特許 6372692 浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6372692

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造

(51)【国際特許分類】

   E02D 27/34 20060101AFI20180806BHJP

   E02D 31/08 20060101ALI20180806BHJP

【ＦＩ】

   E02D27/34 B

   E02D31/08

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-185068(P2014-185068)

(22)【出願日】2014年9月11日

(65)【公開番号】特開2016-56624(P2016-56624A)

(43)【公開日】2016年4月21日

【審査請求日】2017年5月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100146835

【弁理士】

【氏名又は名称】佐伯 義文

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(72)【発明者】

【氏名】田地 陽一

(72)【発明者】

【氏名】福武 毅芳

(72)【発明者】

【氏名】長谷部 雅伸

(72)【発明者】

【氏名】浅香 美治

(72)【発明者】

【氏名】社本 康広

【審査官】 亀谷 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特公平０６−０４３７６２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平０９−０８８０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７５８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２７７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４０８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０１／０７３２１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４５１４９４１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第９６／００７０００（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ０２Ｄ ２７／３４、３１／０８

Ｅ０４Ｈ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地盤を掘削して基礎ピットを構築する工程と、該基礎ピットの底面に構造物を配置する工程と、前記基礎ピット内に流体を貯留する工程と、を有する浮力式免震基礎構造の構築方法であって、
前記流体の貯留工程では、
地震時に前記構造物に作用する加速度αの目標値を設定し、
前記構造物の荷重Ｗと、地震時に前記構造物に作用する水平力Ｆ（＝ｍ・α）と、前記構造物の接地力Ｎ（Ｆ／μ）と、の関係を示す（１）式に基づいて、前記構造物に必要な浮力Ｖを算出し、
算出された前記浮力Ｖに基づいて前記流体の水位が調整され、
前記基礎ピットの底面と、前記構造物との間に摩擦抵抗を低減するすべり砂が介在されていることを特徴とする浮力式免震基礎構造の構築方法。

【数1】

【請求項2】

地盤を掘削して基礎ピットを構築する工程と、該基礎ピットの底面に構造物を配置する工程と、前記基礎ピット内に流体を貯留する工程と、を有する浮力式免震基礎構造の構築方法であって、
前記流体の貯留工程では、
地震時に前記構造物に作用する加速度αの目標値を設定し、
前記構造物の荷重Ｗと、地震時に前記構造物に作用する水平力Ｆ（＝ｍ・α）と、前記構造物の接地力Ｎ（Ｆ／μ）と、の関係を示す（１）式に基づいて、前記構造物に必要な浮力Ｖを算出し、
算出された前記浮力Ｖに基づいて前記流体の水位が調整され、
前記基礎ピットの底面と、前記構造物との間に摩擦抵抗を低減するシート材が介在されていることを特徴とする浮力式免震基礎構造の構築方法。

【数2】

【請求項3】

前記構造物の重量に対する浮力負担率が９０％以上となるように前記浮力が設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の浮力式免震基礎構造の構築方法。

【請求項4】

前記構造物の重量に対する浮力負担率が７０％以上となるように前記浮力が設定されることを特徴とする請求項２に記載の浮力式免震基礎構造の構築方法。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の浮力式免震基礎構造の構築方法を用いて構築された浮力式免震基礎構造であって、
地盤を掘削して構築される前記基礎ピットと、
該基礎ピットの底面に配置される前記構造物と、
前記貯留工程で算出された浮力に基づいて水位調整された流体と、
を備えていることを特徴とする浮力式免震基礎構造。

【請求項6】

前記基礎ピットの底面の地盤中に地盤改良部が形成され、
前記地盤改良部の上面に前記すべり砂、又は前記シート材が設けられ、
前記構造物は、前記すべり砂上、又は前記シート材上に支持される布基礎を有していることを特徴とする請求項５に記載の浮力式免震基礎構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、構造物を軟弱地盤上に構築する際の構造物の基礎構造として、地盤の支持力不足よる過大な沈下を防止するために、例えば下記特許文献１に示されるように、コンクリートや鋼管などの基礎杭を、構造物の荷重を軟弱地盤下方の岩盤からなる支持地盤で支持する構造とするものが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０−４６６１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、建物を軟弱地盤上に構築する際には、前述のように基礎杭を堅固な支持地盤まで打設して建物を支持する基礎構造にするか、或いは構造物の基礎が配置される地盤を改良することにより支持力を高める施工が行われている。支持地盤に到達するまで基礎杭を打設する場合には、支持地盤が深いと、基礎杭の杭長が長くなり、打設が大掛かりとなるうえ、部材コストも大きくなっていた。また、地盤改良を行う場合にも改良にかかるコストが増大するという問題があった。
さらに、構造物の荷重を小さくして、地盤に対する接地圧を低減する方法も行われているが、荷重を小さくするには構造部材の制約から前記接地圧の低減にも限界があった。
そのため、上述したような支持地盤に対する支持や地盤改良を行わずにすむ基礎構造が求められており、その点で改良の余地があった。

【0005】

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、浮力を利用して接地圧を制御して摩擦力を低減しすべりを許容する構造とすることで、設定レベル以上の地震力が構造物に伝達されない構造となり、優れた免震効果を発揮することができる浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明に係る浮力式免震基礎構造の構築方法は、地盤を掘削して基礎ピットを構築する工程と、該基礎ピットの底面に構造物を配置する工程と、前記基礎ピット内に流体を貯留する工程と、を有する浮力式免震基礎構造の構築方法であって、前記流体の貯留工程では、地震時に前記構造物に作用する加速度αの目標値を設定し、前記構造物の荷重Ｗと、地震時に前記構造物に作用する水平力Ｆ（＝ｍ・α）と、前記構造物の接地力Ｆ／μと、の関係を示す（１）式に基づいて、前記構造物に必要な浮力Ｖを算出し、算出された前記浮力Ｖに基づいて前記流体の水位が調整され、前記基礎ピットの底面と、前記構造物との間に摩擦抵抗を低減するすべり砂が介在されていることを特徴としている。
また、本発明に係る浮力式免震基礎構造の構築方法は、地盤を掘削して基礎ピットを構築する工程と、該基礎ピットの底面に構造物を配置する工程と、前記基礎ピット内に流体を貯留する工程と、を有する浮力式免震基礎構造の構築方法であって、前記流体の貯留工程では、地震時に前記構造物に作用する加速度αの目標値を設定し、前記構造物の荷重Ｗと、地震時に前記構造物に作用する水平力Ｆ（＝ｍ・α）と、前記構造物の接地力Ｎ（Ｆ／μ）と、の関係を示す（１）式に基づいて、前記構造物に必要な浮力Ｖを算出し、算出された前記浮力Ｖに基づいて前記流体の水位が調整され、前記基礎ピットの底面と、前記構造物との間に摩擦抵抗を低減するシート材が介在されていることを特徴としている。

【0007】

【数1】

【0008】

また、本発明に係る浮力式免震基礎構造は、上述した浮力式免震基礎構造の構築方法を用いて構築された浮力式免震基礎構造であって、地盤を掘削して構築される前記基礎ピットと、該基礎ピットの底面に配置される前記構造物と、前記貯留工程で算出された浮力に基づいて水位調整された流体と、を備えていることを特徴としている。
また、本発明に係る浮力式免震基礎構造は、前記基礎ピットの底面の地盤中に地盤改良部が形成され、前記地盤改良部の上面に前記すべり砂、又は前記シート材が設けられ、前記構造物は、前記すべり砂上、又は前記シート材上に支持される布基礎を有していることを特徴としてもよい。

【0009】

本発明では、構造物が配置される基礎ピット内の流体の水位を調整することで、構造物に作用する浮力を設定することができ、これにより構造物の接地力を好適な数値となるように制御することができる。このときの構造物の接地力は、その一部が浮力によって負担されて低減されることになる。そのため、構造物が接地される基礎ピットの底面の地盤が、支持地盤よりも支持力の小さな地盤であっても、その地耐力よりも構造物の接地力を小さくすることも可能になる。また、この場合、地耐力を高めるための地盤改良領域を低減することができ、施工にかかるコストの低減を図ることができる。

【0010】

また、本発明の流体の貯留工程によって構築される構造物は、地震時に構造物に作用する慣性力が、構造物の基礎ピットの底面に対するすべりを許容することができる数値に設定されている。そのため、構造物の接地力の一部が流体の浮力によって負担され、構造物の下面と基礎ピットの底面との摩擦抵抗を小さくすることができる。
これにより、設定レベル以上の地震が生じたときに、構造物と基礎ピットの底面との間ですべりが発生し、構造物のすべりを許容することができる。したがって、本発明の浮力式免震基礎構造では、例えばせん断変形を利用する積層ゴムや転がり支承のように単に応答加速度を低減するものとは異なり、設定レベル以上の地震力が構造物に伝達されない構造となることから、優れた免震効果を発揮することができる。

【0012】

また、この場合には、構造物における基礎ピットの底面に対する摩擦抵抗をすべり砂、又はシート材によってさらに小さくすることができるので、構造物の免震効果をさらに向上させることができる。

【0013】

また、本発明に係る浮力式免震基礎構造の構築方法は、前記構造物の重量に対する浮力負担率は、９０％以上であることが好ましい。

【0014】

この場合には、構造物の応答加速度の上限値が１００Ｇａｌ以下となることから、構造物の設計に際して一次設計だけで済むことになり、設計効率の向上を図ることができる。

【0015】

また、本発明に係る浮力式免震基礎構造の構築方法は、前記構造物の重量に対する浮力負担率が７０％以上となるように前記浮力が設定されることがより好ましい。

【0016】

本発明では、すべり材を介在させることで、構造物の重量に対する浮力負担率が７０％以上と適用範囲を広げることが可能となり、前述のように構造物の応答加速度の上限値が２００Ｇａｌ以下となることから、構造物の設計に際して一次設計だけで済むことになり、設計効率の向上を図ることができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明の浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造によれば、浮力を利用して摩擦力を低減しすべりを許容する構造とすることで、設定レベル以上の地震力が構造物に伝達されない構造となり、優れた免震効果を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施の形態による浮力式免震基礎構造の構成を示す側面図である。

【図2】（ａ）は構造物に作用する力を説明するための図、地盤（基礎ピットの下面）に作用する力を説明するための図である。

【図3】実施例の結果を示す図であって、（ａ）は入力加速度の時刻歴を示す図、（ｂ）は構造物の応答加速度の時刻歴を示す図である。

【図4】実施例の結果を示す図であって、構造物の水平変位の時刻歴を示す図である。

【図5】実施例の結果を示す図であって、構造物の沈下の時刻歴を示す図である。

【図6】実施例の結果を示す図であって、入力加速度と応答加速度の関係を示す図である。

【図7】変形例による浮力式免震基礎構造の構成を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施の形態による浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造について、図面に基づいて説明する。

【0020】

図１に示すように、本実施の形態による浮力式免震基礎構造１は、地盤Ｇを掘削して構築される基礎ピット２と、基礎ピット２の底面２ａ上にすべり砂５（すべり材）を介在させて配置される構造物３と、基礎ピット２内に貯留される流体４と、を備えている。
ここで、構造物３は、オフィスや住居等の構造物の基礎（構造体）であり、基礎上の構造物の大きさ、形状、用途等に限定されるものではない。
また、本実施の形態の地盤Ｇとしては、基礎ピット２の底面２ａが支持地盤に到達していない場合を対象としている。

【0021】

基礎ピット２は、平面視で、この基礎ピット２内に配置される構造物３の周囲に所定の間隔をあけることが可能な大きさに設定されている。
基礎ピット２は、構造物３の配置箇所において、所定の深さまで掘削することにより形成される。なお、基礎ピット２の掘削壁面は、山留め材で仮に土留めされた後、コンクリート打設により外壁２Ａが形成される。この外壁２Ａは、地盤の土圧を受けもつと共に、水質管理等の理由によっては地盤中の地下水の基礎ピット２内への流入を防止する止水機能を備えている。なお、この外壁２Ａを形成するコンクリートには、必要に応じて防水シートを埋設することで、止水効果を高めておくことが好ましい。

【0022】

構造物３と基礎ピット２の外壁２Ａとの離隔寸法は、地震により構造物３と前記外壁２Ａとが水平方向に相対移動した場合であっても互いに接触しない寸法に決められている。
また、基礎ピット２は、その内方に水などの流体４が配され、その流体４によって構造物３が所定の浮力が与えられた状態で配置される構成となっている。構造物３の荷重Ｗ（＝ｍｇ）は、その一部が後述する構築方法によって算出される浮力Ｖによって負担され、前記荷重Ｗよりも小さな鉛直力（以下、接地力Ｎという）で基礎ピット２の底面２ａに着底している。ここで、上述したｍは構造物３の重量、ｇは重力である。
つまり、浮力式免震基礎構造１は、流体４が配された基礎ピット２内に配される構造物３を流体４中に浮揚させることなく、基礎ピット２の底面２ａに荷重Ｗよりも小さな接地力Ｎで着底させて、荷重Ｗの一部のみを前記底面２ａ、すなわち地盤Ｇに支持させる構成となっている。

【0023】

すべり砂５は、構造物３における基礎ピット２の底面２ａとの間で例えば１０〜２０ｃｍの厚さで敷設され、双方の摩擦抵抗を低減するために設けられている。構造物３は、すべり砂５を配置することにより、基礎ピット２との地震時の水平挙動を絶縁する効果をもたせることができる。

【0024】

次に、本実施の形態の浮力式免震基礎構造１の構築方法について、図面に基づいて具体的に説明する。
図１に示すように、浮力式免震基礎構造１の構築方法は、地盤を掘削して基礎ピット２を構築する工程と、基礎ピット２の底面２ａに構造物３を配置する工程と、基礎ピット２内に流体４を貯留する工程と、を有している。

【0025】

そして、図２（ａ）に示すように、流体４の貯留工程では、地震時に構造物３に作用する慣性力αの目標値を設定し、構造物３の接地力Ｎと、構造物３の荷重Ｗと、地震時に構造物３に作用する水平力Ｆ（＝ｍα）と、の関係を示す（１）式に基づいて、構造物３に必要な浮力Ｖを算出し、算出された浮力Ｖに基づいて水位を調整した流体４が基礎ピット２内に貯留される。

【0026】

【数2】

【0027】

ここで、浮力Ｖの算出方法について、さらに具体的に説明する。
構造物３に作用する水平力Ｆは、図２（ａ）に示すように、構造物３の底面（以下、基礎底面３ａという）の基礎ピット２の底面２ａとの摩擦力によってその底面２ａ（地盤Ｇ）から伝達されるので、抗力（鉛直力）をＮ（上述した構造物３の接地力に相当）、基礎底面３ａの摩擦係数をμとすれば、（２）式により表すことができる。したがって、地震時に構造物３が滑動する瞬間において、ｍα＝μＮとなることから、構造物３の慣性力αは、（３）式となり、抗力Ｎに比例する。

【0028】

【数3】

【0029】

地盤に作用する抗力Ｎは、上述したように接地力（鉛直力）であるので、図２（ｂ）に示すように、浮力Ｖにより、抗力Ｎをコントロールすることが可能である（（４）式に基づく）。すなわち、水位（浮力Ｖ）により抗力Ｎをある値以下に抑えることが可能となり、滑動時の構造物の慣性力αもある値以下に抑えることが可能となる。
そして、設計目標値の加速度α（＝慣性力α）を決めることで、（５）式に基づいて浮力Ｖを求めることができる。
なお、摩擦係数μについては、別途、材料の摩擦試験により求めることができる。

【0030】

【数4】

【0031】

次に、上述した浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造の作用について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、構造物３が配置される基礎ピット２内の流体４の水位を調整することで、構造物３に作用する浮力を設定することができ、これにより構造物３の接地力を好適な数値となるように制御することができる。このときの構造物３の接地力は、その一部が浮力によって負担されて低減されることになる。そのため、構造物３が接地される基礎ピット２の底面２ａの地盤が、支持地盤よりも支持力の小さな地盤であっても、その地耐力よりも構造物３の接地力を小さくすることも可能になる。また、この場合、地耐力を高めるための地盤改良領域を低減することができ、施工にかかるコストの低減を図ることができる。

【0032】

また、本実施の形態の流体の貯留工程によって構築される構造物は、地震時に構造物３に作用する慣性力が、構造物３の基礎ピット２の底面２ａに対するすべりを許容することができる数値に設定されている。そのため、構造物３の接地力の一部が流体４の浮力によって負担され、構造物３の下面３ａと基礎ピット２の底面２ａとの摩擦抵抗を小さくすることができる。

【0033】

これにより、設定レベル以上の地震が生じたときに、構造物３と基礎ピット２の底面２ａとの間ですべりが発生し、構造物３のすべりを許容することができる。したがって、本実施の形態の浮力式免震基礎構造１では、例えばせん断変形を利用する積層ゴムや転がり支承のように単に応答加速度を低減するものとは異なり、設定レベル以上の地震力が構造物３に伝達されない構造となることから、優れた免震効果を発揮することができる。

【0034】

また、本実施の形態では、構造物における基礎ピット２の底面２ａに対する摩擦抵抗をすべり砂５によってさらに小さくすることができるので、構造物３の免震効果をさらに向上させることができる。

【0035】

また、本実施の形態では、構造物３の重量に対する浮力負担率を９０％以上（好ましくは７０％以上）と設定することで、構造物３の応答加速度の上限値が１００Ｇａｌ以下となり、構造物３の設計に際して一次設計だけで済むことになり、設計効率の向上を図ることができる。

【0036】

上述のように本実施の形態による浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造では、浮力を利用して摩擦力を低減しすべりを許容する構造とすることで、設定レベル以上の地震力が構造物に伝達されない構造となり、優れた免震効果を発揮することができる。

【0037】

次に、上述した実施の形態による浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造の効果を裏付けるために行った実施例について以下説明する。

【0038】

（実施例）
本実施例では、実験模型を使用し、浮力による効力Ｎをコントロールした遠心加速度３０Ｇ場の遠心模型振動実験を行った。
使用した実験装置において、構造物として、重量が実物換算で５０．７ｔのアルミ製の箱を用いた。剛体土槽の中に３号珪砂を突き固めにより３ｃｍ（実物換算９０ｃｍ）となるように敷き詰めた後、模型地盤をシリコンオイル（例えば、３０ＣＳ：信越化学工業社製）で飽和させた。その後、模型地盤上に構造物模型を設置し、その構造物模型周りの水位を調整することによって、構造物の重量に対して浮力負担率を７０％、７８％、８６％、９０％、９５％と変化させ、それぞれにおいてステージを加振し、構造物の揺れの状態（応答加速度、水平変位）を確認した。

【0039】

図３（ａ）、（ｂ）は、浮力負担率を９０％に設定した実験において、模型地盤に与える入力加速度と構造物の応答加速度の時刻歴を示している。入力加速度の場合には、図３（ａ）に示すように、２Ｈｚの正弦漸増波加振であり、最大加速度は３３０Ｇａｌとなっている。一方で、構造物の応答加速度は、図３（ｂ）に示すように、２０秒以降において９０Ｇａｌが上限値となっている。

【0040】

図４は、同じ実験ケース（浮力負担率を９０％に設定した実験）における構造物水平変位の時刻歴を示している。構造物の応答加速度が上限値となる２０秒付近以降で急激に水平変位が増大しており、構造物と地盤との間にすべりが生じていることがわかる。この場合、最終的な水平変位が略３０ｃｍとなった。

【0041】

図５は、浮力負担率を９０％に設定した場合における、ステージ加振における入力加速度と、構造物、地盤（地表面）と、の応答加速度の関係を示している。地盤の応答加速度は、入力加速度の増加とともにほぼ比例して大きくなり、入力が２００Ｇａｌを超えると地盤の非線形性により増幅していることが確認することができる。一方で、構造物の応答加速度は、入力加速度が大きくなっても増大することがなく、５０〜１００Ｇａｌの範囲で推移していることが確認することができる。

【0042】

図６は、浮力負担率を７０％、７８％、８６％、９０％、９５％と変化させた場合の入力加速度に対する構造物の応答加速度の関係を示している。図６に示すように、いずれの浮力負担率においても、構造物の応答加速度は、上限値があり、所定の値以上には大きくならないことがわかる。
そして、とくに浮力負担率が９０％と９５％の場合には、応答加速度が１００Ｇａｌ以下となることから、例えば震度４程度以下の中小地震を対象とした地震力に対して行う一次設計のみで対応することができる。

【0043】

以上、本発明による浮力式免震基礎構造の構築方法、および浮力式免震基礎構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【0044】

例えば、本実施の形態では、すべり砂５を設けているが、省略することも可能であるし、すべり砂５に代えて他のすべり材を採用してもよい。要は、構造物３と基礎ピット２との水平挙動を絶縁する機能とを有すればよいのである。
例えば、図７に示す変形例による浮力式免震基礎構造１Ａのように、摩擦抵抗の小さいシート材６（すべり材）を構造物本体３１を支持する布基礎３２と、軟弱地盤に施工された地盤改良部７との間に介在させるようにしてもよい。本変形例の場合も、布基礎３２の周囲は流体４が満たされており、構造物３Ａの接地力の一部が流体４の浮力によって負担され、布基礎３２の下面３２ａと地盤改良部７の上面との摩擦抵抗を小さくする構成となっている。
なお、この変形例のシート材６に代えて、上述した実施の形態のすべり砂を介在させることも可能であるし、上述した実施の形態のすべり砂５を変形例によるシート材６としても良い。

【0045】

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

【符号の説明】

【0046】

１ 浮力式免震基礎構造
２ 基礎ピット
２ａ 底面
３、３Ａ 構造物
３ａ 下面
４ 流体
５ すべり砂（すべり材）
６ シート材（すべり材）
７ 地盤改良部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】