JPH09316892A - 杭基礎補強構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】杭基礎補強に係り、用地確保や桁下空間の制約
を受けることがないとともに、簡易な工事で済み、また
十分な地震時強度を有するようにする。 【解決手段】杭体２、２…が地盤中に埋設設置された杭
基礎上に橋脚基礎１が支持された構造において、前記橋
脚基礎１のフーチング変位を抑制するために、斜め方向
配置のグランドアンカー３、３…を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、既設または新設の
土木、建築構造物などの杭基礎補強に係り、特に増し杭
工法などの大掛かりな補強方法によることなく、比較的
簡易な補強対策により所望の耐力を有するようにした杭
基礎補強構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、老朽化した土木および建築構
造物の補強対策が必要に応じて成されているが、近年発
生した兵庫県南部地震の後は、現存する土木構造物等の
強度照査および補強対策が盛んに行われている。

【０００３】従来より基礎構造物を対象とした補強対策
として、柱に対しては鋼板巻き立て工法、コンクリート
巻き立て工法などの補強方法があり、また杭基礎に対し
ては図７に示されるように、既存杭２０、２０…の周囲
に新たな杭２１、２１…を増設するとともに、既設フー
チング２２を拡大して一体化を図る増し杭工法や地中連
続壁、鋼管矢板、地盤改良などにより補強を図る補強工
法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年の基礎補強の考え
方では、橋全体の靱性を向上させてねばり強い構造とす
ることに主眼を置き、柱が地震時に剪断破壊や圧縮破壊
を起こさないように、脚回りに鋼板を接着したり鉄筋コ
ンクリートを巻き付けたりすることが盛んに行われてい
るが、橋脚の躯体（柱）の耐力を向上させると、大きな
地震を受けた場合に、橋脚躯体から基礎へ伝達される地
震力も大きくなり、基礎をも含めた大規模な補強が必要
となる場合がある。前記した杭基礎の補強対策の内、増
し杭工法は最も補強効果が高いが、新たな杭の増設は、
都市部では用地が確保できず杭打機などの作業用重機の
設置が困難な場合がある。また、上部に橋桁があるため
一般的に使用される長尺の杭打機を使用することができ
ず、たとえば打込み、中掘り杭なども短尺のものを順次
溶接しながら地中に貫入させなければならないなどの問
題があり、いずれにしても大掛かりな工事とならざるを
得ない。また、当然に工事費も嵩むことになる。

【０００５】一方、兵庫県南部地震後に発行された新設
橋梁の設計仕様および基礎補強仕様によれば、杭基礎は
橋脚躯体と同等以上の耐力および変形性能を有するよう
に設計することが規定されている。具体的には、杭基礎
の降伏水平耐力、最大水平耐力が橋脚躯体の降伏水平耐
力、地震時保有水平耐力より大きいことを照査すること
にしているが、特に地盤が軟弱であるなどの条件では、
過度の杭断面径、杭本数になることがあり、非常に不経
済となるなどの問題がある。また、杭基礎補強の場合に
は前述した補強工法上の問題が発生する。

【０００６】そこで、本発明の主たる課題は、従来の大
掛かりな杭基礎補強方法に比べて、用地確保や桁下空間
の制約を受けることが少ないとともに、簡易な工事で済
み、また所望の地震時耐力を有する杭基礎補強構造を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、杭体が地盤中に埋設設置された杭基礎上に
構造物が支持された構造形式において、前記杭基礎直上
の構造物変位を抑制するために、斜めまたは略水平方向
配置のグランドアンカーを設けたことを特徴とするもの
である。この場合、グランドアンカーの設置によって前
記構造物に常時状態で水平力が作用しないように、たと
えば左右両側に夫々対で配置し、導入緊張力の水平方向
成分の総和がほぼ零となるように前記グランドアンカー
を設置するのが望ましい。

【０００８】従来より、土木または建築に関する技術分
野においては、支持地盤上に直に置かれた直接基礎に対
してグランドアンカーを設け、モーメントによる転倒や
浮き上がりを防止したり、水平力による滑動を防止した
りした例は過去に存在する。しかし、杭基礎の場合には
構造物と杭体との剛結合により、杭体によって転倒モー
メントおよび水平力に対して抵抗するとともに、予め設
計段階で前記浮き上がりに相当する杭の引抜き力が許容
値以内となるように杭断面や杭本数を決定するため、杭
基礎をグランドアンカーにより補強を図るという技術的
な必要性がなかった。したがって、過去に遡って杭基礎
の補強例を探してみても、杭基礎をグランドアンカーに
より補強した事例は存在しないとともに、このような技
術的思想自体も存在しない。当業者にしてみれば、杭基
礎事態をグランドアンカーにより補強すること事態、過
去の技術常識を越えるまったく新規な発想である。

【０００９】杭体の断面径や本数は、通常、地震時荷重
を作用させた時の押込み力、引抜き力、変位量および杭
体応力で決まることがほとんどであり、常時荷重の作用
時には許容押込み力に対して余裕があるのが普通であ
る。これは、杭頭に地震時水平力（慣性力）が作用する
とともに、フーチング底面に前記地震時水平力に起因す
る曲げモーメントが作用し、フーチングが回転変位する
ためである。なお、許容押込み力に関し、常時許容押込
み力は極限支持力Ｒｕの１／３の値とされ、地震時（慣
性力作用時）許容押込み力は極限支持力Ｒｕの１／２の
値とされ、常時と地震時の比較では地震時は常時の１．
５倍の割増となっている。

【００１０】本出願人は、常時状態における前記杭押込
み力の余裕分に着目するとともに、前記地震時水平力の
全部または一部をグランドアンカーに負担させることに
より、フーチングの水平方向変位や回転変位を抑制する
ようにすれば、結果的に地震時断面力を減ずることがで
きる点に着眼し、本発明に至ったものである。本発明に
よれば、従来の増し杭補強工法等に比べて、工事が非常
に簡単で済み経済的となる。また、杭打設装置などに比
べて小さい削孔装置を持ち込むだけで工事を行うことが
できるため、用地確保も小さくて済むとともに、橋桁下
空間の制約を受けることも無くなる。

【００１１】他方、前記グランドアンカーの導入緊張力
の決定に当たっては、いくつかの手法が挙げられる。先
ず、第１の方法は、前記グランドアンカーの導入緊張力
を、グランドアンカー導入緊張力の水平方向成分と地震
時水平力とがほぼ同等になるように前記導入緊張力を設
定する。但し、グランドアンカーの設置によって、図１
に示されるように、導入緊張力Ｔの鉛直方向成分Ｔ_V が
杭体２に作用し、常時荷重として付加されるが、この付
加押込み力を加えた実押込み力が杭の許容押込み力を超
えることは許されないため、許容押込み力までを上限と
する。

【００１２】次いで、第２の手法は杭の水平抵抗力とグ
ランドアンカーの水平抵抗力とを構造バランスに応じて
分担させた方法であり、具体的には、（Ａ）前記グラン
ドアンカーを構造部材として含みかつ無応力とした構造
解析モデルにおいて、地震時荷重を載荷した場合に前記
グランドアンカーに作用する引張力を求め、（Ｂ）次い
で、前記構造解析モデルにおいて常時荷重を載荷すると
ともに、前記作用引張力を緊張力としてグランドアンカ
ーに導入し、この荷重条件の下で、杭体に作用する実押
込み力を求め、（Ｃ）前記実押込み力が許容押込み力以
下である場合には、前記作用引張力をグランドアンカー
の導入緊張力とし、また前記実押込み力が許容押込み力
を超える場合には許容押込み力以下とし得る最大引張力
をグランドアンカーの導入緊張力として設定する。ここ
で、前記構造解析モデルによりグランドアンカーの導入
緊張力を求めるのは、合理的な水平力分担率を求めるた
めである。

【００１３】さらに第３の手法としては、前記グランド
アンカーの導入緊張力を、実質的に零または僅かとし、
構造物に水平変位が生じたならば、その水平変位に相当
する引張力が自然に前記グランドアンカーに生じるよう
にする。

【００１４】これらの３種類の導入緊張力の考え方は、
たとえば既存橋脚の補強に当り、柱規模、橋脚高などの
構造形式の違い、地震時慣性力および地震時保有水平耐
力の大小、許容値に対する余裕程度、地盤状況など種々
の条件を加味し、設計技術者の適切な判断の下に決定さ
れる。なお、これら各導入緊張力決定手法についてはさ
らに後述する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳述する。図１は本発明に係る第１の橋脚補
強例の側面図であり、図２はその横断面図である。本発
明は図示のように、杭体２、２…が地盤中に埋設設置さ
れた杭基礎上に橋脚１が支持された構造形式を対象と
し、前記杭体２、２…の補強を図るものである。なお、
前記橋脚１の頂部には橋梁上部工４が支持される。

【００１６】従来の杭基礎の照査は、道路橋示方書IV下
部構造編９．７（日本道路協会）による変位法に従い、
道路橋示方書Ｖ耐震設計編に規定する震度法による基礎
の照査が行われていたが、杭基礎は地震による損傷の発
見が困難であるとともに、その補修も大規模とならざる
を得ないなどの理由により、前記杭基礎が将来的に破壊
しないように、橋脚躯体の地震時保有水平耐力と同等も
しくはそれ以上の耐力を有するとともに、十分な変形性
能を有するように耐震設計を行うこととされている。具
体的には、前記道路橋示方書IV下部構造編９．７に規定
する変位法を基本に、死荷重および橋脚躯体の地震時保
有水平耐力に相当する荷重に対して基礎が所要の耐力お
よび変形性能を有することを照査することとしている。
なお、前記地震時保有水平耐力照査時の許容押込み力は
極限支持力Ｒｕに１／１．２を乗じた値とされる。

【００１７】この設計仕様に則り、たとえば既存の橋脚
の強度照査を行った場合には、ほとんどの橋脚におい
て、杭基礎の補強が必要となる事態が生ずる。

【００１８】本発明においては、前記橋脚１の杭体２、
２…を補強するために、同図に示されるように、たとえ
ば支持地盤Ｈに先端側を定着させるとともに、フーチン
グ１Ａに対してアンカー頭部を定着させたグランドアン
カー（以下、単にアンカーという。）３、３…を設置
し、フーチング１Ａの地震時変位を抑制する。

【００１９】この場合、前記アンカー３、３…は、橋軸
方向のいずれの方向に地震力が作用しても、機能するよ
うに断面視で左右対の状態で配置し、また橋脚１に対し
てアンカー３、３…によって常時状態で水平力が作用し
ないように、アンカー３、３…の水平方向成分の総和が
ほぼ零となるように配置するのがよい。したがって、定
着可能位置との関係で、左右それぞれの本数が異なる場
合には、導入緊張力の調整により水平方向成分の総和が
ほぼ零となるように調整し、あるいは左右のアンカー
３、３…間で配設角度θが異なる場合にも、同じく導入
緊張力の調整により水平力成分の総和がほぼ零となるよ
うに調整する。

【００２０】前記アンカー３の配設角度θとしては、フ
ーチング１Ａの水平移動を効果的に阻止するためには、
なるべく小さくするのが望ましいが、用地の問題ととも
に、支持層Ｈが深い場合に前記配設角度θを小さくする
とアンカー長が長くなり不経済となるなどの問題が生ず
るため、杭押込み力の余裕程度や構造解析結果を踏まえ
かつ種々の条件を考慮した上で各橋脚毎に決定するのが
望ましい。

【００２１】前記アンカー３の設置に当たっては、既存
のアンカー構造および定着構造のものをそのまま使用す
ることができるが、仕様は永久アンカー仕様とし、二重
防食構造のアンカー体を使用するとともに、頭部定着部
も防錆キャップを設けるなどの措置を講ずるようにす
る。頭部定着構造は、図示の例では、橋脚躯体１Ｂの根
付けとフーチング１Ａの上面とで構成される隅部に断面
三角形状にコンクリートを打設し、これを定着座部とし
て定着を図っている。

【００２２】一方、前記アンカー３、３…の導入緊張力
の決定に当たっては、アンカー３に対する地震時水平力
の負担のさせ方、構造物自体の水平変位をどこまで許容
するかなどの設計思想に応じていくつかの手法が考えら
れる。

【００２３】先ず、第１の手法は前記アンカー３の導入
緊張力を、グランドアンカー導入緊張力の水平方向成分
と地震時水平力とがほぼ同等になるように前記導入緊張
力を設定する方法が挙げられる。但し、許容押込み力に
対する余裕が少なく地震時水平力分の前記緊張力を導入
できない場合には、杭の許容押込み力を上限として導入
緊張力を決定する。かかる第１手法の場合には、構造物
が予め地震時水平力に相当する力で引っ張られているた
め、この後に地震時水平力が作用した場合でもこの地震
時水平力が導入した緊張力の水平方向成分以下であるな
らば、アンカー３に付加的な弾性伸びは発生しないため
構造物変位（フーチング変位）は基本的に生じない。ま
た、同時に前記アンカー３によって、構造物の回転変位
も抑えられる。したがって、杭体２、２…に作用する断
面力は僅かであり、杭基礎自体の耐力が飛躍的に向上す
る。

【００２４】次いで、第２の手法は、杭の水平抵抗力と
アンカー３の水平抵抗力とを構造バランスに応じて夫々
に分担させた例である。具体的には、前記アンカー３の
導入緊張力を、以下の手順により決定する。 （Ａ）前記アンカー３を構造部材として含むとともに、
このアンカー３を無応力とした構造解析モデルにおい
て、地震時荷重を載荷し、前記アンカー３に作用する引
張力を求める。 （Ｂ）次いで、前記構造解析モデルにおいて、常時荷重
を載荷するとともに、前記作用引張力を緊張力としてア
ンカー３に導入し、この荷重条件の下で、杭体２に作用
する実押込み力を求める。 （Ｃ）前記実押込み力が許容押込み力以下である場合に
は、前記作用引張力をアンカー３の導入緊張力とする。
また、前記実押込み力が許容押込み力を超える場合には
前記許容押込み力以下とし得る最大引張力をアンカー３
の導入緊張力とする。

【００２５】このように、構造解析を経て杭体２、２…
とアンカー３、３…との水平抵抗力の分担率に応じた引
張力を前記アンカー３、３…に導入することにより、合
理的かつ効果的にアンカー３、３…の水平抵抗負担を軽
減することができる。この場合には、構造物の水平変位
や回転変位はある程度許容することになるが、本来、構
造物には地震時の許容水平変位量が設定されており、こ
れを超えなければ何ら問題はなく、一方でアンカー３、
３…の設置によって付加される付加押込み力を軽減でき
るとともに、アンカー３、３…の水平抵抗負担が構造的
に軽減されることになり、本数低減、小サイズ化が図れ
経済的となる。

【００２６】ここで、前記第１および第２緊張力決定方
法の場合における、実押込み力と許容押込み力との関係
を図３に基づいて説明する。なお、図３（ａ）は補強
前、図３（ｂ）補強後を示している。先ず、補強前にお
いて、常時および地震時（慣性力作用時）の場合に実押
込み力Ｐは許容値内に収まっているが、地震時（保有水
平耐力作用時）には実押込み力は許容押込み力Ｐａを超
えている状況である場合に、本発明補強方法によって橋
脚基礎の補強を行うと、図３（ｂ）に示されるように、
常時において余裕はほんどなくなっているが、アンカー
３、３…が地震時水平力に対して抵抗し基礎の水平変位
や回転変位が抑制された結果、地震時（慣性力作用時）
に許容値に対する余裕が生まれるとともに、地震時（保
有水平耐力作用時）にも実押込み力Ｐは許容押込み力Ｐ
ａ以下となる。なお、本例では押込み力についてのみ説
明したが、引抜き力、杭体の断面力などに関しても同様
の傾向となる。

【００２７】さらに、第３の手法として、前記アンカー
３、３…の導入緊張力を、実質的に零または僅かとする
方法がある。これは、基本的にアンカー３に緊張力を導
入しないで、構造物に水平変位が生じたならば、その水
平変位に相当する分の引張力を自然に前記アンカー３に
発生させ、この引張抵抗によって構造物の水平変位や回
転変位を抑制せんとするものである。図４に示されるよ
うに、常時においてはアンカー３の負担分が零または僅
少であるが、地震水平力を受け橋脚基礎が変位したなら
ば、その弾性伸びに相当する引張力がアンカー３、３…
に生じ、杭体２、２…と共同して地震時水平力に対して
抵抗する。

【００２８】この場合の利点は、補強によって常時にお
いて、杭に付加的な押込み力を発生させないことであ
る。特に、杭の許容押込み力に対して余裕がない場合に
有効な手法となる。

【００２９】次いで、図５および図６に示される第２実
施例は、新たに埋設したコンクリート製のブロックアン
カー７、７または現存する他の構造体（図示しない）に
対してアンカー３、３…を略水平配置で設置した例であ
る。アンカー体とし得る地中構造体が隣接域に存在する
場合は都合がよいが、存在しない場合には前記ブロック
アンカー７の設置が別途必要となるなどのデメリットは
あるものの、アンカー３を略水平配置とすることがで
き、既存の杭に付加押込み力を発生させないなどの利点
がある。なお、上記２つの実施例は、共に橋軸方向の補
強例についてであるが、橋軸直角方向の補強についても
全く同様の方法に補強することが可能である。

【００３０】ところで、本実施の形態では橋脚補強例に
ついて詳述したが、本発明は他に杭基礎形式の橋台補
強、杭基礎形式のビル、塔などの建築構造物などにたい
しても同様に適用できる。また、既設構造物の補強のみ
ならず、新設構造物であっても本発明の適用によって杭
基礎本体の負担を軽減でき、杭基礎の縮小化などに寄与
し得る。

【００３１】

【発明の効果】以上詳説のとおり、本発明によれば、従
来の増し杭工法、地中連続壁工法などの大掛かりな杭基
礎補強方法に比べて、用地確保や桁下空間の制約を受け
ることが少ないとともに、簡易な工事で済み、また所望
の地震時耐力を有する杭基礎構造とし得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る橋脚補強例の側面図である。

【図２】本発明に係る橋脚補強例の横断面図である。

【図３】（ａ）は補強前の実押込み力と許容押込み力と
の関係図であり、（ｂ）は補強後の実押込み力と許容押
込み力との関係図である。

【図４】アンカーと杭との水平抵抗の分担変化図であ
る。

【図５】本第２実施例に係る橋脚補強例の側面図であ
る。

【図６】図５のVI−VI線矢視図である。

【図７】従来の増し杭工法の概略断面図である。

【符号の説明】

１…橋脚、１Ａ…フーチング、１Ｂ…柱（橋脚躯体）、
２…杭体、３…アンカー、７…ブロックアンカー、Ｈ…
支持層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】杭体が地盤中に埋設設置された杭基礎上に
   構造物が支持された構造形式において、 前記杭基礎直上の構造物変位を抑制するために、斜めま
   たは略水平方向配置のグランドアンカーを設けたことを
   特徴とする杭基礎補強構造。
2. 【請求項２】導入緊張力の水平方向成分の総和がほぼ零
   となるように前記グランドアンカーを設置した請求項１
   記載の杭基礎補強構造。
3. 【請求項３】前記グランドアンカーの導入緊張力を、グ
   ランドアンカー導入緊張力の水平方向成分と地震時水平
   力とがほぼ同等になるように設定した請求項１、２記載
   の杭基礎補強構造。
4. 【請求項４】前記グランドアンカーの導入緊張力は、
   （Ａ）前記グランドアンカーを構造部材として含みかつ
   無応力とした構造解析モデルにおいて、地震時荷重を載
   荷した場合に前記グランドアンカーに作用する引張力を
   求め、（Ｂ）次いで、前記構造解析モデルにおいて常時
   荷重を載荷するとともに、前記作用引張力を緊張力とし
   てグランドアンカーに導入し、この荷重条件の下で、杭
   体に作用する実押込み力を求め、（Ｃ）前記実押込み力
   が許容押込み力以下である場合には、前記作用引張力を
   グランドアンカーの導入緊張力とし、また前記実押込み
   力が許容押込み力を超える場合には許容押込み力以下と
   し得る最大引張力をグランドアンカーの導入緊張力とし
   て設定した請求項１、２記載の杭基礎補強構造。
5. 【請求項５】前記グランドアンカーの導入緊張力を、実
   質的に零または僅かとしてある請求項１、２記載の杭基
   礎補強構造。