道路構造物基礎に用いるパイルド・ラフト工法の小規模橋梁の適用性研究
パイルド・ラフト研究会

1.はじめに本研究は，小規模橋梁を対象とした基礎設計について，経済的かつ効率的な設計法の提案を行うものである．
北陸地方の平野部は，中小河川の氾濫原にあり扇状地で形成されている．扇状地下流部は，Ｎ値が比較的低い砂地盤が厚く堆積し，その平野部の多くは，圃場として利用され，用排水が張り巡らされている．したがって，それら用排水を横断するための小規模橋梁多数存在している．
これら小規模橋梁は，市町村等の小規模自治体が設置することが多く，今後は既存橋梁の老朽化に伴い，橋梁の更新の増加が想定されるが，直接基礎が採用できない場合，杭基礎が選定され支持層が深く杭長が長くなり，上下部工のバランスが悪く，コスト増大が問題となる場合が多い．
また，近年，建築，土木に係る多くの分野で，設計基準の性能照査型設計法化が進められている中，小規模橋梁における要求性能を明確化し，コスト縮減を図る意義は大きい．そこで
本研究では，橋梁設計にパイルド・ラフトの設計概念を取り入れることで，橋梁建設コスト縮減に向けた取り組みを行うものである．
2.対象とする小規模橋梁
本研究で対象とする橋梁は，道路橋示方書1)

表1 対象橋梁の基本条件1)2)
項目
橋の重要度

対象橋梁
A種の橋橋の使用

橋長25m以下の単径間の橋（橋台背面は土を想定）

橋梁形式

鋼橋：単純合成H桁橋
PC橋：スラブ桁橋,軽荷重スラブ桁橋
Uコンポ橋

3.パイルド・ラフト工法概要
道路橋示方書 3)に基づく基礎設計では，フーチング，杭，地盤での相互作用が不明確ことから①1 基の下部構造には，異種の基礎形式を併用しない②全ての外力を杭で抵抗させることを原則としている．ただし，外力を全て杭で負担しているため，安全側な設計であり，画一的な設計となってしまいがちである．また近年設計基準の性能照査型設計法化が進められている中で，橋の要求性能に応じたより合理的な設計法としてパイルド・ラフト基礎の適用性を検証する．
ここでパイルド・ラフト基礎とは，直接基礎と杭基礎が複合してその両者で上部構造を支持する基礎形式であり，橋梁の要求性能が低い橋等ある程度の沈下を許容でき，基礎底面による地盤の抵抗力が期待できる場合に効果的な工法である．
パイルド・ラフト基礎は，既に建築基礎や海外においても適用されており，今後は道路構造物基礎においても活用が期待できる基礎形式である．

示される重要度がA種に区分される比較的小規模（橋長25.0m以下）かつレベル2地震動を考慮しない単径間橋梁とする．大規模橋梁は要求性能が高く，レベル2地震動まで考慮するため，地震時の水平荷重によって杭長が左右されることが多く，一方で小規模橋梁は，要求性能が比較的低く，支持力のみによって基礎が決定されることが多いため，パイルド・ラフトを適用した場合の効果が高い．

図 1 基礎形式概要

4.三次元変形解析プログラムを用いた検証
同一地盤において同一な構造を有するパイル

10m
4m

4m

1m
1m

1m

Pile 2

Pile 34m

Pile 11m

基礎と PG 基礎の変形解析を実施した．

D=1m礎）の挙動の差異を検討することを目的に， PR6m

ド・ラフト基礎（PR 基礎）と群杭基礎（PG 基VLML

L = 2 to 30 m2mHL

図2PRAB のモデル化概要

4-1.解析条件

図 4 解析モデル

本項では，PRAB(簡易三次元変形解析プログ

杭基礎の計算モデルは，基礎地盤構造物と外ラム)を採用した弾性解析結果を示す．なお

力の対象上面に基づいて，地盤と基礎構造物のPRAB は，すべてのラフト節点，杭節点での地半分をモデル化し解析を行った．

盤バネ同士の相互作用を考慮した解析プログラ

4-2.解析結果

ムであり，各バネの概要は図 3 の通りである．

(1)鉛直載荷時

また解析モデルは，図 4 に示すように鉛直荷重を受けた場合の沈下量は，N 値 5～6m×10m のラフト（フーチング）に直径 D =10 の地盤変化に対し急激な差があり，また杭長1m のコンクリート杭を 6 本配置させたものを想

15m 以上では PR 基礎と PG 基礎の差が小さ定し，杭長 L を 2, 5, 10, 15 ,20, 25, 30m の 7 種

く，杭長が長くなることでの沈下抑制効果が大に変化させた．ラフト材料は Ep = 2.8×107幅に低減している．また鉛直荷重に対するラフ(kPa)， p0.17 としほぼ剛体を想定する．また

トの荷重分担は，10%程度を示しており，沈下地盤条件は，砂地盤を想定し N 値=5,10,15,20 相量の関係と同様に杭長 15m 以上ではラフトの荷当の計 4 パターンに対し，道路橋示方書に準重分担はほぼ変化しない．これは，杭長が増加

じ，Es = 2800N (kPa)より弾性係数 Es を設定

すると荷重の大半が剛性の大きい杭に分担さし， s0.30 とした．

れ，杭周面の摩擦力によって沈下が抑制されているためと考えられる．
(2)水平載荷時
水平荷重を受けた水平変位量は，PG 基礎とPR 基礎の差が顕著に表れている．特に N 値が 5～10 の地盤変化に対して，両者の差が大きい．
但し杭長 10m 以上では水平変位に対する抑制効果が小さい．これは，N 値＝5 程度では，杭に作用する応力が大きいためと考えられる．また杭長が長くなると杭の剛性により荷重が負担される一方で，水平荷重に対してはラフトが負担す

図3

PRAB のモデル化概要 4）る荷重分担率が高く（50%程度）杭長による効果が低くなったと考えられる．したがって，PR基礎では杭の剛性によって負担しきれない水平荷重をラフトによって大きく負担できる．
転倒モーメント荷重を受けた場合の水平変位量は，PG 基礎と PR 基礎の差が顕著に表れており，杭長 5m をピークに水平変位量は減少する
また．よって PR 基礎では，水平載荷時と同様ラフトが受け持つ応力が大きく，転倒モーメント載荷時にも有効である．ただし杭長が短いもしHorizontal dispp., u (mm)(3)転倒モーメント載荷時

12PG, N= 5PG, N=10PG, N=15PG, N=2010PR, N= 5PR, N=10PR, N=15PR, N=2086HL = 1000 kN
42くは地盤がゆるい場合ラフトと杭で荷重を支え0きれず，地盤方向へ杭が押し込まれる．よって

05水平変位量が小さくなる一方でラフトの傾きがPG, N=5PR, N=5PG, N=10PR, N=10PG, N=15PR, N=15PG, N=20PR, N=20Settlement, w (mm)

VL = 1000 kN
6420510152025Pile length, Lp (m)2025301.0HL = 1000 kN
N= 5N = 10N = 15N = 200.80.60.40.20.0030

図 5 鉛直載荷時の杭長と沈下量の関係(PRAB)

5101520Pile length, Lp (m)2530

図 8 水平載荷時の杭長とラフト負担率の関係(PRAB)

0.6

1.0PG, N= 5PG, N=10PG, N=15PG, N=20VL = 1000 kN
Horizontal dispp., u (mm)Proportion of load supported by raft

Proportion of load supported by raft

8N= 5N = 10
N = 15N = 200.8
0.60.40.20.015

図 7 水平載荷時の杭長と水平変位量の関係(PRAB)問題となる．

010Pile length, Lp (m)0.55101520Pile length, Lp (m)2530

図 6 鉛直載荷時の杭長とﾗﾌﾄ負担率の関係(PRAB)

Moment =1000 kN m0.40.30.20.10.00PR, N= 5PR, N=10PR, N=15PR, N=2005101520PIle length, Lp (m)2530

図 9 転倒ﾓｰﾒﾝﾄ載荷時の杭長と水平変位量の関係(PRAB)

5.弾性 FEM 解析による検証
5-1.解析条件

2.0

本項では，前項同様の解析モデルおよび載荷条件を用いた，基礎地盤 N 値 = 20 相当の砂地盤の弾性 FEM 解析結果について述べる．解析コードには，PLAXIS 3D5)を用いた．図 10 は，地盤と基礎の三次元有限要素モデルである．

Settlement, w (mm)

VL = 1000 kN,N=201.20.80.4051015202530

Pile length, Lp (m)Pile 1

図 11 鉛直載荷時の杭長と沈下量の関係

Pile 360m

Pile 2図 10 三次元 FEM 解析モデル

5-2.解析結果
(1)鉛直載荷時
図 11 は，鉛直荷重に対する杭長 Lp と基礎のProp, vert.load supported by piles

120m

Piled raft (PR)
Pile group (PG)

0.0

Raft

50m

1.6

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.00

沈下量の関係である．PR 基礎における Lp=0 の結果は，直接基礎の沈下量である．PR 基礎およVL = 1000 kN,N=20

Piled raft

51015202530

Pile length, Lp (m)
図 12 鉛直載荷時の杭長と杭荷重分担率の関係

び PG 基礎ともに，杭長が長くなるに伴い基礎-5減効果が小さくなる．また，杭長 10m 程度まで杭長が必要なのに対し，PR 基礎では 5m の杭長0020担率である．杭長 15m を超えると杭の荷重分担30率 80%程度に収束してくる．PG 基礎の，杭の荷50100150200

Pile151525

図 12 は，PR 基礎における杭長と杭の荷重分

図 13 は，PR 基礎および PG 基礎における15Pile110で十分である．

重分担率は，杭長に関わらず 100%である．

10VL=1000kN
N=20PR, Lp=10PG, Lp=10PR, Lp=30PG, Lp=30

Depth from G.L. (m)

下量が 1.2 mm であるなら，PG 基礎では 8m の55Depth from G.L. (m )沈下量に有意な差は見られない．仮に，許容沈00は，PG 基礎よりも PR 基礎の沈下抑制効果が見て取れるが，杭長 10m 以上では基礎形式によるAxial force (kN)

Bending moment (kN m)

沈下量は減少するが，杭長 15m 以上では沈下低1015202530VL=1000kN
N=20PR, Lp=10PG, Lp=10PR, Lp=30PG, Lp=30

図 13 杭の応力深度分布

杭長 10m では，PR 基礎の杭頭モーメントおよび軸力共に，PG 基礎の約 70%程度に低減されてPile 1 (corner pile)のモーメント分布および軸力いる．

分布である．杭に発生するモーメントおよび軸(2)水平載荷時力は，PR 基礎が PG 基礎と比較して小さくなっ

図 14 は，水平力 HL = 1000kN を載荷したときている．杭長 30m では，その差は小さいが，の，杭長と水平変位 u の関係である．また，図 15

は，杭長と杭の荷重分担率の関係である．

基礎両端の杭の深度分布で，Pile 2 は基礎中央のPR および PG 両基礎形式ともに水平荷重に対杭である．中央杭に比較し，両端杭の方が杭頭にする水平変位は，杭長 10m 程度でほぼ一定とな発生するモーメントが大きい．また，PR 基礎のり，それ以上杭長を増しても水平変位の抑制効

杭頭モーメントは，PG 基礎の杭よりも，モーメ果は小さい．また，PG 基礎と PR 基礎を比較すントが減少する．

ると，同一杭長の場合，PR 基礎は PG 基礎のBending moment (kN m)-100 -5080%程度の変位量に減少する．特筆すべきは，位となっている．
これは，図 15 に示すように， PR 基礎において杭自体は，水平荷重の 20%程度しか負担しておらず，約 80%はラフトが負担しているため，PR 基

Depth from G.L. (m)

杭長 5m の PR 基礎と杭長 30m の PG 基礎の水平変位が，ともに u = 2.1mm で，同等の水平変礎と PG 基礎に大きな違いが出たと考えられる．

050Pile 2HL=1000kN
N=201520PR, Lp=10m
PG, Lp=10m
PR, Lp=30mPG, Lp=30m30PR, Lp=10mPG, Lp=10m
PR, Lp=30mPG, Lp=30m

図 16 水平載荷時の杭曲げモーメント深度分布(3)転倒モーメント載荷時
図 17 は，転倒モーメント載荷時の杭長と水平4.0

Horizontal disp., u (mm)-100 -50

1025あると考えられる．
メント深度分布である．Pile 1 および Pile 3 は，

50

Piles 1 & 3
5 HL=1000kN
N=20つまり，ラフトによる水平変位抑制効果が顕著で
図 16 は，水平力載荷時の杭体に発生するモー00

3.5

HL = 1000 kN,N=20変位の関係である．また，図 18 は，杭長と基礎の3.0

Piled raft (PR)
Pile group (PG)

傾斜角の関係である．図 17 に示すように，転倒2.5

モーメント荷重に対する水平変位は，鉛直荷重時2.0と同様に，15m 程度でほぼ一定となり，それ以上1.5杭長を増しても水平変位の抑制効果は小さい．同

1.0

様に基礎の傾斜角も，図 18 に示すように杭長0.515m 程度でほぼ一定となる．一方，基礎形式の違0.00510152025いにおいては，杭長 15m までは，ラフトの効果が

30

Pile length, Lp (m)確認できるが杭長 15m を超えると同様の挙動を

図 14 水平載荷時の杭長と水平変位の関係示す．

1.00.4

HL = 1000 kN,N=20ML = 1000 kNm,N=20Horizontal disp., u (mm)Prop, hor.load supported by piles

Piled raft
0.8

0.60.40.2

Piled raft (PR)
Pile group (PG)

0.30.20.10.00.0051015202530Pile length, Lp (m)
図 15 水平載荷時の杭長と荷重負担率の関係

051015202530Pile length, Lp (m)

図 17 転倒ﾓｰﾒﾝﾄ載荷時の杭長と水平変位の関係

図 19 は，モーメント載荷時の引抜き側 Pile 1とに関連すると思われる．また，水平変位と同様杭体に発生する軸力深度分布である．転倒モーに，杭頭付近に発生する曲げモーメントおよび軸メント載荷時も水平力載荷時と同様に，PR 基礎

力は，PG 基礎と比較して PR 基礎は，大幅に減と PG 基礎を比較すると，PR 基礎での発生軸力少する．さらに，転倒モーメントに対しても，同が，かなり小さく，杭長 10m では，顕著に減少様な傾向が見て取れる．

している．

従来，パイルド・ラフト基礎形式は，地震力などの水平外力や基礎地盤の液状化に対する挙動

Inclination θ(rad)x 10-30.10

ML = 1000 kNm,N=20が不明確なことから，直接基礎の沈下低減や不同

Piled raft (PR)
Pile group (PG)

沈下対策のみの部材とみなす設計法が主流であ

0.08

0.06

ったが，今回の一連の解析結果から，ラフト抵抗を考慮することにより，比較的短い杭でも従来の0.04群杭で採用される長尺杭と同等の水平抵抗性能を有することが認められ，耐震設計にも高い期待0.02が出来ると考えられる．また各荷重載荷ケースに0.00
051015202530

Pile length, Lp (m)で杭に作用する応力や変形量が軽減されるため，

図 18 転倒ﾓｰﾒﾝﾄ載荷時の杭長と基礎傾斜角の関係-60-30Depth from G.L. (m)030

Pile1ML=1000kNm
N=205

建設コスト縮減（経済的，工期短縮）が期待できる．

Axial force (kN)
0おいて，パイルド・ラフト基礎形式を用いること

今後は，動的解析や弾塑性解析を用いた，パイルド・ラフト基礎を適用した場合の地震動や液状化時の検証，構造物の要求性能にあわせた許容変位量の立証を行うことで，北陸地域における小規10模橋梁へのパイルド・ラフト基礎適用に向けて取152025り組みたい．
謝辞
PR, Lp=10PG, Lp=10PR, Lp=30PG, Lp=3030

図 19 転倒ﾓｰﾒﾝﾄ載荷時の杭の軸力深度分布

本研究は，一般社団法人 北陸地域づくり協会の第 21 回「北陸地域の活性化」に関する研究助成事業の研究援助 を受けて実施した．研究を行うにあたり協力して頂いた関係者の方々に謝意を表する．

６.解析結果の評価および今後の展望
今回の解析条件の範囲内ではあるが，鉛直荷重に対しては杭長が 10m 以下の場合，許容沈下量の設定によっては，PR 基礎の杭長は，PG 基礎に比べて 30~50%低減することが可能である．
また水平荷重に対する水平変位は，杭長 5m のPR 基礎の水平変位と，杭長 30m の PG 基礎が同じ水平変位となっており，PR 基礎の水平変位耐力は，顕著に大きいと考えられる．これらは，杭の水平荷重分担率が，杭長が 10m 以上で，約 20%程度に収束し，約 80%はラフトが負担しているこ

参考文献
1) 社団法人日本道路協会,道路橋示方書･同解説Ⅴ耐震設計編, 20122) 北陸地方整備局,設計要領[道路編], 20123) 社団法人日本道路協会,道路橋示方書･同解説Ⅳ下部構造編, 2012
4) Pastsakorn

Kitiyodom ,SIMPLIFIED ANALYSIS OF

PILED RAFT FOUNDATIONS SUBJECTED TO ACTIVE
LOADING AND PASSIVE LOADING, 2004
5) PLAXIS 3D User’s Manual