JP5382900B2 - 液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、地震時の液状化現象によりトンネルが浮き上がるのを防止する液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法に関する。

地震時に起こる液状化は、地震によって地盤に水平振動が作用したときに該地盤のせん断変形によって砂粒子間の間隙水圧が上昇し、その間隙水圧上昇に伴って有効応力がゼロになり砂粒子間で応力伝達ができなくなって流動性が高くなり、やがては鉛直支持力を失って建物の倒壊を招く現象であり、言うまでもなく、緩い飽和砂質地盤で起こりやすい（以下、液状化が発生しやすい地盤を液状化地盤と言う）。

かかる液状化による被害の甚大さは、我が国では古くは新潟地震から強く認識されるようになり、従来からさまざまな液状化対策が研究開発されてきた。

典型的な液状化対策としては、既設構造物が地盤上に立設されている場合、その下方に拡がる液状化地盤の広い範囲に薬剤注入等で地盤強度を向上させ、地震時のせん断変形を抑制する工法である。

特開平１０−１３１２０９ 特開平０６−３４６４３２ 特開平０６−１０８４７８

一方、液状化による被害は、建物等のみならず、地盤内に構築された地中構造物にも及ぶ。すなわち、地下水位以下に構築された地中構造物は、通常時であれば、地下水位からの深さに応じた浮力を受けて地表面方向に上昇しようとするが、かかる浮力は、アンカー等で補強される場合を除き、一般的には地盤のせん断抵抗や地中構造物と地盤との摩擦抵抗で支持され、地中構造物の安定が確保される。

しかしながら、かかる状況で地震動が入力し地中構造物の周辺地盤が液状化すると、地盤のせん断抵抗や地中構造物と地盤との摩擦抵抗が消失して地中構造物が地盤内で浮き上がり、地震動がおさまっても修復不可能な程度まで残留変位が生じる懸念があるという問題を生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、地震時において地中構造物の浮き上がりを防止可能な液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法は請求項１に記載したように、地盤を地表面から開削して掘削空間を形成し、次いで、該掘削空間の底部に地中構造物を設置し、次いで、幅が該地中構造物の水平幅と同等又はそれ以下となるようにかつ前記地中構造物に隣接するように該地中構造物の上に固化領域を形成するものである。

既設構造物が地盤上に立設されている場合の液状化対策としては、従来技術で述べたように、既設構造物の下方に拡がる液状化地盤の広い範囲に薬剤注入等で地盤強度を向上させ、地震時のせん断変形を抑制する工法が知られている。

また、地中構造物周囲の過剰間隙水圧をドレーン材等で消散させる、地中構造物周囲のせん断変形を鋼矢板や杭で抑制する、地中構造物周囲からの水の流入を止水壁等で防止するといった対策も知られている。

しかしながら、これらの対策はいずれも大規模な工事が必要となり、例えばトンネルの場合においては、その長さ方向に沿って対策を施さねばならず、コストは膨大となる。

本出願人はかかる従来技術の問題点に鑑み、さまざまな実験を積み重ねた結果、地中構造物の直下又は直上のみを地盤改良するだけで地震による残留変位を抑制することができるという新たな知見を得るに至った。

すなわち、本発明及び参考発明に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造及び防止方法においては、地中構造物の下方又は上方に該地中構造物に隣接するようにして固化領域を設けるとともに、固化領域の水平幅を地中構造物の水平幅と同等又はそれ以下とした。

かかる構成においては、固化領域の水平幅が地中構造物の水平幅以下となるため、地中構造物がトンネルのような数ｋｍ〜数十ｋｍに及ぶものであっても、現実的な液状化対策になり得る。

一方、このような構成を模した振動実験を行った結果、液状化による地中構造物の残留変位は、十分に抑制されることがわかった。

地中構造物の残留変位が抑制される原理としては、地中構造物の直下に固化領域を設けた場合、地震時において地中構造物の下方が液状化しないため、地中構造物を取り囲む地盤全体の液状化の程度が小さくなるとともに、地震時において地中構造物直下に回り込む土の量も少なくなるからであると思われる。

また、地中構造物の直上に固化領域を設けた場合、地震時において地中構造物の上方が液状化しないため、固化領域のせん断抵抗によって地中構造物の浮力が押さえ込まれるからであると思われる。

したがって、本発明及び参考発明によれば、液状化による地中構造物の残留変位を最小限の工事で効果的に抑制することが可能となる。なお、本発明は、上述したあらたな知見のうち、地盤を地表面から開削して掘削空間を形成し、次いで、該掘削空間の底部に地中構造物を設置し、次いで、幅が該地中構造物の水平幅と同等又はそれ以下となるようにかつ前記地中構造物に隣接するように該地中構造物の上に固化領域を形成することを特徴とする液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法とする。

固化領域は、薬液注入工法、セメント系深層混合処理工法（CDM工法）その他軟弱地盤や液状化地盤の地盤改良に用いられる公知の工法によって形成することができる。

また、本発明に係る固化材は、薬液注入工法、セメント系深層混合処理工法（CDM工法）その他軟弱地盤や液状化地盤の地盤改良に用いられる公知の固化材（薬液含む）を適宜選択すればよい。

以下、本発明に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

（第１実施形態）

図１は、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造を示した図である。同図でわかるように、本実施形態に係る地中構造物の浮き上がり防止構造１は、地盤としての液状化地盤２内に埋設された地中構造物であるトンネル３の下方に該トンネルに隣接するようにして固化領域４を設けてなる。

固化領域４は、液状化地盤２に薬液を注入することで構成してある。薬液については、液状化地盤を地盤改良する際に用いられる公知の薬剤から適宜選択すればよい。

ここで、固化領域４は、その水平幅Ｗがトンネル３の水平幅Ｗ′と同等になるように形成してあるとともに、その高さＨがトンネルの高さＨ′の１．２５倍以上となるように形成してある。

本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造１を構築するには、まず図２(a)に示すように、液状化地盤２を地表面１１から開削して掘削空間１２を形成する。

次に同図(b)に示すように、掘削空間１２の下方を薬液注入によって地盤改良し、掘削空間１２の直下に固化領域４を形成する。

次に、掘削空間１２であって固化領域４の上にトンネル３を設置する。

トンネル３は、例えばプレキャストコンクリートと現場打ちコンクリートを組み合わせて構築すればよいが、開削トンネルの構築については公知の手段から適宜採用することができるので、ここではその施工方法を省略する。

トンネル３の構築が終了したならば、掘削空間１２の残余空間を埋め戻す。

以上説明したように、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造１及び防止方法によれば、固化領域４の水平幅Ｗがトンネル３の水平幅Ｗ′と同等であるため、トンネル長が数ｋｍ〜数十ｋｍに及ぶ場合であっても、従来のように莫大なコストをかけることなく、液状化によるトンネル３の浮き上がり、言い換えれば液状化によるトンネル３の残留変位を修復可能な範囲に収めることが可能となる。

本実施形態では、固化領域４の高さＨがトンネルの高さＨ′の１．２５倍以上となるように構成したが、これは振動実験から得られた一つの目安であり、実際には、支持層の深さ、土質性状、地下水位のレベルなどの数多くの要因を考慮して固化領域４の高さＨを定めればよく、例えば支持層が浅い場合、必ずしも固化領域４の高さＨを水平幅Ｗの１．２５倍にする必要はなく、液状化の残留変位が抑制される限りにおいて、１．２５倍より小さくてもかまわない。

（第２実施形態）

次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図３は、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造を示した図である。同図でわかるように、本実施形態に係る地中構造物の浮き上がり防止構造３１は、液状化地盤２内に埋設されたトンネル３の上方に該トンネルに隣接するようにして固化領域３２を設けてなる。

固化領域３２は、セメントスラリーを掘削土砂と攪拌混合し、これを埋め戻して形成することができる。

ここで、固化領域３２は固化領域４と同様、その水平幅Ｗがトンネル３の水平幅Ｗ′と同等になるように形成してあるとともに、その高さＨがトンネルの高さＨ′の１．２５倍以上となるように形成してある。

本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造３１を構築するには、まず図４(a)に示すように、液状化地盤２を地表面１１から開削して掘削空間１２を形成する。

次に同図(b)に示すように、掘削空間１２の底部３３上にトンネル３を構築する。

次に、トンネル３の上に固化領域３２を形成する。固化領域３２は上述したように、液状化地盤２を開削したときに発生した掘削土砂をセメントスラリーと混合して攪拌し、これを掘削空間１２の残余空間に埋め戻して形成する。

以上説明したように、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造３１及び防止方法によれば、固化領域３２の水平幅Ｗがトンネル３の水平幅Ｗ′と同等であるため、トンネル長が数ｋｍ〜数十ｋｍに及ぶ場合であっても、従来のように莫大なコストをかけることなく、液状化によるトンネル３の浮き上がり、言い換えれば液状化によるトンネル３の残留変位を修復可能な範囲に収めることが可能となる。

本実施形態では、固化領域３２の高さＨがトンネルの高さＨ′の１．２５倍以上となるように構成したが、これは振動実験から得られた一つの目安であり、実際には、支持層の深さ、土質性状、地下水位のレベルなどの数多くの要因を考慮して固化領域３２の高さＨを定めればよく、例えば支持層が浅い場合、必ずしも固化領域３２の高さＨを水平幅Ｗの１．２５倍にする必要はなく、液状化の残留変位が抑制される限りにおいて、１．２５倍より小さくてもかまわない。

（第３実施形態）

次に、第３実施形態について説明する。なお、上述の実施形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法においては、まず図５に示すように、液状化地盤２内に埋設されたトンネル３の底版５１を穿孔して注入孔５２を形成し、該注入孔から固化材としての薬液を注入することで、トンネル３の直下に固化領域４を形成する。

なお、固化領域４については第１実施形態で既に述べたので、ここではその説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法によれば、固化領域４の水平幅Ｗがトンネル３の水平幅Ｗ′と同等であるため、トンネル長が数ｋｍ〜数十ｋｍに及ぶ場合であっても、従来のように莫大なコストをかけることなく、液状化によるトンネル３の浮き上がり、言い換えれば液状化によるトンネル３の残留変位を修復可能な範囲に収めることが可能となる。

また、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法によれば、既設のトンネル３であってもその直下を上述した手順で地盤改良することによって、液状化によるトンネルの浮き上がりを抑制することが可能となる。

本実施形態では、固化領域４の高さＨがトンネルの高さＨ′の１．２５倍以上となるように構成したが、これは振動実験から得られた一つの目安であり、実際には、支持層の深さ、土質性状、地下水位のレベルなどの数多くの要因を考慮して固化領域４の高さＨを定めればよく、例えば支持層が浅い場合、必ずしも固化領域４の高さＨを水平幅Ｗの１．２５倍にする必要はなく、液状化の残留変位が抑制される限りにおいて、１．２５倍より小さくてもかまわない。

（実証試験）

次に、本発明に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造及び防止方法を実証するために振動試験を行ったので、その概要及び結果について以下に説明する。

振動試験を行うにあたり、内法で幅２０６ｃｍ×奥行き６０ｃｍ×高さ１０１ｃｍの形状を有し正面をガラス張りとした土槽を準備し、この土槽内に砂（珪砂６号、Ｇ_S＝２．６５２、ｅ_max＝０．９０３、ｅ_min＝０．５８２）を投入するとともに該砂の天端に水位面が一致するように水を飽和した。

砂は、その流動状況が観察できるよう、ガラスと接する側に円形状に着色を施した標点を所定の間隔ごとに縦横（水平及び深さ方向）に設けるとともに、数ｍｍ程度の厚みを着色した着色層を所定深さごとに設けた。

トンネルを模したトンネル模型は、大きさが幅４０ｃｍ×奥行き５９ｃｍ×高さ２０ｃｍ、見掛けの比重が０．７となるようにアルミボックスで構成し、これをトンネル模型の下面が土槽底面から５２５ｍｍとなるように砂内に埋設した。また、固化領域は、砂にポリマーを含浸させて比重が２となるように形成した。なお、トンネル模型及び固化領域のガラス側接触面にも縦横に標点を付した。

また、トンネル模型を変位計を介してワイヤーで吊持し、トンネル模型の鉛直方向の変位を測定できるようにした。

次に、図６(a)に示す時刻歴波形を有する地震動で土槽を水平に加振し、液状化の発生状況及びトンネル模型の浮き上がり性状を調べた。同図(b)は、トンネル模型の浮き上がりを時刻歴で示したグラフであり、図７乃至図１１は、液状化の発生及びそれに伴うトンネル模型の浮き上がりを示した写真画像である。

これらの図でわかるように、液状化対策を施さない場合（図７）、トンネル模型は、７秒後に５８ｍｍ浮き上がり、最終的に１４０ｍｍ浮き上がったのに対し、固化領域の高さを１０ｃｍ（トンネル模型の高さの１／２倍）にしてトンネル模型の直下に配置した場合（図８，ケース１０）、７秒後に２８ｍｍ浮き上がり、加振終了後の浮き上がりは１２５ｍｍにとどまった。さらに固化領域の高さを２５ｃｍ（トンネル模型の高さの１．２５倍）に増やした場合（図９，ケース１１）、７秒後に１４ｍｍ浮き上がり、加振終了後の浮き上がりを８６ｍｍに抑制することができた。ケース１２はケース１１と同条件で行った結果であり（図１０）、７秒後の浮き上がり値（１３ｍｍ）及び最終浮き上がり値（８６ｍｍ）とも再現性があることを確認できた。また、固化領域の高さを２５ｃｍ（トンネル模型の高さの１．２５倍）にしてこれをトンネル模型の直上に配置した場合（図１１，ケース１３）、直下に配置した場合と概ね同様、７秒後に１７ｍｍ浮き上がり、加振終了後の浮き上がりを９０ｍｍに抑制することができた。

第１実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造の概略図。 第１実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造を施工する手順（防止方法）を示した図。 第２実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造の概略図。 第２実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造を施工する手順（防止方法）を示した図。 第３実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法の手順を示した図。 実証試験に関するグラフであり、上段は時刻歴入力地震動を示したグラフ、下段はトンネルの浮き上がりを時刻歴で示した図。 実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像（無対策）。 実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像（ケース１０）。 実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像（ケース１１）。 実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像（ケース１２）。 実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像（ケース１３）。

符号の説明

１，３１ 液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造
２ 液状化地盤
３ トンネル（地中構造物）
４，３２ 固化領域
１２ 掘削空間
５１ 底版
５２ 注入孔

Claims (1)

1. 地盤を地表面から開削して掘削空間を形成し、次いで、該掘削空間の底部に地中構造物を設置し、次いで、幅が該地中構造物の水平幅と同等又はそれ以下となるようにかつ前記地中構造物に隣接するように該地中構造物の上に固化領域を形成することを特徴とする液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法。