JP2013108299A - 地震時液状化防止地盤改良工法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上載荷重が無いか若しくは上載荷重が軽い上載構造物の建設された砂地盤において、当該砂地盤をセメントミルクと撹拌混合すると共に、現場砂地盤にセメントミルクを充填して地盤中に円形状コラムを形成する撹拌混合装置を使用し、地盤のN値を少なくとも平均的に15以上とする円形状コラムを複数形成すると共に、その際、円形状コラムの直径D、平面上円形状コラム中心間のピッチpとして、p≦2Dを満足する範囲内で、前記円形状コラムを縦横に一定間隔のピッチとして複数形成する。
【選択図】 図1
Description
(a)緩い砂層からなる地盤
(b)その砂の粒径が比較的細かいものから構成されている地盤
(c)その砂の粒径が比較的揃っているものから構成されている地盤
(d)地下水位面が高くて地盤が水で飽和されているか、飽和に近い状態の地盤
それ以後、上載構造物の基礎設計に当り地盤の液状化の検討が行われるようになって現在に至っている。
<鉄骨、鉄筋コンクリート構造物の基礎について>
杭基礎において、既成杭を使用する場合、昔はディーゼルハンマー等で杭を打設していたので、杭間の緩い砂層はその振動等で締められ締っていた。しかし、現在では環境問題としての騒音防止等の理由から先行掘りをして杭を施工する工法が採用され、杭間の地盤は締め固めることがない。このため新たな施工に際して、基礎杭の締固めがされた地盤であるか否か、予め既成杭の施工方法を充分に考慮しておく必要がある。
また、杭基礎において、現場施工の杭を使用する場合、色々な施工方法があるが、原則として現場の土とコンクリートを入れ替える方法が採用される。この方法の場合も、杭間の地盤は締固められない。
この結果、上記いずれの場合も、地震時に杭間の地盤が液状化の恐れがある。この杭間に液状化が起こればその部分の杭に対する摩擦がゼロとなり、杭に対する引張抵抗がゼロとなる。もしこのような設計をしていると、地震時に上載構造物が横力を受けて転倒を起こし、そのとき杭が抜かれる恐れがある。
本工法の基礎は、基礎を含めて地盤全体を上層構造物の荷重の支持に当らせるとの考え方である。
前述のように上載構造物が無い或いは木造家屋のように比較的軽い上載構造物支持地盤の所で液状化が起こることを見出したので、当該地盤について、その現地盤を液状化が起こりにくい地盤に改めることがこの工法の特徴である。
なお、これまでの地盤改良工法について工法について簡単に説明する。その具体的な工法として、次の工法がある。
<M1:バイブロフローティション工法>
我が国においてはその施工深度が8m程度である。
<M2:サンドコンパクション工法>
一般的に使用されているが、充填材の砂の入手が非常に困難になっていると同時に施工管理が難しい。
<M3:深層混合工法>
ビル、盛土道路、堰堤等の上載構造の基礎として一般に広く普及している。
しかし、上記いずれの工法においても、上載構造物の無い駐車場、道路、荷重の軽微な木造家屋に対してこれを液状化防止工法として適用し使用した例は従来見当たらないし、これまでなかった。
その場合、セメントミルクの供給を最小限して、地震時に容積変化が生じにくいリングコラムを作成することができ、安価な工法を提供することができる。
本発明のリングコラム工法によれば、地震時に地下水中に浮遊した砂粒子を円筒形のコラムの中に閉じ込めて上下のみの運動に拘束すると共に、在来の地盤の強度を上げて液状化しにくい地盤とすることができる。
本発明に係る工法は、先に述べた先行の地盤改良工法との関係で述べれば、上記深層混合工法に改良を加え、従来の工法に比して経済的にした工法であり、先ず、次に示す工法(以下「リングコラム工法」と称する。)を例として説明する。
地盤の強さは一般的に次の式で示すことができる。
(数1)
τ=σtanφ° ・・・(1)式
ここで、τ=地盤の強さ
σ=土の重さ
φ=土の内部摩擦角
N=標準貫入試験で得られるN値
(数3)
τ=(σ−u)tanφ° ・・・(3)式
u=地震時に発生する地下の水圧
一方、(3)式では、tanφ°の値が大きくなっても、水圧uが発生し、(σ−u)となると、τ=0となり、地盤が崩壊することとなる。
τ=(ΔP+σ−u)tanφ° ・・・(4)式
ここで、各記号は次を表す。
τ:地盤強度
ΔP:上載構造物の荷重
σ:土圧
u:地震時発生する地下の水圧
上載構造物の荷重を受ける地盤(A)エリアでは、τ=(ΔP+σ−u)tanφ°・・・(4)式
上載構造物の荷重を受けない地盤(B)エリアでは、 τ=(σ−u)tanφ° ・・・(3)式
ここで、上載構造物の荷重を受ける地盤(A)エリアよりも、その周辺の上載構造物の荷重を受けない地盤(B)エリアの方が液状化の可能性が大である。
実際これまでは、(A)エリア上載構造物の支持のため当然基礎工法が施工されることが一般的である。しかし、その周辺の(B)エリアは無処理である場合が殆どであった。
したがって、このケースの場合、地震時に(B)エリアに液状化が生じ、その結果地盤沈下が起こり建物と周辺に段差が生じ大変不都合になる。そこで、(B)エリアにおける液状化の対策として、このリングコラム工法を開発したのである。
液状化の発生する地盤は、砂地盤であってしかも次の条件がある所である。
(a)緩い砂層からなる地盤
(b)粒径の小さい砂で構成されている地盤
(c)砂の粒が揃っている地盤
(d)地下水で飽和されている地盤
以上(a)〜(d)の条件が全て揃っている所は地震時に液状化が起こる可能性が大である。一方、(a)〜(d)条件の一つでも欠けると液状化の可能性が比較的小さくなる。
しかし、行政等の指導では、(a)〜(d)条件の一つでも含んでいると液状化が起こる可能性があるというようにすることがあるので注意が必要である。
駐車場、道路、岸壁埠頭、木造建屋等
以上のことから、上載荷重が無いか、上載構造物が有っても荷重として小さい場所である。
上記(1)(2)から、対象地盤条件、場所が明らかであるので、それに対応して摘要することになる。
なお、上記(1)(a)において、「緩い砂層」とは標準貫入試験のN値が15以下とされている。したがって、本工法ではその対策として、「N値」を15以上に改良する工法とする。
直径1mコラムを造成するテノコラム(登録商標第2076314)工法に改良を加えて、外側部分に0.1m厚のリング状の柱を施工する。即ち、図1、図2を参照して、施工後直径1mのコラムはその内側に0.1m厚の固形筒が形成され、0.4m半径の内部は現砂地盤が埋め戻されている。
一般に砂層において、間隙比と標準貫入試験のN値との関係は次の(5)式で与えられる。
e=0.95−N/100 ・・・(5)式
ここで、e:間隙比、N:標準貫入試験値
一方、砂層において液状化防止のためには、砂層のN値を15以上にする指針があるので、このN値を15以上に改良すればよい。
全体積Vは、V=r2π・h
リング内部の体積V1は、V1=(r1)2π・h
リング部分の体積V2は V2=V−V1
間隙比e1は、与えられた(5)式;e1=0.95−N/100,N=5より、
e1=0.9(=0.95−0.5)である。
また、本テノコラムの深度方向1mと仮定した場合の体積Vは
V≒0.785(=π×0.5×0.5×1)であり、
そしてその空隙は、V×e1/(1+e1)で与えられ、≒0.37(=0.785×0.9/(1+0.9))である。
図1において、リング状にテノコラム(登録商標第2076314)工法を施工した場合の厚み0.1mのリング状の部分は、セメントミルクと現地盤砂を混合固化した部分で、殆ど間隙が0に近いと考えられる。間隙のあるのは、中の砂の部分のみとなる。
リング内部の体積V1は、
V1≒0.5〔m3〕(=0.4×0.4×π×1?V1=(r1)2×π・h)である。
その空隙は、V1×e1/(1+e1)で与えられ、
5.0×0.9/(1+0.9)≒0.24〔m3〕となる。
リング外径1mの体積V(=0.785m3)に対して、空隙が0.24〔m3〕である場合として計算することができ、このときの空隙比e2は、e2=0.24/0.785≒0.3である。
また、N値の試算値は、N=(0.95−0.3)・100≒65と試算される。
上述したように、砂層において液状化防止のために砂層のN値を15以上にする必要があることから、この地盤をN値平均15以上とするには、改良した面積0.785〔m2〕のN値65の部分と、非改良の面積AのN値5の部分とにより得られる次の式が、平均N値を15以上であるとすればよい。
平均N値を15とすると、15≦(0.785×65+A×5)/(A+0.785)の式から
A=0.785×5≒3.9≒4〔m2〕が得られる。
このことより、設計として、直径1mのテノコラムを2m正方形間隔で打設すればよいことが試算できた。
一般論として、自然にある砂層の場合には、N値5より小さいものは殆どないと思われる。しかし、人工的に造成した地盤造成を後の日の浅い所で、N値5以下のことがあるので、注意は必要である。
N値が5である現地盤に対し直径1mの中実コラムを作成する場合であって、中実のテノコラムを、間隔をおいて縦横に複数個形成する場合を想定し、テノコラムの中心間のピッチをpとし、施工形成された4個のコラム中心を結ぶ矩形の面積をAとした場合を例として説明する。
図2を参照して、直径1mの中実コラムを上下所定の間隔で作成する場合、
施工後の中実コラム部分については、無垢の深さ1mとする単位体積V=0.785〔m3〕の部分における空隙にセメントミルクが充填され固化されるので、空隙0である。
一方、4個のコラム中心を結ぶ矩形の面積をAから直径1mの中実コラム部分の面積0.785〔m2〕を除いた砂質部分については、間隙比e=0.95−N/100を適用して、上記例における間隙比e1=0.95−5/100=0.90と計算できる。
縦横同一長さの四角形であるとした場合、ピッチp=2.5mが最大でありであり、実施例1と同様に、ピッチp=2m、A<4〔m2〕として施工しても問題はないことが分かる。
したがって、設計としては、実施例1の場合と同様、直径1mのテノコラムを2m間隔で正方形位置に打設することができる。
なお、配設位置は角形隅部に限らず、並行四辺形の隅部などこれに準ずるものであればどのようなものでもよい。
勿論、この空隙にセメントミルクを充填すると空隙は0となる。
2A 上載構造物の荷重を受ける地盤Aエリア
2B 上載構造物の荷重を受けない地盤Bエリア
3 スクリューオーガー装置
3a オーガー管
3b セメントミルク供給路
3c 排土螺旋羽根
3d 撹拌羽根
3e 噴射管
3f 掘削刃
4A リングコラム工法による円筒状ソイルセメント円柱
4B テノコラム工法による中実ソイルセメント円柱
S 円筒内部砂
R リングコラム工法による円筒状部分
リング内部の体積V1は、
V1≒0.5〔m3〕(=0.4×0.4×π×1←V1=(r1)2×π・h)である。
その空隙は、V1×e1/(1+e1)で与えられ、
5.0×0.9/(1+0.9)≒0.24〔m3〕となる。
Claims (5)
- 地震時に液状化が起こる可能性の高い砂地盤であって、特に上載荷重が無いか若しくは軽い上載構造物、例えば木造建屋の建設された砂地盤において、撹拌混合装置を使用して当該砂地盤をセメントミルクと撹拌混合すると共に、現場砂地盤にセメントミルクを充填して地盤中に円形状コラムを形成し、これにより略均一の強さを有する地盤に改良して、上載荷重の無い又は軽い地盤においても地震時の液状化を起こりにくくすることを可能とした地盤改良工法であって、改良した地盤のN値を少なくとも平均的に15以上として、前記円形状コラムを平面上円形状コラム中心間のピッチを同じくした一定の所定ピッチで縦横に複数形成する地震時液状化防止地盤改良工法。
- 請求項1記載の地震時液状化防止地盤改良工法おいて、前記円形状コラムの直径Dとし、相隣る円形状コラム中心間の距離をピッチPとするとき、P≦2Dを満足するピッチにおいて円形状コラムを形成する地震時液状化防止地盤改良工法。
- 請求項1又は2記載の地震時液状化防止地盤改良工法おいて、前記円形コラムを、内部に現地砂を含んだ円筒状ソイルセメント円柱として形成する地震時液状化防止地盤改良工法。
- 請求項1又は2記載の地震時液状化防止地盤改良工法おいて、前記円形コラムを、内部を含めてセメントミルクと原地盤を混合した中実ソイルセメント円柱として形成する地震時液状化防止地盤改良工法。
- 請求項1〜4記載の地震時液状化防止地盤改良工法おいて、前記円形コラムを形成するため、注入されるセメントミルクの注入圧力を所定深度における間隙水圧以上とし、前記円筒状ソイルセメント円柱又は中実ソイルセメント円柱に係る所定の寸法以上の拡大範囲にまでセメントミルクを注入浸透可能として前記円形コラムを形成する地震時液状化防止地盤改良工法。
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