戦 -68 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 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 : 冨 澤 幸 一 福 島 宏 文 江 川 拓 也 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 適 用 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 適 用 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 2),3) - 1 -
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 3 / 4 1 D / β k = α 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 - 2 -
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 -68 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) 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 - 3 -
2.3 耐 震 照 査 フロー 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 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 ガイドライン 上 述 の 一 連 の 研 究 成 果 を 反 映 し 土 木 研 究 所 寒 地 土 木 研 究 所 より 技 術 検 討 委 員 会 の 協 議 および 関 係 機 関 への 意 見 照 会 を 経 て 平 成 22 年 4 月 に 設 計 施 工 法 に 関 するガイ ドラインを 策 定 した( 写 真 -2) 施 工 時 のカルテ 作 成 についても 義 務 づけることとした その 結 果 複 合 地 盤 杭 基 礎 のガイドラインにおいて 設 計 法 成 立 のための 照 査 指 標 は 概 ね 以 下 とした 1) 複 合 地 盤 杭 基 礎 の 基 本 設 計 法 において 固 化 改 良 体 の 改 良 諸 元 を 工 学 的 根 拠 に 基 づき 改 良 深 さは 杭 特 性 長 1/βを 基 本 とし 一 軸 圧 縮 強 さq u についてはq u =200~ 500kN/m 2 を 適 用 範 囲 の 基 準 値 とする 2) 複 合 地 盤 杭 基 礎 において 固 化 改 良 体 の 損 傷 の 限 界 状 態 は 杭 径 2.5% 程 度 の 杭 変 形 内 と 想 定 されるが 固 化 改 良 体 の 健 全 性 を 確 保 させるための 内 的 安 定 として 水 平 地 盤 反 力 度 照 査 を 実 施 する 3) 複 合 地 盤 杭 基 礎 において 固 化 改 良 体 の 反 力 効 果 を 持 続 させ 外 的 安 定 を 確 保 させるために 常 時 暴 風 時 お よびレベル1 地 震 時 の 杭 の 許 容 水 平 変 位 量 を 自 然 地 盤 の 杭 径 1%(あるいは15mm)に 対 して 杭 径 0.5%に 低 減 設 定 する 写 真 -2 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 この 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 10) の 概 要 は 以 下 である 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 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 11), 12), 13) 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 14), 15) 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 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 - 4 -
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 ) 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 16) 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 17), 18) ものがあるため 破 砕 が 生 じ 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 16) ) 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 -5 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 19), である 既 往 の 研 究 成 果 20) 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 - 5 -
における 杭 水 平 載 荷 試 験 結 果 では 設 計 値 の 確 保 が 難 し いものもあった そのため 設 計 水 平 地 盤 反 力 は 今 後 安 全 側 の 設 定 や 現 場 載 荷 試 験 の 実 施 検 証 をすることが 望 ましいと 考 えられる 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 21) 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 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 型 実 験 で 検 討 し 設 計 法 確 立 のための 成 果 22) を 得 た 載 荷 重 とラフト 鉛 直 変 位 δの 関 係 を 図 -5に 示 す 図 によれば 杭 が2 列 の 場 合 と 片 側 1 列 のみの 場 合 で δ=0.25m 以 降 の 荷 重 - 変 位 関 係 に 大 きな 差 異 はなく パイルドラフト 基 礎 の 支 持 機 構 とし て 杭 とラフトが 一 体 となって 抵 抗 し 片 側 1 列 のみの 杭 でも 同 等 の 支 持 力 を 発 揮 していることが 想 定 される δ= 0.35mにおける 杭 およびラフトの 反 力 分 布 を 図 -6に 示 す 杭 とラフトの 荷 重 分 担 は 杭 が 片 側 1 列 のみの 場 合 はラフ トの 受 け 持 ち 分 が 大 きいことがわかる また 杭 が 無 い 側 の 土 圧 分 布 が 大 きく 発 現 し これは 片 側 の 杭 反 力 と 均 衡 を 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 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 ただし 火 山 灰 質 地 盤 の 杭 基 礎 の 水 平 抵 抗 は 杭 変 位 yや 杭 幅 B H の 変 化 および 火 山 灰 質 に 種 別 でメカニズムの 詳 細 が 異 なると 考 えられ 数 件 の 別 現 場 の 火 山 灰 質 地 盤 2 列 杭 1 列 杭 図 -5 載 荷 重 とラフト 鉛 直 変 位 - 6 -
土 圧 p(kn/m2) 土 圧 p(kn/m2) 土 圧 計 載 荷 重 :P(20233kN) 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) 保 つためと 考 えられる 2 列 杭 δ=0.35m 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 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 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 -6 杭 反 力 およびラフト 反 力 分 布 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 施 工 カルテの 作 成 も 義 務 化 することで 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 10) 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 小 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 火 山 灰 質 地 盤 の 杭 基 礎 の 水 平 抵 抗 は 杭 変 位 y や 杭 幅 B H の 変 化 および 火 山 灰 質 に 種 別 でメカニズムの 詳 細 が 異 なると 考 えられ 今 後 安 全 側 の 設 定 や 現 場 載 荷 試 験 の 実 施 検 証 をする ことが 望 ましいと 考 えられる 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 成 果 が 得 られた 参 考 文 献 1) 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. - 7 -
10) 土 木 研 究 所 寒 地 土 木 研 究 所 : 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, pp.1-189, 2010. 11) 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. 12) 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. 13) 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. 14) 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. 15) 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. 16) 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. 17) 土 質 工 学 会 : 日 本 の 特 殊 土,pp.203-261, 1974. 18) 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. 19) 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. 20) 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. 21) 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. 22) 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. - 8 -