JP4982631B2 - 地中壁造成による防波堤下の液状化対策工法 - Google Patents

Description

本発明は，海底の砂質地盤上に構築されている防波堤下の地盤が、地震発生時に液状化することによる防波堤の沈下や倒壊をより小さいものとし、防波堤機能が損なわれないようにする地中壁造成による防波堤下の液状化対策工法に関する。

一般に、突堤や沖堤等の防波堤は，波浪等の外力に対して滑動及び転倒を生じさせないだけの支持力を確保できるような地盤上に築造する。

従来、防波堤下にあってこれを支持している砂質地盤としては、粘性土からなる原地盤を砂で置き換えた置換砂質土である場合や、原地盤が波浪等の外力に対して防波堤の滑動や転倒を生じさせないだけの支持力を有している砂質土である場合がある。

しかし、このような波浪等の外力に対して充分な支持力を有している砂質地盤であっても、地震発生時に液状化現象によって支持力を失い、防波堤を沈下させることが想定され、地震によって液状化現象が発生すると砂質土層に体積変化が生じて堤体が沈下したり、傾いたり、場合によっては倒壊するという事態が予想される。

堤体が一定以上沈下したり傾いたりすると波浪遮断機能が損なわれ、港内側への越波量が増大し、港内の静穏度が確保されなくなる。また、地震発生後に津波が押し寄せると津波の越波量が増大し、背後の陸地に対する浸水被害を食い止めるための機能が損なわれるという問題がある。

従来、このような砂質地盤上に防波堤を築造する場合における液状化対策としては、サンドコンパクションパイル工法(例えば特許文献１及び２)がある。これは図１２に示すように、防波堤築造前に、その下の砂質土層１内にサンドコンパクションパイルの造成等の地盤改良工法によって液状化が防止できるように改良地盤２を造成し、その上に捨石マウンド３を造成し、その上にコンクリートケーソンや場所打ちコンクリートによるコンクリート堤体４を設置する方法である。

また既設の防波堤に対する液状化対策として、図１３に示すような嵩上げ工法がある。これは堤体４の真上を静水面から必要な高さまで嵩上げしておくものであり、堤体４上に嵩上げ部５を場所打ちコンクリートによって構築し、堤体の滑動、転倒に対する安定を確保するために必要に応じて拡幅し、重量を確保する。

更に堤体の拡幅と同様に堤体の滑動、転倒に対する安定を確保するために防波堤港内側に１〜７０ｋｇ／個程度の石を必要量投入して裏込め盛石部６を造成する。
特開平８−２７７５９号公報 特開平７−２０７６５３号公報

上述した従来の、新設防波堤築造に際し、防波堤下となる砂質土層内にサンドコンパクションパイルの造成などによる地盤改良を施す方法では、その地盤改良範囲が広範となるため、工費が増大するとともに、工期も長くなるという問題がある。

また、既設の防波堤に対する嵩上げ工法では、砂質土層の液状化そのものを防止することはできず、液状化現象が生じたときは堤体が相当の沈下を起こし、防波堤法線が直線状ではなくなり、防波堤としての機能を十分に発揮できなくなるおそれがある。

また、予想される津波の高さが大きくなればなるほど、波力に対する滑動や転倒を防止するために堤体幅を相当量大きくする必要が生じる。同様に滑動に対する安定性を確保するために港内側への裏込石の投入量を多くしなければならず、嵩上げ高さを大きくする場合にはそれに応じてコスト高となり、しかも防波堤下の砂質土層にかかる重量が大きくなり、これが沈下の要因となるおそれがあるなどの問題がある。

本発明は上述の如き従来の問題に鑑み、既設、新設の何れの防波堤に対して施工する場合を問わず、低コストで短期間に施工することができ、しかも液状化現象による堤体の沈下を効果的に防止することができる防波堤下の液状化対策工法の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の課題を解決し、所期の目的を達成するための請求項１に記載の発明の特徴は、海底の砂質土層上に捨石マウンドを造成し、該捨石マウンド上にコンクリート製の堤体を設置して構成された防波堤下の液状化対策工法であって、
前記堤体の前後両縁部に沿ってそのやや外側下の前記砂質土層内に、一対の不透水性又は難透水性の地中壁を造成し、該地中壁によるせん断変形抑止効果によって地中壁間の砂質土層の体積変化を抑制させるようにしたことにある。

請求項２に記載の発明の特徴は、上記請求項１の構成に加え、前記防波堤が新設の防波堤であり、前記捨石マウンド造成前に防波堤下となる前記砂質土層内に前記地中壁を構築することにある。

請求項３に記載の発明の特徴は、上記請求項１の構成に加え、前記防波堤が、既設の防波堤であり、該既設の防波堤下の砂質土層内に前記地中壁を構築することにある。

請求項４に記載の発明の特徴は、上記請求項１、２又は３の構成に加え、上記一対の不透水性又は難透水性の地中壁は、前記砂質土層内にセメント系固化材を混入させることにより造成することにある。

請求項５に記載の発明の特徴は、上記請求項１、２又は３の構成に加え、上記一対の不透水性又は難透水性の地中壁は、前記砂質土層内に矢板を打設することによって造成することにある。

本発明においては、砂質土層上に捨石マウンドを造成し、該捨石マウンド上にコンクリート製の堤体を設置して構成された防波堤の液状化対策に際し、堤体の前後両縁部に沿ってそのやや外側下の前記砂質土層内に、セメント系固化材を混入させることや矢板の打設等によって一対の不透水性又は難透水性の地中壁を造成することにより、堤体直下の砂質土層には液状化現象が発生するが、地中壁によるせん断変形抑止効果によって地中壁間の砂質土層の体積変化が抑制され、その結果堤体の沈下が抑制される。

また、本発明の防波堤の液状化対策においては、防波堤下の地盤全域に処理を施すのではなく、その一部に地中壁を造成するものであるため、新設の防波堤における液状化対策として施工する場合であっても、従来のサンドコンパクションパイルの造成による工法に比べ、低コストで短期間に施工することができる。

更に、既設の防波堤に対して施工する場合においても、従来の嵩上げ工法のように嵩高にして沈下が生じた際にも必要な高さを確保しようとするものではなく、液状化による沈下そのものを防止するものであるため、安全性がより高いという効果がある。

次に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明による液状化対策を施した防波堤及びその下の地盤の断面を示している。図において符号１０は防波堤下の原地盤が砂質土である場合の砂質土層を示しており、１１はその上に１０〜２００ｋｇ／個程度の重さの基礎用捨石を投入して造成した捨石マウンド、１２は捨石マウンド１１上に載置したコンクリートケーソン又は場所打ちコンクリートからなる堤体である。

捨石マウンド１１の上面は、堤体１２下を除き、その表面を１ｔ／個程度の重さの被覆石１３によって被覆されているとともに、堤体１２の根元部分の前後に根固石１４を積み上げている。

本発明における液状化対策は、図1に示すように堤体１２のやや両外側位置の砂質土層１０内に、堤体１２の縁部に沿った方向にそれぞれ連続させた、砂質土層１１下の支持地盤Ｂに達しない深さの地盤改良による地中壁Ａ，Ａが、造成されている。

この地中壁Ａ，Ａは砂質土層１０内にセメントスラリー等のセメント系の流動性を有する固化材を混入させて地盤改良を施すことによって、周囲の砂質土層に比べて剛性が高い不透水性又は難透水性の壁体としたものである。

尚、この他、水ガラス系、特殊シリカ系又は高分子系の地盤改良用薬液を地盤中に浸透させて固化させることによって造成したものであっても良い。

この地中壁の幅は、大きい程せん断変形抑止効果が大きくなり地震時の堤体沈下量がより抑制されることとなるが、必要な沈下抑制効果と経済性や施工性を考慮すると１．０〜３．０ｍ程度が好ましい。

この地中壁Ａの造成には、従来水底の軟弱地盤に対して固化材を注入混合させて硬化させる地盤改良装置と同様の装置が使用できる。この装置は図２に示すように、外周にオーガ２１を一体に備えた回転軸２２を平行配置に備え、その各回転軸の下端部外周に複数の攪拌翼２３を突設し、その一部の攪拌翼２３に固化材吐出ノズル(図示せず)を設け、このノズルから回転軸２２内を通して固化材を吐出させることができるようにするとともに、上端部に回転軸２２を回転させる回転駆動機２４を有する地盤改良機２０を備えている。

この地盤改良機２０を図５（ａ）に示すように、深層混合処理船２５に立設したリーダー２６に沿わせて上下駆動可能に設置し、地盤改良機２０を深層混合処理船２５から水底に向けて上下移動させることができるようにしている。

次に、砂質土層１０上に防波堤を新設する際における実施例について説明する。

図３にその施工フローを示している。施工フローに示す敷砂工では、地中壁Ａ，Ａを造成しようとする砂質土層１０の表面に上面に敷砂３０を敷設する。この敷砂３０は地中壁Ａを造成するために地盤中に混合するセメントスラリー等の改良材が水中へ流出するのを防止するために敷設するものであり、厚さ１．０ｍ程度とする。敷砂施工は図４に示すように底開式土運船３１を使用し、底開により直接投入するか、グラブ付き自航運搬船を使用し、船上からグラブバケットにより投入する等、従来使用されている敷砂方法により実施する。

次いで地盤改良による地中壁造成工を施工する。この地中壁造成工は、前述した地盤改良機２０を使用して実施するものであり、図５（ａ）に示すように深層混合処理船２５を用い、地盤改良機２０を砂質土層１０の底部まで回転させながら挿入した後、引き上げながら回転させると同時に固化材を攪拌翼２３のノズルから吐出させ、これによって砂質土層１０の砂質土に固化材を混入させた柱状体２０ａを造成する。

このようにして砂質土層１０中に固化材を注入して柱状体２０ａを、図５（ｂ）に示すように、その側部を互いに一体化させた状態で造成する作業を繰り返し、連続した地中壁Ａを造成する。なお，砂質土のＮ値が大きく、改良作業に困難を要する場合は、作業船を用いた先行削孔により地盤を緩める等の補助工法を併用する。

このようにして互いに平行な配置に一対の地中壁Ａ，Ａを順次水平方向に延長させた後、必要に応じて敷砂３０を撤去する敷砂撤去工を施工する。この敷砂撤去工は、例えば、図６に示すようにグラブ船３２等を使用して行う。

この敷砂撤去工は、敷砂部分が固化材による改良が不十分で、その物性が不均質なためであり、物性が不均質な材料をそのまま基礎として使用するのが不適切と判断される場合に実施する。尚、敷砂および表層付近の盛り上り土砂の材質が均質であり基礎としての使用に適すると判断される場合には，その撤去は行わない。

次いで図１に示すように、従来と同様の方法によって捨石マウンド１１を造成し、その上に堤体１２を設置する。

次に、既設の防波堤下の砂質土層に対する実施例について説明する。

前述した地中壁Ａの造成に際しては、先ず図７（イ）に示すように地盤改良機２０を捨石マウンド１１下の砂質土層１０内に挿入できるようにするための地盤改良機挿入部４０を形成する。この地盤改良機挿入部４０は一時的に基礎捨石の一部を除去して捨石マウンド表裏に窓穴を形成するものであり、潜水夫により作業機を操作して捨石を除去することとしても良く、図８に示すように円筒状の回転筒４１の先端に石材切削刃４２を固定したコアカッター４３からなる切削機を使用して円筒形に切り取ることにより形成してもよい。

このようにして地盤改良機挿入部４０を地盤改良機２０の１〜数回分の挿入広さに形成し、その地盤改良機挿入部４０を通して図７（ロ)に示すように地盤改良機２０を砂質土層１０の底部まで回転させながら挿入した後、引き上げながら回転させると同時に固化材を攪拌翼２３のノズルから吐出させ、これによって砂質土層１０の砂質土に固化材を混入させた柱状体２０ａを造成する。

このようにして柱状体２０ａを造成した後、図７（ハ)に示すように地盤改良機挿入部４０に基礎捨石を戻して捨石マウンドをもとの状態に復元させる。この工程を繰り返して柱状態２０ａ，２０ａ……を多数幅方向に接した状態に造成して地盤改良による地中壁を造成する。

尚、形成した地盤改良機挿入部４０内に埋め戻し砂を充填しておき、地盤改良機２０による固化材の混入を砂質土層１０への固化材混入に続けて埋め戻し砂にも固化材の混入を行うようにしてもよく、この場合には図９示すように地盤改良機挿入部４０が地中壁Ａによって埋められることとなり、埋め戻しの必要がなくなる。

尚、上述の実施例では、原地盤が砂質地盤であり、その砂質土層１０上に築造した防波堤下の液状化対策について説明したが、図１０（ａ）に示すように、原地盤が粘性土からなる支持力（Ｎ値）の小さい軟質原地盤５０である場合において、その原地盤の１部を砂で置き換えた所謂置換砂で構成されている砂質土層１０ａ上に築造されている防波堤下の液状化対策として、前述と同様に図１０（ｂ）に示すように施工しても良い。尚、前述した実施例と同じ部分には同じ符号を付して重複説明を省略する。

上述の各実施例では、一対の地中壁を砂質土層の砂質土内にセメント系固化材を混入させることによって造成しているが、この地中壁は上述の他、矢板を互いに接合させて順次打設することによって不透水性又は難透水性の地中壁を造成してもよい。この矢板の打設に際しては、既設防波堤下に施工する場合には、前述と同様に、打設位置の捨石マウンドの捨石を除去して矢板打設部を形成する。捨石除去に際しては、１個ずつ取り除いてもよく切削機を使用して切り取ることによって除去しても良い。また、使用する矢板は鋼矢板、鋼管矢板等の鋼製矢板の他コンクリート製矢板が使用できる。

効果の確認
次に、有限要素法による地震応答解析による、本発明による液状化対策工法の効果の確認について述べる。この解析では、解析のための構造物のモデル化を行い、そのモデル化の材料定数を設定し、更に入力地震動(最大振幅、波形)を選定して地震応答計算を行った。解析結果として水平、鉛直方向の最大及び残留変位量等が算出される。
ａ．数値解析概要
数値解析の概要図： 図１１
対象構造物： 防波堤(幅Ｂ＝１５．０ｍ程度)
防波堤下の砂質土層厚：Ｈ=20ｍ程度
入力地震動：１９６８年十勝沖地震の際に八戸港で得られた記録より算定した八戸基盤入射波形。
最大加速度：４００ｇａｌ
地中壁幅：Ｌ＝４．５ｍ、Ｌ＝１．５ｍの２種類
ｂ．検討ケース
表１に示す通りの３ケースとした。

ｃ．解析結果
堤体の残留時の最大沈下量の算出結果を表２に示した。

以上の結果のように、本発明方法は、対策工を実施しなかった場合に比べ、０．２９及び０．３６（対策を施した場合の沈下量／対策なしの場合の沈下量）程度の沈下量に抑制できた。この結果から、地中壁幅が１．５ｍ以上あれば充分にその効果があることが判明した。

本発明による液状化対策を施した既設防波堤及びその下の地盤の一例を示す縦断面図である。 本発明による液状化対策に使用する地盤改良機の一例を示す正面図である。 本発明方法を新設の防波堤築造前に施工する場合のフロー図である。 同上の敷砂工を示す断面図である。 （ａ）は同上の連続地中壁造成工を示す断面図、（ｂ）は地中壁造成途中の横断面図である。 同上の敷砂撤去工を示す断面図である。 (イ)〜(ハ)は、本発明を既設の防波堤下の砂質土層に実施する場合において、図２の地盤改良機を使用して本発明工法を実施する場合の施工工程を説明する略図的断面図である。 本発明工法における図７（イ）における地盤改良機挿入部の形成方法の他の例を示す断面図である。 本発明工法における地盤改良機挿入部内に地中壁を連続させて造成した状態の断面図である。 本発明方法を軟質原地盤の一部を砂で置き換えた置換砂からなる砂質土層上に築造された防波堤下に実施する例を示すもので、（ａ）液状化対策前の状態の断面図、（ｂ）液状化対策後の状態の断面図である。 本発明の効果の確認に用いた数値解析の概要図である。 従来の防波堤下の液状化対策の一例を示す縦断面図である。 従来の既設防波堤に対する液状化対策の一例を示す断面図である。

符号の説明

Ａ 地中壁
１０ 砂質土層
１１ 捨石マウンド
１２ 堤体
１３ 被覆石
１４ 根固石
２０ 地盤改良機
２０ａ 柱状体
２１ オーガ
２２ 回転軸
２３ 攪拌翼
２４ 回転駆動機
２５ 深層混合処理船
２６ リーダー
３０ 敷砂
３１ グラブ付き自航運搬船
３２ グラブ船
４０ 地盤改良機挿入部
４１ 回転筒
４２ 石材切削刃
４３ コアカッター
５０ 軟質原地盤

Claims (5)

1. 海底の砂質土層上に捨石マウンドを造成し、該捨石マウンド上にコンクリート製の堤体を設置して構成された防波堤下の液状化対策工法であって、
   前記堤体の前後両縁部に沿ってそのやや外側下の前記砂質土層内に、該土層下の支持地盤に達しない深さの一対の不透水性又は難透水性の地中壁を造成し、該地中壁によるせん断変形抑止効果によって地中壁間の砂質土層の体積変化を抑制させるようにしたことを特徴としてなる地中壁造成による防波堤下の液状化対策工法。
2. 前記防波堤が新設の防波堤であり、前記捨石マウンド造成前に防波堤下となる前記砂質土層内に前記地中壁を構築する請求項１に記載の地中壁造成による防波堤下の液状化対策工法。
3. 前記防波堤が、既設の防波堤であり、該既設の防波堤下の砂質土層内に前記地中壁を構築する請求項１に記載の地中壁造成による防波堤下の液状化対策工法。
4. 上記一対の不透水性又は難透水性の地中壁は、前記砂質土層内にセメント系固化材を混入させることにより造成する請求項１，２又は３に記載の地中壁造成による防波堤下の液状化対策工法。
5. 上記一対の不透水性又は難透水性の地中壁は、前記砂質土層内に矢板を打設することによって造成する請求項１，２又は３に記載の地中壁造成による防波堤下の液状化対策工法。

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