鉛直荷重が短杭の水平抵抗に与える影響の解明
砂質地盤における水平抵抗増大効果とそのメカニズム
本研究では，砂質地盤を対象とし，鉛直荷重が短杭の水平抵抗に与える影響について3次元FEM解析より検討した。解析パラメータは，杭径（1あるいは3m），長さ径比（L/D，2.3～20.0），支持層の有無とし，鉛直荷重がある場合とない場合の杭の水平抵抗を比較した。その結果，鉛直荷重による水平抵抗の増加量はL/Dの減少とともに増加し，支持層がある場合にない場合と比べて大きくなった。鉛直荷重がない場合と比較した最大の増加量は，支持層がない場合に120%，ある場合には490％になった。これらの水平抵抗の増加の要因として，１）鉛直荷重により杭周辺地盤の平均有効応力が増加し杭の水平地盤反力が増加すること，２）鉛直荷重により杭の回転中心が下がり，杭先端付近の杭と地盤の相対変位が増加し，その水平地盤反力が増加すること，３）さらにL/Dが3以下で支持層がある場合では，杭底面の摩擦力が杭頭水平荷重に対して直接的に反力として作用し，杭頭水平抵抗を増加させることが挙げられることを示した。
キーワード：杭の水平抵抗，鉛直荷重，短杭，３次元FEM，砂質地盤，支持層
＊１ 技術センター 都市基盤技術研究部 基礎構造研究室
＊２ シンガポール国立大学
Elucidation of Vertical Load Effects on Lateral Resistance of Short Piles
Increased Lateral Resistance in Sandy Soils and Its Mechanisms
This study presents three-dimensional finite element analyses to clarify the effect of vertical loading on the lateral resistance of short piles in sandy soil. A parametric study was conducted by varying pile diameters (1 or 3 m), length-to-diameter (L/D) ratios ranging from 2.3 to 20.0, the presence or absence of a bearing layer, and pure horizontal loading or vertical-horizontal combined loading. Results indicate that the increase in lateral resistance due to vertical loading becomes more significant as the L/D ratio decreases. The maximum increases in lateral resistance were approximately 120% in soils without a bearing layer and up to 490% in soils with one. The following factors were identified as contributing to the increase in lateral resistance: 1) The horizontal subgrade reaction increases with higher confining pressure around the pile, which is induced by the vertical load. 2) Under combined loading, the rotation point of the pile shifted downward, increasing the relative displacement of the pile and the soil so as to increase the horizontal subgrade reaction above the pile tip. 3) Moreover, piles with an L/D ratio below 3 in the presence of a bearing layer exhibited behavior similar to shallow foundations. In such cases, the frictional resistance at the pile tip acts directly against the lateral force at the pile head, substantially enhancing lateral resistance.
Keywords: lateral resistance of piles, vertical load, short piles, 3D finite element analysis, sandy soil, bearing layer
*1 Foundation Research Section, Urban Engineering Research Department, Taisei Advanced Center of Technology
*2 National University of Singapore