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1. (WO1998051868) METHOD OF ARRANGING REINFORCEMENT IN FORMING FOUNDATION OF GROUND REINFORCING TYPE AND FOUNDATION BODY
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明細書

地盤補強型の基礎形成における補強材の配置方法並びに基礎体

技術分野

この発明は、建築、土木用基礎の支持力強化手段に関する。

技術背景

建築、土木用基礎の支持力は、基礎に外力が作用した時に周囲の地盤が基礎に 及ぼす反力により得られる力このような支持力を強化した基礎形成方法並びに 基礎体について、本出願人による特公平 5— 4 0 0 8 5号公報に提案がなされて いる。

この基礎形成方法では、第 8図、第 9図に示すように、基礎体 1は深礎基礎本 体 2の周囲に棒鋼による補強材 3を配している。補強材 3は基礎本体 2から水平 及び斜め方向に放射状に延び、かつ軸方向にも所定の間隔をもって多数配設され 、いずれも周囲の地山 4の中に定着している。

この基礎体 1は以下に示す方法で形成される。まず基礎本体 2を形成するため に地山 4を垂直方向に所定径、所定深に掘削し、ライナ一プレート 6を用いて掘 削面 7に支保を施す。次に補強材 3を第 1 0図〜第 1 4図の順序であらかじめラ イナ一プレート 6の所定位置に設けた開口部 5から地山 4内に定着させる。すな わち、まず第 1 0図のように開口部 5から地山 4内に削孔し、第 1 1図に示すよ うにあらかじめ補強材 3を内挿した先端定着用の内空管 9をこの削孔 8に挿入す る。補強材 3は削孔 8より長く、先端はテーパ状に拡大して楔部 1 0を形成する 。また、内空管 9は管本体 1 1と、その先端に着脱自在に取り付けた定着管 1 2 からなり、定着管 1 2は第 1 5図及び第 1 6図のように先端に向かって内径を拡 大させたテ一パ部 1 3と、このテ一パ部 1 3から軸方向に形成した複数のスリッ ト 1 4を有する。補強材 3と内空管 9の挿入後、第 1 2図のように押さえ具 1 5 により内空管 9の基端側を押さえたまま補強材 3に引抜力を加えると、補強材 3 の楔部 1 0が定着管 1 2のテーパ部 1 3を押し広げることにより定着管 1 2が地 山 4に食い込み、補強材 3は抜けなくなる。その後、第 1 3図のように内空管 9 の管本体 1 1を定着管 1 2から切り離して引き抜きながら固化剤 1 6を注入すれ ば、補強材 3は第 1 4図のように基礎本体 2の中心方向へ突出する基端部 1 7を 残して全面的に削孔 8内に固着する。このようにして補強材 3を様々な深さの地 盤に水平及び斜め方向に放射状に定着させる。

次に、地山 4から突出する補強材 3の基端部 1 7を避けながら基礎本体 2の鉄 筋組立を行なう。その後、第 1 7図及び第 1 8図に示すように配筋の内側におい て基端部 1 7に定着板 1 8をはめ、定着板 1 8を軸方向鉄筋 1 9と帯鉄筋 2 0に 溶接して基端部 1 7の頭部を碇着ナツト 2 1で定着板 1 8に固定する。なお、第 8図において斜め方向に配設された補強材 3については定着板 1 8の代わりに第 1 9図に示すような三角形断面の定着金具 1 8 Aを用いて基端部 1 7を固定する 。このようにして、各補強材 3の基端部 1 7を配筋 1 9と 2 0とに固定した後に 基礎本体 2のコンクリ一トを打設すれば、第 8図及び第 9図のような基礎体 1が 形成される。

このように構成された基礎体 1において、補強材 3は周囲に充填した固化剤 1 6の付着力に加えて楔部 1 0の引き抜き抵抗が地山 4への定着力として作用する ため地山 4と強固に一体化し、補強材 3の周囲の地盤強度を高める一方、基端部 1 7が基礎本体 2の配筋 1 9及び 2 0に固着されることから基礎本体 2とも剛的 に結合する。その結果、基礎体 1は周囲の地盤 2 2を含めた一体の基礎として機 能し、基礎本体 2に弓 I抜力 F vが作用した場合の剪断抵抗 sの作用面は第 2 0図 のように各補強材 3の先端をつないだ大径の仮想支持面 2 3となる。そのため、 剪断抵抗 sの作用面積が著しく拡大し、引抜力に対する支持力が大幅に増加する 一方、水平力 Fh に対する支持構造も第 2 1図のように強化される。すなわち 、受動土圧 P i及び弾性地盤反力 p2の作用面が図中の基礎本体 2の左半分に位置す る各補強材 3の先端を結んだ半円形断面の仮想支持面 2 4に拡大し、また補強材 3により地盤 2 2が強化されるため弾性地盤反力 p2の得られる地層 Bの範囲も上 方へ拡大する。さらに基礎本体 2の図中右半分に位置した補強材 3の引き抜き抵 抗 aが支持力として働く。したがつて基礎体 1は水平力 F hに対しても極めて強 い支持力を有する。

しかしながら、このような従来の基礎形成方法並びに基礎体においては、基礎 体 1への補強材 3の配設方法、すなわち補強材 3の延び出し方向等については明 確な基準がなかつたので、補強材 3による支持力強化の作用が必ずしも十分に得 られていなかった。すなわち、例えば送電用鉄塔基礎等では圧縮力に対するより もむしろ引き揚げ力に対する支持力が問題となる力、これに対応して基礎体 1に 引き揚げ力に対抗する強固な支持力を持たせようとしても、このための補強材 3 の配設方法が明確となって、る訳ではなかつた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、特に引き揚げ荷重に 対して強固な支持力が得られる地盤補強型の基礎形成における補強材の配置方法 並びに基礎体を提供することを目的とする。

発明の開示

本発明では、基礎の掘削面から地山内部に削孔し、削孔内に剛性の高い補強材 を定着させた後に該補強材の基端部を基礎本体内に定着させて基礎本体を築造す る地盤補強型の基礎形成方法において、補強材に地山に対する弓 Iつ張り応力及び 剪断応力の一部を構造的に分担させることにより基礎体の引き揚げ力に対する抵 抗カを高める一方で、補強材が周辺地山を基礎本体側に引き寄せて周辺地山が基 礎本体壁面を押す拘束圧を増大させることにより基礎体の引き揚げ力に対する周 辺地山の抵抗力が増大するように補強材を配置している。

また、本発明では、基礎の掘削面から地山内部に削孔し、削孔内に剛性の高い 補強材を定着させた後に該補強材の基端部を基礎本体内に定着させて基礎本体を 築造する地盤補強型の基礎形成方法において、前記補強材を棒状部材とし、かつ 補強材の配設方向を基礎体に引き揚げ力がかかつたときに前記補強材の引つ張り 軸力が最大となる方向である地山の最小主歪みの方向と一致させている。

また、本発明では、地盤補強型の基礎体を、地山を掘削して築造した基礎本体 と、前記基礎本体から放射方向に延び出すとともに、配設方向が基礎体に引き楊 げ力がかかつたときに前記補強材の引つ張り軸力が最大となる方向である地山の 最小主歪みの方向と一致するように基礎本体の軸方向に対し斜め下方に向けられ た棒状の補強材から構成している。

これによつて、地山に定着した多数の補強材により地盤が強化されるとともに 、これらの補強材の基端部を基礎本体に定着させたため地盤が基礎本体と一体化 しょうとする。この場合、基礎体の支持力は、地山に対する引っ張り応力及び剪 断応力の一部を補強材自身が構造的に分担することにより生じる構造効果と、地 山に発生する弓 Iつ張り歪みを補強材によつて拘束し地盤全体の剛性を増加させる 補強土効果により向上する。この補強土効果は、補強材が基礎体周辺の地山を引 き寄せることにより、地山の剪断破壊時における最小主歪み増分の絶対値および 地山が膨張する挙動を小さく抑え、最小主応力が増加するために発生するもので ある。ところで、本発明の補強材は、基礎体周辺地山の最小主歪みの方向に配設 されていることから、基礎体に引き揚げ力が働いたとき補強材が周囲の地山を基 礎体側に引き寄せる効果は最も高められる。したがって、本発明によれば補強材 による補強土効果が最も有効に発生する。この結果、最大主応力に対する剪断強 度の増加が促され、基礎体周辺の地盤が強化されるので、基礎体に対する拘束圧 が増加し、基礎体は地山内に強固に支持される。

したがって、本発明は、弓 (き揚げ力に対する支持力が問題となる送電用鉄塔基 礎等への使用に有効であり、基礎体の寸法を小さく維持しながら、補強土効果に よる支持力が著しく向上するので、基礎工事のコストが大幅に削減でき、施工期 間も短縮されるとともに、掘削作業の残土の削減も可能となる。

また、本発明では、複数の前記補強材を備え、これらの補強材を基礎本体外周 の全周にわたってほぼ等間隔に配設する。これによつて、補強材による高い支持 力が得られる。

また、本発明では、前記補強材を基礎本体の径の略 2 / 3の長さとする。これ によって、補強材による高い支持力が得られる。

また、本発明では、前記補強材を基礎本体の外周面におよそ 3平方メートルに 1本の割合で配置する。これによつて、補強材の本数に対して補強効果を最も効 率的に高めることができる。

また、本発明では、軸方向に長さの短い前記基礎本体を用いるとともに、前記 補強材は前記基礎本体の軸方向に一段に配置される。このような長さの短い基礎 に対しても、本発明は十分な補強効果を与えることができる。

図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の実施の形態を示す垂直断面図である。第 2図は、同じく水 平断面図である。第 3図は、同じく補強材配設密度と補強効果の大きさの関係を 示す特性図である。第 4図は、同じく基礎体の支持力を補強する構造効果と補強 土効果を説明するための垂直断面図である。第 5図は、同じく基礎体に引き揚げ 力がかかったときの様子を示す垂直断面図である。第 6図は、補強効果の算定方 法を説明するための説明図である。第 7図は、本発明の他の実施の形態を示す垂 直断面図である。第 8図は、従来の基礎体を示す垂直断面図である。第 9図は、 同じく水平断面図である。第 1 0図は、基礎体に使用される補強材の地山への定 着工程を説明した断面図である。第 1 1図は、同じく補強材の地山への定着工程 を説明した断面図である。第 1 2図は、同じく補強材の地山への定着工程を説明 した断面図である。第 1 3図は、同じく補強材の地山への定着工程を説明した断 面図である。第 1 4図は、同じく補強材の地山への定着工程を説明した断面図で ある。第 1 5図は、補強材の先端定着に用いる定着管の正面図である。第 1 6図 は、同じく定着管の側面図である。第 1 7図は、補強材の基端部と基礎本体配筋 の接合部の断面図である。第 1 8図は、定着板の背面図である。第 1 9図は、斜 め方向に配置した補強材の基端部と基礎本体配筋の接合部の断面図である。第 2 0図は、引抜力に対する基礎体の支持構造を説明する基礎体の断面図である。第 2 1図は、水平力に対する基礎体の支持構造を説明する基礎体の断面図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。

なお、本発明は、第 8図〜第 2 1図に示した従来の基礎形成方法並びに基礎体 と基本的構成を同じくしているので、以下、第 8図〜第 2 1図に示した従来の基 礎形成方法並びに基礎体との相違点を中心に説明する。

第 1図、第 2図に示すように、本発明では、垂直方向に築造された深礎基礎本 体 2に対して、基礎体 1に引き揚げ力(引き抜き力)が作用したときの基礎体 1 周辺の地山 4の最小主歪みの方向(第 1図の矢印方向)に向かって放射状に、棒 鋼である複数の補強材 3が配設される。具体的には、各補強材 3は、水平に対し て S = 7T / 4 — 0 Z 2 ( r a d ) の角度で斜め下方に配設される。ここで、 0は 基礎体 1が築造される地山 4の内部摩擦角で、例えば地山 4がまさ土の場合は φ はおよそ 4 0度であり、この場合、補強材 3の配設方向 0はおよそ 2 5度となる o

模型を用いた実験によれば、補強材 3は、第 1図に示すように地山のより深い 位置、すなわち基礎体 1の下端側に築造するのが好ましく、これにより、より高 い補強効果が得られる。また、第 2図に示すように基礎体 1の外周にほぼ等間隔 に均等に配置することによつても、補強効果を高めることが可能となる。さらに 、補強材 3の長さが基礎本体 2の径の 2ノ 3程度である場合に、高い補強効果が 発揮される。

また、模型実験によれば、本発明における補強材 3による支持力は、無補強基 礎に対して 1 . 8倍程度まで大幅に向上する。したがって、従来の基礎では例え ば第 9図に示すように補強材 3が基礎体 1外周方向に 8本必要であつたのに対し て、本発明では第 2図に示すように補強材 3を 6本にしてもよく、さらに少ない 4本に削減しても十分な支持力を得ることができる。

また、後述する補強効果の算定方法に基づくシミュレーションによれば、補強 材 3は基礎本体 2の外周面のおよそ 3平方メートルに一本の割合で配設されたと きに、補強材 3の本数に対して最も大きな補強効果を効率的に得ることができる 。すなわち、基礎本体 2の外周面における補強材 3の配設密度を、例えば第 3図 に示すシミュレーションのように、 1本 Z 1 2 2 . 5 m2、 1本 Z 6 . 8 m2、 1 本 / 3. 4 m\ 1本 Z l . 9 m2と、順次、増加させて行ったときに、ほぼ 3平 方メートルに 1本の密度を超えた後は、補強効果の大きさの増大は、ほぼ横這い となることから、補強材 3はおよそ 3平方メ―トルに 1本の割合で配設するのが 最も効率的であることがわかる。

このように、補強材 3を地山 4の最小主歪みの方向に築造することにより、補 強材 3による補強効果(拘束圧増加効果)が著しく向上するのであるが、この作 用について以下に説明する。

第 4図に示すように、基礎体 1に対する補強効果には、地山 4に対する引っ張 り応力及び剪断応力の一部を補強材 3自身が構造的に分担することにより生じる 構造効果と、地山 4に発生する引っ張り歪みを補強材 3によって拘束し、地山 4 全体の剛性を増加させる補強土効果の二つが考えられる。本発明では、補強材 3 の配設方向を特定することにより、この周辺地山 4の力学的性質を向上させ、補 強土効果を高めることができる。

具体的には、第 5図に示すように、基礎体 1の引き揚げ時に、補強材 3は基礎 体 1周辺の地山 4 a (図に破線で示した)を基礎体 1側に引き寄せる効果がある 。これにより、基礎体 1周辺の地山 4 aは収縮することになり、地山 4の剪断破 壊時において最小歪み増分 Δ ε 3の絶対値(膨張)が小さく抑えられるので、最小 主応力ひ 3' が増加する。これは、最大主応力びに対する剪断強度(ひ— σ ) /2の増加を促し、地山 4を強ィ匕する。このように、補強土効果は、正のダ ィレイタンシー(体積歪み)抑制による地盤改良効果である。

したがって、補強土効果による支持力増強は、補強材 3の配設方向が伸び縮み のない方向と一致しているときには得られず、引き揚げ力により地山 4力剪断破 壊に至る最小主歪みの増分方向 Θと一致して補強材 3が配設されているときに最 も効果が大きくなる。

このような補強材 3による補強効果の算定方法について、第 6図に基づレ、て説 明する。

全補強効果 ΔΡを算定するためには、まず、構造効果による耐カ増分 ΔΡ sを 、補強材 1本当たりの最大軸力 Nm a x;および補強材 1本当たりの最大剪断力 S m a x iかり、

△ P s =∑ (, S m a x > · c o s 9 + Nma X i * s i n Θ ) … ( 1 ) として算定する。ここで、 Θは補強材の打設角度である。また、総和は、基礎本 体 2に配設される総ての補強材 3について、すなわち補強材 3が n本であれば i = 1〜nにわたつてとる。

さらに、補強土効果による耐カ増分 Δ Ρ rを、補強材 1本当たりの最大軸力 N ma X iおよび補強材 1本当たりの最大剪断力 Sm a X iから、

Δ P r =∑ (Nm a x■ · c o s e+ Sma x , * s i n Θ) · t a n Φ … (2)

と算定する。ここで、 θは補強材の打設角度であり、 Φは地盤の内部摩擦角であ る。また、総和は、基礎本体 2に配設される総ての補強材 3について、すなわち 補強材 3が η本であれば i = l〜nにわたつてとる。

全補強効果 ΔΡは、この構造効果による耐カ増分 ΔΡ sと、補強土効果による 耐カ増分 Δ Ρ rから、

Α Ρ = Δ Ρ s + Δ Ρ r …(3 )

として算定される。

なお、このような算定方法によって補強効果が正しく算定されることは、一連 の模型を用いた実験により確認されている。

以上のように本発明によれば、補強材 3の配設方向を、基礎体 1に引き揚げ力 がかかつたときの地山 4の最小主歪みの方向とすることにより、基礎体 1の寸法 を小さく維持しながら、補強土効果による支持力力著しく向上させることができ る。また、一つ一つの補強材 3による支持力が著しく向上するので、補強材 3の 数を例えば基礎体外周方向の各段につき 5本〜 9本程度にすることができる。し たがって、基礎工事のコストを大幅に削減でき、施工期間も短縮できるとともに 、基礎体 1が小さくなつた分、掘削作業の残土の削減も可能となる。

なお、本発明は、特に引き揚げ力に対する支持力を増大させるので、圧縮支持 力よりむしろ上部ェからの引き揚げ力に対する支持力が問題となる送電用鉄塔基 礎等に使用されると有効である。

第 7図には本発明の他の実施の形態を示す。

図示されるように、この実施の形態では、基礎体 1 aは、軸方向の長さが短い 基礎本体 2 aに対して補強材 3は基礎本体の軸方向に一段のみ配設されている。 このような土被り厚の浅い、いわゆる直接基礎においても、補強材 3を地山 4の 最小主歪みの方向 6>に向けて築造することにより、補強効果を著しく増大させる ことができる。これも、シミュレーションおよび模型実験で確認されている。

産業上の利用可能性

以上のように、本発明にかかる地盤補強型の基礎形成における補強材の配置方 法並びに基礎体は、上部からの引き揚げ力に対する支持力が問題となる基礎形成 における補強材の配置方法並びに基礎体として有用である。