基礎の支持力

'03/3/4

９．基礎の支持力－私の経験 目次

遠藤正明

基礎の支持力には，極限支持力と許容耐力とがあるが、ご存知のようにこの二つのものは、全く違った視点から捉えられている。極限支持力は基礎の下部地盤の破壊から、許容耐力は基礎が支持する上部構造の機能を満足する許容変形量から捉えられている。

私は、基礎の極限支持力とは、「下部地盤を、基礎が下部へ貫入するのに必要なだけ、移動させるための最小の地盤抵抗」と考えている。浅い基礎の場合、剛な基礎版に荷重を加えてゆくと，基礎版の下部には紡錘形のコアが形成され、これが貫入することによって周囲の地盤を側方に押し出し、これによって生ずる地盤内のせん断力が、せん断抵抗の最も少ない面（一般的には対数螺旋面）で周囲地盤を側上方に押し上げることで、基礎の沈下を発生させる荷重が一般的には考えられる。しかし地盤が基礎の周囲で均等であるとは限らず最も弱い方向へ移動を生じさせることで十分であり，このことの方が多いのではあるまいか。テルツァーギ・ペックの極限支持力式で一般せん断の場合と局部せん断の場合とが設けられているのは、このためと思っている。

しかし、この必要な下部地盤の移動は、極ゆるい砂層のような場合は，地盤の粒子間の間隙を詰めることでも可能であり、また斜面ののり肩や岸壁のそばの基礎のような場合は、斜面や岸壁の横移動などでも可能である。要は自然は最小の力で移動しうる方策を選び、これによって極限支持力が左右されるのである。銀座で日本軽金属ビルを潜函工法で25mまで沈め、中央の基礎部分を構築したあと更に2m沈めようとした時、潜函体と周囲の砂層（上部東京砂層）とがせりあってしまい、周囲の刃型の下まで掘り取ってもビクとも動かなくなってしまったことがあった。このとき潜函の重量を伝達していると見られる外側の砂の支持力を弱めるため、60cm 内側に外壁に沿って溝を掘り、外側の砂地盤の伝達力を弱め、無事沈下させたことがあった。斜面のり肩上の基礎の支持力の状態にしたのである。

杭先端下の砂の写真深い基礎の場合は、周囲の拘束の強い状態で、固い地盤まで設置されることが殆どなので、基礎先端下部に発生したコアで周囲の地盤に貫入に必要なだけの空間を開けさせるだけの圧力が必要となる。このときの地盤の挙動は、中密な砂層の場合は周囲の地盤の砂粒子の間隙を詰めることで行われ、密な砂では砂粒子を破砕して間隙を詰めることなどで行われる。この場合周囲地盤は下方に引きずられるので杭の先端部側面の圧力は軽減され、マイヤーホッフが示したような対数螺旋状の移動が微小だが考えられる。これらのことは、前回記したBCP委員会での実験とその測定で示されている。極限荷重による圧入を繰り返した後の杭先端部の、掘り取った地盤について行われた測定結果が、吉見吉昭博士によってＢＣＰ委員会の報告書に示されているが、砂粒子が破砕されて、先端コアの近傍は密に、遠ざかるにつれて締まり方が低下しいる状態が如実に示されている。写真の左上には、杭直下に形成されたコアがあり、そのすぐ外側では、砂が破砕してきめ細かくなっている様子がわかる。丸い凹みは、60度の円錐を１kgの力で押してできたもので、コアに近いほど硬いことがわかる。また杭先端部側面土圧も貫入時杭先端から3D（Dは杭の直径）以内の部分で減少し、5～8Dの部分で増加していることが報告されている。函館で実施したピアの載荷試験では極限支持力があまり上がらなかった。これは支持層の砂が、火山性のため砕けやすく、砂粒子の破砕によって貫入の空間が開きやすかった事によるものと考えられる。

一方，許容耐力は、「上部構造の安定と機能から許容される基礎の変形を満足する支持力」であり，極限支持力とは本来、関係のないものである。一般に地盤は、荷重の低いうちは弾性体として挙動するが、荷重を増すにつれて荷重を除いたあとも残留変形が残る弾塑性の性状を示すようになり、ついには増加荷重によって変形した分そのままが残留変形として残る塑性状態を示すようになる。しかし、弾性状態の範囲は非常に小さいので、この範囲だけで設計をすることは不経済であり許されない。そこで学会の指針などでは、テルツァーギの支持力式の1/3を長期許容支持力、2/3を短期許容支持力としてリコメンドしている。すなわち、極限支持力の1/3を長期の、2/3を短期の許容支持力として用い得るとしているのである。しかしこれは変形とは無関係であるので、前述のように上部構造よりの許容変形量を考慮して許容耐力を決めるという検討方法で、極めて妥当なものである。

地盤によっては極限支持力の1/3ではＢＣＰ委員会のデータ－を見ても数cmの沈下量があり、弾塑性の安定した領域ではあるが変形のチェックは必要と思われるケースも示されている。一般にRC構造の上部構造に亀裂を発生させる危険のある弾性的相対変形は1/1200であると言われる。

この寄稿文の“耳をすまそう”で記した、第一生命大井町本社建設時に、リバウンドによる高層部と低層部との境界部分に発生する相対変形の危険を避けるため、この部分のコンクリート打設を高層部の建設後にした措置は、このような弾性的相対変形への配慮であった。地盤の変形の性状によっては基礎の耐力決定に当たって配慮を要することもあるが、これは飽くまで相対変形に対してであり、建物の剛性の作用もあるので、配慮を要するケースはそれほど多くはない。

それよりも，建物の機能による厳しい許容変形が求められることがある。直江津のアルミ工場の建設の場合には、電極棒の取替え時のクレーン操作上の要求から、桁行方向すべてに1/2000以内の相対変形の限度が求められたし、常伝導リニアモーターの走行試験路では500㍍間3mmの精度が求められた。変形は基礎の支持力，耐力に関するだけでなく、圧密沈下の問題（この方が大きい）もあり、基礎の設計には各方面からの配慮が要るものだと思う。