JP3690467B2

JP3690467B2 - 地盤定数の推定方法

Info

Publication number: JP3690467B2
Application number: JP21184298A
Authority: JP
Inventors: 伸内山
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: JP2000027185A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地盤定数の推定方法に係り、特に根切り工事に伴い行われる地下水位低下工法によって山留め壁に作用する水圧変化分と山留め壁の壁体変形とから山留め壁を構築した地盤の地盤定数を精度よく把握するようにした地盤定数の推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、建物の地下階、地下駅、地下駐車場等の地下構造物を構築するために山留め壁を用いた根切り工事が行われている。掘削対象となる地盤に砂層と不透水性粘性土層とが互層をなして分布する場合には、上下が粘性土層で挟まれた砂層が被圧帯水層となることが多い。また、掘削底面付近に薄い粘性土層が存在し、その下層に被圧水頭が高い砂層が位置するような場合には、盤下げ掘削時に盤膨れ等が発生するおそれがある。そこで、高い被圧水頭を有する地盤を掘削する場合に、地下水位低下工法として山留め壁の掘削側にディープウェル等が計画されることが多い。ディープウェルを設置するには、対象地盤の透水係数、排水規模、構築される山留め壁の根入れ等をもとに井戸理論等の設計手法に基づいてウェルの本数、配置等が決定される。さらに現場において盤下げ掘削を行う前に揚水試験を行い、地下水位の変化をとらえて揚水量の管理を行っている。
【０００３】
図３（ａ）は、一例として上下が不透水粘性土層２１、２３（ＧＬ．−１０〜−１５ｍ及びＧＬ．−４０ｍ付近）に挟まれた被圧帯水砂層２２中に山留め壁１０を構築し、掘削区域内の所定範囲にディープウェル５０を設置して地下水位低下を図った施工例を示した模式地盤断面図である。本例では、同図（ｂ）に示したように、下層の不透水性粘性土層２３に近い計測点ａ（ＧＬ．−３８ｍ付近）における山留め壁内外位置での被圧水頭Ｗａ（Ｗａout、Ｗａin）が計測されている。通常、被圧水頭は観測孔内に設置された間隙水圧計により計測されるが、本明細書中では説明のために、計測点ａにおける被圧水頭Ｗａの大きさを、山留め壁内外に配置した大気圧に連通する観測孔の水柱高さ（水位）で示している（図３参照）。同図に示したように、掘削側に配置されたディープウェル５０を運転することにより掘削側では所定の水位曲線（図示せず）を示して被圧水頭が低下し、山留め壁近傍においても図示したような水位低下（Ｗａout→Ｗａin）が認められる。この従来例では山留め壁内外に位置する観測孔の水柱高さで示したように、山留め壁１０内外で約１５ｍ程度の水位差が生じた。
【０００４】
この山留め壁１０内外面での水位差は、山留め壁の外側から作用する差分水圧と見なすことができる。この差分水圧による山留め壁への影響は、掘削開始当初の背面土圧の影響が小さい段階での山留め壁の変形性状を計測することによって求めることができる。図４は、掘削当初における山留め壁の変形ｄ0を壁体傾斜計等を用いて実測した結果を示した壁体変形図である。
【０００５】
一方、図３（ａ）に示したような山留め壁１０を設計する場合、その設計手法として掘削深さ、地盤状態により各種の方法がとられている。特に大規模な山留め壁の設計においては、山留め壁の壁体応力が許容範囲内となるように設計を行うのに加え、掘削段階を追って変化する壁体変位を確実に把握する必要がある。設計手法のうち、比較的実際の挙動に近いモデル化を行っているものとして山留め弾塑性法解析が知られている。この山留め弾塑性法解析は、山留め壁を連続梁とし、その連続梁を、掘削段階に従って設けられる切梁支点と、根入れ受働部分に地盤バネを配設した地盤モデルで支持させて、掘削段階に伴って変化する主働土圧を荷重とした連続梁の応力、変位を求めようとするものである。この解析では地盤バネに弾塑性状態を設定して地盤の降伏に伴う応力再配分等のメカニズムを考慮することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の山留め弾塑性法解析に用いられる掘削側作用土圧および地盤バネモデルの設計定数は、実際の現地土質調査によって求められたＮ値、地盤変形係数（Ｅ）等を参考にして決定されている。たとえば、作用土圧のパラメータとなる内部摩擦角（φ）、粘着力（ｃ）はともにＮ値からの推定値やボーリング試料による土質試験結果が用いられることが多い。また、地盤バネ定数は、水平方向地盤反力係数（Ｋｈ値）に対してバネの深さ方向分担深さと奥行き方向分担幅とを考慮して決定されるが、この水平方向地盤反力係数（Ｋｈ値）もＮ値または変形係数（Ｅ）をパラメータとした算定式により求めるのが一般的である。ところが、この水平方向地盤反力係数Ｋｈ値は、本来、杭等の見付け幅の小さい構造物の水平抵抗地盤反力を設定するのに適用することを目的としており、山留め壁のように奥行き方向に連続している壁式構造物の単位幅当たりに換算して使用できる条件が限られている。
【０００７】
従来から、山留め壁を構築して根切り工事を行うに先だって、ディープウェル等の地下水位低下工法の揚水試験が行われており、その際山留め壁の内外面に水圧変化に伴う荷重が作用することが定量的に把握でき、その時の壁体変位も計測できていた。
その一方、実際の山留め壁設計で用いられる設計値はたぶんに仮定条件を含んだ推定値が用いられている上、その設計により実際に壁体が構築されても、掘削開始前の壁体に作用する実荷重−変位状態を把握し、その壁体や基礎杭の構築に伴って地盤状態が乱された後の実際的な地盤定数を把握し、山留め壁設計にフィードバックさせるという設計手法はなかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、ディープウェルの運転による揚水試験時に発生した山留め壁の変形とそのときの作用荷重との関係から逆解析を行い、山留め壁を支持する周辺地盤の性状を把握する地盤定数の推定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は根切り工事に先立って構築された山留め壁の掘削側において、その上下が不透水性層に挟まれた被圧帯水層に対して行われた地下水位低下手段による被圧水頭の低下分を前記山留め壁に作用する差分水圧として求めるとともに、被圧水頭低下時の前記山留め壁の変形量を実測し、前記山留め壁の設計のために行われた山留め弾塑性法解析の梁バネモデルを用いて前記差分水圧と、該差分水圧が作用した時の前記山留め壁の変形量とを用いた逆解析を行い、前記山留め壁の構築された地盤の地盤反力分布を算出し、設計に用いる地盤定数の推定を行うようにしたことを特徴とする。
【００１０】
このとき前記差分水圧は、前記被圧帯水層の層厚に相当する範囲に、前記山留め壁背面側から作用する等分布荷重と仮定することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の地盤定数の推定方法の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、図３に示したディープウェルを運転して山留め壁１０内側の掘削側の被圧帯水層の水位低下を図ったときの地盤内の深さ方向の水圧分布（Ｗout、Ｗin）を模式的に示した模式地盤断面図である。同図に示したように、山留め壁１０の両側の自然地下水位Ｗは、ともに上部の不透水性粘性土層２１上面まで静水圧勾配ΔＷ（＝１ｔ／ｍ）で漸増し、粘性土層２１内ではほぼ一定値となる。掘削背面側（山留め壁外側）の被圧帯水層２２では、下端の被圧水頭計測点ａ（本実施の形態ではＧＬ．−３８ｍ）の水圧Ｐａ（ｔ／ｍ²）まで静水圧勾配ΔＷで漸増している。
一方、掘削側（山留め壁内側）は所定深さだけ盤下げ掘削され、自然地下水位ｗと地表面とが一致した状態にある。被圧帯水層２２では図示しないディープウェルによって掘削側の水圧分布Ｗinは掘削背面側の水圧分布Ｗoutに対してΔＰ＝１５（ｔ／ｍ²）だけ減少している。したがって、図１（ａ）からも明らかなように、山留め壁１０に掘削背面側から作用する差分水圧ΔＰは、被圧帯水層２２が高い透水性を有する均質な砂層では、図１（ｂ）に示したように被圧帯水層２２の全層（ＧＬ．−１５ｍ〜−４０ｍ）にわたって掘削背面側から作用する等分布荷重Ｐｗ＝１５（ｔ／ｍ²）と見なすことができる。
【００１２】
この差分水圧ΔＰと等価な等分布荷重Ｐｗが作用した時の山留め壁１０の深さ方向の変形分布ｄ0は図４に示したように壁体に沿って設置された傾斜計（図示せず）等によって実測することができる。本実施の形態では、山留め壁１０の掘削側には１段切梁１１が設置されており、上部支点として山留め壁の上端変位を拘束している。
【００１３】
ここで、図１（ｂ）に示した差分水圧ΔＰと等価な等分布荷重Ｐｗを図示した山留め壁１０に作用させたときに生じた変位が、図４に示した実測変位ｄ0と等しくなるように繰り返し計算を行う逆解析を行って地盤の力学定数を求めることができる。
すなわち、図２（ａ）に模式的に示したように梁要素（山留め壁）とバネ要素（地盤、切梁）から構成された設計用の山留め弾塑性解析用の解析モデルを用いた逆解析を行う。この逆解析では作用荷重と梁要素としての山留め壁の諸定数は既知であるとし、バネ要素としてモデル化されている掘削底面以深の地盤バネ定数を未知パラメータとして求める。このとき掘削底面以深の地盤は受働土圧Ｐpを考慮する塑性域から地盤弾性バネＫeを考慮する弾性域に遷移するように設定されている。この塑性域、弾性域における当該地盤の地盤反力バネのための横方向地盤反力係数Ｋhを求めることができる（図２（ｂ）参照）。
【００１４】
逆解析では、対象となる山留め架構全体の剛性方程式において、実測により求まっている変位後の壁体の計測点座標と既知荷重作用時の壁体の変位後の節点座標とが一致するとしてたてた非線形方程式を繰り返し計算を行って解く。これにより、剛性方程式中に仮定した未知の弾性定数パラメータが求められる。
また、逆解析を簡易に行うためには、山留め弾塑性法解析モデルの計算における解析結果と実測値との対比を行い、いくつかの入力定数をトライアルにより入れ換えた計算を行い、適切な定数を設定するようにしてもよい。
【００１５】
図２（ａ）には、図４に示したように実際に差分水圧ΔＰが山留め壁１０に作用したときの壁体の変位実測値ｄ0と逆解析における計算上の壁体変位ｄ1とが合わせて示されている。さらに掘削底面以深での塑性域及び弾性域での深さ方向の地盤反力分布が示されている。このように作用荷重が既知であるとして逆解析を行うことにより、掘削底面以深での地盤反力分布を求め、深さ方向を所定の範囲で区切ることで区々の範囲の設計値としての横方向地盤反力係数を求めることができる（図２（ｂ）参照）。
【００１６】
また、逆解析により求まった横方向地盤反力係数と掘削時の壁体変位を利用することにより、背面土圧分布や切梁の設計用軸剛性の再検討を行え、その結果により各掘削段階における壁体変形量をより高精度に推定することができる。さらに求められた設計値に基づく予測解析を行い、設計当初の仕様に対する部材や架構の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による地盤定数の推定方法の一実施の形態を示した部分断面図。
【図２】本発明の地盤定数の推定方法の一例を示した平面図。
【図３】従来の根切り工事における地下水位低下工法の実施状態および被圧水頭の低下状態を模式的に示した地盤断面図。
【図４】図３（ａ）で示した地下水位低下時の山留め壁の変形の実測結果を示した壁体変位図。
【符号の説明】
１０山留め壁
２１，２３不透水性粘性土層
２２被圧帯水層
ΔＰ差分水圧
Ｐｗ等分布荷重

Claims

根切り工事に先立って構築された山留め壁の掘削側地盤において、その上下が不透水性層に挟まれた被圧帯水層に対して行われた地下水位低下手段による被圧水頭の低下分を前記山留め壁に作用する差分水圧として求めるとともに、被圧水頭低下時の前記山留め壁の変形量を実測し、前記山留め壁の設計のために行われた山留め弾塑性法解析の梁バネモデルを用いて前記差分水圧と、該差分水圧が作用した時の前記山留め壁の変形量とを用いた逆解析を行い、前記山留め壁の構築された地盤の地盤反力分布を算出し、設計に用いる地盤定数の推定を行うようにしたことを特徴とする地盤定数の推定方法。
前記差分水圧は、前記被圧帯水層の層厚に相当する範囲に、前記山留め壁背面側から作用する等分布荷重であることを特徴とする請求項１記載の地盤定数の推定方法。