杭頭絶縁基礎の開発
清水建設株式会社 土木技術本部 設計第二部
坂井康伸
１．はじめに近年、我が国は地震活動期に入ったと言われており、1995 年兵庫県南部地震をはじめ、2004年新潟県中越地震、2007 年新潟県中越沖地震、2008 年岩手・宮城内陸地震、2011 年東北地方太平洋沖地震等、大規模地震が頻発している。また、近い将来、南海トラフ地震等の巨大地震の発生も懸念されている。一方、設計の観点からみると、入力地震動はますます大きくなり、構造物はより頑強なものへとなりつつあるが、過密配筋などの問題もあり、剛な構造物で巨大地震に対抗するには限界がある。
このような状況下において、土木学会をはじめとして各種提言がなされ、巨大地震に対し、従来の耐震構造では耐震安全性確保に限界があり、免震・制震構造の導入が不可欠であることが指摘されているが、免震技術については、建築構造物への導入が一般化しているのに対し、土木構造物への導入は橋梁を除き推進されておらず、研究開発も十分でないのが現状である。
このように、土木構造物に対する合理的な免震技術のニーズが一段と高まってきている中、免震ディバイスを適用せず、特に地盤・基礎に注目した斬新かつ効率的な杭頭絶縁基礎による免震技術の開発に着手することとした。
本稿では、杭頭絶縁基礎の免震効果確認のために実施した遠心模型振動実験 1)～5) と、そのシミュレーション解析の結果について述べる。
２．杭頭絶縁基礎による免震の概要
杭頭絶縁基礎による免震の概念図を図-1 に示す。杭を構造物に結合させる従来の杭基礎に対し、杭頭絶縁基礎は杭頭を上部構造物と絶縁することで構造物に伝播する地震動（波動エネルギー）が抑制され、構造物に作用する加速度（慣性力）が低減される。また、構造物に作用する加速度が低減することで、杭頭部に発生する応力も低減される。

図-1 杭頭絶縁基礎による免震の概念図

３．遠心模型振動実験による免震効果の検証(1)実験概要
杭頭絶縁基礎による免震効果を検証するため、遠心模型振動実験を実施した。実験は、図-2に示すように、長さ 770mm、幅 470mm、高さ 370mm のせん断土槽を用い、遠心加速度 30g 場（模型縮尺 1/30）で実施した。模型地盤は乾燥地盤であり、地盤材料として７号珪砂を用い、空中落下法により相対密度 Dr=60%を目標に作製した。
杭模型は、外径 D=17mm、肉厚 t=1mm、長さ 268mm の真鍮製パイプで 9 本杭構造とし、杭芯距離は 42.5mm（2.5D）とした。構造物模型と杭頭を 8.5mm（=0.5D）絶縁し、杭頭部には真鍮製のキャップをして杭内部に砂が入らないようにした。杭先端はセメント系改良体（せん断波速度Vs=300m/s）に 37mm 根入した。構造物模型は、長さ 136mm、幅 136mm、高さ 88mm のアルミ製ブロックとし、重量は 4.4kg（実物換算 1,190kN、接地圧 69.9kN/m2）である。構造物の残留沈下の抑制を目的に、杭頭にジオテキスタイル（204mm×204mm、引張り強度 12kN/m）を敷設した。
図-2 には、併せて杭頭絶縁基礎の計測器配置を示しているが、構造物から 157mm 離れた位置に加速度計を 3 深度設置し、地盤の沈下と水平変位を計測するために、レーザー変位計を 2箇所に設置した。また、構造物については、加速度計（水平、鉛直）を設置するとともに、レーザー変位計により１箇所の水平変位と 3 箇所の鉛直変位を測定した。杭内部にはひずみゲージを貼り付け、P1 杭が 7 深度、P2 杭と P3 杭が 6 深度、P4 杭が 1 深度で杭ひずみを計測した。
実験は表-1 に示す 4 ケースについて行った。なお、図-2 は Case2 の遠心模型振動実験モデ
ルと計測器配置を示すものであるが、他のケースも同様である。入力波は図-3 に示す 60Hz10 波（実物換算 2Hz）の正弦波であり、最大加速度は 9g（実物換算 300gal）を目標とした。

加速度計

Unit:mm888.5

ｼﾞｵﾃｷｽﾀｲﾙ 25.5 42.5
50 25 25 2518
31 37 65.5(乾燥砂)GL-151.5370

335

50Dr=60 %

267

7号珪砂

ケース

基礎

Case1

杭頭絶縁基礎GL-26.5

Case2
GL-26768

レーザー変位計表-1 実験ケース

遠心加速度 30g

136

ひずみゲージ

セメント改良体（Vs=300m/s) GL-300:AG-2160
265
770

最大入力加速度(Gal)309

杭頭絶縁基礎298＋ｼﾞｵﾃｷｽﾀｲﾙ

Case3

杭頭剛結基礎

336

Case4

直接基礎

243

C
L

600

204

P1杭
P1杭

ｼﾞｵﾃｷｽﾀｲﾙ
470

265136

ｾﾒﾝﾄ改良体

204160C
LAcc.(Gal)100160

P4杭
265

P3杭

P2杭

Case1

300
0-300
-600

0510Time(s)図-3 入力波形（プロトタイプ）
図-2 遠心模型振動実験モデルと計測機器配置

15(2)実験結果
以下、遠心模型振動実験結果を示すが、値は全て実物換算で示したものである。

最大応答加速度（Gal)2505007500

図-4 に最大加速度の深度分布を示す。地盤

4中の加速度は GL-10m～-4m ではほぼ一定の2

構造物

直接基礎

杭頭絶縁(Case4)(Case1)

加速度を示し、GL-4m 以浅では深度が浅くなる

1000

杭頭絶縁＋ジオテキ (Case2)

地表面

0
杭頭剛結GL(m)につれ加速度応答が増加する傾向を示している。この傾向はどの実験ケースにおいてもほぼ同様であった。構造物の最大加速度は、杭頭剛-2(Case3)-4-6結基礎（Case3）では 900gal を超えている。一方、-8

杭頭絶縁基礎（Case1, Case2）では 450～550gal-10程度となっており、杭頭剛結基礎と比較して構入力-12造物の最大応答加速度が 40%～50%低減していることが確認された。直接基礎（Case4）の最大

図-4 最大応答加速度の深度分布

応答加速度も 600gal 以下で杭頭絶縁基礎と同程度であった。

図-5 に各実験ケースにおける杭の最大曲げひずみの深度方向分布を示す。杭頭付近において、杭頭剛結基礎（Case3）では端部 P1 杭、P3 杭が中央部 P2 杭よりも曲げひずみが大きく、杭頭絶縁基礎（Case1, Case2）では逆に中央部 P2 杭が端部 P1 杭、P3 杭よりも曲げひずみが大きくなっている。こうした傾向は軸ひずみでも同様であった。
杭頭絶縁基礎（Case1, Case2）では杭頭剛結基礎（Case3）と比較し、端部、中央部のいずれの杭においても杭頭付近で曲げひずみが大幅に低減している。また、深度方向でも端部 P1 杭、P3杭では曲げひずみは低減し、ジオテキスタイルを敷設した Case2 では中央部 P2 杭も概ね曲げひずみは低減していることが確認された。

00

Maximum Bending Strain (μ)
100 200 300 400 500 600

00Maximum Bending Strain (μ)
100 200 300 400 500 60000Maximum Bending Strain (μ)
100 200 300 400 500 600

P4P4P2-2-2P4-2P1P2P1P1P3加振方向-6-4P3GL(m)-4GL(m)GL(m)P2-4-6-6-8-8-10-10P3P1-8P2P4P3-10(Case1)(Case2)図-5 杭の最大曲げひずみの深度方向分布(Case3)

図-6 に構造物と地盤の沈下量を比較したグ
構 造物の沈下量

3 箇所で計測した鉛直変位（絶対沈下量）の平地 盤の沈下量均値として算定した。
地盤の沈下量ついて、直接基礎（Case4）の実験では、杭頭絶縁基礎の実験と比較して入力加速度が小さいため、15mm 程度小さくなっている。一方、構造物の沈下量は、直接基礎（Case4）では 160mm 程度、杭頭絶縁基礎（Case1）では構造物と地盤の鉛直沈下量(mm)ラフを示す。構造物の沈下量は、構造物頂部の150100500120mm 程度、ジオテキスタイルを敷設した杭頭絶縁基礎（Case2）では 90mm 程度となっており、直接基礎（Case4）の沈下量と比較して、杭頭絶相対変位

絶縁

絶縁＋ジ オテキ

直接基礎(Case1)(Case2)(Case4)

6mm

-23mm

72mm

図-6 構造物と地盤の沈下量

縁基礎（Case1）では約 25%、さらに、ジオテキスタイルを敷設した杭頭絶縁基礎（Case2）では約40%、構造物の沈下が抑制されている。
また、地盤と構造物の相対沈下量を比較すると、直接基礎（Case4）に対し、杭頭絶縁基礎（Case1, Case2）では大幅に小さくなっている。
特にジオテキスタイルを敷設した Case2 では、地盤の沈下量より構造物の沈下量が小さくなっている。これは、杭の存在と、写真-1 の実験後の模型地盤断面に示すように、ジオテキスタイルのテンション抵抗によって杭頭部地盤の移動が写真-1 実験後の模型地盤断面（case2）抑制されたため、構造物と地盤の相対沈下を抑えることができたためと考えられる。
４．シミュレーション解析

梁要素（MPC で周辺地盤と連結）

杭頭絶縁基礎の実構造物への適用に向け、Case2（杭頭絶縁基礎+ジオテキ）の遠心模型振動実験のシミュレーション解析を行った。

杭

杭

シミュレーション解析は実物換算の形状寸法で実施することとし、地盤、構造物はソリッド要素、杭は梁要素、ジオテキスタイルはシェル要素でモデル化した。杭頭付近の解析モデルを図-7に示すが、外径 D=510mm の杭形状を考慮し、地盤（ソリッド要素）の節点と対応する同一レベルの杭（梁要素）の節点とに同変位条件を付与して杭体積を考慮した。非線形性については、

図-7 解析モデル（杭頭付近）
MPC（Multiple Point Constraint：多点拘束）地盤にのみ多重バネ Ramberg -Osgood モデル

表-2 解析定数とおわんモデル 6) を適用した非線形性を考慮単位体し、地盤以外は線形弾性体と仮定した。解析定積重量

γ数を表-2 に示す。
構造物に示す。地盤については、水平加速度ならびに杭鉛直変位とも遠心模型振動実験の結果を精度ｼﾞｵﾃｷｽ良く模擬できていることがわかる。一方、構造物

ﾀｲﾙ

断面二次係数

ソン

A

ﾓｰﾒﾝﾄ

E(kN/m2)

比(m2)

I(m4)

ν26.5

2.10×107

0.2－

－21.0

1.01×1080.2

4.520×10-2

1.308×10-3

6.8

1.01×1060.2－(t=0.006m)－

について、水平加速度は概ね実験結果を模擬

単位体

せん断

せん断規準ひずみ

ポア

できているものの、鉛直変位については、解析

積重量

弾性係数

弾性係数

γ0.5i

ソンG0iG0γ

結果は実験結果の 1/4 程度と小さな値となった。
ところで、最大合ひずみ分布において、杭頭付地盤*)

近の地盤には局所的に 40%近くの大きなひずみｾﾒﾝﾄ系が発生している。このような大ひずみ発生現象を改良体

10時間(sec)

加速度(Gal)

実験

5比

ν13.6

3.666×103

13.6－－8.171×10-50.33

1.088×105－0.33

単位有効拘束圧 1kN/m2 での G0i、γ0.5i を示す。

解析0(kN/m2)*) 地盤については拘束圧依存を考慮する。表中の値は盤の構成則を改良する必要がある。
800600400
2000‐200‐400‐600‐800(kN/m2)(kN/m3)

模擬するためには、破壊規準を導入する等、地加速度(Gal)

断面積(kN/m3)シミュレーション解析結果の一例を図-8、図-9

800
600
400
2000‐200‐400‐600‐8001505時間(sec)

101505時間(sec)1015202000‐20変位(mm)

変位(mm)

ポア

ヤング‐40‐60‐80‐20‐40‐60‐80‐100‐120‐1000510時間(sec)

15(b) 地盤（GL-0.795m）(a) 構造物頂部

図-8 水平加速度・鉛直変位波形（プロトタイプ）
(40%)

(5%)

(a) 全体(b) 杭頭付近（カラーバーのスケール変更）
図-9 最大合ひずみ分布

５．まとめ
近い将来、南海トラフ地震等の巨大地震の発生が懸念されており、従来の耐震構造では耐震安全性確保に限界があり、免震・制震構造の導入が不可欠となっている。
杭頭絶縁基礎による免震は、地盤・基礎に注目した斬新かつ効果的な免震工法であり、免震ディバイスを使用せず、かつ構造物との接合も行わないので、単純な構造で施工も簡単である。
また、杭頭と床版の過密配筋の問題も解消される。さらに、既設構造物の耐震補強にも有用で、既設杭を再利用した新設構造物の基礎とすることも可能であり、大幅なコスト削減効果や環境負荷低減効果が見込まれる。
本稿では、杭頭絶縁基礎の免震効果確認のために実施した遠心模型振動実験およびシミュレーション解析の結果について述べた。遠心模型振動実験により、杭頭絶縁基礎の免震効果が検証され、従来の杭頭剛結基礎に対し、構造物の加速度や杭のひずみ（応力，断面力）が大幅に低減されることが確認された。また、遠心模型振動実験のシミュレーション解析では地盤の挙動は概ね実験結果を模擬でき、構造物についても水平加速度は概ね模擬することが確認できた。
一方で、構造物の鉛直変位は実験結果の 1/4 程度であること、杭頭絶縁基礎の杭頭付近の局所的に 40%を超える大ひずみの発生等も確認され、破壊基準を導入した地盤の構成則の改良などの必要性が認識された。今後、より精度高いシミュレーション解析を試み、実構造物への適用に向けて本技術を確立していく予定である。
[参考文献]
1） 張至鎬他：遠心模型実験による杭頭絶縁基礎の地震時挙動の検討，第 13 回日本地震工学シンポジウム，pp.2446-2452，2010.
2） 田地陽一他：遠心振動実験による杭頭絶縁基礎の地震時挙動に関する研究，第 31 回土木学会地震工学研究発表会講演論文集，2011.
3） 田地陽一他：杭頭絶縁基礎の地震時挙動に関する遠心模型実験，第 46 回地盤工学研究発表会，2011.
4） 田地陽一他：杭頭絶縁免震基礎の地震時挙動に関する研究，第 9 回地盤工学会関東支部発表会，2012.
5） 坂井康伸他：杭頭絶縁免震工法の開発，土木建設技術発表会 2013，pp.275-280，2013.
6） 福武毅芳：おわんモデルと履歴関数モデルを併用した構成式，地盤材料の構成式ワークショップ(第 1 回)，地盤工学会，2012.
[備考] 本稿は、参考文献 1)～5) にて発表済みの内容を含んでいる。