積層基礎における底上げ杭の支持特性に関する事例研究

Jan 23, 2024

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22457 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

実用化されている底上げ杭は、杭本体が割れにくい、支持力が良い、杭頂部の変位が小さいなどの利点があります。蘭州中川国際空港の第3期拡張プロジェクトにおける基礎杭の支持力試験に基づいて,自己平衡試験法の上部杭を使用して下部隆起杭をシミュレーションし,アンカーパイル法のアンカー杭をシミュレーションした。通常の隆起杭とみなした。これら２種類の杭を比較することにより，積層基礎における底部隆起杭の支持特性を検討した。その結果、杭頂部の変位が同じであれば、杭底部の地盤の摩擦抵抗が十分に発揮されるため、底部隆起杭の極限隆起支持力は通常隆起杭の2倍以上となり得ることがわかった。、杭本体のポアソン効果、および杭本体の変形が杭頂部変位に及ぼす影響の回避。底部隆起杭の最大軸力は杭の底部に現れ、通常の隆起杭とは逆に下から頂部に向かって徐々に減少します。杭周囲の土層の性質と厚さは、2 種類の隆起杭の杭長さ方向の摩擦抵抗の分布曲線に大きな影響を与えます。土壌層の状態が変化すると、分布曲線は「放物線」、「直線」、または「二重線」になります。土壌の性質は摩擦抵抗に決定的な役割を果たし、軟化を引き起こす可能性があります。極限揚力支持力に及ぼす杭直径の影響は杭長さの影響よりも大きいが、杭の弾性係数はほとんど影響を及ぼさない。

地下水資源への注目が高まるにつれ、建物の浮き上がり問題がますます顕著になってきています。隆起杭は、最も広く使用されている浮き上がり防止基礎の 1 つです1。杭頂部に張力がかかる通常の隆起杭と比較して、下部隆起杭は次のような特徴があります。杭シャフトのコンクリートが割れにくく、杭シャフトの変形が杭の変位にほとんど影響しません。上部、深層土壌の摩擦を十分に発揮できます。通常の隆起杭との力比較図を図12.3に示します。

隆起杭の模式図。

多くの学者が通常の隆起杭について詳細な研究を行ってきました。 Yang4 は、現場測定データに基づいて隆起杭の支持力を計算する方法を提案しました。 Hon ら 5 は、模型試験の破壊面に基づいて、マイクロパイルの隆起支持力を予測するための分析的アプローチを発見しました。 Lamparuthi et al.6 は実験室での引抜き試験を実施し、隆起杭の有効直径と有効埋没率を紹介しました。 Deshmukh ら 7 は、Kotter 方程式を用いた隆起杭の解析手法を確立しました。 Wang et al.8 は、現場試験を通じて表土が浅い軟岩における隆起杭の横摩擦の発生を研究しました。 Basha et al.9 は、単一杭の隆起支持力に対する地下水位の影響を研究するために一連のモデル試験を実施しました。 Sakr ら 10 は、アンカーウィングを使用して杭の揚力能力を向上させることを試み、この方法が効果的であることを発見しました。 Abdelgwad et al.11 は、拡大基礎杭の影響を調査するために、拡大基礎杭と通常杭の 39 件の試験を実施しました。通常の隆起杭に基づいて、底部隆起杭が提案され、その支持機構を解明しようとする研究者が増えています。 Shao et al.12 は、通常の隆起杭と底部隆起杭の支持力に対するポアソン効果の影響を議論し、杭の相対柔軟性パラメータを導入した後、底部隆起杭の極限支持力の計算方法を提案しました。 Pan13 は、理想的な条件下での単一砂質土層における底部隆起杭の極限支持力の解析計算法を議論し、複合土層における底部隆起杭の支持力の計算式を示しました。 Nie et al.14 は、緻密な砂基礎における隆起杭の極限支持力を計算する際には、杭周囲の土壌のせん断軟化特性を考慮する必要があることを発見しました。異なる深さの杭土のせん断応力は同時に極限強度に達することができず、極限支持力の値は従来の理論計算の値よりも低くなります。 Zhao15 は、底部隆起杭の側面抵抗に対するポアソン効果の影響と、杭側面抵抗の分布に対する揚力の異なる位置の影響を分析しました。 Song16 は、土塊の応力状態が摩擦変化の根本的な理由であることを発見しました。これは、杭と土の界面の強度の値に影響を与えるだけでなく、特定の強度条件下で土塊が異なるせん断抵抗を示す原因にもなります。 Bao ら 17 は、シルト中の下部隆起杭の杭軸にかかる軸力の分布形態が載荷位置に関係し、上部圧力杭と下部隆起杭の摩擦抵抗の最大値が関係することを発見した。杭載荷点から杭長さの 1/3 の位置で発生します。

前述したように、学者たちは屋内試験、数値シミュレーション、理論的手法を通じて、通常の隆起杭と底部隆起杭について、支持力、摩擦、杭シャフトの軸力の側面から詳細な解析を行ってきました。さらに、これらの研究者は、極限支持力に対する土壌層パラメータとポアソン効果の影響を研究し、極限隆起支持力を計算するための対応する式を提供しました。しかし、現在の通常の隆起杭と底部隆起杭に関する研究は主に単層土層に対して行われており、層状基礎における支持特性に関する研究は少ない。さらに、同じ土層における 2 種類の隆起杭についての比較研究はほとんどありません。本稿では、蘭州中川国際空港第3期拡張プロジェクトの杭基礎試験に基づいて、杭基礎自己平衡試験法の上部杭を底上げ杭、アンカーパイル法のアンカー杭とみなした。通常の隆起杭とみなした。数値モデルの正しさを検証するための現場試験に基づいて,蘭州新区の層状基礎における通常の隆起杭と底部隆起杭の軸力と摩擦の荷重変位関係と変動則をこの研究で調査した。紙。同一条件下における底部隆起杭と通常隆起杭の極限支持力と軸力・摩擦の差異を解析し、底部隆起杭と通常隆起杭の特性と利点の比較を明らかにした。この論文は、実際のプロジェクトで底上げ杭を普及させるための参考となる可能性があります。

蘭州中川国際空港第 3 期拡張プロジェクトは、蘭州市北部、ダウンタウン高速道路から約 67 km に位置し、甘粛省の総合交通システムの重要な部分を占めています。直径 0.8 ～ 1.5 m、杭長さ 15 ～ 50 m の杭基礎が、T3 ターミナル、GTC 交通センター、着陸プラットフォーム高架橋および補助建物に使用されます。杭基礎の埋設深さには、普通シルト、細砂、角礫岩、シルトなどの多層土が含まれており、各土層の工学的性質は大きく異なります。この論文では、GTC 交通センター内で同様の地盤条件を持つ 5 つの試験杭を解析のために選択しました。

地域の地質データと掘削露出によると、試験場の地層構造は比較的複雑です。層序構造は、秦王川盆地の沖積および多量起源の典型的なものです。水平方向、垂直方向の規則性や配列の連続性は悪い。現場での杭基礎試験の範囲内の主な土層と関連パラメータを表 1 に示します。

杭基礎の支持力は自己平衡法とアンカーパイル法により試験した。自己平衡法では、杭上部の下部ロードボックスが上方への変位を引き起こしました。底部応力のモードは底部隆起杭のモードと同等であった。現場試験の結果は、底部隆起杭の分析の基礎として使用できる可能性があります18。アンカーパイル工法試験では、アンカーパイルを調査対象とし、その頂部に応力がかかり、その後杭本体全体に力が伝達される、通常の隆起杭の耐力モードとなります。現場試験データは、通常の隆起杭の解析基礎として使用できます。

GTC 交通センターからの 3 つの試験杭 (#12、#13、#14) が自己平衡試験のために選択されました。杭の直径は 0.8 m、杭の長さは 30 m、ロードボックス上の杭の長さは 22.5 m です。試験杭の最大載荷値は 8500 kN であったが、上部 3 本の杭は破壊状態に達していなかった。 GTC 交通センター内の 2 本のテストアンカー杭を調査対象として選択した。アンカー杭の直径は 0.8 m、杭の長さは 22.5 m (自立平衡試験杭の上部と一致) です。最大荷重値が 7000 kN に達した時点で荷重を停止しました。したがって、各アンカー杭が負担する揚力は 1,750 kN（1 本のアンカーに 4 本の杭）であり、これも破壊状態に至らず、鉛直変位は小さかった。

アンカーパイル工法の試験にはアンカーパイル反力梁装置と油圧ジャッキQF-1000T-20bを使用しました。杭頂部沈下測定面と杭頂部との距離は40cm以上であった。沈下計測面の直交する 2 つの直径の 4 つの端点に 4 つの変位センサーを設置しました。 1 つの圧縮杭には 4 本のアンカー杭が使用され、反動ビームと圧縮杭の間にジャッキによって荷重が加えられました。図 2 にテスト負荷図を示します。

アンカー杭工法の試作図。

自己平衡法では、試験杭を上部杭と下部杭の 2 つの部分に分割します。上下杭はロードボックスで接続した。杭が沈んだ後、ロードボックスを介して上の杭に上向きの力が、下の杭に下向きの力が加わりました（2つの力はサイズが等しく、方向が逆でした）。

このプロセスでは、上部杭はロードボックスによって加えられる上向きの力のみを受け、ロードボックスの作用下で上向きの変位も生成します。したがって、上部杭は下部隆起杭の支持形式と同等である可能性があります。

自己平衡法により試験した環状ロードボックスの外径は７２０ｍｍ、内径は３８０ｍｍ、最大荷重値は１７０００ｋＮ、ストロークは１００ｍｍであった。図 3 にロードボックスを示します。変位の監視に使用した電子変位センサの測定範囲は50mmです。センサは図4に示すように各杭に4個配置し、磁気計器台を介して基準鉄骨梁に固定した。

ロードボックス。

変位測定器。

2種類の杭の載荷には緩徐維持載荷法を採用し、等量ずつ段階的に載荷を行った。荷重中、荷重伝達は均一かつ連続的で衝撃がなく、メンテナンス中の各荷重レベルの変動範囲は荷重レベルの ± 10% を超えてはなりません。

変位の観察：各レベルの荷重の後、最初の 1 時間は 5 分、15 分、30 分、45 分、60 分、その後は 30 分ごとに変位を測定および読み取りました。安定に達したら、次のレベルの負荷を追加する必要があります。

アンカーパイル工法試験におけるアンカー杭の鉛直浮き上がり変位のモニタリング結果を表2に、自己平衡試験法における上杭の上方変位のモニタリング結果を表3に示します。この結果から、試験装置や載荷条件が同一であり、土質条件も基本的に同様であるため、各試験方法で得られる鉛直変位は同一荷重下ではほぼ同一であることがわかります。アンカーパイル工法は1杭4アンカーを採用しているため、載荷停止時のアンカーパイルの荷重は小さい（7000kN）。 1750 kN の杭頂部引張力の作用下での 2 本のアンカー杭の垂直変位は、わずか 1.87 mm と 2.07 mm であり、平均は 1.97 mm でした。自己平衡状態の上部杭が荷重 (8500 kN) を停止したとき、3 つの杭の垂直変位は 12.24 mm、13.60 mm、11.55 mm で、平均は 12.46 mm でした。テスト結果の具体的な分析は、有限要素シミュレーション結果と組み合わせて 4 番目のセクションで実行されます。

ABAQUS 有限要素ソフトウェアを使用して、通常の隆起杭と底部隆起杭のモデル化と解析を行いました。 2 種類の支持力現地試験の隆起杭は GTC 交通センターエリアに位置しており、土層パラメータはほとんど変化しないため、モデル化プロセスでは 2 種類の隆起杭に同じ土層パラメータを設定し、特定の土壌層パラメータを表 1 に示します。土壌層の構成モデルはモール・クーロンモデルでした。

現地試験によれば、通常の隆起杭と下部隆起杭の長さは22.5mであり、2種類の杭の構成モデルは線形弾性モデルであった。シミュレーション結果への境界効果の影響を排除し、計算効率を考慮するため、土モデルの長さ、幅、高さは 50 m × 50 m × 30 m としました。土壌モデルの上面は自由境界、底面は 3 つの側面によって拘束され、他の 4 つの側面は法線拘束でした。杭と土の界面はペナルティ関数によりシミュレーションされ、摩擦係数は 0.5 でした。隆起杭の有限要素モデルを図 5 に示します。通常の隆起杭の場合、杭頂部には均一な引張力がかかります。底部隆起杭の場合、杭底部に均一な圧縮応力がかかりました。

構造モデル図。

既存の研究結果によれば、自己平衡試験法では、Qs 曲線をゆっくりと変形させたとき、その上向き変位 s = 40 ～ 60 mm に相当する荷重を極限支持力とみなすことができます19。 Dong20 はまた、ゆっくりと変形する杭の垂直隆起極限支持力として、30 ～ 40 mm の隆起量に相当する隆起力を使用する必要があると提案しました。試験結果とシミュレーション結果によると、本論文で研究した2種類の隆起杭の隆起変位が40 mmに達したとき、杭と土壌は損傷せず、Qs曲線は依然として緩やかな上昇段階にあり、急峻な上昇はありませんでした。変化。したがって、2 種類の隆起杭の最終隆起支持力の判断基準として、杭頂部の隆起変位 40 mm に相当する支持力を採用した。

有限要素シミュレーション計算は 3 つの部分に分かれています。 ① 有限要素モデルと選択されたパラメータの正確性がフィールドテストによって検証されます。 ② 通常隆起杭の頂部に杭頂部の変位が 40 mm に達するまで引張応力を加えた。 ③底上げ杭の杭底部に杭頂部の変位が40mmに達するまで圧縮応力を加えた。

解析結果の精度を確認するため、底部隆起杭の現地モニタリング結果として、#12、#13、#14 自立平衡試験杭の上部の平均変位値を採用しました。 MZ01 試験杭および MZ04 試験杭の平均変位値を通常隆起杭の現地モニタリング結果とした。現地試験と数値シミュレーションにより得られた2種類の隆起杭のQ-s曲線を図6に示します。

隆起杭の Q-s 曲線。

得られた Q-s 曲線によると、1750 kN の作用下での通常の隆起杭の現地試験変位は 1.97 mm であるのに対し、数値シミュレーション結果は 2.02 mm であり、非常に近い値であることがわかります。現場試験曲線と底部隆起杭の数値シミュレーション曲線の変化規則は類似しており、シミュレーション結果は測定結果よりわずかに大きいですが、同じ変位の下での荷重差は10％以下です。したがって、この論文で確立されたモデルは信頼性があり、通常の隆起杭と底部隆起杭の支持特性のさらなる解析に使用できます。

図 6 は、通常の隆起杭の Q-s 曲線が 1916 kN を限界（比例限界でもある）として 2 つのセクションに分割できることを示しています。荷重が 1916 kN 以内の場合、変位は荷重に応じて直線的にゆっくりと増加します。これは線形弾性段階です。荷重が 1916 kN を超えると、変位は依然として荷重に応じて直線的に増加しますが、成長率は大幅に増加します。荷重5762kNの場合、杭頂変位は40mmに達し、プラスチックステージとなります。通常の隆起杭と異なり、底部隆起杭の Q-s 曲線は 3 つのセクションからなり、3 つのセクションの境界は 3605 kN（比例限界）と 8730 kN です。荷重が 3605 kN 以内では、変位量は緩やかに増加し、杭と土の界面は弾性状態になります。荷重が 3605 ～ 8730 kN の間では、曲線の傾きがわずかに増加し、この段階は移行セクションとみなすことができます。荷重が 8,730 kN を超えるまで変位増加率は急速に増加し、杭頂部変位は 12,209 kN で 40 mm に達します。

2 種類の隆起杭の Qs 曲線を比較すると、同じ土層条件と許容杭頭変位の下では、通常の隆起杭の極限支持力は 5762 kN に過ぎないのに対し、極限隆起杭は 5,762 kN であることが明確にわかります。底部隆起杭の耐力は 12,209 kN で、通常の隆起杭の 2.12 倍です。また、同じ荷重下での底部隆起杭の杭頂部の変位も通常の隆起杭に比べて大幅に小さくなります。例えば、通常の隆起杭の限界荷重 5,762 kN では、通常の隆起杭の杭頂部の変位は 40 mm に達しますが、下部隆起杭の杭頂部の変位は 5 mm 未満です21。

底部隆起杭の極限支持力は通常の隆起杭よりも優れており、これは主に応力モードに関係しています。 (1) 通常の隆起杭は杭の上部で引っ張られ、杭の周囲の摩擦パイルトップが最初に機能します。しかし、杭底部の隆起杭が押されるため、杭底部付近の地盤との摩擦が先に作用します。摩擦の大きさは垂直応力に比例し、杭の底部の土壌にかかる上部土壌の自重応力は杭の上部の土壌よりも大幅に大きくなります。 (2) 杭本体のポアソン効果により、正常隆起杭を杭頂部で緊張させると杭径が減少し、杭と土の界面が剥離傾向を示します。しかし、杭底部に圧力がかかると杭径は増大し、杭と土の界面は圧縮傾向を示し、当然ながら摩擦は通常の隆起杭に比べて大きくなります。 (3) 杭頂部には通常の隆起杭の荷重が作用するため、杭頂部の変位には杭本体の伸び量が十分に含まれます。杭頂変位を制限した条件では、通常の隆起杭では杭頂変位がすぐに限界値に達し、杭周囲の地盤の摩擦抵抗を十分に発揮できなくなります。しかし、下部隆起杭の耐力部は杭底部にあり、杭本体が完全に圧縮されるまで杭の変位は上部に伝わりません。これによりパイルトップの変位の進行が遅れ、摩擦が最大限に発揮されます。

杭軸に沿った極限支持力作用下での 2 種類の隆起杭の軸力と摩擦抵抗の分布を図 1,2 に示します。 7と8。

隆起杭の軸力分布。

アップリフトパイルの究極の摩擦抵抗。

軸力分布図から、荷重時の 2 種類の隆起杭の軸力分布は逆になっていることがわかります。最大の軸力は杭頂部に現れ、深さとともに徐々に減少し、杭底部に近づくと軸力は0 kNまで減少します。その代わりに、底部隆起杭の最大軸力は杭底部に現れ、杭底部から杭頂部に向かって徐々に減少し、杭頂部で最小値の0 kNに達します。

軸力変化曲線の傾きが小さいほど荷重伝達は速くなり、その逆も同様です。通常隆起杭の軸力変化曲線は、頂部6mの範囲で最も傾きが大きく、この区間の杭摩擦が小さいことが分かります。さらに、6 ～ 16 m の範囲内の勾配は減少しており、このセクションの杭摩擦が増加していることを示しており、16 m 未満の勾配は増加傾向を示しています。底部隆起杭の軸力変化曲線は 2 つのセクションに分けることができます。深さ 0 ～ 6 m の範囲ではポアソン効果により、摩擦は通常の隆起杭の摩擦よりわずかに大きくなります。 6 ～ 22.5 m の範囲で曲線の傾きが大幅に減少（通常の隆起杭よりも小さい）しており、摩擦抵抗が増加しており、通常の隆起杭に比べて大幅に大きくなっていることがわかります。

杭周囲の土層の比較（表 1）は、摩擦の大きさが土層の性質と強い関係があることを示しています。 6～16 m 以内の領域は角礫層であり、土壌の性質が最も優れているため、摩擦が最も大きくなります。対照的に、0 ～ 6 m 以内のエリアは平野フィルと砂利の場合は比較的貧弱で、16 ～ 22.5 m 以内のエリアはシルトとシルト粘土の場合は比較的貧弱であるため、摩擦は比較的小さく、摩擦の明らかな軟化が発生します。

極限支持力の作用下での 2 種類の隆起杭の杭シャフトに沿った摩擦の分布曲線は、上記の解析の正確さを証明します。図8より、土層の層状特性により、杭周囲の摩擦力は深さ方向に直線的に変化せず、特に土層境界でのジャンプが顕著であることがわかります。ただし、同じ土壌層内では、摩擦は深さに沿って直線的に変化する可能性があります。通常の隆起杭の摩擦抵抗は、深さ方向に沿って最初に増加し、その後減少します。増加の理由は、深さが増すにつれて土壌の自重が徐々に増加し、垂直応力が増加するためです。減少の理由は、引抜き力のうち底部に伝わる部分が少なく、パイル底部の摩擦力が十分に発揮されないためです。底部隆起杭の摩擦延長深さは基本的に増加傾向を示している。杭本体の杭底部付近の地盤の法線応力が大きいため、摩擦が大きくなります。底部隆起杭が杭底部で圧力を受けると、最初に杭底部付近の地盤の摩擦が生じ、その後荷重が杭頂部に沿って伝わるにつれて、杭本体の中間部と上部の摩擦が徐々に生じます。パイルトップまで動員。同じ杭頂部の変位（40 mm）の下では、通常の隆起杭の最大横摩擦はわずか 150 kPa ですが、下部隆起杭の最大横摩擦は 350 kPa 近くになります。

揚力支持力の主な要素である杭シャフトの摩擦過程は、最終的な揚力支持力を研究する上で非常に重要です。本論文では，ABAQUS ソフトウェアで計算した極限支持力を 10 レベルに分割し，図 2 および図 3 に示す 2 種類のアップリフト杭の 10 レベル荷重下の杭軸摩擦データを抽出した。 9と10。

通常のアップリフトパイルの耐摩擦性。

底部隆起杭の摩擦抵抗。

図 9 は、荷重の初期段階 (0 ～ 2304 kN) で、荷重が増加するにつれて摩擦力が上部から下部に向かって徐々に発生することを示しています。杭頂部付近の地盤の性質が悪く、上層地盤の自重圧力が小さいため、摩擦力はすぐに限界値に近づきます。この段階では、杭と深層土層の土との摩擦は比較的小さく、限界摩擦に近くないため、摩擦に対する深層土の性質の影響は明らかではなく、摩擦は均一に増加します。杭長さ6m以下の範囲内。荷重が 2304 kN を超えると、16 ～ 22.5 m の範囲内の土壌摩擦は緩和され、6 ～ 16 m の範囲内の土壌摩擦の増加は大幅に増加します。荷重が継続的に増加すると、摩擦の作用に対する土壌層の特性の影響がますます明らかになります。良好な特性を持つ土壌層の摩擦は増加し続けますが、劣悪な特性を持つ土壌層の摩擦の増加は比較的ゆっくりです。通常の隆起杭は杭頂部で張力がかかるため、荷重の大部分は上部と中間の土塊の摩擦によって抵抗され、杭底部に伝わる荷重は限られているため、杭付近の土層の摩擦は小さくなります。パイルの底は常に小さいです。限界状態では、摩擦抵抗の最大値は杭頂部から杭長の約2/3で現れ、引抜き荷重のほとんどは中土層で分担されます。

図 10 は、底部隆起杭の表皮摩擦が通常の隆起杭の表皮摩擦と完全に逆であることを示しています。杭底部が圧力に耐えるとき、杭底部付近の土壌の表皮摩擦が最初に作用し、荷重が増加するにつれて徐々に杭頂部に発達します。揚力荷重が 3605 kN 以内の場合、摩擦分布曲線は同様の法則となり、杭底部で最大となります。パイルの深さが減少すると、摩擦は減少し、パイルトップで最小になります。揚力荷重が 4358 kN に達すると、16 ～ 22.5 m の範囲内のシルトおよびシルト質粘土の摩擦抵抗が弱まります。荷重が増加すると、このセクションの摩擦抵抗の増加は大幅に遅くなり、より多くの荷重が 6 ～ 16 m の範囲内の角礫層によって支えられます。最大摩擦の位置も徐々に変化します。通常の隆起杭と同様に、最大摩擦は限界状態でも杭頂部の下の杭長さの約 2/3 に現れます。杭底部に荷重がかかると、その荷重が杭頂部に伝わりにくくなるため、杭頂部付近の土の摩擦は常に小さくなります。

2 種類の隆起杭の摩擦分布曲線を比較すると、次のことがわかります。 (1) 下層隆起杭は、上部隆起杭の重量を支える杭下部の土層の特性を最大限に活かすことができます。杭の底部の土塊の横方向の摩擦が最初に作用するように、より大きな横方向の抵抗を与えることができます。さらに、杭の上部近くの土壌塊の横方向の摩擦が小さいという欠点も克服できます。 (2) 土層条件は 2 種類の隆起杭の支持特性に異なる影響を与える。通常の隆起杭の場合、杭頂部付近の土層の側面摩擦が小さく、荷重が杭底部に効果的に伝わらないため、杭シャフトの中央部分が揚力に耐える主な部分となります。しかし、この論文の背景プロジェクトはたまたま杭シャフトの途中で良好な地盤特性を持っていたため、通常の隆起杭の支持特性にはほとんど影響を与えず、杭の長さに沿った摩擦の分布曲線はまだ変化していません。パラボリック」18. 底部隆起杭の場合、杭シャフトの中間部と下部が引き抜き力に抵抗する主な部分であるが、背景プロジェクトの杭底部付近の土層は比較的貧弱であるため、杭に沿った摩擦の分布曲線はパイル長が「ストレートライン」タイプから「ダブルライン」タイプに変わります4．

2 種類の隆起杭の摩擦抵抗の関連法則をさらに直観的に比較および分析するために、3 つのレベルの同じ荷重 (2300 kN、4300 kN、および 5360 kN) の作用下での 2 種類の隆起杭の摩擦抵抗曲線を作成します。 kN)は、図1と図2に示すように、比較分析のために取得されます。 11、12、13。

最初の応力段階での耐摩擦性。

第 2 応力段階での耐摩擦性。

第 3 応力段階での耐摩擦性。

通常の隆起杭と基礎付き隆起杭では極限支持力が異なるため、同じ荷重下における摩擦抵抗の変化曲線は異なる特性を示します。

通常の隆起杭の場合、極限支持力は 5762 kN にすぎず、2300 kN は極限支持力の約 40%、4300 kN は 75%、5360 kN は 95% 近くになります。 3 次荷重の下では、通常の隆起杭の深さに沿った摩擦の分布曲線は放物線状を示します。摩擦曲線の変化から、比較的小さな荷重では杭底部付近の地盤にも一定の摩擦があり、杭頂部の地盤摩擦が限界に達して初めて荷重が下方に伝達されることがわかります。摩擦発生度は杭と地盤との相対変位と強い関係があり、杭と地盤との相対変位が大きくなるにつれて摩擦発生度も増加する。

底部隆起杭の極限支持力は 12,209 kN で、2300 kN は極限支持力の 20% に相当し、4300 kN は 35%、5360 kN は 44% にすぎません。 2300 kN および 4300 kN の荷重が作用した場合、底部隆起杭の深さに沿った摩擦抵抗の分布曲線も近似的に直線とみなすことができます。荷重が 5360 kN に達すると、曲線は明らかな「破線」の特性を示します。荷重が比較的小さいため、杭底部の土の摩擦抵抗は限界値に達しません。荷重が限界値の約半分に達しても、杭底部の土が依然として荷重に抵抗する主力となります。

同じレベルの荷重下での 2 種類の隆起杭の摩擦曲線を比較すると、同じ荷重下で荷重モードが異なるため、通常の隆起杭は上部と中部の土の摩擦を最大限に活用して安定した性能を発揮する必要があることがわかります。土壌摩擦が低いという欠点を補います。相対的に言えば、底部隆起杭のほうがより多くの埋蔵量が蓄積されます。これが、底部隆起杭の最終支持力がより大きい理由でもあります。この論文の工学的背景において、杭底部付近の土壌層は比較的貧弱であり、これが底部隆起杭の支持特性に影響を与えることは注目に値します。例えば、杭底部の均一な土層または良好な地盤特性の条件下では、底部隆起杭の極限支持力は通常の隆起杭の3倍以上であると推測できます。

「有限要素モデルの構築」セクションで構築された底部隆起杭モデルに基づいて、底部隆起杭の支持力に対するさまざまな要因の影響を研究するために、このセクションでは、さまざまな有限要素ソフトウェア計算モデルが構築されました。表 4 に示すように、底部隆起杭のさまざまなパラメータ (杭の長さ、杭の直径、杭の弾性係数を含む) を変更することによって可能になります。

杭長さ 22.5 m の元の有限要素モデルに基づいて、他のパラメータは変更されず、モデルの杭長さは 20.5 m と 24.5 m に変更されました。杭長の異なる底部隆起杭の極限支持力を計算し、Qs曲線を図14に示します。

パイルの長さの影響。

図 14 は、底部隆起杭の杭長が増加するにつれて、同じ隆起変位の下で極限隆起支持力が増加する傾向があることを示しています。元の杭長さ 22.5 m に対応する究極の揚力支持力は 12,209 kN です。杭長が 2 m 減少して 20.5 m になると、極限揚力支持力は 11,410 kN に減少し、6.5% 減少します。杭長が 2 m 増加して 24.5 m になると、極限揚力支持力は 5.1% 増加して 12,830 kN に増加します。変位が 10.73 mm（揚力荷重 8110 kN）に達すると、揚力荷重の増加が鈍化し、変位の増加が増加します。その後、荷重は緩やかな増加速度で限界荷重に達し、より速い増加速度で変位は許容揚程変位40mmに達します。この現象の理由は、杭の長さが増加するにつれて、杭と土壌との接触面積と総側面摩擦が増加し、それが底部隆起杭の究極の隆起支持力の増加につながるためです。

原モデルの杭径800mmを基準として、杭径を700mm、900mmに変更し、底部隆起杭の極限隆起支持力を計算した結果を図15に示します。

杭径の影響。

図 15 は、杭直径の変化が底部隆起杭の最終隆起支持力に大きな影響を与えることを示しています。杭の直径が 700 から 800 mm、次に 800 から 900 mm に増加すると、極限揚力支持力は 10,243 kN から 12,209 kN に、次に 12,209 kN から 14,596 kN に増加し、それぞれ 19.19% と 19.55% 増加します。杭の直径は杭と土壌の間の接触面積を増やすだけでなく、杭の重量も大幅に増加させることができ、これは隆起支持力の向上に積極的な役割を果たすことができます。杭長の変化による隆起支持力の変化に比べて、杭径の変化による隆起支持力の増加幅は大きい。

本論文の実際の杭は C50 コンクリート製で、弾性係数は 3.45 × 104 N/mm2 でした。杭の弾性率は杭の変形に影響し、同じ杭頂部変位（40 mm）下での最終揚力支持力にもさらに影響します。杭の支持力に及ぼすコンクリートの弾性係数の影響を研究するために、コンクリートを弾性係数がそれぞれ3.35×104 N/mm2と3.55×104 N/mm2であるC45およびC55コンクリートに変更しました。弾性率の異なる杭のQs曲線を図16に示します。

パイルの弾性率の影響。

図 16 から明らかなように、杭の弾性率は底部隆起杭の極限隆起支持力にほとんど影響を与えない。弾性係数が 3.45 × 104 から 3.35 × 104 N/mm2 および 3.55 × 104 N/mm2 に変化しても、隆起杭の極限支持力はほとんど変化しません。この現象は、杭の弾性率の変化が比較的小さく、杭の圧縮変形にほとんど影響を与えないため、杭の極限揚力耐力が一定となるためである。

本論文では，積層基礎における底部隆起杭の支持特性を現地試験および数値シミュレーション手法を用いて研究し，通常の隆起杭の支持特性と比較した。結論は次のとおりです。

底部隆起杭の隆起支持力は、杭頂部の同じ変位下での通常の隆起杭よりもはるかに優れています。通常の隆起杭の Q-s 曲線は弾性段階と塑性段階に分割できますが、底部隆起杭の Q-s 曲線はさらに移行セクションを含む 3 つのセクションに分割できます。

杭頂部の変位が同じであれば、底部隆起杭の最終隆起支持力は、通常の隆起杭の2倍以上になる可能性があります。この現象は、底部隆起杭の杭底部の地盤摩擦が十分に発揮され、ポアソン効果により杭側の摩擦が増大し、杭が完全に圧縮されて初めて杭の変位が上部に伝達されるためである。。

通常の隆起杭の最大軸力は杭頂部に現れ、深度に応じて徐々に減少します。一方、下層隆起杭の最大軸力は杭底部に現れ、杭底部から杭頂部に向かって徐々に減少します。

土層の性状と厚さは、2 種類の隆起杭の杭長さ方向の摩擦抵抗の分布曲線に大きな影響を与えます。本事業背景の土層条件では、通常の隆起杭の摩擦分布曲線は「放物線」型であるのに対し、下部隆起杭の摩擦分布曲線は「二重線」型となっています。土壌層の状態が変化すると、摩擦分布曲線も変化する可能性があります。

土壌の特性は、摩擦の変化に決定的な役割を果たします。摩擦の作用は土壌の埋設深さに関係しますが、性状の悪い土壌層では明らかな摩擦軟化現象が見られます。

この論文の場合、極限揚程支持力に及ぼす杭径の影響は杭長さの影響よりも大きいが、杭の弾性率の影響はほとんどない。杭長が 24.5 m に増加すると支持力は 5.1% 増加し、杭長が 20.5 m に減少すると 6.5% 減少します。支持力は杭径が100mm増加すると19.6%増加し、パイル長が100mm減少すると16.1%減少します。

現在の研究中に生成されたデータセットは、テストの基礎となるエンジニアリングがまだ完了しておらず、データが依然として機密であるため、一般には公開されていませんが、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団 (助成金番号 52068048)、甘粛省住宅・都市農村開発建設局技術プロジェクト (助成金番号 JK2022-04)、甘粛省自然科学財団 (助成金番号 52068048) の支援を受けました。 .21JR11RM052)、甘粛省青少年科学技術基金プログラム (補助金番号 22JR5RA286)、および蘭州理工大学の紅流優秀若手人材プログラム。

Gansu CSCEC Municipal Engineering Investigation and Design Institute Co., Ltd.、蘭州、730000、甘粛省、中国

Laping He、Enxiang Zhang、Zhao Long

CSCEC AECOM Consultants Co., Ltd.、蘭州、730000、甘粛省、中国

Laping He、Enxiang Zhang、Zhao Long

蘭州理工大学土木工学部、蘭州、730050、甘粛省、中国

Xuwei Chen、Zhengzhen Wang、Tiantao Su

甘粛民間航空空港グループ有限公司、蘭州、730050、甘粛省、中国

ユン・ハン

東南大学土木工学部、南京、210000、江蘇省、中国

郭梁戴

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LH と XC が主な原稿テキストを書きました。データ処理はYHとEZが行いました。 TS と GD が調査を実施しました。 ZL は正式な分析を実行し、ZW が原稿テキストをレビューして編集しました。著者全員が原稿をレビューしました。

ユンハンさんへの手紙。

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転載と許可

He、L.、Chen、X.、Wang、Z. 他。積層基礎における底部隆起杭の支持特性に関する事例研究。 Sci Rep 12、22457 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-27105-x

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受信日: 2022 年 10 月 10 日

受理日: 2022 年 12 月 26 日

公開日: 2022 年 12 月 28 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27105-x

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