JP2013167114A - 地中構造物及びその構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも上部が山留め壁としてのソイルセメント壁で囲繞された地中構造物の水平抵抗力を効率よく高める。
【解決手段】少なくとも上部が山留め壁としてのソイルセメント柱列壁２０で囲繞された杭１０であって、ソイルセメント柱列壁２０の上部と杭１０の上部との一体性を強化するリング鋼板３０を備えることを特徴とする
【選択図】図１

Description

本発明は、地中構造物及びその構築方法に関する。

杭頭に作用する水平力に対する杭の水平抵抗力及び水平変位量を、水平抵抗算定式により評価することが行われており、代表的な算定法として、杭を曲げ剛性を有する線材、そして、地盤をばねと仮定した解析モデルを用いた算定法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

また、場所打ちコンクリート杭の工事では、周囲の線路等の構造物の変状を防止するために、杭孔を掘削する前に、その周囲に山留め壁としてのソイルセメント壁を構築することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−７４６７５号公報

社団法人 日本建築学界 編集・著作・発行，「建築基礎構造設計指針」，１９８８年１月２５日 第１版第１刷発行，ｐ．２６２〜２７３

上記算定式によれば、杭の水平抵抗力は、杭径が大きいほど大きくなるが、杭径を大きくするほど施工コストを増加する。また、特許文献１に記載の杭は、ソイルセメント柱列壁で囲繞されているため、ソイルセメント柱の分だけ杭が径方向に拡幅されるが、ソイルセメント柱列壁と杭との一体性が高くなければ、地盤反力がその幅全体に作用すると評価することはできない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、少なくとも上部が山留め壁としてのソイルセメント壁で囲繞された地中構造物の水平抵抗力を効率よく高めることを課題とするものである。

本発明に係る地中構造物は、少なくとも上部が山留め壁としてのソイルセメント壁で囲繞された地中構造物であって、前記ソイルセメント壁の上部と前記地中構造物の上部との一体性を強化する一体化構造を備えることを特徴とする。

前記地中構造物において、前記一体化構造は、前記ソイルセメント壁の上部を囲繞する鋼板を備えてもよい。

前記地中構造物において、前記一体化構造は、前記ソイルセメント壁の上に設けられた環状のコンクリート部材と、前記ソイルセメント壁と前記コンクリート部材とに跨って埋設された鋼材と、を備えてもよい。

前記地中構造物において、前記一体化構造は、前記ソイルセメント壁及び前記地中構造物の上に設けられたコンクリート部材と、前記ソイルセメント壁と前記コンクリート部材とに跨って埋設された鋼材と、を備えてもよい。

前記地中構造物は杭であってもよい。

また、本発明に係る地中構造物の構築方法は、少なくとも上部を山留め壁としてのソイルセメント壁で囲繞して地中構造物を構築する方法であって、前記ソイルセメント壁の上部と前記地中構造物の上部との一体性を強化する一体化構造を構築することを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも上部が山留め壁としてのソイルセメント壁で囲繞された地中構造物の水平抵抗力を効率よく高めることができる。

一実施形態に係る杭を示す立断面図である。 一実施形態に係る杭を示す平面図である。 地盤改良装置を示す立面図である。 掘削ビットを示す正面図である。 掘削ビットを示す側面図である。 掘削ビットを示す底面図である。 杭の施工手順を示す立断面図である。 杭の施工手順を示す立断面図である。 杭の施工手順を示す平面図である。 杭の施工手順を示す平面図である。 杭の施工手順を示す立断面図である。 杭の施工手順を示す立断面図である。 杭の施工手順を示す立断面図である。 杭の施工手順を示す立断面図である。 杭の水平抵抗の評価方法の概念図である。 杭の水平抵抗の評価方法を説明するための平面図である。 他の実施形態に係る杭を示す立断面図である。 他の実施形態に係る杭を示す平面図である。 杭の施工手順を示す立断面図である。 杭の施工手順を示す立断面図である。 他の実施形態に係る杭を示す立断面図である。 他の実施形態に係る杭を示す平面図である。 他の実施形態に係る地下躯体を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態に係る杭１０を示す立断面図であり、図２は、該杭１０を示す平面図である。これらの図に示すように、杭１０は、頭部が地盤から突出していない円柱形状の場所打ちコンクリート杭であり、線路３（図７等参照）の近傍に打設されている。また、杭１０の上部は、円筒形状のソイルセメント柱列壁２０で囲繞されており、このソイルセメント柱列壁２０と一体化されている。

ソイルセメント柱列壁２０は、線路３の変状を防止するために杭１０の施工に先立って構築された山留め壁（防護壁）であり、円環状に連結された複数の円柱形状のソイルセメント柱２２を備える。隣接するソイルセメント柱２２の中心間距離はソイルセメント柱２２の直径よりも小さくなっており、隣り合うソイルセメント柱２２同士は、部分的に重なり合っている。なお、ソイルセメント柱列壁２０の強度は地盤の強度より高く、杭１０の強度の１／１０程度である。

ここで、ソイルセメント柱列壁２０の上端は、リング鋼板３０によって囲繞されており、これにより、ソイルセメント柱列壁２０の上部が杭１０の上部から分離しないように内周側に拘束されることで、これらの一体性が強化されている。

以下、ソイルセメント柱列壁２０が一体的に構築された杭１０の施工方法について説明する。図３は、ソイルセメント柱列壁２０を構築するために用いられる地盤改良装置１００を示す立面図である。この図に示すように、地盤改良装置１００は、装軌車両１１０と、装軌車両１１０の台座部１１２から鉛直方向に延びるレール１２０と、レール１２０に昇降可能に取り付けられた起振装置１３０と、起振装置１３０と共に昇降可能にレール１２０に支持され起振装置１３０に接続されたロッド１４０と、起振装置１３０及びロッド１４０と共に昇降可能にレール１２０に支持されロッド１４０を軸心周りに回転させる回転装置１５０と、ロッド１４０の先端に取り付けられた掘削ビット１６０と、セメントミルク供給装置１７０とを備えている。

起振装置１３０は、偏心重錘を回転させることにより起振力を生じさせて、その起振力をロッド１４０に与える装置である。また、セメントミルク供給装置１７０は、ロッド１４０の内部を通じて掘削ビット１６０の先端までセメントミルクを供給し、掘削ビット１６０の先端からセメントミルクを吐出させる。

図４は、掘削ビット１６０を示す正面図であり、図５は、掘削ビット１６０を示す側面図である。また、図６は、掘削ビット１６０を示す底面図である。これらの図に示すように、掘削ビット１６０は、ロッド１４０に接続される軸部１６２と、軸部１６２の下部に側方に延びるように設けられた攪拌翼１６４と、軸部１６２における攪拌翼１６４の上側に外径方向に延びるように設けられた攪拌翼１６６と、軸部１６２の下端に設けられたビット１６８と、攪拌翼１６４に設けられた複数のビット１６９とを備えている。

図７〜図１４は、杭１０の施工手順を示す立断面図又は平断面図である。杭１０の施工では、まず、図７に示すように、杭１０の構築位置の地盤上端にリング鋼板３０を埋設する。次に、図８に示すように、リング鋼板３０の内周側に円筒状のソイルセメント柱列壁２０を地下水位以深まで構築する。ここで、ソイルセメント柱列壁２０は、リング鋼板３０の内周面から離れないように構築する。

図９に示すように、ソイルセメント柱列壁２０を構築する工程では、まず、ソイルセメント柱２２を一つおきに構築し、つぎに、図１０に示すように、間隔を空けて構築したソイルセメント柱２２の間にソイルセメント柱２２を構築する。

図１１に示すように、各ソイルセメント柱２２を構築する工程では、地盤改良装置１００の回転装置１５０によりロッド１４０を介して掘削ビット１６０を回転させながら支持層に到達するまで地盤を掘削する。この際、起振装置１３０によりロッド１４０を介して掘削ビット１６０に起振力を与え、掘削ビット１６０を上下に振動させる。この振動が地盤に伝わり、地盤中の大きな礫や岩を移動させることにより、掘削効率が向上される。

また、各ソイルセメント柱２２を構築する工程では、上記の掘削作業と並行して、セメントミルク供給装置１７０により、掘削孔内にセメントミルクを噴射させることで、掘削土とセメントミルクとを攪拌翼１６４、１６６で攪拌混合する。この際、セメントミルクを含んだ状態の土砂が起振装置１３０からの振動で液状化して軟化することにより、掘削効率が向上される。

また、間隔を空けて構築したソイルセメント柱２２の間にソイルセメント柱２２を構築する工程では、既に構築されたソイルセメント柱２２の側部を切削しながら地盤を掘削すると共に、掘削孔内にセメントミルクを噴射して掘削土とセメントミルクとを攪拌混合することにより、新たに構築するソイルセメント柱２２とその両側の既に構築されたソイルセメント柱２２とを一体化させる。

以上のように円筒状のソイルセメント柱列壁２０を構築した後に、図１２に示すように、ソイルセメント柱列壁２０の内側を、掘削機３００により所定深さまで掘削する。この際、掘削孔内に安定液を満たすことになるが、止水性を有するソイルセメント柱列壁２０が掘削孔の周囲を囲繞していることにより、安定液が周囲に漏れ出すことを防止できる。

次に、図１３に示すように、掘削孔内に鉄筋籠１２を建て込む。そして、図１４に示すように、掘削孔内にトレミー管３０１を挿入し、トレミー管３０１を通して掘削孔内にコンクリートを打設する。打設したコンクリートが硬化することで杭１０の構築が完了する。

以上のようにして構築する杭１０の構造設計をする際には、地震により杭頭に作用する水平力に対する杭１０の水平抵抗を評価するが、その評価方法の一実施例について説明する。

図１５に示すように、本実施例に係る杭１の水平抵抗の評価方法では、杭１を曲げ剛性を有する線材、そして、地盤２をばねと仮定した解析モデルを用いた算定法により、杭１の水平抵抗力及び杭の水平変位量を求める。この算定法では、想定する解析モデルに関する下記（１）の基本微分方程式の解を利用して、杭１の水平抵抗力及び杭１の水平変位量を求める。例えば、杭１が地上に突出しておらず、且つ、杭頭が固定されていない場合には、杭１の水平変位量δは下記（２）式に示す値になり、杭１の水平抵抗力、即ち水平地盤反力の指標としての地盤２のばね定数Ｑ／δは、下記（３）式に示す値になる。
（Ｅ：杭のヤング率、Ｉ：杭の断面２次モーメント、ｋ：：下記（５）式で示す水平地盤反力係数、Ｄ：杭径）
（Ｑ：水平方向の荷重、β：下記（４）式で示す杭と地盤との相対剛性値）

ここで、杭径Ｄが大きいほど、杭と地盤との相対剛性値βが大きくなり、地盤の水平抵抗力の指標である地盤のばね定数Ｑ／δが大きくなる。

ところで、上述したように本実施形態では、ソイルセメント柱列壁２０の強度は地盤の強度に比して格段に高く、また、ソイルセメント柱列壁２０と杭１０の上部との一体性がリング鋼板３０により強化されていることにより、杭１０の頭部に水平力が作用した際、ソイルセメント柱列壁２０の上部と杭１０の上部とは一体で水平方向に変位する。このため、図１６に示すように、杭１０の頭部に水平力が作用した際、水平地盤反力は、杭１０に対して直径ｄ分の幅のみならず、ソイルセメント柱列壁２０の直径ｄ´分（直径ｄとその両側のソイルセメント柱列壁２０の厚みとを合わせた分）の幅に作用すると考えるのが実態に即している。そこで、本実施例に係る杭１０の水平抵抗の評価方法では、杭１０の有効幅（水平力に対して直交する方向の幅）である杭径Ｄを、Ｄ＝ｄではなく、Ｄ＝ｄ´として、上記（１）〜（５）式により、杭１０の水平変位量δ及び杭１０の水平抵抗力（地盤のばね定数Ｑ／δ）を評価する。

これにより、例えば、杭径が２８００ｍｍの杭１０の外周に直径６００ｍｍのソイルセメント柱２２からなる（即ち直径３４００ｍｍの）ソイルセメント柱列壁２０を構築する場合において、杭径Ｄを３４００ｍｍとして杭１０の水平抵抗力（地盤のばね定数Ｑ／δ）を評価することで、杭径Ｄを２８００ｍｍとする場合に比して、約１．３倍の水平抵抗力が算定される。従って、杭１０の構造設計において杭径ｄや鉄筋量を過大に設計することを防止でき、施工コストを低減できる。

図１７は、他の実施形態に係る杭２１０を示す立断面図であり、図１８は、該杭２１０を示す平面図である。これらの図に示すように、杭２１０は、場所打ちコンクリート杭であり、その上端は地表面よりも下側に位置している。また、杭２１０の上部は、円筒状のソイルセメント柱列壁２２０で囲繞されており、このソイルセメント柱列壁２２０と一体となっている。また、ソイルセメント柱列壁の上端は杭２１０の上端と同じ高さに位置している。

ソイルセメント柱列壁２２０は、杭２１０の施工に先立って構築された山留め壁（防護壁）であり、円環状に連結された複数の円柱形状のソイルセメント柱２２を備える。隣接するソイルセメント柱２２の中心間距離はソイルセメント柱２２の直径よりも小さくなっており、隣り合うソイルセメント柱２２同士は、部分的に重なり合っている。ここで、ソイルセメント柱列壁２２０の強度は地盤の強度より高く、杭２１０のコンクリート強度の１／１０程度である。

ここで、ソイルセメント柱列壁２２０の上には円環状のコンクリート部材２３０が設けられている。このコンクリート部材２３０の内径及び外径はソイルセメント柱列壁２２０と同一であり、コンクリート部材２３０の下面とソイルセメント柱列壁２２０の上面全体とが接している。また、ソイルセメント柱２２の上部及びコンクリート部材２３０の下部に、これらに跨るようにＨ型鋼２４０が埋設されており、ソイルセメント柱２２の上部とコンクリート部材２３０とが一体化されている。なお、Ｈ型鋼２４０は、１本おきにソイルセメント柱２２に埋設されている。また、コンクリート部材２３０は、場所打ちコンクリート又はプレキャストコンクリートである。

即ち、ソイルセメント柱列壁２２０の上端は、その真上に配された円環状のコンクリート部材２３０にＨ型鋼２４０を介して固定されており、これにより、ソイルセメント柱列壁２２０の上部が杭２１０の上部から分離しないように拘束されることで、これらの一体性が強化されている。

図１９は、杭２１０の施工手順を示す立断面図である。杭２１０の施工では、まず、図１９に示すように、円筒状のソイルセメント柱列壁２２０を地表面より深い位置から地下水位以深まで構築し、ソイルセメント柱列壁２２０の上部が硬化する前にＨ型鋼２４０の下部をソイルセメント柱２２の上部に挿入する。

次に、図２０に示すように、ソイルセメント柱列壁２２０の上にＨ型鋼２４０の上部が埋設されるようにコンクリートをソイルセメント柱列壁２２０の上面から地表面まで打設して円環状のコンクリート部材２３０を構築する。その後は、上述した実施形態と同様の手順で杭２１０を構築する。なお、コンクリート部材２３０をプレキャストコンクリート製とする場合は、Ｈ型鋼２４０を予めコンクリート部材２３０と一体化しておき、硬化する前のソイルセメントにＨ型鋼２４０が挿入されるように、コンクリート部材２３０をソイルセメント柱列壁２２０上に設置すればよい。

以上のような構成の杭２１０では、ソイルセメント柱列壁２２０の強度は地盤の強度に比して格段に高く、また、ソイルセメント柱列壁２２０の上部と杭２１０の上部との一体性が、コンクリート部材２３０及びＨ型鋼２４０により強化されていることにより、杭２１０の頭部に水平力が作用した際、ソイルセメント柱列壁２０上部と杭１０の上部とが一体で水平方向に変位する。このため、上述の実施形態と同様、杭２１０の水平抵抗の評価変位量δ及び杭２１０の水平抵抗力（地盤のばね定数Ｑ／δ）を、ソイルセメント柱列壁２２０の直径に基づいて、上記（１）〜（５）式により評価することができる。

なお、図２１及び図２２に示すように、コンクリート部材２３０は、円盤状に構成してもよい。この場合、杭２１０を打設した後に杭２１０及びソイルセメント柱列壁２２０の上面を塞ぐように、コンクリートを打設したりプレキャストコンクリートを設置したりすることによりコンクリート部材２３０を設ければよい。

図２３は、他の実施形態に係る建物の地下躯体３１０を示す平面図である。この図に示すように、地下躯体３１０は、平面視にて矩形状の鉄筋コンクリート製の地下構造物である。また、地下躯体３１０は、矩形筒状のソイルセメント柱列壁３２０で囲繞されており、このソイルセメント柱列壁３２０と一体となっている。

ソイルセメント柱列壁３２０は、地下躯体３１０の施工に先立って構築された山留め壁（防護壁）であり、円環状に連結された複数の円柱形状のソイルセメント柱２２を備える。隣接するソイルセメント柱２２の中心間距離はソイルセメント柱２２の直径よりも小さくなっており、隣り合うソイルセメント柱２２同士は、部分的に重なり合っている。ここで、ソイルセメント柱列壁３２０の強度は地盤の強度より高く、地下躯体３１０のコンクリート強度の１／１０程度である。

ここで、ソイルセメント柱列壁３２０の上には矩形環状のコンクリート部材３３０が設けられている。このコンクリート部材３３０の内径及び外径はソイルセメント柱列壁３２０と同一であり、コンクリート部材３３０の下面とソイルセメント柱列壁３２０の上面全体とが接している。また、ソイルセメント柱２２の上部及びコンクリート部材３３０の下部に、これらに跨るようにＨ型鋼３４０が埋設されており、ソイルセメント柱２２の上部とコンクリート部材３３０とが一体化されている。なお、Ｈ型鋼３４０は、１本おきにソイルセメント柱２２に埋設されている。また、コンクリート部材３３０は、場所打ちコンクリート又はプレキャストコンクリートである。

即ち、ソイルセメント柱列壁３２０の上端は、その真上に配された矩形環状のコンクリート部材３３０にＨ型鋼３４０を介して固定されており、これにより、ソイルセメント柱列壁３２０の上部が地下躯体３１０の上部から分離しないように拘束されることで、これらの一体性が強化されている。

以上のような構成の地下躯体３１０の構造設計において、地震により上端に作用する水平力に対する地下躯体３１０の水平抵抗を評価する際には、上述の実施形態に係る杭１０と同様、地盤反力が作用する幅を、地下躯体３１０の幅ｄではなく、ソイルセメント柱列壁３２０の幅ｄ´として、地下躯体３１０の水平変位量δ及び地下躯体３１０の水平抵抗力（地盤のばね定数Ｑ／δ）を評価する。これにより、地下躯体３１０の水平抵抗をより正確に評価することができる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、地中構造物として場所打ちコンクリート杭と地下躯体とを例に挙げて本発明を説明したが、鋼管杭や既製コンクリート杭や壁杭等の他の地中構造物にも本発明を適用することができる。

また、上述の実施形態では、掘削土とソイルセメントとを攪拌混合することにより構築するソイルセメント柱列壁を例に挙げて本発明を説明したが、ジェットグラウト工法のようにセメントを噴射して土砂と混合することにより構築するソイルセメント壁にも本発明を適用することができる。また、ソイルセメント壁は、ソイルセメント柱列壁に限られるものではない。さらに、上述の実施形態では、地中構造物の上部のみをソイルセメント壁で囲繞したが、地中構造物の上下方向の全体をソイルセメント壁で囲繞してもよい。

また、上述の実施形態では、Ｈ型鋼２４０、３４０でソイルセメント柱列壁２２０、３２０とコンクリート部材２３０、３３０とを結合したが、鉄筋籠や接合鉄筋等で結合してもよい。

１ 杭、２ 地盤、３ 線路、１０ 杭（地中構造物）、１２ 鉄筋籠、２０ ソイルセメント柱列壁（ソイルセメント壁）、２２ ソイルセメント柱、３０ リング鋼板（一体化構造）、１００ 地盤改良装置、１１０ 装軌車両、１１２ 台座部、１２０ レール、１３０ 起振装置、１４０ ロッド、１５０ 回転装置、１６０ 掘削ビット、１６２ 軸部、１６４、１６６ 攪拌翼、１６８、１６９ ビット、１７０ セメントミルク供給装置、２１０ 杭（地中構造物）、２２０ ソイルセメント柱列壁（ソイルセメント壁）、２３０ コンクリート部材（一体化構造）、２４０ Ｈ型鋼（一体化構造）、３００ 掘削機、３０１ トレミー管、３１０ 地下躯体（地中構造物）、３２０ ソイルセメント柱列壁（ソイルセメント壁）、３３０ コンクリート部材（一体化構造）、３４０ Ｈ型鋼（一体化構造）

Claims (6)

1. 少なくとも上部が山留め壁としてのソイルセメント壁で囲繞された地中構造物であって、
   前記ソイルセメント壁の上部と前記地中構造物の上部との一体性を強化する一体化構造を備えることを特徴とする地中構造物。
2. 前記一体化構造は、前記ソイルセメント壁の上部を囲繞する鋼板を備えることを特徴とする請求項１に記載の地中構造物。
3. 前記一体化構造は、
   前記ソイルセメント壁の上に設けられた環状のコンクリート部材と、
   前記ソイルセメント壁と前記コンクリート部材とに跨って埋設された鋼材と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の地中構造物。
4. 前記一体化構造は、
   前記ソイルセメント壁及び前記地中構造物の上に設けられたコンクリート部材と、
   前記ソイルセメント壁と前記コンクリート部材とに跨って埋設された鋼材と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の地中構造物。
5. 前記地中構造物は杭であることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の地中構造物。
6. 少なくとも上部を山留め壁としてのソイルセメント壁で囲繞して地中構造物を構築する方法であって、
   前記ソイルセメント壁の上部と前記地中構造物の上部との一体性を強化する一体化構造を構築することを特徴とする地中構造物の構築方法。