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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024142797
(43)【公開日】2024-10-11
(54)【発明の名称】杭基礎構造
(51)【国際特許分類】
E02D 27/34 20060101AFI20241003BHJP
E02D 27/16 20060101ALI20241003BHJP
E02D 27/26 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
E02D27/34 Z
E02D27/16
E02D27/26
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023055128
(22)【出願日】2023-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100217249
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 耕一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100221279
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 健吾
(74)【代理人】
【識別番号】100207686
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 恭宏
(74)【代理人】
【識別番号】100224812
【弁理士】
【氏名又は名称】井口 翔太
(72)【発明者】
【氏名】小林 拓
(72)【発明者】
【氏名】阿形 淳
【テーマコード（参考）】
2D046
【Ｆターム（参考）】
2D046CA08
2D046DA17
(57)【要約】
【課題】地盤改良体の側面の水平抵抗が期待できない液状化地盤において、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭の水平抵抗を強化することができる。
【解決手段】液状化地盤Ｇ１上に構築される構造物を支持する基礎杭２と、基礎杭２の周囲に形成される地盤改良体３と、を備え、地盤改良体３は、地盤改良体３の下端が前記液状化地盤Ｇ１の下に位置する非液状化層Ｇ２に根入れされた状態で設けられ、基礎杭２の軸部には、地盤改良体３との間でずれ止めとして機能する凹凸形状のずれ止め部２１が設けられ、ずれ止め部２１の少なくとも一部は、改良体底部３４との間に圧縮トラスＴを形成する軸部の領域に配置され、改良体底部３４は、凹凸形状に形成されている杭基礎構造を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】液状化地盤Ｇ１上に構築される構造物を支持する基礎杭２と、基礎杭２の周囲に形成される地盤改良体３と、を備え、地盤改良体３は、地盤改良体３の下端が前記液状化地盤Ｇ１の下に位置する非液状化層Ｇ２に根入れされた状態で設けられ、基礎杭２の軸部には、地盤改良体３との間でずれ止めとして機能する凹凸形状のずれ止め部２１が設けられ、ずれ止め部２１の少なくとも一部は、改良体底部３４との間に圧縮トラスＴを形成する軸部の領域に配置され、改良体底部３４は、凹凸形状に形成されている杭基礎構造を提供する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液状化地盤上に構築される構造物を支持する基礎杭と、
前記基礎杭の周囲に形成される地盤改良体と、を備え、
前記地盤改良体は、該地盤改良体の下端が前記液状化地盤の下に位置する非液状化層に根入れされた状態で設けられ、
前記基礎杭の軸部には、前記地盤改良体との間でずれ止めとして機能する凹凸形状のずれ止め部が設けられ、
前記ずれ止め部の少なくとも一部は、前記地盤改良体の改良体底部との間に圧縮トラスを形成する前記軸部の領域に配置され、
前記地盤改良体の底部は、凹凸形状に形成される杭基礎構造。
前記基礎杭の周囲に形成される地盤改良体と、を備え、
前記地盤改良体は、該地盤改良体の下端が前記液状化地盤の下に位置する非液状化層に根入れされた状態で設けられ、
前記基礎杭の軸部には、前記地盤改良体との間でずれ止めとして機能する凹凸形状のずれ止め部が設けられ、
前記ずれ止め部の少なくとも一部は、前記地盤改良体の改良体底部との間に圧縮トラスを形成する前記軸部の領域に配置され、
前記地盤改良体の底部は、凹凸形状に形成される杭基礎構造。
【請求項2】
前記地盤改良体の底部は、それ以外の部分よりも高強度である、請求項１に記載の杭基礎構造。
【請求項3】
前記基礎杭は、鋼管杭である、請求項１又は２に記載の杭基礎構造。
【請求項4】
前記鋼管杭は、段付鋼管、或いはディンプル鋼管である、請求項３に記載の杭基礎構造。
【請求項5】
前記ずれ止め部は、前記基礎杭の杭外周面に窪みとして成形される、請求項１又は２に記載の杭基礎構造。
【請求項6】
前記ずれ止め部は、前記基礎杭の杭外周面に固着された溶接ビードにより形成される、請求項１又は２に記載の杭基礎構造。
【請求項7】
前記ずれ止め部は、前記基礎杭の杭外周面に圧延にて形成される、請求項１又は２に記載の杭基礎構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、杭基礎構造に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、地盤上に構築される構造物を支持する基礎杭を備えた杭基礎構造では、大地震時に基礎杭に大きな水平力が作用することから、杭基礎構造として変位・応力ともに厳しい要求性能が求められている。そのため、基礎杭の水平耐力を向上させることを目的とし、本来は別の工法である基礎杭工法と地盤改良工法とを組み合わせた構造・工法が多く提案されている。
【0003】
例えば、基礎杭の周囲に地盤改良体を形成することで、杭と地盤改良体とから構成される合成杭の径を大きく形成することにより水平耐力を向上させる方法が知られている。このような杭基礎構造は、地盤がもつ水平抵抗特性を利用するものであり、合成杭の杭径を大きくして水平方向の反力面積を増大させることで、杭の水平耐力を高め、変形を抑制するとともに、杭に発生する応力を低減することを可能にしている。
【0004】
例えば特許文献１、２に示されるような、基礎杭とその基礎杭の周囲に形成された地盤改良体を備え、改良体によって基礎構造自体を拡径した構造にすることで水平方向の圧力抵抗をもたせる杭基礎構造が知られている。また、この場合には、改良体の深さ方向の長さを基礎杭の長さよりも短くし、水平抵抗に寄与が大きい上部に集中させることにより地盤改良範囲を限定的としてコストを低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１９－０６５５７９号公報
【特許文献2】特開２０１４－０６６０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上述した特許文献１、２に示されるような従来の杭基礎構造は、基礎杭の周囲に改良体を設けることで水平抵抗性能を向上させるものであり、すなわち改良体の側面抵抗を利用したものである。このような従来技術では、基礎杭や改良体周囲の地盤が一定の強度を有する場合を対象とし、水平抵抗を発揮できることを前提とした技術である。そのため、液状化地盤においては、液状化時に地盤の水平抵抗が喪失する、或いは極めて低下してしまい、水平抵抗が得られずに本技術の目的を達成し得る杭基礎構造として機能しなくなるおそれがある。
このように、従来の杭基礎構造では、水平方向の圧力抵抗に期待して改良体を設置するものであり、液状化地盤においてその機能が十分に確保されているものではないことから、その点で改善の余地があった。
このように、従来の杭基礎構造では、水平方向の圧力抵抗に期待して改良体を設置するものであり、液状化地盤においてその機能が十分に確保されているものではないことから、その点で改善の余地があった。
【0007】
本発明は、上述する問題点を鑑みてなされたもので、地盤改良体の側面の水平抵抗が期待できない液状化地盤において、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭の水平抵抗を強化することができる杭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】
【0008】
（１）本発明に係る杭基礎構造の態様１は、液状化地盤上に構築される構造物を支持する基礎杭と、前記基礎杭の周囲に形成される地盤改良体と、を備え、前記地盤改良体は、該地盤改良体の下端が前記液状化地盤の下に位置する非液状化層に根入れされた状態で設けられ、前記基礎杭の軸部には、前記地盤改良体との間でずれ止めとして機能する凹凸形状のずれ止め部が設けられ、前記ずれ止め部の少なくとも一部は、前記地盤改良体の改良体底部との間に圧縮トラスを形成する前記軸部の領域に配置され、前記地盤改良体の底部は、凹凸形状に形成されることを特徴としている。
【0009】
本発明に係る杭基礎構造によれば、基礎杭の軸部に凹凸形状のずれ止め部を設け、このずれ止め部に起因して生じる圧縮トラスが形成される範囲に地盤改良体が存在することで、基礎杭に作用する水平力が、ずれ止め部から基礎杭の周囲に形成される地盤改良体を介して地盤改良体の底部（改良体底部）へ伝達する。そして、改良体底部が凹凸形状に形成されていることで、改良体底部の摩擦抵抗を効率的に得ることができる。これにより、改良体底部に伝達された水平力は、非液状化層に根入れされた改良体底部の支圧抵抗と摩擦抵抗により抵抗することができる。このため、本発明では、非液状化層における支圧抵抗と摩擦抵抗を利用していることから、地震時に液状化地盤が液状化した時においても改良体底部の支圧抵抗と摩擦抵抗による優れた水平抵抗効果が得られる。
このように、本発明では、地盤改良体の側面の水平抵抗が期待できない液状化層においても、改良体底部の支圧抵抗と摩擦抵抗を活用することで、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭の水平抵抗を強化することができる。
このように、本発明では、地盤改良体の側面の水平抵抗が期待できない液状化層においても、改良体底部の支圧抵抗と摩擦抵抗を活用することで、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭の水平抵抗を強化することができる。
【0010】
また、本発明に係る杭基礎構造では、改良体底部が凹凸形状をなしていることで、その改良体底部における支圧抵抗と摩擦抵抗を最大化できる。一方で、改良体上部は改良体底部に比べて縮径することが可能となり、地盤改良体のスリム化を行った場合には、液状化時においても基礎杭間の地盤のすり抜け現象を阻害せず、基礎杭に作用する流動力を抑制することが可能となる。加えて、地盤改良体のスリム化は地盤改良体の体積の削減につながるため、コストの低減も図ることができる。
【0011】
（２）本発明の態様２は、態様１の杭基礎構造において、前記地盤改良体の底部は、それ以外の部分よりも高強度であることが好ましい。
【0012】
この場合には、改良体底部を高強度とすることで、改良体底部と非液状化層の地盤との間の付着力を高めることができ、改良体底部の摩擦抵抗を増大できる。
【0013】
（３）本発明の態様３は、態様１又は態様２の杭基礎構造において、前記基礎杭は、鋼管杭であることを特徴としてもよい。
【0014】
この場合には、基礎杭が鋼管杭であるため、ずれ止め部の設置や形成が容易である。
【0015】
（４）本発明の態様４は、態様３の杭基礎構造において、前記鋼管杭は、段付鋼管、或いはディンプル鋼管であることを特徴としてもよい。
【0016】
この場合には、段付鋼管、或いはディンプル鋼管を採用することにより、鋼管杭の軸部に設けられるずれ止め部が凹んだ状態で形成される。そのため、杭外周面と地盤改良体との付着により一体性を確保でき、改良体底部の支圧抵抗と摩擦抵抗による水平抵抗の効果を十分に得ることができる。
また、本発明では、鋼管杭の鋼管内面にコンクリート等の充填材を充填した場合には、鋼管内面と充填材との付着により一体性を確保でき、鋼管杭の水平抵抗をさらに高めることができる。
そして、鋼管にディンプルを設けたディンプル鋼管の場合には、窪み付きであるにも関わらず鋼管内部に充填材を充填しない場合においても鋼管杭直管と同等の圧縮性能と曲げ性能を発揮することができ、優れた効果を享受できる。
また、本発明では、鋼管杭の鋼管内面にコンクリート等の充填材を充填した場合には、鋼管内面と充填材との付着により一体性を確保でき、鋼管杭の水平抵抗をさらに高めることができる。
そして、鋼管にディンプルを設けたディンプル鋼管の場合には、窪み付きであるにも関わらず鋼管内部に充填材を充填しない場合においても鋼管杭直管と同等の圧縮性能と曲げ性能を発揮することができ、優れた効果を享受できる。
【0017】
（５）本発明の態様５は、態様１から態様４のいずれか一つの杭基礎構造において、前記ずれ止め部は、前記基礎杭の杭外周面に窪みとして成形されることを特徴としてもよい。
【0018】
この場合には、基礎杭の軸部に設置されるずれ止め部が窪みであることで，杭外周面と地盤改良体との付着により一体性を確保でき、改良体底部の支圧抵抗と摩擦抵抗による水平抵抗効果が得られる。また、基礎杭の杭内面にコンクリート等の充填材を充填した場合には、杭内面と充填材との付着により一体性を確保でき、基礎杭の水平抵抗をさらに高めることが可能である。
そして、ずれ止め部を窪みとして形成することにより、優れた加工性や杭の施工性が得られる。
そして、ずれ止め部を窪みとして形成することにより、優れた加工性や杭の施工性が得られる。
【0019】
（６）本発明の態様６は、態様１から態様４のいずれか一つの杭基礎構造において、前記ずれ止め部は、前記基礎杭の杭外周面に固着された溶接ビードにより形成されることを特徴としてもよい。
【0020】
この場合には、杭外周面に溶接ビードを設置することにより容易に凸状部の形成が可能であるので、優れた加工性や杭の施工性をもたせることができる。
【0021】
（７）本発明の態様７は、態様１から態様４のいずれか一つの杭基礎構造において、前記ずれ止め部は、前記基礎杭の杭外周面に圧延にて形成されることを特徴としてもよい。
【0022】
この場合には、基礎杭の軸部に設けられるずれ止め部が製造時に製造ラインにて圧延形成により杭外周面に対して形成されることで、効率よく、かつ安定した形状で加工することができる。
【発明の効果】
【0023】
本発明の杭基礎構造によれば、地盤改良体の側面の水平抵抗が期待できない液状化地盤において、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭の水平抵抗を強化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の第１実施形態による杭基礎構造を示す縦断面図である。
【図2】（ａ）～（ｃ）は、基礎杭のずれ止め部の一例を示す図である。
【図5】（ａ）、（ｂ）は圧縮トラス形成角の範囲を説明するための図である。
【図6】（ａ）、（ｂ）は、杭基礎構造の第１施工方法の施工手順を示す図である。
【図8】（ａ）、（ｂ）は、杭基礎構造の第２施工方法の施工手順を示す図である。
【図10】第２実施形態による杭基礎構造を示す縦断面図である。
【図11】第３実施形態による杭基礎構造を示す縦断面図である。
【図12】第４実施形態による杭基礎構造を示す縦断面図である。
【図15】第３変形例によるずれ止め部を有する杭基礎構造を示す縦断面図である。
【図17】第５実施形態による杭基礎構造を示す縦断面図である。
【図18】第６実施形態による杭基礎構造を示す縦断面図である。
【図19】第７実施形態による杭基礎構造を示す縦断面図である。
【図20】実施例による実験装置の構成を示す側面図である。
【図21】実施例による試験体の構成を示す側面図であって、（ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例２、（ｃ）は実施例の図である。
【図22】実施例の実験結果による水平荷重と水平変位との関係を示す図である。
【図23】実施例の実験結果による杭の深度方向の曲げモーメント分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明の実施形態による杭基礎構造について、図面に基づいて説明する。
【0026】
（第１実施形態）
図１に示す本実施形態による杭基礎構造１は、液状化のおそれがある砂質層などの軟弱層からなる液状化地盤Ｇ１に構築されている構造物（図示省略）の基礎構造であり、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭２の水平抵抗を効率よく強化することを可能にした構造である。本実施形態では、基礎杭２の上部を飲み込む形で、地表面と同一面に設けたフーチング１３が設けられている。
本実施形態では、液状化地盤Ｇ１の下層に非液状化層Ｇ２を有する。
図１に示す本実施形態による杭基礎構造１は、液状化のおそれがある砂質層などの軟弱層からなる液状化地盤Ｇ１に構築されている構造物（図示省略）の基礎構造であり、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭２の水平抵抗を効率よく強化することを可能にした構造である。本実施形態では、基礎杭２の上部を飲み込む形で、地表面と同一面に設けたフーチング１３が設けられている。
本実施形態では、液状化地盤Ｇ１の下層に非液状化層Ｇ２を有する。
【0027】
杭基礎構造１は、液状化地盤Ｇ１上に構築される構造物を支持する基礎杭２と、基礎杭２の周囲に形成される地盤改良体３と、を備えている。
【0028】
基礎杭２は、図２（ａ）、（ｂ）に示す段付鋼管２Ａ、２Ｂや、図２（ｃ）に示すディンプル鋼管２Ｃ等の鋼管杭が採用されている。基礎杭２としては、現場打ち杭でも既製杭でもよい。また、基礎杭２の材料は、ＲＣ系（コンクリート杭）やスチール系でもよい。ただし、鋼管杭を採用した方が後述するずれ止め部２１の凹凸の設置（形成）する加工が容易となる利点がある。
【0029】
図２（ａ）に示す段付鋼管２Ａは、管軸Ｏに直交する周方向に沿って延び、杭外周面２ａより窪んだ周溝２１ａが管軸方向に間隔をあけて配置された形状をなしている。図２（ｂ）に示す段付鋼管２Ｂは、側面視して管軸Ｏに交差する方向に沿って傾斜し、杭外周面２ａより窪んだ傾斜溝２１ｂが管軸方向に間隔をあけて配置された形状をなしている。図２（ｃ）に示すディンプル鋼管２Ｃは、杭外周面２ａに複数の凹溝２１ｃが周方向及び管軸方向に間隔をあけた形状をなしている。
上記の周溝２１ａ、傾斜溝２１ｂ及び凹溝２１ｃは、鋼管製造時に成形された窪みであって、後述するずれ止め部２１に相当する。
上記の周溝２１ａ、傾斜溝２１ｂ及び凹溝２１ｃは、鋼管製造時に成形された窪みであって、後述するずれ止め部２１に相当する。
【0030】
図１に示すように、基礎杭２は、液状化地盤Ｇ１及び非液状化層Ｇ２に埋設され、非液状化層Ｇ２に到達した状態設置されている。基礎杭２は、例えば不図示の杭打機を使用して地表面に対して垂直に設置され、地中に貫入することにより打設される。地震時に基礎杭２が構造物や液状化地盤Ｇ１より受ける水平力の一部は、後述するように地盤改良体３の根入れ部３ｃ（改良体底部３４）を介して非液状化層Ｇ２に伝達されその非液状化層Ｇ２で負担される。
【0031】
地盤改良体３は、液状化地盤Ｇ１の上下方向でほぼ全域に設けられ、下端（改良体底部３４）が液状化地盤Ｇ１の下に位置する非液状化層Ｇ２に根入れされた状態で設けられている。地盤改良体３は、上方から下方に向けて外径が大きくなる多段柱状体をなしている。本実施形態による地盤改良体３は１段の柱状体である。すなわち、地盤改良体３は、地表面付近の改良体頂部３ｂの外径が改良体底部３４の外径より小さくなっている。そのため、基礎杭２にかかる水平力Ｆ１を地盤改良体３の側面の水平抵抗へ過度に期待しない構成となる。このことから、液状化地盤Ｇ１に設けられる地盤改良体３の地表面付近の改良体頂部3bの断面積（外径）を小さく抑えることによるスリム化を行うことができ、コスト削減を図ることができる。また、地盤改良体３のスリム化を行うことで、液状化時に基礎杭２が受ける液状化地盤Ｇ１の流動力を抑制することが可能である。
【0032】
地盤改良体３は、基礎杭２の周囲に形成され、例えば土砂をセメントミルク等のセメント系固化剤で固化させることにより形成される。地盤改良体３は、高さ方向の略中央部より下側に位置する円柱状の下柱状体３１と、下柱状体３１より小径で上側に位置する円柱状の上柱状体３２と、を有する。上柱状体３２の外径は、少なくとも基礎杭２の外径よりも大きく設定されている。下柱状体３１は、改良体底部３４を含む。
【0033】
改良体底部３４は、上述したように所定の厚みで非液状化層Ｇ２に根入れされている。改良体底部３４は、下方に向かって段になる凹凸形状に形成される。改良体底部３４は、径方向中央が下向きに凸となる中央凸底部３４１と、中央凸底部３４１の外周部分に位置する外周底部３４２と、を有する。すなわち、中央凸底部３４１の下面３４１ａは、外周底部３４２の下面３４２ａより深い位置である。中央凸底部３４１の下面３４１ａと外周底部３４２の下面３４２ａとの間には、径方向外側を向く段差面３４ａが形成される。
【0034】
改良体底部３４には、非液状化層Ｇ２の地盤との間で摩擦抵抗Ｆ３が生じる。ここで、摩擦抵抗Ｆ３は、改良体底部３４の中央凸底部３４１の下面３４１ａ、および外周底部３４２の下面３４２ａに作用する水平摩擦抵抗だけでなく、中央凸底部３４１と外周底部３４２との間の側面を形成する段差面３４ａに作用する水平方向の支圧抵抗を考慮した抵抗とする。なお、摩擦抵抗Ｆ３は、段差面３４ａ（後述する３４ｂ、３４ｃ、３４ｄも同様）の水平方向の支圧抵抗を考慮しない摩擦抵抗であってもよい。
【0035】
中央凸底部３４１の段の高さ（外周底部３４２の下面３４２ａから中央凸底部３４１の下面３４１ａまでの高さ）は、地盤改良体３の径最大部（ここでは下柱状体３１の外径）の０．１倍以上の高さがあると、改良体底部３４の摩擦抵抗Ｆ３を効率的に得ることができ好ましい。
【0036】
本実施形態において、中央凸底部３４１の外径が上柱状体３２の外径と略同径である。なお、中央凸底部３４１と上柱状体３２とが略同径であることに限定されず、例えば中央凸底部３４１は上柱状体３２より大径であっても小径であってもよい。中央凸底部３４１と外周底部３４２のうち中央凸底部３４１の下面３４１ａにおける液状化層Ｇ１と非液状化層Ｇ２との境界からの深さは、地盤改良体３の非液状化層Ｇ２への根入れ深さになる。
【0037】
改良体底部３４（根入れ部３ｃ）の強度は、それ以外の部分、すなわち下柱状体３１の改良体底部３４を除いた部分（根入れ部分より上の領域）、および上柱状体３２よりも高強度になっている。改良体底部３４は、例えば、その他の部分より一軸圧縮強度で３ＭＰａ以上大きい強度であることが望ましい。このように改良体底部３４をその他の部分に比べて高強度改良体とすることで、摩擦抵抗Ｆ３を増大することができる。
地盤改良体３は、後述するように、非液状化層Ｇ２に根入れする深さまで掘削した後、あるいは掘削しながら、掘削ロッド４（図６（ａ）、（ｂ）参照）の下端部よりセメントミルクを周囲に注出して掘削した土砂と攪拌・混合させながら掘削ロッド４を引き上げることで構築される。そのため、地盤改良体３は、深さに応じて改良体強度を設定でき、上記のように改良体底部３４を他の部分より高強度化することができる。そして、改良体底部３４とその他の部分とにおいて、それぞれ例えば３箇所のサンプリングした平均値を求めて比較することで、改良体底部３４が高強度になっていることを確認できる。ここで、地盤改良体３の強度は、例えば、円柱の試料を側圧を加えない形で圧縮する一般的な一軸圧縮試験により測定できる。
地盤改良体３は、後述するように、非液状化層Ｇ２に根入れする深さまで掘削した後、あるいは掘削しながら、掘削ロッド４（図６（ａ）、（ｂ）参照）の下端部よりセメントミルクを周囲に注出して掘削した土砂と攪拌・混合させながら掘削ロッド４を引き上げることで構築される。そのため、地盤改良体３は、深さに応じて改良体強度を設定でき、上記のように改良体底部３４を他の部分より高強度化することができる。そして、改良体底部３４とその他の部分とにおいて、それぞれ例えば３箇所のサンプリングした平均値を求めて比較することで、改良体底部３４が高強度になっていることを確認できる。ここで、地盤改良体３の強度は、例えば、円柱の試料を側圧を加えない形で圧縮する一般的な一軸圧縮試験により測定できる。
【0038】
地盤改良体３は、改良体底部３４を含む下柱状体３１が上柱状体３２よりも大径であり、改良体底部３４に作用する支圧抵抗Ｆ２および摩擦抵抗Ｆ３を最大化できる構造となっている。具体的に支圧抵抗Ｆ２は、中央凸底部３４１の下面３４１ａと外周底部３４２の下面３４２ａに作用する。摩擦抵抗Ｆ３は、中央凸底部３４１の下面３４１ａと外周底部３４２の下面３４２ａに水平摩擦抵抗が作用し、段差面３４ａに水平方向の支圧抵抗が作用する。また、改良体上部（上柱状体３２）は下柱状体３１に比べて縮径され、改良体の幅（径）が縮小化している。これにより、地盤改良体３は、液状化時においても基礎杭２同士の間を液状化地盤Ｇ１が流動するすり抜け現象を阻害することなく、地盤の流動力を受けにくい構造を実現できる。
【0039】
地盤改良体３は、基礎杭２を地盤に設置する際に基礎杭２の周囲の土砂を掘削ロッド４（図６（ｂ）、図８（ｂ）参照）の掘削用羽根４１で掘削し、掘削した土砂にセメントミルクを混合して固化させることにより所定の地盤領域に形成される。
【0040】
このように本実施形態の杭基礎構造１では、基礎杭２の周囲の液状化地盤Ｇ１及び非液状化層Ｇ２にセメントミルクで固化した地盤改良体３が形成されている。杭基礎構造１は、地盤改良体３が基礎杭２より大きな外径で補強されているため剛性が大きく、かつ基礎杭２に作用する水平力を非液状化層Ｇ２に根入れされている地盤改良体３によって十分に対抗することができる。このときの杭基礎構造１に作用する荷重伝達のメカニズム（荷重伝達機構）の詳細については後述する。
【0041】
図３及び図４に示すように、基礎杭２の軸部の杭外周面２ａには、地盤改良体３の下部から一定の範囲に、地盤改良体３との間でずれ止め機能を有する凹凸形状のずれ止め部２１が設けられている。ずれ止め部２１は、少なくとも一部が地盤改良体３の改良体底部３４との間に圧縮トラスＴが形成される圧縮トラス形成領域Ｔａに配置されている。
【0042】
基礎杭２の軸部の杭外周面２ａに設置されたずれ止め部２１は、基礎杭２に水平力Ｆ１や曲げモーメントＭが作用した場合において、その荷重を当該ずれ止め部２１の凹凸部分から地盤改良体３に伝達する機能を有する。
ずれ止め部２１は、改良体底部３４となす傾斜角（圧縮トラス形成角θ）が６０度以下となる圧縮トラスＴと基礎杭２の軸部との交点Ｐに位置する高さ以下の領域（後述する、ずれ止め機能領域２１Ａ）に配置されている。なお、圧縮トラス形成角θは、好ましくは３０～６０度の範囲であり、より好ましくは４５度である（図５（ａ）参照）。ここで、図５（ａ）に示す圧縮トラスＴ１はθが４５度であり、圧縮トラスＴ２はθが６０度、圧縮トラスＴ３はθが３０度である。
ずれ止め部２１は、改良体底部３４となす傾斜角（圧縮トラス形成角θ）が６０度以下となる圧縮トラスＴと基礎杭２の軸部との交点Ｐに位置する高さ以下の領域（後述する、ずれ止め機能領域２１Ａ）に配置されている。なお、圧縮トラス形成角θは、好ましくは３０～６０度の範囲であり、より好ましくは４５度である（図５（ａ）参照）。ここで、図５（ａ）に示す圧縮トラスＴ１はθが４５度であり、圧縮トラスＴ２はθが６０度、圧縮トラスＴ３はθが３０度である。
【0043】
圧縮トラスＴが形成する傾斜角である圧縮トラス形成角θを３０～６０度の範囲に設定することで、地盤改良体３に圧縮トラスＴを十分に形成することができ、改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３による水平抵抗効果を確実に得ることができる。そのため、現場条件や施工機器などの条件によって一般的な圧縮トラス形成角θである４５度に設定できない場合であっても、地盤改良体３に圧縮トラスＴを確実に形成することができる。
とくに圧縮トラス形成角θを４５度とすることで、基礎杭２に作用する水平力Ｆ１をずれ止め部２１から改良体底部３４に伝達できる圧縮トラスＴを確実に形成することができ、改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２および摩擦抵抗Ｆ３による水平抵抗効果を得ることができる。
とくに圧縮トラス形成角θを４５度とすることで、基礎杭２に作用する水平力Ｆ１をずれ止め部２１から改良体底部３４に伝達できる圧縮トラスＴを確実に形成することができ、改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２および摩擦抵抗Ｆ３による水平抵抗効果を得ることができる。
【0044】
ずれ止め部２１は、基礎杭２の杭外周面２ａに上述した図２（ａ）～（ｃ）に示すような窪みとして成形されている。
【0045】
次に、本実施形態の杭基礎構造１の荷重伝達機構について図３及び図４を用いて具体的に説明する。
地盤改良体３の内部では、基礎杭２の軸部と、その表面（杭外周面２ａ）に設置されたずれ止め部２１から伝達された水平力は、改良体底部３４へ伝達され、非液状化層Ｇ２の地盤における支圧抵抗Ｆ２および摩擦抵抗Ｆ３によって抵抗されることになる。このとき基礎杭２と改良体底部３４に挟まれる地盤改良体３の内部には圧縮トラスＴが形成される。そして、この圧縮トラスＴが形成されることによって荷重伝達が効率的に行われる。また、圧縮トラスＴに伴う荷重伝達は圧縮応力を基本としているため、引張強度を有しない地盤改良体３であっても確実に荷重が伝達される。
地盤改良体３の内部では、基礎杭２の軸部と、その表面（杭外周面２ａ）に設置されたずれ止め部２１から伝達された水平力は、改良体底部３４へ伝達され、非液状化層Ｇ２の地盤における支圧抵抗Ｆ２および摩擦抵抗Ｆ３によって抵抗されることになる。このとき基礎杭２と改良体底部３４に挟まれる地盤改良体３の内部には圧縮トラスＴが形成される。そして、この圧縮トラスＴが形成されることによって荷重伝達が効率的に行われる。また、圧縮トラスＴに伴う荷重伝達は圧縮応力を基本としているため、引張強度を有しない地盤改良体３であっても確実に荷重が伝達される。
【0046】
ここで、図３に示す符号は、以下の通りである。
ｒｏ：基礎杭２の半径
ＲＢ：改良体底部３４の半径
Ｒｔ：改良体頂部３ｂの半径
ΔＲ：地盤改良体３の非液状化層Ｇ２への根入れ部３ｃの半径（ΔＲ＝ＲＢ－ｒｏ）
ｈ：地盤改良体３の高さ（ここでは、下柱状体３１の高さ）
ｌ：ずれ止め部２１が設置（形成）される深さ方向の長さ（＝上述した交点Ｐから改良体底部３４までの長さ）
θ：圧縮トラス形成角（ｔａｎθ＝ｌ／ΔＲ）
ｄｅ：地盤改良体３の非液状化層Ｇ２への根入れ深さ
ｒｏ：基礎杭２の半径
ＲＢ：改良体底部３４の半径
Ｒｔ：改良体頂部３ｂの半径
ΔＲ：地盤改良体３の非液状化層Ｇ２への根入れ部３ｃの半径（ΔＲ＝ＲＢ－ｒｏ）
ｈ：地盤改良体３の高さ（ここでは、下柱状体３１の高さ）
ｌ：ずれ止め部２１が設置（形成）される深さ方向の長さ（＝上述した交点Ｐから改良体底部３４までの長さ）
θ：圧縮トラス形成角（ｔａｎθ＝ｌ／ΔＲ）
ｄｅ：地盤改良体３の非液状化層Ｇ２への根入れ深さ
【0047】
図４に示すように、圧縮トラスＴは、形成される改良体底部３４との傾斜角（圧縮トラス形成角θ）が４５度となることが好ましい。すなわち、圧縮トラスＴの圧縮トラス形成角θが４５度の場合には、少なくともずれ止め部２１が形成される軸部の深さ方向の長さ範囲ｌ（改良体底部３４の外縁部３ｄを通る圧縮トラスＴが基礎杭２の軸部と交差する交点Ｐから改良体底部３４（本実施形態の中央凸底部３４１の下面３４１ａ）までの長さ）は、地盤改良体３の非液状化層Ｇ２への根入れ部３ｃの半径方向の長さΔＲと同等となる。
【0048】
また、例えば圧縮トラス形成角θが４５度から６０度で改良体底部３４の外縁部３ｄを通る場合には、基礎杭２の軸部における交点Ｐが圧縮トラス形成角θが４５度の交点Ｐよりも上側の位置となるので、ずれ止め部２１の少なくとも一部が設けられる範囲の上限位置も、圧縮トラス形成角θが４５度のときの上限位置より上側になる。すなわち、ずれ止め部２１が形成される軸部の深さ方向の長さ範囲ｌが大きくなる。
【0049】
なお、ずれ止め部２１は、圧縮トラスＴの圧縮トラス形成角θの角度によって決められる上記設置範囲（ずれ止め機能領域２１Ａ）より上側に外れた領域にずれ止め部２１が設けられていてもよい。例えば、圧縮トラスＴによる基礎杭２に作用する水平力Ｆ１を改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２および摩擦抵抗Ｆ３によって抵抗する伝達機能が作用しないまでも、地盤改良体３とのずれ止め機能を発揮させたり、あるいは基礎杭２の内側に充填されるコンクリートとのずれ止めの機能をもたせるといった効果もあるため、ずれ止め機能領域２１Ａの領域外にずれ止め部２１を設けることも可能である。
【0050】
ずれ止め部２１によって形成される圧縮トラスＴの形成範囲は、確実に地盤改良体３に含まれていることが好ましい。このことから幾何学的には、改良体底部３４、基礎杭２の軸部におけるずれ止め機能領域２１Ａ、及び改良体底部３４の外縁部３ｄと基礎杭２の軸部とを結ぶ圧縮トラスＴの傾斜線によって定義される三角形部分よりも大きい範囲（径方向外側）の地盤改良体３が必要となる。
【0051】
なお、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、圧縮トラス形成角θは一般的には４５度であり、これに基づいた形状、大きさの地盤改良体３に設定される。
そして、上述したように、現場条件や施工機器などの条件に基づき、必要に応じて圧縮トラス形成角θを３０～６０度の範囲に限定する方が良い。この角度以外では圧縮トラスＴは十分に形成されず、十分な効果が得られない。
そして、上述したように、現場条件や施工機器などの条件に基づき、必要に応じて圧縮トラス形成角θを３０～６０度の範囲に限定する方が良い。この角度以外では圧縮トラスＴは十分に形成されず、十分な効果が得られない。
【0052】
図５（ｂ）は、下柱状体３１の高さが小さいケースを示した一例である。この場合、圧縮トラスＴは、多段柱状体をなす地盤改良体３の段部３３の基礎杭２を向く内側角部３３ａを通り、基礎杭２の軸部との交点Ｐが位置する高さ以下の領域に配置されている。これにより、多段柱状体からなる地盤改良体３に効率よく圧縮トラスＴを形成することができ、改良体底部３４の支圧抵抗および摩擦抵抗を確保し、かつ液状化時に基礎杭２が受ける液状化地盤Ｇ１の流動力を抑制することができる。
なお、図５（ｂ）では、改良体底部３４の外縁部３ｄと内側角部３３ａを通る圧縮トラスＴ１（図５（ｂ）の実線）の圧縮トラス形成角θが４５度である。改良体底部３４の外縁部３ｄを通る６０度の圧縮トラスＴ２（図５（ｂ）の二点鎖線）は、線全体が地盤改良体３に含まれていないため、圧縮トラスＴ２の一部が地盤改良体３の外に位置してしまい、この圧縮トラスＴ２において基礎杭２が受ける水平力は改良体底部３４には伝達されない。
なお、図５（ｂ）では、改良体底部３４の外縁部３ｄと内側角部３３ａを通る圧縮トラスＴ１（図５（ｂ）の実線）の圧縮トラス形成角θが４５度である。改良体底部３４の外縁部３ｄを通る６０度の圧縮トラスＴ２（図５（ｂ）の二点鎖線）は、線全体が地盤改良体３に含まれていないため、圧縮トラスＴ２の一部が地盤改良体３の外に位置してしまい、この圧縮トラスＴ２において基礎杭２が受ける水平力は改良体底部３４には伝達されない。
【0053】
次に、上述した杭基礎構造１の施工方法として、２つの施工例（第１施工方法、第２施工方法）について説明する。
第１施工方法について、図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ａ）～（ｃ）に基づいて説明する。第１施工方法は、杭後施工方式である。
第１施工方法について、図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ａ）～（ｃ）に基づいて説明する。第１施工方法は、杭後施工方式である。
【0054】
先ず、図６（ａ）に示すように、掘削ロッド４を施工箇所の地上部に設置する。掘削ロッド４は、ロッド４０と、ロッド４０の下端に配置され拡径可能かつ縮径可能な掘削用羽根４１と、掘削用羽根４１の上方に配置される攪拌用羽根４２と、を備えている。
【0055】
次に、図６（ｂ）に示すように、ロッド４０を回転させ、掘削用羽根４１と攪拌用羽根４２の回転により地盤を掘削する。本第１実施形態では、地盤改良体３が多段柱状体であり、上柱状体３２と下柱状体３１とから形成される。そのため、上柱状体３２の領域において掘削用羽根４１及び攪拌用羽根４２を所定の長さに縮径させた状態で掘削し、下柱状体３１の領域では掘削用羽根４１及び攪拌用羽根４２を上柱状体３２の領域のときよりも大きく拡径した状態で掘削する。そして、掘削ロッド４によって非液状化層Ｇ２に根入れする深さまで掘削した後、掘削ロッド４の下端部に設けられる注出口（図示省略）よりセメントミルクを周囲に注出して掘削した土砂と攪拌・混合させながら掘削ロッド４を引き上げる。これにより、図７（ａ）に示すように、改良体底部３４が非液状化層Ｇ２に根入れされた根入れ部３ｃを形成した所定の形状の地盤改良体３が築造される。このとき改良体底部３４の中央凸底部３４１は、掘削用羽根４１及び攪拌用羽根４２を所定の長さに縮径させた状態で掘削することで段状に形成する。
【0056】
次に、図７（ｂ）に示すように、予め杭外周面２ａの所定領域にずれ止め部２１が設けられている基礎杭２を、築造した地盤改良体３に打ち込む。具体的には、基礎杭２を地盤改良体３より下方の地盤に貫入させ、基礎杭２の先端を非液状化層Ｇ２の所定の深さに到達させる（図７（ｃ）参照）。基礎杭２は、打ち込む長さに応じて継ぎ足して所定長とする。図７（ｃ）に示すように、基礎杭２を所定深度まで打ち込むことで、基礎杭２のずれ止め部２１も所定の高さの位置に配置されることになる。これにより施工が完了となる。
このようにして基礎杭２を設けることにより、基礎杭２が鉛直方向の支持力を得ることができ、さらに液状化地盤Ｇ１における基礎杭２の周囲が地盤改良体３によって覆われた状態となって基礎杭２に作用する水平力を地盤改良体３の改良体底部３４に伝達する杭基礎構造１が構築される。
このようにして基礎杭２を設けることにより、基礎杭２が鉛直方向の支持力を得ることができ、さらに液状化地盤Ｇ１における基礎杭２の周囲が地盤改良体３によって覆われた状態となって基礎杭２に作用する水平力を地盤改良体３の改良体底部３４に伝達する杭基礎構造１が構築される。
【0057】
【0058】
先ず、図８（ａ）に示すように、予め杭外周面２ａの所定領域にずれ止め部２１が設けられている基礎杭２を装備した状態の掘削ロッド４を施工箇所の地上部に設置する。掘削ロッド４の構成は上述した第１施工方法で使用したものと同様のものである。基礎杭２は、杭内にロッド４０を挿通させた状態で、攪拌用羽根４２より上の位置でセットされる。そして、掘削用羽根４１と攪拌用羽根４２とは、縮径したときに基礎杭２の内側を通過可能である。
【0059】
次に、図８（ｂ）に示すように、基礎杭２を装備した掘削ロッド４において、ロッド４０を回転させ、掘削用羽根４１と攪拌用羽根４２の回転により地盤を掘削する。本第１実施形態では、地盤改良体３が多段柱状体であり、上柱状体３２と下柱状体３１とから形成される。そのため、上柱状体３２の領域において掘削用羽根４１及び攪拌用羽根４２を所定の長さに縮径させた状態で掘削し、下柱状体３１の領域では掘削用羽根４１及び攪拌用羽根４２を上柱状体３２の領域のときよりも大きく拡径した状態で非液状化層Ｇ２に根入れする深さまで掘削する。このとき、掘削ロッド４の地盤への貫入とともに、基礎杭２も掘削した地盤中に貫入される。
【0060】
そして、第２施工方法では、掘削ロッド４による掘削と同時に、掘削ロッド４の下端部に設けられる注出口（図示省略）よりセメントミルクを周囲に注出して掘削した土砂と攪拌・混合させることで、図９（ａ）に示すような改良体底部３４が非液状化層Ｇ２に根入れされた根入れ部３ｃを形成した所定の形状（第１実施形態では多段柱状体）の地盤改良体３が築造される。
続いて、掘削ロッド４とともに地盤に貫入された基礎杭２を残置させた状態で、掘削用羽根４１及び攪拌用羽根４２を縮径させた掘削ロッド４を基礎杭２の内側を通過させて地上に引き抜く。
続いて、掘削ロッド４とともに地盤に貫入された基礎杭２を残置させた状態で、掘削用羽根４１及び攪拌用羽根４２を縮径させた掘削ロッド４を基礎杭２の内側を通過させて地上に引き抜く。
【0061】
次に、図９（ｂ）に示すように、予め杭外周面２ａの所定領域にずれ止め部２１が設けられている基礎杭２を、さらに築造した地盤改良体３とその下方の非液状化層Ｇ２に打ち込む。具体的には、基礎杭２を地盤改良体３及び地盤改良体３より下方の地盤に貫入させ、基礎杭２の先端を非液状化層Ｇ２の所定深さまで到達させる（図９（ｃ）参照）。基礎杭２は、打ち込む長さに応じて継ぎ足して所定長とする。図９（ｃ）に示すように、基礎杭２を所定深度まで打ち込むことで、基礎杭２のずれ止め部２１も所定の高さの位置に配置されることになる。これにより施工が完了となる。
このようにして基礎杭２を設けることにより、基礎杭２が鉛直方向の支持力を得ることができ、さらに液状化地盤Ｇ１における基礎杭２の周囲が地盤改良体３によって覆われた状態となって基礎杭２に作用する水平力を地盤改良体３の改良体底部３４に伝達する杭基礎構造１が構築される。
このようにして基礎杭２を設けることにより、基礎杭２が鉛直方向の支持力を得ることができ、さらに液状化地盤Ｇ１における基礎杭２の周囲が地盤改良体３によって覆われた状態となって基礎杭２に作用する水平力を地盤改良体３の改良体底部３４に伝達する杭基礎構造１が構築される。
【0062】
次に、上述した杭基礎構造１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図３及び図４に示すように、本実施形態による杭基礎構造１では、基礎杭２の軸部に凹凸形状のずれ止め部２１を設け、このずれ止め部２１に起因して生じる圧縮トラスＴが形成される範囲に地盤改良体３が存在することで、基礎杭２に作用する水平力が、ずれ止め部２１から基礎杭２の周囲に形成される地盤改良体３を介して改良体底部３４へ伝達する。そして、改良体底部３４が下方に向かって段状に形成されていることで、改良体底部３４の摩擦抵抗Ｆ３を効率的に得ることができる。これにより、改良体底部３４に伝達された水平力は、非液状化層Ｇ２に根入れされた改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３により抵抗することができる。このため、本実施形態では、非液状化層Ｇ２における支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を利用していることから、地震時に液状化地盤が液状化した時においても改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３による優れた水平抵抗効果が得られる。
このように、本実施形態では、地盤改良体３の側面の水平抵抗が期待できない液状化層においても、改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を活用することで、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭２の水平抵抗を強化することができる。
図３及び図４に示すように、本実施形態による杭基礎構造１では、基礎杭２の軸部に凹凸形状のずれ止め部２１を設け、このずれ止め部２１に起因して生じる圧縮トラスＴが形成される範囲に地盤改良体３が存在することで、基礎杭２に作用する水平力が、ずれ止め部２１から基礎杭２の周囲に形成される地盤改良体３を介して改良体底部３４へ伝達する。そして、改良体底部３４が下方に向かって段状に形成されていることで、改良体底部３４の摩擦抵抗Ｆ３を効率的に得ることができる。これにより、改良体底部３４に伝達された水平力は、非液状化層Ｇ２に根入れされた改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３により抵抗することができる。このため、本実施形態では、非液状化層Ｇ２における支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を利用していることから、地震時に液状化地盤が液状化した時においても改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３による優れた水平抵抗効果が得られる。
このように、本実施形態では、地盤改良体３の側面の水平抵抗が期待できない液状化層においても、改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を活用することで、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭２の水平抵抗を強化することができる。
【0063】
また、本実施形態では、改良体底部３４が凹凸形状をなしていることで、その改良体底部３４における支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を最大化できる。一方で、改良体上部は改良体底部３４に比べて縮径することが可能となり、この場合、地盤改良体３がスリム化した構成となることから、地盤改良体３のスリム化を行った場合には、液状化時において地盤の基礎杭２間のすり抜け現象を阻害せず、基礎杭２に作用する流動力を抑制することが可能となる。加えて、地盤改良体３のスリム化は地盤改良体３の体積の削減につながるため、コストの低減も図ることができる。
【0064】
また、本実施形態では、改良体底部３４は、それ以外の部分よりも高強度であるので、改良体底部３４と非液状化層Ｇ２の地盤との間の付着力を高めることができ、改良体底部３４の摩擦抵抗Ｆ３を増大できる。
【0065】
また、本実施形態では、基礎杭２が鋼管杭であるため、ずれ止め部２１の設置や形成が容易である。
【0066】
また、本実施形態では、段付鋼管２Ａ、２Ｂ（図２（ａ）、（ｂ）参照）、或いはディンプル鋼管２Ｃ（図２（ｃ）参照）を採用することにより、基礎杭２の軸部に設けられるずれ止め部２１が凹んだ状態で形成される。そのため、杭外周面２ａと地盤改良体３との付着により一体性を確保でき、改良体底部３４の支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３による水平抵抗の効果を十分に得ることができる。
【0067】
また、本実施形態では、基礎杭２の鋼管内面にコンクリート等の充填材を充填した場合には、鋼管内面と充填材との付着により一体性を確保でき、基礎杭２の水平抵抗をさらに高めることができる。
そして、鋼管にディンプルを設けたディンプル鋼管２Ｃ（図２（ｃ）参照）の場合には、窪み付きであるにも関わらず鋼管内部に充填材を充填しない場合においても鋼管杭直管と同等の圧縮性能と曲げ性能を発揮することができ、優れた効果を享受できる。
そして、鋼管にディンプルを設けたディンプル鋼管２Ｃ（図２（ｃ）参照）の場合には、窪み付きであるにも関わらず鋼管内部に充填材を充填しない場合においても鋼管杭直管と同等の圧縮性能と曲げ性能を発揮することができ、優れた効果を享受できる。
【0068】
上述した本実施形態による杭基礎構造１では、地盤改良体３の側面の水平抵抗が期待できない液状化地盤Ｇ１において、水平力や曲げモーメントが杭頭に作用する基礎杭２の水平抵抗を強化することができる。
【0069】
（第２実施形態）
次に、図１０に示すように、第２実施形態による杭基礎構造１Ａは、地盤改良体３Ａのうち非液状化層Ｇ２に根入れされる改良体底部３４Ａにおいて、径方向中央が下向きに順次凸となる複数段（ここでは２段）の中央凸底部３４３、３４４を設けた構成である。すなわち、基礎杭２から径方向外側に向けて、第１中央凸底部３４３、第２中央凸底部３４４、外周底部３４５の順で配置されている。
次に、図１０に示すように、第２実施形態による杭基礎構造１Ａは、地盤改良体３Ａのうち非液状化層Ｇ２に根入れされる改良体底部３４Ａにおいて、径方向中央が下向きに順次凸となる複数段（ここでは２段）の中央凸底部３４３、３４４を設けた構成である。すなわち、基礎杭２から径方向外側に向けて、第１中央凸底部３４３、第２中央凸底部３４４、外周底部３４５の順で配置されている。
【0070】
第１中央凸底部３４３の下面３４３ａは、第２中央凸底部３４４の下面３４４ａより深い位置となる。そして、改良体底部３４Ａには、二箇所の段差面３４ｂ、３４ｃが形成されている。２段からなる中央凸底部３４３、３４４の高さ（外周底部３４５の下面３４５ａから第１中央凸底部３４３の下面３４３ａまでの高さ）は、地盤改良体３Ａの径最大部（ここでは下柱状体３１の外径）の０．１倍以上の高さに設定されることが望ましい。このような高さに設定することで、改良体底部３４Ａの摩擦抵抗Ｆ３を効率的に得ることができる。
【0071】
第２実施形態において、第１中央凸底部３４３の外径が上柱状体３２の外径と略同径であり、第２中央凸底部３４４の外径が上柱状体３２の外径より大きく下柱状体３１の外径より小さい。なお、中央凸底部３４３、３４４の外径は適宜変更可能である。
【0072】
改良体底部３４Ａの強度は、それ以外の部分、すなわち下柱状体３１の改良体底部３４Ａを除いた部分（根入れ部分より上の領域、）および上柱状体３２よりも高強度になっている。このように改良体底部３４Ａをその他の部分に比べて高強度改良体とすることで、摩擦抵抗Ｆ３を増大することができる。
【0073】
第２実施形態の地盤改良体３Ａは、改良体底部３４Ａを含む下柱状体３１が上柱状体３２よりも大径であり、改良体底部３４Ａに作用する支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を最大化できる構造となっている。具体的に支圧抵抗Ｆ２は、第１中央凸底部３４３の下面３４３ａ、第２中央凸底部３４４の下面３４４ａおよび外周底部３４５の下面３４５ａに作用する。摩擦抵抗Ｆ３は、第１中央凸底部３４３の下面３４３ａ、第２中央凸底部３４４の下面３４４ａおよび外周底部３４５の下面３４５ａに水平摩擦抵抗が作用し、段差面３４ｂ、３４ｃに水平方向の支圧抵抗が作用する。
基礎杭２のずれ止め部２１の構成、ずれ止め部２１によって形成される圧縮トラスＴの形成範囲、杭基礎構造１Ａにおける荷重伝達機構については上述した第１実施形態と同様である。
基礎杭２のずれ止め部２１の構成、ずれ止め部２１によって形成される圧縮トラスＴの形成範囲、杭基礎構造１Ａにおける荷重伝達機構については上述した第１実施形態と同様である。
【0074】
（第３実施形態）
次に、図１１に示すように、第３実施形態による杭基礎構造１Ｂは、地盤改良体３Ｂのうち非液状化層Ｇ２に根入れされる改良体底部３４Ｂにおいて、径方向外側が下向きに凸となる外周凸底部３４６を設けた構成である。すなわち、外周凸底部３４６の中央側が上側に凹む凹部の天面をなす中央底部３４７が配置されている。
次に、図１１に示すように、第３実施形態による杭基礎構造１Ｂは、地盤改良体３Ｂのうち非液状化層Ｇ２に根入れされる改良体底部３４Ｂにおいて、径方向外側が下向きに凸となる外周凸底部３４６を設けた構成である。すなわち、外周凸底部３４６の中央側が上側に凹む凹部の天面をなす中央底部３４７が配置されている。
【0075】
外周凸底部３４６の下面３４６ａは、中央底部３４７の下面３４７ａより深い位置となる。そして、改良体底部３４Ｂには、外周凸底部３４６の下面３４６ａと中央底部３４７の下面３４７ａとの間に段差面３４ｄが形成されている。外周凸底部３４６の高さ（中央底部３４７の下面３４７ａから外周凸底部３４６の下面３４６ａまでの高さ）は、地盤改良体３Ｂの径最大部（ここでは下柱状体３１の外径）の０．１倍以上の高さに設定されることが望ましい。このような高さに設定することで、改良体底部３４Ｂの摩擦抵抗Ｆ３を効率的に得ることができる。
【0076】
第３実施形態において、中央底部３４７の外径が上柱状体３２の外径と略同径であるが、中央底部３４７の外径は適宜変更可能である。
改良体底部３４Ｂの強度は、それ以外の部分、すなわち下柱状体３１の改良体底部３４Ｂを除いた部分（根入れ部分より上の領域、）および上柱状体３２よりも高強度になっていることが望ましい。このように改良体底部３４Ｂをその他の部分に比べて高強度改良体とすることで、摩擦抵抗Ｆ３を増大することができる。
改良体底部３４Ｂの強度は、それ以外の部分、すなわち下柱状体３１の改良体底部３４Ｂを除いた部分（根入れ部分より上の領域、）および上柱状体３２よりも高強度になっていることが望ましい。このように改良体底部３４Ｂをその他の部分に比べて高強度改良体とすることで、摩擦抵抗Ｆ３を増大することができる。
【0077】
第３実施形態の地盤改良体３Ｂは、改良体底部３４Ｂを含む下柱状体３１が上柱状体３２よりも大径であり、改良体底部３４Ｂに作用する支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を最大化できる構造となっている。具体的に支圧抵抗Ｆ２は、外周凸底部３４６の下面３４６ａ、および中央底部３４７の下面３４７ａに作用する。摩擦抵抗Ｆ３は、中央底部３４７の下面３４７ａと外周凸底部３４６の下面３４６ａに水平摩擦抵抗が作用し、段差面３４ｄに水平方向の支圧抵抗が作用する。
基礎杭２のずれ止め部２１の構成、ずれ止め部２１によって形成される圧縮トラスＴの形成範囲、杭基礎構造１Ｂにおける荷重伝達機構については上述した第１実施形態と同様である。
基礎杭２のずれ止め部２１の構成、ずれ止め部２１によって形成される圧縮トラスＴの形成範囲、杭基礎構造１Ｂにおける荷重伝達機構については上述した第１実施形態と同様である。
【0078】
（第４実施形態）
次に、図１２に示すように、第４実施形態による杭基礎構造１Ｃは、上述した第１実施形態において基礎杭２の軸部に設けられる凹凸形状のずれ止め部２２が杭外周面２ａから外側に突出する構成としたものである。地盤改良体３Ｃの形状は、第１実施形態と同様に多段柱状体をなしている。すなわち、地盤改良体３Ｃは、下端（改良体底部３４）が非液状化層Ｇ２に根入れされた状態で設けられている。
基礎杭２は、ずれ止め部２２以外の構成は第１実施形態と同様であり、非液状化層Ｇ２に到達している。
次に、図１２に示すように、第４実施形態による杭基礎構造１Ｃは、上述した第１実施形態において基礎杭２の軸部に設けられる凹凸形状のずれ止め部２２が杭外周面２ａから外側に突出する構成としたものである。地盤改良体３Ｃの形状は、第１実施形態と同様に多段柱状体をなしている。すなわち、地盤改良体３Ｃは、下端（改良体底部３４）が非液状化層Ｇ２に根入れされた状態で設けられている。
基礎杭２は、ずれ止め部２２以外の構成は第１実施形態と同様であり、非液状化層Ｇ２に到達している。
【0079】
図１２に示す点線の圧縮トラスＴの線は、地盤改良体３Ｃの改良体底部３４における外縁部３ｄにおける圧縮トラス形成角θが４５度の線である。ずれ止め部２２は、基礎杭２の杭外周面２ａにおいて、圧縮トラスＴ１が基礎杭２の軸部との交点Ｐから改良体底部３４までの領域（ずれ止め機能領域２２Ａ）に設けられている。なお、ずれ止め部２２は、基礎杭２における上記ずれ止め機能領域２２Ａの少なくとも一部に設けられていればよく、ずれ止め機能領域２２Ａの全体にわたって設けられることに限定されることはなく、上下方向に断続的に配置されていてもよい。また、上述したようにずれ止め機能領域２２Ａ以外の領域（ここでは、ずれ止め機能領域２２Ａより上側の領域）にもずれ止め部２２が設けられていてもよい。
【0080】
突起状のずれ止め部２２としては、例えば、図１３に示すような基礎杭２の杭外周面２ａに固着された溶接ビード２２ａを形成したものを採用できる。この場合には、杭外周面２ａに溶接ビード２２ａを設置することにより容易に凸状部を形成することが可能であるので、優れた加工性や杭の施工性をもたせることができる。
【0081】
（第１変形例）
また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１変形例のずれ止め部２２は、基礎杭２の杭外周面２ａに対して圧延にて形成された突起２２ｂであってもよい。このような圧延の製造ラインによって突起状のずれ止め部２２を形成する場合には、基礎杭２の軸部のずれ止め部を効率よく、かつ安定した形状で設けることができる。なお、図１４（ａ）、（ｂ）における符号２２ｃ（軸方向中央に位置する突起２２ｂ同士の間の線）は、圧延にて形成された突起２２ｂを有する鋼板を用いて基礎杭２を造管する際の溶接線を示している。
また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１変形例のずれ止め部２２は、基礎杭２の杭外周面２ａに対して圧延にて形成された突起２２ｂであってもよい。このような圧延の製造ラインによって突起状のずれ止め部２２を形成する場合には、基礎杭２の軸部のずれ止め部を効率よく、かつ安定した形状で設けることができる。なお、図１４（ａ）、（ｂ）における符号２２ｃ（軸方向中央に位置する突起２２ｂ同士の間の線）は、圧延にて形成された突起２２ｂを有する鋼板を用いて基礎杭２を造管する際の溶接線を示している。
【0082】
（第２変形例）
さらに、第２変形例における突起状となる他のずれ止め部２２として、鉄筋や丸鋼、平鋼等をリング状に曲げ加工した部材を基礎杭２の杭外周面２ａに設置して溶接等で固着して形成したものであってもよい。
さらに、第２変形例における突起状となる他のずれ止め部２２として、鉄筋や丸鋼、平鋼等をリング状に曲げ加工した部材を基礎杭２の杭外周面２ａに設置して溶接等で固着して形成したものであってもよい。
【0083】
（第３変形例）
また、図１５及び図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、第３変形例による杭基礎構造１Ｄでは、他の突起状のずれ止め部２２として、基礎杭２の杭外周面２ａにおいて軸方向に沿って延在する孔あき鋼板２３を周方向に間隔をあけて複数設けたものを採用することも可能である。
孔あき鋼板２３は、帯状の鋼板に複数（例えば、図１６（ａ）では４枚、図１６（ｂ）では８枚）の貫通穴２３ａが延在方向に配列した構成である。孔あき鋼板２３は、貫通穴２３ａの中心軸が基礎杭２の軸方向に直交する方向に向けるとともに、孔あき鋼板２３の板面が基礎杭２に対して放射方向となるように配置されている。
また、図１５及び図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、第３変形例による杭基礎構造１Ｄでは、他の突起状のずれ止め部２２として、基礎杭２の杭外周面２ａにおいて軸方向に沿って延在する孔あき鋼板２３を周方向に間隔をあけて複数設けたものを採用することも可能である。
孔あき鋼板２３は、帯状の鋼板に複数（例えば、図１６（ａ）では４枚、図１６（ｂ）では８枚）の貫通穴２３ａが延在方向に配列した構成である。孔あき鋼板２３は、貫通穴２３ａの中心軸が基礎杭２の軸方向に直交する方向に向けるとともに、孔あき鋼板２３の板面が基礎杭２に対して放射方向となるように配置されている。
【0084】
（第５実施形態）
図１７に示すように、第５実施形態による杭基礎構造１Ｅは、地盤改良体３Ｅの形状として深さ方向の全体にわたって一定した外径の柱状体をなす構造である。すなわち、地盤改良体３Ｅは、改良体頂部３ｂの外径と改良体底部３４の外径が略同一である。この場合も、地盤改良体３Ｅは、非液状化層Ｇ２に根入れした根入れ部３ｃが形成されている。改良体底部３４は、第１実施形態と同様の中央凸底部３４１を有する。
図１７に示すように、第５実施形態による杭基礎構造１Ｅは、地盤改良体３Ｅの形状として深さ方向の全体にわたって一定した外径の柱状体をなす構造である。すなわち、地盤改良体３Ｅは、改良体頂部３ｂの外径と改良体底部３４の外径が略同一である。この場合も、地盤改良体３Ｅは、非液状化層Ｇ２に根入れした根入れ部３ｃが形成されている。改良体底部３４は、第１実施形態と同様の中央凸底部３４１を有する。
【0085】
基礎杭２は、上述した第１実施形態の構成と同様である。すなわち、基礎杭２の軸部の杭外周面２ａには、地盤改良体３Ａの下部から一定の範囲に、地盤改良体３Ａとの間でずれ止め機能を有する凹凸形状のずれ止め部２１が設けられている。ずれ止め部２１は、少なくとも一部が地盤改良体３Ｅの改良体底部３４との間に圧縮トラスＴが形成される圧縮トラス形成領域Ｔａに配置されている。
【0086】
図１７に示す点線の圧縮トラスＴの線は、地盤改良体３Ａの改良体底部３４における外縁部３ｄにおける圧縮トラス形成角θが４５度の線である。第５実施形態では、基礎杭２の杭外周面２ａにおいて、圧縮トラスＴが基礎杭２の軸部との交点Ｐから改良体底部３４までの領域（ずれ止め機能領域２１Ａ）にずれ止め部２１が設けられている。なお、ずれ止め部２１は、基礎杭２における上記ずれ止め機能領域２１Ａの少なくとも一部に設けられていればよく、ずれ止め機能領域２１Ａの全体にわたって設けられることに限定されることはなく、上下方向に断続的に配置されていてもよい。また、上述したようにずれ止め機能領域２１Ａ以外の領域（ここでは、ずれ止め機能領域２１Ａより上側の領域）にもずれ止め部２１が設けられていてもよい。
【0087】
第５実施形態による杭基礎構造１Ｅでは、地盤改良体３Ｅに段状の改良体底部３４が設けられ、かつ基礎杭２にずれ止め部２１が設けられているので、圧縮トラスＴによる改良体底部３４による支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３が得られ基礎杭２に作用する水平力Ｆ１を非液状化層Ｇ２で負担することが可能である。
【0088】
なお、第５実施形態による杭基礎構造１Ｅでは、上述した第１実施形態の杭基礎構造１のように地盤改良体３の上部断面が縮径されて小さくなっていない。つまり、液状化地盤Ｇ１の上部に大きな円柱状の地盤改良体３Ｅが存在していることから、上記第１実施形態のように上部断面（図１に示す上柱状体３２の断面）が小さい場合に比べて液状化時における基礎杭２間の地盤がすり抜け現象を阻害する可能性があり、地盤の流動力を受けやすい構成となる。
【0089】
（第６実施形態）
図１８に示すように、第６実施形態による杭基礎構造１Ｆは、液状化地盤Ｇ１の深さ方向の下部のみに柱状体からなる地盤改良体３Ｆを設けた構成である。
すなわち、地盤改良体３Ｆは、上述した第１実施形態の上柱状体３２（図１参照）が省略されて下柱状体３１のみを設けた構成と同等であり、改良体底部３４を含み、改良体頂部３ｂの外径と改良体底部３４の外径は略同一である。この場合も、地盤改良体３Ｆは、非液状化層Ｇ２に根入れした根入れ部３ｃが形成されている。改良体底部３４は、第１実施形態と同様の中央凸底部３４１を有する。
図１８に示すように、第６実施形態による杭基礎構造１Ｆは、液状化地盤Ｇ１の深さ方向の下部のみに柱状体からなる地盤改良体３Ｆを設けた構成である。
すなわち、地盤改良体３Ｆは、上述した第１実施形態の上柱状体３２（図１参照）が省略されて下柱状体３１のみを設けた構成と同等であり、改良体底部３４を含み、改良体頂部３ｂの外径と改良体底部３４の外径は略同一である。この場合も、地盤改良体３Ｆは、非液状化層Ｇ２に根入れした根入れ部３ｃが形成されている。改良体底部３４は、第１実施形態と同様の中央凸底部３４１を有する。
【0090】
基礎杭２は、上述した第１実施形態の構成と同様である。すなわち、基礎杭２の軸部の杭外周面２ａには、地盤改良体３Ｂの下部から一定の範囲に、地盤改良体３Ｂとの間でずれ止め機能を有する凹凸形状のずれ止め部２１が設けられている。ずれ止め部２１は、少なくとも一部が地盤改良体３Ｆの改良体底部３４との間に圧縮トラスＴが形成される圧縮トラス形成領域Ｔａに配置されている。図１８では、ずれ止め部２１が基礎杭２の軸部における地盤改良体３Ｂに接するほぼ全域に設けられている。
【0091】
図１８に示す点線の圧縮トラスＴ１の線は、地盤改良体３Ｂの改良体底部３４における外縁部３ｄにおける圧縮トラス形成角θが４５度の線である。第３実施形態では、基礎杭２の杭外周面２ａにおいて、圧縮トラスＴが基礎杭２の軸部との交点Ｐから改良体底部３４までの領域（ずれ止め機能領域２１Ａ）にずれ止め部２１が設けられている。なお、ずれ止め部２１は、基礎杭２における上記ずれ止め機能領域２１Ａの少なくとも一部に設けられていればよく、ずれ止め機能領域２１Ａの全体にわたって設けられることに限定されることはなく、上下方向に断続的に配置されていてもよい。また、上述したようにずれ止め機能領域２１Ａ以外の領域にもずれ止め部２１が設けられていてもよい。
【0092】
第６実施形態による杭基礎構造１Ｆでは、地盤改良体３Ｆに非液状化層Ｇ２に根入れした根入れ部３ｃが形成され、かつ基礎杭２にずれ止め部２１が設けられているので、圧縮トラスＴによる改良体底部３４による支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３が得られ基礎杭２に作用する水平力Ｆ１を非液状化層Ｇ２で負担することが可能である。
【0093】
このように第６実施形態の杭基礎構造１Ｆでは、上述した第１実施形態の杭基礎構造１のような上柱状体３２（図１参照）が存在しないため、抵抗機構を発揮する改良体底部３４は大きく確保されている一方、上部の改良を省略することで杭基礎構造１Ｆとして大幅なスリム化が実現され、コストの低減を図ることができる。また、液状化地盤Ｇ１の液状化時における基礎杭２間の地盤のすり抜け現象を阻害しないため、基礎杭２に作用する地盤の流動力を抑制できるメリットもある。
【0094】
（第７実施形態）
図１９に示す第７実施形態による杭基礎構造１Ｇは、上方から下方に向けて漸次、外径が大きくなるコーン柱状体をなす地盤改良体３Ｇを設けた構成である。
地盤改良体３Ｇは、上述した第１実施形態と同様に液状化地盤Ｇ１の上下方向でほぼ全域に設けられ、下端（改良体底部３４）が非液状化層Ｇ２に根入れされた状態で設けられている。すなわち、地盤改良体３Ｇは、地表面付近の改良体頂部３ｂの外径が改良体底部３４の外径より小さくなっている。
図１９に示す第７実施形態による杭基礎構造１Ｇは、上方から下方に向けて漸次、外径が大きくなるコーン柱状体をなす地盤改良体３Ｇを設けた構成である。
地盤改良体３Ｇは、上述した第１実施形態と同様に液状化地盤Ｇ１の上下方向でほぼ全域に設けられ、下端（改良体底部３４）が非液状化層Ｇ２に根入れされた状態で設けられている。すなわち、地盤改良体３Ｇは、地表面付近の改良体頂部３ｂの外径が改良体底部３４の外径より小さくなっている。
【0095】
基礎杭２は、上述した実施形態の構成と同様である。すなわち、基礎杭２の軸部の杭外周面２ａには、地盤改良体３Ｇの下部から一定の範囲に、地盤改良体３Ｇとの間でずれ止め機能を有する凹凸形状のずれ止め部２１が設けられている。ずれ止め部２１は、少なくとも一部が地盤改良体３Ｇの改良体底部３４との間に圧縮トラスＴが形成される圧縮トラス形成領域Ｔａに配置されている。
【0096】
図１９に示す点線の圧縮トラスＴの線は、地盤改良体３Ｃの改良体底部３４における外縁部３ｄにおける圧縮トラス形成角θが４５度の線である。第７実施形態では、基礎杭２の杭外周面２ａにおいて、圧縮トラスＴが基礎杭２の軸部との交点Ｐから改良体底部３４までの領域（ずれ止め機能領域２１Ａ）にずれ止め部２１が設けられている。なお、ずれ止め部２１は、基礎杭２における上記ずれ止め機能領域２１Ａの少なくとも一部に設けられていればよく、ずれ止め機能領域２１Ａの全体にわたって設けられることに限定されることはなく、上下方向に断続的に配置されていてもよい。また、上述したようにずれ止め機能領域２１Ａ以外の領域（ここでは、ずれ止め機能領域２１Ａより上側の領域）にもずれ止め部２１が設けられていてもよい。
【0097】
第７実施形態による杭基礎構造１Ｇでは、地盤改良体３Ｇに非液状化層Ｇ２に根入れした根入れ部３ｃが形成され、かつ基礎杭２にずれ止め部２１が設けられているので、圧縮トラスＴによる改良体底部３４による支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３が得られ、基礎杭２に作用する水平力Ｆ１を非液状化層Ｇ２で負担することが可能である。
【0098】
また、第７実施形態の杭基礎構造１Ｇは、上述した第１実施形態の杭基礎構造１と同様に地盤改良体３Ｇの上部の断面積が小さく、縮径されているので、液状化地盤Ｇ１の上部の地盤改良を低減することができ、コストの低減を図ることができる。
【0099】
さらに、第７実施形態による杭基礎構造１Ｇでは、地盤改良体３Ｇがコーン形状であるので、施工時に順次、一定量で拡径を行いながら効率よく施工を行うことができる。
しかも、本実施形態では、コーン柱状体からなる地盤改良体３Ｇの形状が、圧縮トラスＴが形成される地盤改良体３Ｃの三角形部分と類似するため、圧縮トラス形成角θに合わせて地盤改良範囲を縮小することができ、コストの低減を図ることができる。
しかも、本実施形態では、コーン柱状体からなる地盤改良体３Ｇの形状が、圧縮トラスＴが形成される地盤改良体３Ｃの三角形部分と類似するため、圧縮トラス形成角θに合わせて地盤改良範囲を縮小することができ、コストの低減を図ることができる。
【0100】
次に、上述した実施形態による杭基礎構造１～１Ｇ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。
【0101】
（実施例）
実施例では、上述した実施形態の杭基礎構造を模擬した試験体を使用した模型実験を行い、改良体底面の支圧と摩擦の効果を確認した。
図２０及び図２１に示すように、試験体１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、実大で杭径８００ｍｍ，板厚１２ｍｍ，杭長２６ｍの鋼管杭を模擬したものを使用した。実験は、鋼管杭１１のみを設けた第１試験体１０Ａを使用した比較例１と、鋼管杭１１と地盤改良体１２とを備え、改良体底部１２ａに支圧抵抗Ｆ２のみを作用させた比較例２と、鋼管杭１１と地盤改良体１２とを備え、改良体底部１２ａに支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を作用させた実施例と、の３ケースを行った。鋼管杭１１と地盤改良体１２は接着により一体化することで、鋼管杭１１と地盤改良体１２がずれ止め部により定着されている状態を表現した。
実施例では、上述した実施形態の杭基礎構造を模擬した試験体を使用した模型実験を行い、改良体底面の支圧と摩擦の効果を確認した。
図２０及び図２１に示すように、試験体１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、実大で杭径８００ｍｍ，板厚１２ｍｍ，杭長２６ｍの鋼管杭を模擬したものを使用した。実験は、鋼管杭１１のみを設けた第１試験体１０Ａを使用した比較例１と、鋼管杭１１と地盤改良体１２とを備え、改良体底部１２ａに支圧抵抗Ｆ２のみを作用させた比較例２と、鋼管杭１１と地盤改良体１２とを備え、改良体底部１２ａに支圧抵抗Ｆ２と摩擦抵抗Ｆ３を作用させた実施例と、の３ケースを行った。鋼管杭１１と地盤改良体１２は接着により一体化することで、鋼管杭１１と地盤改良体１２がずれ止め部により定着されている状態を表現した。
【0102】
図２０に示すように、実験装置１００は、平面視矩形の土槽１０１に模擬地盤１０２である東北珪砂６号（乾燥砂、相対密度９０％）を入れ、平面視中央に各ケース（比較例１、２、実施例）の試験体１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを設置する。このとき、比較例２と実施例では、改良体底部１２ａを模擬地盤１０２に埋設する。比較例２では、地盤面にテフロン（登録商標）シートを敷設し、改良体底部１２ａにもテフロン（登録商標）シートを貼付することで、テフロン（登録商標）シート間で滑るようにして底面摩擦（摩擦抵抗Ｆ３）を除去することで支圧抵抗Ｆ２のみが作用する形態とした。模擬地盤１０２は、非液状化層を模擬したものである。非液状化層の上層に位置する液状化層に相当する地盤は、液状化時には水平抵抗に寄与しないため、地盤剛性をゼロと見なし、実験上は省略している。
実験方法は、各ケースの試験体１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃにおける鋼管杭１１の上端に支持部１０３を設け、この支持部１０３を錘１０５を取り付けたワイヤー１０４によって水平方向両側から載荷する。具体的な加力方法として、１Ｇ場で、正負交番載荷（各ステップで荷重を２回ずつ載荷）とし、全７ステップ行った。杭頭は回転自由条件としている。載荷荷重（Ｎ）は、ステップ毎に大きくしていく。
実験方法は、各ケースの試験体１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃにおける鋼管杭１１の上端に支持部１０３を設け、この支持部１０３を錘１０５を取り付けたワイヤー１０４によって水平方向両側から載荷する。具体的な加力方法として、１Ｇ場で、正負交番載荷（各ステップで荷重を２回ずつ載荷）とし、全７ステップ行った。杭頭は回転自由条件としている。載荷荷重（Ｎ）は、ステップ毎に大きくしていく。
【0103】
図２２は、実験結果による水平荷重と水平変位との関係を示している。図２２において、横軸は基準化水平変位、縦軸は基準化水平荷重であり、それぞれ正負交番載荷の各載荷ステップにおける第１サイクルの正側最大荷重時の結果を示している。ここで、基準化水平変位と基準化水平荷重は、鋼管杭１１のみを設けた比較例１の最大変位、最大荷重をそれぞれ１として基準化し、この基準値との相対値を示している。
図２２に示す実験結果から、鋼管杭１１のみを設けた比較例１に対して、比較例２の改良体底面に支圧抵抗のみを作用させた比較例２では１．９倍程度の水平抵抗が発揮され、改良体底面に支圧抵抗と摩擦抵抗を作用させた実施例では４．７倍程度の水平抵抗が発揮されることが確認できた。
図２２に示す実験結果から、鋼管杭１１のみを設けた比較例１に対して、比較例２の改良体底面に支圧抵抗のみを作用させた比較例２では１．９倍程度の水平抵抗が発揮され、改良体底面に支圧抵抗と摩擦抵抗を作用させた実施例では４．７倍程度の水平抵抗が発揮されることが確認できた。
【0104】
図２３は、実験結果による鋼管杭の深度方向の曲げモーメント分布を示している。図２３において、横軸は基準化曲げモーメント、縦軸は深度（ｍ）であり、正負交番載荷のある載荷ステップにおける第１サイクルの正側最大荷重時の結果を示している。ここで、基準化曲げモーメントは、鋼管杭１１のみを設けた比較例１の最大曲げモーメントを１として基準化し、この基準値との相対値を示している。また、深度は実大換算の値で示している。
図２３に示す実験結果から、鋼管杭１１のみを設けた比較例１に対して、比較例２の改良体底面に支圧抵抗のみを作用させた比較例２では０．８倍程度に鋼管杭に生じる曲げモーメントが低減され、改良体底面に支圧抵抗と摩擦抵抗を作用させた実施例では０．３倍程度に鋼管杭に生じる曲げモーメントが低減されることが確認できた。
図２３に示す実験結果から、鋼管杭１１のみを設けた比較例１に対して、比較例２の改良体底面に支圧抵抗のみを作用させた比較例２では０．８倍程度に鋼管杭に生じる曲げモーメントが低減され、改良体底面に支圧抵抗と摩擦抵抗を作用させた実施例では０．３倍程度に鋼管杭に生じる曲げモーメントが低減されることが確認できた。
【0105】
【0106】
以上、本発明による杭基礎構造の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施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。
【0107】
例えば、改良体底部３４として、上述した実施形態の構成の凹凸形状に限定されることはなく、下方に向かって段状に形成される凹凸の高さ、段数、設置範囲、設置数等の構成は変更可能である。例えば、段状の凹凸形状として、多数の突起や凹部が配置された形状、あるいは突条や溝形状等であってもよい。また、凹凸は、凸部だけでも凹部だけの形状であってもよいし、段数も１段でもよく、さらに局所的に凹凸形状が設けられていてもよい。
【0108】
また、基礎杭２の外径、長さ、材質は、地盤条件や支持する構造物の荷重等の条件に合わせて適宜設定することができる。
【0109】
また、上述した実施形態では、地盤改良体の形状として多段柱状体、１断面の柱状体、コーン柱状体等を例示し、基礎杭の軸部に形成される凹凸形状のずれ止め部として窪み、溶接ビードや圧延形成による突起、孔あき鋼板を例示したが、種々の形状からなる地盤改良体と、種々の構成からなる基礎杭のずれ止め部との組み合わせは適宜設定することが可能である。
【0110】
また、地盤改良体の形状についても、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば上記の第１実施形態の多段柱状体からなる地盤改良体３では、下柱状体３１と上柱状体３２からなる１段の段部３３が形成された形状であるが、２段、あるいは３段以上の段部が形成されていてもよい。
【0111】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記した実施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】
【0112】
１、１Ａ～１Ｇ 杭基礎構造
２ 基礎杭
２ａ 杭外周面
２Ａ、２Ｂ 段付鋼管
２Ｃ ディンプル鋼管
２１、２２ ずれ止め部
２１Ａ、２２Ａ ずれ止め機能領域
２１ａ 周溝
２１ｂ 傾斜溝
２１ｃ 凹溝
２２ａ 溶接ビード
２２ｂ 突起
２３ 孔あき鋼板
３、３Ａ～３Ｇ 地盤改良体
３４、３４Ａ、３４Ｂ 改良体底部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ 段差面
３４１、３４３、３４４ 中央凸底部
３４２、３４５ 外周底部
３４６ 外周凸底部
３４７ 中央底部
３ｂ 改良体頂部
３ｃ 根入れ部
３１ 下柱状体
３２ 上柱状体
Ｇ１ 液状化地盤
Ｇ２ 非液状化層
Ｔ 圧縮トラス
Ｔａ 圧縮トラス形成領域
２ 基礎杭
２ａ 杭外周面
２Ａ、２Ｂ 段付鋼管
２Ｃ ディンプル鋼管
２１、２２ ずれ止め部
２１Ａ、２２Ａ ずれ止め機能領域
２１ａ 周溝
２１ｂ 傾斜溝
２１ｃ 凹溝
２２ａ 溶接ビード
２２ｂ 突起
２３ 孔あき鋼板
３、３Ａ～３Ｇ 地盤改良体
３４、３４Ａ、３４Ｂ 改良体底部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ 段差面
３４１、３４３、３４４ 中央凸底部
３４２、３４５ 外周底部
３４６ 外周凸底部
３４７ 中央底部
３ｂ 改良体頂部
３ｃ 根入れ部
３１ 下柱状体
３２ 上柱状体
Ｇ１ 液状化地盤
Ｇ２ 非液状化層
Ｔ 圧縮トラス
Ｔａ 圧縮トラス形成領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】