【
論文
1
日本建 築 学 会 構 造 系 論 文 報 告 集 第 454 号・
1993 年 12月Journa
]ofStruct
,
Constr
.
Engng
,
AIJ,
No,
454,
Dec.
,
lgg3粘性
土地 盤
に
お け
る
支持 杭
の
終 局
水
平 耐
力
に
関
す
る
解析
的検
討
ANALYT
工
CAL
STUDY
ON
THE
ULTIMATE
LATERAL
RES
工
STANCE
OF
BEARING
PILE
IN
COHESIVE
SOILS
中 澤 瑤 子
*,
山 肩 邦 男
* *
Yohko
NAKAZAWA
andKunio
YAMAGATA
Process
to ultimate conditi 匸皿 underlatera116ad
abc阻tfixed
headed
bearing pile areexa皿
i
【Ledby
elasto■
plastic analysis.
(
1)
Pile
leng
しhL
, assu 皿ption of
plasticity
and rotation of footinginflueme
onlateral
load
and deformation
at
first
plastic
hinge
fo
】:田ed,
(
2
)A
。rding t。 the rati 。 。f
ult 血 ate b肌 di 叫My2
/Myl
( atpile
t。P
齟 m餌 moment along pilelengtih
),
the orderf
(ing
plastic hinge is dhanged.
(
3
)F
ailure
modeis
2
hinges
血 the range ofMy
<Ma
andL
>LLbut
is
l
h
血gestτ uct 覃1relout of those ranges
.
Ma
isO
.
85cuBL2and
LL
is ♂M
弼
i皿 therange of 血
L 置
6〜
10m , c u=
1.
5〜
45
tf/
m2,
」
Keyw6rd
:bearingPile
, ult 」 atelateral
resistance,
elasto・
plastic
analysis,
failure mode
,
cohesive soils’
・
1支 持 杭
, 終局
水 平 耐 力, 弾 塑 性 解 析, 崩 壊 形, 粘 性 土地盤1 .
は じ め に架 構
を支 持 す
る杭
に水
平力
が作 用
し た場 合
の杭
の終 局
水
平耐 力
の設 計 法
と し て、
現 在
Bm
皿s の方 法
1]が よ く用
いら
れてい る。
Brems
は、
地
盤
が粘 性 土
2}およ
び砂 質 土
3} の場 合 に わ け て;単 杭の崩 壊 形 を 杭め
無 次 元 長 さ βL
値 また は ηL
値 (
β=
4《/刪
E
『
r、
η≡
5V 五fi7ET
、
こ こ に、k
, お よ び nh :氷
平 地 盤 反 力 係 数 (
tf/
mS)
、
B
:杭 径 (
m)
、EI
:杭
の曲 げ 剛性 (
tf・
)
、
L
;杭 畏 さ
(m )) お よ び 杭 頭 条 件によっ て 簡 単に判 別 す る 設 計 法4 ⊃ を 示し た。
こ れ らのう
ち、
文献
2 }に お い て は、
粘 性
土に お け る杭
頭 固 定の杭
の崩壤
形 は、
βL
>2.
25
の範 囲では、
杭
に2
っ の ヒンジ
が 形成
さ れ る “ 長い杭
” の崩 壞 形
であ り、
ま た βL
く2.
25
の範 囲では、
杭 は 剛 体 的に水 平 移 動 し て地盤
が崩 壊
する“
短い杭
”
の崩 壊 形
で ある と規 定
し た。
“
長い杭”
お よ び“
短い杭”
の ほ かに、
杭 頭にのみ ヒン ジ が で き て 崩 壊 形 となる“
中 間 長 さの杭”
の終 局 水 平耐 力 式
が提 案
さ れ てい るが、
同 式
の適 用 域
は 示 され
て いない。
現 実
の設 計
にBroms
の方 法
を適 用
する にあ たっ て、
以下
の よ う な問題
点 が 挙 げ ら れる。
す な わ ち、
粘 性
土 地盤
の場 合
、
杭 全 長
にわ たっ て粘 性
土 地盤 中
に あ る摩 擦 杭
を 想 定 し てい る が、
現 実 に は 支 持 層に根 入 れ さ れ た 支持 杭
が ほ とん どであ
っ て、Broms
の方 法
を支 持杭
に適用
で き るかの可 否
が問 題
と なる。
ま た、
“
中 間 長
さの杭
”
式
の適 用 域
の明示
が ない た め 、現実
に は、
β
L
<2.25
の範
囲 にっ いて、
“ 短 い杭
”式
のか わ りに適
用 す る等
の混 乱 が
生 じ てい る こ と が挙
げら れ る。
さ らに、
杭
の終
局 水 平耐
力には 杭の終
局 曲 げモー
メン ト の大
きさが関 与
す る にも か かh
らず
、
崩 壊 形
が終 局 曲 げ
モー
メ ン・
ト
に無 関 係
であ
るという
不自然
さ も あ る。
な お、
砂
地盤
の場 合
にっ い て は、
“
中 間長
さの杭
”
式の適 用 域 が 示 さ れ ている こ との 他 は、
上 記の粘 性 土 地 盤 とほ ぼ 同様
の問 題
点があ.
る。
これ らの問 題 点 にっ い て
、
文 献5,で は、Broms
の杭
長 さによ
る崩壊 形
の判 定 が
、
砂地 盤
にお
け る模 型 実 験
の結
* (株 〉
アルマ チュー
ル構造
設計事務所
・
工博
* * 関 西 大 学 工 学 部 建 築 学 科 教 授・
工博Armaturc
Construction
Beurau
,
Dl
、
Eng
.
Prof
.
,
Dep し ofArchitecture
,
Facuity
ofEngine
』ring,
Kansai
Univ
.
,
Dr.
Eng.
果
と は一
致
しな
いことを 指摘 し
てい る。
ま た
、
文 献
6,で は、Broms
の方 法の粘 性 土 地 盤へ の適 用にあ たっ て、
“
長
い杭
”
お よ び“
中 間 長 さの杭”
の い ずれ か小 さい方 の値 を採 用 す
るよう提 言
し てい る が、
これら
の式
の適 用
域
を 明 ら か に す る に は 至っ ていない。
な お、
杭の崩 壊 形 を杭
の終
局 曲 げモー
メン ト値 との関 連 か ら 論 じ た 文 献 は 見 あ た ら ない 。本 論
では、
粘 性 土 地 盤
に おいて、1
柱
1
杭
の配置
で杭
頭 が 固定
さ れ た大
口径 支 持 杭
に関し て、
上 部 架 構の変 形 と関 連
させ た杭
一
地 盤
系の弾 塑 性 解 析 を 行 うこと と し た。
杭 先
端 は支
持層
に根 入
れ さ れ たも
の と する。 こ こ に、1
柱
1
杭
とし たのは、Broms
の方 法
は単
杭の崩 壌 形 お よ び 終 局 水 平 耐 力に関 する提 案で あ る の で、
そ れ と条 件を そ ろ え た もの で あ る。
な お、
本 報では、
解 析の一
例 と し て 場所 打
ちコンク リー
ト杭 を採 用 す
る。弾 塑 性解 析 法
は、
筆 者
らの方
法7}を 発 展 さ せ た もの である。
Broms
の設 計
法 は、
終 局 状態
での釣合
い 条件
を よ り どこ ろ とし てお り、
変
形 を 求 め るこ と は で き なL本 論
で は、水 平 力
の増 加
に とも
なっ て、
杭
に塑 性
ヒンジが発
生 し、
っ い に は 崩壙
に 至 る過程
を変 形
と と もに追 跡
する。
本 論
の結 果
と し て、杭 基 礎
の崩 壊 過 程
に架 構 剛 性
が ど の様
にか か わ るのか、
杭
の終
局 曲 げモー
メン トの値 が 杭 の崩 壊 形に どの よ う な影 響
を与
え る か にっ い て検 討
し、
杭
の崩 壊
形が決 定 さ れ る 要 因 を 明 ら かにする こと が で き た。
な お、
本 論
の内容
にっ い て は、 すで に文 献
eレお よ び文 献
9 }に お い て 中 間 発 表 し てい ること を お断
り し て お く。
2 .
杭 頭 部の 塑 性 化 を 考 慮 し た 有 限 長 さ杭
の水 平 抵 抗 式
文 献
7,にお い て、
筆 者
ら は、
杭 体
お よ び 地盤
の変 形 が弾 性 域
にあ
る場 合
の半 無 限 長
さの杭
の水 平 捲 抗 式 を 示 し た。
ただ し、
杭 頭部
の フー
チング
へ の埋
込 み部
にっ いて は、局 部 的
な塑 性化 を考 慮
し て杭 頭結 合 度
αを導
入 し た。
本 論
で は、
文 献7) の理 論 を さ らに発 展 さ せ て、
地 盤 反 力 は弾 塑 性 状 態
、杭 畏
さ は有 限 長
とす
る。
杭
頭部
には、
曲
げモー
メン トの増大
に伴
う杭 頭 結 合度
α の低 下
を考 慮
す る ほ か、
杭 中
間 部の塑 性 ヒンジの発 生 部には、
完 全 弾 塑 性 曲 げ 抵 抗 特 性を考慮
す る。
以
下、
本 論に用いた水 平 抵抗
に関す る弾 塑 性 理 論お よびその適 用 法にっ いて述べ る。
フ
ー
チング は、水 平 力 を受 け
た上部 構 造
の変 形
に応
じ て回 転 する。
杭 頭 がフー
チ ングに固定
されてい る場合
、
杭 頭
の回転 角
(Yo
はChangi
°} の杭 頭 固 定 条 件の場 合の0
では な くて、
フー
チングの回 転 角
す な わ ち上 部 架 構
の基
礎 節 点 角
(9
, に等
しい。一
方
、
杭 頭
が フー
チング
に対 し て回 転 自由
であ
る場 合
は、
杭 頭
の回転 角
(So
は
フー
チング
の回 転
に関 係 しな
い。
この状 態
にお
け る〔
}
oは、Chang
式
の杭 頭 自由
の場 合
にお け る杭 頭
回転 角
e
, に等
しい。
杭 頭 固 定
〜
自 由
の間
の状態
に お ける回 転 角 θo を、
こ一
86
一
の杭 が 支 持
して い るフー
チ
ング
の節 点 角
e
,お よ び杭 頭
自由
の回 転 角
SR
の関 係 式 (
(90=
(
1
一
α)
×SR
+α x θ,) 79 で 表 す。
αは 杭頭
結 合度
であ っ て、
その 値 は、
固
定
の場 合
:1.O、
自由
の場 台
:0
お よ び中 間
の固定 状 態
の場 合 ;α=
Lo
−− o
である。
任 意
の α に対
し て、
杭 頭
曲 げモー
メン トMo
はMo
= α ×MF
で表
せる。
こ こ に、
MF
は、
Chang
式
にお ける杭頭 固 定 曲 げ
モー
メ ント
であ
る。
さ らに、
架 構
の全 ての杭
は、
フー
チング が 基礎 梁
に よっ て互い にっ な が れ てい る た め、
杭 頭の水 平 変 位Yo
が一
定 に 拘 束 さ れる。
以 上
に述
べたeo
と αの関係 式
お よ びVe
= 一
定
の条
件 をMo
; α XMF に導
入 し て式
を展 開
する ことに よっ て、
杭 頭 部の水 平 抵 抗 式が得 ら れ る。
これ が、
文 献7) に お け る(
46
)
一
(
48
>式
で ある。 た だ し、本 論
の記 号
と は多 少
相 違
してい るこ とを お断
り してお く。
杭 頭 部
が弾 性
か ら塑 性 状 態
へ と移 行
し て ゆく場 合
に お いても
ボ弾 塑 性 状 態
にお ける αを 適 切
に評 価 す
る こ と に よっ て、
上 記
の式
ηを 用
い る こと が でき
る。
α値 を 実 験
に よっ て求め る方 法の1
例 を 以 下に 説 明し てお く。
図
1
は、
地盤
がな
い状 態
で の一
端 固定
・
他 端 支 持 部 材
の加 力 試 験 お よ
び試験
によ
っ て得 られ
る固 定 端 部 の 曲 げ
モー
メン トMo 一
回 転 角G
関 係の概 念 図
を 示 し た もので ある。
Mo
が弾 性 限 界 曲 げモー
メン トM
, 以 下の 範 囲で はα =1.
0
(固 定 〉
、Mo
が終 局 曲 げ
モー
メ ント
My
に達
し た段 階
では α=0
(塑 性
ヒ ンジ
)であ る。ME
くMo
くMy
の範 囲
においては
、
α とMo
の関係
は次
のよ う
に考
えれ ば よい。
ME
〜
My
間
をn区 分
し、
そ れ ぞ れの段 階 番
号 を1
〜
n とす る。
ま た、
任 意のi
区 分にお け る曲
げモー
メン ト、
荷 重
お よ び 回転 角
の各 増 分 を そ
れ ぞ れ △MOI
、
△P
匠 お よ び△ 〔9i
で 記 号 する。
任意
のi
区分
におけ る α且 は、
(1
)式 で 表 す。
こ こに、
△MFi
は△P
, に よっ て 生 じ る 固 定モー
メン ト に あ た る。
Mo
1
Mo
(.
,MOG
,Mo
〔」−
DME
o
一一尹
ご} (x (
−
L
/3E
工})
図1
Mo 一
θお よびα 関 係 概 念 図α ・
=
△Mo
・/
△MF
、(
1
)
こ こ に
、
△MFi =
△P .
iXaXb ×(
L
+ a》
/(
2L2
)ま た
、
△e
,と△MOi
の関 係 は たわ み角 法 式に よっ て (2
.
)式
で表せ る。
4MOi
=
(
3EI
/L
)× △G
[+ △MFi
(
2
)
△
MOi
(.
1
)
,(
2
)
式
から
、
は (
3
)式 で 表 せ る。 △θ,△
MOi
α 丘 =
.
(3
) κ i;
(
− 3EI
/
L
)× △ δ,1 一
α i に 1∴ α 丘
=
(
4
)
ユ+ rci
こ こ に
、
κ i ;Mq 一
θ 曲線
のi
区 分
にお け る勾
配L ,E ,1
;部 材
の長
さ,.
弾 性 係
数 お よ び.
断 面2
次モー
メン トa
,
,
b
:図
1
参 照
.
半無
限 長
さの杭
に関 す
る弾 塑 性 解 析
で は、
杭 頭 部の曲
げモー
メン トMo
がME
以 下の範 囲
(α=
1
.
0
)
にっ い ては、
文
献7,式 によっ て、
弾性
応力お よ び変 形幃
求めら れる。
任 意
のi
段 階
に おい て は、上 記
の方 法
で得 られ
た △Mo
互と
α 1 の関 係
を文 献
7 )式 に 代入
す るこ と に よっ て、
杭 頭
水 平 力の 増分
△QOi ,
杭 頭 水
平 変位
の 増 分 △VOi
お よ び杭
頭 回 転 角の 増 分△.
θOi が得
られ る。
i
段 階
にお け る杭
頭 部
の曲 げ
モー
メン トMOi 、
水 平
力QOi
、水 平 変 位
Yo
± お よ.
vi
回 転 角
(90i
は、
.
弾 性 限
界 時の曲
げモー
メン トM
,.
.
水 平 力QE 、
水平 変 位
YE
および杭 頭 回 転 角(YE
に、1
〜
i
区分
までの そ れ ぞ れの増 分 量
△MOi
、
tS
Qo
,、
△VOi
お よ び△θo,を順
に加
え 合 わ せ る ことに よっ て得
られる。
Mo
,=ME
+ ΣAMol
Qo
,=Q
,+ Σ △QOt
UOi
=暮
E+ Σ △Vo
, θo,=
θE +.
£ △ (Yo
, こ こ に、
Σは1
〜i
区 分ま
での 合 計 を 表 す。
(5
>(
6
)
(
7
》
(8
)本 論
で は、
杭 長 さ が 短い場 合へ の適用 性
を 考え て、
有限 長 さ
の杭
に関 す
る式
を求
め ること と し た。
な お、
地 盤
の塑 性 域
も考 慮 す
る。
図
2
は、
有 限 長 さの杭
に お い て、
地 表 か ら2
の深 さ ま
で の地 盤 反 力 p が 塑性
地盤 反 力
p 、 にな
っ た 状 態 を 示 し たも
の であ
る。
.
p 、 は一
応一
定 値
と.
し
て お く。
2
以 深
の部 分
の坤
盤 反 力
p は、
弾 性 状態
(p ;k
バγ
、
y
:水
平 変偉、
k
, :水
平 地盤
反 力係 数 )
で あ る。有 限 長
の杭
で、
杭 頭 が 固 定、
杭 先端
の条 件
が ピン (支 持 層 上 端 で ピン) の場 合の弾 性支 承 梁
の解
川 を 参 考 と して、
ま ず、
地盤 が一
定
の深
さ まで塑 性 化
し た 場 合の解 を 求め た。
さら に、
文 献7} と同 様
の方法
でαを組
み込
み、
かっ基礎 梁
によ
っ て全杭 頭
の水 平 変位
一
定
の条 件
を考 慮
す る と、
任 意
のi
段 階
にお け る水
平 抵 抗の増 分式
が得
られ る。
式の 導 き 方 は 省略
し、
結 果
と し て杭 頭 部の式
を (9
)〜
(
11
} 式
に、
ま た 地中
部
の式 を (
12
)
〜
(
19
) 式
e
;
示 し た。
た だ し、
こMo
(
+l
Qo
(
+)
(
Vo
(
+).
一 ご}o場 所 打
ち ユンPtJ
一
ト杭
1x
P皀Pu :塑 性 地盤 反 力
P=
kh
・
y弾 性 地 盤 反力
支 持 層
図
2
地
盤
反 力
・
矼嗣
れ らの式 はi
区分
に お け る増 分
量の表 現である が、
繁 雑 さを避 け る た め区 分 を 表す サフ ィッ クスi
は省 略してあ る。 サフ ィックス のj
お よ びk
は
フー
チン グ番 号
を表
す。
ま た、
Σは フー
チング 全 数の加算
を表 す も
の であ
る。
.
○杭 頭 部
にお け る式
.
ム ン・j=[
△Qal1
+ Σ(
CkX
△e
,ノ
A
、)+
.
£ (Dk
/Ak
)]
/E (1
/
Ak
)(
9
)
△
QO
」=
△YOj
/
Aj − .
C
,× △(Y
,」ZA
」−
D
,/
A
,(
10
)△
MOj
=−C
,X △QO
」+α 」x △ (シ
rj/
f
OM一
α」X △p .XB ×・
fop
/feM
(・
11
).
こ こ に、
△
eo
,=
(1 一
α j)× △GRj
+α」X △θ
,」.
△SRj =
△QOj
×fOH
+ △ Pu ×Bxfop
Aj =fHH−
eXj
×fo
日.
琴fHM
/
f、
。MC
」ニ α 」xfHH /fOM
D
」=
(fHP
一
α ユ×fop
×fHM
/fOM
)x △p。
XBfOH
=fHM=
(
di
OH +2
β2
φ。H +β2 違2)
/
2EI
β2fOM=
(
di
OM +β
11
)/
EI
β
fop
・
=− 2x
(φbH+β2
φ。M +β222/
3
>/2EI
β2fHH=
=
(φHH +2
β2
「
φ。H +2
β22z φ。M+
2
β323 /3
)/2EI
β3fHP=−
2x
(
φHH +3
β2
φ OH/
2
+ β222 φ OM +β323 /
4
’
)
/
2E
匸β3di
HH=
(
1− kos2
β2L
’「
X
e−
2PL’
+ e−
4 βv)
/
Φ’
φ OH
=
(
’
1
ナ
2sin2
βL’
× e72PL’
−
e°
4pv )/Φφ。M
=
(1
+2cos2
βL
’
× e−
2 βL’
+ e−
4 βv>/ΦΦ=
1− 2sim2
βV
× e−
2βL’
−
e’
4βuO
地 中
部
に おけ
る式
(
地盤
が塑
性 域の 部 分 》.
・
△
Ms
=一
△ p。
×BXX2
/2
+ △QOj
×・
X
+ △MOj
(12
) △Qs =
△QO
」一
△p。
×BXX
△夢
i=
(
一
△Pu ×BXX4
/24
+ △QOjX3
/6
+ △
MolX2
/
2
+C3
×X .
十C4
)/EI
△θj=
(△ PuxB ×X3
/
6
−
△QOjX2
/2
−
△MOi
×X
− .
C3
》
ノ
EI
(
13
)
(14
)(
15
)一
87
一
(地 盤 が 弾 性 域の部 分 )
△
M
,≡一
[
eM (Cl ’
sin β x− C2 ’
cosβx )+ e
−
ex (− C3 ’
sin βx +C4
’
cos βx )]
/
β(
16
)
△
Q
」=−
e βx[
(
Cr
− C2 ’
》
eo8 βx+
(
Cl
’
+G2
’
》
s 三nβx]
−
e−
ex[
一
(C3 ’
+C4
脚)Xeos
β
x +(C3
’− C4 ’
)sinβx ](
17
)△
V
コ=
[
e ex(
C1
’
cos βx +C2
幽
sin βx)
+ e−
ex×
(
C3
’
cosβx +C4
’
sinβx)
]
/
2E
【
β3(
18
>
△
G
」=
[
e ex(
一
(
C1
’
+C2 ’
)
cos βx +(Cl ’− G2 「
)sin βx )+ e+
ex((C3 ’
−C4 ’
)×cos βx +
(
C3 ’
+C4 ’
)
sin βx)]
〆2EI
β2 (19
) こ こ に、
C1 ’≡
[
qH(
−
cos2 βL
” e−
2 βu + e−
4 理 )+ qM
((
sin2 βL
’−
cos2βL
’)
e−
2pu−
e−
4PL’
)
]
/ΦC2
「=
卜 qH・
sin2βL’
・
e−
2fiU−
qH ((sin2 βL
’+cos2β
L
’>
e−
2pv + e−
4PL+
》
⊃
/
ΦC3 ’=
[
qH(
1−
cos2 βLl
・
e−
2PL’
)
+ qM (1
+ (sin2 βL
’
+ces2 βL
’
)× e一
2pv >]/ ΦC4i
三
匚
一
qH・
si n2βL
’・
e−
2pu−
qM(
1
+(
eos2β
L’
−
sin2β
L’
)Xe,
2 βv)
]
/
ΦC3
=
(
C1
’
+C2
卩一
C3
’
+C4 ’
)
/2
β2+ △ Pu ×
B
×23
/6−
△QO
」×22
/2
−
△Mo
」x2C4
±
:
(C1
’
+C3
脚
)/2
β3−
2
×C3
+△p .XB ×
24
/
24
−
△Qo
」×23
/
6
−
△Mo
」×22
/
2
q 日=
△Qo
」一
△ PvXB ×2
qH
;
β(
△Moj
+ △Qoj
×2 −
△p 。xB ×22
/
2
)
△Qall
:基 礎に作 用 す る全 水 平 力の 増 分 (tf
)E
,
1
:杭 体
の弾 性 係数 (
tf/
)
お よ び断 面
2
次
モー
メント (
>
L
’
≡L −
2
,L
:杭 長
さ(
m >2
: 地 盤の塑性 域
深 さ (ml図
2
では、
p. は一
定
として表 現
し たが
、
区分 増 分法
の途 中
で の操 作
によ
っ て、
p 。を深 度
X
の関数
とす
る こ とも近 似 的
に可 能
である。
また、
地中 部
におい て杭
の曲
げモー
メン トが 終 局 曲 げモー
メン ト に 達 し た 以 後 は 塑 性 ヒンジを想 定 す
る が、
こ の操 作 も区 分 増 分 法
の過 程
にお い て 考 慮 する。
これ らにっ い て は、3 .1
において さ ら に説 明 する。
3 .
架 構
を支 持
する基礎 杭
の崩 壊 形
お よ び終 局 水
平耐 力
3 .1
解 析の 概 要本 解 析
に 用 い るモデ
ル架構
を、
図
3
に 示 し た。
1
層
3
ス パ ン のラー
メン架 槽であ る。
上 部 構 造 は 解 析 上 曲 げ 剛一
88
一
性
と し て の み関 与 し、
部 材の塑 性 化は考えてい ない の で、
仮に1
層で代 表 させたに過 ぎない。
基 礎 梁 剛 度
はKG
=
5,
000〜20,
000crf
であ
る。
杭 基 礎
は1
柱
1
杭 形 式
で、
同
一
径 (
1.
Om
) の場 所 打 ちコンク リー
}杭 を 想定
す る。
杭 長
さ は6〜10m
で あ る。
地盤
は、
地 表
から支 持 層
ま で 均一
な粘 性
土 と す る。
解
析に用い る定 数は、一
軸 圧 縮 強度 量
。=6.2tf
/、
水
平 地 盤反
力 係 数k
,=900tf
/m3、
粘 着 力
c 。=
曾
u/
2 =3.ltf
/
と し た。
こ こに、
):h は塑
性 地 盤 反 力 に 達 す る ま で一
簿
の値 で あ ると し た が、
本 来
、
水 平 変 位 量 が 増 大 す るにっ れ てkh
は次 第
に小
さ く なっ て ゆ く。
こ の状 況 を 考 慮 し てk
,=O.75k
。と し た。
な お、
k
。 は 水 平 地盤
反力
の初 期 勾 配
で あっ て、
文
献12) に よ っ て号
。
よ り求 め た。
Broms
は 文 献2}に お い て、
G
L 〜1.
5B
(B
:杭 径 )
の間
の地 盤 反 力 を
0
とし、1.
5B
以 下
の塑 性
地盤 反 力
をp.
=9Cu
と してい る。
し か し、
本論
が対 象
とす る杭
は1
.
O
m の大
口径
である た め、
1
.
5m
の深さまで地 盤 反 力 を 無視 す
る こ とは妥 当
で は ない と考
え た。 ま た、
文 献
2}で参
照 さ れ てい るp.
のデー
タ は 地 表 面 でp、
=2Cu 、
深 度
3B
以 深 でp、
=
=
8−”12Cu
であ る ため、
本論
ではこれ ら を参 考
に し て、
図
4
に示 すPu の分 布 形 を 採 用 し た。
地表 面
でp.
;2c .、
深
度
2.5B
以 下 で は8〜12c
。の 平均
値
p。
=10Cu
と し、
深度
0〜2.
5B
間の p。
は 直 線 分 布 と し て ある。
区 分 解 析のための 塑 性 地 盤 反 力 と しては、
地表
〜2.5B
間 を
0
.
5m
ごと に区 分
し、
各 区 分
におけ
る平
均 地 盤 反 力 を 採 用 し た。
本 解 析
で は、
図
1
の実 験 を行
っ ていない た め、
α の値
は図
5
のよ うに想 定
し た。弾 性 限 界 曲
げモー
メン トM
,〜
杭 頭 部の終 局 曲 げモー
メン トMy
、の間 を5
等 分 し、
塑 性度 を表
す杭 頭 結 合 度
αは、
各 区 分
ご とに0.
9、O.
7、0.
5、
0.
3、O.1
と仮 定 す る。
Mo
<ME
の 範 囲では α;1.O、
M
;My
,の状 態
で は α=
O
であ
る。
これを
、
(
a )方 法
と称
し
てお く
。
ま た
、
αを完 全 弾 塑 性 的
に考
え た場 合 (
Mo
〈My
, :α=Lo 、
Mo =Myi
:ex
=
=0
)
にっ い て も、一
点鎖 線
で併 記
しておいた。 これ を、
(
b
) 方 法と称 して2
階 梁 剛 度
KG
;4
,000cm8
柱 剛
Kc
礎 梁 剛 度
5
,
000
,
00
(辷 :粘 性
土 气杭
ぺ杭
ユ場
コン径
1
支
cmux
o
」
図3
モ
デ
ル架 構柱 剛 度 (
cm8)
Kc
:
4
,
000
GL
ユ_
場 所 打
ち コンクリう杭径
1.
Om
支 持 層
Pu
=2cu
Mo
S:区分 解 析
に用
いた値
皿s の塑 性 地 盤 反 力 分 布杭 径
図
4
区分 解 析
の ための塑 性 地 盤
反力
y 4 3 2 1 EMMMMMM
10
・
・
一
一
T θo (×(−L
/3EI
) )図
5
区
分 解 析
に用い る α の値
お く。
な お、
杭
の地 中 部
に 関 し て は、
終 局 曲げ
モー
メン トMy2
以 下
で は弾 性
であっ て、
M =My2
で塑 性
ヒン ジに なる と考 えて ある。
こ こ に、
サフ ィッ クス1
は 杭 頭 部 を、
2
は 地中部
を表
す もの とする。
解 析
にあ
たっ て は、
杭
の 塑性 化
に お よ ぼ す軸 方 向 力
の影 響
は無 視 す
る こと、
塑性
ヒ ンジ が 形 成 さ れ て もせ ん断 破壊
せず、
終
局 曲 げモー
メ ン トー
定の ま ま 靱 性 を 保っ こ と、
上部
架構
は 解 析の全域
におい て弾 性 状 態
にあ
るこ とな
ど を仮 定
し た。
3
.
2
解 析 条 件が解 析 結 果に あ た え る
影
響の検 討’
杭
長 さ が 全 杭 と も一
定の条 件の も と で変
化 する場 合に っ い て、
架 構
の基 礎 梁
剛度
K
。 お よ びα の仮 定 方 法 等の条 件 を変
え て、
解 析 を行
っ た。
ただし、
杭
の頭 部
お よび 地中 部
の終
局曲 げ
モー
メ ン トは、
それ ぞ れMyi =8L7
tf
・
mお よびMy2
;70tf・
mの一
定 値 と する。
表1
に解 析 ケー
スを
一
覧
に して示 し、
番 号
1
−一
・V
を付
してあ る。
これ ら の
解 析 結 果
のう
ち、
杭 頭 水
平力
Qo 一
杭 頭 水
平変 位
Vo
の関 係 曲線 を 図
6
に示し た。
同 図 (
a》
の1
の場 合
は、隅 杭
・
中杭
の両 方
にっ い てQo −
Vo
曲線 を示
し た が、
両 曲 線 に は 大 き な 差 が ない こと が わ か る。
そこで、
表
1
解 析
の種 類
番号
杭長
さ(
m〕
α の仮定 方法
フ→ ンリの回
転
基礎
梁
剛度
KG
(
3)
6
a,
000
II
6
(
a)有
烈),
000
,
IV
OQV
10
〔a )有
5,
000
図
の繁 雑
さを避
け る ため、
II“
一
V の
場 合
にっ い て は いず
れ か一
方
のQo −
Vo
曲線
を示
し た。
いず れ も2
ヒンジ崩
壞 形
であ
っ て、
白
三角 矢 印
は杭 頭 部
に塑 性
ヒ ンジ が形 成
さ れ た 時 点 を、
ま た 黒 三 角 矢 印 は 杭 地 中 部の塑 性 ヒンジ形 成 時
を 表 す。
塑性
ヒ ンジ形成 時
の地 盤の塑 性域
深 さ2
お よ び 地中 部 塑 性 ヒンジの形 成 深 度Lo
も 併 記し て あ る。
これ らのQo − Yo
関 係 曲 線 か ら、
以 下の こ と が わ かる。
(1
》 図6
(a > に お け る 基 礎 梁 剛 度KG =5,
000e
皿3 の場 合
(1}とK
ロ;20,000cm3
の場 合 (
1【)
の いず
れ も隅 杭
を 比 較 する と、
Vo
く約Lec
皿の範 囲で はQo
− Vo
曲 線 は ほぼ 弾性
領 域にあっ て、
杭 頭水
平剛
性Qo
/Vo
は、
IIの場 合
が1の場 合
よりも約
20
%大
きい。
ま た、
1の中 杭
は隅 杭
よりも
10
%程 度 大
きい。
し か し、
こ の範 囲 を超
え る と杭 頭 部
お よ び 地 盤の塑性 化
が進 行
するた め、
1・
H間 の基 礎 梁 剛 度 に よ る相 違 お よ び 1の中 杭 と 隅 杭によ る 相違
は次 第
にな く な り、
終 局 水 平 変 位
お よ び終 局 水 平 耐 力
は一
致
する に至る。
杭 頭
塑性
ヒ ンジ形 成 後
、
乏は
次 第に 増 加 し、3.5m
に達
す ると同時
に、
Lo =3.5m
で地 中 部塑 性
ヒ ンジが形 成
され て終 局
となる。
な お、
1
の中 杭
と 隅 杭にお ける、
杭 頭 部の 塑 性ヒ ン ジ 形 成 段 階の比 較 で は、
Qo
、
冨o お よ び2
に か な り の相 違が あ る こ と が わ か る。
(
2
)図
6
(b
) は、 α の導入 方 法
が異
な る 1((al 方 法 ) お よ びm ((b
)方 法
) を 比較
し た もの で あっ て、Qo
− Yo
曲 線
は大 局 的
には 同様
とみて よし ただ
し、
(
b
)
方 法に よっ た 場 含は、
(a ) 方 法による場 合に比べ て、
杭 頭
ヒ ンジが形 成
され た段 階
に お け るYo
お よ びQo
は小 さ
く、
かっ 地盤
の塑 性 域 深 さ は 浅 く
なっ ている。
(3
》図
6
(c )におけ る フー
チング が 回 転 する場 合 (III) と回 転
し ない場 合 (
IV)
の比較
で は、
杭 頭
部に塑性
ヒンジ
が 形成
さ れ る ま での杭 頭 水
平剛 性
Qo
/
Vo
には か な り の差が み ら れ る。
し か し、
同ヒ ンジ 形 成 後は、
フー
チン グの回 転の影 響
が な く なるた め、
次 第 に 両 曲 線 は近
づいて ゆ き、
っ い に は一
致
す る。
(
4
)
図6
(
d
) は、
杭
長 さが異
な る1(
6m
杭 )
お よ び V (10m
杭 )の 比 較 で あっ て、
後 者
の場合
、
地 中 部
ヒ ンジ が 杭 頭 部 よ り も 先に形 成 さ れ て お り、
前 者にお ける形成 順 序
とは逆
となっ た。
、
ま た、Qo − Vo
曲 線
も大
き く異 な
っ てい る。
こ れ は、
杭 長
さ が長
くな
る程 杭 全 体
と し て の・
回転 変 形
が小
さく な り、
かっ 地中 部 最 大 曲
げモー
メ ン トの杭 頭 曲 げ
モー
メント
に対 す
る割 合
が増 加
す る傾 向
に あ る た め で あっ て、
My1
とMy2
の相 対 的 な 大 き さ も 関一
89
一
80
70
60
50Qo
40
(
tf)
30
ヒ
1
00
80
70
6e
50Qo
40
(tf
)30
1
・・10O
o
80
70
60
50Qo
40
(
tf)
30
鷲
fl
2
3
4
5
6
Vo
(cm)
(
a)
KG
(
cme)
=
5
,◎00
(
1
)
お よび20
,◎00
(ID
の場合
の比較
00
80
70
60
50Qo
40
(
tf)
30
1
・ ・10
1
2
諺4
5
6
写。 ( }(
b
)
αの導入方法
が異
なる1
とIll
の比 較 (
中杭)
7
8
9
O
o
1
2
3
4
5
70
(
c皿)
一
(
c)
フー
チング
の回転
の有 (
1
】1
)
と無 (
1V
)
の比 較 (
中杭)
7
8
9
T
8
9
1
2
3
4u
。 (,m)5
6
−Cd
)杭長
が異 な るi,V
の比較 (
隅抗
)図
6
Qo −
Yo
関係 図
7
8
9
一
90
一
係 す
る。一
股
の設計
で は、
My2
〈My
,の関 係
にあ
る こ と も多
いの で、
こ の よう
な塑 性
ヒ ンジ形 成 順 序
の逆 転
が起
こ り 得る こ とを 示し
て いる。
1 の杭 頭 部 塑 性ヒ ン ジ が 形成
され た後
は、2
が増 加
する と ともに、
地中 部 最 大 曲
げ モー
メン トが 増 大 し、Le
;2 =3,
5rn
で 地 中 部 塑 性 ヒンジ
が形 成
され
て終 局
とな
る。一
方
、
v は、
2 =2.
Om
に達
し た時
に.
杭
頭 部塑
性 ヒン ジ が 形 成 され るが、
その後
2
ヒ ンジ状 態
で2
が増 加
し、
同 時
に杭
はLo
以 浅
の部 分
が 降 伏 曲 げモー
メン トに達 し て ゆ く た め、
塑 性 域 が 上 方に拡
大 し て ゆ く。
こ の塑 性域
の上限
と2
が一
致し た時 点で終 局
と なる。
図
7
に終 局 状 態
に至
るま での経 過 説 明 図
を示
し たので、
参照
さ れ たい 。 な お、
本
例の場 合 は、
杭
頭 部 塑 性ヒン ジ形 成 後のQo ・
の 増 加 は 非 常に小 さ く、
終 局時
に は v と 1のQo
−
Vo
曲線
はほ とん ど一
致
し てい る。
以 上 よ り
、
杭
の弾 塑 性解 析
に おいて は、
フー
チングの 回 転 はQe − Vo
曲線
の初期
において影 響
す るこ と、
杭 長
ア
さ は 塑性
ヒンジ形
成の時
期お よ び地 盤
の塑 性域 深
さ、
杭
頭 変 位
な ど、
崩 壊 過 程 全 般 を通 じ
て大
きく影響 す
る こと がわかっ た。
ま た、
αの 導 入 方 法 は、
塑 性
ヒ ンジの形成
時 期
、
地 盤の塑性 域 深
さ な ど にっい て 影 響 が あ る もの の、
終 局 状 態 に は 影 響 し ないこ と、
全 体 と し てのQo − Vo
曲 線の形状
に も あ ま り影 響
しな い こ とな
どがわ
か っ た。
3 .3
杭
の崩 壞 形
お よ び終
局水
平耐
力 と 杭の終 局 曲 げ モー
メン トとの 関 係 杭 頭 固 定の場 所 打ち コンク リー
ト杭 (杭 径LOm
> に っいて、
終 局 曲 げ
モー
メント
My
の値
を変化
さ せ た場 合
の解 析
を数 多
く行
っ て、
My
の値
と杭
の崩 壊形
お よ び終
局 水 平 耐 力Qu
の関 係 を 検 討 す るこ ととし た。
た だ し、
My .
は文 献
2 ]と 同様
に杭 全 長 を通
じ て一
定 (
My
・
・
My
,=
My2
) と し、
My
’
値 は20〜320tf・
皿 の範
囲 と し た。
杭
一
地 盤 系
の終 局 状 態
を検 討 対
象とす る ため、
解 析
へ のαの導
入は(
b
)方 法
に よっ た。
地盤の 水 平 反 力 係 数k
, およ び粘 着 力c、
と し ては、
3 .2
の解析
に用
い たk
,=900tf
/m3,
c.
=3.
ltf
/ の他
に、
kh =400tf
/
m8,
cu=
1
.
5tf
/
m2お
よ びk
,=1.400
tf/m3,
c.=
4.
5tf
/ を採 用
する。
杭 長
さ はL =6− 10m
である。
杭の無 次 元 長 さ βL
値 はLl 〜2.
4
に相 当 する。
図
8
の実 線 ほ
、
杭 長
さL
=
6
,
8
お よ び10m
の場 合
に お け る 解 析 結 果のQu − My
関 係の一
例 くk
,=900tf
/,
c.
i3.
ltf
/
m2)
であ
る。
k
,;400tf
/
m3,
c u=
・
1
.
5tf
/
1 お よ びk
,;1,400tf
/
m3,
eL=415tf
/
の場 合 も
、
図
8
とほ
ぼ同様
の関係 曲 線
ど なる ので、
こ こで は省 略
す る。 全 体 と し て は、
2
ヒンジ 崩 壤 形 と1
ヒシ ジ 崩壊
形の範
囲 に区 分で きる。
2
ヒ ンジ 崩 壞 形で は、
ま ず 杭 頭 部に塑 性 ヒンジ が形 成
さ れる(
My
,=My2
で あ るの で、 地中 部 塑
性 ヒンジ が 先 行 す る こ と は ない〉
。
っ いでMy
の大 き
さ に応じ て 地中部
の 塑 性ヒンジ がLo
の深
さ に生 ずる。
黒
丸 印
の位
置 でのLo
の値 を 例 示 し た。
My
が 増 大 す る と と も にLo
は わ ず かつっ 増 大 し て一
定 値 べ 近づ く 傾向
が み られ
る。Qu
に達
し た時 点
にお ける地 盤
の塑性 域 深 さ
を2
。 で表
し、
黒 丸 印 位 置
で の値 を示
し たが、
1
、
はMy
の増 大
と とも
に次 第
に増 加
し てい る。2
、
がLo .
よ り も小
さい範
囲に お い て は、
地中 部
の塑 性
ヒ ンジ形成 時
(深
さLo
》 の地 盤の塑 性 域 深 さ2
は2u
以 下
であっ た。
図
7
で 示 し た よ うに、
杭 体の 塑 性 域 が 上 方に向 かって
拡
大す
ると とも
に2
が増 大
し、
杭
の塑 性 域
の上 限
が2u
と一
致 し た 時 点 で 終 局 と な る。2 、
がLo
よ り も 大 きい範
囲 では、
地中部
に塑 性
ヒン ジが形 成
さ れた段 階
で、
GL
〜
地 中 部 ヒンジ 間の 地 盤 は すでに 塑 性 化 してい る た め、
水平 耐力
はこれ以
上増
大 せ ず、
こ の時 点
が終
局ζ
な る。
My
が さ らに増 大 すると、
っ い には2
、
が杭 先 端 深度
L
に到
’
達 す る。
こ の状 態 に おいて、
杭 地 中 部の最 大 曲げ
モー
メ ント
が終 局 曲 げ
モー
メ ン トに達
してい な け れ ば、
地 中部
塑
性 ヒンジ
は形 成
さ れ ず、
杭 頭 部 塑 性
ヒンジ
の みの1
ヒ.
ンジ崩 壊 形
とな
る(
後 出
の図
10
参 照 )
。
2
ヒ ンジ崩 壊
形
と の境界
は、
2
、
が杭 先
端深 度
に到 達 する と同 時に地 中 部に塑性
ヒンジ が形 成さ れ る場 合
で あっ て、
こ の時のMy
をMa
で 記 号 す る。
Ma
値 は、
L =6 〜10m 、
c 。地
L
(
1
)地
中 部塑
性ヒ ン ジ形成 時
体
(
2
)杭
頭部 塑 性
ヒ ンジ形 成 時
(
3
) 終
局時
図
7
v
〈
10m
杭 〉
の終 局 状態
へ の経 過 (
My
,くMy
・}一
91
一
恥