2018 Fiscal Year Annual Research Report
大地震時の軸力変動を考慮した地盤と杭体の破壊過程の解明および杭基礎の終局限界評価
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16H02374
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田村 修次 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 准教授 (40313837)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河野 進 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30283493)
木村 祥裕 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (60280997)
林 和宏 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40725636)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 杭基礎 / 大地震 / 耐震設計 / 終局限界 / 沈下 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大地震時における群杭の応答特性評価では、地盤－杭－構造系の遠心場振動実験、単杭に対する鉛直単調載荷試験・鉛直交番載荷試験、群杭に対する転倒モーメントを伴う水平載荷試験を行なうとともに、群杭フレームモデルの数値解析を行い、杭先端支持条件が杭応力に与える影響、地震の繰り返し載荷に伴う杭頭軸力の変動および再配分、転倒モーメントによる変動軸力が杭に作用した際の周面摩擦力を検討するとともに、杭間地盤変位を考慮した群杭の応答変位法の提案を行なった。
コンクリート系杭の変形性能では、杭体の曲げやせん断，杭頭接合面の曲げなどの実験結果を再現するための数値解析モデルを改善している．杭体や杭頭接合面の曲げに関しコンクリートの構成則を改善し，精度の高いモデル化に取り組んだ。杭頭接合面の曲げ耐力予測に関しては，支圧強度やコンクリートの拘束効果を考慮した解析法を構築するための基礎解析を行った．
鋼管コンクリート系杭の変形性能では、建物による自重及び地震外力を受ける鋼管杭の保有性能を評価するために，コンクリート充填鋼管杭頭部の繰り返し載荷実験及び有限要素解析を行った。充填コンクリートと鋼管の一体性を高める目的で，鋼管内部にずれ止めと呼ばれる突起を設けていることから，今後、ずれ止めが杭頭部の終局耐力及び塑性変形能力に及ぼす影響を明らかにする。
モルタル杭の遠心載荷実験では、超小型モルタル杭を用い、地盤－杭－構造物系の遠心場振動台実験および遠心場静的載荷実験を多数実施し、RC系杭の破壊過程と上部構造物の沈下・傾斜に対する影響を検討した。実験では、RC系杭が曲げ破壊するケースとせん断破壊するケースを再現しており、各ケースで最大慣性力と劣化挙動に関する知見を得た。
上記の成果は、査読論文1件、国際会議論文3件、口頭発表22件として発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
大地震時における群杭の応答特性評価では、地震時に水平荷重と転倒モーメントを受ける群杭の周面摩擦力が単杭の鉛直載荷のそれより大きいことを示し、そのメカニズムを明らかにするとともに周面摩擦の評価法を提案した。杭先端支持力についても、杭が沈下すると、隅杭の絶対鉛直変位（残留沈下と動的鉛直変位の和）と杭先端軸力の関係における鉛直地盤ばねの剛性が小さくなること、転倒モーメントに伴う変動軸力とは別に杭頭軸力の再配分が発生することを明らかにした。また、基礎梁の剛性によって、群杭における杭応力が単杭のそれと大きく異なることを示し、それを考慮した数値解析手法を提案している。
コンクリート系杭の変形性能では、コンクリート杭および杭体接合部の地震時挙動の抵抗機構と耐力・変形性能の解明に関しては，ほぼ計画通り進んでいると考えられる．杭頭接合面の曲げ挙動については，抵抗機構を細分化してそれぞれの挙動を解明する方針をたて，パイロット実験を無事に遂行した．
鋼管コンクリート系杭の変形性能では、建物の自重及び地震時の転倒モーメントによる引張軸力を想定し，圧縮及び引張軸力を受ける鋼管杭に水平力が作用したときに局部座屈性状を明らかにし，充填コンクリートによる拘束効果を把握した。実験ではコンクリートの剥落によるピンチング現象を明らかにし，数値解析では応力伝達機構を把握した。
モルタル杭の遠心載荷実験では、当初計画通り、超小型モルタル杭を用いた振動台実験を多数実施した。杭の破壊が進行すると、上部構造物に作用する慣性力は一定値で頭打ちとなる。最大慣性力は、杭体の曲げ耐力およびせん断耐力、地盤物性等から評価できる。実験では、杭体の破壊モードによって群杭効果の評価法を変える必要があることを明らかにした。
以上のように、当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
大地震時における群杭の応答特性評価では、大地震時の繰り返し鉛直載荷が杭先端の沈下特性に及ぼす影響を明らかにする。また、地震時周面摩擦力を考慮し、大地震時の杭の最大沈下・傾斜の予測および残留沈下・傾斜の予測法の確立を目指す。さらに、これまでの研究成果の総括として、大地震時の転倒モーメントを考慮した杭の周面摩擦力ばね、繰り返し荷重を考慮した先端支持力ばね、基礎梁剛性を取り込んだ群杭フレームモデルを構築し、その妥当性を地盤－杭－上部構造物系の動的遠心実験で検証する。
コンクリート系杭の変形性能では、鋼管コンクリート系杭における鋼管の座屈を含めたバネモデルを用いて，ピーク点の予測精度を向上させる．杭頭接合面における杭頭曲げ挙動では，コンクリートの構成則と鉄筋の寄与分についてモデル化を図る．軸力と曲げを受ける杭頭接合部とパイルキャップの力の伝達をモデル化するために必要な支圧タイプと杭頭定着筋の効果を確認するための載荷実験を行い、力の伝達状況と破壊性状を明らかにする．杭頭部分のM-θ関係，杭体のM-κ関係の数値モデル化を高精度化する．
鋼管コンクリート系杭の変形性能では、コンクリート充填鋼管杭頭部の保有性能を評価するために，鋼管から充填コンクリートに伝達される応力量とずれ止め形状との関係を把握する。局部座屈発生までの鋼管とコンクリートの応力分担量を推定できる力学モデルを構築し，終局耐力及び塑性変形能力の評価式を提案し，載荷実験及び数値解析によりその妥当性を検証する。
モルタル杭の遠心載荷実験では、超小型鉄筋モルタル杭を用いた地盤－杭－構造物連成系の振動破壊実験および遠心場静的載荷実験を行い連成系の終局耐力を明らかにする。さらに、これまでの全ての実験結果を取りまとめ、大地震におけるRC系杭の破壊性状に応じた設計手法とクライテリア構築を図り、杭基礎の次世代耐震設計法の提案に繋げる。
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[Presentation] 大地震後の継続使用性を確保するためのコンクリート系杭基礎構造システムの構造性能評価に関する研究 （その１６，１７）2018
Author(s)
郡司大裕, 向井智久, 中村聡宏, 小林勝已, 宮本和徹, 石川一真, 金子治, 河野進, 岸田慎司．渡邊秀和, 堀川剛, 木谷好伸, 金子治
Organizer
日本建築学会大会
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[Presentation] 大地震後の継続使用性を確保するためのコンクリート系杭基礎構造システムの構造性能評価に関する研究 （その２２，２３）2018
Author(s)
千濱彬比古, 向井智久, 平出務, 小林勝已, 堀川剛, 平尾一樹, 福田健, 小原拓, 岸田慎司, 奥村貴史, 阿部航, 渡邊秀和, 土佐内優介, 荻田成也, 河野進
Organizer
日本建築学会大会
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