JP2013155559A - 構造物の液状化被害低減構造 - Google Patents

Abstract

【課題】液状化地盤に構築される構造物の液状化被害を低減させるための有効適切な液状化被害低減構造を提供する。
【解決手段】液状化地盤３上の構造物１を対象として前記液状化地盤が液状化した際における前記構造物の被害を低減させるための構造物の液状化被害低減構造であって、前記構造物の外周側に該構造物の下方の液状化地盤を取り囲む遮水壁５を形成し、該遮水壁の内側に液状化時の過剰間隙水を地表に排水するためのドレーン２を打設する。本発明は、液状化地盤上に近接配置されて構築されている複数の既存の構造物を対象とする場合に適用するものとして好適である。
【選択図】図２

Description

本発明は液状化地盤上の構造物を対象とする液状化被害低減構造に関する。

緩い砂層が堆積する地盤では地震時に液状化を生じ、そこに構築されている構造物に大きな沈下や傾斜を生じさせることがある。液状化を防止するためには、砂杭を造成して地盤を締め固めて密度を上げたり、地盤をセメント系改良材で格子状に改良し、地震による変形を小さくしたりする手法がとられている。

しかし、上記の改良による手法は一般に中型ないし大型の重機を使用するため、施工にはそのような重機による作業を行えるだけの空間を必要とし、十分な作業空間を確保できない狭隘空間に対しては作業が困難である。
たとえば、図１１に示すように既存の戸建て住宅や工場の施設等の構造物１が密集して配置されている場合、隣接する構造物１との間隔が狭くて重機が入れないとそこでの対策が不可能である。その場合には重機が接近し得る周囲の道路から外周部に対する作業を行うしかないが、それでは改良率が小さすぎて十分な効果が得られない場合が多い。

一方、たとえば図１２に示すように構造物１の周囲にドレーン２を打設するという排水工法もあり、その場合は小型のボーリング機械により狭隘空間にドレーン２を打設することも可能ではある。
しかし、そのような排水工法による場合は多数のドレーン２を密に打設する必要があるばかりでなく、既存の構造物１がある場合にはその直下に対してはドレーン２を打設できないからその周囲にドレーン２を打設するしかなく、液状化を有効に防止するための所要本数のドレーン２を打設できない場合も多い。
しかも、ドレーン２による排水工法では、ドレーン２近傍の水圧が低下するとその周囲の水圧が低下して水圧差が生じるため、図示しているように水がドレーン２側に移動を起こす。そうするとドレーン２で排水しても次々と外周からの水の流入が生じて構造物１の直下の水圧を十分に低下させるために時間がかかり、効果が低くなるという問題もある。

さらに他の液効果対策工法としては、たとえば特許文献１〜３に示されるものも提案されている。

特開２０００−１３６５４１号公報 特開２０１１−１１７２７９号公報 特開２０１１−１９０９４５号公報

上記従来の対策工法はいずれも大掛かりな工事を必要とし、必然的にかなりのコストを要するものであり、また必ずしも十分な効果が得られない場合もあるので、広く普及するには至っていない。
以上のことから、簡易にかつ低コストで施工可能な液状化被害低減構造、特に狭隘空間や既存構造物が密集して配置されているような場合においても適用可能な有効適切な液状化被害低減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、液状化地盤上の構造物を対象として前記液状化地盤が液状化した際における前記構造物の被害を低減させるための構造物の液状化被害低減構造であって、前記構造物の外周側に該構造物の下方の液状化地盤を取り囲む遮水壁を形成し、該遮水壁の内側に液状化時の過剰間隙水を地表に排水するためのドレーンを打設してなることを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、液状化地盤上に近接配置されて構築されている複数の既存の構造物を対象として前記液状化地盤が液状化した際における前記構造物の被害を低減させるための構造物の液状化被害低減構造であって、前記構造物が構築されている領域の外周側に該領域の下方全体の液状化地盤を取り囲む遮水壁を形成し、該遮水壁の内側に液状化時の過剰間隙水を地表に排水するためのドレーンを打設してなることを特徴とする。

本発明によれば、遮水壁によって外部からの水の流入を防いでドレーンで排水する水圧を遮水壁内に限定することで、液状化時に遮水壁内の過剰間隙水圧を早期に消散させることができ、以て、液状化により構造物に大きな傾斜が生じる前に地盤を安定化させることができる。
また、遮水壁内の水圧のみを低減させれば良いので、従来の単なる排水工法による場合に比べて、ドレーンの所要本数を少なくすることもできる。
しかも、遮水壁は外部からの作業で形成可能であるし、ドレーンは小型のボーリング機械により施工可能であるので、大型重機による従来一般の液状化対策が実施できない場合に適用して好適である。

本発明の原理を説明するための図である。 本発明の液状化被害低減構造の一実施形態を示す図である。 同、効果を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 液状化地盤に構造物が密集して近接配置されている場合の例を示す図である。 従来の液状化防止対策工法の一例を示す図である。

本発明の基本原理について図１を参照して説明する。
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１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。

本発明はそのような原理に基づき、以下で説明するように液状化地盤上に多数の既存の構造物が密集して近接配置されている領域全体を対象として、その領域の全体を遮水壁により取り囲んだうえで、その内部に多数のドレーンを設けるようにしたものである。

以下、本発明の構造物の液状化被害低減構造の一実施形態を図２〜図３を参照して説明する。
本実施形態は、非液状化層３ａの上層に液状化層３ｂが存在しているような液状化地盤３に、複数の既存の構造物１（図示例では８棟の戸建て住宅）が密集して近接配置されている場合の適用例であって、各構造物１が構築されている領域４の外周側に該領域４の下方全体の液状化地盤３を取り囲む遮水壁５を非液状化層３ａに達するように形成するとともに、その遮水壁５の内側および各構造物１の間に多数のドレーン２を打設して上記のポスト液状化状態を保持することを主眼とする。

具体的には、上記の領域４内には構造物１が密集していることから大型重機が進入することができず、したがって通常の手法ではその領域４の全体に対する液状化防止対策は不可能であることから、本実施形態では領域４内での大掛かりな作業を必要とせずに周囲の道路や外部からの作業のみで遮水壁５を形成し、かつ遮水壁５の内側に対してはそこでの作業が可能な小型のボーリング機械を用いてドレーン２を打設することとしている。

遮水壁５としては、所望の遮水性能が得られかつ領域４の外部からの作業で形成できるものであればその構造や施工法は任意であり、たとえばセメント系改良材によるものや、より剛性の高いコンクリート系のもの、あるいは遮水シート等の膜材のように剛性のないものでも良い。

ドレーン２は領域４内において液状化地盤３が液状化が生じた際に過剰間隙水を地表に排水することで間隙水圧を早期に消散させるためのものである。本実施形態ではそれらのドレーン２を遮水壁５の内側に沿って配列するのみならず、構造物１の間の狭隘空間に対しても配列した状態で打設することから、領域４内に進入してそこでの作業が可能な小型のボーリング機械を用いて行う必要はあるが、その限りにおいてドレーン２の構造や素材は任意で良い。

液状化による構造物１の沈下や傾斜は地震後に緩慢に生じることが知られており、そのため、構造物１の周りの液状化を早期に終息させて上記のポスト液状化状態を安定に保持することにより、仮に地震により液状化を生じても構造物１に生じる傾斜を大幅に軽減することが可能である。

そして本実施形態では、遮水壁５によって領域４外からの水の流入を防ぎ、ドレーン２で排水する水圧を領域４内に限定することで、領域４内の過剰間隙水圧を図３に示すように未対策あるいは遮水壁５を設けることなく単にドレーン２を設けるのみの場合に比較して格段に早期に消散させることができ、以て、液状化により構造物１に大きな傾斜が生じる前に領域４内の地盤を安定化させることができる。
また、領域４内の水圧のみを低減させれば良いので、図１２に示したような従来の単なる排水工法による場合に比べて、ドレーン２の所要本数を少なくすることもできる。

そして、本発明によれば、遮水壁５は領域４外からの作業で形成可能であるし、領域４内においては小型のボーリング機械によるドレーン２の打設作業が可能であるので、図１１に示したように大型重機による従来一般の液状化対策が実施できない場合に適用して好適である。

なお、上記実施形態のようにドレーン２は各構造物１の周囲にそれを取り囲むようにして設ければ良いが、ドレーン２の設置本数や設置位置は所望の排水性能が得られるように任意に設定すれば良く、その限りにおいて図２に示したように整然と等間隔で格子状に設置するに限らず、たとえば障害物があるような場合には図４に示すように千鳥状に配列したり、構造物１の配置パターン等の状況によっては図５に示すように各構造物１を取り囲む位置にのみ設置することでも良い。

また、ドレーン２は上記実施形態のように液状化層３ｂの下層にある非液状化層３ａに達するように設けることでも良いが、構造物１が軽量であってさほどの排水性能が要求されないような場合には、図６に示すように一部あるいは全てのドレーン２を液状化層３ｂの途中の深度に留めることでも良い。

遮水壁５については、上記実施形態のように対象とする領域４全体を取り囲むようにその外周部に設けることを基本とするが、必要であればたとえば図７〜図８に示すようにその内側に補助遮水壁６を設けても良く、それに応じてドレーン２の設置位置や本数を適切に設定すれば良い。なお、図７〜図８では構造物１の図示は省略してある。

さらに、上記実施形態のように遮水壁５の内側にはドレーン２を鉛直に設けることで通常は十分であるが、それに加えて必要であれば図９〜図１０に示すように水平ドレーン７を設置することも考えられる。その場合、地表から曲線ボーリングを行って既存の構造物１の直下を横断するような水平ドレーン７を所望位置に所望間隔で設置すれば良い。
なお、図９〜図１０では構造物１およびドレーン２の図示は省略してある。

ところで、本発明においてドレーン２の設計に当たっては、対象とする領域４全体の地盤沈下量の想定が必要となるので、その設計はたとえば以下の手順によることが好ましい。
まず、対象とする領域４における地盤の条件から沈下量と排水量を算出し、それに基づきドレーン２の設計（口径、所要本数、設置間隔）を設定するが、そのためには、液状化が発生した後における構造物１の沈下量Ｄ_ｓをたとえば特許第4640671号公報に示される手法や、特開2007−9558号公報に示される計算手法により算定する。
すなわち、地震時に液状化地盤３に生じる最大せん断ひずみγ_maxから、液状化後の地盤の最大残留ひずみ(ε_νr)_maxを計算し、さらに液状化後の沈下に寄与する体積ひずみε_νpを計算し、その体積ひずみε_νpに液状化層３ｂの層厚Ｄを乗じることで液状化時の沈下量Ｄ_ｓを次式により求める。

なお、上記の体積ひずみε_νpの値から、地盤の等価なヤング係数を求めることにより、液状化時の構造物１の沈下量も簡易に予測することができる。

また、液状化後の沈下は過剰間隙水圧の離散に伴い１日程度の時間をかけて生じると仮定し、対象面積をＡとすると、必要な排水量ΔＶ_ｗおよび排水流量ｑ_wlを次式により求める。

さらに、ドレーン２の１本当たりの排水流量ｑ_w2を次式により求める。

ここで、kはドレーン２の導水係数であり、Ａ_ｗはドレーン２の断面積である。
また、Δｈはドレーン２の入口と出口における水頭差であり、液状化時に有効応力が０になると仮定すると、ドレーン２の下端に生じる間隙水圧ｕはそこに作用する荷重σと等しくなり、このときΔｈは次式により求められる。ｈ_w1は入口での水頭、ｈ_w2は出口での水頭（ｈ_w2＝０）、Ｈはドレーン２の高さ（長さ）、γ_ｗは単位体積重量である。

以上より、ドレーン２の必要本数ｎは次式により求められるから、必要本数のドレーン２を対象の領域４内の全体に適切に分散配置するようにドレーン２の打設間隔を決定すれば良い。

以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、さらに様々な設計的変更や応用が可能である。
たとえば、上記実施形態は既存の戸建て住宅等の比較的小規模な構造物１が密集して構築されている場合の適用例であるが、本発明はそのような場合に限らず、新築/既存の別は問わず、様々な規模、用途の建物や構造物全般に対して広く適用できるものであることは当然であるし、複数の構造物の全体を対象とするのみならず単独の構造物に対する液状化被害低減構造としても適用可能であることはいうまでもない。

１ 構造物
２ ドレーン
３ 液状化地盤
３ａ 非液状化層
３ｂ 液状化層
４ 領域
５ 遮水壁
６ 補助遮水壁
７ 水平ドレーン

Claims (2)

1. 液状化地盤上の構造物を対象として前記液状化地盤が液状化した際における前記構造物の被害を低減させるための構造物の液状化被害低減構造であって、
   前記構造物の外周側に該構造物の下方の液状化地盤を取り囲む遮水壁を形成し、該遮水壁の内側に液状化時の過剰間隙水を地表に排水するためのドレーンを打設してなることを特徴とする構造物の液状化被害低減構造。
2. 液状化地盤上に近接配置されて構築されている複数の既存の構造物を対象として前記液状化地盤が液状化した際における前記構造物の被害を低減させるための構造物の液状化被害低減構造であって、
   前記構造物が構築されている領域の外周側に該領域の下方全体の液状化地盤を取り囲む遮水壁を形成し、該遮水壁の内側に液状化時の過剰間隙水を地表に排水するためのドレーンを打設してなることを特徴とする構造物の液状化被害低減構造。

Images