JP2013155558A

JP2013155558A - 構造物の基礎構造

Info

Publication number: JP2013155558A
Application number: JP2012018490A
Authority: JP
Inventors: Akira Ishikawa; 明石川; Hideyuki Mano; 英之眞野; Yasuhiro Shamoto; 康広社本
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-15
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP5822201B2

Abstract

【課題】簡易にかつ低コストで施工可能な液状化対策手法として、特に中低層建物を対象とする有効適切な基礎構造を提供する。
【解決手段】液状化地盤２に構築される構造物（建物１）の地下外壁の周囲に非液状化層２ａに達する止水壁３を設け、該止水壁および基礎底版１ａとによって構造物の直下の液状化層２ｂを取り囲む排水ゾーン５を区画形成する。基礎底版と液状化層との間に透水層６を設けるとともに、地下外壁と止水壁との間に透水層に通じる鉛直ドレーン７を設けて、排水ゾーンにおいて発生する過剰間隙水を透水層および鉛直ドレーンを通して地表に排水可能とする。排水ゾーン内に透水層に通じる他の鉛直ドレーン８を設置しても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は構造物の基礎に関連し、特に液状化地盤に構築される中低層建物に適用して好適な基礎構造に関する。

地上階の階数が数階程度、地下階の階数が１階程度の中低層建物の基礎の構造としては直接基礎が採用されることが多いが、図５に示すようにそのような直接基礎による建物１を液状化地盤２（安定な非液状化層２ａの上層に砂層のような軟弱な液状化層２ｂが堆積しているような地盤）に構築してその基礎底版１ａを液状化層２ｂにより直接支持した場合、地震により建物１直下の液状化層２ｂが液状化した際には基礎底版１ａに対する地盤支持力が消失してしまうとともに、破線矢印で示すように建物直下の液状化層２ｂが止水壁３の下端を潜って周囲に流動してしまい、その結果、建物１全体が大きく沈下したり顕著な不同沈下を生じてしまう懸念がある。
なお、上記の止水壁３は施工時に仮設的に設けられるとともに施工後もそのまま残置されるものであるが、従来のこの種の止水壁３は液状化地盤２の液状化やその結果としての建物１の沈下を防止したり抑制するための機能を有しているものではない。

また、直接基礎に代えて図６に示すような杭基礎を採用することも一般的である。これは非液状化層２ａに達するように設けた支持杭４によって建物１を支持するもので、これによれば液状化が生じても支持杭４により建物１の沈下を防止することが可能である。
しかし、杭基礎は直接基礎に比べてコスト高であるし、液状化による建物１自体の沈下を防止できても周囲地盤が大きく沈下してしまえばそれとの不陸が顕著に生じてしまって地震後の供用に支障を来す場合があり、その点では必ずしも万全とはいえるものではない。

いずれにしても、液状化地盤に各種の構造物を構築するに当たっては事前に十分な液状化防止対策が必要とされ、そのためにたとえば特許文献１〜４に示すような様々な工法や構造が提案されている。

特開平９−９５９５４号公報特開２００７−１９１９８４号公報特開２０００−１３６５４１号公報特開２００４−９２０４９号公報

しかし、特許文献１〜４に示されるような従来の液状化防止工法はいずれも大掛かりな工事を必要とするし、必然的にかなりのコストを要するものであるので広く普及するには至っていない。
以上のことから、比較的簡易にかつ低コストで施工可能な液状化対策手法、特に中低層建物を対象とする構造物の基礎として最適な構造が求められているのが実状である。

上記事情に鑑み、請求項１記載の発明は、非液状化層の上層に液状化層が存する液状化地盤に構築される構造物に適用される基礎の構造であって、前記構造物の地下外壁の周囲に前記非液状化層に達する止水壁を設けて、該止水壁および前記構造物の基礎底版とにより該構造物の直下の液状化層を取り囲むことによって周囲より隔絶した排水ゾーンを区画形成し、前記構造物の基礎底版とその直下の液状化層との間に透水層を設けるとともに、前記構造物の地下外壁と前記止水壁との間に前記透水層に通じる鉛直ドレーンを設けて、前記液状化層の液状化により前記排水ゾーンにおいて発生する過剰間隙水を該排水ゾーンから前記透水層および前記鉛直ドレーンを通して地表に排水可能に構成してなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構造物の基礎構造であって、前記排水ゾーン内に前記透水層に通じる鉛直ドレーンを設置してなることを特徴とする。

本発明の基礎構造によれば、液状化地盤が沈下すること自体は完全には防止できないものの、そこに構築される構造物の沈下を許容しつつその沈下量を制御可能であり、したがって建物全体が大きく沈下を生じたり顕著な不同沈下を生じて周辺地盤との間で大きな不陸が生じるようなことは有効に防止でき、以て建物が供用できなくなるといった大きな液状化被害を十分に防止ないし大幅に軽減することが可能である。

しかも、本発明の基礎構造は基本的には直接基礎の範疇に属するものであって杭基礎とする場合に比べればコスト的に有利であるし、止水壁により排水ゾーンを区画形成してその内部に透水層と鉛直ドレーンを設けるだけの簡易な構造であるので、従来一般の各種の液状化防止対策工法のように液状化の発生自体を防止するために大掛かりな工事を必要とせず、したがって簡易に低コストで実施すること可能であるから、特に従来においては十分な液状化防止対策が困難であった既存あるいは新築予定の戸建て住宅や付帯設備等の比較的小規模の中低層程度の建物に対して適用するものとして最適である。

本発明の基礎構造の実施形態を示す立断面図である。同、平面図である。同、変形例を示す平面図である。本発明の原理を説明するための図である。従来一般の基礎構造（直接基礎）を示す立断面図である。従来一般の基礎構造（杭基礎）を示す立断面図である。

図１〜図３は本発明の実施形態である基礎構造を示す。
これは、上述したように非液状化層２ａの上層に液状化層２ｂが存するような液状化地盤２に構築される中低層程度の建物１への適用例であって、その建物１の地下外壁の周囲に仮設的に設ける止水壁３を非液状化層２ａに達するように設けることにより、その止水壁３および建物１の底面となっている基礎底版１ａとによって建物１の直下の液状化層２ｂを取り囲んで周囲より隔絶した排水ゾーン５を形成し、液状化層２ｂが液状化を生じても建物１の直下地盤の側方流動を防止して従来のようにそれに起因する建物１の沈下を防止することを基本とするものである。
上記の止水壁３は適宜の構造が採用可能であり、通常は図４〜図５に示したように従来より施工中に仮設として設けられかつそのまま残置される一般的な構造のもので十分であるが、本発明においては上記のようにその止水壁３を非液状化層２ａに達するように設けるとともに、少なくとも液状化時における直下地盤の側方流動を防止し得る強度を有するものとして施工する必要はある。

そして、本実施形態の基礎構造においては、止水壁３によって区画形成した排水ゾーン５により建物１の直下の液状化層２ｂの側方流動を防止することに加えて、液状化が発生した際にはその排水ゾーン５から過剰間隙水を速やかに地表に排水して間隙水圧の過度の上昇を抑制することにより、排水ゾーン５内の液状化層２ｂの崩落や過度の変形、排水ゾーン５から地表への過剰間隙水の噴出やそれに伴う噴砂、さらには過剰間隙水圧による建物１の浮き上がりを防止し、以て建物１に対する液状化被害を確実に防止することを主眼としている。

具体的には、建物１の基礎底版１ａとその直下の液状化層２ｂとの間に透水層６を設けるとともに、建物１の地下外壁と上記の止水壁３との間には透水層６に通じるように鉛直ドレーン７を設けることにより、液状化層２ｂの液状化により排水ゾーン５内において発生した過剰間隙水を図中矢印で示すように透水層６および鉛直ドレーン７を通して地表に排水可能に構成している。
上記の透水層６は砂利等の透水材を全面的あるいは要所に部分的に敷設することにより形成すれば良い。また、上記の鉛直ドレーン７は図２に示すように建物１の地下外壁と止水壁３との間に全周にわたって連続的に形成するか、あるいは図３に示すように多数の鉛直ドレーン７を周方向の要所に断続的に形成することでも良いが、いずれにしても鉛直ドレーン７は透水層６と同様に砂利等の透水材の充填により形成するか、あるいは適宜のドレーン材を設置することで形成すれば良い。
さらに、必要に応じて、図２および図３に示しているように排水ゾーン５内にも他の鉛直ドレーン８を透水層６に通じるように設けることも好ましい。

上記のように、建物１の直下に止水壁３によって側方流動を防止するための排水ゾーン５を区画形成するとともに、液状化時にはその排水ゾーン５から過剰間隙水を地表に速やかに排水可能に構成することにより、建物１の直下の液状化層２ｂが液状化した際にも側方流動を防止してそれによる沈下を防止できることはもとより、排水ゾーン５内における過剰間隙水圧を制御してそれによる建物１の沈下を有効に制御し抑制することが可能である。

すなわち、単に止水壁３を設けるだけでは側方流動は防止できてもそこでの過剰間隙水圧の急激な上昇は防止できないので、建物１周囲から過剰間隙水の噴出や噴砂が生じてそれによる沈下は防止できないし、逆に過剰間隙水圧により建物１が浮き上がる事態も想定されるが、上記のように止水壁３により排水ゾーン５を区画形成したうえでその内部から透水層６および鉛直ドレーン７により排水を促進することにより、建物１の沈下量を液状化層２ｂがもつ体積ひずみポテンシャルから定まる沈下量となるように制御して周辺地盤の沈下量と自ずと同程度に抑制することが可能であり、したがって少なくともそれらの間に供用に支障を来すような大きな不陸が生じることを有効に防止することが可能となる。

本発明の基本原理について図４を参照して詳細に説明する。
通常の液状化に対する設計手法では、地盤の過剰間隙水圧比が１に達した状態を完全に液状化した状態（液体になった状態）として、これ以降の状態を考えることはないが、本発明では過剰間隙水圧比が１に達した後にせん断変形により剛性が回復する状態（以下、これを「ポスト液状化状態」という）を呈することに着目し、そのポスト液状化状態を安定に継続させることで構造物に対する支持力を維持し確保するという設計思想に基づくものである。
すなわち、図４に示すように、ポスト液状化状態に達した地盤に対して排水することなくさらにせん断力を作用し続けると、非可逆の塑性体積ひずみ（圧縮側）にダイレクタンシーによる可逆的な塑性体積ひずみ（膨張側）が追いつけず、地盤が完全な液体状態なる。この状態が噴砂や構造物の不同沈下が生じる地盤の破壊に達した状態である。
一方、適切に排水しながら上記のせん断力を作用させると、非可逆の塑性体積ひずみ圧縮側）と可逆的な塑性体積ひずみ（膨張側）が常に釣り合い、ポスト液状化状態が安定に継続するから、本発明はそのような安定なポスト液状化状態を保持することで構造物の支持力を確保して構造物の沈下や傾斜といった液状化被害を低減するものである。

ところで、本発明においては、上記のように建物１の沈下を許容しつつその沈下量を適切に制御可能であるためには、液状化発生時およびその後において排水ゾーン５から過剰間隙水を適切に排水可能であることが必要であり、そのためには特に鉛直ドレーン７を適切に設置する必要があるから、以下、そのための具体的な設計手法について説明する。

「建物の沈下に伴う排水量の算定」
鉛直ドレーン７は液状化中および液状化後の地盤沈下に伴って生じる間隙水を地表に排水できる能力をもつように設計する。
そのためには、液状化後の地盤沈下量Ｄ_sによる必要排水量ΔＶ_wを（１）式により算定し、それに基づき必要流量q_w1を（２）式により算定する。
なお、地盤沈下量Ｄ_sはたとえば特開２００７−９５５８号公報に示されている周知の計算法により算定すれば良い。また、沈下時間Δｔは１日程度とすれば良い。

「鉛直ドレーンの可能排水量」
一方、鉛直ドレーン７による可能排水量ｑ_w2を（３）式により算定する。
ここで、動水勾配ｉvは、鉛直ドレーン７の下端深度Ｈ、鉛直ドレーン７の下端および上端にそれぞれ作用する水頭ｈ_w1、ｈ_w2により（４）式により算定する。

そして、以上で求めた鉛直ドレーン７による可能排水量ｑ_w2が、

を満たすようにｋ₂、Ａ_wvを決定すれば良い。

以上で説明したように、本発明の基礎構造によれば、液状化地盤２が液状化したりそれにより地盤沈下が生じること自体は完全には防止できないものの、その際に建物１の沈下を許容しつつもその沈下量を制御して抑制可能であり、したがって建物１全体が大きく沈下を生じたり顕著な不同沈下を生じて周辺地盤との間で大きな不陸が生じるようなことは有効に防止でき、以て建物１が供用できなくなるといった大きな液状化被害を十分に防止ないし大幅に軽減することが可能である。

しかも、本発明の基礎構造は地下外壁の周囲に止水壁３を設ける必要はあるものの基本的には直接基礎の範疇に属するものであるし、その止水壁３も一般的な仮設用として設置するものを非液状化層２ａに達するように設置するだけで十分であるので、杭基礎とする場合に比べればコスト的に有利である。
勿論、止水壁３の他にはその内部に透水層６と鉛直ドレーン７を設け、必要に応じてさらに他の鉛直ドレーン８を設けるだけの簡易な構造であるので、従来一般の各種の液状化防止対策工法のように液状化の発生自体を防止するために大掛かりな工事を必要とせず、したがって簡易に低コストで実施すること可能であるから、特に従来においては十分な液状化防止対策が困難であった既存あるいは新築予定の戸建て住宅や付帯設備等の比較的小規模の中低層程度の建物に対して適用するものとして最適である。

なお、特許文献１、２に示される液状化対策工法においても直下地盤からの過剰間隙水の排水は可能であるとは思われるが、これらは液状化の発生自体を防止するものである点で本発明とは基本的に異なるばかりでなく、特許文献１では過剰間隙水を構造物の周囲に設けた貯水槽に集水するものであり、特許文献２においては水平ドレーンから直接的に地表に排水するものでしかないから、これらはいずれも本発明における止水壁３や鉛直ドレーン７に相当する要素はなく、本発明の基礎構造とは全く異なる技術である。
また、特許文献３、４には鉛直ドレーンについての開示があるがいずれも止水壁３に関する開示はないし、特許文献３は建物の基礎構造に関わるものですらなく、特許文献４に示される基礎構造も本発明における止水壁３に相当する要素はないし鉛直ドレーン７をマットスラブを貫通するように設けている点で本発明とは全く異なるものであり、これらも本発明の基礎構造とは全く異なる技術であることはいうまでもない。

以上で本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の設計的変更や応用が可能である。
たとえば、上記実施形態は中低層程度の建物１の基礎に適用した場合の一例であるが、本発明は中低層建物のみならず液状化地盤に構築される各種の構造物の基礎構造として広く適用可能であることは当然である。
また、止水壁３の構造やその施工手法、透水層６および鉛直ドレーン７の素材やそれらの透水係数等の諸元、形成パターン、施工手法その他についても、対象とする液状化地盤２の地質的状況、そこに構築される構造物の構造や自重や形態等の諸条件も考慮して、構造物の直下地盤に対して所望の側方流動防止性能と過剰間隙水に対する十分かつ効率的な排水性能が得られるように最適設計すれば良い。

１建物（構造物）
１ａ基礎底版
２液状化地盤
２ａ非液状化層
２ｂ液状化層
３止水壁
４支持杭
５排水ゾーン
６透水層
７鉛直ドレーン
８鉛直ドレーン

Claims

非液状化層の上層に液状化層が存する液状化地盤に構築される構造物に適用される基礎の構造であって、
前記構造物の地下外壁の周囲に前記非液状化層に達する止水壁を設けて、該止水壁および前記構造物の基礎底版とにより該構造物の直下の液状化層を取り囲むことによって周囲より隔絶した排水ゾーンを区画形成し、
前記構造物の基礎底版とその直下の液状化層との間に透水層を設けるとともに、前記構造物の地下外壁と前記止水壁との間に前記透水層に通じる鉛直ドレーンを設けて、
前記液状化層の液状化により前記排水ゾーンにおいて発生する過剰間隙水を該排水ゾーンから前記透水層および前記鉛直ドレーンを通して地表に排水可能に構成してなることを特徴とする構造物の基礎構造。
請求項１記載の構造物の基礎構造であって、
前記排水ゾーン内に前記透水層に通じる鉛直ドレーンを設置してなることを特徴とする構造物の基礎構造。