JP2010037831A - 地盤改良工法 - Google Patents

Abstract

【課題】軟弱粘土地盤等において盛土を行う場合に周辺地盤における変位を抑制可能な地盤改良工法を提供する。
【解決手段】この地盤改良工法は、真空圧密と盛土との組み合わせによる地盤改良工法であって、改良区域Ａと未改良区域Ｂとの境界Ｃ付近に加水練り返しにより変位遮断層２５を略鉛直方向に構築し、改良区域内の地盤において盛土を行う際に盛土載荷を段階的に増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空圧密と盛土との併用による地盤改良工法に関する。

軟弱粘土地盤の改良工法として、盛土を用いた載荷盛土工法及び真空圧密工法が知られている。載荷盛土工法は、図３（ａ）のように、改良対象の地盤上に盛土して載荷し圧密沈下を生じさせて土の密度増加を図ることで土の圧縮性の低下とせん断強度の増加を図るものである。なお、図３（ａ）では、透水性能向上のためにサンドマットが予め敷設されている。真空圧密工法は、大気圧を載荷重として利用して軟弱地盤を圧密するものであり、多くの適用例がある。

また、道路建設に伴う盛土においては、真空と盛土による圧密を併用することが行われており、両者を併用すると、盛土のみの場合に比べて盛土の盛り立て速度を大幅に増加することができる（たとえば、非特許文献１のＩ−５１〜Ｉ−５６頁参照）。この理由は、真空圧密工法は地盤のせん断を伴わない圧密現象であり、盛土載荷時には真空圧密による強度増加が地盤の安定に大きく寄与するからである。

盛土併用の真空圧密工法には、ドレーンに排水ホース付のキャップを取り付けた真空圧密ドレーン工法（たとえば、特許文献１乃至４参照）がよく適用されている。このキャップ付ドレーンを利用した真空圧密工法は、図４（ａ）のように、気密キャップを取り付けたドレーンを改良対象の地盤中に設置して排水ホース、集水管を通して真空ポンプ等からなる負圧作用装置により排水しながら真空圧密を行うものである。

その他には、地盤表面をシートで密封して負圧を作用させるシート式工法があるが、盛土との併用の場合には、密封シートがそのまま盛土の直下に残されため、雨水排水に支障があるなどの問題があり、最近ではその適用が減少する傾向にある。この理由からも真空圧密ドレーン工法としてはキャップ付ドレーンを利用したものが多用される傾向にある。
「真空圧密ドレーン工法 技術資料」平成２０年１月（真空圧密ドレーン工法研究会） 特許第２８７３７６４号公報 特許第３７７７５６６号公報 特許第３７６３０５４号公報 特許第３７３１２０１号公報

軟弱粘土地盤上に道路盛土を建設する場合には、図３（ｂ）に示すように、盛土荷重によって、下部の粘土地盤が非排水のせん断変形を起こして側方に移動し、また、圧密によって沈下する。そのため、周辺地盤に隆起等の変位が生じ、周辺区域に構造物（民家や排水路など）があると、この変位により有害な影響を受ける可能性がある。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、軟弱粘土地盤等において盛土を行う場合に周辺地盤における変位を抑制可能な地盤改良工法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態による地盤改良工法は、真空圧密と盛土との組み合わせによる地盤改良工法であって、改良区域と未改良区域との境界付近に加水練り返しにより変位遮断層を略鉛直方向に構築し、前記改良区域内の地盤において盛土を行う際に盛土載荷を段階的に増加させることを特徴とする。

この地盤改良工法によれば、盛土と真空圧密との併用で盛土による外側への変位と真空圧密による内側への変位とが相殺されるため地盤の水平変位を小さく抑えることができる。また、加水練り返しによる変位遮断層を改良区域と未改良区域との境界付近に設けることで盛土側からの変位を遮断して盛土側の連れ込み沈下を低減できる。さらに、盛土載荷を段階的に増加させることで地盤の水平変位挙動を制御でき、水平変位を低減できる。上述のようにして地盤改良時に周辺地盤における変位を抑制できる。

上記地盤改良工法において前記変位遮断層は、在来粘土に加水して液性限界程度の含水比を持つ完全攪乱に近い粘土層であることが好ましい。これにより、改良区域の地盤が粘土層である場合、変位遮断層をせん断剛性の極めて小さい層にできる。なお、変位遮断層は、現地条件によってはベントナイトなどの増粘材を添加して攪拌することで形成することが好ましい。また、変位遮断層は境界近傍に３０ｃｍ〜１００ｃｍ程度の幅で設置することが好ましい。

また、前記真空圧密を前記盛土に先行して開始することが好ましい。盛土を最初に施工すると盛土荷重により非排水のせん断変形（盛土部分が沈下して、周辺部分が盛り上がる現象）が生じてしまうが、かかるせん断変形の発生を抑えることができる。なお、盛土の施工開始は、地盤における水平変位を測定し、その測定結果に基づいて決定することが好ましい。

また、前記地盤における水平変位を測定し、その測定結果に基づいて前記盛土の施工時期を調整することが好ましい。盛土載荷の段階的な増加のため盛土を段階的に施工する際に、水平変位の測定結果に基づいて盛土の施工時期を調整することで、周辺地盤における変位をより確実に抑制できる。例えば、真空圧密による内側への変位が所定値に達したとき、盛土を段階的に追加することで、その盛土による外側への変位で真空圧密による内側への変位を効果的に相殺することができる。

また、前記地盤における真空圧密及び盛土による水平変位挙動を事前にＦＥＭ等の解析により予測し、その解析結果に基づいて施工計画（盛土の施工時期、施工回数、増加量等）を立て、その施工計画に基づいて地盤改良工事を開始し、前記地盤における水平変位を測定し、その測定結果に基づいて前記施工計画を調整して地盤改良工事を行うことが好ましい。

本発明の地盤改良工法によれば、軟弱粘土地盤等において盛土を行う場合に周辺地盤における変位を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。まず、軟弱粘土地盤上に道路盛土等を建設する際の周辺地盤の変位を抑制するために本発明者等による次の検討結果（１）乃至（３）について説明する。

（１）盛土と真空圧密との併用
真空と盛土による圧密を比べると、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、その水平変位の挙動はまったく逆のパターンになる。すなわち、盛土の場合は図３（ｂ）のように盛土の外側に変位し、一方、真空圧密の場合は図４（ｂ）のように内側への変位となる。そこで、盛土と真空圧密とを併用すると、両者（外側への変位と内側への変位）が相殺されるため、地盤の水平変位を小さく抑えることが可能である。

（２）変位遮断層の構築
改良区域と未改良区域との境界付近に、変位の遮断層を地盤鉛直方向に構築する。この変位遮断層はせん断剛性の極めて小さい層であり、在来粘土層に攪拌翼を挿入し、かつ攪拌翼の先端から加水して、含水比が液性限界付近の状態に改良する、または、ベントナイトなどの増粘材を添加した泥水を在来の砂層や粘土層に攪拌・混合して築造する。この変位遮断層の役割は盛土側からの変位の遮断であり、変位遮断層を設けることで主に盛土側の連れ込み沈下を低減することができる。

（３）ＦＥＭ解析と変位の動態観測に基づく段階的な盛土の施工
真空圧密と盛土とを併用する際には、事前に、ＦＥＭ（有限要素法）解析により地盤の水平変位挙動を予測する。上記非特許文献１（Ｉ−５９〜Ｉ−６１頁）にはＦＥＭ解析の一例が示されている。こうした方法により、真空作用時及び盛土の載荷ステップごとの水平変位を予測することができるので、この予測結果を基に施工計画を立案する。そして、施工に当たっては、実際の変位を観測しながら、盛土計画を調整して、盛土を完了する。これにより、周辺地盤に大きな悪影響を与えることなく、盛土を早期に完了することができる。

本実施形態の地盤改良工法は、上述のように、鉛直方向に構築した変位遮断層を利用した周辺地盤変位抑制型の盛土併用真空圧密工法であるが、図１，図２を参照しながらさらに説明する。

図１は本実施形態による地盤改良工法が適用される地盤を概略的に示す断面図である。図２は本実施形態による地盤改良工法の各工程Ｓ０１〜Ｓ１１を説明するためのフローチャートである。

まず、設計段階において、地盤のＦＥＭ解析（土・水の連成解析）を実施し（Ｓ０１）、周辺区域に大きな変位を与えない圧密荷重の作用方法を検討する。たとえば、土の構成式として、関口・大田モデルを用い、圧密荷重としては、最初に真空圧密の負圧（例えば、−６５ｋＮ／ｍ²）を与える。この負圧状態のまま放置すると、真空圧密の進行に伴って、改良区域と未改良区域との境界部（変位制御の基準点）における地表面の変位が水平方向に改良区域側へと移動する。そして、水平変位が基準値（例えば、５ｃｍ）まで移動した時に、盛土を１段階（例えば、１ｍ程度）施工する。この盛土荷重によって、地表面の変位は改良区域の外側へといったん移動するので、そのまま真空圧密を続け放置する。やがて、真空圧密の負圧の方が、盛土荷重よりも大きいため、地盤変位はまた改良区域側の方へと移動するようになる。この段階的な盛土増加工法を完成盛土高になるまで繰り返し実施する。

上述のようなＦＥＭ解析の結果から、周辺地盤に変位の悪影響を与えない盛土条件を模索し、最終的に盛土の施工時期、施工回数、１回の盛土厚さ（盛土量）を決定することで施工計画を立てる（Ｓ０２）。

次に、施工に当たって、図１のように、気密キャップ１２の付いたドレーン１１を地盤Ｇ内に打設する（Ｓ０３）。気密キャップ１２には排水ホース１３が連結されており、排水ホース１３は図４（ａ）と同様に集水管に接続し、真空ポンプ等からなる負圧作用装置が作動して集水管を通して排水しながら真空圧密を行うことができる。

また、図１のように、改良区域Ａと未改良区域Ｂとの境界Ｃの近傍に３０ｃｍ〜１００ｃｍ程度の幅の変位遮断層２５を地盤Ｇの鉛直方向に構築する（Ｓ０４）。地盤Ｇは軟弱粘土層であり、変位遮断層２５は、この在来粘土層に攪拌翼を挿入しかつ攪拌翼の先端から加水して攪拌翼により練り返すことで形成され、含水比が液性限界付近の状態に改良され、せん断剛性の極めて小さい層となっている。変位遮断層２５において改良区域Ａ側の盛土による変位が未改良区域Ｂ側へ伝達することを遮断する。

次に、ＦＥＭ解析Ｓ０１で設定したように、最初に、真空圧密を施工し、地盤Ｇの表面から負圧を作用させる（Ｓ０５）。盛土を最初に施工すると、盛土荷重により非排水のせん断変形（盛土部分が沈下して、周辺部分が盛り上がる現象）が生じるが、かかるせん断変形を未然に防ぐためである。

また、上記真空圧密工程Ｓ０５の開始とともに、境界Ｃの近傍に設置した変位計１５を用いて境界Ｃの近傍における地盤表面の水平変位の測定を始める（Ｓ０６）。変位計１５は、例えば、トータルステーション（電子式測距測角儀）による測定を行う場合、光波反射プリズムや光波反射シートからなるターゲットを設けたものとし、変位計１５の水平方向位置をリアルタイムで計測することで、水平方向の変位量を測定できる。

次に、図１のように１段階分の盛土２１（盛土全体の一部）を施工し（Ｓ０７）、盛土の段階的な施工を開始する。この場合、上述のＦＥＭ解析と同様に、上記水平変位測定の結果に基づいて盛土２１の施工を開始するように管理する。すなわち、真空圧密を続けることで真空圧密により地盤表面が改良区域Ａ側（内側）に変位するが、この水平変位量が所定値に達した段階で盛土２１を施工する。

そして、盛土が完成するまで（Ｓ０８）、上記水平変位測定の結果に基づいて工程Ｓ０２で立てた施工計画を調整する必要があるか否かを判断する（Ｓ０９）。例えば、水平変位測定の結果に基づいて調整が必要な場合、図１の破線で示す次の盛土２２の施工時期を微調整し（Ｓ１０）、盛土工程Ｓ０７に戻り、次の盛土２２の施工を行う。

例えば、盛土２１の施工後、この盛土荷重で地盤表面は未改良区域Ｂ側（外側）へといったん変位し、そのまま真空圧密を続け放置すると、真空圧密の負圧の方が盛土荷重よりも大きいため地盤表面は再び改良区域Ａ側（内側）に変位するが、この水平変位量が所定値に達した段階を次の盛土２２の施工時期に調整することで、真空圧密による内側への変位を盛土による外側への変位でタイミングよく効果的に相殺できる。

上述のようにして図１の盛土２１，２２，２３，・・・を施工することで盛土の段階的な施工を繰り返し、盛土が完成すると（Ｓ０８）、変位遮断層２５をセメント固化する（Ｓ１１）。これにより、改良区域Ａにおける地盤改良工事は終了となる。

以上のように、本実施形態の地盤改良工法によれば、軟弱粘土地盤において真空圧密と盛土を適切に組み合わせ、かつ、改良区域Ａと未改良区域Ｂとの境界Ｃ付近に加水練り返しによる変位遮断層２５を鉛直方向に設置するとともに、地盤表面の水平変位の測定結果に基づいて盛土を段階的に施工することで、地盤改良の際の周辺地盤の変位を効果的に抑制することができる。このため、本実施形態の地盤改良工法は、軟弱粘土地盤での道路建設における近接施工に好適であり、工事周辺区域にある構造物に悪影響を与えない。

実施例により本発明をより具体的に説明する。実施例及び比較例として行った実験は次のとおりである。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、奥行き３０ｃｍ×長さ１２０ｃｍ×高さ６０ｃｍの容器に粘土をいれ、最終的に、３９．２ｋＮ／ｍ²の荷重で圧密して、高さ３０ｃｍの粘土層を作製した。真空圧密と盛土荷重の作用区域は、図５（ａ）に示す改良用ドレーンのある場所（Ｘ＝０〜２２．５ｃｍの範囲）である。

実験条件は次のとおりである。
実施例：真空と盛土との載荷でありかつ変位制御とし、Ｘ＝３５ｃｍの位置に幅３０ｍｍの加水遮断層を設置した。
比較例１：真空と盛土との載荷であり、遮断層はない。
比較例２：真空と盛土との載荷であり、Ｘ＝３５ｃｍの位置に幅１０ｍｍの練り返し遮断層を設置した。

ここに、加水遮断層とは、含水比が液性限界付近になるまで加水し、十分練り返しを行った粘土層をいう。また、練り返し遮断層とは攪拌棒を回転させて粘土層を攪拌したもの。

比較例１と比較例２では、負圧は真空ポンプにより−６５ｋＮ／ｍ²を作用させ、盛土荷重は模型盛土の上を空圧シリンダーで載荷することにより３９．２ｋＮ／ｍ²の荷重を作用させ、２２時間後に７８．５ｋＮ／ｍ²を作用させた。

実施例では、−６５ｋＮ／ｍ²の負圧による真空圧密を先行して行い、Ｘ＝１８ｃｍの地表面の水平変位が−Ｘ方向に０．５ｍｍ移動するごとに、９．８ｋＮ／ｍ²ずつ段階的に盛土圧を増加し、最終的に７８．５ｋＮ／ｍ²まで載荷した。図６に水平変位と盛土圧の関係を示す。この水平変位の結果は、Ｘ＝１８ｃｍ、Ｙ＝０地点が原点である。図６の下向き矢印で示す時点で盛土圧を増加したが、真空圧密により改良区域側に生じた変位が盛土圧の増加により戻されていることがわかる。

実験結果を図７（ａ）、（ｂ）及び図８に示す。図７（ａ）は地盤改良開始から１５時間後の垂直変位の分布を示し、図７（ｂ）は同じく６０時間後の垂直変位の分布を示す。図８は改良区域と未改良区域の境界（Ｘ＝１８ｃｍ地点）における地盤改良開始から６０時間後の水平変位の分布を示す。図７（ａ）、（ｂ）によると、加水遮断層を設けかつ変位制御（変位の測定結果が０．５ｍｍ以上なると、盛土荷重を増加させて、水平変位を低減する方法）を実施した実施例では、改良区域の外側において、比較例１，２よりも垂直変位が小さく沈下はほとんど生じていないことがわかる。また、図８に示すように、改良区域と未改良区域の境界（Ｘ＝１８ｃｍ地点）における水平変位は、比較例１，２と比べて小さくほとんど生じない結果が得られた。

以上の結果から、本実施例による工法は、周辺地盤への影響がほとんどないことから、周辺地盤変位抑制型の地盤改良工法として有効であることが明らかである。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図２のドレーン１１の打設Ｓ０３と変位遮断層２５の構築Ｓ０４は、いずれか一方を先に行ってよいが、同時進行的に施工してもよい。

本実施形態による地盤改良工法が適用される地盤を概略的に示す断面図である。 本実施形態による地盤改良工法の各工程Ｓ０１〜Ｓ１１を説明するためのフローチャートである。 盛土工法を概略的に示す断面図（ａ）と盛土による地盤の変形状態を概略的に示す図（ｂ）である。 真空圧密工法を概略的に示す断面図（ａ）と真空圧密による地盤の変形状態を概略的に示す図（ｂ）である。 実施例の実験設備を示す正面図（ａ）及び側面部（ｂ）である。 実施例において測定した水平変位と盛土圧を増加した時期との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例において地盤改良開始から１５時間後（ａ）及び６０時間後（ｂ）の鉛直変位を示すグラフ（ａ）、（ｂ）である。 実施例及び比較例において地盤改良で発生した水平変位を示すグラフである。

符号の説明

１１ ドレーン
１２ 気密キャップ
１３ 排水ホース
１５ 変位計
２１〜２３ 盛土
２５ 変位遮断層
Ａ 改良区域
Ｂ 未改良区域
Ｃ 境界
Ｇ 地盤

Claims (5)

1. 真空圧密と盛土との組み合わせによる地盤改良工法であって、
   改良区域と未改良区域との境界付近に加水練り返しにより変位遮断層を略鉛直方向に構築し、
   前記改良区域内の地盤において盛土を行う際に盛土載荷を段階的に増加させることを特徴とする地盤改良工法。
2. 前記変位遮断層は在来粘土に加水して液性限界程度の含水比を持つ完全攪乱に近い粘土層である請求項１に記載の地盤改良工法。
3. 前記真空圧密を前記盛土に先行して開始する請求項１または２に記載の地盤改良工法。
4. 前記地盤における水平変位を測定し、その測定結果に基づいて前記盛土の施工時期を調整する１乃至３のいずれか１項に記載の地盤改良工法。
5. 前記地盤における真空圧密及び盛土による水平変位挙動を事前に解析により予測し、その解析結果に基づいて施工計画を立て、その施工計画に基づいて地盤改良工事を開始し、
   前記地盤における水平変位を測定し、その測定結果に基づいて前記施工計画を調整して地盤改良工事を行う請求項１乃至４のいずれか１項に記載の地盤改良工法。

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