JP2019002220A - 堤体の液状化対策構造 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤上に盛土によって構築された両側に斜面を有する堤体自体の液状化を防止することが可能な堤体の液状化対策構造を提供する。【解決手段】基礎地盤１上に盛土によって構築された両側にのり面２１，２１を有する盛土堤体２の液状化対策構造である。そして、両側ののり面ののり尻２２の内部に、盛土による堤体自体よりも変形量が小さく且つ透水性が高い変形抑制排水部が置換部３として設けられる。ここで、変形抑制排水部は、引張強度が高い外殻部と、この外殻部の内空に充填される排水材部とを有する構成とすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、地盤上に盛土によって構築される両側に斜面を有する堤体の液状化対策構造に関するものである。

特許文献１に開示されているように、河川堤防などの一方の斜面が水域に接する場合に、堤防に浸透した河川水や降雨を裏のり尻のドレーン部に集中させ、すみやかに堤防外に排水させるドレーン工が知られている。

また、特許文献２，３に開示されているように、軟弱地盤上に堤体を構築する場合に、地震によって軟弱地盤が液状化することで堤体が沈下したり破壊したりするのを防ぐための対策工も知られている。

特開２００７−３１４９６３号公報 特開２０１３−４９９８１号公報 特開平１０−１３１２０７号公報

一方で、2011年東北地方太平洋沖地震では、河川堤防や道路・鉄道盛土の堤体自体が液状化することで被害が生じた事例が報告された。しかしながら特許文献２，３に開示されているように基礎地盤に対する液状化対策は知られているが、堤体自体に対する液状化対策は知られておらず、その開発が待たれている。

そこで、本発明は、地盤上に盛土によって構築された両側に斜面を有する堤体自体の液状化を防止することが可能な堤体の液状化対策構造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、本発明の堤体の液状化対策構造は、地盤上に盛土によって構築された両側に斜面を有する堤体の液状化対策構造であって、前記両側の斜面ののり尻の内部又は外部に、前記盛土による堤体自体よりも変形量が小さく且つ透水性が高い変形抑制排水部を設けたことを特徴とする。

ここで、前記変形抑制排水部は、引張強度が高い外殻部と、前記外殻部の内空に充填される排水材部とを有する構成とすることができる。また、前記変形抑制排水部によって前記斜面ののり尻が形成される構成とすることが好ましい。

このように構成された本発明の堤体の液状化対策構造は、地盤上に盛土によって構築された堤体の両側の斜面ののり尻の内部又は外部に、盛土による堤体自体よりも変形量が小さく且つ透水性が高い変形抑制排水部を設ける。

このように堤体の一部に変形抑制排水部を設けるだけで、既設の堤体であっても、堤体自体の液状化を防止することができるようになる。すなわち、のり尻の内部又は外部に変形抑制排水部を設けるのであれば、これから構築される新設の堤体だけでなく、現在供用中の既設の堤体に対しても液状化対策を行うことができる。

また、変形量が小さく且つ透水性が高い変形抑制排水部は、引張強度が高い外殻部と、その内空に充填される排水材部とによって容易に構築することができる。さらに、変形抑制排水部によって斜面ののり尻が形成される構造とする場合は、堤体の周辺に新たに用地を確保する必要がなく、既設の堤体への適用が実現しやすくなる。

本実施の形態の堤体の液状化対策構造の効果を確認するために行った解析のモデル主要部を示した説明図である。 盛土堤体の全体の構成を解析モデルによって示した説明図である。 比較例とともに解析結果を説明する図で、（ａ）は無対策の比較例（Case0）の解析結果、（ｂ）は本実施の形態の堤体の液状化対策構造（Case1）の解析結果、（ｃ）は排水対策のみ施された比較例（Case2）の解析結果である。 着目箇所における平均骨格応力減少比（MSSRR）の時刻歴を各ケースで比較した図である。 着目箇所におけるせん断応力とせん断ひずみとの関係を対策の有無で比較した図である。 実施例で説明するのり尻の内部に変形抑制排水部を設けた堤体の液状化対策構造を説明する部分拡大図である。 実施例で説明するのり尻の外部に変形抑制排水部を設けた堤体の液状化対策構造を説明する部分拡大図である。

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、本実施の形態で説明する堤体の液状化対策構造の解析モデルを拡大して示した説明図、図２は堤体である盛土堤体２の全体の構成を説明するための図である。

まず図２を参照しながら全体構成を説明すると、盛土堤体２は、基礎地盤１となる地盤上に設けられる。本実施の形態で説明する基礎地盤１は、液状化を起すような地盤ではないが、軟弱粘性土であることが多い。また、基礎地盤１が、事前に液状化対策工が施されて、液状化が起きにくい改良された地盤になっていてもよい。

基礎地盤１上に構築される盛土堤体２は、例えば鉄道や道路を通すために築堤される。盛土堤体２は、両側に斜面となるのり面２１，２１を有し、地上部が断面台形状に構築される。両側ののり面２１，２１の勾配は、本実施の形態では同じとして説明するが、異なっていてもよい。

盛土堤体２の上面となる平面を天端２４と言い、天端２４の両側縁からのり面２１，２１が下向きの勾配で形成される。こののり面２１の上端、換言すると天端２４との境界をのり肩２３という。

一方、のり面２１の下端、換言すると基礎地盤１との交差部をのり尻２２という。盛土堤体２は、通常の盛土材料によって構築される。本実施の形態の堤体の液状化対策構造は、新設の盛土堤体２のみならず、既設の盛土堤体２にも設けることができる。このため、盛土堤体２自体の材質には限定されない。

盛土堤体２は、通常は排水性が比較的よい砂質土等によって構築される。これに対して基礎地盤１が軟弱粘性土などによって構成されていると、液状化は起きないが、盛土堤体２に浸透した雨水などが基礎地盤１側には排水されにくくなる。

また、基礎地盤１が軟弱粘性土などであれば、盛土堤体２の重量によって沈下が生じてめり込み部となる。図１，２において、台形状の地上部の反対側に低い台形状に図示されている地下部が、盛土堤体２のめり込み部となる。

このめり込み沈下した領域を含む基礎地盤１との境界付近の盛土堤体２の内部には、雨水などが溜まって飽和域が形成されることがあり、砂質土によって構築された盛土堤体２は、地震時にこの飽和域が液状化するおそれがある。

盛土堤体２自体が液状化して変形や陥没などが起きると、天端２４に沿って敷設された鉄道や道路にも被害が及ぶことになるため、盛土堤体２自体の液状化を防ぐ必要がある。

そこで以下では、盛土堤体２自体の液状化を防止することが可能な堤体の液状化対策構造について、検討した結果を説明する。この検討は、主に解析によって行った。まず、解析手法及び解析条件について説明する。

解析は、不飽和土を考慮した浸透−変形連成動的解析法により行った。また、地震時の盛土堤体２の液状化被害の軽減に寄与する効果を、無対策（Case0）や既存のドレーン工（Case2）との比較を行うことで検証した。

解析手法において、土骨格の構成式には、簡易な繰返し弾塑性構成式を用いた。具体的には、せん断による降伏を考慮した相当応力比一定型の降伏関数、非線形移動硬化則、非関連流動則、Cam-Clay 型の塑性ポテンシャル関数を用いた。

そして、この構成式を基にして、ダイレイタンシー係数がサクションの大きさに応じて変化できるように改良を行った。さらに、液状化時のような大きなひずみを表現できるように、繰返し載荷ごとでリセットされる塑性相当ひずみに応じて塑性剛性の低減も行っている。

また、基礎式は多孔質体理論などに基づき、（１）土粒子自体は非圧縮、（２）各相間の質量交換はない、（３）間隙流体の土骨格に対する相対加速度・移流項は土骨格の加速度に対して充分に小さい、などの条件を設定した。構成式は、これらの条件のもとで、土骨格の変位u^s、間隙水圧p^w 及び間隙空気圧p^aを未知数とする基礎式（混合体のつりあい式と間隙水・間隙空気の連続式）からなる。また、空間離散化には混合型の有限要素法を適用した。

図２は、複数の要素（メッシュ）に分割された解析の対象とした盛土堤体２と基礎地盤１の有限要素モデルを示している。盛土堤体２は、標準的な複線構造の鉄道盛土を想定し、盛土高さを6m、のり面２１の勾配を1:1.5、盛土堤体２の天端２４の幅を10mと設定した。

そして、地下水位１１は、地表面の位置から0.5mの深度とし、盛土堤体２のめり込み沈下量を2m、液状化強度比を0.2とした。また、盛土堤体２自体の飽和透水係数を1.0×10^-6m/sとした。さらに、盛土堤体２の中央部２５より片側のみで解析が行えるように、形状及び特性は中央部２５で線対称となるように設定した。

続いて、解析を行ったケースについて説明する。まず、無対策のCase0は、上述した盛土堤体２のみの特性によって解析を行った。これに対してCase1,2では、のり面２１ののり尻２２に位置するメッシュ（要素）を排水性材料に置換した。すなわち、盛土堤体２自体の飽和透水係数1.0×10^-6m/sより排水性の高い材料に１要素を置き換えて置換部３とした。

ここでCase1は、本実施の形態の堤体の液状化対策構造を表す解析モデルとなる。一方、Case2は、のり尻２２にドレーン部を集中させるドレーン工を模した解析モデルである。

Case2とCase1は、置換部３を同じ飽和透水係数1.0×10^-4m/sとした。すなわちCase1,2の置換部３は、他の堤体部分と比べて排水性能が２桁高い。他方で、ドレーン工（Case2）の土骨格の変形特性は、盛土堤体２と同一の材料特性を用いた。すなわちCase2では、置換部３は、排水性は高いが剛性は盛土堤体２自体と同じとなる。

これらに対して、本実施の形態の堤体の液状化対策構造を表す解析モデル（Case1）では、排水性を高めるとともに、盛土堤体２自体よりも変形量が小さくなるように剛性の高い置換部３を設定した。この置換部３は、堤体自体よりも変形量が小さく且つ透水性が高い変形抑制排水部となる。詳細には、土骨格の構成式については弾性体で表現することとし、のり尻２２での拘束圧を考慮して、Lame定数をλ=112,500kPa、μ=56,250kPaと定めた。

各ケースの入力地震動としては、鉄道の耐震設計標準に示されるL2地震動、スペクトルIIの基盤位置での時刻歴波形を用いた。そして、計算時間は25秒間、計算時間増分は0.002秒とした。

次に、解析結果について説明する。図３は、各ケースの解析終了時点で得られた相当ひずみの分布を示している。この解析結果は、盛土堤体２の中央部２５からの左半分で示している。相当ひずみの分布は、コンター図で示しており、図１に示した節点n540，n875，n883，n903位置における水平・鉛直変位の各成分を数字（単位：m）で示している。なお、コンター図で特に着目すべき箇所には、一点鎖線で囲いをし、目安となる相当ひずみの数値を記入した。

図３（ａ）に示した無対策のCase0では、めり込み部でひずみが大きく発達し（一点鎖線で囲まれた範囲）、盛土堤体２でも最大0.3程度のひずみが発達している。これに対して、のり尻２２の置換部３を変形抑制排水部としたCase1（図３（ｂ））では、めり込み部で生じるひずみは0.1以下に低減され、盛土堤体２でも生じるひずみは、のり尻２２の置換部３直上の限られた範囲に留まっている。

他方、図３（ｃ）に示した排水性は有するが土骨格の変形特性が盛土堤体２と同じままであるCase2では、Case0ほどではないがめり込み部及び盛土堤体２の両方でCase1よりも大きなひずみが生じており、のり尻２２の置換部３を透水性の高い材料にしただけでは変形を充分に抑えることができないと言える。すなわち、のり尻２２の置換部３は、優れた変形特性を有する変形抑制排水部（Case1）とすることが、盛土堤体２の変形抑制にとって重要であることがわかる。

続いて、図１中のe125，e259，e274の各要素での平均骨格応力減少比（ＭＳＳＲＲ）の時刻歴を、図４に示す。めり込み部の底部に位置するe274では、全てのケースにおいて約4秒時点で平均骨格応力減少比（ＭＳＳＲＲ）が1.0に到達し、液状化に至っていることがわかる（図４最下段参照）。

一方で、この要素（e274）の上部に位置するe259の要素では、平均骨格応力減少比（ＭＳＳＲＲ）は1.0までは上昇せず、液状化には至っていない（図４中段参照）。この両要素の挙動の違いは、盛土荷重による初期の軸差応力の大きさの違いに起因している。

そして、盛土堤体２ののり尻２２に近いe125の要素では、排水性材料（置換部３）が近傍に存在することで、Case1のみで平均骨格応力減少比（ＭＳＳＲＲ）が1.0とはならず、本実施の形態の置換部３を変形抑制排水部とする対策工が液状化発生の抑制に寄与していると考えられる（図４最上段参照）。

これに対してCase2（ドレーン工）では、Case0（無対策）と比べると時間は遅くなっているものの液状化が生じている。このCase2では、置換部３で変形が抑制されないことに起因して、透水性（排水性）が良好であっても液状化に至ったものと考えられる。

さらに、排水性材料を用いたときの対策工の効果発揮の要因について考察する。図５には、Case0とCase1の解析で得られた要素e125と要素e115におけるせん断応力とせん断ひずみとの関係を示した。

地下水位１１以下にある要素e125では、図５（ａ）に示すように、Case0では液状化の発生に伴って作用せん断力（せん断応力）がゼロとなるとともに、その後に著しいせん断ひずみの増加が見られるが、Case1では作用せん断力はゼロとはならず、せん断ひずみの増加も抑制されている。

一方、地下水位１１より上方の不飽和土となる要素e115では、液状化に至ることはないが、Case0に比べるとCase1では加振後半での作用せん断力の低下が小さく、せん断ひずみの増加も小さい。この挙動の違いは、のり尻２２付近のめり込み部での液状化の発生の有無や、のり尻２２を変形抑制排水部で置き換えたことによる抑え効果に起因するものと考えられる。

以上で説明したように、盛土堤体２の液状化の対策工について、不飽和浸透−変形連成動的解析によって効果の検証とそのメカニズムの解明を行った結果、盛土堤体２の変形量が抑制され、飽和領域での部分的な液状化の発生の抑制や、飽和領域だけでなく不飽和領域でもひずみの発達が低減されるは、高い透水性及び変形特性を有する変形抑制排水部（置換部３）をのり尻２２に配置した場合であることがわかった。

次に、本実施の形態の堤体の液状化対策構造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堤体の液状化対策構造は、基礎地盤１上に盛土によって構築された盛土堤体２の両側ののり面２１，２１ののり尻２２の内部又は外部に、盛土による堤体自体よりも変形量が小さく且つ透水性が高い変形抑制排水部（置換部３）を設ける。
このように堤体の一部に変形抑制排水部を設けるだけで、既設の堤体であっても、堤体自体の液状化を防止することができるようになる。

以下、前記した実施の形態の堤体の液状化対策構造を実施するための施工例について、図６Ａ及び図６Ｂを参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を用いて説明する。

前記実施の形態で説明したように、堤体の液状化対策構造は、のり面２１の下端となるのり尻２２周辺に変形抑制排水部を設けるだけで良い。図６Ａは、のり尻２２の内部に変形抑制排水部４を設けた例を示し、図６Ｂは、のり尻２２の外部に変形抑制排水部４Ａを設けた例を示している。

変形抑制排水部４，４Ａは、盛土堤体２自体よりも変形量が小さく且つ透水性が高い特性を有する。例えば盛土堤体２が砂質土によって構築されている場合、砂質土を締め固めて構築された盛土よりも剛性（変形特性）が高く、排水性に優れた構成とする必要がある。

このような変形抑制排水部４，４Ａは、例えば引張強度が高い外殻部４１と、外殻部４１の内空に充填される排水材部４２とによって構成することができる。外殻部４１には、側面が網目材又は有孔板などによって形成された容器状のものが使用できる。

外殻部４１は、例えば、硬質ポリエチレンなどの引張強度が高い合成樹脂によって成形されたものが使用できる。また、外殻部４１は、耐候性に優れた材料によって形成されるのが好ましい。例えば、亜鉛メッキなどで処理されたじゃかご状の鋼材を外殻部にすることもできる。

そして、外殻部４１によって側面が囲まれた内空には、砕石や砂利などが高い排水性能が確保できる状態で充填される。例えば、円筒状、直方体状又はハニカム構造状に形成された外殻部４１に、砕石などの排水材部４２を充填することによって、変形抑制排水部４，４Ａを製作することができる。

例えば図６Ａに示すように、既設の盛土堤体２ののり尻２２の内部に変形抑制排水部４を設ける場合は、盛土堤体２ののり尻２２の一部を掘削して、変形抑制排水部４，・・・を積み上げた後に、上方を埋め戻すことで構築することができる。

また、図６Ｂに示すように、既設の盛土堤体２ののり尻２２の外部に変形抑制排水部４Ａを設ける場合は、のり尻２２の斜面に沿って変形抑制排水部４Ａ，・・・を積み上げることで構築することができる。

このようにのり尻２２の内部又は外部に変形抑制排水部４，４Ａを設けるのであれば、これから構築される新設の盛土堤体２だけでなく、現在供用中の既設の盛土堤体２に対しても液状化対策を行うことができる。

また、容器状に形成された引張強度が高い外殻部４１と、その内空に充填される排水材部４２とによって構成される変形抑制排水部４，４Ａを使用するのであれば、液状化対策構造を容易に構築することができる。

さらに、変形抑制排水部４によってのり面２１ののり尻２２が形成される構造（図６Ａ参照）とする場合は、盛土堤体２の周辺に新たに用地を確保する必要がなく、既設の堤体への適用が実現しやすくなる。
なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

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、この実施の形態及び実施例に限らず、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、両側に1:1.5の同一勾配ののり面２１，２１を有する盛土堤体２を例に説明したが、これに限定されるものではなく、任意の勾配の斜面や非対称の形状を有する堤体にも本発明を適用することができる。

１ 基礎地盤（地盤）
２ 盛土堤体（堤体）
２１ のり面（斜面）
２２ のり尻
３ 置換部（変形抑制排水部）
４，４Ａ 変形抑制排水部
４１ 外殻部
４２ 排水材部

Claims (3)

1. 地盤上に盛土によって構築された両側に斜面を有する堤体の液状化対策構造であって、
   前記両側の斜面ののり尻の内部又は外部に、前記盛土による堤体自体よりも変形量が小さく且つ透水性が高い変形抑制排水部を設けたことを特徴とする堤体の液状化対策構造。
2. 前記変形抑制排水部は、引張強度が高い外殻部と、前記外殻部の内空に充填される排水材部とを有することを特徴とする請求項１に記載の堤体の液状化対策構造。
3. 前記変形抑制排水部によって前記斜面ののり尻が形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の堤体の液状化対策構造。