JP2005200870A - 構造物基礎地盤の液状化防止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 地上タンク等の設構造物基礎の周辺に、経済的で力学的にも優れた液状化防止構造を構築する。
【解決手段】 液状化の生じるおそれのある地盤上に構築された地上タンク等の既設構造物１の基礎５の外周に沿って、下端が非液状化層４に達するように、浸透性注入薬液の地盤注入により深さ方向に所定の重なりをとって連続形成された略団子状をなす固化体ブロック１１を形成して所定厚さのせん断抵抗壁１０を構築する。さらに固化体ブロック１１の平面円形中心位置に、平面視して略三角形状をなすように３本の鋼管矢板２１からなる曲げ抵抗芯材２０を、基礎５の外周を囲むように所定間隔をあけて打設する。これにより、既設構造物１の直下地盤のせん断変形を十分に抑止して液状化を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は構造物基礎地盤の液状化防止構造に係り、石油タンク等のいわゆる屋外タンク貯蔵所基礎等の構造物基礎地盤の液状化防止構造に関する。

従来、石油タンク等の屋外タンク貯蔵所の基礎構造については、構造物の安全性を確保するための基準として「屋外タンク貯蔵所基礎の規制基準」等があり、この基準では、タンク基礎直下及びその周囲の所定範囲が所定のＮ値以上の砂質土地盤であるような場合に、薬液注入により対象範囲の地盤改良を行う注入固化工法、所定位置にシートパイルを打設して地盤ブロックにおけるせん断変形を抑えるせん断変形抑制工法等、種々の液状化対策工を行うことが求められている。

これらの液状化対策工において、注入固化工法は、既設構造物の周辺及び直下地盤の広い地盤範囲に注入するため、注入管削孔本数が多く、注入薬液量も大量で工事コストが高くなり、また構造物直下の地盤改良が困難な場合が多い。また、せん断変形抑制工法では、シートパイルを壁状に連続して打設する際に、構造物（タンク）周囲に設けられた配管、配管架台、トレンチ等の周辺構造物を回避して施工するため、分断された壁体となる。このため、シートパイル（鋼矢板）の壁体としての連続性が保持できず、シートパイル強度が不足する個所が生じるおそれがある。

このような問題を解決することを目的とした、石油タンク等の既設構造物の地震時における構造物周辺及び直下地盤の液状化等による沈下、不同沈下を抑制するための対策工法も提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された対策工では、構造物周辺及び直下地盤内に地表面から支持地盤まで平面円形に連続した螺旋状壁を形成し、その螺旋の連続方向に所定量のプレストレスが導入されるようになっている。また、螺旋状壁の外側に構造物の外周に沿って所定間隔をあけて地中杭を打設し、螺旋状壁の上端、下端、中間部を拘束するようになっている。

また、注入固化工法における薬液注入の改善を図った技術も提案されている（特許文献２，特許文献３）。特許文献２に開示された先行技術では、浸透性の高いシリカ系水溶液型薬液を用い、薬液注入速度を調整することで、地盤内で球状に近い形状の固化体を深さ方向に一部をオーバーラップさせた団子状に地盤固化改良を行うことができるため、従来の注入固化工法に比べ、薬液使用量を低減することができる。また、特許文献３には球状に近い形状の固化体を深さ方向に一部をオーバーラップさせた団子状に地盤固化改良するための多段パッカーを備えた注入装置が開示されている。

特開２００３−１８４１０８号公報 特開平１１−１３１４６７号公報 特許第３１０２７８６号公報

ところで、特許文献１に開示された対策工では、既設構造物の周辺及び直下地盤に十分な深さまで連続する螺旋状壁を構築することが難しく、またその螺旋の内部にプレストレス材料を挿入し、所定のプレストレスを導入することも同様である。また、構築された螺旋状壁に囲まれた地盤はせん断変形が抑止されることが期待できるが、螺旋状壁自体は地盤内に細長く連続する構造体であり、せん断抵抗性がほとんどない。そのため、螺旋状壁に作用する地震時土圧の軽減を図るために地中杭を螺旋状壁の周囲に配設するようにしている。このように、特許文献１は施工面での困難性があるとともに、完成系における構造安定性に欠けるという問題を有している。

これに対して、上述の螺旋状壁に代えて、特許文献２に示した球状固化体からなる改良ブロックを、既設構造物の周辺地盤に形成することで螺旋状壁を構築するのと同等の効果を期待できる。この球状固化体を深さ方向、幅方向に団子状に連続させた固化体ブロックは、構造物の周辺の改良範囲のせん断抵抗性を十分確保するために、変位方向に十分な厚みを設定する必要がある。このため、構造物周辺の広い範囲に上述の固化体ブロックを構築しなければ所定の液状化対策の効果が得られず、工事コストが高くなるという問題がある。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、上述の地盤改良体を既設構造物の周辺に構築する際に、曲げ抵抗部材を芯材として比較的薄い形状からなる複合構造壁を形成し、経済的で力学的にも優れた構造物基礎地盤の液状化防止構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、液状化の生じるおそれのある地盤上に構築された構造物の基礎の外周に沿い、下端が非液状化層に達するように固化体ブロックを形成して所定厚さのせん断抵抗壁を構築し、該せん断抵抗壁の一部に曲げ抵抗芯材を、前記基礎の外周を囲むように所定間隔をあけて打設したことを特徴とする。

このとき、前記固化体ブロックは、浸透性注入薬液の地盤注入により形成された球状固化体を深さ方向に所定の重なりをとって連続形成された略団子状柱体とすることが好ましい。

また、前記曲げ抵抗芯材は、継手を介して連結された複数本の鋼管矢板からなり、前記固化体ブロックの平面円形中心位置に打設されることが好ましく、さらに前記曲げ抵抗芯材は、平面視して略三角形状をなすように３本の鋼管矢板が連結され、その一頂点が前記構造物基礎の中心方向を向くように打設することが好ましい。

前記曲げ抵抗芯材は、芯材頭部が前記構造物の底版外周に構築されたコンクリート構造により固定支持することが好ましい。

本発明によれば、構造物の周辺に構築されたせん断抵抗壁と、複数本の鋼管矢板からなる曲げ抵抗部材が協働して、地震時水平荷重に抵抗することができるので、タンク等の既設構造物の直下地盤のせん断変形を抑止でき、液状化現象の発生を防止することができるという効果を奏する。

以下、本発明の構造物基礎地盤の液状化防止構造の実施するための最良の形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。

図１は、石油タンクで例示した既設構造物１の基礎構造２の周辺に本発明の液状化防止構造を構築した実施例を示した断面図である。図２は、図１の地表面付近の地盤内を示した平断面図である。本実施例では、図１に示したように、既設構造物としての鋼製円筒形石油タンク１は、所定の深さに達する液状化層３上に敷設された所定版厚のコンクリート製の基礎版５上に構築されている。さらに基礎版５の周囲には、本発明の液状化防止構造として、公知の注入固化工法により施工された球状固化体１２を深さ方向に所定深さまで略団子状の柱体形状に連続形成した固化体ブロック１１の集合体であるせん断抵抗壁１０が構築されている。本実施例では、直径約３mの球状固化体１２が、半径方向及び円周方向に互いに所定の重なりをとるようにして基礎版５から３周（３重）の固化体ブロック１１がリング状に形成され、これにより各固化体ブロック１１が一体化したせん断抵抗壁１０が構築されている。このとき固化体ブロック１１は下端が深さ方向に非液状化層４に達するまで形成されている。

さらに固化体ブロック１１の半径方向（厚さ方向）の中心位置となるリングの固化体ブロック１１（図２において、基礎版５から２周目）に対して、平面視して三角形状をなすように継手部を介して連結された３本の鋼管矢板２１が球状固化体１２の平面視円形の中心位置に、非液状化層４まで到達するように打設されている。

これら鋼管矢板２１の各頭部は、基礎版５の地上部の周囲に所定厚さの円環（リング）状に構築され、十分な剛性を有する鉄筋コンクリート製のコンクリート構造体１５内に埋設固定され、図２に示したように各頭部はこのリング状のコンクリート構造体１５によって周方向にその間隔と位置とが保持されている。なお、このコンクリート構造体は基礎版５の外形形状に倣った形状で、基礎版５と連結されて構築されることが好ましい。

次に、球状固化体１２を深さ方向に略団子状に連続形成した柱体状の固化体ブロック１１の構成について説明する。球状固化体１２は、たとえば特許文献２に開示されたような公知の注入固化工法を用いることで形成することができ、注入薬液としては砂質土において浸透度の高い溶液型超微粒子シリカを使用することが好ましい。また、対象砂質土に応じて注入速度、注入率を変更することで固化体直径を適宜設定できるが、２〜４m程度とすることが強度と注入量のバランスから好ましい。注入作業は想定した固化体直径に応じた間隔で注入孔を削孔してストレーナを挿入し、ストレーナ内に注入用多段パッカーを挿入して複数深さ位置において球状固化体１２を形成し、深さ方向に隣接形成された球状固化体１２が所定の重なりをもつ固化体ブロック１１を形成することができる。この固化体ブロック１１を外周にむけて所定の重なりをとって複数周にわたり一体的に形成して所定剛性のせん断抵抗壁１０を形成することができる。本実施例では、図１に示したようにせん断抵抗壁１０は固化体ブロック１１を３周に形成したが、液状化層の状態に応じて適宜その周数を決定して施工することが好ましい。そのとき上述した芯材としての鋼管矢板２１を厚さ方向の中心位置に挿入するために奇数周とすることが好ましい。また、注入率を変えて固化体ブロック１１の強度を調整することで固化体ブロック１１の直径、周数を適宜変更することもできる。

固化体ブロック１１内を深さ方向に貫くように打設された曲げ抵抗芯材（以下、芯材２０）としての３本の連結された鋼管矢板２１の構成について図３を参照して説明する。各鋼管矢板２１の外周面には６０°の離れ角で公知の略Ｃ字形断面をなす継手管２２が鋼管矢板２１長手方向に沿って固着されている。芯材２０は図３に示したように、３本の連結された鋼管矢板２１の中心が、固化体ブロック１１断面の円形中心とほぼ一致するように施工されている。したがって、各鋼管矢板２１は、対象となる固化体ブロック１１の深さ方向に沿って打設され、隣接する鋼管矢板２１の継手管２２の開口とを噛み合わせて一体化させ、平面視して三角形状をなすように連結して固化体ブロック１１内に埋設される（図１参照）。このとき３本の連結された鋼管矢板２１は、その１本が既設構造物の基礎版５の中心位置Ｃ_T（例えば円筒形石油タンクの中心）方向を向くように打設されている（図２参照）。これにより、芯材２０は後述するように、地震時に３本の鋼管矢板２１のうち、少なくとも２本が曲げ抵抗に十分寄与することができる。なお、各鋼管矢板２１内には従来と同様にモルタル等の充填材２３を詰めることにより曲げ剛性の向上が図れる。なお、本発明に使用する鋼管矢板２１の直径としては、球状固化体１２の直径に応じてφ５００〜６００以上の直径の大口径鋼管矢板２１を使用することができる。なお、鋼管矢板の継手としては、図示した継手管２２の形状以外に公知の種々の形状、構造のものを使用できる。また、想定される地震時荷重が小さい構造物の場合には、固化体ブロック１１を深さ方向に貫くように１本の鋼管杭を打設する構成とすることもできる。鋼管矢板の打設本数としては、上述したように３本を三角形形状に連結するのが最小本数で力学的に安定が図られるが、地震荷重その他の設計、施工条件によっては四角形、五角形等の多角形の各頂点を構成するような平面配置とすることも可能である。

ここで、本発明のせん断抵抗壁１０と曲げ抵抗芯材２０とで構成された液状化防止構造の地震時の挙動について図４各図を参照して説明する。なお、図４（ａ），（ｂ）において、せん断抵抗壁１０は模式的に厚みのある円筒状に示している。地震動が白矢印のように作用して構造物周辺に構築されたせん断抵抗壁１０が慣性力を受けると、地盤から所定の分布荷重を示す地震時側圧ｑがせん断抵抗壁１０に作用する。この地震時側圧ｑは地表面付近で大きくなる荷重分布を示す。本実施例では説明のため、台形分布荷重で示したが、その分布状態は液状化層の土質性状によって異なる。このような荷重が作用した際、同図（ｂ）に示したように、地震動作用方向と平行で構造物中心を通る線上がもっとも地震時荷重を大きく受ける。そして中心から離れるにつれて、せん断抵抗壁１０の丸みに沿って、荷重作用方向とせん断抵抗壁１０表面とのなす角度が大きくなるため、荷重の地震動方向成分が小さくなり、せん断抵抗壁１０に作用する荷重は小さくなる。したがって、最大荷重を受ける際に、芯材２０の曲げ剛性が最大になるように、略三角形状に連結された３本の鋼管矢板２１の頂点が構造物中心を向くような配置方向（図３参照）に設定することが有効となる。

この状態で、芯材２０として配置された鋼管矢板２１は、頭部が固定された状態で曲げ抵抗及びせん断抵抗を発揮することにより、せん断抵抗壁１０は高い変形抵抗を示す。これにより、構造物直下の地盤６に作用するせん断力は大幅に低減され、液状化の発生を確実に防止することができる。なお、せん断抵抗壁１０は止水壁としても機能するので、せん断抵抗壁１０で囲まれた地盤６内の砂質土の間隙水圧の変化をおさえることができ、液状化発生を確実に防止することができる。

図５，図６は固化体ブロック１１のサイズ、形成ピッチ、芯材２０のサイズ、打設ピッチを変えて施工した例を示した説明図である。各図には配管架台等の既設構造物を回避して施工した状態が示されている。

図５，図６各図に示したように、固化体ブロック１１の球状固化体１２の直径、重なり代を調整することでせん断抵抗壁１０の厚さを適宜設定でき、また芯材２０としての鋼管矢板２１の打設位置も比較的自由に設定することができる。たとえば、図５（ａ）、（ｂ）に示したように、配管架台等の付帯構造物の基礎７の近傍に埋設されている場合でも、この付帯構造物の基礎７を避けて固化体ブロック１１、球状固化体１２を施工することができる。このとき、リング状コンクリート１５と基礎７との間はエラスタイト等の弾性シーリング材１６等を充填し、水平荷重作用時の位相差を吸収することが好ましい。また、この付帯構造物の基礎７を本体構造物と同位相で変位させることが好ましい場合には、図６（ａ）、（ｂ）に示したように、上部がリング状コンクリート１５で固定された基礎７の下部の地盤内部分において固化体ブロック１１で密着支持するようにしてせん断抵抗壁１０と一体化させることもできる。

本発明の構造物基礎地盤の液状化防止構造の一実施例を示した側断面図。 図１に示した液状化防止構造の地盤内での平断面図。 固化体ブロック内に打設された芯材の配置状態を示した部分拡大断面図。 本発明の液状化防止構造の地震時の挙動を模式的に示した説明図。 液状化防止構造の固化体ブロックの構築例を示した説明図。 液状化防止構造の固化体ブロックの他の構築例を示した説明図。

符号の説明

１ 既設構造物
２ 基礎構造
３ 液状化層
４ 非液状化層
５ 基礎版
１０ せん断抵抗壁
１１ 固化体ブロック
１２ 球状固化体
１５ コンクリート構造体（リング状コンクリート）
２０ 曲げ抵抗芯材（芯材）
２１ 鋼管矢板
２２ 継手管

Claims (5)

1. 液状化の生じるおそれのある地盤上に構築された構造物の基礎の外周に沿い、下端が非液状化層に達するように固化体ブロックを形成して所定厚さのせん断抵抗壁を構築し、該せん断抵抗壁の一部に曲げ抵抗芯材を、前記基礎の外周を囲むように所定間隔をあけて打設したことを特徴とする構造物基礎地盤の液状化防止構造。
2. 前記固化体ブロックは、浸透性注入薬液の地盤注入により形成された球状固化体を深さ方向に所定の重なりをとって連続形成された略団子状柱体であることを特徴とする請求項１に記載の構造物基礎地盤の液状化防止構造。
3. 前記曲げ抵抗芯材は、継手を介して連結された複数本の鋼管矢板からなり、前記固化体ブロックの平面円形中心位置に打設されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の構造物基礎地盤の液状化防止構造。
4. 前記曲げ抵抗芯材は、平面視して略三角形状をなすように３本の鋼管矢板が連結され、その一頂点が前記構造物基礎の中心方向を向くように打設されたことを特徴とする請求項３に記載の構造物基礎地盤の液状化防止構造。
5. 前記曲げ抵抗芯材は、芯材頭部が前記構造物の底版外周に構築されたコンクリート構造により固定支持されたことを特徴とする請求項１に記載の構造物基礎地盤の液状化防止構造。

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