JP2018168604A - 地盤改良方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤調査による液状化判定の結果に基づいて、連続して必要な箇所の改良を行うことが可能な地盤改良方法を提供する。【解決手段】液状化が起きる可能性が有る地盤を改良する地盤改良方法である。そして、対象地盤Ｇに振動を与える加振機４によって液状化が発生する条件の振動を与える工程と、加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与された結果から液状化判定を行う工程と、液状化判定によって液状化が発生すると判定された中間層Ｇ３に対して振動停止後に固化材ＣＭを注入する工程とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、液状化が起きる可能性が有る地盤を改良する地盤改良方法に関するものである。

地盤の安全性のために必要な検討には、基本的に地震時の液状化による被害のおそれの有無と、長期の荷重による不同沈下を生じさせないための支持性能の確認とがある。

従来の一般的な液状化判定は，中〜大規模建築物の場合は標準貫入試験、小規模建築物の場合はスウェーデン式サウンディング（ＳＷＳ）試験などによる原位置試験によって地盤の強度に関する地盤定数を得て、これらの試験と連動して、地下水位の確認や採取装置（サンプラー）を用いた土試料の採取（サンプリング）と土質推定を行い、さらに必要に応じて採取した土試料をさらに詳細な粒度試験で分析することにより行われる。

液状化判定の方法として、特許文献１には、建設現場でＳＷＳ試験を行って得られた各土層の地盤定数から換算Ｎ値を算出し、併せて地下水位の確認を行うとともに、各土層の土質（砂質土か否か）を推定し、予めそれらのパラメータに応じて作成された液状化判定用の図表に基づいて、液状化が起きる地盤か否かを判定するという手法が開示されている。

また、特許文献２には、ケーシングを地中に挿入してスリーブ内に任意の土層の地盤の試料を収納し、液状化発生の条件に相当する振動加速度をケーシング内の試料に与えることにより、直接的に液状化判定を行う方法が開示されている。こうした方法によれば、調査によるばらつきや誤差を抑えるとともに、液状化判定に要する工数や費用も軽減できる可能性がある。

一方、液状化が起きる可能性が有る地盤に対しては、特許文献３に開示されているように、セメントミルクと掘削地盤とを地中で混合することで造成されるソイルセメントによって壁状に改良部を構築することが知られている。

特許第４９２８０９４号公報 特許第５５２６２９０号公報 特開２０１３−２０７７号公報

しかしながら、液状化のための地盤調査を行った後に、改めて地盤改良の工事を行うとなると、工期や工費が嵩むことになる。
そこで、本発明は、地盤調査による液状化判定の結果に基づいて、連続して必要な箇所の改良を行うことが可能な地盤改良方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の地盤改良方法は、液状化が起きる可能性が有る地盤を改良する地盤改良方法であって、対象地盤に振動を与える加振機によって液状化が発生する条件の振動を与える工程と、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与された結果から液状化判定を行う工程と、前記液状化判定によって液状化が発生すると判定された対象地盤に対して前記振動停止後に改良材を注入する工程とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記加振機には対象地盤に貫入させる振動体が接続されており、前記振動体によって前記対象地盤に振動を与えることができる。また、前記対象地盤まで貫入された水位センサによって地下水が検知された場合に、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与される構成とすることができる。

さらに、前記対象地盤には孔壁保護のためのケーシングが貫入されるものであって、前記ケーシングには水圧検出器が取り付けられており、前記加振機によって振動が付与されている間の間隙水圧が前記水圧検出器によって測定され、前記判定評価部では、間隙水圧が任意に設定した条件を超えた場合に液状化と判定する構成とすることができる。

そして、前記改良材には、セメント系固化材、薬液又は細粒分含有率の高い粘性土溶液が使用できる。また、このような地盤改良は、建物荷重を支持させる柱脚部の位置で実施することができる。さらに、建物下部を囲い込むように実施することもできる。

このように構成された本発明の地盤改良方法は、対象地盤に振動を与えて液状化判定を行い、その結果、液状化が発生すると判定された対象地盤に対して、振動停止後に改良材を注入する地盤改良を実施する。

このため、地盤調査による液状化判定の結果に基づいて、連続して必要な箇所の改良を行うことができる。また、振動の付与によって液状化した対象地盤は、振動を止めると負圧状態になるため、改良材が浸透し易い状態となって効果的な改良を行うことができる。さらに地盤改良は、液状化が発生すると判定された対象地盤にだけ行えばよいため、効率的である。

また、水位センサを設ける構成であれば、地下水を検知したときのみ詳細な液状化判定を行うことができるようになり、地下水位以深か否かによって液状化の判定を簡略化して効率的に調査を進めることができる。

さらに、孔壁保護のために設置されるケーシング内に水圧検出器が取り付けられて、振動の付与時の過剰間隙水圧の変化が把握できる構成であれば、液状化が発生する地盤か否かの判定を高精度で行うことができる。

そして、注入する改良材には、セメント系固化材、薬液又は細粒分含有率の高い粘性土溶液を使用することができる。また、地盤改良は、建物荷重を支持する柱脚部の位置や、建物下部を囲い込むように実施することができる。

本実施の形態の地盤改良方法の概要を示した説明図である。 地盤調査装置の構成を示した説明図である。 貫入試験機の構成を示した説明図である。 対象地盤の上部層の試験状況を示した説明図である。 対象地盤の中間層の試験状況を示した説明図である。 対象地盤の下部層の試験状況を示した説明図である。 振動を付与したときの液状化箇所の荷重状態を説明する図である。 液状化箇所における加振加速度と間隙水圧比との関係を説明する図である。 本実施の形態の地盤改良方法を説明するフローチャートである。 杭状改良部の一例を示した平面図である。 壁状改良部の一例を示した平面図である。 水圧検知器を備えたケーシングの構成を示した説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の地盤改良方法の概要を示した説明図である。また、図２，３は、本実施の形態の地盤改良方法で使用される地盤調査装置１及び貫入試験機９の構成を示した説明図である。

本実施の形態の地盤調査装置１は、図２に示すように、貫入試験機９と、貫入試験機９の制御処理部７と、計測データを記憶させるとともに各種演算処理を行うパーソナルコンピュータなどのＰＣ部８とによって主に構成される。

貫入試験機９は、図３に示すように、ベースマシンとなるＳＷＳ試験機９１と、対象地盤Ｇに貫入させる振動体としてのコーン３と、コーン３に振動を与える加振機４とによって主に構成される。

ＳＷＳ試験機９１は、小規模建築物の地盤調査で実績があるスウェーデン式サウンディング試験機である。ＳＷＳ試験機９１は、スウェーデン式サウンディング（ＳＷＳ）試験の際に使用されるスクリューポイントに段階的に荷重を載荷させるための錘部９２を備えている。

このＳＷＳ試験機９１の軸部であるロッド９３の先端に、コーン３が接続される。このコーン３は、上方に配置される加振機４にロッド９３を介して接続されることになり、加振機４によってコーン３に任意の周波数の上下方向の振動を付与することができる。

さらに、コーン３の先端には、水位センサ６１が取り付けられる。また、図４に示すように、孔壁保護のために対象地盤Ｇに貫入されるケーシング５の内空には、水圧検出器６２が取り付けられる。

このため、コーン３の先端が、地下水Ｗが存在する地層に突入すると、水位センサ６１によって検知される。さらに、ケーシング５内に周囲の水が入り込んで地下水Ｗと連通されると、水圧検出器６２によって地層の間隙水圧が測定できるようになる。

制御処理部７は、図２に示すように、加振機４の振動を制御する発振部７１と、各種センサ等からのデータを収集する計測部７２と、計測部７２で収集されたデータを信号に変換する信号処理部７３と、ＰＣ部８との送受信を行うための通信部７４とによって主に構成される。

発振部７１では、加振機４に付与する振動の加速度と周期を制御することができる。この加速度と周期は、ＰＣ部８で任意に設定することができる。そして、実際に加振機４によって付与された振動の加速度と周期のデータは、計測部７２によって収集される。

また、計測部７２では、水位センサ６１の検知データが収集される。さらに、水圧検出器６２によって検出された水圧のデータも、計測部７２によって収集される。

ＰＣ部８は、通信部（図示省略）などの一般的なコンピュータの構成の他に、データ記憶部８１、演算処理部８２、判定評価部８３などを備えている。データ記憶部８１には、計測部７２によって収集されて送信されてきた計測データを蓄積させる。

また、演算処理部８２では、データ記憶部８１に記憶された計測データに基づいた各種演算が行われる。さらに、判定評価部８３では、データ記憶部８１に記憶された計測データや演算処理部８２によって演算された値に基づいて、対象地盤Ｇの液状化判定の評価が行われる。

本実施の形態の地盤改良方法では、液状化判定によって液状化が起きる可能性が有るとされた対象地盤Ｇに対して、改良材を注入する。改良材には、セメントミルクなどのセメント系固化材、薬液注入工法で使用される水ガラスなどの薬液などが使用できる。

また、細粒分含有率の高い粘性土を溶かした溶液を改良材として注入すれば、液状化が起き難い粘性土地盤に改質することができる。さらに、改良材が注入される箇所には、地下水Ｗが存在するため、その水と結合して固化する材料を使用することもできる。

改良材となる固化材ＣＭは、例えば図１に示すように、地表面Ｇ１に設置された固化材供給装置２を使って注入することができる。貫入試験機９のロッド９３を注入管２２に切り替え、固化材供給装置２との間を注入ホース２１で接続する。そして、固化材供給装置２から供給された固化材ＣＭを、注入管２２の先端の吐出口２３から吐出させる。

次に、地盤調査装置１を使用した地盤調査方法及び本実施の形態の地盤改良方法について説明する。図９は、本実施の形態の地盤改良方法の流れを説明するフローチャートである。

まずステップＳ１では、対象地盤Ｇの地表面Ｇ１に貫入試験機９を据え付ける。また、貫入試験機９に取り付けられたコーン３を対象地盤Ｇに貫入するに際しては、孔壁保護のためのケーシング５を一緒に圧入させる（ステップＳ２）。コーン３が先端に取り付けられたロッド９３及びケーシング５は、例えば25cm単位や50cm単位などの設定された測定単位に従って、鉛直方向に段階的に貫入されていく。

ここで、貫入試験機９による地盤調査の前に、対象地盤Ｇに対してＳＷＳ試験が行われていた場合は、その試験孔を利用することができる。その際には、試験孔よりも少し大き目の直径のコーン３が、試験孔に貫入されることになる。

そして、液状化判定を行う地層にコーン３が到達したときに、加振機４によって振動が付与されることになる。ここで、地震の震度の大きさによって、振動の周期と加速度との間には一定の関係がある。

このため、試験を行う前のコーン３を所望する深度まで貫入させるための掘進の際には、発振部７１によって地震動の対象とならないような高周波数（例えば20Hz−50Hz程度）の振動を付与することで、コーン３を推進させればよい。

そして、図４に示すように、対象地盤Ｇの上部層Ｇ２の調査が開始される。ステップＳ３では、対象地盤Ｇのある地域の設計時に想定すべき地震の大きさに基づいて、上部層Ｇ２に振動が付与される。

例えば、震度６弱の中地震動を設計目標値とした建物を構築する場合、0.5sec（2Hz）の周期で200galの加速度の振動を、加振機４によってコーン３に付与する。この付与する振動の周期と加速度の設定は、ＰＣ部８で行われ、その設定された周期と加速度の正弦波振動が、発振部７１の制御により加振機４からコーン３に付与される。

ここまでの貫入過程において、コーン３の先端に取り付けられた水位センサ６１が水を検知していなければ、上部層Ｇ２は地下水Ｗ以浅の液状化が起き難い地層と判定できる。例えば、判定評価部８３では、水位センサ６１によって水が検知されていない状態をもって、「液状化なし」と判定させることができる（ステップＳ４）。

一方、コーン３が振動すると、図４に模式的に示すように、上部層Ｇ２をせん断波Ｐ１が伝搬することなる。このため、地表面Ｇ１上に加速度検出器を設置しておくことで、伝搬された振動を検出させることができる。
加速度検出器による検出結果から伝搬平均速度を算出することで、上部層Ｇ２の地盤の支持性能の評価指標を求めることができる。

上部層Ｇ２の調査が完了した後には、再びコーン３を貫入させて、図５に示すように、対象地盤Ｇの中間層Ｇ３の調査を開始する。この中間層Ｇ３は、地下水Ｗ以深の地層であるため、貫入中にコーン３の先端に取り付けられた水位センサ６１が水を検知して、ＰＣ部８に検知データが送信される。

このため、中間層Ｇ３では、まず、液状化の判定が行われる（ステップＳ４）。液状化の判定に際しては、ステップＳ３で説明したように、設計時に想定すべき地震に基づいて中間層Ｇ３に振動が付与される。

コーン３によって中間層Ｇ３に振動が与えられると、液状化が発生するおそれのある地層では、図８に示すように間隙水圧が上昇することになる。ケーシング５の内部には、水圧検出器６２が取り付けられているので、振動付与時の中間層Ｇ３の間隙水圧の変化を捉えることができる。

地層には、通常その上部の荷重による地中応力が作用しており、各層において上載圧による地中応力と間隙水圧との差が実際の地中の有効応力となるが、間隙水圧が過度に増加していくと、有効応力がほぼ0の状態になって液状化が発生することになる。

図８は、過剰間隙水圧比の変化の一例を示したものであるが、過剰間隙水圧比が1.0に近い段階というのは、有効応力が殆ど無くなった状態であり、判定評価部８３では「液状化が発生する層である」という判定がされることになる。

そこで、水圧検出器６２によって検出された間隙水圧の計測データから演算処理部８２で算出された過剰間隙水圧比が、予め定められた閾値を超えたときに、ステップＳ４では液状化が発生していると判定する。そして、液状化箇所ＧＷを有する中間層Ｇ３が液状化層と判定されると、有効な地盤改良を行う必要があると判断されることになる。

ここで図８に示すように、加振加速度が測定される加振時は過剰間隙水圧比が上昇し、過剰間隙水圧比は1.0付近で収束することになるが、加振を停止すると、間隙水圧は下降して液状化箇所ＧＷには負圧が作用している状態になる。

そこで、一旦、コーン３を引き抜き（ステップＳ５）、貫入試験機９のロッド９３を注入管２２に切り替えて、固化材ＣＭの注入を行う（ステップＳ６）。図１に示すように加振によって発生した液状化箇所ＧＷは、加振の停止によって負圧状態となり、固化材ＣＭが浸透しやすい状態になっている。そこへ注入管２２の吐出口２３から固化材ＣＭが注入されれば、液状化箇所ＧＷを、中間層Ｇ３の地盤の間隙に固化材ＣＭが入り込んだ改良部ＣＧにすることができる。

中間層Ｇ３の調査及び改良部ＣＧの構築が完了した後には、再びコーン３を貫入させて、図６に示すように、対象地盤Ｇの下部層Ｇ４の調査を開始する。この下部層Ｇ４も地下水Ｗ以深の地層であるため、判定評価部８３において液状化判定が行われる。

想定地震条件による加振（ステップＳ３）を行って液状化が発生していないと判定（ステップＳ４）されると、下部層Ｇ４を伝搬したせん断波Ｐ２を検出した地表面Ｇ１の加速度検出器の計測データに基づいて、伝搬平均速度を算出することができる。そして、算出された伝搬平均速度から下部層Ｇ４の地盤の支持性能の評価指標が算出される。

ここまでは、１地点の深度方向に地盤調査と地盤改良を行う方法について説明したが、こうした地盤改良は、図１０及び図１１に示すように、平面的に展開することができる。

図１０では、建物荷重を支持する柱脚部の位置に杭状改良部ＣＧ１，・・・を設けた場合を平面図に示している。一方、図１１は、建物下部を囲い込むように壁状改良部ＣＧ２，・・・を設けた場合を平面図に示している。いずれも上述した改良部ＣＧと同様の方法によって構築することができる。

さらに、図１２には、孔壁保護のために地盤Ｇに貫入されるケーシング５Ａの外周面側に、水圧検知器６Ａが取り付けられた例を示した。こうした構成とすることで、固化材ＣＭが水圧検知器６Ａに接触するのを防ぐことができる。

このような水圧検知器６Ａは、ひずみゲージなどで構成することができる。また、ケーシング５Ａに水圧検知器６Ａを設ける構成であれば、コーン３の振動によって計測値が影響を受けたり、故障したりするのを防ぐことができる。

次に、本実施の形態の地盤改良方法の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の地盤改良方法は、対象地盤Ｇに振動を与えて液状化判定を行い、その結果、液状化が発生すると判定された対象地盤Ｇに対して、振動停止後に固化材ＣＭを注入する地盤改良を実施する。

このため、地盤調査による液状化判定の結果に基づいて、連続して必要な箇所の改良を行うことができる。また、振動の付与によって液状化した対象地盤Ｇの液状化箇所ＧＷは、振動を止めると負圧状態になるため、固化材ＣＭが浸透し易い状態となって効果的な改良を行うことができる。

また、地盤改良は、液状化が発生すると判定された液状化箇所ＧＷが存在する液状化層（例えば中間層Ｇ３）に対してだけ行えばよいため、効率的であり、工費及び工期を大幅に低減することが可能になる。

さらに、コーン３の先端に水位センサ６１が取り付けられていれば、地下水Ｗを検知したときのみ、過剰間隙水圧比などに基づく詳細な液状化判定を行うという構成にすることができる。すなわち、地下水位以深か否かによって液状化の判定を簡略化することで、液状化のおそれのない地層の調査が短時間で行えるようになり、効率的に調査を進めていくことができる。

また、孔壁保護のために設置されるケーシング５内に水圧検出器６２が取り付けられて、振動の付与時の過剰間隙水圧の変化が把握できるようにすることで、液状化が発生する地盤か否かの判定を高精度で行うことができる。

このように、液状化判定と地盤改良を連続して行うことで、工期及び工費を大幅に軽減することが可能になる。
また地盤調査装置１は、ＳＷＳ試験機９１をベースに貫入試験機９を構成するため、ＳＷＳ試験を実施した後に、その延長線上で地盤調査及び地盤改良を追加することが容易にできる。

この場合は、ＳＷＳ試験と同じ試験孔を利用することができるので、コーン３の貫入が容易になる。さらに、ＳＷＳ試験の試験結果である地盤定数などと併せて、総合的に土質性状を判定することができるようになる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、水位センサ６１及び水圧検出器６２を備えた構成について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、地下水の有無に関わらず液状化判定を行う場合は、水位センサ６１を省略することができる。

また、前記実施の形態では、ロッド９３を注入管２２に交換して固化材ＣＭの注入を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、中空のロッドであれば、そのまま固化材ＣＭの注入に使用することができる。

１ 地盤調査装置
２ 固化材供給装置
２２ 注入管
３ コーン（振動体）
４ 加振機
５ ケーシング
６１ 水位センサ
６２ 水圧検出器
８３ 判定評価部
Ｇ 対象地盤
Ｇ１ 地表面
Ｗ 地下水
ＣＭ 固化材（改良材）
ＣＧ 改良部
ＣＧ１ 柱状改良部
ＣＧ２ 壁状改良部

Claims (7)

1. 液状化が起きる可能性が有る地盤を改良する地盤改良方法であって、
   対象地盤に振動を与える加振機によって液状化が発生する条件の振動を与える工程と、
   前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与された結果から液状化判定を行う工程と、
   前記液状化判定によって液状化が発生すると判定された対象地盤に対して前記振動停止後に改良材を注入する工程とを備えたことを特徴とする地盤改良方法。
2. 前記加振機には対象地盤に貫入させる振動体が接続されており、前記振動体によって前記対象地盤に振動を与えることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良方法。
3. 前記対象地盤まで貫入された水位センサによって地下水が検知された場合に、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与されることを特徴とする請求項１又は２に記載の地盤改良方法。
4. 前記対象地盤には孔壁保護のためのケーシングが貫入されるものであって、前記ケーシングには水圧検出器が取り付けられており、前記加振機によって振動が付与されている間の間隙水圧が前記水圧検出器によって測定され、前記判定評価部では、間隙水圧が任意に設定した条件を超えた場合に液状化と判定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の地盤改良方法。
5. 前記改良材は、セメント系固化材、薬液又は細粒分含有率の高い粘性土溶液であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の地盤改良方法。
6. 建物荷重を支持させる柱脚部の位置で実施されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の地盤改良方法。
7. 建物下部を囲い込むように実施されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の地盤改良方法。