JP2011006946A

JP2011006946A - 地盤改良工法

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Publication number: JP2011006946A
Application number: JP2009152321A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Hayashi; 健太郎林; Yoshinori Kurumada; 佳範車田
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: JP4842350B2

Abstract

【課題】砂杭等の造成に起因する周辺地盤の隆起を簡単な方法で減少させることができる地盤改良工法を提供する。
【解決手段】砂杭等を地盤内に造成する地盤改良工法において、周辺地盤に鉄筋や鋼管や形鋼等の棒状の鋼材を挿入してから、砂杭を地盤に貫入して造成することにより増加する側方圧力が鋼材を拘束することで、鋼材の引き抜き抵抗が増加し、隆起しようとする周辺地盤に対して鋼材の引き抜き方向と反対方向に軸力が発生することにより地盤の隆起を効果的に抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、砂杭や撹拌杭等を地盤内に造成する地盤改良工法に関する。

軟弱地盤の改良のため地盤の密度を増加させる締固め工法が公知である。かかる締固め工法として砂杭を地盤内に造成して地盤の密度を増加させるサンドコンパクションパイル（ＳＣＰ）工法がある。この工法は、ケーシングパイプ（中空管）をバイブロハンマで振動させながら地中に貫入し、ケーシングパイプを通して砂を供給し、大径のよく締め固めた砂杭（サンドコンパクションパイル）を地中に造成し地盤を改良する工法である。砂の代わりに砂利や礫を使用することもある。（非特許文献１参照）。

上記ＳＣＰ工法では砂杭の貫入により地表面が隆起する問題がある。砂杭の貫入には、通常、振動を利用した方法や回転圧力を利用した方法などがあり、振動を利用した方法では、圧入部の振動増加に伴い、鋼材周辺の拘束圧が比較的小さくなる場合があるので、隆起抑止効果は小さい。振動を伴わない回転圧力等を利用した方法では、拘束圧の低減はないため、隆起抑止効果が比較的大きい。

また、地盤改良工法において地表面近くの浅部の密度増大を増加させるために、重錘を砂杭の周辺の地盤上に設置して、砂杭を貫入する方法が提案されている（特許文献１参照)。このような方法によれば、図１０のように地表におかれた重錘による荷重は、土中の分散角度に従い、地盤内に分散して伝わるため、土被り荷重は大きくなるが、深度が深くなるに従い、土被り増加の効果は急激に小さくなり、効果があるのは表層の近傍だけである。

また、アンカーを鉛直に地盤に打ち込むことにより、地下掘削時の被圧地下水による盤膨れを防止する方法が複数提案されている（特許文献２，３参照）。これらの発明は、地下掘削時の被圧地下水による盤ぶくれを、土中に固定したアンカーの張力で押さえる方法である。

また、鋼材を用いた方法としては、鋼材にプレストレスを作用させることで、軟弱地盤の圧密沈下を促進する方法が提案されている（特許文献４参照）。この方法は、鋼材を鉛直方法に地盤内に打ち込み、下端を固定した後、引っ張り力を作用させて、上端を固定するものである。

また、地盤改良工法として化学的安定処理による深層混合処理工法も公知であり、かかる工法は地盤内に深部まで石灰やセメント等の化学的安定剤を添加し改良対象土と強制的に撹拌混合して強固な地盤を造成するものである（非特許文献２参照）

特開平７−３２４３２５号公報（図７）特開２００６−２４３９号公報特開２００１−１８２０８８号公報特開昭６３−２７７３１５号公報

軟弱地盤対策工法調査・設計から施工まで現場技術者のための土と基礎シリ−ズ１６社団法人地盤工学会地盤工学用語辞典社団法人地盤工学会

砂杭を地盤内に貫入して地盤の密度を増加させる締固め工法では砂杭の貫入により地表面が隆起するが、かかる隆起について図８，図９を参照して説明する。図８に実測された砂杭の貫入と隆起との関係を示す。図８には水平変位を示すが、鉛直変位は水平変位よりも小さいとされている。図９に砂杭貫入による周辺地盤の隆起メカニズムを説明するための概略的な断面図を示す。図８ではθが小さい改良範囲から近いところで隆起量が大きくなっている。この隆起は、土被り圧力が大きい深部に比べ、図９に示すように、地表面近くの土被り圧力が小さい区域ほど大きくなる。このため、これらの地表面に近い浅部の杭間では、隆起に伴い、締固めによる密度の増大効果が小さくなり、また、隆起した部分の撤去や整地作業等の工程が必要となってしまう。深層混合処理工法により撹拌杭を造成する場合も同様の問題が生じることがある。

特許文献１〜４の工法により周辺地盤の隆起問題に対処しようとすると、重錘やアンカーやプレテンションなどが必要であり、いずれも工法の構成が複雑になってしまう。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、砂杭等の造成に起因する周辺地盤の隆起を簡単な方法で減少させることができる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、本発明者は、鋭意研究の結果、図１に示すように、周辺地盤に鉄筋や鋼管や形鋼等の棒状の鋼材を挿入してから、砂杭を地盤に貫入して造成することにより増加する側方圧力が鋼材を拘束することで、鋼材の引き抜き抵抗が増加し、隆起しようとする周辺地盤に対して鋼材の引き抜き方向と反対方向に軸力が発生することにより地盤の隆起を効果的に抑制可能であるという知見を得て本発明に至ったものである。

すなわち、本実施形態による地盤改良工法は、杭を地盤内に造成する地盤改良工法において、杭の造成前に杭のまわりに棒状体を地中に差し込んだ後に杭を造成することを特徴とする。

この地盤改良工法によれば、棒状体を地中に差し込んだ後、砂造成によって生じる鋼材への拘束圧力の増加に伴う摩擦抵抗の増大が地盤の隆起を減少させる方向に作用することにより、杭造成に起因する周辺地盤の隆起を減少させることができる。また、杭のまわりに棒状体を地中に差し込むだけであるので、簡単な方法であり、コスト的にも有利となる。

上記地盤改良工法において複数の杭を地盤内に造成する前に前記杭の周囲に複数の棒状体を差し込み、前記杭の造成による前記杭間における側方圧力の増加が前記棒状体の側面の摩擦抵抗を大きくすることで、棒状体の引き抜き力を増加せしめ、この引き抜き抵抗力を利用して地表面の隆起を減じかつ地表面近くの杭間の密度増大効果を大きくすることができる。

また、前記杭が砂杭であることが好ましい。また、前記杭が深層混合処理工法によって前記地盤内に強制圧入される撹拌杭であってもよい。

本発明の地盤改良工法によれば、砂杭や撹拌杭等のまわりに棒状体を地中に差し込むだけの簡単な方法により砂杭や撹拌杭等の造成に起因する周辺地盤の隆起を減少させることができる。

本実施形態における地中に差し込んだ鋼材による周辺地盤の隆起抑止メカニズムを説明するための概略的な断面図である。本実施形態による地盤改良工法の工程を説明するためのフローチャートである。本実施形態による地盤改良工法の砂杭貫入に使用する施工機械を示す側面図である（非特許文献１の１４０，１４１頁参照）。本実施形態における複数の砂杭と複数の鋼材との配置例を示す平面図である。図４の砂杭と鋼材とを示す、図４のV-V線方向に切断してみた断面図である。本実施形態における複数の砂杭と複数の鋼材との別の配置例を示す平面図である。本実施形態において砂杭貫入時における隆起防止メカニズムを説明するための概略的な断面図である。実測された砂杭の貫入と隆起との関係を示す図（陸上のサンドコンパクション工法施工にともなう周辺地盤変位（無対策）非特許文献１の１４５頁参照）である。無対策の場合の砂杭貫入による周辺地盤の隆起メカニズムを説明するための概略的な断面図である。重錘を砂杭の周辺の地盤上に設置する従来の方法を説明するための概略的な断面図である。本実施形態において鋼材を打設する手段を説明するための図である。本実施形態において鋼材を打設する別の手段を説明するための図である。本実施形態で地中に差し込まれる棒状体の形状の変形例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態における地中に差し込んだ鋼材による周辺地盤の隆起抑止メカニズムを説明するための概略的な断面図である。図２は本実施形態による地盤改良工法の工程を説明するためのフローチャートである。図３は本実施形態による地盤改良工法の砂杭貫入に使用する施工機械を示す側面図である。

図２のように、本実施形態による地盤改良工法は、地盤の密度を増加させるために造成される砂杭のまわりに棒状体として鋼材を地中に差し込み（Ｓ０１）、次に、砂杭を貫入するようにして造成する（Ｓ０２）ものである。

上記工程Ｓ０１における棒状体の鋼材として、鉄筋や鋼管や形鋼等を用いることができ、例えば、図１１のバイブロハンマや図１２の振動式杭打抜機を使用して棒状体の鋼材を地中に打設して差し込み配置することができる。

すなわち、図１１のように、クレーン４０で吊り下げられた小型のバイブロハンマ４１により鋼材３１を振動させながら地表面Ｇから打設する。また、図１２のように、振動式杭打抜機として油圧ショベル４２の先端に装着された油圧加振機４３により鋼材３１を振動させながら地表面Ｇから打設する。なお、鋼材の打設手段としては、図１１，図１２の例に限定されず、他の手段を用いてもよい。

また、上記工程Ｓ０２における砂杭の貫入・造成のために図３のような施工機械１０を用いることができる。すなわち、図３のように、施工機械１０は、ケーシングパイプ１１，ホッパ１２，バイブロハンマ１３，ショックアブソーバ１４，シーブブロック１５，リーダ１６，クローラークレーン１７，バケット１８を備え、バイブロハンマ１３でケーシングパイプ１１を振動させながら地表面Ｇから地中に貫入させ、ケーシングパイプ１１を通して砂を地中に供給し圧入し、締め固められた砂杭を地盤内に略鉛直方向に造成する。なお、トラクターショベル１９でバケット１８への砂の供給および足場の整地を行い、発電機２０はバイブロハンマ１３等の動力源、レシーバタンク２１とコンプレッサ２２はケーシングパイプ１１内の圧気用である。

次に、本実施形態の地盤改良工法における複数の砂杭と複数の鋼材との配置例について図４〜図６を参照して説明する。

図４は本実施形態における複数の砂杭と複数の鋼材との平面配置例を示す平面図である。図５は図４の砂杭と鋼材とを示す、図４のV-V線方向に切断してみた断面図である。図６は本実施形態における複数の砂杭と複数の鋼材との別の平面配置例を示す平面図である。

図４，図５のように、複数の鋼材３１が地表面Ｇから差し込まれてから、複数の砂杭３０が造成されるが、砂杭３０と隣り合う砂杭３０との間に各鋼材３１が位置し、各鋼材３１が砂杭３０の周囲に配置される。

すなわち、図４，図５では、砂杭３０，３０間の距離ａと、鋼材３１，３１間の距離ｂとが等しく、例えば、２５０ｃｍに設定される。また、砂杭３０は、例えば径５０ｃｍに造成され、鋼材３１は、例えば径３．２ｃｍ、長さ４００ｃｍの鋼管から構成され、鋼材３１の差し込み長さが４ｍとなっており、砂杭３０の鉛直方向長さよりも短くなっている。

図６に示す別の平面配置例は、複数の砂杭３０に対する複数の鋼材３１が図４の平面配置よりも疎になるように配置したものである。すなわち、四角形を構成するように配置された４本の砂杭３０の対角中心に各鋼材３１が位置するように配置されている。

以上のように、本実施形態の地盤改良工法によれば、図１のように周辺地盤に鋼材の設置後、砂杭貫入によって生じる鋼材への拘束圧力の増加に伴う鋼材への摩擦抵抗の増大が地盤の隆起を減少させる方向に作用する。すなわち、図５のように、砂杭３０の造成により砂杭３０間で地表面Ｇが隆起し隆起部Ｕが生じるが、砂杭３０の造成により鋼材３１の拘束力が大きくなるに伴い、鋼材３１周辺の土が鋼材３１に張り付くため、鋼材３１の差し込み位置とその近傍では、隆起部Ｕの隆起量が他の位置よりも小さくなる。

また、砂杭３０間での隆起を抑制できるので、砂杭３０間において地表面Ｇ近くの地盤の密度増大効果を大きくすることができる。さらに、砂杭３０の周囲の周辺地盤に鋼材を差し込むだけであるので、工法の構成が簡単となり、低コストとなり有利である。

地面隆起に対して重錘を置く図１０のような方法を用いると、隆起を生じさせる力を重錘の重量が減ずるため、未対策の場合に比べて隆起量が減ることは容易に理解できる。図１０のような重錘法と比べ、周辺地盤に鋼材を挿入して周辺地盤の拘束圧を大きくする本実施形態の工法は、簡単な方法であるため作業が簡易であるにもかかわらず、重錘設置と同様の効果を奏する。かかる効果について図７を参照してさらに説明する。図７は本実施形態において砂杭貫入時における隆起防止メカニズムを説明するための概略的な断面図である。

図７のように、鋼材３１を設置した後、砂杭３０を地盤内に貫入方向Ｋへ貫入することにより増加する側方圧力が鋼材３１を拘束することで、摩擦による鋼材３１の引き抜き抵抗が増加し、隆起しようとする周辺地盤に対して上方への引き抜き方向と反対方向Ｌに摩擦抵抗による軸力が発生し、地盤の隆起を効果的に抑制することができる。アンカーなどと異なり、地盤を隆起させる上向きの力が鋼材の引き抜き力を超えた場合でも、鋼材への摩擦抵抗が作用するため、地盤の隆起に抵抗する点がアンカーやプレテンションなどの方法と異なる。

すなわち、本実施形態は、土中に鋼材を差し込むだけで、土中に固定端を設けず、鋼材に生じる摩擦抵抗力だけで隆起を抑制するものであるから、特許文献２，３のようにアンカーを鉛直に地盤内の深部に打ち込むものとは構成が異なり簡単な構成である。

また、特許文献４の工法は鋼材にプレストレスを作用させるため、下端を不動点に固定する必要があるのに対し、本実施形態は、プレストレスを作用させないため固定点が不要であり、構成が簡単である。

また、図５では鋼材３１の地中への差し込み長さは４ｍであるが、比較的浅く土被り圧力がさほど大きくない区域において砂杭３０の造成に起因する隆起が起きることに鑑みると、鋼材３１の地中への差し込み長さは２〜６ｍ程度でよいと考えられる。

なお、地盤改良工程が終了した後、地中へ差し込んだ鋼材３１は、引き抜き処理を行うようにしてよいが、そのまま放置してもよい。

次に、本実施形態の地盤改良工法における効果について数値的に検討する。砂杭の貫入により、隆起しようとする周辺地盤によって鋼材に発生する軸力（引き抜き力）は次の式（１）で求められる。この引き抜き力が周辺地盤を押さえ込む応力となる。

引き抜き力＝σs × Ａｓ（１）
ただし、σs：鋼材周りの土と鋼材との付着応力
Ａｓ：鋼材の付着面積（鋼材長×鋼材周長）

例えば、直径48.6mm、肉厚2.6mm、長さ4mの鋼管（単管）を地盤に差し込むと、引き抜き力は以下のように計算される。
単管周長：15.268cm
地盤強度せん断抵抗角φ：40°
土の単位体積重量：1.8tf/m³
土の付着力＝土被り圧(土の単位体積重量×平均深度)
＝1.8tf/m³×2m＝3.6tf／m²
側圧係数k=2.0 （サンドコンパクション施工時）
引き抜き力＝3.6tf/m²・2.0・tan（40）×0.15268m×4m＝3.7tf/本

上述のように、上記条件では、引き抜き力3.7トンが鋼管１本の抵抗荷重となる。このため、４本の鋼管を砂杭の周囲に打設すれば、14.7tfの重錘を設置したと同じ効果を見込むことができる。

以上のように本発明を実施するため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、本実施形態は、砂杭造成による密度増大工法を使用したときに周辺地盤の隆起を減少させるようにしたものであるが、本発明は、これに限定されず、杭造成時に周辺地盤の隆起が生じるおそれのある地盤改良工法一般に適用することができ、例えば、地盤内に攪拌杭を強制圧入して造成する深層混合処理工法などの地盤改良工法にも適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

また、地中に差し込む棒状体として、鉄筋や鋼管や形鋼等の鋼材を例にして説明したが、鋼材に限定されず、他の材料であってもよく、例えば、硬質プラスチック材料等からなる棒状の硬質材料、または、丸棒や角材等の木材などであってもよい。また、形状に関し、例えば、図１３のように、各種材料からなる棒状体５０が突起５１を有する形状であってもよく、この場合、突起５１は地盤に打設可能な程度に突き出ていることが好ましい。

また、本発明の地盤改良工法は、砂杭造成のためにケーシングパイプを振動させながら貫入させる工法に限定されず、強制昇降装置を用いた回転圧入等により振動エネルギによらずに貫入させる工法であってもよい。また、砂質土や粘性土や有機質土の地盤に適用可能であるが、これらに限定されず、他の地盤であってもよい。

本発明の地盤改良工法によれば、砂杭や撹拌杭等のまわりに鋼材を地中に差し込むだけの簡単な方法により砂杭や撹拌杭等の造成に起因する周辺地盤の隆起を減少させることができるので、杭間での締固めによる密度の増大効果を大きくできるとともに、隆起した部分の撤去や整地作業等の工程が不要乃至簡単となり、地盤改良コストの低減につながる。

３０砂杭
３１鋼材
Ｇ地表面

Claims

杭を地盤内に造成する地盤改良工法において、
杭の造成前に杭のまわりに棒状体を地中に差し込んだ後に杭を造成することを特徴とする地盤改良工法。
複数の杭を地盤内に造成する前に前記杭の周囲に複数の棒状体を差し込み、
前記杭の造成による前記杭間における側方圧力の増加が前記棒状体の側面の摩擦抵抗を大きくする請求項１に記載の地盤改良工法。
前記杭が砂杭である請求項１または２に記載の地盤改良工法。
前記杭が前記地盤内に強制圧入される撹拌杭である請求項１または２に記載の地盤改良工法。