諸問題、PP.97〜110、2000 年 4 月4)日本建築学会近畿支部摩擦杭設計技術研究委員会：摩擦杭の設計

摩擦係数が小さくなるにつれて、滑動量は大きくなり、*1 ㈱ジオトップ 工博*2 東京工業大学 建築物理研究センター 教授

固定ピン
μ＝0.2μ＝0.4500

杭ばねは、図−４に示す単杭の杭頭せん断力―杭頭変位の関係数に応じた水平力を水平降伏耐力 Qpy とし、杭本数倍し

表―１ 解析定数（杭頭ばね）
摩擦係数 Qｐy（kＮ） Ｋ1（kＮ/m） Ｋ2（kＮ/m）
0.2 6.8E+03 5.0×10５ 1/100＊Ｋ１
同上
0.4 1.4E+04 3.4×10５
固定 1.5E+04 1.3×106 1/４＊Ｋ１

表―２ 解析定数（埋込み部ばね）
方向 Df（ｍ） Qｗy（kＮ） K１(kＮ/m） K2（kＮ/m）
Ｘ方向1.57.1E+02 7.1×104 1/100＊Ｋ１Y方向1.52.9E+03 2.9×10５ 1/100＊Ｋ１K2Qy

し、杭および埋込み部をばねでモデル化した。杭のばね（杭、地盤ともに非線形性を考慮）から、軸力に摩擦係

123工博―考え方と課題―、PP.87〜98、2003 年 3 月*1 GEOTOP Corporation, Dr.Eng.
*2 Prof., S.E.R.C., Tokyo Institute of Technology, Dr.Eng.