JP4370359B1 - 液状化防止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】経済的な液状化防止構造を提供すること。
【解決手段】非液状化層３の上に堆積した液状化層２に上面と下面とが開口した平面視格子状の浮き型格子壁体１を形成することにより、地盤の液状化を防止した液状化防止構造において、浮き型格子壁体１の格子の各辺を壁高ｔの０．４〜０．８倍にするとともに、浮き型格子壁体１を非液状化層３から浮かせた状態で形成するようにしたので、浮き型格子壁体１の壁高ｔを小さくでき、経済的な液状化防止構造を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地震時における地盤の液状化を防止する液状化防止構造に関するものである。

液状化現象は、地震時に緩い堆積状態の砂地盤が液状となり、地盤としての支持機能を失い、構造物に被害を与えるものである。この液状化は、地下水で飽和された緩い砂地盤が、地震時に繰返しせん断応力を受け、間隙水圧の急上昇を伴うことにより発生する。その結果、砂地盤は有効応力が減少し、支持力を失う状態となる。このため、液状化の指標として通常用いられている過剰間隙水圧比ｒ_ｕ（＝Δｕ／σ_ｖ’）は、振動によって地中のある地点に生じた過剰間隙水圧Δｕと有効土被り圧σ_ｖ’との比を採用しており、ｒ_ｕ＝０〜１．０の値を有している。ｒ_ｕ≒１．０の時には、完全に液状化状態にあるとされ、また、１．０から小さくなるにしたがって、液状化の程度が小さくなることを表している。

一方、地震時に液状化する可能性がある砂地盤中に、平面視格子状の格子壁体を構築することによって地盤の液状化を防止する工法が広く一般に知られており（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）、図１３〜図１６に示すように、河川盛土、道路盛土、建物、タンク等の施設に採用されている。

図１７は、格子壁体を構築することによって地盤の液状化を防止した建築構造物を示す概念図、図１５は、この格子壁体において、格子の幅（加振方向）と高さの寸法比Ｌ／Ｈと最大過剰間隙水圧比との関係を示す図である。図１８に示すように、格子の幅Ｌと高さ（液状化層厚）Ｈの寸法比Ｌ／Ｈは、液状化対策効果から、０．８以下であることが要求され、寸法比Ｌ／Ｈ＝０．５〜０．８の範囲が設計的に適切であるとされている（たとえば、特許文献２参照）。

ところで、上述した液状化を防止する工法は、平面視格子状の格子壁体を非液状化層に設置または根入れすることを前提条件としており、格子内の緩い砂層が液状化しても構造物に被害が発生しないようにしている。この工法は、非液状化層に設置した格子壁体の側壁で砂層の地震時挙動を拘束して液状化を抑制するという概念に基づいたものである。なお、以下の説明において、非液状化層に設置した平面視格子状の格子壁体を「全層型格子壁体」と称し、この全層型格子壁体を用いた液状化防止構造を「全層型格子壁体構造」と称する。

特公平４−５４００４号公報 特許第２５６８１１５号公報

しかしながら、更なる経済的・合理的な液状化防止構造が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、経済的な液状化防止構造を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、非液状化層の上に堆積した液状化層に下面が開口した平面視格子状の格子壁体を前記非液状化層から浮かせた状態となるように形成することにより、地盤の液状化を防止した液状化防止構造であって、前記液状化層のうち非液状化層と格子壁体の下端との間となる液状化層の液状化が想定地震に対して抑制されるべく、格子壁体の下端近傍となる液状化層の過剰間隙水圧比が０．８以下かつせん断ひずみが０．０１以下となるように前記格子壁体の壁高を設定したことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記過剰間隙水圧比が０．３以上となるように、前記格子壁体の壁高を設定したことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記格子壁体は、格子の幅を壁高の０．４〜０．８倍にしたことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記格子壁体は、少なくとも４．４メートル以上の壁高を有することを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記格子壁体は、下式で求めた壁高よりも高い壁高を有することを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記格子壁体の上に盤構造を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記格子壁体の下部から非液状化層に到達する杭状部材または壁状部材を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、支持する構造物の真下となる下方域と該下方域に隣接する液状化影響領域とを液状化対策領域とし、該液状化対策領域に格子壁体を形成したことを特徴とする。

本発明にかかる液状化防止構造は、液状化層のうち非液状化層と格子壁体の下端の間となる液状化層の液状化が想定地震に対して抑制されるべく、格子壁体の下端近傍となる液状化層の過剰間隙水圧比が０．８以下かつせん断ひずみが０．０１以下となるように前記格子壁体の壁高を設定したので、格子壁体の壁高（対策工の領域）を小さくできる。したがって、経済的な液状化防止構造を提供することができる。

以下に、本発明にかかる液状化防止構造の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態である液状化防止構造を示す概念図である。図１に示すように、本発明の実施の形態である液状化防止構造は、平面視格子状の格子壁体１を液状化層（想定地震に対して液状化の可能性のある地盤：例えば、緩い砂質地盤）２に浮かせたものであって、上方からの液状化現象の伝達を抑制するとともに、非液状化層（想定地震に対して液状化の可能性のない地盤：例えば、粘性地盤、締まった砂質地盤、岩盤）３との間で免震効果を発揮するように構成されている。なお、以下の説明において、格子壁体１の下端が非液状化層３に接しないで、非液状化層３と格子壁体１の下端との間に液状化層２を介在させた状態、つまり、液状化層２に浮かせた状態の平面視格子状の格子壁体１を「浮き型格子壁体１」と称し、この浮き型格子壁体１を用いた液状化防止構造を「浮き型格子壁体構造」と称する。なお、上記かっこ内の「想定地震」であるが、これは格子壁体からなる液状化防止構造の上に載る構造物に関連して設定される地震の大きさで、具体的には加速度である。

まず、図１の断面図に示すように、浮き型格子壁体構造を施す対策領域は、支持対象となる構造物４の真下となる下方域のほか、これに隣接する液状化影響領域を含む領域である。液状化影響領域は、以下のように求められる。まず、図１において、支持対象となる構造物の外縁Ｐ１から仮想線を垂下させ、形成する浮き型格子壁体１の下端面と交差する点Ｐ２を求める。次に、点Ｐ２から構造物の外方に水平線に対して６０度の傾きを有する仮想線を引く。そして、この仮想線と非液状化層３の上面とが交差する点Ｐ３を求める。そして、このＰ３を通って上方に延ばした垂線と上記下方域との間の領域を影響領域とし、その範囲までを液状化対策領域としている。

浮き型格子壁体構造は、地震により、過剰間隙水圧Δｕ（ｒ_ｕ＜１．０）が発生した場合でも、浮き型格子壁体１が滑動しないという条件を必要とする。すなわち、地震により、浮き型格子壁体１の下方に位置する砂地盤（液状化層２）の過剰間隙水圧比ｒ_ｕが大きくなっても、そのせん断ひずみは非線形で大きくならないという条件を必要とする。

ここで、図２は、地震時における砂地盤（液状化層２）のせん断ひずみγと過剰間隙水圧比ｒ_ｕとの関係を示す図である。この図において、データ範囲の過剰間隙水圧比ｒ_ｕの下限線に注目する。過剰間隙水圧比ｒ_ｕが０．８では、せん断ひずみγが０．０１付近にあるが、過剰間隙水圧比ｒ_ｕが０．８を越えるとせん断ひずみγが急激に大きくなる。このときの過剰間隙水圧比ｒ_ｕをせん断ひずみγによる液状化限界と定義する。一般に、同種の地盤であれば深さが大きくなるほど過剰間隙水圧比ｒ_ｕは小さくなるので、浮き型格子壁体１の下方となる下端近傍位置で液状化層の過剰間隙水圧比ｒ_ｕをｒ_ｕ≦０．８となるようにすれば、浮き型格子壁体１の下端面における安定は成り立つと考えられる。つまり、浮き型格子壁体１の下端近傍に間隙水圧計を設置し、浮き型格子壁体１の壁高を種々変えた想定地震動での加振実験を行い、それに基づいてｒ_ｕ≦０．８となるように浮き型格子壁体１の壁高を設定すればよい。さらに、この下限線に注目すると、過剰間隙水圧比ｒ_ｕが０．３付近のせん断ひずみγは０．００１である。この程度のせん断ひずみであれば十分に小さいものであるから、浮き型格子壁体１の下端部近傍の過剰間隙水圧比ｒ_ｕが０．３〜０．８（せん断ひずみの観点では、γが０．００１〜０．０１）の範囲になるように実験等によって浮き型格子壁体１の壁高を設定することも考えられる。

つぎに、上記知見に基づいて、浮き型格子壁体１の壁高と液状化対策効果との関係を把握するため、相似則から厳密に実大規模との対応が取れる遠心模型により、浮き型格子壁体構造による液状化実験を実施した。最大加速度は、約１００、約１５０、約２００、約３５０、約４５０、約６００、約７５０Ｇａｌの７つのレベルで実施した。

図３及び図４は、浮き型格子壁体構造による液状化実験の実験結果を示した図である。より具体的には、図３が最大加速度を約１５０Ｇａｌとした場合の深度別過剰間隙水圧比ｒ_ｕを示したものであり、図４が最大加速度を約４５０Ｇａｌとした場合の深度別過剰間隙水圧比ｒ_ｕを示したものである。なお、過剰間隙水圧比ｒ_ｕは、浮き型格子壁体１の格子中心における値とする。

図４に示すように、最大加速度が大きくなると、格子中心の砂地盤（液状化層２）の過剰間隙水圧比ｒ_ｕが大きくなって、液状化する。また、上部地盤ほど過剰間隙水圧比ｒ_ｕが大きくなりやすいという傾向を有する。本結果から、本実施の形態である浮き型格子壁体構造（Ｌ／ｔ＝０．４〜０．８）は、上述した全層型格子壁体構造とほぼ同様な液状化対策効果を奏することがわかる。

図５〜図７は、上述した浮き型格子壁体構造による液状化実験の実験結果を整理した図である。具体的には、図５が浮き型格子壁体の壁高を５ｍとした場合の最大加速度と深度２．５ｍにおける過剰間隙水圧比との関係を示した図、図６が浮き型格子壁体の壁高を７．５ｍとした場合の最大加速度と深度６．３ｍにおける過剰間隙水圧比との関係を示した図、図７が浮き型格子壁体の壁高を１０ｍとした場合の最大加速度と深度１０ｍにおける過剰間隙水圧比との関係を示した図である。

図５〜図７に示すように、浮き型格子壁体構造は、浮き型格子壁体１の壁高が大きくなると抵抗できる最大加速度レベルも大きくなり、液状化防止構造として有効かつ経済的なものであることがわかる。閾値をｒ_ｕ＝０．８とした場合には、浮き型格子壁体構造は、全層型格子壁体構造に比べて過剰間隙水圧比ｒ_ｕが大きくなり難い。これは、浮き型格子壁体１の下方に位置する砂地盤（液状化層２）の過剰間隙水圧比ｒ_ｕが上昇したのに伴い、当該位置でせん断ひずみが生じ、その剛性が低下したことによる若干の免震効果が生じた影響であると考えられる。

図８は、図５〜図７に整理した実験結果を比較した図である。具体的には、浮き型格子壁体１の壁高を５ｍ、７．５ｍ、１０ｍとした場合の最大加速度α_ｍａｘと過剰間隙水圧比ｒ_ｕとの関係を示したものである。

図９は、図８において比較した実験結果から閾値ｒ_ｕ＝０．８となる最大加速度と浮き型格子壁体の壁高との関係を求め、整理した図である。

この結果から浮き型格子壁体の壁高は、下記の数式２で表すことができる。

ここで、最大加速度α_ｍａｘ＝１５０Ｇａｌは、水平震度ｋ_Ｈ＝０．１５に相当するものであり、一般の地震時検討に使用されるレベルのものである。このため、これを最低限満足する浮き型格子壁体の壁高が必要であり、壁高ｔ＝４．４ｍ以上とする必要がある。

このことから浮き型格子壁体構造を設計する場合に、浮き型格子壁体の壁高は、下記の数式３で求められる。

これらを組み合わせて求めた壁高以上の壁高を設定することによって、液状化対策の設計条件となる想定地震に対する最大加速度に応じた浮き型格子壁体１の必要壁高を安全側に設定することができる。

なお、設計の簡易予測法として適用されている液状化抵抗率Ｆ_Ｌと過剰間隙水圧比ｒ_ｕには、Ｆ_Ｌ＝ｒ_ｕ ^１／ｎ（ｎ＝−４〜−１０）の関係が存在している。これ関係から液状化抵抗率で評価するとＦ_Ｌ≧１．０２３（ｎ＝−１０）になり、この状態の対策後砂地盤に浮き型格子壁体１の下端が設置されていることと等価になる。

本実施の形態である浮き型格子壁体１は、撹拌混合した地盤改良体で形成してもよいし、普通のコンクリートで形成してもよい。また、浮き型格子壁体１の上部に平板状のコンクリート板、または改良体、または舗装構造や路床などの盤構造を含んだ浮き型格子壁体構造にしてもよい。

ところで壁高ｔは、液状化層２の上面から格子壁体１の下端までの長さであるが、例えば、格子壁体１の上に載る構造物の下端が液状化層内に貫入している場合は、その貫入長さだけ実際の格子壁体１の壁高を減じることとしてもよい。

なお、本実施の形態である浮き型格子壁体構造では、その下部砂地盤の過剰間隙水圧Δｕが地震時に高くなることにより、地震後に若干の沈下が生じる可能性がある。これを防止するためには、図１０に示すように、浮き型格子壁体１の一部を長尺化して、非液状化層３に達する杭状部材１１または壁状部材１２を設けることが有効である。また、図１１に示すように、構造物４の許容沈下量を考慮して、その範囲内に沈下が収まるように、浮き型格子壁体１と非液状化層３の中間位置に根入れした杭状部材１３を設けた浮き型格子壁体構造も有効である。いずれにしても、浮き型格子壁体１は、ブロック構造であるため、不同沈下を起こし難く、構造物４への沈下影響を最小限に止めることができる。

上述した本実施の形態である浮き型格子壁体構造によれば、浮き型格子壁体１が非液状化層３から浮かせた状態で形成されるので、浮き型格子壁体１の壁高（対策工の領域）を小さくできる。

また、浮き型格子壁体１の壁高を最大加速度の関数により求めることができ、求めた壁高に安全性や砂地盤のばらつきを加味すれば、最適な壁高を設定できる。

さらに、浮き型格子壁体１の一部を長尺化して、非液状化層３に達する杭状部材１１または壁状部材１２を設けることにより、地震の発生後に若干の沈下も許容しない重要構造物にも適用できる。

なお、本実施の形態において、格子の幅Ｌは、図１の平面図に示すように、格子目内の内寸法である。格子壁体が図１２に示すように、円柱連続体で形成される場合には、図１２に示すＬが格子の幅となる。

以上、上述した実施形態において、液状化防止構造として平面格子状の格子壁体として説明したが、この構造に限るものではない。例えば、格子壁体の上面や下面を開口させずに地盤改良体やコンクリートで塞いでもよいし、格子の形状はどのようなものでもよい。また、格子壁体に替えて深層混合処理工法等によって上述した格子壁体に相当する部分と格子内の地盤部分も含めて全てを地盤改良する全面地盤改良体としてもよいし、全面地盤改良体の内部(平面視)の一部に未改良部を残す地盤改良体としてもよい。そのようにしても、地盤改良体を非液状化層より浮かせることを前提に、上述した図２からの知見を採用して、想定地震に対して地盤改良体(液状化防止構造)の下端近傍となる液状化層の過剰間隙水圧比が０．８以下になるように、地盤改良体の壁高を設定すること、少なくとも地盤改良体の壁高を４．４ｍ以上とすること、数式１で求めた壁高よりも地盤改良体の壁高を高くすること、地盤改良体の下部から非液状化層に到達する板状部材または壁状部材を設けること、支持する構造物の真下となる下方域に隣接する液状化影響領域とを液状化対策領域とし、該液状化対策領域に地盤改良体を形成することは、格子壁体と同様にそれぞれ有効であると考えられる。

本発明の実施の形態である液状化防止構造を示す概念図である。 地震時における砂地盤のせん断ひずみと過剰間隙水圧比との関係を示す図である。 浮き型格子壁体構造による液状化実験の実験結果を示した図であって、最大加速度を約１５０Ｇａｌとした場合の深度別過剰間隙水圧比を示したものである。 浮き型格子壁体構造による液状化実験の実験結果を示した図であって、最大加速度を約４５０Ｇａｌとした場合の深度別過剰間隙水圧比を示したものである。 浮き型格子壁体構造による液状化実験の実験結果を整理した図であって、浮き型格子壁体の壁高を５ｍとした場合の最大加速度と深度２．５ｍにおける過剰間隙水圧比との関係を示したものである。 浮き型格子壁体構造による液状化実験の実験結果を整理した図であって、浮き型格子壁体の壁高を７．５ｍとした場合の最大加速度と深度６．３ｍにおける過剰間隙水圧比との関係を示したものである。 浮き型格子壁体構造による液状化実験の実験結果を整理した図であって、浮き型格子壁体の壁高を１０ｍとした場合の最大加速度と深度１０ｍにおける過剰間隙水圧比との関係を示したものである。 図５〜図７に整理した実験結果を比較した図であって、浮き型格子壁体の壁高を５ｍ、７．５ｍ、１０ｍとした場合の最大加速度と過剰間隙水圧比との関係を示したものである。 図８において比較した実験結果から閾値ｒ_ｕ＝０．８となる最大加速度と浮き型格子壁体の壁高との関係を求め、整理した図である。 変形した液状化防止構造を示す概念図である。 変形した液状化防止構造を示す概念図である。 変形した液状化防止構造を示す概念図である。 平面格子状の固化改良壁体を構築することによって地盤の液状化を防止した河川盛土を示す概念図である。 平面格子状の固化改良壁体を構築することによって地盤の液状化を防止した道路盛土を示す概念図である。 平面格子状の固化改良壁体を構築することによって地盤の液状化を防止した建物を示す概念図である。 平面格子状の固化改良壁体を構築することによって地盤の液状化を防止したタンクを示す概念図である。 固化改良壁体を構築することによって地盤の液状化を防止した建築構造物を示す概念図である。 固化改良壁体において、格子の幅と高さの寸法比Ｌ／Ｈと最大過剰間隙水圧比との関係を示す図である。

符号の説明

１ 浮き型格子壁体
２ 液状化層
３ 非液状化層
４ 構造物
１１ 杭状部材
１２ 壁状部材
１３ 杭状部材
Δｕ 過剰間隙水圧
σ_ｖ 有効土被り圧
ｒ_ｕ 過剰間隙水圧比
ｔ 浮き型格子壁体の壁高
Ｌ 浮き型格子壁体の格子の幅
Ｈ 液状化層の厚さ
α_ｍａｘ 最大加速度
ｋ_Ｈ 水平震度
Ｆ_Ｌ 液状化抵抗率

Claims (8)

1. 非液状化層の上に堆積した液状化層に下面が開口した平面視格子状の格子壁体を前記非液状化層から浮かせた状態となるように形成することにより、地盤の液状化を防止した液状化防止構造であって、
   前記液状化層のうち非液状化層と格子壁体の下端との間となる液状化層の液状化が想定地震に対して抑制されるべく、格子壁体の下端近傍となる液状化層の過剰間隙水圧比が０．８以下かつせん断ひずみが０．０１以下となるように前記格子壁体の壁高を設定したことを特徴とする液状化防止構造。
2. 前記過剰間隙水圧比が０．３以上となるように、前記格子壁体の壁高を設定したことを特徴とする請求項１に記載の液状化防止構造。
3. 前記格子壁体は、格子の幅を壁高の０．４〜０．８倍にしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液状化防止構造。
4. 前記格子壁体は、少なくとも４．４メートル以上の壁高を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の液状化防止構造。
5. 前記格子壁体は、下式で求めた壁高よりも高い壁高を有することを特徴とする請求項４に記載の液状化防止構造。
   

   
6. 前記格子壁体の上に盤構造を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の液状化防止構造。
7. 前記格子壁体の下部から非液状化層に到達する杭状部材または壁状部材を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の液状化防止構造。
8. 支持する構造物の真下となる下方域と該下方域に隣接する液状化影響領域とを液状化対策領域とし、該液状化対策領域に格子壁体を形成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の液状化防止構造。

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