JP2009287374A

JP2009287374A - 粘性土地盤の残留沈下対策工法と工法に使用する載荷装置構造体及びバーチカルドレーン材。

Info

Publication number: JP2009287374A
Application number: JP2008166556A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Kondo; 正佳近藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-10

Abstract

【課題】残留沈下が長期間続くと，施設のライフサイクルコストは莫大なものとなる。そこで有害な残留沈下がほとんど生じない対策工法を提供する。
【解決手段】施設の供用前の圧密沈下は，波動圧密工法，真空圧密工法，バーチカルドレーン工法を併用して積極的に促進し，残留沈下量の低減を図る。供用後の圧密沈下は，バーチカルドレーンの機能を停止して，圧密沈下を遅延させ，施設の許容残留沈下量の出現を施設の寿命後とする。図１は施設の供用前に圧密沈下を積極的に促進している施工状況の縦断面図である。
【選択図】図１

Description

本発明は軟弱粘性土地盤を安定的にしかも急速に圧密促進すると共に，継続する二次圧密の残留沈下を定量的に解決する地盤改良及び残留沈下対策技術に関する。

粘性土地盤の圧密沈下現象は，地盤に盛土等の荷重が載荷されると，最初この荷重に見合った過剰間隙水圧が発生する。そして，長い年月かけてゆっくりと過剰間隙水圧を消散させながら間隙水を排出し地盤沈下が進行する現象を言う。従来の大規模な軟弱地盤対策は，施設供用後の残留沈下対策と施工時の基礎地盤のせん断破壊対策が主であった。せん断破壊対策は，粘土地盤が圧密沈下と共に地盤強度が増大するので，強度が伴っていない施工時に地盤破壊が集中することによる。残留沈下は維持補修のために供用休止の問題も生じ，長年の施設の維持管理コストに大きく影響する。
残留沈下対策は，供用後の有害な残留沈下を少なくする方法で，事前に圧密沈下を促進させる方法と逆に圧密沈下を抑制させる方法に大別できる。代表的な工法として，前者はプレロード工法（事前載荷圧密促進工法）とバーチカルドレーン工法の併用工法，後者はサンドコンパクションパイル工法がある。バーチカルドレーン工法は，地盤中に鉛直方向のドレーンを設置して，間隙水の排水距離を短くして圧密時間を短縮し，圧密沈下を促進させて地盤強化を図る工法である。プレロード工法は，事前に盛土荷重以上に載荷して，目標とする圧密を完了させたのち余分な盛土を除去する工法である。しかし，圧密には一次圧密と二次圧密があり，特に後半の二次圧密の残留沈下に問題がある。二次圧密はプレロード工法を行って余分な盛土荷重を除去した後の施設供用時にも沈下が長い年月だらだらと続くやっかいな圧密沈下である。
これに対してサンドコンパクションパイル工法は，締め固めた砂杭を地盤中に多数造成して，地盤の支持力増強、基礎地盤破壊の防止、圧密沈下を抑制する工法である。

粘性土地盤は，圧密沈下と共に地盤強度が増加する。従ってバーチカルドレーン工法を実施した軟弱地盤でも，盛土を必要な高さまで連続して行うと、圧密沈下による地盤強度が伴わずせん断破壊を起こす。従って，盛土は基礎地盤の安定を考慮して、地盤の強度増加を確認しながら数度に分けて段階的に施工する。このためバーチカルドレーン工法は，工事完了まで長い期間が必要で、急速施工にはならないといった欠点がある。また，二次圧密の残留沈下の維持補修では供用休止が容易でない施設は致命的である。このような経緯から，サンドコンパクションパイル工法はサンドドレーン工法に比べ工事費は大幅に高くなるが，大規模な軟弱地盤対策の多い港湾施設では急速施工として広く用いられるようになった。
しかしながら，先の兵庫県南部地震においては，サンドコンパクションパイル工法で改良された地盤が液状化により破壊し，岸壁等に大きな被害をもたらした。これはサンドコンパクションパイル工法の締め固めにも限界があることを示している。また，軟弱地盤対策は兵庫県南部地震の被害を踏まえ，地震時の液状化対策を伴ったものでなければならない。

載荷圧密促進工法の一つに真空圧密工法がある。この工法は対象改良地盤表面を密閉状態として，負圧を発生させて大気圧（実用的には、６〜７ｔ／ｍ^２）を載荷することにより圧密を促進させる工法である。この工法の特長は原理的に盛土荷重とは異なり，地盤内の土に対して、３次元的な圧密荷重として働く機構であるため、一気に載荷しても粘土地盤にせん断破壊を生じさせないような荷重状態で圧密を促進させられる。従ってバーチカルドレーン工法は，この工法と併用すると，施工時の基礎地盤のせん断破壊対策が解決する。しかしながら，この真空圧密工法も二次圧密問題が解決されないのは同じである。

現在，地球環境保全の観点から環境負荷の削減に向け，建設資源の省資源化が積極的に進められている。サンドコンパクションパイル工法は良質な砂を大量に使用し、パイル打設により生じる原地盤の盛り上がり土の処分と処分地の確保の必要があるなど、環境負荷が大きな工法となっている。これに対して載荷圧密促進工法とバーチカルドレーン工法の併用工法は，環境負荷の小さな工法であり経済的な工法である。この利点を活かした従来にない急速圧密沈下工法が求められている。

急速圧密促進工法として，粘土構造特性からくる粘土の圧密に関する性質を利用した圧密促進工法が提案されている。この工法は，盛土荷重等で対象地盤内に生じている一定過剰間隙水圧に繰り返し過剰間隙水圧を加えて過剰間隙水圧の波動を発生させ，急速に圧密沈下を促進させる工法である。（以降，波動圧密工法と称す）過剰間隙水圧の波動の発生に使われる繰り返し載荷装置構造体は，載荷重を対象地盤に平面的に一様に伝達する加圧構造体と振動発生装置から構成される。発生装置の一例は偏心体の回転力による遠心力を鉛直方向の起振力として取り出した機構である。ここで，該繰り返し載荷装置は，起振力により自身が振動を生じないだけの重量と一様な載荷状態とするための大きさの加圧面積を持ち，対象地盤の表面に接地状態で使用される。このため該繰り返し載荷装置は，対象地盤に対して振動荷重ではなく繰り返し荷重を加えることになる。
前記波動圧密工法は，真空圧密工法とバーチカルドレーン工法を併用して，総合的急速圧密沈下工法として提案されている。（特許文献１参照）
この総合的工法は二次圧密の残留沈下を大幅に小さくすることに成功している。波動圧密工法の圧密促進効果は，▲１▼粘土の種類▲２▼波動の周波数▲３▼間隙水圧の波動の大きさ（強さ）に依存している。波動の周波数は３０〜５０が好適のようである。波動の大きさ，すなわち，加圧による繰り返し荷重の大きさは，現行法の施工機械の条件から３〜６ｋＮ／ｍ^２程度である。その効果の大きさは，標準圧密試験の２４時間圧密歪と同じ歪の到達時間の時間比で表すと１／３０〜１／１００で，１／１００とは標準圧密試験の２４時間圧密を波動圧密試験では１５分弱で終了することで非常に大きな効果である。

特開２００７−３０９０７３（Ｐ２００７−３０９０７３Ａ）

残留沈下の大きさが施設の維持補修費を左右する。二次圧密の残留沈下が長期間続くとライフサイクルコストは莫大なものとなる。最近の施設には，大規模な維持補修が必要になっても，供用休止が困難な施設もあり，供用休止をしない残留沈下対策，残留沈下がほとんど生じない地盤改良工法が求められてきた。
真空圧密工法は圧密沈下の増大による強度増加工法，バーチカルドレーン工法は圧密時間の短縮工法である。波動圧密工法は圧密沈下の増大よりも圧密時間短縮の働きの方が大きく，二次圧密を先取りする工法である。真空圧密工法は載荷重量に，バーチカルドレーン工法はドレーン間隔に限界がある。しかし，波動圧密工法は稼動時間を延長すれば，理論的には二次圧密の残留沈下問題が解決できる。しかし，二次圧密にかかる時間は，沈下が進むにつれて対数時間で長くなる。従って，急速圧密工法としての長所がだんだん小さなものとなってしまう。波動圧密工法は波動の大きさ（強さ）を大きくすれば圧密の促進効果が大きくなる。しかし，現行の大きさの繰り返し載荷装置構造体における波動の大きさは，現行方法では限界でさらに数倍大きくするのは困難である。
本発明は前記の問題点を鑑みてなされたもので，環境負荷が小さく経済的な波動圧密工法，バーチカルドレーン工法，必要に応じて真空圧密工法の総合的急速圧密工法を新しい発想からさらに発展させたものである。

本発明の総合的急速圧密工法の課題解決は，二つの手段からなる。まず，第一の手段は，中心となる波動圧密工法の強化で，間隙水圧の波動の大きさの増大を図る。第二の手段は，施設供用前の圧密は積極的促進状態，供用後の圧密は遅延状態とすることにより，二次圧密の残留沈下の影響を大幅に縮小する。

第一の解決手段の方法は，波動圧密工法に使用する載荷装置構造体に新たな構造特性を加えた繰り返し載荷機構の改良である。
該繰り返し載荷装置構造体は，加圧構造体と振動発生装置から構成される。発生装置の起振力は，例えば振動モーターの場合では偏心体の質量，周波数，回転半径で決まる。
現行の方法での振動質量は偏心体のみである。本発明による振動質量は，偏心体に加えて偏心体の質量より数倍大きな加圧構造体の一部を加える。加圧構造体の一部を振動体とする方法は，これの固有周波数を振動発生装置の周波数に共鳴する周波数とし，加圧構造体共振部とするものである。ここで，該繰り返し載荷装置構造体は，起振力を繰り返し載荷重とするために，自身が振動を生じないだけの重量が必要である。該繰り返し載荷装置構造体の重量については，効率的な改良を意図して加圧面積が大きくなっているので，すでに十分な重量があること，さらに真空圧密工法を併用するとまったく問題は生じ無い。

第二の解決手段の方法は，バーチカルドレーン工法の圧密時間の短縮機能を施設供用前は機能全開状態，供用後は停止状態とするものである。

第一の解決手段の効果は，波動圧密工法で必要とする振動エネルギーを小さな振動エネルギーで数段大きな振動エネルギーに増幅させるものである。この増幅されたエネルギーで，間隙水圧の波動の大きさ（強さ）の増大と繰り返し載荷装置構造体の加圧面積の拡大を図り，残留沈下対策の圧密速度の加速，施工能率の向上をさらに進める。波動圧密工法の特徴は，環境負荷が小さく経済的な急速圧密工法である。本発明の残留沈下対策工法は，この特徴をさらに数段進化させたものである。

残留沈下対策において，二次圧密による残留沈下をゼロとするのは非常に困難で，対策期間の長期化，対策費の増大となり得策ではない。施設の許容残留沈下量は，施設の使用性，安全性，劣化による補修の必要性などから決まる。
第二の解決手段の効果は，許容残留沈下量の出現年数を大幅に遅らせ，施設の寿命内での大規模補修の回数を減らすこと，ひいてはゼロとして施設の供用休止を回避することである。

波動圧密工法，バーチカルドレーン工法，必要に応じて真空圧密工法を併用した本発明の残留沈下対策工法における第一第二の解決手段の複合効果は，施設のライフサイクルコストの最小を意図した対策を実施することにある。
施設の供用前の圧密沈下は積極的に促進させ，供用後の圧密沈下は積極的に遅延させる。そして施設の許容残留沈下量が出現する時期は，施設の寿命内に大規模補修が生じないように寿命後とする。バーチカルドレーン工法の圧密時間短縮機能を停止することは容易であり費用比も小さい。従って，施設の許容残留沈下量は，供用前の圧密沈下をどこまで促進しておけば，供用後の圧密沈下遅延で許容残留沈下量が出現する時期を施設の寿命後とすることが出来るか。つまり，施設の寿命内に有害な大きさの残留沈下を生じさせない。さらには許容残留沈下量をもっと小さめに設定した場合の施設の長寿命化，安全性，使用性等と経済性との比較検討から最適組み合わせを定量的に判断して対策を進める。

以下，本発明の総合的残留沈下対策工法の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１は波動圧密工法，真空圧密工法，バーチカルドレーン工法を併用した本発明の総合的残留沈下対策工法の実施例で，施設の供用前に圧密沈下を積極的に促進している施工状況の縦断面図である。ただし，既知の工法における設備等の図化は必要最小限とした。図において１は，粘性土の対策対象地盤，２は対策外の硬質地盤。３は対策対象地盤に過剰間隙水圧の波動を発生させる繰り返し載荷装置構造体，図の繰り返し載荷装置構造体３の例は，振動発生装置３ａ，上部加圧構造体３ｂ，下部加圧構造体３ｃから構成されたものを示してある。４はバーチカルドレーン，５はサンドマット，６は真空ポンプ，７は吸気・吸水パイプ，８は排気・排水パイプである。
施工順序はバーチカルドレーン４の設置工，サンドマット５敷設工，下部加圧構造体３ｃ設置工，上部加圧構造体３ｂ設置工，振動発生装置３ａ設置工，真空ポンプ６設置工，吸気・吸水パイプ７取り付け工である。

図２は繰り返し載荷装置構造体３の平面図である。下部加圧構造体３ｃの平面形状は正方形で４基の組み合わせ例である。大規模対策の場合の寸法は，一辺２０ｍ程度が適当である。従って，繰り返し載荷装置構造体３の一度の対策面積は１６００ｍ^２程度となる。

下部加圧構造体３ｃは真空圧密工法に対応した機能を持たせてある。下部加圧構造体３ｃは，底面の無い浅い内空を有する構造である。内空の天井はドレーン層が有り，このドレーン層と吸気・吸水パイプ７は連通され，真空ポンプ６で減圧され大気圧が載荷される。

図１，２の繰り返し載荷装置構造体３の加圧構造は，上下の２段構造で上部加圧構造体３ｂを加圧構造体共振部とした例である。上部加圧構造体３ｂの寸法は，下部加圧構造体３ｃの寸法が一辺２０ｍ程度の場合，一辺２２ｍ程度が適当である。上部加圧構造体３ｂは，上面の中央に振動発生装置３ａが設置され，繰り返し荷重は４隅の支点から下部加圧構造体３ｃの中央部に伝達される。振動発生装置３ａは振動の大きさ（強さ），周波数の大きさが調整可能なものである。上部加圧構造体３ｂは振動発生装置３ａの周波数に共鳴する固有周波数を持つ構造である。
波動圧密工法において，圧密促進の効果の大きい最適周波数は，粘土の種類によって異なるがだいたい３０〜５０Ｈｚのようである。従って，上部加圧構造体３ｂの固有周期を４０Ｈｚ前後で共振するように製作する。上部加圧構造体３ｂの周期の調整は支点間距離の微調整で行う。従って支点は可動調整できる構造とする。図の例は，上部加圧構造体３ｂを立体トラスとした。これは平面トラスの鉄骨では，剛性が不足して所定の固有周期の確保が難しいことによる。振動発生装置３ａの周波数を最適周波数とし，この最適周波数に上部加圧構造体３ｂの固有周期を調整して合わせ，振動発生装置３ａの小さな振動エネルギーを増幅させ大きな振動エネルギーを確保し大規模残留沈下対策を効率よく実施するものである。

図３は本発明の対策工に使われるバーチカルドレーン４の水平断面図である。図４は図３のＸ−Ｘ線の位置におけるバーチカルドレーン４の鉛直断面図である。図において４ａは排水用のフィルター，４ｂはフィルターの補強用の芯材を兼ねた縦方向のフレキシブルな連続管，４ｃは連続管４ｂのところどころに設けられた小さな孔である。
バーチカルドレーンの圧密時間短縮機能を停止させる場合は，連続管４ｂに排水機能停止剤を圧入して小さな孔４ｃを通してフィルターに停止剤を行渡らせるものである。停止剤は浸透性の良い液体の低強度の固結剤である。

本発明の残留沈下対策工法は，施設の供用前の圧密沈下は積極的に促進させ，供用後の圧密沈下は積極的に遅延させる。施設供用後のバーチカルドレーン工法の圧密時間短縮機能の停止状態のもとで，施設の許容残留沈下量が出現する時期を施設の寿命後とすることを基本とし，施設の長寿命化，安全性，使用性等と経済性との比較検討から，施設の供用前の必要な最適の圧密沈下量を確定し，この最適な圧密沈下量を定量的な施工管理のもとで確保する。これにより環境負荷が小さく施設のライフサイクルコストを低く抑えた残留沈下対策を実現するものである。

施設の供用前に圧密沈下を積極的に促進している施工状況の縦断面図である。繰り返し載荷装置構造体３の平面図である。バーチカルドレーン４の水平断面図である。バーチカルドレーン４の鉛直断面図である。

符号の説明

１対策対象地盤，３繰り返し載荷装置構造体，３ａ振動発生装置，３ｂ上部加圧構造体，３ｃ下部加圧構造体，４バーチカルドレーン，４ａフィルター，４ｂ連続管，５サンドマット，６真空ポンプ，

Claims

粘性土地盤の残留沈下対策工法において，施設の供用前の圧密沈下は，波動圧密工法とバーチカルドレーン工法，さらには必要に応じて真空圧密工法を併用して圧密沈下を促進し，施設の残留沈下量の低減を積極的に図ると共に，施設の供用開始後は，バーチカルドレーン工法の圧密時間短縮機能を停止して，圧密沈下を遅延させることにより，施設の許容残留沈下量の出現時期を大幅に遅延する残留沈下対策工法。
請求項１の残留沈下対策工法において，施設供用後のバーチカルドレーン工法の圧密時間短縮機能の停止状態のもとで，施設の許容残留沈下量が出現する時期を施設の寿命後とすることを基本として，施設の長寿命化，安全性，使用性等と経済性との比較検討から，施設の供用前の必要な最適の圧密沈下量を確定し，この最適な圧密沈下量を定量的な施工管理のもとで実現する残留沈下対策工法。
請求項１の波動圧密工法に使用する繰り返し載荷装置構造体において，該繰り返し載荷装置構造体を構成する加圧構造体の一部または全部を振動発生装置の周波数に共鳴する固有周波数の加圧構造体共振部として，振動発生装置の小さな振動エネルギーを加圧構造体共振部で増幅させて大きな振動エネルギーを確保する繰り返し載荷装置構造体。
請求項１のバーチカルドレーン工法に使用するバーチカルドレーン材において，排水用のフィルターとこのフィルターと一体である補強用の芯材は，縦方向のフレキシブルな連続管でところどころに小さな孔が設けられ，バーチカルドレーンの圧密時間短縮機能を停止させる場合は，前記連続管に排水機能停止剤を圧入してフィルターに停止剤を行渡らせる構造としたバーチカルドレーン材。