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杭の曲げ戻しを考慮した地中梁の設計について

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基礎に杭を採用すると、杭の曲げ戻しを地中梁に戻す必要があります。と言っても、何が何やら分からない人も多いでしょう。

慣れてくれば至極当たり前のことですが、今回は杭の曲げ戻しについて考察したいと思います。

杭基礎、地中梁の意味は下記が参考になります。

杭基礎とは？1分でわかる意味、設計、杭工事の手順、支持層、フーチングの配筋

地中梁と基礎梁の違いと役割について

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なぜ杭に曲げが発生するのか？

そもそも、なぜ杭に曲げが発生するのか考えてみましょう。

上部構造の柱梁に地震力が作用したとき、その水平力は基礎を伝わって地盤へ伝えられます。直接基礎なら、一般に基礎底は2.0ｍ程度（つまりフーチングせい２ｍ以下）までで、基礎に伝わる地震力はそのまま地盤へ伝わりそうです。※直接基礎の意味は下記をご覧ください。

直接基礎とは？1分でわかる種類、設計方法、地盤改良、杭基礎との違い

しかし杭を良く見ると柱のように長く、変形しそうです。杭を用いる場合、支持層が表層直下に存在せず、十～数十メートルの支持層に杭を到達させます。その十メートル以上、弱い地盤なので、杭を横から支える機能（バネ）は少ないでしょう。

ですから、極端に言うと十メートル以上の杭は両端のみで固定され（厳密には杭頭部固定、杭先端がピン）、地震力を支持層に伝達しなければなりません。

言ってみれば、地中梁を普通の「梁」、杭を「柱」と見立てると、ラーメン構造として杭頭部は曲げモーメントが作用すると分かります。

この杭頭部の曲げを、「杭頭曲げ」と呼び、せん断力を「杭頭せん断力」と言います。どういう応力になるかというと、片側固定－他端ピンに等分布荷重が作用したような応力状態です。よって、固定端となる杭頭部が曲げモーメント最大、杭の中央は一気に小さくなります。

杭頭、杭基礎の詳細は下記をご覧ください。

杭頭とは？1分でわかる意味、読み方、杭頭処理工法、固定度

杭基礎とは？1分でわかる意味、設計、杭工事の手順、支持層、フーチングの配筋

杭の曲げ戻しとは何か？

では杭の曲げ戻しとは何でしょうか？先ほど杭頭に曲げモーメントが作用することが判明しました。地中梁を普通の「梁」、杭を「柱」と見立てると、今、柱頭部に曲げモーメントが作用している状態です。

この曲げはどうやって処理するのでしょうか？そう、地中梁です。これは上部のラーメン構造と同じ考え方ですね。この地中梁に作用する曲げを、「杭の曲げ戻し」と言っています（正式名称ではありませんが）。地中梁の詳細は下記が参考になります。

地中梁と基礎梁の違いと役割について

地中梁芯分、杭頭曲げを増やすこと

杭頭曲げは、あくまでも杭頭に作用している曲げです。しかし、この曲げを伝達したいのは地中梁芯です。よって、杭頭～地中梁芯までの距離をeとするなら、杭曲げは下式です。

Ｍ’＝Ｍ+Ｑｅ

Ｍは杭頭曲げモーメント、Ｑがせん断力、eが杭頭～地中梁芯までの距離です。※杭頭、地中梁の意味は下記を参考にしてください。

杭頭とは？1分でわかる意味、読み方、杭頭処理工法、固定度

地中梁と基礎梁の違いと役割について

場所打ち杭を使う場合、液状化している地盤は注意

場所打ち杭は比較的、杭長さが長くなります。それこそ数十メートルもの杭長になることも。当然、杭長さが大きいほど杭頭の曲げは大きくなるので注意が必要です。地中梁の配筋は上部構造の曲げだけでなく、杭曲げを考慮して大幅に余裕を見込んでおきましょう。場所打ち杭の詳細は下記をご覧ください。

場所打ち杭とは？1分でわかる意味、コンクリート強度、鉄筋かご、杭径

また液状化している地盤は、地盤のバネが弱く杭頭の曲げが大きくなります（バネが固ければ、地盤に直接力が流れます）。

以上２点に注意して、地中梁の配筋には注意しましょうね。

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名前　ハナダユキヒロ/MITUME lab主宰.（筆者のコラムはこちら）
2010年　弊サイトを開設
2010～2017年　国立大学大学院修了
2017年12月に当HPが書籍化。
「わかる構造力学」
2022年4月に「わかる構造力学」の改訂版出版。
「わかる構造力学(改訂版)」

10数年以上、建築の学問、研究、構造設計の実務に携わった経験を元に、未経験の方、建築関係の学生、社会人の方に役立つ知識を、分かりやすくお伝えします。

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