JP2017036652A - 浮体免震構造及び飽和砂制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】常時は構造物に対して安定した支持力を確保することができ、地震時にのみ滑りによる免震効果を効果的に発揮することができる。
【解決手段】構造物１０の荷重を支持するとともに、支持層２と、支持層２上に支持された構造物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２および側壁３によって囲まれた領域をなすピット部５に打設される飽和状態に設定された飽和砂４と、を備え、飽和砂４の相対密度が２０〜５０％に設定され多孔性の浮体免震構造を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、浮体免震構造及び飽和砂制御システムに関する。

従来、構造物の免震基礎構造としては、例えば、特許文献１に記載されるような、地盤に設けられた基礎と建造物との間に積層ゴムを用いた滑り支承装置を介在させた免震工法によるものが知られている。

特許第５１１９３８３号公報

しかしながら、従来の滑り支承の免震工法では、一般的に免震ゴムの部材費が大きくなり、構造物全体のコストアップとなることから、例えば３〜５階程度の低層階の建物に対して適用し難くい現状があった。そのため、簡単な構造で、かつ構造的な安定性を確保することができる構造物の免震構造が求められており、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、常時は構造物に対して安定した支持力を確保することができ、地震時にのみ滑りによる免震効果を効果的に発揮することができる浮体免震構造及び飽和砂制御システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る浮体免震構造は、構造物の免震基礎構造として用いられる浮体免震構造であって、前記構造物の荷重を支持するとともに、支持地盤と、前記支持地盤上に支持された前記構造物の周囲に間隔をあけて全周にわたって設けられた側壁と、前記支持地盤および前記側壁によって囲まれた領域に打設される飽和状態に設定された飽和砂と、を備え、前記飽和砂は、相対密度が２０〜５０％に設定されていることを特徴としている。

本発明では、支持地盤および側壁によって囲まれた領域に打設された飽和砂は、常時は構造物のフローティング効果による支持力の増加を期待することができ、安定した支持力が得られて構造物に対する山留めとして機能する。そして、設定レベル以上の地震が発生することにより飽和砂が液状化したときには、液体化して比重が約２．０の液体となって水に比べて大きな浮力を発生させることができるため、支持地盤の上面で構造物が滑り易くなり、免震効果を高めることができる。また、水に比べて粘性の高い流体となるので、減衰効果も期待することが可能となる。

また、本発明の浮体免震構造では、水に比べて液体化した地盤の比重が大きいことから、所定の浮力を得るために設ける支持地盤および側壁によって囲まれた深さを浅くすることができる。そのため、施工時において、前記領域を掘削する際の掘削土量を低減することができ、コストや工期を抑えた施工を行うことができる。
さらに、本発明では、打設される飽和砂の厚さを変えることにより、容易に浮力を調整できる。

また、本発明に係る浮体免震構造は、前記支持地盤と前記構造物との間には、所定の層厚の砂層が介在していることが好ましい。

この場合には、支持地盤と構造物との間に介在される砂層によって、支持地盤に対する摩擦抵抗を小さくすることができ、より効果的に滑りを発生されることができるので、構造物の免震効果をさらに向上させることができる。

また、本発明に係る浮体免震構造は、前記飽和砂には、前記飽和砂の下部に向けて水を噴出する水噴出部が設けられていることが好ましい。

本発明では、所望のタイミングで飽和砂の下部に向けて水噴出部より水を噴出させることで、飽和砂の相対密度を２０〜５０％の小さい状態で保つことができ、飽和砂の経年変化や液状化による密度の増加を防止することができる。

また、本発明に係る浮体免震構造は、前記水噴出部は、前記飽和砂の下部において略水平方向に向けて延在するとともに、地上から管内に水が供給され、複数の水噴出孔を有する水平水配管であることが好ましい。

この場合には、飽和砂の下部の全体にわたって水平水配管を配設することができるので、飽和砂の全体にわたって一様に水を噴出させることができ、飽和砂の相対密度のムラの発生を抑えることができる。

また、本発明に係る浮体免震構造は、前記水噴出部は、前記飽和砂の下部に開口端を位置させるとともに、地上から管内に水が供給された縦型水配管であり、前記開口端から水が噴出されることが好ましい。

この場合には、飽和砂の下部に開口端を位置させるように縦型水配管を配設するという簡単な構成で設置することができるので、コストの低減を図ることができる。

また、本発明に係る飽和砂制御システムは、上述した浮体免震構造の飽和砂の相対密度を地震動の大きさに応じて制御する飽和砂制御システムであって、地震動に基づく地震信号を受信する受信部と、前記地震信号に基づいて前記飽和砂内に注水する水の流量を算出する処理部と、前記処理部で算出した流量に制御された水を前記飽和砂内に注水する流量信号を発信する発信部と、を備えていることを特徴としている。

本発明では、任意の地震動レベルを対象として飽和砂の相対密度を制御することで構造物に対して優れた免震効果を得ることができる。このとき、地盤密度に依存することなく飽和砂の地盤を液状化させることができるので、所定の浮力が確実に得られる。
しかも、飽和砂制御システムを用いることにより飽和砂の定期的な密度管理を省略することができるため、メンテナンスが不要となる利点がある。

また、本発明に係る飽和砂制御システムは、前記地震信号は、前記構造物の直下の地盤内、及び前記構造物自体の少なくとも一方に設けられた加速度計によって計測された加速度に基づく信号であることを特徴としてもよい。

この場合には、地震動の加速度を計測する加速度計が構造物直下の地盤や構造物自体に設けられるので、構造物に作用する地震動の揺れに対して高い精度で飽和砂の相対密度を制御することができる。

本発明の浮体免震構造及び飽和砂制御システムによれば、常時は構造物に対して安定した支持力を確保することができ、地震時にのみ滑りによる免震効果を効果的に発揮することができる。

本発明の第１の実施の形態による浮体免震構造を示す縦断面図である。 図１に示す浮体免震構造の斜視図である。 第２の実施の形態による浮体免震構造を示す縦断面図である。 第３の実施の形態による浮体免震構造を示す縦断面図である。 第４の実施の形態による浮体免震構造を示す縦断面図である。 図５に示すＡ−Ａ線断面図であって、浮体免震構造の水平断面図である。 第５の実施の形態による浮体免震構造を示す縦断面図である。 第５の実施の形態の変形例による浮体免震構造を示す縦断面図である。 第５の実施の形態による飽和砂制御装置を用いた制御方法を説明するための概略図である。 飽和砂制御装置を用いて送排水管を介して再び飽和砂内に水を流入させ循環させる制御方法を示した概略図である。 飽和砂をボイリングさせるために必要な流量の算出のための浮体免震構造の一例を示す図である。 変形例による浮体免震構造を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態による浮体免震構造及び飽和砂制御システムについて、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浮体免震構造１は、構造物１０の免震基礎構造として用いられ、構造物１０を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。構造物１０は、軟弱地盤Ｇの下層に位置する支持層２上に支持されている。支持層２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。

浮体免震構造１は、構造物１０の荷重を支持するとともに、上述した支持層２と、支持層２上に支持された構造物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２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）に打設される飽和状態に設定された飽和砂４と、を備えている。

側壁３は、軟弱地盤Ｇに対して支持層２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、或いは擁壁などが採用される。側壁３の種類、構成、強度は、地盤Ｇと飽和砂４の地盤との土圧の差に応じて、適宜設定される。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に打設される飽和砂４は、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、飽和砂４が常時は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、基礎底面、すなわち支持層２の上面２ａで滑り易くなり、免震効果を高めることができる。

飽和砂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４としては、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ている。
飽和砂４の高さ（上面位置）は、地下水位と同等か、あるいはその上面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４の上面４ａが地下水位以下となる場合には、支持層２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４の上面４ａより低く、かつ飽和砂４の下面（支持層２の上面２ａ）より高い場合には、支持層２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４の下面（支持層２の上面２ａ）が地下水位より高い場合には、支持層２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。

次に、上述した浮体免震構造１の施工方法と作用について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施の形態の浮体免震構造１の施工は、先ずピット部５を施工する。つまり、側壁３を支持層２に到達するまで打設する。側壁３は、構造物１０の側方から所定間隔で離れた位置で、構造物１０を囲うように全周にわたって設ける。そして、側壁３によって囲まれた領域に存在する軟弱地盤Ｇを掘削することでピット部５が形成される。その後、少なくとも構造物１０の基礎部分（ピット部５に配置される部分）が構築された状態で、構造物１０と側壁３との間のピット部５に所定の相対密度（２０〜５０％）に設定されるように飽和砂４を打設する。これにより浮体免震構造１が完成となる。

このように施工される浮体免震構造１は、支持層２および側壁３によって囲まれた領域に打設された飽和砂４は、常時は構造物１０のフローティング効果を期待することができ、安定した支持力が得られて構造物１０に対する山留めとして機能する。そして、設定レベル以上の地震が発生することにより飽和砂４が液状化したときには、液体化して比重が約２．０の粘性の高い液体となって水に比べて大きな浮力を発生させることができるため、支持層２の上面２ａで構造物１０が滑り易くなり、免震効果を高めることができる。また、水に比べて粘性の高い流体となるので、減衰効果も期待することが可能となる。

また、本実施の形態の浮体免震構造１では、水に比べて液体化した地盤の比重が大きいことから、所定の浮力を得るために設ける支持層２および側壁３によって囲まれたピット部５の深さを浅くすることができる。そのため、施工時においてピット部５を掘削する際の掘削土量を低減することができ、コストや工期を抑えた施工を行うことができる。
さらに、本実施の形態では、打設される飽和砂４の厚さを変えることにより、容易に浮力を調整できる利点もある。

このように本実施の形態の浮体免震構造によれば、常時は構造物に対して安定した支持力を確保することができ、地震時にのみ滑りによる免震効果を効果的に発揮することができる。

（第２の実施の形態）
図３に示すように、第２の実施の形態による浮体免震構造１Ａは、支持層２の上面２ａと構造物１０の下面１０ａとの間に所定の層厚の砂層６が介在した構成となっている。なお、図３では、ピット部５内の支持層２の上面２ａ全体にわたって砂層６が設けられているが、構造物１０の下面１０ａの領域のみに砂層６を設けるようにしても良い。

砂層６は、所定の砂をピット部５内の支持層２の上面２ａに例えば１０〜２０ｃｍ程度の薄い厚さで層状に敷設することにより形成され、構造物１０と支持層２との間で摩擦抵抗を低減する機能を有している。すなわち構造物１０は、砂層６を配置することにより、支持層２との地震時の水平挙動を絶縁する効果をもたせることができる。なお、砂層６としては、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ている。

本第２の実施の形態による浮体免震構造１Ａでは、支持層２と構造物１０との間に介在される砂層６によって、支持層２に対する摩擦抵抗を小さくすることができ、より効果的に滑りを発生されることができるので、構造物１０の免震効果をさらに向上させることができる。

（第３の実施の形態）
図４に示すように、第３の実施の形態による浮体免震構造１Ｂは、ピット部５内に打設されている飽和砂４の底部分に略水平方向に沿って延在し、飽和砂４の下部に向けて水を噴出する水平水配管７（水噴出部）を備えた構成となっている。
水平水配管７は、延在方向に沿って複数の水噴出孔７ａを有しており、図示しない供給管等を連結することによって地上から例えば空気圧縮機等を使用して管内に水が供給されている。この水平水配管７の位置、本数、径寸法、材質等の構成は、適宜設定することができる。そして、水平水配管７に供給する水は、所望のタイミングで供給できるよう制御弁等を設けておくことが好ましい。

本第３の実施の形態では、所望のタイミングで飽和砂４の下部に向けて水平水配管７より水を噴出させることで、飽和砂４の相対密度を２０〜５０％の小さい状態で保つことができ、飽和砂４の経年変化や液状化による密度の増加を防止することができる。

さらに、この場合には、飽和砂４の下部の全体にわたって水平水配管７を配設することができるので、飽和砂４の全体にわたって一様に水を噴出することができ、飽和砂４の相対密度のムラの発生を抑えることができる。

（第４の実施の形態）
図５および図６に示すように、第４の実施の形態による浮体免震構造１Ｃは、上述した第３の実施の形態の水平水配管７に代えて、複数の縦型水配管８（水噴出部）を設けた構成となっている。縦型水配管８は、飽和砂４の下部に開口端８ａを位置させるとともに、地上から管内に水が供給され、開口端８ａから水が噴出される。
第４の実施の形態では、所望のタイミングで飽和砂４の下部に向けて縦型水配管８より水を噴出させることで、飽和砂４の相対密度を２０〜５０％の小さい状態で保つことができ、飽和砂４の経年変化や液状化による密度の増加を防止することができる。また、飽和砂４の下部に開口端を位置させるように縦型水配管８を配設するという簡単な構成で設置することができるので、コストの低減を図ることができる。

（第５の実施の形態）
次に、図７に示す第５の実施の形態による浮体免震構造１Ｄは、ピット部５内に打設されている飽和砂４の底部分に略水平方向に沿って延在し、飽和砂４の下部に向けて水を噴出する水噴出孔７ａを有する水平水配管７と、飽和砂４内における水平水配管７の近傍と飽和砂４の上面４ａより上の大気中とを連通する縦型水配管８と、を備えている。そして、浮体免震構造１Ｄは、飽和砂４の相対密度が飽和砂制御システムによって地震動の大きさに応じて制御される構成となっている。

縦型水配管８は、側壁３の外側（構造物１０側とは反対側）で上下方向に延びる縦管８１と、縦管８１の下端から側壁３を貫通して延び下端開口８ｂが飽和砂４内の水平水配管７の近傍に位置された下横管８２と、縦管８１の上端から側壁３を貫通して延び上端開口８ｃが飽和砂４の上面４ａより上の大気中に位置された上横管８３と、を有している。

飽和砂制御システムは、水平水配管７内及び縦型水配管８内の水の流量を地震動レベルに応じて変化させて飽和砂４の相対密度を制御する飽和砂制御装置９と、地震の加速度を検出する加速度計９１と、水平水配管７及び縦型水配管８に設けられ飽和砂制御装置９によって開閉制御される不図示の流量調整弁と、を備えている。

飽和砂制御装置９は、加速度計９１に接続され、加速度計９１で検出した加速度の大きさに応じて水平水配管７内及び縦型水配管８内の水の流量を調整するように制御するものである。図７において、加速度計９１は、構造物１０の直下の支持層２に埋設されている。なお、加速度計９１の位置として、例えば図８に示す変形例のように構造物１０自体に設置されていてもよいし、あるいは構造物１０の直下の地盤内と構造物１０自体の両方に設けられていてもよい。
図９に示すように、飽和砂制御装置９は、地震動に基づく地震信号Ｐ１を受信する受信部９２と、地震信号Ｐ１に基づいて飽和砂４内に注水する水の流量を算出する処理部９３と、処理部９３で算出した流量に制御された水を飽和砂４内に注水する流量信号Ｐ２を発信する発信部９４と、を備えている。

飽和砂制御装置９では、図９に示すように、加速度計９１で計測された加速度の地震信号Ｐ１を受信したときに、水平水配管７内の水の流量を調整する流量調整弁（不図示）に制御信号Ｐ２を送信して、計測された加速度に対応した流量となるように流量調整弁の開閉を制御する。そして、調整された流量により水平水配管７の水噴出孔７ａから水を噴出させることで飽和砂４内に浸透流を付与するように制御する。これにより、地震時には飽和砂４は浸透流によって強制的に液状化し、過剰間隙水圧が基礎底面に伝播して浮力として作用する。そのため、基礎底面の接地圧が限りなくゼロとなることから、地震時に大きな免震効果が得られる。
このときの注水を制御するトリガーとなる加速度レベルは任意に設定することができる。
なお、加速度計９１の設置が困難である場合には、緊急地震速報を水平水配管７の注水を制御するトリガーとしてもよい。

ここで、飽和砂４の密度の要件として、相対密度が１００％以下となることが想定される。そこで、飽和砂制御装置９においてトリガーとなる加速度レベルを小さく設定すれば、中小地震においても免震効果を発揮することができる。なお、側壁３の水位面付近に排水口（図示省略）を設けておくことで、飽和砂４内に注水されたときでも水位面を一定に保つことができる。

また、図１０に示すように、飽和砂制御装置９において、一定量の水を水平水配管７から噴出させた後には、縦型水配管８によって飽和砂４の上面４ａよりも上に溜まった水を再び飽和砂４内に流入させて循環させることで液状化状態を維持することができる。そして、地震動が収まった際には、縦型水配管８による水の循環を停止し、水平水配管７を介して注水された水量を排水する。

水平水配管７を使用して飽和砂４をボイリングさせる際に必要な浸透流の限界流速ｖ_ｃ（ｍ／ｓ）は、（１）式によって求まる。
ここに、ｉ_ｃは限界動水勾配、ｋは側方地盤（飽和砂４）の透水係数、Ｇ_ｓは土粒子の密度（ｇ／ｃｍ^３）、ｅは側方地盤（飽和砂４）の間隙比である。

また、飽和砂４をボイリングさせるために必要な流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）は、図１１に示す側溝４Ａの底面積をＡ（ｍ^２）としたときに、（２）式を満たす必要がある。
図１１に示す浮体免震構造を一例として、構造物１０の側方地盤である飽和砂４（図７参照）をボイリングさせるために必要な流量Ｑを算出する。構造物１０の縦横寸法は縦１５ｍ、横２０ｍであり、構造物１０の周囲の飽和砂４が配置される部分（側溝４Ａ）の幅寸法はそれぞれ３ｍで、側溝４Ａの底面積Ａは２４６ｍ^２となっている。ここでは、飽和砂４に用いる材料を豊浦砂と仮定する。豊浦砂の土粒子の密度Ｇ_ｓが２．６３５ｇ／ｃｍ^３、最大乾燥密度ρ_ｄｍａｘが１．６４６ｇ／ｃｍ^３、最小乾燥密度ρ_ｄｍｉｎが１．３３５ｇ／ｃｍ^３、透水係数ｋが１．３×１０^−４ｍ／ｓであるときに、必要となる流量Ｑは表１に示すとおりである。なお、表１では、相対密度Ｄ_ｒ（％）が３０％と１００％の場合を示している。

このように第５の実施の形態では、飽和砂制御装置９を設けることで、任意の地震動レベルを対象として飽和砂４の相対密度を制御することで構造物１０に対して優れた免震効果を得ることができる。このとき、地盤密度に依存することなく飽和砂４の地盤を液状化させることができるので、所定の浮力が確実に得られる。
また、本第５の実施の形態では、飽和砂制御装置９を用いることにより飽和砂４の定期的な密度管理を省略することができるため、メンテナンスが不要となる利点がある。
さらに、本実施の形態では、地震動の加速度を計測する加速度計９１が構造物１０直下の地盤や構造物１０自体に設けられるので、構造物１０に作用する地震動の揺れに対して高い精度で飽和砂４の相対密度を制御することができる。

以上、本発明による浮体免震構造及び飽和砂制御システム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、飽和砂４の上面位置が地下水と同レベルの位置となっているが、これに限定されることはなく、図１２の変形例に示すように飽和砂４よりも水位（図１２の符号Ｗ）が高い位置であってもかまわない。

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、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 浮体免震構造
２ 支持層（支持地盤）
２ａ 上面
３ 側壁
４ 飽和砂
５ ピット部
６ 砂層
７ 水平水配管（水噴出部）
７ａ 水噴出孔
８ 縦型水配管（水噴出部）
８ｂ 下端開口
８ｃ 上端開口
９ 飽和砂制御装置
１０ 構造物
１０ａ 下面
９１ 加速度計
９２ 受信部
９３ 処理部
９４ 発信部
Ｐ１ 地震信号
Ｐ２ 流量信号
Ｇ 軟弱地盤

Claims (7)

1. 構造物の免震基礎構造として用いられる浮体免震構造であって、
   前記構造物の荷重を支持するとともに、支持地盤と、
   前記支持地盤上に支持された前記構造物の周囲に間隔をあけて全周にわたって設けられた側壁と、
   前記支持地盤および前記側壁によって囲まれた領域に打設される飽和状態に設定された飽和砂と、
   を備え、
   前記飽和砂は、相対密度が２０〜５０％に設定されていることを特徴とする浮体免震構造。
2. 前記支持地盤と前記構造物との間には、所定の層厚の砂層が介在していることを特徴とする請求項１に記載の浮体免震構造。
3. 前記飽和砂には、前記飽和砂の下部に向けて水を噴出する水噴出部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の浮体免震構造。
4. 前記水噴出部は、前記飽和砂の下部において略水平方向に向けて延在するとともに、地上から管内に水が供給され、複数の水噴出孔を有する水平水配管であることを特徴とする請求項３に記載の浮体免震構造。
5. 前記水噴出部は、前記飽和砂の下部に開口端を位置させるとともに、地上から管内に水が供給された縦型水配管であり、
   前記開口端から水が噴出されることを特徴とする請求項３に記載の浮体免震構造。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の浮体免震構造の飽和砂の相対密度を地震動の大きさに応じて制御する飽和砂制御システムであって、
   地震動に基づく地震信号を受信する受信部と、
   前記地震信号に基づいて前記飽和砂内に注水する水の流量を算出する処理部と、
   前記処理部で算出した流量に制御された水を前記飽和砂内に注水する流量信号を発信する発信部と、
   を備えていることを特徴とする飽和砂制御システム。
7. 前記地震信号は、前記構造物の直下の地盤内、及び前記構造物自体の少なくとも一方に設けられた加速度計によって計測された加速度に基づく信号であることを特徴とする請求項６に記載の飽和砂制御システム。

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