JP5426321B2 - 浮き型サンドコンパクションパイル工法における砂杭造成方法と改良地盤 - Google Patents

Description

本発明は、サンドコンパクションパイル工法（以下、ＳＣＰ工法）のうち、浮き型ＳＣＰ工法における砂杭造成方法と、その方法によって形成された砂杭による改良地盤に関するものである。ＳＣＰ工法は、軟弱粘性土層中に締固め砂杭を造成して、地盤の強度増加を図る代表的な地盤改良工法である。砂杭の造成は軟弱粘性土層の下面境界から海底面まで貫通して行うことが一般的であるが、軟弱粘性土層の上層部だけに砂杭を造成する場合もあり、これは「浮き型ＳＣＰ工法」と呼ばれている。

上記浮き型ＳＣＰ工法における砂杭の造成方法は、打込み締固め方式（バイブロコンポーザ工法），先端振動締固め方式（ストロング・サンドパイル工法），先端拡径締固め方式（メカトロニックコンソリデーションシステム）等があるが、例えば、前記打込み締固め方式の「打ち戻し方式」と言われるものは、図２に示すように、ケーシング１１を軟弱地盤１２である軟弱粘性土層に貫入させ、前記ケーシングに砂１０を充填した後に、工程１：前記ケーシングを地盤の途中まで一旦引き上げながら前記砂を排出して砂杭を形成し、その後、工程２：前記ケーシングを振動による締め固めて押し込んで打ち戻すことで砂杭の一部を形成する、当該工程１，２を１サイクルとして、これを前記砂杭の一部の上に次の１サイクルで砂杭の一部を更に形成することを繰り返して、前記軟弱粘性土層に、砂杭１３を拡径すると同時に締め固めて、所定の締固め砂杭１３を造成する（特許文献１参照）。図３中のケーシング径：Ｄｃ、引き上げ高さ：ｈ、打ち戻し量：ｓ、および、出来上がり径：Ｄｓは設計事項である。ただし、これまでのＳＣＰ工法の施工実績を見ると、Ｄｃ＝１．１７５ｍ、ｈ＝３ｍ、ｓ＝２ｍ、Ｄｓ＝２ｍが、多く採用される組み合わせであることがわかる。この中で、前記Ｄｃは施工機械の制約で、Ｄｓは設計により決定されるので施工時には変更できないが、前記ｈ，ｓについては施工状況に応じて調整可能である。

特開昭５８−５０２１６号公報

前記打ち戻し方式による砂杭の造成は、押し込み力に対して砂杭下端に十分な反力が発揮されることが、拡径と締固めを伴った確実な砂杭造成の条件となる。通常の貫通式のＳＣＰ工法であれば、軟弱粘性土層の下に存在する高い支持力を有する基礎地盤から十分な反力を得ることができる。
しかしながら、浮き型ＳＣＰ工法における砂杭造成方法では、軟弱粘性土に十分な反力を期待することは困難であり、支持力不足によりめり込み現象が発生し、拡径および締固め不足が懸念される。特に、砂杭造成の初期である１サイクル目の打ち戻し過程において、図４に示すように、軟弱粘性土の強度が小さい場合、砂杭が側方および下方へ変形し、球根状の形状１３ａを形成すると予測される。予定した砂杭下端レベルよりも下に位置する部分がめり込み部分となり、砂杭造成を予定した領域では、めり込み量に相当する砂の量が不足するので、砂杭の拡径が不足することになる。
本発明に係る浮き型ＳＣＰ工法における砂杭造成方法と改良地盤は、このような浮き型ＳＣＰ工法において締固め砂杭を確実に造成し、これによる改良地盤を実現することで、従来の課題を解決するために提案されたものである。

本発明に係る浮き型サンドコンパクションパイル工法における砂杭造成方法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、軟弱粘性土層の上層部だけに砂杭を造成する浮き型サンドコンパクションパイル工法によって、ケーシングを軟弱粘性土層の途中まで貫入させ、前記ケーシングに砂を充填した後に、砂杭の造成工程においてケーシング引き上げの工程とそれに続くケーシング打ち戻しの工程とを１サイクルとして、造成する砂杭の下端から海底面まで前記１サイクルを繰り返して、前記軟弱粘性土層に砂杭を造成する砂杭造成方法において、
軟弱な地盤中にケーシングを貫入し、砂を前記ケーシング中に充填後の初期の１サイクル目の砂杭造成時に、軟弱粘性土層の下面境界から海底面まで貫通して行う通常のサンドコンパクションパイル工法の初期の１サイクル目の砂杭造成時に投入する標準砂量に対して、砂杭下端部の拡径不足が無い所望の球根状体を形成するために、前記ケーシングの引き上げ高さを増し、および、ケーシングの打ち戻し量を増すことで、前記砂の量を増量して軟弱粘性土層に投入し、前記初期の１サイクル目の砂杭下端部の球根状体を形成することである。

また、ケーシング径：Ｄｃ、砂杭の出来上がり径：Ｄｓ、ケーシングの引き上げ高さ：ｈ、ケーシングの打ち戻し量：ｓ、として
１．２５≦Ｄs／Ｄc≦２．２５となるDs/Dc値に対して、前記ｈを通常のサンドコンパクションパイル工法におけるケーシング引き上げ高さのα倍（αは最大２．０）とし、前記ｓを前記ｈの増加高さと同量だけ増加させることで、投入砂を標準砂量のα倍となるよう増量して形成することを含むものである。

本発明に係る改良地盤は、上記発明である浮き型サンドコンパクションパイル工法の砂杭造成方法によって形成された砂杭により地盤改良されたことである。

本発明の浮き型ＳＣＰ工法における砂杭造成方法と軟弱地盤によれば、軟弱粘性土層の上層部だけに砂杭を造成する際に、１サイクル目に、ケーシングに投入する砂を標準砂量に対して増量して大きなサイズの球根状体を形成することで、砂杭下端部の拡径不足が解消される。更に、その球根状体の上に連続して砂杭を造成する際に、押し込み力に対する反力供給に当該球根状体が貢献する事になる。これにより、締固め砂杭の確実な造成が可能となるという優れた効果を奏するものである。

本発明に係る浮き型ＳＣＰ工法における砂杭造成方法での、造成される球根状体１３ｂに係るＦＥＭ（有限要素法Finite Element Method、以下同じ）地盤変形解析の結果を示す説明図である。 従来例に係るＳＣＰ工法における、打込み締固め方式の実施例を手順に示す説明図である。 砂杭造成における初期の１サイクル目のケーシングによる引き抜きと押し込みで、砂杭の高さh*＝（ｈ−ｓ）に形成される様子を示す説明図である。 従来例における軟弱地盤でのＳＣＰ工法による１サイクル目の砂杭である球根状体１３ａの造成の様子を、ＦＥＭ地盤変形解析によって示す説明図である。 様々なＤs／Ｄc値に対して、標準砂量を実現するｈ/ｈ*および投入砂量を割増率とｈ／ｈ*の関係を説明するとともに、本発明の適用範囲を示す説明図である。

本発明に係る浮き型ＳＣＰ工法における砂杭造成方法は、図１に示すように、初期の１サイクル目の砂杭を、しっかりとした反力を発揮するような球根状体１３ｂにするため、ケーシングに投入・充填する砂を標準砂量に対して増量させることである。なお、本発明において、軟弱地盤とは、海上および陸上に存在するＮ値７以下の粘性土層を対象とするものである。

図３において、投入砂量Ｖ０＝（π／４）・Ｄｃ２・ｈである。
打ち戻し後の砂杭体積をＶ１とすると、締固めによる体積変化率をｍとして、
Ｖ１＝ｍ・Ｖ０である。
一方、設計上想定される砂杭体積は、Ｖ２＝（π／４）・Ｄｓ２・ｈ＊なので、砂の投入割増率αは以下のとおりとなる。
α＝ｍ（ｈ／ｈ＊）／（Ｄｓ／Ｄｃ）２：
計算式：α＝（Ｖ１／Ｖ２）＝（ｍＶ０／Ｖ２）＝ｍ（ｈ・Ｄｃ２／ｈ＊・Ｄｓ２）より。

Ｄs／Ｄcは、ケーシング径で無次元化した砂杭の仕上がり径であり、地盤改良工事の実施毎に様々な値をとり得るが、ｈ/ｈ*を調整することによりα＝１．０とすることができる。これが、従来法であり、このときの投入砂量が標準砂量である。
これに対して、１．０＜α≦２．０となるようにｈ／ｈ*を調整することで、標準砂量の最大２．０倍まで投入砂を増量して、打ち戻し方式により砂杭を造成する。更に、前記１サイクル目の砂杭造成時におけるケーシングの引き上げと打ち込みとを、数回に分けて行うこともできる。

ここで、砂の増量程度を示す投入割増率αは、改良対象とする軟弱粘性土の強度が小さい程、大きな値とする必要があるが、α＞２．０となるようなＮ値≒０の超軟弱粘性土は本発明の対象外である。また、粘性土層のＮ値が７よりも大きくなると、α＝１の従来法で砂杭が確実に造成できるので、これも対象外である。つまり、本発明において対象とする軟弱粘性土はＮ値が０〜７程度であり、これに対応して１．０＜α≦２．０なるα値を設定することとなる。
また、Ｄs／Ｄc値については、浮き型ＳＣＰ工法が有効であると考えられる１．２５≦Ｄs／Ｄc≦２．２５の範囲を対象とする。（図５のハッチング範囲）

砂杭増量の一例を説明すると、Ds＝２ｍ、Dc＝1.175ｍ（Ds/Dc＝1.70）、ｍ＝0.966（施工実績による代表的な値）に対して、ｈ＝３ｍ、ｈ*＝１ｍとして、α＝1.0とするのが従来法による標準的な施工であり、これに対して、ｈ＝3.9ｍ、ｈ*＝１ｍとすることでα＝1.3となり、標準砂量の1.3倍に投入砂を増量して砂杭を造成することになる。（図５の○印の位置）

実施例１では、軟弱な地盤中にケーシング１１を貫入し、砂１０を前記ケーシング１１中に充填後の１サイクル目の砂杭造成時に、所望の球根状体１３ｂを形成するための前記砂の量を、直径Ｄｃ＝１．１７５ｍのケーシング１１を３ｍ引き上げて２ｍ打ち戻して、高さ１ｍで直径Ｄｓ＝２ｍ程度の砂杭１３を造成する場合の砂量（これを以下、標準砂量という）に対して、１．３倍に増量して前記ケーシングに投入する。

このように前記ケーシング１１に投入する砂量を、標準砂量の１．３倍にするには、ケーシング１１に砂１０を充填した後に、このケーシング１１の引き上げ高さｈを３．９ｍにして引き上げ、打ち戻し量ｓ＝２．９ｍにして打ち戻し、砂杭１３ｂを造成することで達成する。

前記ケーシング１１の引き上げ高さｈを、３．９ｍにするのは従来のケーシング１１による引き上げ高さｈが３ｍなので、３ｍ×１．３倍＝３．９ｍとなるのである。また、ｈ*＝ｈ−ｓ＝１ｍと設定するので、打ち戻し量ｓ＝２．９ｍとなるのである。

こうすると、ＦＥＭ地盤変形解析の結果の図１に示すように、出来上がり径Ｄｓ＝２ｍの球根状体１３ｂができるのである。形成される球根のサイズが大きくなり、めり込みが発生するにもかかわらず、拡径不足が発生していない。

この１サイクル目の砂杭造成時において、前記ケーシング１１の引き上げと打ち込みとを、複数回に分けて行うこともできる。例えば、引き上げ高さｈ１＝２ｍ、打ち戻し量ｓ１＝１．５ｍに引き続き、引き上げ高さｈ２＝１．９ｍ、打ち戻し量ｓ２＝１．４ｍとすることができる。

こうして、大きなサイズの球根状体１３ｂが形成できることで、砂杭下端部の拡径不足が解消される。この球根状体１３ｂの上に連続して砂杭を造成する際に、押し込み力に対する反力供給に前記球根状体１３ｂが貢献し、締固め砂杭の造成が確実になるのである。

また、この実施例１では、１サイクル目の投入する砂を標準砂量の１．３倍としたが、勿論、対象とする軟弱粘性土の強度が異なれば、所望の造成する砂杭径を実現するための投入砂の必要増量程度も異なってくる。そして、本発明では、浮き型ＳＣＰ工法の場合に、この実施例１と同じような作用する球根状体１３ｂができるよう、標準砂量に対して、適宜に１サイクル目の投入する砂の量を増量するものである。

本発明に係る改良地盤は、上記浮き型ＳＣＰ工法の砂杭造成方法によって形成された砂杭により地盤改良されたものである。

本発明に係る浮き型ＳＣＰ工法は、海底面下に地盤改良すべき軟弱粘性土層が存在する場合を念頭において説明しているが、陸上の地表面下に存在する軟弱粘性土層を地盤改良する場合においても問題なく適用できるものである。

１０ 砂、
１１ ケーシング、
１２ 軟弱地盤、
１３ 砂杭、
１３ａ，１３ｂ 球根状体。

Claims (3)

1. 軟弱粘性土層の上層部だけに砂杭を造成する浮き型サンドコンパクションパイル工法に
   よって、
   ケーシングを軟弱粘性土層の途中まで貫入させ、前記ケーシングに砂を充填した後に、砂杭の造成工程においてケーシング引き上げの工程とそれに続くケーシング打ち戻しの工程とを１サイクルとして、
   造成する砂杭の下端から海底面まで前記１サイクルを繰り返して、前記軟弱粘性土層に砂杭を造成する砂杭造成方法において、
   軟弱な地盤中にケーシングを貫入し、砂を前記ケーシング中に充填後の初期の１サイクル目の砂杭造成時に、
   軟弱粘性土層の下面境界から海底面まで貫通して行う通常のサンドコンパクションパイル工法の初期の１サイクル目の砂杭造成時に投入する標準砂量に対して、砂杭下端部の拡径不足が無い所望の球根状体を形成するために、前記ケーシングの引き上げ高さを増し、および、ケーシングの打ち戻し量を増すことで、前記砂の量を増量して軟弱粘性土層に投入し、前記初期の１サイクル目の砂杭下端部の球根状体を形成すること、
   を特徴とする浮き型サンドコンパクションパイル工法の砂杭造成方法。
2. ケーシング径：Ｄｃ、砂杭の出来上がり径：Ｄｓ、ケーシングの引き上げ高さ：ｈ、
   ケーシングの打ち戻し量：ｓ、として
   １．２５≦Ｄs／Ｄc≦２．２５となるDs/Dc値に対して、前記ｈを通常のサンドコンパクションパイル工法におけるケーシング引き上げ高さのα倍（αは最大２．０）とし、前記ｓを前記ｈの増加高さと同量だけ増加させることで、投入砂を標準砂量のα倍となるよう増量して形成すること、
   を特徴とする請求項１に記載の浮き型サンドコンパクションパイル工法の砂杭造成方法
   。
3. 請求項１または請求項２に記載の浮き型サンドコンパクションパイル工法の砂杭造成方法によって形成された砂杭により地盤改良されたこと、
   を特徴とする改良地盤。

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