JP4331016B2 - 地盤の透水異方性実測に基づいて遮水壁の深度を求める方法 - Google Patents

Description

この発明は、地盤を掘削する際に構築される土留め壁又は遮水壁（以下、遮水壁と総称する。）の深度を、原位置地盤の水平方向及び鉛直方向の透水係数の実測に基づいて求める方法の技術分野に属する。

地下水位が高い帯水層若しくはその上層地盤を掘削する場合、地盤の掘削領域の外周面に沿って鋼矢板又は地中連続壁等による遮水壁を構築するのが一般的である。遮水壁は、掘削する地盤領域の外周位置で原位置地盤の透水係数を実測し、該透水係数に基づいて算出した遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値が目標値以下となる深度を設定し施工している。しかし実際の遮水壁は、周辺地盤の沈下又は掘削地盤低盤の盤膨れ等の事故を懸念するがために、粘性土層及び粘性土を多量に含む所謂不透水層にまで深く建て込んでいる。例えば下記の特許文献１〜６に開示された発明に係る遮水壁も、安全性を考慮して不透水層まで建て込まれている。

特開２００１−２０７４４４号公報 特開２００３−１３８５８４号公報 特開２０００−８７３８３号公報 特開平９−２４２０８２号公報 特開２００１−１１５４５８号公報 特開２００１−４９６５１号公報

原位置地盤における透水係数には異方性があり、水平方向と鉛直方向の透水係数は別々に測定し評価しなければならない。しかし、従来行われてきた透水試験は水平方向に卓越した透水係数のみを実測し評価するのが通例であった。つまり、遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を透水係数に基づいて算出する場合、水平方向の透水係数のみを測定し、鉛直方向の透水係数は水平方向の透水係数と同値であると推定して遮水壁の深度を求め、設計、施工するのが実情であった。

しかし、鉛直方向の透水係数を水平方向の透水係数と同値とみなして算出された周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値は、実際の周辺水位低下量及び揚水量よりも大きく算出される。そのため遮水壁の深度が不透水層まで深く建て込まれたり、過剰な深度に設計、施工されることになる。その結果、工期と工費が大幅に増加するうえに施工に伴う産業廃棄物土が大量に排出されるという不都合も生じている。

ところで、本出願人は、水平方向の透水係数のみならず、鉛直方向の透水係数をも正確に、しかも容易に測定できる方法を発明し出願した（特開２００３−３２１８２７号公報に開示）。

よって本発明の目的は、既に実績のある水平方向の透水係数の実測、及び「特開２００３−３２１８２７号公報」に開示した発明で可能にした鉛直方向の透水係数を実測して、遮水壁の深度を正確に経済的に設計可能とし、施工にかかる工期及び費用を大幅に削減でき、且つ施工に伴う産業廃棄物土量をも大幅に削減できる、地盤の透水異方性実測に基づいて遮水壁の深度を求める方法を提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る地盤の透水異方性実測に基づいて遮水壁の深度を求める方法は、
掘削する地盤領域の原位置地盤における透水係数を実測し、遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を前記透水係数に基づいて算出し、周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値が目標値以下となる遮水壁の深度を求める方法において、
掘削する地盤領域の原位置地盤における水平方向の透水係数及び鉛直方向の透水係数をそれぞれ実測し、遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を前記水平方向の透水係数及び鉛直方向の透水係数に基づいて算出し、周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値が目標値以下で、且つ次の施工費用検討式

に遮水壁の長さ（Ｌ _min ，Ｌ _min ＋１,…,Ｌ _max ）を順次に代入して施工費用を算出し、該施工費用が最小となるときの遮水壁の長さを同遮水壁の最適な深度とすること特徴とする。

本発明によれば、既に実績のある水平方向の透水係数を実測し、更に、「特開２００３−３２１８２７号公報」に開示した発明により可能となった鉛直方向の透水係数を実測し、これら２種の実測値を基に周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を正確に算出するので、ひいては遮水壁の深度を正確に経済的に設計可能であり、施工にかかる工期及び費用を大幅に削減でき、且つ施工に伴う産業廃棄物土量をも大幅に削減できる。

掘削する地盤領域の原位置地盤における水平方向の透水係数及び鉛直方向の透水係数をそれぞれ実測し、遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を前記水平方向の透水係数及び鉛直方向の透水係数に基づいて算出する。周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値が目標値以下で、且つ施工費用検討式［数１］に遮水壁の長さ（Ｌ _min ，Ｌ _min ＋１,…,Ｌ _max ）を順次に代入して施工費用を算出し、該施工費用が最小となるときの遮水壁の長さを同遮水壁の最適な深度とする。

図１に、本発明に係る地盤の透水異方性実測に基づいて遮水壁深度を求める方法の一連の流れ図を示した。以下、図１に沿って説明する。
先ずステップＡで、水平方向の透水係数及び鉛直方向の透水係数を実測する。水平方向の透水係数の実測は、既往の実用されている各種の方法を実施して行うことができる。鉛直方向の透水係数の実測を「特開２００３−３２１８２７号公報」に開示した発明の方法で実施する場合の概略的な手順を図２に示す。この発明の方法で鉛直方向の透水係数を実測するには、地盤の硬さを表すＮ値が１０〜２０である細砂層であることが望ましい（図３参照）。
先ず地盤にボーリング孔７を削孔し（図２Ａ）、該ボーリング孔７にケーシングパイプ１を建込み（図２Ｂ）、内壁面にパッカー４を設けた中空管２を圧入する（図２Ｃ）。前記パッカー４を膨張させた後に、定常法に則り揚水ポンプ６で地下水を一定の揚水量で揚水し（図２Ｄ）、中空管２の上下に設置した圧力センサ３、３で水圧を計測し、前記揚水量および上下の圧力センサ３が計測した水圧に基づいて、鉛直方向の透水係数を求める。その後、前記中空管２を引き抜いて裸孔５を形成し（図２Ｅ）、ピエゾメータ法により水平方向の透水係数を求めることもできる（図２Ｆ）。

本実施例では、例えば図３に示したような、細砂層（地上から深さ約３０ｍ〜４０ｍ）であるシルト質細砂１０で実測した水平方向の透水係数は６．０４×１０^−４ｃｍ／ｓｅｃであり、鉛直方向の透水係数は１．２０×１０^−４ｃｍ／ｓｅｃであり、両者は明らかに異なることが確認された。

次にステップＢで、掘削する地盤領域において必要となる自然地下水位の低下量を設定する。地盤の構成、自然地下水位、根切り深度の関係から設定することができる。ドライワークを確保する場合、根切り深度以深で設定し、被圧水の揚力圧によって生じる盤膨れを抑止する場合、掘削地盤の底面の自重に遮水壁の摩擦抵抗力と不透水層のせん断抵抗力を加えた値が揚力圧よりも大きくなるように設定する。さらにステップＢでは、掘削する地盤領域の近隣における井戸又は池の地下水位が水枯れしない水位低下量（以下、許容周辺水位低下量と云う）と、揚水した地下水を公共水域の水路又は下水道管等で放出できる水量（以下、許容揚水量と云う）も設定する。前記許容揚水量は、地域の下水能力によっては設定する必要がない場合がある。本実施例では、許容周辺水位低下量を０．１ｍと設定し、許容揚水量は設定しない。
次にステップＣで、遮水壁の深度を仮設定する。ステップＢと同様、地盤の構成、自然地下水位及び掘削する地盤領域の平面積の関係から仮設定することができる。

ステップＤは、ステップＡからステップＣで実測し、又は設定した各種パラメータに基づいて遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を算出し、該周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値と前記許容水位低下量及び許容揚水量とを比較検討する一連の処理をコンピュータで行う段階を示している。

先ずステップＤ１で水平方向と鉛直方向の地下水浸透現象を取り扱うことができる公知のＦＥＭ浸透解析手法を用いて前記周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を算出する。このＦＥＭ解析手法とは、構造力学や流体力学などの様々な分野で用いられており、微分方程式を近似的に解くための数値解析の方法である。複雑な形状・性質を持つ物体を単純な小部分に分割することで近似し、全体の挙動を予測することができる。

プログラミングされた前記ＦＥＭ浸透解析手法（既に開発され実用されている）はコンピュータで処理されるので、計測者は各種パラメータを例えばキーボード等を介して入力するだけで遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を算出することができる。ここで前記各種パラメータとは、水平方向及び鉛直方向の透水係数（ステップＡ）、地盤の構成（ステップＢ）、自然地下水位（ステップＢ）、必要水位低下量（ステップＢ）、現場平面積（ステップＢ）、遮水壁の仮の長さ（ステップＣ）である。入出力方法の一例としてコンピュータのディスプレイ上に表示されたダイアログのエディタボックスへ前記各種パラメータを入力し周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を算出する方法や単にコマンド形式で入出力を行う方法が考えられるが、周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を求めることができればいかなる方法であっても構わない。

次にステップＤ２で周辺水位低下量予測値を検討する。コンピュータで算出された周辺水位低下量予測値は、例えば図４で示したようなグラフで出力される。従来の方法（▲−▲線）と本発明の方法（●−●線）による遮水壁の長さに対する周辺水位低下量予測値を示している。図４の例では目標値（Ｘ線）となる許容周辺水位低下量が０．１ｍ以下と設定されている。したがって遮水壁の深度は、周辺水位低下量予測値が０．１ｍ以下となる範囲で、もっとも短い深度が選択される。本発明によると、図４からは遮水壁の深度は概ね４１ｍであることが読み取れる。従来の方法によると、遮断水壁の深度は、周辺水位低下量予測値が０．１ｍ以下となって、もっとも短いのは概ね４７ｍと読み取れる。

次にステップＤ３で揚水量予測値を検討する。前記ステップＤ２と同様、揚水量予測値は、例えば図５で示したようなグラフで出力される。従来の方法（▲−▲線）と本発明の方法（●−●線）による遮水壁の長さに対する揚水量予測値を示している。図５の例では、目標値となる許容揚水量がないので、遮水壁の深度は約３０ｍ以上であればよく、上記ステップＤ２で選択された４１ｍとなる。また従来の方法では４７ｍとなる。

ステップＤ４は、ステップＤ２及びステップＤ３で選択された遮水壁の長さ（本実施例の場合は図３及び図４から４１ｍと判断される）以上であって、下記［数１］で示す施工費用検討式

に遮水壁の長さ（Ｌ _min ，Ｌ _min ＋１,…,Ｌ _max ）を順次に代入して施工費用を算出し、該施工費用が最小となるときの遮水壁の長さを同遮水壁の最適な深度として求める。
なお、施工費用を算出するために必要となる各種パラメータは既に設定及び算出されている。
図６に示すグラフは、前記［数１］で算出した施工費用を基準コストで割った施工費用比と、前記施工費用の算出において代入した遮水壁の長さＬとの関係を、従来の方法による場合（▲−▲線）と本発明の方法による場合（●−●線）とを比較させて示している。なお、基準コストは、従来の方法にて遮水壁長さＬ_ｍａｘ（本実施例では５３ｍ）とした場合の施工費用を採用した。
遮水壁の深度はステップＤ２及びステップＤ３で４１ｍ以上とされているので、４１ｍ以上ある最少施工費用比が選択される。図６では、本発明の方法を示す●−●線は遮水壁の深度が４１ｍ以上となるにつれ施工費用比が増しているので、この場合４１ｍが最少施工費用比となる。したがって、遮水壁の深度は４１ｍと決定される。従来の方法を示す▲−▲線の場合、４１ｍ以上で漸増し４５ｍを超えると漸減しているので、結局遮水壁の深度が４７ｍ以上であって最少施工費用比となる遮水壁の深度は５３ｍとなる。
このように本発明による方法を実施した場合、従来の方法と比べて遮水壁の深度は（５３ｍ−４１ｍ）＝１２ｍも短縮される。よって工期及び工費さらには施工に伴う産業廃棄物が大幅に削減できる。本実施例で示した図６は、施工費用比として表しているが、施工費用として表しても良いことは言うまでもない。

本発明に係る地盤の透水異方性実測に基づいて遮水壁深度を求める方法の流れ図である。 Ａ〜Ｆは地盤の透水異方性の実測手順を示す説明図である。 地盤の構成と水平方向及び鉛直方向の透水係数の一例を示した図である。 遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値を示すグラフである。 遮水壁の深度に対する揚水量予測値を示すグラフである。 遮水壁の深度に対する施工費用比を示すグラフである。

Claims (1)

1. 掘削する地盤領域の原位置地盤における透水係数を実測し、遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を前記透水係数に基づいて算出し、周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値が目標値以下となる遮水壁の深度を求める方法において、
   掘削する地盤領域の原位置地盤における水平方向の透水係数及び鉛直方向の透水係数をそれぞれ実測し、遮水壁の深度に対する周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値を前記水平方向の透水係数及び鉛直方向の透水係数に基づいて算出し、周辺水位低下量予測値及び揚水量予測値が目標値以下で、且つ次の施工費用検討式
   

   

   に遮水壁の長さ（Ｌ _min ，Ｌ _min ＋１,…,Ｌ _max ）を順次に代入して施工費用を算出し、該施工費用が最小となるときの遮水壁の長さを同遮水壁の最適な深度とすることを特徴とする、地盤の透水異方性実測に基づいて遮水壁の深度を求める方法。

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