JP5030299B2 - 砂質地盤の耐液状化構造 - Google Patents

Description

この発明は、深層混合処理工法を用いた地盤の液状化防止技術に関するものである。

砂質地盤など軟弱地盤の液状化対策として、古くから深層混合処理工法が採用されている。この深層混合処理工法は、セメントなどの固化材を土中にて原地盤土と撹拌混合し、これを固化させることによって土中に地盤改良体を造成するものである。そして、地盤改良体の形状や配置によって、内部を複数の升に仕切った平面格子型の耐液状化構造（特許文献１、２）や、中空円筒状の地盤改良体を複数本、隣接する地盤改良体と密接あるいは一部を重畳させながら列設した全面改良型の耐液状化構造が知られている（特許文献３）。これら従来の耐液状化構造によれば、地盤改良体ごとにその枠内で原地盤土のせん断変形が抑制され過剰間隙水圧の上昇も抑えられるから、地盤改良体を造成したほぼ全範囲で液状化を防止することができる。

特開昭６１−５１１４号公報 特開平２−１３２２２０号公報 特開２０００−３１９８６４号公報

しかしながら、特許文献１・２の耐液状化構造は、実質的に中空角筒状の地盤改良体を複数本、隣接する改良体と隔壁を重畳させながら列設して格子状に構成されるもので、円筒状の地盤改良体を複数本列設する特許文献３の耐液状化構造と同様、地盤に多数の地盤改良体を造成するものであるから、多くの固化材と施工数を要し、従って工費が嵩み、工期も長期化するという課題がある。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、従来よりも工費・工期とも低減することができ、かつ広範囲にわたる砂質地盤の耐液状化構造を開示することである。

上述した目的を達成するために本発明では、下層が密な砂、その上層が中密な砂の砂質地盤に対して、深層混合処理工法により前記上層から下端が前記下層中に達するように連続して造成される中空筒状の地盤改良体を複数本、間隔を空けて配列し、前記地盤改良体の枠内の地盤および前記地盤改良体で挟まれた地盤を改良するという手段を用いた。この手段によれば、地盤改良体ごとにその枠内で従来と同様の液状化防止効果が得られると共に、地盤改良体間の地盤（隣合う地盤改良体で挟まれた地盤）についても、後述する実施例から明らかなように、無改良地盤と比べて充分な液状化防止効果が得られる。また、地盤改良体を離間して設置するため、造成本数が少なくて済む。

上記手段は、ある一方向に地盤改良体を列設することを含むが、地盤を全面的に改良するには、地盤改良体を平面上、縦横に複数本並設することが好ましい。この手段においては、さらに、地盤改良体を等間隔でｎ行ｍ列（ｎ・ｍとも２以上の整数）に配列する平面マトリクス状の配列構造と、地盤改良体の中心線が行方向に一致する一方、列方向では次行の地盤改良体の間隔の中心と一致するような平面千鳥状の配列構造とを選択することができる。前者の配列構造では、地盤改良体の中心線を行方向および列方向ともに一致させることができ、後者の配列構造では、各行の地盤改良体の間隔を等間隔としながら、次行の地盤改良体で前行の地盤改良体の間の地盤を補完的に改良するような作用が得られる。なお、本発明でいう行と列は、概念上、平面の広がりにおける縦と横のならびを意味するが、地盤に対しては何をもって縦というか横というかが定まらないため、具体的な方角を特定するものではない。

また、各地盤改良体の造成形状も、内部が中空の筒状であればよく、具体的な外形等は特に限定されないが、断面正方形の角筒状や断面円形の円筒状のものであれば、従来公知の深層混合処理工法によって容易に造成することができる。

本発明によれば、中空筒状の地盤改良体を間隔を空けて離間的に設置するようにしたので、各地盤改良体の枠内の地盤はもちろん、改良体で囲まれた地盤についても液状化を防止でき、しかも、地盤改良体の造成本数が少なくて済むため、従来よりも低コストで、且つ、短期に施工することができる。また、地盤改良体を等間隔でｎ行ｍ列に配列した場合、地盤の改良面積を広くすることができ、地盤改良体の中心線を行方向・列方向とも一致させることができて、格子型の耐液状化構造とほぼ同等の液状化防止効果を得ることができる。他方、地盤改良体を千鳥状に配列すれば、行間を詰めて地盤改良体を設置することができるため、液状化防止効果をより高めることができる。さらに、地盤改良体は断面多角形の角筒状や断面円形の円筒状であるため、従来公知の深層混合処理工法によって地盤改良体を容易に造成することができる。

本発明は、深層混合処理工法によって砂質地盤等の軟弱地盤に中空筒状の地盤改良体を複数本、間隔を空けて造成することで実施される。ここで深層混合処理工法は、固化材の態様やその供給方法、原地盤土との撹拌混合方法等によって幾つかに細分類されるが、本発明の場合、上下面を開放した中空筒状の地盤改良体を土中に造成可能なものであれば、何れの工法をも採用することができる。また、地盤改良体の固化強度や造成深度も従来の工法に倣って決定すればよい。さらに、地盤改良体の具体的形状は、断面ドーナツ状あるいは断面中空の正方形の筒状体が代表的であるが、この他、断面が中空の三角形や六角形等の多角形であってもよい。ただし、多角形とするときは、各周壁の強度が均一となる正多角形とすることが好ましい。

（本構造の基本的条件）
図１、２に示す実施例１は、下層５ｍが密な砂、その上層１０ｍが中密な砂であり、各層は比体積を均一とし、さらに土被り圧に応じて過圧密比を鉛直方向に分布させたモデル地盤に、長さ１１ｍの地盤改良体Ｐ１…Ｐ１を４本、等間隔に配列して耐液状化構造を構成したものである。

（地盤改良体Ｐ１の具体的条件）
地盤改良体Ｐ１は、この実施例１の場合、一辺１０ｍ四方の中空角筒状であり、壁厚ｗは１ｍである。即ち、内部には一辺８ｍ四方の枠が形成される。また、地盤改良体Ｐ１は、モデル地盤の土要素を水〜土２相系弾性体で瞬時に置換することにより再現している。

（計算条件）
そして、地盤改良体Ｐ１…Ｐ１の間隔ｄを２ｍ・３ｍ・４ｍ・５ｍ（以下、この順に「ｃａｓｅＡ・Ｂ・Ｃ・Ｄ」という。）としたときの地震中および地震後の挙動について、弾塑性モデルの一種であるＳＹＳカムクレイモデルを用いた有限要素法により３次元動的／静的水〜土連成有限変形計算を調べた。計算に用いた有限要素メッシュは、図１の２−２’を中心線とする対称性を仮定して、同図の破線Ｂで囲んだ部分をモデル化し、図３に示すようなメッシュおよび境界条件を用いた。また、工学的基盤面にあたる地盤下端には、底面粘性境界（Ｖｓ＝３００ｍ／ｓｅｃ）を設定し、地盤両側の同じ高さにある全節点に等変位条件を課した（周期境界）。さらに、地震動は、モデル地盤底面の全節点のｘ軸方向に八戸波を入力し、計算は上記地震動を与えた後、地盤の圧密が終了するまで実施した。

（計算結果）
図４および図５は、ｃａｓｅＢについて、図３に示す計測点Ｅ１〜Ｅ６の深さ５．５ｍおよび８．５ｍにおける要素の過剰間隙水圧の経時的変化を示したものであり、無改良地盤の計算結果をも重畳して比較したものである。この結果から、Ｅ１〜Ｅ６の何れの計測点も、無改良地盤と比べると、過剰間隙水圧の上昇が抑制され、且つ、消散も早いことが分かる。具体的には、過剰間隙水圧がＥ１で７５％、Ｅ２〜Ｅ４で６０％程度、Ｅ５・６で８５〜９０％程度に抑えられていた。

ｃａｓｅＡ〜Ｄについて、図６は図１における１−１’断面、図７は図１における２−２’断面の圧密終了時の地表面沈下量を示し、図８は図１における点ａ・ｂの経時的沈下量を示す。図６、図７の結果から、Ａ〜Ｄの何れのケースも地盤改良体Ｐ１の枠内と枠外で沈下量に若干の違いがあるものの、無改良地盤の場合より沈下量が抑えられていることが分かる。具体的には、ｃａｓｅＤの点ｂ以外は、沈下量が無改良地盤の１／２以下に抑制されていた。また、各ケースの沈下量を比較すると、概ねｃａｓｅＡ＜ｃａｓｅＢ＜ｃａｓｅＣ＜ｃａｓｅＤとなっており、地盤改良体Ｐ１の間隔が狭いほど沈下量の抑制効果が大きいことが分かる。さらに、図８の結果からは、Ａ〜Ｄの何れのケースも無改良地盤より圧密の収束時間が短いことがわかる。

図９〜図１１はそれぞれ、無改良地盤とｃａｓｅＢにおける１−１’断面および２−２’断面について、圧密終了時のせん断ひずみ分布を示したものである。この結果からは、無改良地盤では下層でせん断ひずみが大きく、沈下が下部で生じているのに対し、ｃａｓｅＢでは地盤改良体Ｐ１の枠内および間隔ｄの上層でせん断ひずみが大きくなっていることが分かる。総合すれば、地盤改良体の枠内はもちろん、隣合う地盤改良体で挟まれた地盤についても充分な沈下抑制効果が確認された。

（本構造の基本的条件および地盤改良体Ｐ２の具体的条件）
図１２および図１３に示す実施例２は、実施例１と同じ条件のモデル地盤に同じ長さ（１１ｍ）、同じ壁厚（１ｍ）の地盤改良体Ｐ２…Ｐ２を複数本配列したものであるが、地盤改良体Ｐ２の形状が実施例１とは異なり、この実施例２の場合、外径（外周の直径）１０ｍ、内径（内周の直径）８ｍの中空円筒状である。

（計算条件）
そして、４本の地盤改良体Ｐ２…Ｐ２を間隔ｄが１ｍ・２ｍ・３ｍ・４ｍとなるように２行２列のマトリクス状に配列したｃａｓｅ１〜４（図１２）について、破線部分を図１４の有限要素メッシュにモデル化し、実施例１と同じ計算条件に基づいて有限変形計算を調べた。また、この実施例２では、５本の地盤改良体Ｐ２…Ｐ２を間隔ｄが２ｍの３本の行と２本の行に分け、３本の行の間隔ｄの中心と２本の行の地盤改良体Ｐ２の中心が一致し、且つ、２つの行が共通の円接線上に位置するように千鳥状に配列したｃａｓｅ５（図１３）についても調べた。

（計算結果）
図１５・１６は、ｃａｓｅ１について、図１４に示す計測点Ｅ１〜Ｅ５の深さ５．５ｍおよび８．５ｍにおける要素の過剰間隙水圧の経時的変化を示したものであり、同時に無改良地盤の計算結果をも重畳して比較したものである。この結果から、この結果から、Ｅ１〜３およびＥ５の計測点については、無改良地盤と比べると、過剰間隙水圧の上昇が抑制されていることが分かる。具体的には、過剰間隙水圧がＥ１〜Ｅ３で５０〜７５％程度、Ｅ５で９０％程度に抑えられていた。また、これらの計測点は、無改良地盤と比べて過剰間隙水圧が早く消散することが確認された。なお、ｃａｓｅ１のＥ４では、無改良地盤と同程度の過剰間隙水圧が発生しているが、無改良地盤と比べてその消散が早い。

図１７〜１９は、ｃａｓｅ１〜４について、図１２における１−１’断面、２−２’断面およびＡ−Ａ断面の圧密終了時の地表面沈下量を示したものである。また、ｃａｓｅ５については、図１９に図１３におけるＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面の沈下量を示している。さらに図２０は、図１２・１３に示した点Ｐ・Ｑにおける沈下の経時的変化を示している。そして、図１７〜１９の結果から、１〜５の何れのケースも無改良地盤に比べて沈下量が抑制されており、地盤改良体Ｐ２の内部では沈下量が約１／３となっていることが分かる。また、地盤改良体Ｐ２の間では、各点の最大沈下量がｃａｓｅ５（２ｃｍ）＜ｃａｓｅ１（５ｃｍ）＜ｃａｓｅ２（６．５ｃｍ）＜ｃａｓｅ３（９ｃｍ）＜ｃａｓｅ４（１１ｃｍ）となっており、地盤改良体Ｐ２の間隔が狭いほど沈下量が低下傾向を示すことが分かる。さらに、図２０の結果から、地盤改良体Ｐ２を間隔を空けて配列した地盤は無改良地盤に比べて圧密終了までの時間が早いことが確認される。

この他、ｃａｓｅ２・４・５について圧密終了時のせん断ひずみ分布を求めたところ、図２１に示すように、地盤改良体Ｐ２の近傍では上層でせん断ひずみが大きくなり、地盤改良体Ｐ２から遠ざかるにつれ下層でのせん断ひずみが大きくなることを確認した。総合すれば、この実施例２においても、地盤改良体の枠内はもちろん、隣合う地盤改良体で挟まれた地盤についても充分な沈下抑制効果が確認された。

本発明の実施例１・２によれば、改良地盤の上部でせん断ひずみが大きくなることが確認されたが、他の表層改良工法との併用によって、より高い液状化防止効果を得ることができると考えられる。

本発明構造の実施例１を示す平面図 図１の１−１’断面図 実施例１の有限要素メッシュ図 実施例１（ｃａｓｅＢ）の過剰間隙水圧の経時的変化を示すグラフ（初期要素中心深さ５．５ｍ） 実施例１（ｃａｓｅＢ）の過剰間隙水圧の経時的変化を示すグラフ（初期要素中心深さ８．５ｍ） 実施例１（図１の１−１’断面）および無改良地盤の地表面沈下量を示すグラフ 実施例１（図１の２−２’断面）および無改良地盤の地表面沈下量を示すグラフ 実施例１（図１の点ａ・ｂ）および無改良地盤の沈下量の経時的変化を示すグラフ 無改良地盤のせん断ひずみ分布図 実施例１（図１の１−１’断面）のせん断ひずみ分布図 実施例１（図１の２−２’断面）のせん断ひずみ分布図 本発明構造の実施例２を示す平面図（２行２列構造） 本発明構造の実施例２を示す平面図（千鳥構造） 実施例２の有限要素メッシュ図 実施例２（ｃａｓｅ１）の過剰間隙水圧の経時的変化を示すグラフ（初期要素中心深さ５．５ｍ） 実施例２（ｃａｓｅ１）の過剰間隙水圧の経時的変化を示すグラフ（初期要素中心深さ８．５ｍ） 実施例２（図１の１−１’断面）および無改良地盤の地表面沈下量を示すグラフ 実施例２（図１の２−２’断面）および無改良地盤の地表面沈下量を示すグラフ 実施例２（図１２・１３のＡ−Ａ断面および図１３のＢ−Ｂ断面）および無改良地盤の地表面沈下量を示すグラフ 実施例１（図１２・１３の点Ｐ・Ｑ）および無改良地盤の沈下量の経時的変化を示すグラフ 実施例２（図１２の１−１’断面）のせん断ひずみ分布図

Ｐ１・Ｐ２ 地盤改良体

Claims (5)

1. 下層が密な砂、その上層が中密な砂の砂質地盤に対して、深層混合処理工法により前記上層から下端が前記下層中に達するように連続して造成される中空筒状の地盤改良体を複数本、間隔を空けて配列し、前記地盤改良体の枠内の地盤および前記地盤改良体で挟まれた地盤を改良してなることを特徴とした砂質地盤の耐液状化構造。
2. 地盤改良体を平面ｎ行ｍ列（ｎ・ｍとも２以上の整数）に配列してなる請求項１記載の砂質地盤の耐液状化構造。
3. 地盤改良体を平面千鳥状に配列してなる請求項１記載の砂質地盤の耐液状化構造。
4. 地盤改良体は断面多角形の角筒状である請求項１、２または３項記載の砂質地盤の耐液状化構造。
5. 地盤改良体は断面円形の円筒状である請求項１、２または３記載の砂質地盤の耐液状化構造。