JP3740600B2

JP3740600B2 - 地中構造物の沈下防止構造

Info

Publication number: JP3740600B2
Application number: JP32461498A
Authority: JP
Inventors: 篤生尾上; 克之玉置; 広志風間; 信夫森
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2018-11-16
Also published as: JP2000144782A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地中構造物の沈下防止構造に係り、特に地震時に液状化の生じるおそれのある地盤中に構築された地下街やボックスカルバート等の直接基礎構造の地中構造物が地震後の地盤沈下により沈下しないように、支持体を介して地中構造物を支持するようにした地中構造物の沈下防止構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、地震時に液状化が生じる地盤中に直接基礎構造の地中構造物を構築した場合、常時において地盤支持力が確保されているような支持地盤であっても液状化が生じると、地盤中の過剰間隙水圧が上昇し、急激に支持力が失われる。これに伴って地中に埋設された構造物はその重量、形状によって埋設位置から浮き上がったり、傾いたりという被害を受ける。
また、このような地盤は地震発生後に間隙水が消散し、土粒子が密に締まった状態で地盤強度が回復する。このため地盤の体積減少が生じ、当初地中構造物が埋設されていた基礎支持面が沈下し、これに伴って構造物が沈下してしまうという現象も観測されている。
【０００３】
出願人は、すでにこの地盤の液状化に伴う地中構造物の浮き上がり等を防止するために種々の提案を行っている。
図１０に示された地中構造物５１では、液状化の発生のおそれのある地盤５０内に構築された地中構造物５１の側方位置に下層の難透水層５３まで到達するような止水壁５２が地表あるいは地表付近の地中部分から構築され、さらに地中構造物５１の外周を取り囲むように砕石等からなる高透水性充填材が充填されている。この高透水性充填材が地中構造物の周囲に透水層５４を形成する。このため、透水層５４で囲まれた地中構造物５１及び止水壁５２に囲まれた構造物の下部の地盤５５でのせん断変形と、過剰間隙水圧の上昇とが抑止され、液状化の発生が防止される（特開平４−１３１４２９号公報参照）。
【０００４】
図１２に示された地中構造物５１では、液状化の発生のおそれのある地盤５０内に構築された地中構造物５１の側方位置にわずかな隙間をあけて下層の難透水層５３まで到達するような止水壁５２が地表あるいは地表付近の地中部分から構築され、さらに地中構造物５１の側面と止水壁５２との間がアスファルト層６０により密接されている。このアスファルト層６０は地震時には弾性材として作用して地中構造物５１の急激な変位に対して抵抗力を発揮して地中構造物５１の浮き上がりや沈下が抑止される。また、長期的には粘性体として作用し、地震後の水圧の消散による構造物躯体の変位は拘束されず、地震後は変位の生じた地盤上に支持されるようになっている（特開平４−１３１４３０号公報参照）。
【０００５】
上述したいずれの地中構造物の例でも、止水壁５２で囲まれた地盤５５は、液状化しない限り、構造物を支持するのに十分な地耐力を有している。この地盤が地震によって液状化すると、止水壁５２の外側の地盤５０のせん断変形に伴い、止水壁５２も変形する。その変形は止水壁５２に挟まれた地盤５５にも伝わり、地中構造物５１にもその影響が及ぶ。しかし、構造物５１の浮き上がりはわずかであり、また止水壁の剛性を適正に設定することで浮き上がりを完全に抑止することもできる。
また、図１０に示した地中構造物５１では、透水層５４内に間隙水が通るいわゆる水みちができても、透水層５４自体は液状化しないため、地盤５０と５５が液状化しても構造物の浮き上がりは止水壁５２が撓んだ量に相当するわずかな量しか生じない。図１２に示した地中構造物５１では、止水壁５２と構造物側面との間にアスファルト層６０が介在しているため構造物５１、止水壁５２、難透水層５３で囲まれた地盤部分は地震時にも体積変化がなく、止水壁５２で囲まれた地盤５５や止水壁５２の外部の地盤５０が液状化しても、止水壁５２の外部の地盤５０が内部へ流入することがないので、止水壁５２が撓んだ量に相当する僅かな浮き上がりしか生じない。このため、浮力による浮き上がりの心配はない。
このように図１０においても図１２においても地盤５０と地盤５５が地震時に液状化しても構造物５１の浮き上がりは僅かしか生じない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１０に示した地中構造物５１では、地震時に生じた過剰間隙水圧により地盤内の土中水が地震中および地震後に構造物の周囲に形成された透水層５４や下層の難透水層５３を通じて止水壁５２外に排水される。これとともに地盤５５は砂粒子が密に接触し、地盤全体の体積が圧縮された状態で地盤強度が回復する。このとき間隙水が逸散した分だけ地盤面の沈下が生じる。このため液状化後の地盤強度の回復過程で構造物が透水層とともに沈下するという問題がある（図１１参照）。
【０００７】
また、図１２に示した地中構造物５１でも、止水壁５２に囲まれた地盤の土中水が止水壁５２の外部の地盤の過剰間隙水圧の消散中および消散後の長期間の間に難透水層をゆっくり通過し、図中矢印で示したように、下層の難透水層５３部分を通じて排水される。このため、構造物下に地盤沈下が生じ、アスファルト層６０に粘性変形を生じさせながら、構造物全体が沈下してしまうという問題もある（図１３参照）。
【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、長期的に、また液状化が生じるような地震が起こった後の地盤の強度回復に伴う地中構造物の沈下を防止するようにした地中構造物の沈下防止構造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、本発明は液状化発生後に沈下が生じるような地盤中に直接基礎で構築された地中構造物の周囲に、地表または地表よりやや低い地中から下層の難透水層まで延びる止水壁を設けるとともに、前記地中構造物の底面位置に、その上面が前記地中構造物底面に連結構造部材を介さずに接し、下端が前記難透水層まで延び、支持力が前記地下構造物の水中重量とその上の上載荷重とを、短期荷重として負担可能に設計された支持体を配設し、液状化発生後に前記地中構造物を直接支持していた地盤の沈下により前記地中構造物の下部に空洞部が生じた際に、前記地中構造物が前記支持体上に載置され支持され、その後、前記空洞部に充填された充填材が所定強度まで硬化して形成された充填支持層とで支持されるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
前記支持体は、その頭部が前記地中構造物の底面に設けられたさや管内に収容され、前記地中構造物の水中重量とその上の上載荷重とを支持するようにすることが好ましい。これにより、前記支持体の上下方向の相対移動を許容した状態で水平ずれを防止することができる。
【００１２】
前記充填材は、前記地中構造物の底版に形成された注入管を介して前記空洞部に充填されるようにすることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の地中構造物の沈下防止構造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は液状化が生じた後に、地盤の沈下が予想される支持地盤１上に構築された地中構造物１０と、この地中構造物１０の沈下を防止するために設けられた支持体２０とを示している。この地中構造物１０は地下水位２が地表面３近くまである飽和砂質土層内に直接基礎構造形式により構築されている。この種の砂質土層は常時において、直接基礎構造の地中構造物１０を支持することができる。しかし、たとえば地盤の標準貫入試験結果のＮ値が限界Ｎ値（Ｎ＝１５）以下であるような場合には、支持地盤に相当する地盤でも液状化が生じるおそれがある。本実施の形態では地震時の液状化による被害を防止するために地中構造物１０の側壁の外側に止水壁１１が構築されている。止水壁１１は同図に示したように、地表面または地表面近傍の地中から下層の難透水層４内に到達し、所定の根入れ長をとって構築されている。本発明では、止水壁１１にはソイルセメント柱列壁が施工されているが、止水効果を奏する各種の壁体を適用できる。たとえば鉄筋コンクリート地中連続壁、鋼矢板、鋼管矢板、プレキャストコンクリート矢板等を施工規模に応じて適宜使用できる。
【００１４】
地中構造物１０としては断面形状が図示したような□形状をなし紙面に直交する延長方向に施工される地下街やボックスカルバートの他、全体が地中に掘り込まれ、その上部が地上に開放されたようなコ字形断面の開渠や、建物の基礎構造のように止水壁が地中の基礎部分の周囲を取り囲んでいるような構造であってもよい。
【００１５】
図１に示した地中構造物１０は直接基礎構造からなるが、底版の底面１０ａには下端が難透水層４に到達する支持体２０としての支持杭（以下、符号２０を付して示す。）の上端が接触している。
この支持杭２０と地中構造物１０の底版の底面１０ａとは構造的に結合されていない。すなわち、各支持杭２０の上面は平滑に仕上げられており、その高さは底版の底面１０ａのレベル（高さ）と一致している。支持杭２０は構造物の施工に先立って施工されるが、構造物基礎のための割栗石、均しコンクリートは支持杭２０と絶縁させた状態で施工することが好ましい。地盤沈下により構造物の下部に空洞部が生じた際、地中構造物１０の鉛直荷重が支持杭２０によって支持される。
【００１６】
地中構造物１０は直接基礎として地盤全体に支持されているため、支持杭２０は常時には機能しない。この支持杭２０は図３に示したように、地盤液状化が生じた後に、止水壁１１で囲まれた地盤において砂粒子間の土中水の一部が逸散してしまい、地盤の沈下が生じた場合に地中構造物１０を支持する役目を果たす。したがって、この支持杭２０の設計支持力は、図３に示した状態にある地中構造物１０とその上の上載荷重とを短期荷重として支持できるように設定されている。このとき地中構造物１０は復帰した地下水位下にあるため、地下水による浮力を差し引いた重量設定でよい。また、地中構造物１０は、上述した条件において支持杭２０で点支持された場合にも支持杭２０の先端からの押し抜き荷重に対しても安全であるように設計されている。杭径、杭間隔の決定は通常の設計手法に基づいて行えばよい。
【００１７】
なお、図９に示した地中構造物５１に本発明を適用する場合には、支持杭の上端は充填により構造物の下部に形成された透水層５４の上面と高さを揃え、透水層５４の沈下に対応するようにすることが好ましい。図１１に示した地中構造物５１では止水壁５２で区画された地盤５５の構造物支持面に合わせて支持杭天端の仕上げを行うことが好ましい。
【００１８】
支持杭２０としては本実施の形態では、ソイルセメント杭が使用されているが、所定の支持力が確保される杭であれば、鋼管杭、Ｈ形鋼杭等の各種形鋼杭、プレキャストコンクリート杭等を適宜採用することができる。
【００１９】
地盤沈下時に構造物下に発生する空洞部６を充填し、充填支持層７を設けるための手段について図２を参照して説明する。
図２は、充填材注入管２５と注入検知管２６とが構造物の底版に設けられた一実施の形態を示した拡大断面図である。
同図に示したように、地下構造物の延長方向に沿って所定の間隔をあけて底版コンクリートを貫通するように１断面当たり２本の充填材注入管２５と、３本の注入検知管２６とが設けられている。
【００２０】
充填材注入管２５は底版コンクリート施工時にパイプ状の箱抜きにより形成された管で、地盤の沈下により構造物の底版下に図３に示したような空洞部６が生じた際に、セメントミルク等のグラウト材を注入するための供給管である。注入検知管２６は空洞部６内に充填されたグラウト材のリターンを確認するとともに、必要に応じて空洞部６の深さを確認するために用いられる。
【００２１】
グラウト材としては、従来のポルトランドセメント等のセメント種類の他、ベントナイト等の膨張材料やフライアッシュ等を添加することも好ましい。グラウト材は所定期間を経て硬化して強度発現するが、この充填された部分が、支持層として硬化後に構造物重量、上載荷重を負担する。したがって、グラウト材は荷重が作用した際に破壊しない強度（１０kgf/cm²程度）まで硬化するような材料が使用されている。
【００２２】
次に、図１に示した地中構造物１０の沈下の進行と、その防止構造の作用について図３〜図５を参照して説明する。
図１のような構成からなる止水壁１１を備えた地中構造物１０が構築された地盤中では、地震が生じた場合でも止水壁１１に囲まれた地盤５のせん断変形と過剰間隙水圧の発生が抑えられる。また止水壁１１が、液状化した外部の土砂が構造物１０の下部に回り込むことを防ぐ。このため、液状化発生時における構造物の浮き上がりが抑止ないし緩和される。その後、構造物の下側の砂質土層中の水の一部が透水層ないしは下部の難透水層４を通じて排水され、砂質土層５の体積減少（地盤沈下）が生じる（図３参照）。また、構造物の下側の地盤沈下に伴い、止水壁１１との間の土砂が図中矢印で示したように、下方に流れ込み、構造物上部の埋め戻し土が地表面３から沈下することがある。この場合には図４、図５に示したように、地表面３から地盤沈下分を砂質土等の埋め戻し材８で埋め戻すことが好ましい。
【００２３】
図４は図３に示したように地盤沈下により生じた空洞部６にグラウト材を充填するとともに、地表部分の陥没部分を埋め立てた状態を示した断面図である。同図に示したように、充填材注入管２５（図５参照）を通じてグラウト材を空洞部６に充填して空洞部６を埋め戻す。空洞部６が完全に埋め戻された時点から、支持杭２０が負担する支持力は減少し、支持杭２０の負担はグラウト材の硬化に伴って小さくなる。前述したように充填支持層７の強度は支持地盤と同等あるいは同等以上になるため、構造物は充填支持層７全体で均等に支持される。
【００２４】
なお、図５に拡大して示したように、グラウト材の充填が空洞部６全体に行われているかを確認するために、注入検知管２６からのグラウト材のリターン状況を確認することが好ましい。
【００２５】
図６は、充填材注入管２５と注入検知管２６を地中構造物１０の外側面に設けた変形例を示した模式断面図である。同図に示したように、構造物１０と分離して充填材注入管２５と注入検知管２６を設けることで地中構造物１０内部からのグラウト注入が行えないような場合に地表面から沈下の状態を確認し、グラウト材の注入を行うようにした変形例を示している。
【００２６】
図７、図８は支持杭２０が地中構造物１０の底版を支持する際に底版の集中応力の増加を緩和するようにした補強構造の例を示した部分拡大断面図である。
常時において図７に示した地中構造物１０は直接基礎として地盤全体に支持されている。この状態から図３に示したように構造物の下部の地盤が沈下すると、支持杭２０のみで底版を支持することになる。この場合、押し抜きせん断による集中荷重を考慮して底版コンクリートの鉄筋を部分的に補強する必要がある。これに対して図７に示したように、支持杭２０の上端にプレキャストコンクリート板２１を配置して支持杭２０からの集中荷重を緩和させることで、底版の補強鉄筋を不要にできる。図８は支持杭２０間にプレキャストコンクリート梁２２を架設した補強例を示している。このように縦横に格子状に配置された支持杭２０の杭頭を補強することで、各支持杭２０の変位のばらつきを防止して地中構造物１０の底版を均等に支持することができる。
【００２７】
図９はさや管の設置例を示している。地中構造物１０の底版と支持体２０の頭部は構造的に結合させないが、この水平力が作用した際の両者の水平ずれを防ぐために地中構造物１０にアンカーボルト２４で固定されたさや管２３としてのフランジ付き鋼管を取り付け、この管内に支持杭２０の頭部２０ａを収容する。これにより、さや管２３と支持杭２０は結合されずに上下に相対移動はできるが、水平ずれは生じない。さや管２３の内径φは、図７で説明した拡頭支持杭を用いる場合はその頭部直径に合わせて製作すればよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上に述べたように、液状化のおそれのある地盤に構築された地中構造物の浮き上がり及び地震後に生じる地盤の沈下を確実に防止することができると言う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の地中構造物の沈下防止構造の一実施の形態を示した全体断面図。
【図２】図１に示した地中構造物を部分的に拡大して示した部分拡大断面図。
【図３】図１に示した地中構造物を支持していた地盤の表面が液状化後に沈下した状態を示した状態説明図。
【図４】本発明の沈下防止構造により地中構造物下の空洞部を閉塞した状態を示した状態説明図。
【図５】図４に示した地中構造物を部分的に拡大して示した部分拡大断面図。
【図６】地中構造物に設ける注入管、検知管の変形例を示した部分拡大断面図。
【図７】地中構造物の底版補強構造の一実施の形態を示した部分拡大断面図。
【図８】底版補強構造の変形例を示した部分拡大断面図。
【図９】支持体頭部と底版との接合の一形態を示した部分断面図。
【図１０】従来の液状化対策工を施した地中構造物の一例を示した全体断面図。
【図１１】図１０に示した地中構造物の沈下状態の一例を示した状態説明図。
【図１２】従来の液状化対策工を施した地中構造物の他の例を示した全体断面図。
【図１３】図１２に示した地中構造物の沈下状態の一例を示した状態説明図。
【符号の説明】
１支持地盤
４難透水層
６空洞部
７充填支持層
１０地中構造物
１１止水壁
２０支持体（支持杭）
２３さや管
２５充填材注入管
２６注入検知管

Claims

液状化発生後に沈下が生じるような地盤中に直接基礎で構築された地中構造物の周囲に、地表または地表よりやや低い地中から下層の難透水層まで延びる止水壁を設けるとともに、前記地中構造物の底面位置に、その上面が前記地中構造物底面に連結構造部材を介さずに接し、下端が前記難透水層まで延び、支持力が前記地下構造物の水中重量とその上の上載荷重とを、短期荷重として負担可能に設計された支持体を配設し、液状化発生後に前記地中構造物を直接支持していた地盤の沈下により前記地中構造物の下部に空洞部が生じた際に、前記地中構造物が前記支持体上に載置され支持され、その後、前記空洞部に充填された充填材が所定強度まで硬化して形成された充填支持層とで支持されるようにしたことを特徴とする地中構造物の沈下防止構造。
前記支持体は、その頭部が前記地中構造物の底面に設けられたさや管内に収容され、前記地中構造物の水中重量とその上の上載荷重とを支持する請求項１記載の地中構造物の沈下防止構造。
前記充填材は、前記地中構造物の底版に形成された注入管を介して前記空洞部に充填される請求項１記載の地中構造物の沈下防止構造。