戸田建設

技術研究報告第32号

パイルド・ラフト基礎に関する大型模型実験
その２

パイルド・ラフト基礎と直接基礎の比較実験
伊勢本昇昭 *
金子治*
佐野 大作 *

保井美敏 *

概要

パイルド・ラフト基礎は、杭の沈下抑止効果を期待した合理的な基礎工法として、主として中低層建物で使用実績を増やしている。ここでは、同一試験体を用い、鉛直と水平について、パイルド・ラフト基礎と直接基礎の比較実験を砂質土地盤、粘性土地盤を対象に行い、沈下抑止効果と水平載荷時挙動について検討した。その結果以下のような結論が得られた。
１．鉛直載荷実験のパイルド・ラフト基礎杭鉛直荷重分担率は、砂質土地盤の場合は最大荷重時で 40％弱、粘性土地盤の場合は 30％程度であった。
２．鉛直載荷実験では、砂質土地盤では荷重の増加にともない軸力、杭周面摩擦力とも増加するが、粘性土地盤では荷重が大きくなると増分がみられなくなった。
３．長期鉛直載荷実験では、即時沈下はもちろん、圧密沈下に対してもパイルド・ラフト基礎による沈下抑止効果を確認することができた。
４．水平載荷実験では、粘性土地盤で変位 1.3mm、砂質土地盤で変位 1.6mm 付近においてパイルド・ラフト基礎のラフトと杭の分担率が逆転しており、大きな変位では杭の分担率が大きくなっていた。
５．振動台実験では、応答水平加速度のフーリエスペクトル比により比較すると、パイルド・ラフト基礎と直接基礎は、振動数範囲（10Hz まで）の挙動がほぼ同等になっていた。

Large Scale Model Tests of Piled Raft Foundations
Part 2 Comparison of Piled Raft and Raft Foundations
Mitoshi YASUI*
Osamu KANEKO*

Noriaki ISEMOTO*
Daisaku SANO*

Piled raft foundations have been applied as an economical foundation system, for low-to-mid-rise buildings with deeply depth ofbearing stratum. Comparative tests were performed on models of piled raft with four piles and the plain raft for dry sand and saturated
low liquidity silt. The tests were vertical loading tests, horizontal loading tests and shaking table tests. The results are summarized asfollows;
1. The vertical load proportions carried by piles on vertical loading tests were less 40% for sand and less 30% for silt at maximum
loads.
2. The axial loads and skin frictions of piles for sand increased by loads of tests, but those for silt were constant at large loads.
3. The piled raft foundations were effective for settlement due to consolidation.
4. The horizontal load proportions carried by piles on horizontal loading tests were 50% at 1.3mm of lateral displacement for silt and
1.6mm of lateral displacement for sand.
5. Fourier spectrum ratios to table lateral acceleration of two foundations were nearly equal values range from 0.5Hz to 10Hz.

**

戸田建設（株） 技術研究所
Technical Research Institute, Toda Corp.

1

パイルド・ラフト基礎に関する大型模型実験

その２

パイルド・ラフト基礎と直接基礎の比較実験

パイルド・ラフト基礎に関する大型模型実験
その２

パイルド・ラフト基礎と直接基礎の比較実験
保井金子

美敏 *
治*

伊勢本昇昭 *
佐野 大作 *

はジャッキを使用し変位制御とした。鉛直載荷実験および１．はじめに
パイルド・ラフト基礎は、杭の沈下抑止効果を期待し水平載荷実験をそれぞれ砂質土地盤と粘性土地盤で行った合理的な基礎工法として、主として支持層の深い中低た。水平載荷実験時の上載荷重は直接基礎と同様である。

層建物で採用されることが多い。パイルド・ラフト基礎に関する実験的研究に関しては、これまで直接基礎との2.2振動台実験概要

比較実験によって沈下抑止効果を検証した事例が多数報

図− 2 に振動台実験の実験装置および計測器配置概要

告されている 1-3）｡ さらに、地震時の挙動を把握するため、を示す。パイルド・ラフト基礎および直接基礎が静的載

静的な水平載荷実験 2-5）、1g 場 6） および遠心場 7） での荷実験時と同様に図− 2 に示すように設置されている。

振動台実験と水平荷重に対する解析方法

8）

計測項目はラフト部の変位、加速度、杭のひずみ、地盤の提案がな加速度、枠の変位などである。

されつつある。
ここでは、同一試験体を用いて、鉛直、水平のパイルド・実験ケースを一覧して表−１に示す。実験は、上載荷ラフト基礎と直接基礎の比較実験を、砂質土地盤、粘性重が 33.6kN（重り 28.5kN+ ラフト自重 5.1kN）で4ケー土地盤の両地盤を対象に行い、沈下抑止効果と水平載荷ス、5.1kN（ラフト自重のみ）で 5 ケースの合計 9 ケー時挙動について検討した。粘性土地盤では長期鉛直載荷スである（上載荷重は両基礎とも同じ条件）。振動台へ実験、砂質土地盤では振動台水平加振実験も実施した。の入力波形は、スウィ−プ実験のための振動数を 0.5 〜20Hz で連続的に変化させる Sine 波形と、最大値を調整した地震動波形の 2 種類である（表− 1 参照）。

２．実験概要2.1

静的載荷実験概要

図−１にパイルド・ラフト基礎の実験模型概要と計測計器配置図を示す。実験は砂質土地盤と粘性土地盤の 2種類の地盤で実施した。実験土槽、地盤概要、試験体概要はその１9）に示した通りである。また、模型杭には同図中に示した位置にひずみゲージを貼付している。杭の設置は、砂質土地盤ではあらかじめ冶具で杭を固定して地盤を作成し、粘性土地盤では上載荷重による圧密終了後にジャッキによって静的に圧入した。パイルド・ラフ
ト基礎は、４本の鋼管杭を併用しており、杭を先行して設置した後に、箱抜きして製作したラフトを杭に被せ、さらにボルトで固定した後に無収縮モルタルを打設して杭とラフトを一体化した。鉛直荷重は実荷重、水平荷重

図−２

振動台実験装置概要と計測器配置概要
表−１

図−１
*

実験模型概要と計測器配置

戸田建設（株） 技術研究所

2振動台実験ケース一覧

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３．鉛直載荷実験結果

技術研究報告第32号

図−４、５にそれぞれ、相互作用実験の単杭（4 本分）9）とパイルド・ラフト基礎の杭分担荷重 Lp の比較、相互3.1

荷重−沈下関係

作用実験の直接基礎 9） とパイルド・ラフト基礎のラフ図− 3 にそれぞれの地盤で得られたパイルド・ラフト

ト分担荷重 Lr との比較図を示す。

基礎の荷重−沈下関係を示す。鉛直載荷実験終了後に行

図− 4 より、杭分担分 Lp と単杭は、載荷初期段階でう水平載荷実験を考慮して最大沈下量が約 20 ㎜（ラフはほぼ同様の挙動を示している。しかし、砂質土地盤のト高さの約 10％）となるよう荷重を設定した。同図より、

場合は、荷重増加後も杭分担分 Lp と単杭がほぼ同様の

砂質土地盤は 186.2kN 載荷したところで所定荷重保持挙動を示すのに対して、粘性土地盤の場合は、載荷荷重時間内 2）（砂質土：15 分）での沈下増分が急増した。粘が 25kN 付近を超えると、杭分担分 Lp が単杭よりも小性土地盤の場合は、載荷荷重が 39.2kN を超えると保持さくなった。また、図− 5（a）より、砂質土地盤の場合は、時間内（粘性土：30 分）での沈下増分が大きくなり始め、ラフト分担分 Lr よりも直接基礎のほうが常に高い沈下

103kN 載荷したところで最大沈下量が 23 ㎜に達した。

剛性を示している。しかし、同図（b）より、粘性土地また、LogP-LogS 関係より、第 1 限界抵抗力は砂質土盤の場合は、ラフト分担分 Lr とラフトはほぼ同様の挙地盤で 130kN、粘性土地盤で 40kN であった。

動を示しており、杭分担分 Lp と単杭の関係と比較して逆の傾向となった。

3.2

杭の軸力と周面摩擦力分布

図− 6 にパイルド・ラフト基礎の杭の軸力分布図を示す。なお、各杭とも同様の軸力分布を示したことから、４本杭のうち PR4 杭を代表して示したが、軸力が、ラフト底面から 300 ㎜深度まで幾分増大する杭もみられた。同図より、砂質土地盤では鉛直荷重の増大にともない杭の軸力も増加している。しかし、粘性土地盤では鉛直荷重 P=71kN までは軸力も増加するものの、それ以降はほとんど軸力増分がみられず、軸力の変動が小さく
図−３なった。

パイルド・ラフト基礎荷重−沈下関係

図− 7 は、杭頭部で測定したひずみより軸力を算出し、載荷荷重に対する杭負担荷重の比を杭鉛直荷重分担率として示したものである。同図より、両地盤とも載荷荷重の増加とともに分担率が減少しているのがわかる。最大荷重時では、砂質土地盤の場合は 40％弱、粘性土地盤の場合は 30％程度の分担率となった。

図−４杭の分担荷重による荷重−沈下関係

図−６

図−５

ラフトの分担荷重による荷重−沈下関係

図−７3杭の軸力分布図（PR4）

パイルド・ラフト基礎杭軸力分担率

パイルド・ラフト基礎に関する大型模型実験

その２

パイルド・ラフト基礎と直接基礎の比較実験

次に、ひずみ測定点での軸力の差より杭周面の摩擦力を算出し、図− 8 に杭周面摩擦力度分布として示す。同る。即時沈下量は、直接基礎、パイルド・ラフト基礎、図をみると、軸力分布と同様、砂質土地盤では鉛直荷重

この結果より、即時沈下はもちろん、圧密沈下に対しての増加にともない杭周面摩擦力が増加するが、粘性土地もパイルド・ラフト基礎による沈下抑止効果を確認する

盤では次第に摩擦力の増分が少なくなっている。これは、ことができた。これは、杭に荷重を分担させることによ沈下にともない、周辺地盤からの拘束効果が大きくなる

り、等価荷重載荷面が下がったことによるものと思われ

砂質土地盤と、拘束圧に依存しない粘性土地盤との土質る。

中間地盤でそれぞれ 3.2mm、2.5mm、0.3mm であった。

性状の違いによるものと考えられる。また、砂質土地盤

図− 11 は、圧密期間中におけるパイルド・ラフト基

では直接基礎の負担荷重による拘束圧の影響で、土被り礎の杭鉛直荷重分担率の経時変化を示す。圧密期間中に、圧の小さい表層部付近で、むしろ大きな摩擦抵抗が発揮

杭鉛直荷重分担率は若干の増加（37% ⇒ 45%）が認めされている。

られるが、これは圧密沈下に対してもラフトと比較して杭の沈下剛性が大きいことによるものと思われる。

図−８3.3

杭周面摩擦力分布図（PR4）図− 11杭荷重分担率の経時変化

長期載荷実験結果

図−９に、長期載荷実験による直接基礎、パイルド・４．水平載荷実験結果

ラフト基礎、両者の中間地盤における圧密沈下量と経過時間の関係を比較して示す。また図− 10 には経過時間

4.1

荷重−変位関係ごとの試験体間の圧密沈下分布を示す。載荷荷重はいず

図− 12 に水平載荷時のパイルド・ラフト基礎と直接れも 80kN/m2 であり、圧密沈下は実荷重を載荷した直基礎の荷重−変位量の関係を地盤ごとに示す。砂質土地後（約 30 分間）に発生した即時沈下を除外した値であ盤の場合、直接基礎では、20kN 前後で摩擦が切れた状態になるのに比べ、パイルド・ラフト基礎では、20kN以降も変位の増加にしたがい荷重が漸増していることがわかる。また、粘性土地盤の場合、直接基礎、パイルド・ラフト基礎ともに、20kN 前後以降も変位に依存した荷重の増加傾向がみられ、パイルド・ラフト基礎は直接基礎に比べ、漸増傾向が大きいことがわかる。
パイルド・ラフト基礎のラフト分担分（PRr）と直接基礎（Rr）の水平荷重と変位量の関係を比較して図−13 に示す。パイルド・ラフト基礎のラフト分担分（PRr）
は、水平載荷荷重と杭頭せん断力との差分から算出した値で、直接基礎は水平載荷荷重値である。図中の縦軸は、

図−９

対象地盤により異なる上載荷重の影響を考慮して、水平圧密沈下量の経時変化荷重を鉛直荷重で除した値（H/V）に基準化してある。

図− 10

試験体間地盤の圧密沈下分布

図− 124荷重−変位量関係

戸田建設

図− 13

技術研究報告第32号

荷重−変位量関係（ラフト分担分）
図− 15

パイルド・ラフト基礎の水平荷重分担率

載荷初期の水平変位 0.5mm 時は、パイルド・ラフト基礎のラフト分担分（PRr）が直接基礎（Rr）の 70 〜担率の増加傾向に、砂質土地盤と粘性土地盤の違いによ80% 程度であるのに対して、水平変位 5.0mm 時では、る顕著な差は、今回の実験からは認められなかった。

パイルド・ラフト基礎のラフト分担分（PRr）が直接基礎（Rr）の 55% 程度とその比率は小さくなっている。

4.3

ラフトの挙動

さらに変位が進むと、比率（PRr）/（Rr）は、砂質土両地盤での、直接基礎およびパイルド・ラフト基礎の地盤では、ラフトのロッキングの影響からその比率は小水平変位量とロッキングの状況を図− 16 に示す。ロッさくなるが、粘性土地盤では、57% 程度の一定の値でキング量を表わすラフト回転角は、ラフト四隅に設置し推移している。

た変位計から、載荷方向前方と後方の平均鉛直変位の差分を測定間距離で除した値とした。直接基礎のロッキン

4.2

杭の曲げモーメントと荷重分担率

グは、砂質土地盤ではわずかであったが、粘性土地盤でパイルド・ラフト基礎の曲げモーメント分布を載荷方は変位 10mm で 1/500 程度発生していた。パイルド・向前方杭（PR2 杭）および後方杭（PR4 杭）について、ラフト基礎のロッキングは、砂質土地盤、粘性土地盤と図− 14 に示す。載荷初期の段階では、曲げモーメントもに、変位 10mm で 1/280 程度発生している。なお、分布の形状は、すべての杭で、ほぼ同様な傾向を示しラフトのねじれ（水平方向の回転）も確認されたが、いているが、載荷が進んだ段階での杭頭部付近の最大曲げずれの地盤でも顕著ではなかった。

モーメントは、砂質土地盤では、載荷方向に対して前方水平載荷時の杭軸力とラフトの回転について、の PR2 杭が後方の PR4 杭より大きく、粘性土地盤ではGL-0.15m 位置における杭の平均軸力とラフト回転角のPR2 杭、PR4 杭ともに、ほぼ等しい値を示している。

関係を図− 17 に示す。ラフト回転角は、載荷方向直行パイルド・ラフト基礎のラフトと杭の水平荷重分担率軸に対して時計まわりを正としている。また、杭の平均を図− 15 に示す。杭水平荷重分担率はラフト直下の杭軸力は水平載荷開始時点を０として載荷以降の変化を表頭部の曲げモーメントの差から、せん断力を算出して、し、圧縮力を負としている。砂質土地盤に関しては、前水平載荷荷重に対する全杭のせん断力の比から算出した。

方側の杭頭部の一部に、載荷が進むと引張力が発生する

粘性土地盤で変位 1.3mm、砂質土地盤で変位 1.6mm 付現象も見受けられたが、当該箇所における平均軸力は、近においてラフトと杭の水平荷重分担率が逆転しており、前方側では圧縮力が、後方側では引張力が卓越していた。

大きな変位では杭の水平荷重分担率が大きくなっていた。

ラフトの回転角に応じて、前方側と後方側では、軸力のまた、変位 3.0mm 程度までは、ラフトと杭の水平荷重分

図− 16

図− 14

杭の曲げモーメント分布

図− 175

ラフト部分のロッキング

杭軸力―ラフト回転角の関係

パイルド・ラフト基礎に関する大型模型実験

その２

パイルド・ラフト基礎と直接基礎の比較実験

絶対値に差が生じており、前方側の杭では拘束圧の影響６．まとめなどから、軸力が大きくなっていた可能性がある。粘性一連の載荷実験結果から以下の結論が得られた。

土地盤では、ラフト回転角が 0.006（rad.）を超えると①鉛直載荷実験のパイルド・ラフト基礎杭鉛直荷重分担

軸力の増加はみられず前方側、後方側ともに、ほぼ同様

率は、砂質土地盤の場合は最大荷重時で 40％弱、粘な一定の値となっていた。

性土地盤の場合は 30％程度であった。
②鉛直載荷実験では、砂質土地盤では荷重の増加にともない軸力、杭周面摩擦力とも増加するが、粘性土地盤

５．振動台実験結果
振 動 台 底 面 （AH4） に 対 す る パ イ ル ド ・ラ フ ト 基では荷重が大きくなると増分がみられなくなった。

礎（AH2）および直接基礎（AH1）の水平加速度フー③長期鉛直載荷実験では、即時沈下はもちろん、圧密沈リエスペクトル比を、No.1（Sine 波入力、上載荷重下に対してもパイルド・ラフト基礎による沈下抑止効果を確認することができた。

33.6kN）と No.9（EL CENTRO NS 入力、上載荷重：5.1kN）について図− 18 に示す。いずれの実験ケースも、④水平載荷実験では、粘性土地盤で変位 1.3mm、砂質パイルド・ラフト基礎と直接基礎は振動数 10Hz までほ土地盤で変位 1.6mm 付近において、パイルド・ラフぼ同様なフーリエスペクトル比であり、同様な挙動をしト基礎のラフトと杭の水平荷重分担率が逆転しておていることがわかる。

り、大きな変位では杭の水平荷重分担率が大きくなっていた。

No.9 でのパイルド・ラフト基礎の水平加速度（AH2）
時刻歴波形と杭頭部曲げひずみの時刻歴波形を、両者の⑤振動台実験では、応答水平加速度のフーリエスペクト最大値が含まれる 10 秒〜 15 秒を選択して図− 19 に示ル比により比較すると、パイルド・ラフト基礎と直接す。パイルド・ラフト基礎の最大水平加速度と杭頭部最基礎は、振動数範囲（10Hz まで）の挙動がほぼ同等

大曲げひずみが生じる時刻は一致しておらず、振動台実になっていた。

験時のパイルド・ラフト基礎の杭応力は、ラフト慣性力だけでなく地盤変位の影響も受けている可能性がある。

謝辞
本研究は、室蘭工業大学建設システム工学科・土屋勉教授のご指導のもと、同大学、および構造計画研究所、五洋建設、鉄建建設、東急建設、飛島建設との共同研究として実施したものである。また、本実験は、「鋼管杭を併用する直接基礎（パイルド・ラフト基礎）工法の設計用支持力に関する共同研究」（建築研究振興協会）の一部として独立行政法人建築研究所と共同で実施した。
【参考文献】

図− 18

図− 19１）渡邉徹他：沈下低減杭を併用した直接基礎の鉛直載荷試験（その１、その２）、日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿）、2005２）萩原幸男他：パイルド・ラフト基礎の原位置鉛直・水平載荷試験（その１〜その５）、日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿）、2005
３）新井寿昭他：パイルド・ラフト基礎の杭頭接合部回転剛性に着目した模型載荷実験（その１〜その５）、日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿）、2005４）永井宏他：杭頭拘束条件に着目したパイルド・ラフトの原位置試験、日本建築学会構造系論文集、第 579 号、pp.
47-53、2004．
５）長尾俊昌他：小型基礎の原位置実験より得られたパイルド・ラフト基礎の水平挙動、日本建築学会構造系論文集、第559 号、pp. 121-127、2002．
６）大野愛他：1g 場における模型パイルド・ラフトの振動実験（その５）、第 38 回地盤工学研究発表会、pp. 1557-1558、2003．
７）藤田豊他：パイルド・ラフト基礎の常時及び地震時の沈下・変形（その２）、日本建築学会大会学術講演概要集、Vol.B-1、pp. 655-656、2005．
８）土屋勉他：水平力を受けるパイルドラフトの変形性状および水平変位の略算法、第 22 回情報システム利用技術シンポジウム、pp. 49-53、1999．
９）金子治他：パイルド・ラフト基礎に関する大型模型実験（その１）、戸田建設技術研究所報告、200610）伊勢本他：パイルドラフト基礎の相互作用効果に関する実験（その１、その２）、第 41 回地盤工学研究発表会、200611）佐野他：パイルドラフト基礎と直接基礎の比較実験（その１〜その３）、第 41 回地盤工学研究発表会、200612）伊勢本他：パイルド・ラフト基礎に関する大型模型実験（その１〜その８）、日本建築学会大会学術講演梗概集（関東）、2006

フーリエスペクトル比

加速度及び杭頭曲げひずみ時刻歴波形（No.9）

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