JP2010090592A - 補強土杭、補強土杭の作製方法、直接基礎の耐力算定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】締固めが容易な補強土杭、補強土杭の作製方法、及び直接基礎の耐力算定方法を提供する。
【解決手段】補強土杭１０は、地盤１２を掘削して形成された杭孔１４の内部に設けられ、地盤１２の上には図示しない構造物が建てられる。地盤１２は構造物を支持する支持力が不足するため、補強土杭１０と一体となり構造物の直接基礎を支持する。杭孔１４の周壁には、ジオテキスタイル（拘束部材）１６が設置されている。ジオテキスタイル１６は、開孔を持った通水性のあるシート状の高分子材料と化学繊維の複合材料からなる引張耐力補強部材であり、杭孔１４の周壁に沿って筒状に設置されている。ジオテキスタイル１６の内部には中詰材１８が充填されている。中詰材１８は、個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え固体同士は固結力を持たない基材と、化学反応で体積が膨張する膨張材とを混合して生成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、補強土杭、補強土杭の作製方法、直接基礎の耐力算定方法に関する。

構造物を支持する地盤の支持力が不足する場合には、一般的に、下層の強固な地盤に杭基礎やセメントで土壌改良した柱状の杭の下端を根入れさせ、下層の強固な地盤で構造物を支持している。

杭基礎や柱状の杭は、地盤と比較して高い剛性と強度を持つ一方で、破壊ひずみが小さいという特徴を有する。このため、地盤の支持力や水平せん断力を活用せず、構造物の鉛直方向及び水平方向の全荷重を負担することが求められ、直接基礎に比べて建設コストが増大するという欠点がある。

これに対し、筒状に形成された拘束部材に、中詰材として地盤材料を充填した補強土構造体は、剛性と強度は杭基礎や柱状の杭に劣るが、破壊ひずみが地盤と同程度であるという特徴を持っている。従って、この補強土構造体を杭として利用（補強土杭）し、構造物の直接基礎の直下に設置すれば、地盤の支持力を向上させると共に、周囲の地盤の支持力や水平せん断耐力を活用でき、小規模な改良で構造物が支持できる。

このような知見に基づき、引張に強い繊維補強材で成形されたジオテキスタイルを拘束部材とし、地盤を掘削した掘削土を中詰材としてジオテキスタイルの中に充填した補強土杭を、地盤に埋設し、補強土杭で地盤を補強する技術が提案されている（特許文献１）。

即ち、図７に示すように、特許文献１によれば、補強地盤５０は、地盤５２の中に水平方向に間隔をあけて、複数の補強材（補強土杭）５４が配置されている。補強土杭５４は、地盤５２を掘削して形成された杭穴の周壁に沿って、筒状のジオテキスタイルを設置し、これに掘削された掘削土（中詰材）を充填して締固めた後、補強土杭５４を掘削土で覆う構成である。

このとき、補強土杭５４は、圧縮に強い中詰材と、引張に強いジオテキスタイルで構成されており、中詰材が荷重による変形を受けた時に生じるひずみを、ジオテキスタイルが拘束することで高い圧力を保持する。従って、補強土杭５４の作製にあたり、掘削土の十分な締固めを行い、密な状態とする必要がある。

しかし、特許文献１には、掘削土の具体的な締固め手段は示されてなく、地盤補強に必要な締固めが確保されないという問題がある。

なお、補強土杭の作製において、締固めの代わりにグラウト注入といった方法も考えられるが、セメント系の固化材を注入すると、上述のように破壊ひずみが小さくなるため、周囲の地盤の支持力や水平耐力が活用できない。
特開平７−３０５３３４号公報

本発明は、上記事実に鑑み、締固めが容易な補強土杭、補強土杭の作製方法、及び直接基礎の耐力算定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る補強土杭は、地盤を掘削して形成された杭穴と、前記杭穴の周壁に沿って設置された筒状の拘束部材と、前記拘束部材の内部に投入され、化学反応で体積が膨張する中詰材と、を有することを特徴としている。
請求項１に記載の発明によれば、杭穴の周壁に沿って設置された筒状の拘束部材の内部に、化学反応で体積が膨張する中詰材を充填して補強土杭が形成されている。

これにより、拘束部材が中詰材を拘束した状態で、化学反応により中詰材の体積が膨張するので、拘束部材の内部圧力が高くなる。これは、中詰材の締固めと同じ効果を生じ、補強土杭の締固め作業を省略しても、必要とする締固め度が確保できる。

この結果、補強土杭に鉛直荷重が加わったとき、中詰材に生じる径方向への広がりが拘束部材で拘束され、鉛直荷重を支持する。
このように、直接基礎を支持する地盤を補強土杭で補強して、不足する地盤の支持力を向上させると同時に、周囲の地盤の支持力を活用して直接基礎を支持するため、建設コストが低減できる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の補強土杭において、前記中詰材を任意の間隔で、上下に仕切る仕切部材を配置したことを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、仕切部材が、中詰材を任意の間隔で上下に仕切っている。
これにより、補強土杭に鉛直荷重が加わったとき、中詰材に生じる径方向への広がりを、中詰材と仕切部材の間に生じる摩擦抵抗で減衰させ、拘束部材の拘束力を補完する。この結果、拘束部材の内部圧力を高くでき、補強土杭の鉛直強度と水平強度を高くできる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の補強土杭において、前記中詰材を袋体に詰めて、前記袋体を前記拘束部材の内部に投入し、前記杭穴を埋め戻したことを特徴としている。
請求項３に記載の発明によれば、中詰材が袋体に詰められ、この袋体が拘束部材の内部に投入され、袋体で杭穴が埋め戻されている。

これにより、補強土杭に鉛直荷重が加わったとき、中詰材に生じる径方向の広がりを、先ず袋体が袋体の拘束力で拘束する。更に、拘束部材が袋体の変形を拘束する。この結果、拘束部材の内部圧力を高くでき、補強土杭の鉛直強度と水平強度を高くできる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の補強土杭において、中詰材は、個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え、固体同士は固結力を持たない基材と、基材と混合され、化学反応で体積が膨張する膨張材と、を有することを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、中詰材は基材と膨張材を混合して作製される。
これにより、基材の材質と膨張材の種類を選択することで、用途に応じた最適な中詰材が作製できる。また、膨張材の混合割合を調整することで、補強土杭の締固め度が調整できる。このとき、基材には解体ガラ等を利用でき、環境に配慮した中詰材とすることができる。

更に、中詰材は、基材が個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備えており、固体同士は固結力を持たないため、外力を受けたときの許容変形量が大きい。このため、地震時には容易に塑性変形が生じ、上部構造物への地震時の振動の入力低減と地震エネルギーの吸収を行い、上部構造物の安全性が向上する。また、地震後も、継続して地盤と一体となり、構造物の鉛直荷重と水平荷重を支持できる。

また、補強土杭は、周囲の地盤とほぼ同じ変形特性を備えているため、地盤沈下に伴う直接基礎の浮き上がりが生じにくい。

請求項５の発明に係る補強土杭の作製方法は、地盤を掘削し、杭穴を形成する掘削工程と、前記杭穴の周壁に沿って、筒状に拘束部材を設置する設置工程と、個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え前記固体同士は固結力を持たない基材と、化学反応で体積が膨張する膨張材とを混合し、中詰材を作製する作製工程と、前記中詰材を前記拘束部材の内部に投入し、前記中詰材で前記杭穴を埋め戻す充填工程と、を有することを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、掘削工程で地盤を掘削して杭穴が形成され、設置工程で杭穴の周壁に沿って筒状に拘束部材が設置され、作製工程で化学反応で体積が膨張する中詰材が作製され、充填工程で中詰材が拘束部材の内部に投入され杭穴が埋め戻される。

これにより、補強土杭が鉛直荷重を受けて中詰材が径方向に広がろうとしたとき、中詰材の変形が拘束部材で拘束される。また、拘束部材が中詰材を拘束した状態で、化学反応により中詰材の体積を膨張させるので、拘束部材の内部圧力が高くなる。これは、中詰材の締固めと同じ効果を生じ、補強土杭の締固め作業を省略しても、品質の高い補強土杭が作製できる。

請求項６の発明に係る直接基礎の耐力算定方法は、構造物が構築され地盤に直接支持される直接基礎と、前記地盤を掘削して形成された杭穴と、前記杭穴の周壁に沿って設置された筒状の拘束部材と、前記拘束部材の内部に投入され、個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え、前記固体同士は固結力を持たない基材と、化学反応で体積が膨張する膨張材とを混合した中詰材と、を有し前記直接基礎を支持する補強土杭と、を有する直接基礎の耐力算定方法であって、前記直接基礎を支持する、前記地盤と前記補強土杭の鉛直方向の極限支持力を下記（１）式で算定し、水平方向の水平耐力を下記（２）式で算定することを特徴としている。

ここに、（１）式の各記号の内容は、以下の通りである。

なお、補強土杭の耐力は、下式で求められる。

ここに、（２）式の各記号の内容は、以下の通りである。

請求項６に記載の発明に係る直接基礎の耐力算定方法は、地盤及び地盤中に埋設された補強土杭で支持される直接基礎の設計に使用される。

ここに、（１）式は、直接基礎を支持する地盤と、補強土杭の鉛直方向の極限支持力を算定する式であり、（２）式は、水平方向の水平耐力を算定する式である。

これにより、直接基礎の耐力の算定が容易になる。

本発明は、上記構成としてあるので、締固めが容易な補強土杭、補強土杭の作製方法、及び直接基礎の耐力算定方法を提供できる。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態に係る補強土杭１０は、地盤１２を掘削して形成された杭孔１４の内部に設けられている。

地盤１２の上には、図示しない構造物が建てられる。しかし、地盤１２は構造物を支持する支持力が不足するため、後述する補強土杭１０と一体となり、構造物の直接基礎を支持する。

杭孔１４の周壁には、ジオテキスタイル（拘束部材）１６が設置されている。ジオテキスタイル１６は、開孔を持った通水性のあるシート状の高分子材料と化学繊維の複合材料からなる引張耐力補強部材であり、杭孔１４の周壁に沿って筒状に設置されている。

ジオテキスタイル１６の内部には、中詰材１８が充填されている。中詰材１８は、個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え、固体同士は固結力を持たない基材と、化学反応で体積が膨張する膨張材とを混合して生成されている。

この基材には、例えば地盤の掘削土、ガラス廃材、又は解体ガラ等を用いることができ、膨張材には、例えばカルシウムサルファーアルミネート系、石灰系、石膏・石灰系等を用いることができる。更に、膨張材として、例えば鉄鋼スラグ、ベントナイトのような水との反応や、吸水によって膨張する粒状材料等を用いてもよい。

ここに、膨張材の重量の目安は、基材の重量の１割〜２割の範囲が望ましい。
このように、杭穴１４の周壁に沿って設置された筒状のジオテキスタイル１６の内部に、化学反応で体積が膨張する中詰材１８を充填した状態で、化学反応により中詰材の体積を膨張させる。これにより、ジオテキスタイル１６の内部圧力が上昇する。これは、中詰材の締固めと同じ効果を生じ、補強土杭の締固め作業を省略しても、必要とする締固め度が確保でき、品質の高い補強土杭１０が作製できる。

この結果、補強土杭１０が鉛直荷重を受けたとき、内部に充填された中詰材１８が径方向へ広がろうとするのを、ジオテキスタイル１６が拘束する。即ち、補強土杭１０が鉛直荷重に対する耐力を備えているので、補強土杭１０を設けることにより直接基礎を支持する地盤１２の支持力が向上する。

このように、直接基礎を支持する地盤１２を補強土杭１０で補強して、不足する地盤１２の支持力を向上させると同時に、周囲の地盤１２の支持力を活用して直接基礎を支持するため、建設コストが低減できる。

次に、図２を用いて、補強土杭１０の剛性、及び破壊ひずみ特性について説明する。図２において、縦軸は剛性を横軸は破壊ひずみを示している。

図２に示すように、破線Ａで囲まれた鉄筋コンクリートは、鉄筋が引張力を負担し、コンクリートが圧縮力を負担する。この構成により、剛性が大きく破壊ひずみが小さいという特性を有している。

一方、破線Ｂで囲まれた補強土杭１０は、ジオテキスタイルが引張力を負担し、地盤が圧縮力を負担する。この構成により、剛性が小さく破壊ひずみが大きいという特性を有している。

即ち、補強土杭１０は、剛性が小さいため、大規模な構造物を支持するには適していないが、小規模〜中規模の構造物は支持できる。しかも、破壊ひずみが大きく地盤１２とほぼ同等程度のため、地盤１２と一体となって直接基礎を支持できる。

この結果、地震時には容易に塑性変形が生じ、上部構造物への地震時の振動の入力低減と地震エネルギーの吸収を行い、上部構造物の安全性が向上する。また、高い変形性能を有しているので、塑性変形が生じても健全性を保ち、地震後も、継続して地盤と一体となり、構造物の鉛直荷重と水平荷重を支持できる。

更に、補強土杭１０は、周囲の地盤とほぼ同じ変形特性を備えているため、地盤沈下に伴う直接基礎の浮き上がりが生じにくい。

次に、補強土杭１０の作製方法について図３を用いて説明する。
図３（Ａ）に示すように、先ず、上に建てられる構造物の柱の直下に位置する地盤１２を掘削し、必要とする径Ｄと深さＨの杭穴１４を形成する（掘削工程）。杭穴１４の径Ｄと深さＨは、建てられる構造物の重量や地盤１２の性状により決定される。

次いで、図３（Ｂ）に示すように、杭穴１４の周壁に沿って、引張補強部材であるジオテキスタイル１６を設置する（設置工程）。ジオテキスタイル１６は、杭穴１４の全周壁を覆うよう設置する。このとき、杭穴１４の底面は、ジオテキスタイル１６を設置してもよいし、設置しなくてもよい。

次に、図３（Ｃ）に示すように、基材２４と膨張材２６を混合して中詰材１８を作製する（作製工程）。ここに、基材２４は、個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え固体同士は固結力を持たない固体であり、膨張材２６は化学反応で体積が膨張する性質を備えた部材である。基材２４と膨張材２６の具体例は既述済みであり、説明は省略する。

基材２４と膨張材２６の混合作業は、杭穴１４の外でなされ、作製された中詰材１８がジオテキスタイル１６の内部に投入される（充填工程）。
次に、図３（Ｄ）に示すように、中詰材１８を地盤１２の表面位置まで充填する。杭穴１４の埋め戻しを終えれば、補強土杭１０の作製作業が終了する。

次に、図３（Ｅ）に示すように、例えば、中詰材１８に水を注入し膨張材２６を膨張させる。これにより、水と膨張材２６が化学反応を起こし、中詰材１８の体積が膨張する。中詰材１８の膨張で補強土杭１０の内部の圧力が高くなり、補強土杭１０が完成する（膨張行程）。

次に、直接基礎の、耐力算定方法について説明する。
図４に示すように、地盤１２の上には構造物２８が構築され、構造物２８は直接基礎３０で地盤１２に直接支持されている。また、構造物２８の柱３４の直下の地盤１２には、補強土杭１０が形成されている。

直接基礎３０の耐力算定方法において、先ず、直接基礎３０を支持する地盤１２と、補強土杭１０の鉛直方向の極限支持力を下記（１）式で算定する。

補強土杭１０は、地盤１２と同程度の高い変形性能を持っているため、補強土杭１０を用いた直接基礎３０の極限支持力Ｑｆは、直接基礎３０としての極限支持力Ｑｒａｆｔと、補強土杭１０の耐力Ｑｒｓｐの単純和で表わされる。

ここで、補強土杭１０の破壊は、円周方向のジオテキスタイル１６が破断することで中詰材１８の拘束圧が減少し、中詰材１８のせん断破壊が起こる。この破壊時の鉛直方向と水平方向の応力の関係は、モールクーロンの破壊基準より、次式で表わされる。

また、破壊時の水平応力は、引張補強材であるジオテキスタイル１６の円周方向の引張強度で決まるため、次式で表わされる。

従って、補強土杭１０の鉛直耐力は、次式で表わされる。

但し、補強土杭１０の鉛直耐力の上限値は、補強土杭１０の下端の支持地盤における先端支持力を超えないものとする。

次に、水平方向の水平耐力を下記（２）式で算定する。
ここで、補強土杭１０の中詰材１８は、固結力を保持しておらず、また、大きな水平変位を許容できるので、水平力を受けると曲げ変形よりも補強土杭１０の頭部でのすべりが卓越する。従って、水平耐力は、ラフト部分の底面摩擦力と、補強土杭１０の水平せん断耐力の単純和で表わされ、底面摩擦力Ｈｆと水平せん断耐力Ｈｒｓｐは、次式によって表わされる。

ここに、（２）式の各記号の内容は以下の通りである。

ただし、補強土杭１０のせん断耐力は、補強土杭１０の先端でのすべり抵抗力を超えないものとする。

なお、補強土杭１０の位置は、構造物２８の柱３４の直下の地盤１２としたが、これに限定されるものではなく、構造物の重量や地盤１２の性状によって決定すればよい。

（第２の実施の形態）
図５に示すように、第２の実施の形態に係る補強土杭３２は、地盤１２を掘削して形成された杭孔１４の内部に形成されている。杭孔１４の周壁には、ジオテキスタイル１６が設置され、ジオテキスタイル１６の内部には、中詰材１８が充填されている。また、中詰材１８の内部には、仕切用シート（仕切部材）２０が配置されている。

仕切用シート２０は、例えばジオテキスタイルで作製され、中詰材１８を任意の間隔で、上下に仕切るよう、横に広げて配置されている。このとき、仕切用シート３４の外周はジオテキスタイル１６の周壁と接合されていない。

これにより、補強土杭３２鉛直方向の荷重を受けて中詰材１８が径方向に広がろうとしたとき、仕切用シート３４と中詰材１８の間の摩擦抵抗で中詰材１８の広がりが抑制される。これにより、ジオテキスタイル１６の径方向の拘束力が補完される。この結果、ジオテキスタイル１６の内部圧力を高くでき、補強土杭３２の鉛直強度と水平強度を高くできる。

その他の構成は第１の実施の形態における補強土杭１０と同じであり、省略する。
なお、仕切用シート２０の素材は、ジオテキスタイルを例にとり説明したが、仕切用シート３４と中詰材１８の間の摩擦抵抗で中詰材の変形を抑制できる素材なら、ジオテキスタイルでなくてもよい。

また、仕切用シート３４の外周とジオテキスタイル１６の内面は、接合しない構成で説明したが、仕切用シート３４の外周とジオテキスタイル１６の内面を接合してもよい。これにより、ジオテキスタイル１６の内部圧力を、より高くできる。

（第３の実施の形態）
図６に示すように、第３の実施の形態に係る補強土杭４０は、地盤１２を掘削して形成された杭孔１４の内部に形成されている。杭孔１４の周壁には、ジオテキスタイル１６が設置され、ジオテキスタイル１６の内部には、中詰材１８が充填されている。

このとき、中詰材１８は、袋体４２の内部に充填された状態で杭孔１４に投入されている。袋体４２は、ジオテキスタイルで作製され、内部には中詰材１８が充填され投入口が閉じられている。

これにより、補強土杭４０が鉛直方向の荷重を受けて、中詰材１８が径方法に広がろうとするのを袋体４２が拘束する。更に、袋体４２の変形をジオテキスタイル１６が拘束する。この結果、ジオテキスタイル１６の内部圧力を高くでき、補強土杭４０の鉛直強度と水平強度を高くできる。

その他の構成は第１の実施の形態における補強土杭１０と同じであり、省略する。
なお、袋体４２は、素材をジオテキスタイルとして説明したが、中詰材１８を内部に充填し、中詰材１８の変形を拘束できる材質ならジオテキスタイルでなくてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る補強土杭の基本構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る補強土杭の剛性と破壊ひずみ特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る補強土杭の作製方法を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る補強土杭で支持された直接基礎の基本構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る補強土杭の基本構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る補強土杭の基本構成を示す図である。 従来例の補強土杭の基本構成を示す図である。

符号の説明

１０ 補強土杭
１２ 地盤
１４ 杭孔
１６ ジオテキスタイル（拘束部材）
１８ 中詰材
２０ 仕切用シート（仕切部材）
２２ 袋体
２４ 基材
２６ 膨張材
２８ 構造物
３０ 直接基礎

Claims (6)

1. 地盤を掘削して形成された杭穴と、
   前記杭穴の周壁に沿って設置された筒状の拘束部材と、
   前記拘束部材の内部に投入され、化学反応で体積が膨張する中詰材と、
   を有する補強土杭。
2. 前記中詰材を、任意の間隔で上下に仕切る仕切部材を配置した請求項１に記載の補強土杭。
3. 前記中詰材を袋体に詰めて、前記袋体を前記拘束部材の内部に投入し、前記杭穴を埋め戻した請求項１に記載の補強土杭。
4. 前記中詰材は、
   個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え、前記固体同士は固結力を持たない基材と、
   前記基材と混合され化学反応で体積が膨張する膨張材と、
   を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の補強土杭。
5. 地盤を掘削し、杭穴を形成する掘削工程と、
   前記杭穴の周壁に沿って筒状に拘束部材を設置する設置工程と、
   個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え前記固体同士は固結力を持たない基材と、化学反応で体積が膨張する膨張材とを混合し、中詰材を作製する作製工程と、
   前記中詰材を前記拘束部材の内部に投入し、前記中詰材で前記杭穴を埋め戻す充填工程と、
   を有する補強土杭の作製方法。
6. 構造物が構築され地盤に直接支持される直接基礎と、
   前記地盤を掘削して形成された杭穴と、前記杭穴の周壁に沿って設置された筒状の拘束部材と、前記拘束部材の内部に投入され個々の固体が地盤耐力として要求される圧縮耐力を備え前記固体同士は固結力を持たない基材と、化学反応で体積が膨張する膨張材とを混合してされた中詰材と、を有し前記直接基礎を支持する補強土杭と、
   を有する直接基礎の耐力算定方法であって、
   前記直接基礎を支持する、前記地盤と前記補強土杭の鉛直方向の極限支持力を下記（１）式で算定し、水平方向の水平耐力を下記（２）式で算定する直接基礎の耐力算定方法。
   

   

   

   ここに、（１）式の各記号の内容は以下の通りである。
   

   

   なお、補強土杭の耐力は下式で求められる。
   

   

   ここに、（２）式の各記号の内容は以下の通りである。
   

   

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