JP4681887B2

JP4681887B2 - クレーン構台の基礎設計方法

Info

Publication number: JP4681887B2
Application number: JP2005006244A
Authority: JP
Inventors: 昇昭伊勢本; 美敏保井; 政義坂牧; 敏見鮫島; 三千良上長; 英利山下; 和史木村; 一尚白石
Original assignee: Toda Corp
Current assignee: Toda Corp
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2025-01-13
Also published as: JP2006193967A

Description

本発明は、例えば、軟弱地盤の上に、クレーン等の移動荷重が載荷される構台を構築する場合において、その構台用基礎の設計方法に関するものである。

従来、建物構築用のクレーンを、軟弱地盤におけるトラック等搬入路上に設置する場合には、例えば、図１１に示すように、構台杭を支持杭とする杭基礎により支持するのが通常である（特許文献１参照）。しかし、支持層が深い場合には、支持杭が長くなり不経済になると共に、杭打設時に発生する産業廃棄物の産廃処理が社会問題となる。
特開２００１−３３６１６４号公報

しかし、従来のクレーン構台の基礎設計方法では、杭基礎による支持が通常であり、軟弱地盤を改良してその上に構台を構築することが無く、地盤改良による直接基礎を設計する効率的な設計方法が知られていない。よって、改良地盤の厚さや強度、更にはマットスラブの厚さ等の設計をスムーズに決定することが困難である。そこで、本発明に係るクレーン構台の基礎設計方法は、このような課題を解決するために提案されたものである。

本発明に係るクレーン構台の基礎設計方法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、軟弱地盤の上に改良地盤を設けその上に直接基礎を形成してクレーン用のクレーン構台を構築する際のクレーン構台の基礎を設計する方法において、前記直接基礎の大きさと厚さを仮設定する工程と、クレーンの荷重とその走行範囲及び吊荷荷重を設定してクレーン構台の各支柱への荷重を設定し、クレーン構台における各支柱からの前記荷重に対する支持力が設定基準を満たすかどうかを判定する工程と、前記改良地盤の剛性と厚さとを仮設定する工程と、前記改良地盤の最大沈下量と最大傾斜量と当該改良地盤直下の最大地中応力とにおいて各設定値から導き出される各改良地盤の厚さのうち最も厚い値を改良地盤の全体厚さとする工程と、前記直接基礎の許容応力に対して応力が設定値以下であるか否かを判定する工程と、前記直接基礎と改良地盤との厚さが決定した後にクレーン構台の支柱及び構台の部材を設計する工程とを有することである。

また、前記改良地盤のヤング係数Ｅ１と、前記軟弱地盤のヤング係数Ｅ２との比（Ｅ１／Ｅ２）を４以上に設定して改良地盤の厚さを設定すること、；
更に、Ｎ値５０以上の支持地盤の深さが、５０ｍ以上であること、；
を含むものである。

本発明のクレーン構台の基礎設計方法によれば、軟弱地盤において、クレーン等の重量物を移動荷重として載置するクレーン用構台を構築することにおいて、前記軟弱地盤に杭を打つことなく、改良地盤を構築してその上に直接基礎を構築することで、クレーン構台の基礎を安全に構築できる設計手法が提供される。よって、従来では支持杭を構築することであったものが、直接基礎の構築で済むようになり、設計工期の低減と工期の短縮及びコスト低減となるものである。特に、杭の支持地盤となるＮ値５０以上の地盤が５０ｍ以深に出現する場合に効果的である。
前記改良地盤の厚さを設定するには、当該改良地盤の剛性（ヤング率）を用いて、設計することにより、軟弱地盤において直接基礎の大きな不同沈下を防止する設計手法である。よって、軟弱地盤の状況により、最も適切な改良地盤の厚さを設定することが可能となり、安全設計が容易にできるようになる。
更に、前記直接基礎の許容応力は、地盤沈下を許容しているので、精度の高いクレーン構台の基礎を構築することができる。これにより、支持杭の構築が不要となって、工期短縮及びコストの低減となる。更に、杭打設に伴う産業廃棄物が無くなり、環境負荷に与える影響が小さくなり、特に、杭長が長い場合（例えば、５０ｍ以上）では、その効果が著しい。

本発明に係るクレーン構台の基礎設計方法は、図１に示すように、軟弱地盤１に支持杭によらず、地盤を改良した平板状の改良地盤２と、その上に敷設したコンクリート製の直接基礎（マットスラブともいう）３とを構築し、その上に、支柱４と構台５とを構築し、移動荷重としてクレーン６及びその吊荷荷重がある場合の、前記改良地盤２及び直接基礎３の設計方法に関するものである。

図２に示すように、本発明の設計フローを説明すると、ＳＴ（ステップ、以下同様）１から始めて、ＳＴ２で軟弱地盤１の定数としてヤング係数（Ｅ２）と、支持力検討に必要な粘着力（ｃ）、内部摩擦角（φ）、単位体積重量（γ）を求めておく。

次に、ＳＴ３で直接基礎（マットスラブ）３の大きさとその厚さとを設定する。この厚さは、仮の厚さである。ＳＴ４で、構台５に載荷される移動荷重としてのクレーン６の荷重（約１３０トン）とその走行範囲、クレーンの吊荷荷重（約１０トン）の設定を行う。

ＳＴ５で、構台５を支持する各支柱４の荷重分布の設定をする。これは、正確に各支柱４に対する荷重の掛かり具合を知るためである。荷重の掛かり具合による地盤沈下を正確に把握する。これにより、相対沈下を小さくして精度向上させ、無駄に改良地盤等の厚さを大きくしないようにするために行うものである。

ＳＴ６とＳＴ７において、平均地盤応力（長期荷重による）と、支柱下の地盤応力（短期荷重による）の算定を行い、軟弱地盤１と改良地盤（図中では、改良体と記載）２との支持力を検討する。この支柱下の地盤応力の荷重は、例えば、直接基礎３の自重と、改良地盤２の自重と、コーナーの１本の支柱にクレーン６の全荷重及び吊荷荷重と、支柱４及び構台５の荷重である。この支柱４の長期（全体の平均）及び短期（最大荷重）の許容支持力度を算定して、安全であるか否かを判定する。

前記長期荷重に対する許容支持力度ｑ_ａＬと、短期荷重に対する許容支持力度ｑ_ａＳは、以下のように、計算する。

また、基礎の形状係数αとβとは、表１による。

また、支持力係数は、表２による。

なお、符号のＤ_ｆは、基礎天端がグランドライン（ＧＬ）より上であればグランドライン（ＧＬ）からの掘削した深さ（ｍ）であり、基礎天端がグランドライン（ＧＬ）より下であれば掘削底から基礎天端までの深さである。この場合、判定がＮｏであれば、ＳＴ３に戻る。

ＳＴ８とＳＴ９とで、改良地盤２の剛性であるヤング係数（Ｅ１）と、その厚さを設定する。まず、改良地盤２のヤング係数Ｅ１を求める。ＳＴ９における３次元ＦＥＭとは、３次元の有限要素法による解析である。それには、この改良地盤直下（改良地盤と未改良地盤との境界）に応力伝達される様子を、未改良地盤である軟弱地盤１のヤング係数（Ｅ２）とのヤング係数比で、比較してみる。改良地盤，軟弱地盤，支持地盤の３層構造を設定し、軸対称ＦＥＭで、載荷半径内に同一変形を与える強制変形入力によるシュミレーション解析により検討した。

結果は、図３に示すように、載荷半径をａ（ｍ）として、改良地盤２の厚さをａ（ｍ）とし、ヤング係数をＥ１、σ_ｚを中心位置の改良地盤直下の地盤の垂直応力、ｑを平均分布荷重、載荷条件を載荷半径内に同一変形を与える強制変形入力とし、ポアソン比を０．４５として、前記ヤング係数比（Ｅ１／Ｅ２（Ｅ２は軟弱地盤のヤング係数））をパラメータにして実施したものである。

前記ヤング係数比が４であれば、σ_ｚ／ｑが約３０％で、１／３以下になる。前記ヤング係数比が１０であると、σ_ｚ／ｑが約２０％となって、約１／５になる。また、ヤング係数比が１０００であると、約５％程度になり、１／２０となって、応力分散が均一にされていることが判る。更に、前記改良地盤中央直下の応力が、中心からの水平方向の距離によってどのように変化するかを調べると、図４に示すようになる。σ_ｚ／ｑは、ヤング係数比が大きくなるほど、水平方向に平坦な分布形状となる。要は、改良地盤２のヤング係数（Ｅ１）が大きく剛性が高いので、応力が均一に伝達されると言うことである。

このように、改良地盤２のヤング係数Ｅ１は、応力の大きさと水平方向の分散を考慮すると、その下の軟弱地盤１のヤング係数Ｅ２の４倍以上が好ましい。また、軟弱地盤１への地中応力の増加のみであれば、改良地盤２のヤング係数Ｅ１は、軟弱地盤１のヤング係数Ｅ２の４倍程度あれば、荷重の１／３まで小さくすることができる。今回の検討例では、せん断波速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）から求め、ひずみ依存性を考慮して変形係数（ヤング係数とほぼ同様な意味で地盤の沈下等の変形を扱う時に用いる定数）として設定している。今回対象としている軟弱地盤の表３の第２層が１０３００ｋＮ／ｍ^２となっていたので、第２層の軟弱地盤への応力を小さくすることから、第２層の４倍（４１２００ｋＮ／ｍ^２）以上として５００００ｋＮ／ｍ^２（第１層）を設定した。

次に、改良地盤２の厚さは、改良地盤直下の軟弱地盤１に対して応力分散が十分発揮される厚さが好ましい。そして、前記軟弱地盤１の支持力と、３次元ＦＥＭによる地盤沈下と、改良地盤直下の地盤の構台及びクレーン荷重による応力等から総合的に検討する。
そこで、一例として、剛性ＥＩ（Ｉは、断面２次モーメント）として、直接基礎３の１／５０を目安にすると、改良地盤２のＥＩ＝１．８×１０^４ｋＮｍ^２となるので、改良地盤２の厚さを１．５ｍとして、図５，図６に示すようなモデルで検討する。

クレーンによる吊荷により柱１本に１３００ｋＮが載荷された場合の、直接基礎（マットスラブ）３の沈下量と改良地盤２直下の地中応力を求めたものが、図７乃至図９に示すものである。これは、構台のコーナーから１ｍ離れた位置に、クレーン吊荷時荷重＋（構台荷重／９…１本の支柱分）を１３７８ｋＮとし、他の８点に７８ｋＮを集中荷重として載荷した。直接基礎３の厚さを０．８ｍとする。改良地盤２の剛性（Ｅ１）は、５００００ｋＮ／ｍ^２である。

最大沈下量と改良地盤の深さ、最大傾斜と改良地盤の厚さとは、ほぼ比例関係にあり、改良地盤の厚さに応じて減少している。支持地盤である軟弱地盤１の改良地盤直下の最大地中応力も、改良地盤の厚さとともに減少していて、改良地盤２の厚さが厚いほど応力分散が図られていることが判る。

ＳＴ１０で、前記３次元ＦＥＭにより、例えば、最大沈下量を２ｃｍ以下とした場合には、改良厚さは１．５ｍ以上であり、傾斜は、０．００１３以下とすると改良厚さは２ｍであり、地中応力を６４ｋＮ／ｍ^２以下とすると改良厚さは０．５ｍ以下となり、このうち、最も安全を見込んで、改良厚さを２ｍとする。このようにして、改良地盤２の厚さが決定される。このＳＴ１０の結果が設定条件を満足できない場合は、ＳＴ８若しくはＳＴ３に戻る。

次に、マットスラブの詳細設計を行う。ＳＴ１１で、直接基礎３の地盤ばねの設定を行う。これには、例えば、直接基礎３の表面全体を１ｍ×１ｍの矩形断面を想定した格子梁モデルにより行う。そして、表３の地盤定数を用いて、図１０に示すフローにより、決定するものである。

図１０中におけるＳＴ１の初期地盤バネの設定では、地盤バネを設定する全節点において、基礎自重または基礎自重＋柱脚荷重を支配面積で除して得た等分布荷重による沈下量を求め、バネの負担荷重と節点の沈下量から決定する。ＳＴ２で、格子梁モデルの解析で、基礎躯体を格子梁モデルとして地盤バネを設置する。ＳＴ３で沈下量ａＳｉとバネ反力を求める。ＳＴ４では、地盤モデルの解析を行い、バネ反力を支配面積で除した荷重が地盤に作用した時の地盤沈下量ｂＳｉを算定する（ＳＴ５）。そして、前記沈下量ａＳｉと前記沈下量ｂＳｉとを比較して、その差が許容誤差（今回、５％と設定）以内であるか否かを判別する（ＳＴ６）。５％以内でなければ、図９中のＳＴ２に戻り、５％以内に収斂するように地盤バネを修正して計算する。

再度、図２のフローに戻って、ＳＴ１２で沈下を許容したマットスラブ３の応力算定を行い、許容応力に対して十分安全が確保されているかを検討する（ＳＴ１３）。この結果が満足するものでない場合には、ＳＴ３に戻る。これらが終了したなら、ＳＴ１４で直接基礎（マットスラブ）３の配筋を設計する。その後、ＳＴ１５で、構台５及び支柱４の部材設計を行う。これは、構台杭を使わないので、相対沈下による付加荷重の検討が必要だからである。

前記直接基礎（マットスラブ）３の配筋は、沈下を許容した設計計算なので、安全性を増すことができる。この後は、安全確認の計測を計画して終了する。

クレーン構台の概略構成を示す説明図である。本発明のクレーン構台の基礎設計方法を示す設計フロー図である。改良地盤２中央直下の応力を、ヤング係数比（Ｅ１／Ｅ２）によるσ_ｚ／ｑとの関係を示した図である。同ヤング係数比をパラメータとして、中心からの距離によるσ_ｚ／ｑとの関係を示した図である。沈下量を算定する際のモデル全体図である。沈下量を算定する際のモデル詳細図である。最大沈下量と、改良地盤２の改良厚さとの関係を示す図である。最大傾斜と、改良地盤２の改良厚さとの関係を示す図である。地中応力と、改良地盤２の改良厚さとの関係を示す図である。地盤バネの設定に係るフローである。従来例に係るクレーン構台の概略構成図である。

符号の説明

１軟弱地盤（支持地盤）、
２改良地盤、
３直接基礎（マットスラブ）、
４支柱、
５構台、
６クレーン。

Claims

軟弱地盤の上に改良地盤を設けその上に直接基礎を形成してクレーン用のクレーン構台を構築する際のクレーン構台の基礎を設計する方法において、
前記直接基礎の大きさと厚さを仮設定する工程と、
クレーンの荷重とその走行範囲及び吊荷荷重を設定してクレーン構台の各支柱への荷重を設定し、クレーン構台における各支柱からの前記荷重に対する支持力が設定基準を満たすかどうかを判定する工程と、
前記改良地盤の剛性と厚さとを仮設定する工程と、
前記改良地盤の最大沈下量と最大傾斜量と当該改良地盤直下の最大地中応力とにおいて各設定値から導き出される各改良地盤の厚さのうち最も厚い値を改良地盤の全体厚さとする工程と、
前記直接基礎の許容応力に対して応力が設定値以下であるか否かを判定する工程と、
前記直接基礎と改良地盤との厚さが決定した後にクレーン構台の支柱及び構台の部材を設計する工程とを有すること、
を特徴とするクレーン構台の基礎設計方法。
改良地盤のヤング係数Ｅ１と、軟弱地盤のヤング係数Ｅ２との比（Ｅ１／Ｅ２）を４以上に設定して改良地盤の厚さを設定すること、
を特徴とする請求項１に記載のクレーン構台の基礎設計方法。
Ｎ値５０以上の支持地盤の深さが、５０ｍ以上であること、
を特徴とする請求項１に記載のクレーン構台の基礎設計方法。