JP5516975B2 - 基礎構造 - Google Patents

Description

本発明は、基礎体に支持された構造物の基礎構造に関し、基礎体の頭部と構造物の底部とが接合されていない基礎構造に関する。

従来、軟弱地盤などに構造物を建設する場合、鋼管杭やコンクリート杭等の基礎杭（基礎体）で構造物を支持する基礎構造が採用されている。
特許文献１によれば、基礎杭と、その基礎杭のうちの複数を包含するように造成されたブロック状の地盤改良体とによって支持された基礎底版上に、免震層を介して上部構造物を構築する免震構造基礎が提案されている。免震層内には上部構造物を支持するアイソレーター（免震装置）が設置されている。

また、非特許文献１によれば、基礎杭の頭部と基礎スラブ（構造物）の底部とを剛結合した杭頭剛接合の基礎構造と、図８（ａ）に示すような基礎杭４１の頭部と基礎スラブ４２の底部とを隙間を設けて離して敷設した杭頭非接合の基礎構造４０とのシミュレーション解析を行い、基礎スラブおよび杭に作用する応力を比較している。この解析によれば、杭頭非接合の基礎構造においても、杭は基礎スラブの鉛直荷重を負担することがわかる。また、杭頭非接合の基礎構造４０では、杭頭剛接合の基礎構造に比べて小さいが、基礎杭が基礎スラブの水平方向の挙動に影響を及ぼすことがわかる。

特開平１１−６１８４９号公報

加藤寛之、渡辺啓介、中井正一、石田理永、真野英之、水平荷重を受けるパイルドラフト基礎における杭頭接合条件の影響「日本建築学会大会学術講演梗概集２００４年８月」ｐ．７０９−７１０

しかしながら、非特許文献１による杭頭非接合の基礎構造４０では、基礎杭４１の頭部と基礎スラブ４２の底部との間には地盤Ｇ（介在層）が介在するため、地震時には図８（ｂ）に示すように、基礎杭４１と基礎スラブ４２との間の土が基礎杭４１の周囲に移動して地盤が鉛直方向に変形し、基礎スラブ４２が沈下することが懸念される。特に、基礎杭４１の本数が少ない場合には、基礎スラブ４２の不同沈下が起こることが懸念される。

本発明は、上述する事情に鑑みてなされたもので、基礎体と構造物との間の介在層が鉛直方向に変形することを抑制することができる基礎構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、基礎体に支持された構造物の基礎構造において、前記基礎体の頭部と前記構造物の底部との間に介在層とジオテキスタイルとが積層され、該ジオテキスタイルは、端部が折り返されて、折り返された部分が前記介在層の側部と接しているとともに、前記構造物の底部の下方に位置していて、前記介在層は、少なくとも一部が前記構造物の底部と当接していることを特徴とする。
本発明では、基礎体の頭部と構造物の底部との間に介在層とジオテキスタイルとが積層されていることにより、介在層が地震の振動によって水平方向に広がろうとするとジオテキスタイルに引張力が作用するが、ジオテキスタイルは引張強度が高く変形しにくいと共に介在層との間の摩擦抵抗あるいはかみ合いによって介在層を拘束するので、図８（ｂ）に示すように、介在層の一部が基礎体の周囲に広がることを抑制することができる。よって、介在層が鉛直方向に変形することを抑制できる。
また、基礎体と構造物との間の介在層が拘束されることによって、構造物の鉛直荷重や基礎体の応力が介在層に分散されるので、介在層が鉛直方向に変形することを抑制することができる。
また、本発明では、ジオテキスタイルは、端部が折り返されて、介在層の側部と接していることにより、介在層の側部が拘束され、介在層が側方に変位して崩れることを防ぐことができる。

また、本発明に係る基礎構造では、前記介在層は地盤材料で形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る基礎構造では、前記地盤材料は砂利、礫材、砕石、ベントナイト、セメント系地盤改良体、またはこれらのうち任意の２つ以上の混合物のいずれかであることを特徴とする
本発明では、介在層は地盤材料で形成されていて、地盤材料は砂利、礫材、砕石、ベントナイト、セメント系地盤改良体、またはこれらのうち任意の２つ以上の混合物のいずれかであることにより、これらの密度や粒度を調整して、介在層が吸収する振動のエネルギーを調整することができ、構造物に免震性能を付与することができる。

また、本発明に係る基礎構造では、前記基礎体は基礎杭であることを特徴とする。
本発明では、基礎体は基礎杭であることにより、構造物が支持地盤に支持された構造とすることができる。

本発明によれば、基礎体の頭部と構造物の底部との間に介在層とジオテキスタイルとが積層されていることにより、ジオテキスタイルによって介在層が拘束されるので、介在層が鉛直方向に変形したり、介在層の一部が基礎体の周囲に広がったりすることが抑制されるので、構造物が沈下することを抑制することができる。

本発明の第一の実施の形態による基礎構造の概要を示す図である。 ジオグリッドを示す図である。 （ａ）は本発明の第二の実施の形態による基礎構造の概要を示す図、（ｂ）は本発明の第二の実施の形態の他の基礎構造の概要を示す図、（ｃ）はジオテキスタイルを広げた様子を説明する図である。 本発明の第三の実施の形態による基礎構造の概要を示す図である。 本発明の第四の実施の形態による基礎構造の概要を示す図である。 本発明の第五の実施の形態による基礎構造の概要を示す図である。 本発明の第三の実施の形態による基礎構造の変形例の概要を示す図である。 （ａ）は従来の杭頭非接合の基礎構造の概要を示す図、（ｂ）は基礎スラブが沈下した従来の杭頭非接合の基礎構造の概要を示す図である。

以下、本発明の第一の実施の形態による基礎構造について、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、第一の実施の形態による基礎構造１ａは、建物などの構造物１０の基礎スラブ２と、基礎スラブ２の下方の地盤Ｇに基礎スラブ２と連結されずに埋設された基礎杭（基礎体）３と、基礎杭３と基礎スラブ２との間に敷設されたジオテキスタイル４と、介在層５とから概略構成されている。

基礎スラブ２は、所定の厚さを有する、例えば鉄筋コンクリート製のスラブである。
基礎杭３は、鋼管杭やコンクリート杭、柱状に形成された地盤改良体などで、所定の長さや断面形状に設定されている。基礎杭３は、水平方向に所定の間隔をあけて基礎スラブ２の下方の地盤Ｇに複数埋設されている。また、基礎杭３は基礎スラブ２との間に鉛直方向に間隔ｄ１をあけて埋設されている。この間隔ｄ１は、例えば、基礎杭３の直径をＤとして０．５Ｄ〜１．０Ｄ程度に設定されている。

ジオテキスタイル４は、高分子材料をシート状または帯状に形成した製品で、主に土木などの用途に使用されており透水性を有している。ジオテキスタイル４には、織布のジオウォーブン、不織布のジオノンウォーブン、編み物のジオニットや、格子構造からなるジオグリッド、またネット状で間隙の割合が大きいジオネットなどがあり、このほか繊維質補強材なども含まれる。

本実施の形態では、ジオテキスタイル４に図２に示すジオグリッドを使用する。ジオグリッドは、強度の高いポリエステル糸が格子状に組み合わされて、特殊樹脂コーティングされている。ジオグリッドは軽量で施工性に優れ、引張強度が高く、低クリープな材料である。また、ジオグリッドは耐候性、耐薬品性、耐寒性、耐熱性に優れており、これらの品質は実験により保証されている。
図１に示すように、ジオテキスタイル４は、基礎スラブ２の平面形状よりもやや大きい平面形状に形成されて、基礎スラブ２と基礎杭３との間の地盤Ｇに全面にわたって敷設されている。なお、ジオテキスタイル４の平面形状は基礎スラブ２の平面形状と同じ大きさとしてもよい。

介在層５は、地盤Ｇから採取された土などの地盤材料が所定の厚さの層状に形成されたもので、ジオテキスタイル４が敷設されている範囲に敷設されている。介在層５は、地震の振動によって塑性変形可能であり、介在層５の塑性は地盤材料の密度や粒度を調整することによって調整されている。

ジオテキスタイル４と介在層５とは交互に積層されていて、これらのジオテキスタイル４と介在層５とが積層体６を構成している。
なお、図１においては基礎杭３の上部にジオテキスタイル４が敷設されてその上に介在層５が敷設され、その上にジオテキスタイル４と介在層５とが交互に敷設されているが、基礎杭３の上部に介在層５を敷設してその上にジオテキスタイル４を敷設し、その上に交互に介在層５とジオテキスタイル４とを敷設してもよい。

上述した第一の実施の形態による基礎構造１ａの施工方法は、まず、積層体６が設置される部分の地盤Ｇの土などを撤去し、基礎杭３を地盤Ｇに埋設する。なお、地盤Ｇの土などの撤去が必要ない場合には、基礎杭３を直接地盤Ｇに埋設する。
次に、基礎杭３の上部にジオテキスタイル４を敷設し、その上部に介在層５を敷設する。更にジオテキスタイル４と介在層５とを交互に重ねて敷設し、積層体６を形成する。
そして、積層体６の上に基礎スラブ２を構築し、構造物１０を建設する。

なお、以前に他の構造物に使用されていた既存の杭が地盤Ｇ中に残存する場合には、この既存の杭を基礎杭３として再利用してもよい。このとき、既存の杭をそのまま利用してもよいし、一部をカットするなど適宜調整して利用してもよい。
このように既存の杭を基礎杭３として再利用することができるので、既存の杭を有効に活用することができる。

次に、上述した第一の実施の形態による基礎構造１ａの作用について図面を用いて説明する。
地震などの振動が積層体６に作用すると、介在層５の地盤材料の土などが振動によって移動し、介在層５が変形しようとしてジオテキスタイル４に引張力が作用する。このとき、ジオテキスタイル４は引張強度が高いため、ジオテキスタイル４自体の変形が抑えられると共に、介在層５を拘束することができるので、介在層５の鉛直方向の変形（沈下）を抑制することができる。
特に、ジオグリッドやジオネットは、格子あるいは網目の目合いが比較的に大きいものである。そして、ジオテキスタイル４に、介在層５の土粒子などの構成粒子が少なくともかみ合うか入り込める程度に大きい目合いのものを用いれば、介在層５の構成粒子が水平方向に広がることに対して、拘束力が有効に働くと考えられる。
また、地震力のみでなく構造物１０の鉛直荷重や基礎杭３からの応力による積層体６の変形（沈下）も抑制することができる。

また、積層体６は介在層５がジオテキスタイル４に拘束されている構造なので、構造物１０の鉛直荷重は最下部のジオテキスタイル４に分散された状態で伝達される。そして、構造物１０の鉛直荷重が最下部のジオテキスタイル４から分散されることにより、基礎杭３から積層体６へ作用する応力を軽減させることができる。
また、介在層５は、ジオテキスタイル４と積層構造であると共に、塑性変形可能であることにより、せん断変形に対しては変形しやすく、地震時にはヒステリシスを描いて地震の振動エネルギーを吸収するので、振動を抑制することができる。

また、ジオテキスタイル４の間隔を密にして積層体６を構成することにより、積層体６の強度を高めることができる。そして、積層体６の強度を高めることで、基礎杭３と基礎スラブ２との間隔をより大きくすることも可能である。
また、ジオテキスタイル４と介在層５とを積層させることによって積層体６を形成することができるので、施工が容易でコストを下げることができる。

上述した第一の実施の形態による基礎構造１ａによれば、基礎杭３と基礎スラブ２との間にジオテキスタイル４と介在層５とで形成された積層体６が敷設されているので、積層体６が鉛直方向に変形することがなく構造物１０が沈下することを抑制することができる効果を奏する。
また、構造物１０の鉛直荷重は最下部のジオテキスタイル４に分散された状態で伝達されることにより、基礎杭３から積層体６へ作用する応力が軽減され、積層体６に基礎杭３が食い込むことを抑制し、構造物１０が沈下することを抑制することができる。また、構造物１０の鉛直荷重が分散されることにより、構造物１０の不同沈下を抑制することができる。
また、介在層５がせん断変形することによって、地震による振動のエネルギーを吸収し、構造物１０の振動を抑制することができるので、免震効果を奏する。
また、基礎杭３と基礎スラブ２とが接合されていないと共に、基礎杭３と基礎スラブ２との間にジオテキスタイル４が敷設されているので、ジオテキスタイル４は基礎構造１ａの施工時や地震時には基礎杭３の頭部と基礎スラブ２の底部とを保護することができる。

次に、他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第一の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第一の実施の形態と異なる構成について説明する。

図３（ａ）に示すように、第二の実施の形態による基礎構造１ｂでは、基礎杭３の頭部と基礎スラブ２の底部との間に１枚のジオテキスタイル４と一層の介在層５とが敷設されている。ジオテキスタイル４は、端部４ａが内側に折り返されて、基礎２下に位置している。このジオテキスタイル４の折り返し部分４ｂは、基礎２の下面と接していて、基礎２の下面との摩擦によって引抜けない構成である。ジオテキスタイル４の折り返し部分４ｂの長さは、基礎２の下面との摩擦が、ジオテキスタイル４が引抜かれない所定の値となるように設定されている。
また、ジオテキスタイル４の折り返し部分４ｂと、折り返されていない部分４ｃとの間には介在層５が敷設され、ジオテキスタイル４の折り返し部分４ｂは、介在層５の側部５ａと接していて介在層５の側方への変位を拘束している。

なお、ジオテキスタイル４を基礎２下に折り返すことができない場合には、図３（ｂ）に示す基礎構造１ｂ´のように、ジオテキスタイル４は、端部４ａが内側に折り返されて、土のうなどによって巻き込まれていてもよい。
このとき、ジオテキスタイル４の折り返し部分４ｂの高さを介在層５の高さ（厚さ）以上とし、折り返し部分４ｂで介在層５の側部５ａを拘束して、介在層５が側方に変位することを防止できるようにすることが好ましい。
図３（ｃ）には、第二の実施の形態に用いる折り返し部分４ｂを広げた状態のジオテキスタイル４を示す。図中の一点差線は、基礎２の平面視形状を示す。なお、本実施の形態では、基礎２の平面視形状が長方形であるが、基礎２の平面視形状に凹部や凸部がある場合はその形状に合わせて折り返し部分４ｂを形成する。

第二の実施の形態による基礎構造１ｂ、１ｂ´によれば、ジオテキスタイル４によって介在層５の鉛直方向の変形（沈下）を抑制することができるので、第一の実施の形態による基礎構造１ａと同様の効果を奏する。更に、ジオテキスタイル４によって介在層５の側部５ａが拘束されているので、介在層５の側方への変位を抑制することができる。
また、第二の実施の形態による基礎構造１ｂ、１ｂ´は構造物１０が軽量な場合などに採用できる。そして、ジオテキスタイル４の設置量を少なくできるので、コストを下げることができる。

図４に示すように、第三の実施の形態による基礎構造１ｃでは、基礎杭３の頭部と基礎スラブ２の底部との間にジオテキスタイル１４と介在層１５とが積層された積層体１６が複数配設されている。積層体１６は、基礎スラブ２の下方地盤Ｇ全面に一体で敷設されておらず、基礎杭３ごとに分割されて敷設されている。積層体１６は、基礎杭３の断面形状よりも大きい平面形状に形成されていて、隣り合う積層体１６との間には所定の間隔が設けられている。

第三の実施の形態による基礎構造１ｃは、隣り合う基礎杭３の設置間隔ｄ２が広い場合に適用される。
これは、隣り合う基礎杭３の設置間隔ｄ２が広い場合に、基礎杭３の頭部と基礎スラブ２の底部との間全面に積層体１６敷設すると無駄が多く非効率なので、全面に積層体１６を敷設してもよいが、ジオテキスタイル１４に引張力が作用する基礎杭３の上方とその周辺の範囲だけに積層体１６を敷設している。

第三の実施の形態による基礎構造１ｃによれば、基礎杭３の頭部と基礎スラブ２の底部との間に基礎杭３の上部とその周辺の範囲に積層体１６が敷設されていることにより、介在層１５を拘束することができるので、第一の実施の形態と同様の効果を奏する。
また、基礎杭３と基礎スラブ２との間の全面に積層体１６を敷設せずに、基礎杭３の上方とその周辺の範囲に分割して積層体１６を敷設しているので、積層体１６の敷設量を少なくできて、コストを下げることができる。

図５に示すように、第四の実施の形態による基礎構造１ｄでは、第一の実施の形態による基礎構造１ａの土などの地盤材料で形成された介在層５に代わってベントナイトで形成された介在層２５が敷設されている。基礎杭３と基礎スラブ２との間には、ジオテキスタイル２４と介在層２５とが積層された積層体２６が敷設されている。

ベントナイトは、一般的な土などと比べて、初期せん断の方向にあまり移動しない性質を有している。このため、介在層２５の鉛直方向の変形を抑制することができる。
また、ベントナイトは拘束圧依存性が地盤材料ほど大きくないので、ベントナイトの有効密度を調整することでＳ波速度を調整できる。
また、ベントナイトは拘束圧の影響をあまり受けないので、介在層２５は剛性があまり大きくならず、地震時の非線形性が強くなる。また、ベントナイトは、繰り返しせん断力が作用する地震時にはヒステリシスを描くので、地震時にはせん断変形して、基礎杭３から介在層２５へ伝達された振動のエネルギーを吸収することができる。

また、ベントナイトの有効密度を調整することにより、所定の膨潤圧を有することができ、常時の荷重に対する反力を確保することができ、介在層２５の鉛直方向の変形を抑制することができる。
また、ベントナイトはデータが豊富なため、品質管理および品質確保を行うことが容易である。
第四の実施の形態による基礎構造１ｄでは、基礎杭３と基礎スラブ２との間に積層体２６が敷設されていることにより、第一の実施の形態と同様の効果を奏する。

図６に示すように、第五の実施の形態による基礎構造１ｅでは、第一の実施の形態による基礎構造１ａの土などの地盤材料で形成された介在層５に代わって、層状に形成されたセメント系の地盤改良体からなる介在層３５が敷設されている。基礎杭３と基礎スラブ２との間には、ジオテキスタイル３４と介在層３５とが積層された積層体３６が敷設されている。

第五の実施の形態による基礎構造１ｅでは、基礎杭３と基礎スラブ２との間に敷設された積層体３６は、ジオテキスタイル３４と地盤改良体からなる介在層３５とが積層されて形成されていることにより、第一の実施の形態と同様の効果を奏する。そして、積層体３６は鉛直方向の剛性が高く鉛直方向の変形が抑制されるので、構造物１０の沈下や不同沈下を抑制することができる。

以上、本発明による基礎構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の第一、第三の形態では、介在層５、１５は土などの地盤材料で形成されているが、他に地盤材料として砂利、礫材、砕石、岩盤から採取した材料などや、地盤材料に代わって合成樹脂を粒状に形成した粒状体などで形成されてもよく、またこれらの材料やベントナイト、セメント系の地盤改良体などのうち任意の２つ以上の混合物でも良い。
また、上記の第三の実施の形態による介在層１５に代わって、ベントナイトで形成された介在層や、層状に形成されたセメント系の地盤改良体で形成された介在層を敷設してもよい。
また、第三の実施の形態による介在層１５の平面形状は、全て同じ大きさでなく、図７に示すように下側から上側に向かって徐々に大きくしてもよい。
また、上記の本実施の形態では、基礎杭３は、鋼管杭やコンクリート杭、柱状に形成された地盤改良体などで、水平方向に所定の間隔をあけて基礎スラブ２の下方の地盤Ｇに複数埋設されているが、基礎杭３に代わって、塊状やプレート状の地盤改良体などの基礎体が埋設されてもよく、基礎体は複数とせずに連続して一体化している構成としてもよい。
また、基礎杭３に代わって連続したプレート状の基礎体が埋設されていて、この基礎体が広い平面積を有する場合には、本発明のジオテキスタイルと介在層とからなる積層体は、その基礎体の上部全面に配設されてもよいが、本発明の効果を奏する範囲で基礎体の平面積よりも小さい平面積に配設されてもよく、また、基礎体の上部の複数の所定箇所に分散されて配設されてもよい。

１ａ〜１ｅ 基礎構造
２ 基礎スラブ
３ 基礎杭（基礎体）
４、１４、２４、３４ ジオテキスタイル
４ａ 端部
５、１５、２５、３５ 介在層
５ａ 側部
１０ 構造物
Ｇ 地盤

Claims (4)

1. 基礎体に支持された構造物の基礎構造において、
   前記基礎体の頭部と前記構造物の底部との間に介在層とジオテキスタイルとが積層され、
   該ジオテキスタイルは、端部が折り返されて、折り返された部分が前記介在層の側部と接しているとともに、前記構造物の底部の下方に位置していて、
   前記介在層は、少なくとも一部が前記構造物の底部と当接していることを特徴とする基礎構造。
2. 前記介在層は地盤材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の基礎構造。
3. 前記地盤材料は砂利、礫材、砕石、ベントナイト、セメント系地盤改良体、またはこれらのうち任意の２つ以上の混合物のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の基礎構造。
4. 前記基礎体は基礎杭であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基礎構造。

Images