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戦 -46 北 海 道 の 特 殊 土 地 盤 における 基 礎 構 造 物 研 究 予 算 : 運 営 費 交 付 金 ( 一 般 勘 定 ) 研 究 期 間 : 平 18~ 平 22 担 当 チーム: 寒 地 地 盤 チーム 研 究 担 当 者 : 西 本 聡 冨 澤 幸 一 要 旨 北 海 道 に 広 く 分 布 する 泥 炭 および 火 山 灰 土 は 一 般 的 土 質 分 類 の 砂 質 土 粘 性 土 と 力 学 特 性 が 異 なるため これ らの 特 殊 土 の 物 性 を 適 正 に 評 価 した 基 礎 構 造 物 の 設 計 施 工 法 を 確 立 し 建 設 コストの 有 効 活 用 を 図 る 必 要 がある そこで 泥 炭 性 軟 弱 地 盤 に 施 工 する 杭 基 礎 の 周 辺 に 地 盤 改 良 ( 固 結 工 法 載 荷 重 工 法 サンドコンパクションパ イル 工 法 )による 複 合 地 盤 を 形 成 し 増 加 した 改 良 強 度 を 杭 の 設 計 法 に 合 理 的 に 反 映 する 複 合 地 盤 杭 基 礎 を 研 究 開 発 した 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 設 計 法 の 妥 当 性 を 確 認 する 目 的 で 実 杭 規 模 の 水 平 載 荷 試 験 等 を 実 施 し 大 規 模 地 震 動 に 対 する 耐 震 性 能 が 大 きく 向 上 することが 検 証 されたため これらを 踏 まえた 北 海 道 における 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 設 計 施 工 法 に 関 するガイドラインを 策 定 した また 北 海 道 内 の 火 山 灰 土 に 施 工 された 杭 基 礎 で 実 施 した 多 数 の 鉛 直 載 荷 試 験 成 果 を 整 理 し 破 砕 性 の 特 殊 土 に 対 する 杭 の 鉛 直 支 持 力 設 定 法 を 要 領 化 した さらに 火 山 灰 土 に 施 工 された 杭 基 礎 の 水 平 抵 抗 特 性 について 検 証 した また 基 礎 の 性 能 規 定 設 計 法 に 基 づく 北 海 道 の 特 殊 土 地 盤 に 対 し パイルドラフト 設 計 法 を 提 要 した 覆 道 擁 壁 カルバートなどの 簡 易 構 造 物 における 基 礎 の 合 理 的 設 計 手 法 を 検 討 した キーワード: 特 殊 土 杭 地 盤 改 良 載 荷 試 験 耐 震 性 能 パイルドラフト 1.はじめに 北 海 道 には 泥 炭 火 山 灰 の 特 殊 土 が 広 く 分 布 する 泥 炭 性 軟 弱 地 盤 に 杭 を 設 計 した 場 合 許 容 水 平 変 位 量 を 確 保 するために 多 くの 杭 本 数 を 必 要 とし 基 礎 が 大 規 模 化 す る そこで 軟 弱 地 盤 を 克 服 する 基 礎 の 一 工 法 として 杭 周 辺 に 地 盤 改 良 ( 固 結 工 法 載 荷 重 工 法 サンドコン パクションパイル 工 法 ) 複 合 地 盤 を 形 成 し 増 加 した 改 良 強 度 を 杭 の 水 平 抵 抗 および 周 面 抵 抗 力 として 合 理 的 に 反 映 する 複 合 地 盤 杭 基 礎 を 研 究 開 発 した 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 設 計 法 を 工 学 的 根 拠 から 設 定 し その 妥 当 性 を 実 杭 の 載 荷 試 験 により 確 認 した また 同 工 法 では 地 震 時 に おける 杭 および 複 合 地 盤 の 耐 震 性 すなわち 健 全 性 が 課 題 となるが 大 規 模 地 震 動 に 対 する 耐 震 性 能 を 遠 心 力 模 型 実 験 ならびに 実 杭 規 模 の 水 平 載 荷 実 験 および 動 的 非 線 形 有 限 要 素 法 で 検 証 した その 結 果 同 工 法 を 現 場 条 件 に 応 じて 活 用 することで10~45%の 大 きな 建 設 コスト 縮 減 が 可 能 であり 杭 の 耐 震 性 も 向 上 することが 明 らかとな った 本 研 究 ではこれらを 踏 まえ 設 計 要 件 などを 整 理 し 北 海 道 における 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 設 計 施 工 法 に 関 するガ イドラインを 策 定 した また 北 海 道 内 の 火 山 灰 土 に 施 工 された 杭 基 礎 で 実 施 した 多 数 の 鉛 直 載 荷 試 験 成 果 を 整 理 し 杭 種 および 火 山 灰 種 別 の 検 討 から 特 に 破 砕 性 を 呈 する 火 山 灰 土 におい て 杭 周 面 摩 擦 抵 抗 力 の 低 減 設 定 の 必 要 性 など 特 殊 土 に 対 する 杭 の 支 持 力 設 定 法 を 要 領 化 した さらに 火 山 灰 土 に 施 工 された 杭 基 礎 の 水 平 抵 抗 特 性 について 検 証 した また 特 殊 土 に 対 し パイルドラフト 設 計 法 を 提 要 し た 覆 道 擁 壁 カルバートなどの 簡 易 構 造 物 における 基 礎 挙 動 を 有 限 要 素 法 および 遠 心 力 模 型 実 験 で 検 討 し 合 理 的 設 計 法 確 立 のための 基 礎 資 料 を 得 た 2. 泥 炭 性 軟 弱 地 盤 に 施 工 する 複 合 地 盤 杭 基 礎 2.1 基 本 設 計 法 杭 周 辺 の 複 合 地 盤 の 改 良 領 域 は 土 の 極 限 状 態 の 釣 り 合 いを 考 慮 することで 受 働 破 壊 の 範 囲 が 設 定 される 1) つまり 必 要 な 地 盤 改 良 領 域 を 杭 の 水 平 抵 抗 の 影 響 範 囲 とすれば 杭 特 性 長 1/βの 深 さから 受 働 すべり 面 の 勾 配 θ=(45 +φ/2)(φ: 土 のせん 断 抵 抗 角 )で 立 ち 上 げた 逆 円 錐 形 を 含 む 3 次 元 の 四 角 形 を 杭 周 辺 に 設 定 する こ れは モール クーロンの 破 壊 基 準 や 極 限 地 盤 反 力 法 を 工 学 的 根 拠 とする また 弾 性 地 盤 反 力 法 4) では 複 合 地 盤 中 の 杭 の 水 平 地 盤 反 力 係 数 k は 複 合 地 盤 の 変 形 係 数 E から(1) 式 より 算 定 される 2),3)

3 / 4 1 D / k E (1) 0.3 0.3 ここに k: 杭 の 水 平 地 盤 反 力 係 数 (kn/m 3 ) E: 複 合 地 盤 の 変 形 係 数 (kn/m 2 ) α: 水 平 地 盤 反 力 推 定 に 用 いる 係 数 D: 杭 径 (m) β: 杭 特 性 値 (m -1 ) β= 4 ( kd ) / 4 E y I E y I: 杭 の 曲 げ 剛 性 (kn m 2 )である 以 下 に 代 表 的 な 地 盤 改 良 工 法 別 の 地 盤 改 良 により 増 加 した 地 盤 の 変 形 係 数 地 盤 E の 算 定 法 を 示 す 2.1.1 固 結 工 法 固 結 工 法 で 改 良 柱 を 施 工 し 複 合 地 盤 を 形 成 した 場 合 複 合 地 盤 のせん 断 強 度 C は 原 地 盤 強 度 と 改 良 柱 の 強 度 を 改 良 率 に 従 い 合 成 した(2) 式 5) で 算 定 される C=C p a p +α s C o (1 - a p ) (2) C p = q u p / 2 C o = q uo / 2 a p = A p / A ここに C: 複 合 地 盤 のせん 断 強 度 (kn/m 2 ) C p : 改 良 柱 のせん 断 強 度 (kn/m 2 ) C o : 原 地 盤 のせん 断 強 度 (kn/m 2 ) α s : 破 壊 ひずみ 低 減 率 a p : 地 盤 改 良 率 q up : 改 良 柱 体 一 軸 圧 縮 強 度 (kn/m 2 ) q uo : 原 地 盤 一 軸 圧 縮 強 度 (kn/m 2 ) A p : 改 良 柱 体 断 面 積 (m 2 ) A: 改 良 柱 体 一 本 当 りの 分 布 面 積 (m 2 ) α s :q up の 破 壊 ひずみに 対 する q uo の 強 度 低 減 率 (1/2~1/3)である 改 良 柱 のせん 断 強 度 C p は (2) 式 に 示 すように 改 良 柱 の 一 軸 圧 縮 強 度 q up と C p =q up /2 の 関 係 にある また, 改 良 柱 の 一 軸 圧 縮 強 度 q up と 変 形 係 数 E p は 例 えばセメン ト 系 固 化 材 で 粘 性 土 地 盤 を 改 良 した 場 合 には E p =100q up の 関 係 式 など 改 良 する 原 地 盤 の 性 状 別 に 比 例 的 な 関 係 を 示 すことが 知 られている 6) つまり 複 合 地 盤 の 変 形 係 数 E はせん 断 強 度 C の 比 と 同 等 と 考 えることができ る そのため 設 計 法 では 改 良 柱 体 のせん 断 強 度 C p と 一 軸 圧 縮 強 度 q up 一 軸 圧 縮 強 さ q up と 変 形 係 数 E p の 関 係 に 基 づき 複 合 地 盤 の 変 形 係 数 E を 下 式 で 示 すように 改 良 率 a p に 従 った 複 合 地 盤 のせん 断 強 度 C と 同 様 に 扱 う その 結 果 複 合 地 盤 の 変 形 係 数 E は, 改 良 率 a p で 合 成 した 改 良 柱 体 の 変 形 係 数 E p と 原 地 盤 の 変 形 係 数 E o の 和 として(3) 式 で 算 定 される E=E p a p + α s E o (1-a p ) (3) ここに E: 複 合 地 盤 の 変 形 係 数 (kn/m 2 ) E p : 改 良 柱 体 の 変 形 係 数 (kn/m 2 ) E o : 原 地 盤 の 変 形 係 数 (kn/m 2 ) a p : 複 合 地 盤 の 改 良 率 である 2.1.2 載 荷 重 工 法 プレロード 工 法 や 近 年 施 工 例 が 多 い 真 空 圧 密 工 法 など 5) の 載 荷 重 工 法 では 圧 密 後 の 地 盤 せん 断 強 度 C は(4) 式 により 算 定 される C=C o +ΔC=C o +m ΔP U (4) ここに C: 圧 密 地 盤 のせん 断 強 度 (kn/m 2 ) C o : 原 地 盤 非 排 水 強 度 (kn/m 2 ) ΔC: 圧 密 による 増 加 地 盤 せん 断 強 度 (kn/m 2 ) m: 強 度 増 加 率 ΔP: 地 盤 内 増 加 応 力 (kn/m 2 ) U: 圧 密 度 (%)である この 考 え 方 に 基 づき 圧 密 に よる ΔC を 地 盤 改 良 により 増 加 した 変 形 係 数 ΔE と 同 等 比 と 評 価 すれば 改 良 地 盤 全 体 の 地 盤 変 形 係 数 E の 算 定 が 可 能 となる つまり (4) 式 を E の 算 定 式 に 変 換 する ただし 設 計 値 は 強 度 増 加 率 の 設 定 などにより 大 きく 変 化 するため 同 工 区 内 で 試 験 施 工 などを 実 施 し 孔 内 水 平 載 荷 試 験 で 設 計 値 を 照 査 することが 望 ましい 2.1.3 サンドコンパクションパイル 工 法 サンドコンパクションパイル 工 法 による 地 盤 改 良 で は 複 合 地 盤 中 の 杭 の 水 平 方 向 地 盤 反 力 係 数 k を 砂 杭 間 の 地 盤 の 増 加 変 形 係 数 のみから 設 定 する 方 法 など 様 々な 手 法 があるが (5) 式 6) を 用 いた 場 合 砂 杭 の 改 良 率 a s に 従 い 直 接 的 に 算 定 することができる k = k s a s + k c (1 - a s ) (5) ここに k: 複 合 地 盤 の 杭 の 水 平 方 向 地 盤 反 力 係 数 (kn/m 3 ) k s : 砂 杭 の k 値 (kn/m 3 ), k c : 砂 杭 間 の 原 地 盤 k 値 (kn/m 3 )である k s k c は, 標 準 貫 入 試 験 の N 値 または 孔 内 水 平 載 荷 試 験 による 地 盤 変 形 係 数 E から 算 定 する サ ンドコンパクションパイル 工 法 による 砂 杭 のN 値 は 概 ね 10~15 程 度 とされている サンドコンパクションパイル 工 法 では 砂 杭 のみでなく 砂 杭 を 造 成 することで 未 改 良 の 原 地 盤 についてもせん 断 強 度 の 増 加 が 期 待 される 上 記 手 法 により 地 盤 改 良 工 法 別 の 増 加 した 地 盤 変 形 係 数 E を 杭 の 水 平 地 盤 反 力 として 反 映 することで 改 良 地 盤 中 の 杭 の 水 平 抵 抗 の 設 計 が 可 能 となる この 成 果 を 踏 まえ 複 合 地 盤 杭 基 礎 を 実 現 場 に 採 用 さ せ 設 計 法 を 指 導 した 2.2 耐 震 性 の 評 価 2.2.1 実 験 による 検 証 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 耐 震 性 を 遠 心 力 模 型 実 験 ならびに 実 杭 規 模 の 水 平 載 荷 実 験 で 検 証 した 遠 心 力 模 型 実 験 は 1/50の 縮 小 模 型 を50Gの 遠 心 加 速 度 場 における 複 合 地 盤 杭 の 動 的 加 振 実 験 とした 模 型 杭 は 外 径 10mm 厚 さ 0.2mm 杭 長 400mm のスチール 製 パイプとした 原 地 盤 は 泥 炭 地 盤 を 想 定 して 乾 燥 重 量 比 1:1 のピートモスと カオリン 粘 土 の 混 合 材 料 で 初 期 含 水 比 300%の 飽 和 地 盤 を 作 成 した 加 振 実 験 では レベル 2 相 当 の 高 レベル 大 規 模 地 震 動 7) を 想 定 し 実 物 換 算 最 大 振 幅 約 800gal の 正 弦 波 を 入 力 波 形 とした レベル 2 相 当 の 高 レベル 地 震 動 による 加 振 後 の 杭 周 辺 の 複 合 地 盤 の 状 況 を 写 真 -1 に 示 した 写 真 および 解 体 後 の 検 証 により 大 規 模 加 振 に 対 し 杭 の 特 殊 変 形 や 改 良 柱 体 の 損 傷 はなく 健 全 であることが 確 認 された

また レベル 2 相 当 の 水 平 変 位 量 を 正 負 方 向 へ 繰 り 返 し 与 えた 実 杭 規 模 の 水 平 載 荷 実 験 結 果 からも 杭 ならび に 複 合 地 盤 に 大 きな 損 傷 はなく 健 全 であることが 確 認 さ れた このことから 高 レベル 地 震 動 に 対 し 杭 および 改 良 柱 体 は 概 ね 問 題 なく 地 震 後 も 同 工 法 では 所 要 の 地 盤 反 力 が 発 揮 されるものと 考 える 変 位 (mm) 30.0 15.0 0.0-15.0-30.0 戦 -46 北 海 道 の 特 殊 土 地 盤 における 基 礎 構 造 物 -16.9 21.7-21.0 11.1 改 良 無 し 改 良 有 り 0 5 10 15 20 25 30 時 刻 (sec) 水 平 変 位 の 時 刻 歴 応 答 (レベル 1 地 震 動 ) 200.0 100.0 172.9 127.6 改 良 無 し 改 良 有 り 写 真 -1 地 震 動 加 振 後 の 改 良 柱 体 2.2.2 数 値 解 析 による 検 証 複 合 地 盤 が 静 的 設 計 法 と 同 様 に 地 震 時 に 杭 に 対 し 反 力 体 の 効 果 を 発 揮 するかを 見 極 めるため 実 現 場 をモデ ルに レベル 1 地 震 動 とレベル 2 地 震 動 を 用 いた 2 次 元 動 的 非 線 形 有 限 要 素 法 解 析 を 実 施 した 検 討 モデルは 現 行 耐 震 設 計 法 8) を 実 施 した 現 場 とした 解 析 モデルでは 杭 と 地 盤 の 両 者 に 非 線 形 性 を 考 慮 した 構 成 則 を 用 いた 全 応 力 解 析 とし, 地 盤 要 素 の 偏 差 応 力 - 偏 差 ひずみ 関 係 に 対 し 履 歴 減 衰 則 を 適 用 した 入 力 地 震 動 として 時 刻 歴 加 速 度 波 形 のうち レベル 1 およびレベル 2 の 2 種 類 の 地 震 動 を 用 いた 解 析 の 結 果 得 られた 複 合 地 盤 による 地 盤 改 良 無 し 有 りのレベル 1 レベル 2 の 地 震 動 における, フーチング の 水 平 変 位 の 時 刻 歴 解 析 値 に 注 目 した( 図 -1) その 結 果 レベル 1 地 震 動 で 地 盤 改 良 無 しの 前 面 側 最 大 変 位 21.7mm が 改 良 後 は 5 割 の 11.1mm まで 減 少 した.また, レベル 2 地 震 動 で 地 盤 改 良 無 しの 橋 台 前 面 側 最 大 変 位 172.9mm に 対 し, 改 良 後 は 7 割 程 度 の 127.6mm に 減 少 し ている 以 上 の 2 次 元 動 的 非 線 形 有 限 要 素 法 解 析 の 結 果 複 合 地 盤 を 杭 周 辺 に 施 すことで 静 的 設 計 法 と 同 様 に 複 合 地 盤 無 しの 場 合 に 対 し 地 震 時 の 杭 変 位, 杭 ひずみが 抑 制 され 耐 震 性 能 が 大 きく 向 上 することが 検 証 された 9) 2.3 耐 震 照 査 フローの 提 案 一 連 の 考 察 より 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 耐 震 性 能 の 検 証 法 として 図 -2 に 示 す 耐 震 照 査 フローを 提 案 した すなわち 変 位 (mm) 0.0-100.0-200.0-147.1-152.6 0 5 10 15 時 刻 (sec) 水 平 変 位 の 時 刻 歴 応 答 (レベル 2 地 震 動 ) 図 -1 フーチング 水 平 変 位 の 時 刻 歴 応 答 START 複 合 地 盤 パラメータの 設 定 震 度 法 による 設 計 動 的 解 析 法 による 耐 震 性 能 の 照 査 施 工 性 経 済 性 の 検 討 END 改 良 深 さ 改 良 幅 改 良 強 度 特 性 長 1/βに 基 づく 設 定 線 形 バネモデル 動 的 非 線 形 有 限 要 素 法 地 盤 杭 構 造 物 一 体 モデル 図 -2 複 合 地 盤 における 杭 の 耐 震 照 査 フロー

複 合 地 盤 のパラメータは 1/βを 基 準 とするものの 杭 の 耐 震 性 能 については 震 度 法 地 震 時 水 平 保 有 耐 力 照 査 法 8) の 静 的 解 析 のみでなく 必 要 に 応 じて 動 的 解 析 法 を 主 体 とし 詳 細 に 照 査 することとする 本 フローに 従 った 設 計 を 行 うことで 同 工 法 における 杭 の 耐 震 照 査 法 が 成 立 する 2.4 設 計 施 工 要 領 上 述 の 成 果 から 策 定 した 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 設 計 施 工 要 領 の 概 要 を 示 す 複 合 地 盤 内 の 杭 は 現 行 の 杭 基 礎 設 計 法 4),5),6),8) を 踏 襲 し 常 時 では 線 形 バネモデル 地 震 時 ではレベル 1 地 震 動 に 対 し 震 度 法 およびレベル 2 地 震 動 に 対 し 地 震 時 保 有 水 平 耐 力 法 で 照 査 することになる ただし 改 良 範 囲 が 提 案 設 計 法 から 逸 脱 する 場 合 や 複 合 地 盤 が 良 質 な 地 盤 に 接 するように 施 工 されていない 場 合 には 動 的 非 線 形 有 限 要 素 法 解 析 により 杭 の 耐 震 性 を 検 証 することとした 一 方 複 合 地 盤 の 健 全 性 を 確 保 するため 通 常 の 滑 動 転 倒 以 外 に 常 時 の 地 盤 反 力 の 応 答 値 が 複 合 地 盤 の 受 働 土 圧 を 確 保 させることや 地 震 時 に 従 来 の 杭 許 容 変 位 量 よ りも 精 度 を 上 げた 抑 制 値 を 設 定 することとした また 施 工 時 のカルテ 作 成 についても 義 務 づけることとした なく 設 計 値 と 同 等 もしくはそれを 上 回 る 発 現 を 示 した また 杭 先 端 支 持 力 についても 設 計 値 を 確 保 し その 結 果 設 計 は 砂 質 土 相 当 での 設 定 は 問 題 ないと 考 えられた ただし 杭 周 面 極 限 摩 擦 力 の 発 現 は 各 現 場 で 一 様 では なく 同 一 現 場 においても 設 計 値 を 上 回 る 区 間 や 下 回 る 区 間 がありバラツキを 示 した 特 に 図 -3 に 示 したよう に 火 砕 流 堆 積 物 (fl)では 杭 周 面 摩 擦 力 度 f は 設 計 値 を 下 回 るものも 多 い 特 に CCP では N 値 が 大 きい 場 合 に 実 測 値 が 低 下 する 傾 向 を 示 し SPP では N 値 30 未 満 15) で 低 下 傾 向 が 顕 著 に 表 れている 現 行 設 計 法 と 同 じよ うに 平 均 値 で 評 価 すれば バラツキはあるものの CCP および N 値 30 未 満 の SPP において 図 中 の 破 線 で 示 す 関 係 式 が 得 られる それらは 設 計 値 に 対 してそれぞれ CCP で 約 25 % N 値 30 未 満 の SPP で 約 30 % の 減 少 で ある 火 砕 流 堆 積 物 (fl)の CCP および N 値 30 未 満 の SPP で 杭 周 面 摩 擦 力 度 f が 低 下 する 要 因 は 杭 施 工 に 伴 い 杭 周 辺 の 火 山 灰 土 が 乱 され 側 圧 が 低 下 するためと 推 論 される また 火 砕 流 堆 積 物 (fl)は 生 成 の 段 階 で 溶 結 の 影 響 を 受 けている 16),17) ものがあるため 破 砕 が 生 じ 3. 火 山 灰 地 盤 に 施 工 する 杭 基 礎 設 計 法 3.1 鉛 直 支 持 力 設 定 法 現 行 設 計 法 においては 火 山 灰 地 盤 中 の 杭 基 礎 の 支 持 力 は 火 山 灰 土 が 砂 に 近 い 密 度 やせん 断 抵 抗 を 有 するこ とから 一 般 に 砂 質 土 地 盤 に 準 拠 して 設 計 されている しかし 火 山 灰 土 はその 物 性 によっては 破 砕 性 の 性 質 を 示 すなど その 種 類 により 砂 質 土 と 細 部 の 力 学 特 性 が 異 なることが 明 らかとなってきた 10),11),12) つまり 拘 束 圧 により 粒 子 破 砕 した 火 山 灰 土 ではせん 断 強 度 の 低 下 が 懸 念 される その 結 果 実 現 場 においても 杭 施 工 に 伴 い 支 持 力 が 低 下 し 打 止 め 判 定 が 困 難 となる 事 例 などが 報 告 されている 13),14) 一 方 構 造 物 基 礎 の 性 能 規 定 化 に 伴 い 地 盤 性 状 を 正 規 に 反 映 した 設 計 法 が 強 く 求 められてきている そこで 火 山 灰 地 盤 における 杭 基 礎 の 鉛 直 支 持 機 構 の 検 証 を 目 的 に 北 海 道 内 の 火 山 灰 地 盤 に 施 工 された 道 路 橋 基 礎 杭 に おいて 鉛 直 載 荷 試 験 ( 押 込 み 試 験 および 衝 撃 載 荷 試 験 ) を 実 施 し 杭 種 別 火 山 灰 土 の 種 類 別 の 検 討 を 行 った 場 所 打 ち 杭 (Cast-in Place Concrete Pile 以 下 CCP)6 現 場 打 込 み 鋼 管 杭 (Steel Pipe Pile 以 下 SPP)8 現 場 の 計 14 現 場 である 本 報 では 一 連 の 知 見 より 実 務 者 の ための 火 山 灰 地 盤 における 杭 の 評 価 法 を 策 定 した 鉛 直 載 荷 試 験 の 結 果 杭 の 極 限 支 持 力 は 杭 種 に 関 係 図 -3 火 砕 流 堆 積 物 (fl)における 区 間 平 均 N 値 と 杭 実 測 周 面 極 限 摩 擦 力 度 f( 印 N 値 30 未 満 )

ている 可 能 性 もある そのため 今 後 北 海 道 の 火 山 灰 地 盤 における 杭 の 支 持 力 設 計 法 は 以 下 とすることが 妥 当 と 考 えられる 1 所 要 の 現 場 地 盤 調 査 および 土 質 試 験 ( 物 理 試 験 力 学 試 験 )から 火 山 灰 土 の 物 性 の 詳 細 を 確 認 する その 際 地 質 図 幅 や 既 往 資 料 を 参 考 に 火 山 灰 土 であること の 判 定 を 行 い 同 時 に 降 下 火 砕 堆 積 物 (fa)および 火 砕 流 堆 積 物 (fl)の 区 分 を 明 確 化 する 現 場 調 査 法 と して 標 準 貫 入 試 験 (N 値 )のみでなく 杭 周 面 摩 擦 力 の 相 関 性 を 考 慮 した 電 気 式 コーン 貫 入 試 験 (q t 値 )の 活 用 も 有 効 である 2 北 海 道 の 火 山 灰 地 盤 における 杭 基 礎 の 鉛 直 支 持 力 は 従 来 どおり 先 端 支 持 力 と 周 面 摩 擦 力 の 合 力 とするが 杭 先 端 極 限 支 持 力 度 q d については 砂 質 土 に 準 拠 し 道 路 橋 示 方 書 設 定 法 より 場 所 打 ち 杭 は q d =3000kN/m 2 と し 打 込 み 鋼 管 杭 は 支 持 層 への 換 算 根 入 れ 深 さに 応 じ た 設 定 とする 3 北 海 道 の 火 山 灰 地 盤 の 杭 基 礎 の 周 面 摩 擦 力 度 f は 降 下 火 砕 堆 積 物 では 砂 質 土 相 当 とする ただし 火 砕 流 堆 積 物 では 砂 質 土 に 対 し 場 所 打 ち 杭 で 25% N 値 30 未 満 の 打 込 み 鋼 管 杭 で 30%の 低 減 設 定 とする 火 砕 流 堆 積 物 で 杭 摩 擦 が 低 下 する 要 因 は 杭 施 工 に 伴 い 杭 周 辺 の 火 山 灰 土 で 粒 子 破 砕 を 生 じ 側 圧 が 小 さくなるた めと 考 えられることから 施 工 時 には 地 盤 の 乱 れに 留 意 する 必 要 がある (なお 現 行 の 道 路 橋 示 方 書 では 砂 質 土 における 杭 最 大 周 面 摩 擦 力 度 f は 場 所 打 ち 杭 で f =5N 打 込 み 鋼 管 杭 で f =2N (N:N 値 )である 15) ) 4 火 山 灰 地 盤 の 杭 基 礎 の 安 全 性 や 鉛 直 支 持 機 構 が 不 明 な 場 合 は 必 要 に 応 じて 鉛 直 載 荷 試 験 を 実 施 し 支 持 力 を 検 証 することが 望 ましい また 近 傍 の 載 荷 試 験 デ ータの 活 用 も 有 用 である 3.2 水 平 抵 抗 特 性 火 砕 流 堆 積 物 で 杭 実 測 周 面 摩 擦 力 度 f の 低 下 傾 向 が 認 められたことから 次 に 火 山 灰 地 盤 に 施 工 された 杭 基 礎 の 水 平 抵 抗 特 性 について 検 証 した ここでは 実 杭 の 水 平 載 荷 試 験 から 得 られた 杭 水 平 変 位 量 の 増 加 に 伴 う 水 平 地 盤 反 力 の 変 化 に 注 目 した CCP と SPP の 各 杭 変 位 レベルにおける 水 平 地 盤 反 力 係 数 k と 基 準 水 平 地 盤 反 力 係 数 k 0 の 比 を 図 -4 に 整 理 した 基 準 水 平 地 盤 反 力 係 数 k 0 は 杭 地 表 面 変 位 量 y =10mmに 対 する 水 平 地 盤 反 力 係 数 である 既 往 の 研 究 成 果 18),19) では 砂 質 土 系 地 盤 で 杭 変 位 量 y と 水 平 地 盤 反 力 係 数 が k/k 0 = y - 0.5 の 関 係 を 示 すこ とが 広 く 知 られている 図 -4 から CCP は 杭 地 表 面 変 位 量 y=5mm 以 下 では 水 平 地 盤 反 力 が 比 較 的 小 さいが 杭 変 位 の 増 加 とともに 上 昇 し y =5mm 以 上 で k/k 0 = y - 0.5 の 勾 配 に 一 致 する これ は 実 測 の 杭 変 位 量 が 10mm 以 下 のため 図 中 に 参 考 と して 示 した 基 準 水 平 地 盤 反 力 係 数 k 0 を y =5mm として 算 定 した 場 合 でもその 傾 向 は 同 様 である そのため 火 山 灰 地 盤 の CCP は 杭 変 位 量 が 増 加 し 杭 周 辺 土 の 水 平 地 盤 反 力 が 除 々に 大 きくなることで 砂 質 土 相 当 の 杭 水 平 抵 抗 が 確 保 されたものと 考 えられる. これに 対 して SPP は y =0~10mm までは k/k 0 = y - 0.6 の 関 係 で 水 平 地 盤 反 力 は 小 さいが y =10mm 以 上 では k/k 0 = y - 0.3 の 関 係 を 示 し 比 較 的 大 きな 水 平 地 盤 反 力 が 発 揮 されている これは 杭 周 面 摩 擦 力 度 f と 同 様 に 火 山 灰 土 の 水 平 地 盤 反 力 は 杭 施 工 に 伴 う 杭 周 辺 の 火 山 灰 土 の 乱 れから 当 初 低 下 傾 向 にあるが 杭 変 形 が 除 々に 大 きくなるに 従 い 所 要 の 水 平 地 盤 反 力 が 確 保 されるためと 推 察 される 図 -4 杭 実 測 地 表 面 変 位 y と 実 測 水 平 地 盤 反 力 係 数 k / 基 準 水 平 地 盤 反 力 係 数 k 0

4. 簡 易 構 造 物 の 合 理 的 設 計 法 パイルドラフトを 含 めた 異 種 基 礎 は 地 盤 - 構 造 物 挙 動 が 複 雑 であり 地 震 時 を 含 め 非 常 に 高 度 な 解 析 が 必 要 となる 20) ただし 構 造 物 形 式 や 地 盤 反 力 特 性 を 考 慮 し 必 要 十 分 な 基 礎 構 造 を 選 定 できるため 基 礎 の 規 模 を 縮 小 し 建 設 コスト 削 減 が 可 能 性 となる このため 地 震 時 を 含 めた 荷 重 状 態 が 比 較 的 明 確 であ る 土 木 構 造 物 の 擁 壁 構 造 を 対 象 として 杭 が2 列 の 場 合 および 片 側 に1 列 の 場 合 のパイルドラフト 異 種 基 礎 構 造 の 適 応 性 について 3 次 元 有 限 要 素 法 解 析 および 遠 心 力 模 21) 型 実 験 で 検 討 し( 図 -5) 設 計 法 確 立 のための 基 礎 資 料 を 得 た 土 圧 p(kn/m2) 土 圧 p(kn/m2) 土 圧 計 載 荷 重 :P(20233kN) δ=0.35m 0 杭 土 圧 分 布 杭 100 200 土 圧 合 計 :P'(4335kN) 300 反 力 合 計 :P'+q(31023kN) 400 500 杭 反 力 :q(13968kn) 杭 反 力 :q(12720kn) -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 土 圧 計 位 置 (m) 土 圧 計 載 荷 重 :P(22395kN) 2 列 杭 5.まとめ 本 研 究 において 北 海 道 の 特 殊 土 地 盤 における 基 礎 構 造 物 の 設 計 法 について 検 討 した その 結 果 を 要 約 すると 以 下 の 通 りである 1) 軟 弱 地 盤 を 克 服 する 基 礎 の 一 工 法 として 杭 周 辺 に 複 合 地 盤 を 形 成 し 増 加 したせん 断 強 度 を 杭 の 水 平 抵 抗 として 反 映 する 複 合 地 盤 杭 基 礎 を 研 究 開 発 した 同 工 法 を 現 場 条 件 に 応 じて 活 用 することで10~45%の 大 き な 建 設 コスト 縮 減 が 可 能 である 同 工 法 の 設 計 法 は 工 学 的 に 設 定 される また 同 工 法 において 杭 周 辺 の 地 盤 改 良 は 一 般 的 な 工 法 の 全 てを 対 象 とすることが 可 能 である ラフト ラフト δ=0.35m 0 土 圧 分 布 杭 100 200 300 400 土 圧 合 計 :P'(10726kN) 500 反 力 合 計 :P'+q(19886kN) 杭 反 力 :q(9160kn) -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 土 圧 計 位 置 (m) 1 列 杭 図 -5 載 荷 重 と 杭 反 力 ラフト 反 力 2) 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 遠 心 力 模 型 実 験 ならびに 実 杭 規 模 の 水 平 載 荷 実 験 の 結 果 大 規 模 地 震 動 に 対 し て 杭 および 複 合 地 盤 が 健 全 であり 実 務 上 問 題 な いと 考 えられた 3) 複 合 地 盤 杭 基 礎 は 震 度 法 および 地 震 時 保 有 水 平 耐 力 照 査 法 の 耐 震 設 計 法 より 構 造 上 問 題 ないこ とが 検 証 された また 動 的 非 線 形 有 限 要 素 法 解 析 の 結 果, 複 合 地 盤 を 杭 周 辺 に 施 すことで 静 的 設 計 法 と 同 様 に 複 合 地 盤 無 しの 場 合 に 対 し 地 震 時 の 杭 変 位 杭 ひずみが 抑 制 され 耐 震 性 が 大 きく 向 上 すること が 確 認 された 4) 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 耐 震 性 能 の 検 証 法 として 動 的 応 答 解 析 を 主 体 とする 耐 震 照 査 フローを 提 案 した これらを 踏 まえた 北 海 道 における 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 設 計 施 工 法 に 関 するガイドラインを 策 定 した 5) 火 山 灰 地 盤 の 杭 の 支 持 力 設 計 法 に 関 し 一 連 の 現 場 載 荷 試 験 の 精 査 より 特 に 破 砕 性 を 呈 する 火 砕 流 堆 積 物 において 杭 周 面 摩 擦 抵 抗 力 の 低 減 設 定 の 必 要 性 など 実 務 者 のための 火 山 灰 地 盤 における 杭 の 評 価 法 を 策 定 した 6) 火 山 灰 地 盤 に 施 工 された 杭 基 礎 の 水 平 抵 抗 特 性 は 水 平 地 盤 反 力 係 数 k は 微 笑 変 形 では 小 さいが 杭 変 位 量 y が 大 きくなるに 従 い 増 加 し CCP で k/k 0 = y - 0.5 SPP で k/k 0 = y - 0.3 の 関 係 が 得 られた 7)パイルドラフト 異 種 基 礎 構 造 の 3 次 元 有 限 要 素 法 解 析 および 遠 心 力 模 型 実 験 より 擁 壁 の 杭 を 片 側 1 列 置 し た 場 合 2 列 に 杭 を 配 置 した 場 合 とほぼ 同 等 の 変 位 抑 制 および 支 持 効 果 が 確 認 され 今 後 の 簡 易 構 造 物 の 実 用 化 に 向 けた 基 礎 資 料 が 得 られた 参 考 文 献 1) 例 えば, 赤 井 浩 一 : 土 質 力 学,pp.124-149,1997. 2) Broms, B. B.:Lateral resistance of piles in cohesive soils, Proc., ASCE, Vol. 90, SM(3), pp.27-63, 1964. 3) Reese, L. C., Cox, W. R. and Koop, F. D.:Analysis of laterally loaded pile in sand, Proc., Offshore Technology Conference, Houston, TX, OTC2080, 1974. 4) 日 本 道 路 協 会 : 道 路 橋 示 方 書 同 解 説 Ⅳ 下 部 構 造 編,pp.348-465, 2002. 5) 北 海 道 開 発 土 木 研 究 所 : 泥 炭 性 軟 弱 地 盤 対 策 工 マニュアル, pp.71-129, 2002. 6) 土 木 研 究 センター: 陸 上 工 事 における 深 層 混 合 処 理 工 法 設 計 施 工 マニュアル,pp.48-148, 1999. 7) 鉄 道 総 合 技 術 研 究 所 : 鉄 道 構 造 物 等 設 計 標 準 同 解 説 耐 震 設 計,pp.43-48, 1993.

8) 日 本 道 路 協 会 : 道 路 橋 示 方 書 同 解 説 Ⅴ 耐 震 設 計 編,pp.48-118, 2002. 9) 冨 澤 幸 一, 三 浦 清 一, 渡 辺 忠 朋 : 複 合 地 盤 の 改 良 範 囲 および 改 良 強 度 が 杭 の 地 震 時 挙 動 に 及 ぼす 影 響, 土 木 学 会 論 文 集 C, Vol.164, No.1, pp.127-143, 2008. 10) 三 浦 清 一, 八 木 一 善 : 火 山 灰 質 粒 状 体 の 圧 密 せん 断 による 粒 子 破 砕 とその 評 価, 土 木 学 会 論 文 集,No.561/ III-36,pp.257-269, 1997. 11) 飯 竹 重 光 : 関 東 ロームのコンシステンシー 特 性 について, 土 木 学 会 論 文 集, 第 277 号,pp.85-93, 1978. 12) 高 田 誠, 北 村 良 介, 北 田 貴 光 : 二 次 しらす 地 盤 の 力 学 特 性 の 評 価, 土 木 学 会 論 文 集,No.561/ III-38,pp.237-244, 1997. 13) 赤 井 公 昭, 辻 本 有 一, 佐 久 間 彰 三, 半 澤 武 志 : 支 笏 火 山 灰 層 にお ける 鋼 管 杭 の 支 持 力 機 構, 土 と 基 礎,Vol.314,No.1442, pp.41-46, 1984. 14) 長 谷 川 健 一, 平 野 稔, 日 下 部 祐 基 : 火 山 灰 地 盤 における 打 込 み 鋼 管 杭 の 支 持 力 特 性 について, 第 21 回 日 本 道 路 会 議, 橋 梁 部 門, pp.852-853, 1995. 15) 日 本 道 路 協 会 : 道 路 橋 示 方 書 同 解 説 IV 下 部 構 造 編,pp.348-432, 2002. 16) 土 質 工 学 会 : 日 本 の 特 殊 土,pp.203-261, 1974. 17) 若 松 幹 男, 近 藤 努 : 北 海 道 の 土 質 北 海 道 の 火 山 灰 質 土, 土 と 基 礎,Vol.37,No.9, pp.24-29, 1989. 18) 久 保 浩 一 : 杭 の 横 抵 抗 の 新 しい 計 算 法, 港 湾 技 術 研 究 所 報 告,Vol.2, No.3, 37p., 1964. 19) 今 井 常 雄 : 地 盤 の 横 方 向 K 値 の 研 究 (3)- 設 計 に 用 いる K 値 -, 土 と 基 礎,Vol.17,No.574, pp.13-18, 1968. 20) 木 村 亮, 長 谷 川 雅 : 模 型 急 速 載 荷 試 験 による 群 杭 およびパイ ルド ラフトの 鉛 直 支 持 力 特 性 の 検 討, 土 木 学 会 論 文 集 Ⅲ No.778,pp.29-39, 2004. 21) 冨 澤 幸 一, 青 地 知 也, 三 浦 清 一 :パイルドラフト 併 用 基 礎 の 支 持 機 構 の 解 析 (1 2), 第 42 回 地 盤 工 学 研 究 発 表 会 講 演 集,pp.1293-1296, 2007.

DESIGN OF FOUNDATIONS ON PROBLEMATIC SOILS IN HOKKAIDO Abstract:The purpose of this study is the systematization of a rational design method, in which composite ground is formed around piles constructed in soft ground and ground subject to liquefaction and the increased shear strength is reflected as the horizontal resistance of piles. In the proposed design method, the necessary range of composite ground around piles and the horizontal subgrade reaction of piles with the increased shear strength are determined based on engineering assessment. Since composite ground is transformed into artificial ground that is stronger than the original unimproved ground, a method for the verification of seismic performance depending on earthquake vibration levels was also proposed based on a parameter study using the dynamic nonlinear finite element method and centrifuge model test. A series of vertical and horizontal loading tests were conducted on the existing piles constructed in Hokkaido, in order to evaluate the bearing capacity and deformation characteristics of piles in volcanic ash grounds. Static cone penetration tests were also performed at the same sites. From test results, the skin friction f of piles in the welded pyroclastic fall deposit tends to decrease compared with that of sandy soil. A correlation was between the cone point resistance q t and skin friction f. It was also indicated from CCP and SPP tests that the normalized coefficient of horizontal subgrade reaction could be estimate from the pile deformation at the ground surface. Key words:problematic soil, pile, soil improvement, loading test, seismic performance, piled raft