戸田建設

技術研究報告第31号

地盤条件を考慮した連続地中壁と杭による複合基礎に関する研究

金子
東口

保井治 *1
剛 *2

伊勢本昇昭 *1
流田隆 *2
佐野 大作 *1

美敏 *1

概要

軟弱地盤に建設される超高層建物の基礎構造の一つとして、円形杭をボックス状に配置した連壁杭で囲んだ複合基礎がある。複合基礎にすることにより、基礎の応答変位や上部構造物の揺れの低減効果が期待できる。軟弱層の下位に N 値から判断する限り杭の支持層としては不十分であるが比較的剛性の大きな中間層があり、その下位に支持層が堆積するような地盤を対象にした複合基礎に関する検討を実施した。このような地盤では、水平剛性の大きな連壁を、支持地盤まで根入れせず中間層までとし、鉛直支持力は杭に負担させることが複合基礎の合理化に繋がることから、中間層までの連壁（改良型複合基礎）とした場合について解析的に検討した。その結果以下のような結論が得られた。
１）杭基礎に対する複合基礎の頭部水平変位量の減少割合は連壁の長さに依存し、中間層の影響はほとんど受けない。連壁長さ 15m の改良型複合基礎の頭部水平変位量は、杭基礎に対し大きく減少し、41m のオリジナル複合基礎に対し2 倍以下となる。
２）基礎部の最大加速度応答値は、改良型複合基礎では、杭基礎の 8 割程度の値となる。
３）杭基礎では剛性が変化する中間層に応力集中するのに対し、改良型複合基礎では応力集中は小さくなる。
４）軟弱層が支持地盤まで続き中間層が存在しない地盤で連壁を短くすると、杭の連壁先端部位置で最大曲げモーメント程度の大きさの応力集中が生じる。

Study on Composite Foundation of Wall and Piles
Considering Site Ground Condition
Mitoshi YASUI*1
Osamu KANEKO*1
Tsuyoshi HIGASHIGUCHI*2

Noriaki ISEMOTO*1
Takashi NAGAREDA*2
Daisaku SANO*1

A composite foundation of wall and piles is employed foundation work of tall building constructed at soft soil site.
composite foundation is expected to reduce foundation displacement.
foundation and pile foundation considering site ground condition.

TheThis paper presents rational application for composite

The results are summarized as follows;

1) The static lateral displacement ratio composite foundation to a pile foundation depends on length of wall. The displacement offoundation for 15m length of wall is twice the one for 41m length of wall.
2) The maximum response acceleration for a composite foundation of 15m length wall is under 80% that for the pile foundation.
3) For the concentration of bending moment on pile, the pile foundation occur at the boundary of soft soil and hard soil, the composite
foundation of the 15m length dose not occur.
4) On the soft ground site, the composite foundation for 15m length wall occur contrition of bending moment at the edge of wall. The
value of concentration bending moment is nearly same one of maximum pile bending moment.

*1
*1

*2
技術研究所
構造設計部
*2
Technical Research Institute
Structural Engineering Dept.

1地盤条件を考慮した連続地中壁と杭による複合基礎に関する研究

地盤条件を考慮した連続地中壁と杭による複合基礎に関する研究

保井金子
東口

美敏 *1
治 *1
剛 *2

伊勢本昇昭 *1
流田隆 *2
佐野 大作 *1

的剛性の大きな中間層（以降「中間層」と称す）が軟弱

１．はじめに複合基礎は、建物を支持する基礎杭の外周部をボック層の下位にあり、更にその下位に N 値 50 を超える安定ス状に配置した連続地中壁（以降「連壁」と称す）で取した支持層が堆積するような地盤を対象にした。このより囲んだ工法である。連壁の高い水平剛性により、応答うな地盤では、水平剛性の大きな連壁を、支持地盤まで変位の低減効果や液状化対策効果が期待できるだけでな根入れ（図 1(a)）せず中間層まで（図 1(b)）とし、鉛直く、上部構造の揺れを低減できる可能性がある。筆者ら支持力は杭に負担させることで、連壁の水平抵抗力を減は、このような複合基礎の有効性を実験的に検証する目

少させることなく、連壁（主として水平力負担）と杭（主的で、遠心載荷装置を用いた動的実験を実施し、その結として鉛直力負担）の特性を生かした複合基礎が適用で1) 〜 6)。また、複合基礎と比較用のきる可能性が大きい。ここでは、中間層までの長さの連杭基礎との水平剛性の違いを確認するとともに、地震力壁と支持層に根入れした杭の複合基礎（図 1(b)：改良型に対する連壁および連壁に囲まれた内部地盤や内部杭の複合基礎）の有効性について、連壁を支持層に根入れし挙動を把握し、複合基礎としての抵抗機構を明らかにすた複合基礎 ( 図 1(a)：以降「オリジナル複合基礎」と称す )る目的で、遠心力場における静的実験を実施し、静的な及び杭基礎（水平力、鉛直力ともに杭で負担）と比較検抵抗機構について明らかにしてきた 7) 〜 9)。

討する。

果について報告した

本報告では、連壁と杭の特性を考慮した地盤条件に応じた複合基礎の合理的な適用を目的として、有限要素モ

３．有限要素モデルを用いた静的解析による検討

デルを用いた静的解析による基礎変位量に関する検討、検討対象とする中間層が存在する地盤構成は表 1 に示

2 次元弾性 FEM による動的効果に対する検討 10) を解析

す通り、14m 以深に中間層、40m 以深に支持層を想定しており、中間層から深度方向に剛性が大きくなる構成的に行った。

（CASE1）と中間層の下にやや剛性の小さい層が存在する（CASE2）地盤構成とした。また、比較のために中２．地盤条件を考慮した複合基礎の概念

間層がない地盤構成（CASE3）も検討した。

連壁と杭の複合基礎において、地震時水平力の大部分

表1は連壁が負担している。ここでは、連壁と杭の特性を利検討対象地盤構成用し、連壁を短くした複合基礎（以降「改良型複合基礎」と称す。
）について検討した。しかし、水平抵抗力を大きくするため、外周に比較的短い地中補強壁を設置した
文献では、外周壁下端部位置での杭への応力集中が報告されている 11)。このようなことから、ここでは、地盤構成を考慮し、一連の検討を実施することとした。
具体的な地盤条件として、図１に示すような、N 値か対象複合基礎の平面形状は 42m × 42m で、厚さ 1.5m

ら判断する限り杭の支持層としては不十分であるが比較の連壁と軸径 2.5m の内部杭で構成されている。内部杭の間隔は 6.0m である。解析モデルは図 2 に示す 1/4 断面の有限要素モデルを用いており、弾性解析を実施した。
改良型複合基礎は軸径 2.2m の外周杭が 6m 間隔で連壁に沿って配置されている。また、杭基礎は杭頭部分も軸径と同じストレート杭とした。
連壁はシェル要素、杭は梁要素として、それぞれに地盤ばねを接続した。内部地盤と連壁の摩擦ばねは静的実験結果を基に考慮していない 8)。連壁内の地盤と内部杭の地盤ばねも動的実験結果から地震時には、ほとんど一

図1*1

緒に挙動することが明らかになっているが 5)、慣性力時中間層をもつ地盤での複合基礎の概念

技術研究所*2構造設計部2戸田建設のみの挙動は明らかになっていないので、本検討では考４．2 次元 FEM による動的検討慮することとした。

4.1技術研究報告第31号

動的遠心模型実験のシミュレーション解析

解析は CASE1 〜 CASE3 のそれぞれで、連壁を支持動的効果の検討に用いる解析モデルについて、遠心層（GL-40m）に根入れしたオリジナル複合基礎、中間模型実験結果をシミュレーションすることにより検討し層 (GL-14m) までとした改良型複合基礎、杭基礎の 3 タた。

イプの基礎形式について実施した。連壁の根入れは 1 ｍ

図 4 に示す実験装置を用いた 50G 場での動的遠心載とし、改良型複合基礎は連壁長 15 ｍ、オリジナル複合荷実験（実験詳細は文献 2）を参照）結果について、2基礎は 41 ｍとなっている。

次元弾性 FEM によるシミュレーション解析を実施した。

連壁頭部水平変位量（以下「基礎変位量」と称す）に連壁のモデル化は、面外壁はビーム要素に、面内壁は面ついての結果を図 3 に示す。結果はオリジナル複合基外壁に接続する平面応力要素とした。地盤の剛性と減衰礎の基礎変位量との比で示している。これより、いずれは、事前に地盤のみで実施した動的遠心載荷実験の結果の CASE も連壁長 15 ｍ以上の場合には、杭基礎（連壁をスペクトルフィッテングで評価した値と動的三軸試験長 0m）に対し基礎変位の低減効果が顕著で、オリジナ結果を参考に決定した。

ル複合基礎に対してもており 2 倍以下の変位となってお結果の一例として上部構造物周期 2 秒（1G 場）のり、静的に水平剛性が大きいことがわかる。杭基礎に対複 合 基 礎（ 入 力 16.3G(50G 場 )） 及 び 杭 基 礎（ 入 力する基礎変位量の減少割合は連壁の長さに依存し、中間5G(50G 場 )）について、基礎部（図 4 参照）の応答加層の影響はほとんど受けないことがわかる。

速度波形 (50G 場 ) の主要動部と擬似応答スペクトル (1G場に変換 ) を図 5 に示す。応答加速波形は、両者共比較的良く対応している。擬似速度応答スペクトルは、複合基礎では 0.5 〜 1.0 秒付近でシミュレーション結果がやや大きいもののほぼ良い対応を示し、杭基礎では良い対応を示している。

図4

図2

実験装置概要と比較位置

有限要素モデル（改良型複合基礎の CASE）

図3

連壁長さと変位量

図53

応答加速度波形と擬似応答スペクトル

地盤条件を考慮した連続地中壁と杭による複合基礎に関する研究

4.2

基礎部について、改良型複合基礎、杭基礎のオリジナ中間層がある地盤のケーススタディ

動的実験結果のシミュレーションを行った 2 次元

ル複合基礎に対する擬似速度応答スペクトル比を中間層

FEM 弾性解析により、中間層がある地盤について解析がある CASE1, CASE2 について図 9 に示す。いずれの的に検討した。解析対象とする地盤構成は静的解析を実CASE でも 1 秒付近より短周期側で、杭基礎のスペク施した地盤と同様（表１参照）で、15m 以深に中間層、トル比は１より大きくなっており、複合基礎の効果が表40m 以深に支持層を想定しており、中間層から深度方れている。改良型は杭基礎同様 1 秒付近より短周期側で向に剛性が大きくなる構成（CASE1）、中間層の下位に1 より大きくなるが、その程度は杭基礎より小さく複合やや剛性の小さい層が存在する構成（CASE2）、比較の基礎の効果が表れている。

ために軟弱層が支持層まで続く (CASE3) 地盤構成とした。
解析モデルを図 6 に示す。建物は一質点に置換した ( 固有周期 1.2 秒 )。各 CASE は、連壁が支持層までのオリジナル複合基礎のケースと、中間層までの改良型複合基礎（CASE3 は連壁長さを中間層位置と同じとした）のケース、杭基礎のケースの 3 ケースとした（図 6 の表参照）。減衰は地盤 5%、建物 3% とし、入力地震動は臨海波を用いた。
解析ケース一覧
䉥䊥䉳䊅䊦 ᡷ⦟ဳ᧮ၮ␆ⶄวၮ␆ ⶄวၮ␆㪚㪘㪪㪜㪈䂾䂾䂾㪚㪘㪪㪜㪉䂾䂾䂾㪚㪘㪪㪜㪊䂾䂾䂾ၮ␆ㇱᔕ╵Ყセ૏⟎

᧮ No.4,3,2,No.1ᡷ⦟ဳ

15m

㧜-15()ࠝ࡝ࠫ࠽࡞ਛ㑆ጀ

40m-40ᡰᜬጀ

図7࿾㔡ᵄ౉ജ

図6基礎部の加速度波形と応答スペクトル（CASE1）解析モデルと解析ケース

㪚㪘㪪㪜㪈㪚㪘㪪㪜㪉
㪚㪘㪪㪜㪊

㪈㪅㪇

᧮ၮ␆䈮ኻ䈜䉎 Ყ

CASE1 のオリジナル複合基礎、改良型複合基礎、杭基礎の基礎部応答加速度波形とその応答スペクトルを図7 に示す。オリジナル複合基礎、改良型複合基礎ともに杭基礎より全体的に小さな応答になっており、応答スペ

㪇㪅㪏

㪇㪅㪌

㪇㪅㪊

クトルでみれば、1 秒付近より短周期側でオリジナル複(a) ၮ␆ㇱ

合基礎、改良型複合基礎とも杭基礎より小さくなってい㪇㪅㪇㪇

ることがわかる。

㪌㪈㪇㪈㪌㪉㪇 㪉㪌 㪊㪇ㅪო䈱㐳䈘㩿㫄㪀

㪊㪌

㪋㪇

㪋㪌

㪊㪌

㪋㪇

㪋㪌

基礎部と建物の杭基礎に対する最大応答加速度の比と㪈㪅㪇連壁先端長さの関係について図 8 に示す。いずれのケースも、基礎部及び建物とも連壁長さ（0m が杭基礎）が᧮ၮ␆䈮ኻ䈜䉎 Ყᷓߐ (m)エᒙጀ

深くなると最大応答加速度が減少している。連壁が中間層位置までの長さでは、建物の最大応答加速度は中間層に依存せずいずれの CASE もほぼ同様な値であるが、基礎部の最大応答加速度は、中間層がある CASE1,㪇㪅㪏㪚㪘㪪㪜㪈㪚㪘㪪㪜㪉㪚㪘㪪㪜㪊㪇㪅㪌㪇㪅㪊

CASE2 では軟弱層が続く CASE3 よりも大きく減少し、杭基礎の 70 〜 80% となっている。中間層がある地盤(b) ᑪ‛㪇㪅㪇㪇

では、改良型複合基礎とすることが、最大応答値からも有効であることがわかる。

図84㪌㪈㪇㪈㪌㪉㪇 㪉㪌 㪊㪇ㅪო䈱㐳䈘㩿㫄㪀

最大応答加速度の比較（杭基礎に対する比）戸田建設

技術研究報告第31号④軟弱層が支持地盤まで続く中間層が存在しない地盤で連壁を短くすると、杭の連壁先端部位置で最大曲げモーメント程度の大きさの応力集中が生じる。

図9擬似速度応答スペクトル比

各 CASE について、杭基礎と改良型複合基礎の内部杭の最大曲げモーメント分布（杭 No は図 6 参照）を杭基礎の最大曲げモーメント値（杭 No.2 の杭頭部の値）との比で図 10 に示す。中間層がある地盤の杭基礎は、いずれの CASE でも中間層位置で応力集中が生じている。その大きさは CASE2 で大きく最大曲げモーメントの約 50% である。一方、改良型複合基礎ではいずれのCASE でも応力集中は小さく、杭頭曲げモーメントの大きさも約 25% となっており、オリジナル複合基礎の実験結果と同様な値 4) となっている。
軟弱層が支持地盤まで連続する CASE3 では、杭基礎には応力集中が生じていないが、改良型複合基礎には、連壁先端部位置で最大曲げモーメント程度の大きさの応力集中が生じている。このように、杭基礎の応力集中の面からも地盤条件を考慮した改良型複合基礎が有効であることがわかる。

４．まとめ
3 次元の有限要素モデル及び 2 次元弾性 FEM による解析的検討から、比較的剛性の大きな中間層が堆積する地盤条件の場合には、連続地中壁を短くした改良型複合基礎（支持地盤に対し 40％程度の長さ）に関して以下の結論が得られた。
①杭基礎に対する基礎変位量の減少割合は、連壁の長さに依存し、中間層の影響はほとんど受けない。連壁長15m の改良型複合基礎は、41m のオリジナル複合基
礎に対し 2 倍以下の基礎変位量となる。
②基礎部の最大加速度応答値は、改良型複合壁基礎では杭基礎の 8 割以下となる。
③杭への応力集中では、杭基礎では剛性が変化する中間層との境界で応力集中するのに対し、改良型複合基礎では応力集中は小さくなる。

図 105最大曲げモーメント分布

地盤条件を考慮した連続地中壁と杭による複合基礎に関する研究

今後は、建物や基礎部の応答特性に対する影響を明らかにし、改良型複合基礎の有効性をより明確にしていくことが重要である。
本報告で掲載した内容は、戸田建設・西松建設共同研究プロジェクトに於いて実施されたものである。本プロ
ジェクト共同研究者である西松建設技術研究所、武内義夫氏、宮崎啓一氏、萩原敏行博士、今村眞一郎氏、新井寿昭氏に深甚なる謝意を表します。
謝辞：本研究の実施にあたって、東京工業大学工学部建築学科時松孝次教授に貴重なご意見、ご指導をいただきました。記して謝意を表します。
【参考文献】
1),2) 保井、新井他：連続地中壁と杭の複合基礎に関する動的遠心模型実験（その 1, 2）、第 38 回地盤工学研究発表会、
20033),4) 保井、新井他：連続地中壁と杭の複合基礎に関する動的遠心模型実験（その 3, 4）、日本建築学会大会学術講演梗概集、
20035),6) 保井、新井他：連続地中壁と杭の複合基礎に関する動的遠心模型実験（その 5, 6）、第 39 回地盤工学研究発表会、
20047),8),9) 伊勢本、新井、保井他：連続地中壁と杭の複合基礎に関する静的遠心模型実験（その 1 〜 3）、日本建築学会大会学術講演梗概集、2004
10）保井、伊勢本他：連続地中壁と杭の複合基礎に関する研究、
日本建築学会学術講演梗概集、2005
11）長瀧、妹尾：建物周囲に設置した地中壁による杭基礎の水平力低減効果、日本建築学会構造系論文集、第 467 号、
1995

6