JP2017036537A - 液状化免震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで簡単な施工により、液状化による免震効果と沈下や不同沈下を抑制する効果とをバランスよく発揮することができ、さらに構造的な安定性を確保することができる。
【解決手段】支持層６と、支持層６上に支持される構造物１０の周囲に間隔をあけて全周にわたって設けられた側壁３と、支持層６および側壁３によって囲まれたピット部５に飽和砂が打設された飽和砂層４と、を備え、構造物１０の下方領域における飽和砂層４には、上下方向の全体にわたって地盤改良体２が形成された構成の液状化免震構造を提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は、液状化免震構造に関する。

従来、構造物を軟弱地盤上に構築する際の構造物の基礎構造として、地盤の支持力不足よる過大な沈下を防止するために、例えば下記特許文献１に示されるように、コンクリートや鋼管などの基礎杭を、構造物の荷重を軟弱地盤下方の硬質地盤からなる支持地盤で支持する構造とするものが知られている。

特開平１０−４６６１９号公報

しかしながら、建物を軟弱地盤上に構築する際には、前述のように基礎杭を堅固な支持地盤まで打設して建物を支持する基礎構造にすることにより支持力を高める施工が行われている。支持地盤に到達するまで基礎杭を打設する場合には、支持地盤が深いと、基礎杭の杭長が長くなり、打設が大掛かりとなるうえ、部材コストも大きくなるという問題があった。
さらに、構造物の荷重を小さくして、地盤に対する接地圧を低減する方法も行われているが、荷重を小さくするには構造部材の制約から前記接地圧の低減にも限界があり、構造的な安定性を確保することができず、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、低コストで簡単な施工により、液状化による免震効果と沈下や不同沈下を抑制する効果とをバランスよく発揮することができ、さらに構造的な安定性を確保することができる液状化免震構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る液状化免震構造は、構造物の免震基礎構造として用いられる液状化免震構造であって、液状化層の上方に前記構造物が設けられ、前記構造物の下方領域における前記液状化層には、上下方向の全体にわたって地盤改良体が形成されていることを特徴としている。

本発明では、液状化層が液状化する際に、剛性が低下してひずみが大きくなって液体状の挙動となることから、構造物の免震の機能を発揮することができる。一方で、液状化層に設けられる地盤改良体は、設定レベル以上の地震が発生することによる繰返しせん断時において、せん断剛性が小さくなって軟化することから、構造物の免震の機能をもたせることができる。つまり、本発明の液状化免震構造では、液状化層の液状化と地盤改良体の軟化とにより免震効果を発揮することができる。
しかも、液状化後には液状化層は沈下するが、液状化層中に形成されている地盤改良体は繰返しせん断後にほとんど体積変化が生じなく、地盤改良体の鉛直方向の変形が抑えられることから、この地盤改良体によって液状化層の液状化でも構造物が下方から支持されることになるため、構造物の沈下や不同沈下を抑制することができる。
このように、本発明では、液状化層が液状化する場合において、低コストで簡単な施工により、沈下や不同沈下を抑制しつつ、優れた免震効果を発揮することができる。

また、本発明に係る液状化免震構造は、支持地盤上に、前記液状化層を介して前記構造物が設けられ、前記構造物の周囲に間隔をあけて全周にわたって側壁が設けられ、前記支持地盤および前記側壁によって囲まれた領域に、飽和状態に設定された飽和砂が打設された前記液状化層が形成されていることが好ましい。

この場合には、支持地盤および前記側壁によって囲まれた領域に液状化層が設けられており、構造物に浮力が作用するので、構造物の接地圧が小さくなり液状化が生じ易くなる。そして、液状化後には、飽和砂が沈下するが、構造物の下方に形成されている地盤改良体によって構造物が支持されるので、構造物の沈下や不同沈下を抑制することができる。
また、液状化層の液状化後であっても、液状化層の飽和砂が側壁と支持地盤によって囲まれる領域外に流出、移動することがなくなる。そのため、構造物の下方に隙間が生じることがなくなり、構造的な安定性を継続することができる。

また、本発明に係る液状化免震構造は、前記地盤改良体は、前記構造物の下方領域における一部に設けられていることが好ましい。

本発明では、構造物の下方領域において部分的に地盤改良体を設けることで、液状化層による繰返し特性と、地盤改良体による繰返し軟化特性とを併せた挙動が顕著に表れ、優れた免震効果を発揮することができる。

本発明の液状化免震構造によれば、低コストで簡単な施工により、液状化による免震効果と沈下や不同沈下を抑制する効果とをバランスよく発揮することができ、さらに構造的な安定性を確保することができる。

本発明の第１の実施の形態による液状化免震構造を示す縦断面図である。 図１に示すＡ−Ａ線断面図であって、複数の柱状改良部の配置状態を示す水平断面図である。 液状化免震構造の効果を示す一例であって、飽和砂の応力とひずみの関係を示す図である。 液状化免震構造の効果を示す一例であって、薬液注入による地盤改良体の応力とひずみの関係を示す図である。 第２の実施の形態による液状化免震構造を示す縦断面図である。 図５に示すＢ−Ｂ線断面図であって、複数の柱状改良部の配置状態を示す水平断面図である。 第１変形例による地盤改良体の配置状態を示す水平断面図であって、図２に対応する図である。 第２変形例による地盤改良体の配置状態を示す水平断面図であって、図２に対応する図である。 第３変形例による地盤改良体の配置状態を示す水平断面図であって、図２に対応する図である。

以下、本発明の実施の形態による液状化免震構造について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１及び図２に示すように、第１の実施の形態による液状化免震構造１は、構造物１０の免震基礎構造として用いられ、構造物１０の基礎部分を地盤中に直接、構築する場合に適用される。構造物１０は、オフィスや住居等であり、基礎上の構造物の大きさ、形状、用途等に限定されるものではない。

本実施の形態の地盤Ｇは、上層から下層に向けて第１非液状化層Ｇ１、飽和砂層Ｇ２（液状化層）、第２非液状化層Ｇ３、及び支持層Ｇ４の４層からなる地盤を対象としている。構造物１０の基礎部分は、第１非液状化層Ｇ１中に配置されて支持されている。
ここで、飽和砂層Ｇ２としては、例えば珪砂等で飽和度が９５％以上となる飽和状態のものが想定されている。

飽和砂層Ｇ２には、構造物１０の下方の領域（図２に示す二点鎖線）において、飽和砂層Ｇ２の層厚範囲の全体にわたって薬液注入によって地盤改良された地盤改良体２が形成されている。地盤改良体２は、符号２Ａで示すような角柱状または円柱状に形成され、この柱状改良部２Ａが図２に示す平面視で縦横に間隔をあけて複数設けられている。これら柱状改良部２Ａの水平断面の寸法や間隔などの構成については適宜設定可能である。また、柱状改良部２Ａの深度方向の寸法（高さ寸法）は、上述したように飽和砂層Ｇ２の上層面Ｇ２ａから下層面Ｇ２ｂまでの層厚全体であることが好ましい。

なお、本実施の形態では、構造物１０の下面１０ａ下面１０ａが第１非液状化層Ｇ１中に位置し、地盤改良体２（２Ａ）に対して上下方向に離間しているが、これに限定されることはない。つまり、構造物１０の下面１０ａが飽和砂層Ｇ２に到達していて地盤改良体２（２Ａ）の上面に接触した状態で設けられていても良い。また第２非液状化層Ｇ３は無くてもよい。

次に、上述した構成の液状化免震構造の作用について、図１及び図２を用いて説明する。
本実施の形態では、飽和砂層Ｇ２が液状化する際に、図３に示すように、剛性が低下し、逆Ｓ字を描きながらひずみが大きくなる挙動を示す。そして、この挙動の途中でせん断力が殆どゼロの状態でひずみが大きくなる液体状の挙動となることから、構造物１０の免震の機能を発揮することができる。図３は、相対密度が６３％の飽和砂の応力とひずみの関係で拘束圧が１００ｋＰａのデータを示しており、横軸をせん断ひずみγ（％）とし、縦軸をせん断応力（ｋＰａ）としている。

一方で、飽和砂層Ｇ２に設けられる地盤改良体２は、液状化はしないが、図４に示すように、設定レベル以上の地震が生じることによる繰返しせん断時において、せん断剛性が小さくなって軟化する非線形ループを描くことから、構造物１０の免震の機能をもたせることができる。図４は、薬液注入による地盤改良体の応力とひずみの関係を示しており、横軸を軸ひずみγ（％）とし、縦軸をせん断応力（ｋＰａ）としている。この場合の地盤改良体は、相対密度Ｄ_ｒが６５％の豊浦砂において、特殊シリカ系薬剤を４％浸透させた地盤改良体を使用し、拘束圧が１００ｋＰａのデータを示している。
上述したように、本実施の形態の液状化免震構造１では、所定レベル以上の地震動が入力される中・大規模な地震の場合には、飽和砂層Ｇ２の液状化と地盤改良体２の軟化とにより免震効果を発揮することができる。

しかも、液状化後には飽和砂層Ｇ２は沈下するが、飽和砂層Ｇ２中に形成されている地盤改良体２は繰返しせん断後にほとんど体積変化が生じなく、地盤改良体２の鉛直方向の変形が抑えられることから、この地盤改良体２によって飽和砂層Ｇ２の液状化でも構造物１０が下方から支持されることになるため、構造物１０の沈下や不同沈下を抑制することができる。

また、本実施の形態では、構造物１０の下方領域において部分的に柱状改良部２Ａを設けることで、飽和砂層Ｇ２による繰返し特性と、地盤改良体２による繰返し軟化特性とを併せた挙動（つまり、図３と図４に示す履歴特性）が顕著に表れ、優れた免震効果を発揮することができる。

このように本実施の形態の液状化免震構造によれば、低コストで簡単な施工により、液状化による免震効果と沈下や不同沈下を抑制する効果とをバランスよく発揮することができ、さらに構造的な安定性を確保することができる。

（第２の実施の形態）
図５および図６に示すように、第２の実施の形態による液状化免震構造１Ａは、支持層６（支持地盤）と、支持層６上に支持される構造物１０の周囲に間隔をあけて全周にわたって設けられた側壁３と、支持層６および側壁３によって囲まれた領域（以下、ピット部５という）に飽和砂が打設された飽和砂層４（液状化層）と、を備えている。
ここで、支持層６の上層には、軟弱地盤Ｇが設けられている。

支持層６を形成する固い地盤は、固い粘土、岩盤、密な砂、化学的改良地盤等の支持地盤が対象となる。
構造物１０は、支持層６の上面６ａとの間に飽和砂層４の一部が介在された状態で配置されている。

側壁３は、軟弱地盤Ｇに対して支持層６に到達するまで打設されたシートパイル、ソイルセメント壁、鉄筋コンクリート（ＲＣ）壁等による山留め、或いは擁壁などの止水機能を有するものが採用される。側壁３の種類、構成、強度は、構造物１０の荷重、形状、軟弱地盤Ｇの地盤条件などに応じて、適宜設定される。つまり、地盤Ｇと飽和砂層４からなる地盤との土圧の差を支持できる構造であることが好ましい。また、側壁３の高さ（ピット部５の深さ）は、ピット部５に設定量の飽和砂層４を打設可能であれば良く、任意に設定することができる。
側壁３は、軟弱地盤Ｇの土圧を受けもつと共に、地下水がピット部５内に流入することを防止する機能を備えている。具体的にピット部５には、必要に応じて防水シート（図示省略）を埋設する等の止水機能を設けることができる。

ピット部５に打設されて形成される飽和砂層４は、例えば珪砂等で粒径を揃えた砂を適用することができ、飽和度が９５％以上となる飽和状態に設定され、相対密度が２０〜５０％の飽和砂（正のダイレイタンシーが起きない砂）が使用されている。
側壁３は、常時は、飽和砂層４が固体の状態を保っているので安定している。常時は、構造物１０のフローティング効果による支持力の増加が期待できる構成となっている。また、地震時には、容易に液体化して、比重が約２．０の液体となる。その結果、水に比べて浮力が大きく、構造物直下の飽和砂層４で液状化し易くなり、免震効果を高めることができる。

飽和砂層４には、構造物１０の下方の領域（図６に示す二点鎖線）において、飽和砂層４の層厚範囲の全体にわたって薬液注入によって地盤改良された地盤改良体２が形成されている。地盤改良体２は、符号２Ａで示すような角柱状または円柱状に形成され、この柱状改良部２Ａが上述した第１の実施の形態と同様に平面視で縦横に間隔をあけて複数設けられている。これら柱状改良部２Ａの水平断面の寸法や間隔などの構成については適宜設定可能である。また、柱状改良部２Ａの深度方向の寸法（高さ寸法）は、構造物１０の下面１０ａから支持層６の上面６ａまでの層厚全体となっている。

飽和砂層４は、構造物１０の構築後において適宜な管理手段によって高さ管理されることが好ましく、例えばセンサを用いて制御する等、周知の技術を採用することができる。
なお、飽和砂層４の飽和状態の管理方法としては、砂層表面の乾燥をモニタリングする等の方法を採用することができる。

飽和砂層４の高さ（上面位置）は、地下水位と同等か、あるいは飽和砂層４の上面４ａよりも上に位置するように設定されている。
なお、飽和砂層４の上面４ａが地下水位以下となる場合には、支持層６および側壁３に止水性（非透水性）は不要である。また、地下水位が飽和砂層４の上面４ａより低く、かつ飽和砂層４の下面（支持層６の上面６ａ）より高い場合には、支持層６は止水性が不要であり、側壁３には止水性がなくても良いが、止水性を有する方が好ましい。さらに、飽和砂層４の下面（支持層６の上面６ａ）が地下水位より高い場合には、支持層６及び側壁３ともに止水性を有する方が好ましい。

ピット部５内において構造物１０と側壁３との水平方向の離間寸法は、地震により構造物１０と側壁３とが水平方向に相対移動が生じた場合に互いに接触しない十分な寸法に決められている。

このように第２の実施の形態では、支持層６および側壁３によって囲まれたピット部５に飽和砂層４が設けられており、構造物１０に浮力が作用するので、構造物１０の接地圧が小さくなり液状化が生じ易くなる。そして、液状化後には、飽和砂層４が沈下するが、構造物１０の下方に形成されている地盤改良体２によって構造物１０が支持されるので、構造物１０の沈下や不同沈下を抑制することができる。
また、飽和砂層４の液状化後であっても、飽和砂層４の飽和砂がピット部５外に流出、移動することがなくなり、構造物１０の下面１０ａと支持層６との間の隙間に液状化した砂が回り込んでくる。そのため、構造物１０の下方に隙間が生じることがなく、地震終了後も構造物１０が安定して支持され、構造的な安定性を継続することができる。

以上、本発明による液状化免震構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施の形態では、液状化層に設けられる地盤改良体２として、複数の柱状改良部２Ａを平面視で縦横に配置した構成としているが、これに限定されることはなく、他の配置パターンを採用することも可能である。例えば、図７に示す第１変形例のように、構造物１０の下方領域（図７の二点鎖線）において、平面視で外周部のみを地盤改良した外周改良部２Ｂであってもよい。また、図８に示す第２変形例のように、上記第１変形例の外周改良部２Ｂに加え、その内側に格子状に地盤改良した格子状改良部２Ｃを形成してもよい。さらに、図９に示す第３変形例のように、構造物１０の下方領域（図９の二点鎖線）において、平面視で角部のみをＬ字状に地盤改良した角部改良部２Ｄとすることも可能である。さらにまた、地盤改良体は、構造物１０の下方領域において平面視で部分的に配置することに限らず、図示しないが前記下方領域の全面にわたって設けられていても勿論かまわない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１、１Ａ 液状化免震構造
２ 地盤改良体
３ 側壁
４ 飽和砂層（液状化層）
５ ピット部
６ 支持層（支持地盤）
１０ 構造物
Ｇ 軟弱地盤
Ｇ１ 第１非液状化層
Ｇ２ 飽和砂層（液状化層）
Ｇ３ 第２非液状化層
Ｇ４ 支持層

Claims (3)

1. 構造物の免震基礎構造として用いられる液状化免震構造であって、
   液状化層の上方に前記構造物が設けられ、
   前記構造物の下方領域における前記液状化層には、上下方向の全体にわたって地盤改良体が形成されていることを特徴とする液状化免震構造。
2. 支持地盤上に、前記液状化層を介して前記構造物が設けられ、
   前記構造物の周囲に間隔をあけて全周にわたって側壁が設けられ、
   前記支持地盤および前記側壁によって囲まれた領域に、飽和状態に設定された飽和砂が打設された前記液状化層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液状化免震構造。
3. 前記地盤改良体は、前記構造物の下方領域における一部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液状化免震構造。

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