JP5848038B2 - 盤ぶくれ抑止構造 - Google Patents

Description

本発明は、盤ぶくれ抑止構造に関する。

地下水の水位が高い地層での地下掘削においては、遮水壁で囲まれた掘削部に、いわゆる盤ぶくれという現象が発生する場合がある。ここに、盤ぶくれとは、掘削部の土塊が除去されたことにより、掘削部の掘削底面の下方の不透水層が、不透水層の下の透水層からの水圧（被圧水頭）に耐えられなくなり持ち上げられる現象をいう。

盤ぶくれを抑止するため、一般に次の３つの方法が、単独若しくは組み合わされて採用されている。
（１）不透水層より下の地下水を所定量汲み上げ、不透水層の底面である盤ぶくれ対象面の下部の被圧水頭を下げる方法。
（２）盤ぶくれ対象面の下部に地下水が供給されないように、盤ぶくれの恐れのない地層まで遮水壁を貫入する方法。
（３）杭の周面抵抗力を利用して、盤ぶくれ対象面の鉛直応力を増大させる方法。
しかし、（１）の方法は、処理能力の十分な排水施設を必要とする。また地盤沈下や井戸の枯渇を伴う恐れがある。（２）の方法は、深い遮水壁を必要とするためコストや工期がかかる。更に産業廃棄物が増大する。（３）の方法は、地盤が軟弱な場合には周面抵抗力が小さく効果が小さい。

そこで、（３）の方法に関して、盤ぶくれ対象面の鉛直応力を増大させる盤ぶくれ抑止杭が開示されている（特許文献１）。
特許文献１の盤ぶくれ抑止杭は、地表面から不透水層を貫通して透水層まで、安定液を用いて削孔した後、少なくとも不透水層の範囲において削孔穴を３〜４倍に拡径する。次に、コンクリート又はモルタルを削孔穴に注入し、安定液と置き換える。最後に削孔穴に鋼製杭材を挿入する。これにより、拡径部を備えた杭が構築される。増大された拡径部の外周面が不透水層との摩擦力を増大させ、盤ぶくれを抑止する。

しかし、特許文献１の盤ぶくれ抑止杭は、盤ぶくれ対象面の鉛直応力の大きさに対応させて外周面を増大させる必要がある。このため、大きな拡径部が必要とされ、構造面及びコスト面からの限界がある。

特開２０１０−１３３１１５９号公報

本発明は、上記事実に鑑み、杭外周面の摩擦力に加え、盤ぶくれを抑止する支圧力を発生させる盤ぶくれ抑止構造を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る盤ぶくれ抑止構造は、不透水層まで貫入された遮水壁で囲まれ前記不透水層の底面である盤ぶくれ対象面より下部の水を汲み上げる揚水井戸が設けられた掘削部に、前記不透水層の下方の透水層まで建て込まれ、杭頭が掘削底面にある場所打ち杭と、前記場所打ち杭の前記掘削底面と前記不透水層との間に形成され、前記場所打ち杭より大径の中間節部と、前記中間節部の下端部に設けられ、前記場所打ち杭の周面から上方へ向けて拡大し、下方斜めへ支圧力を発生させる円錐状の傾斜面と、を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、掘削部を囲む遮水壁により、掘削部への地下水の浸入が遮断される。このとき、遮水壁の深さは、遮水すべき不透水層の位置により決定される。また、揚水井戸から汲み上げる、盤ぶくれ対象面より下部の地下水の量を調整することで、地下水が不透水層（盤ぶくれ対象面）を押し上げる水圧（被圧水頭）を調整することができる。また、場所打ち杭の掘削底面と不透水層との間に設けられた中間節部により、盤ぶくれを抑止する支圧力を発生させることができる。
また、場所打ち杭の先端が不透水層の下方の透水層まで建て込まれ、中間節部の下端部には、場所打ち杭の周面から上方へ向けて拡大する円錐状に形成された傾斜面が設けられている。
この傾斜面が、傾斜面と接する土塊を介して、盤ぶくれ対象面を下方へ抑えるよう作用する支圧効果を発揮する。この支圧効果により、盤ぶくれ対象面の鉛直応力が増大され、盤ぶくれを抑止することができる。

即ち、拡径部の下端部には、一般に杭外周面と９０度以上の傾斜で拡大する傾斜面が形成されており、この傾斜面が、傾斜面と接する土塊を介して盤ぶくれ対象面を下方（傾斜面と直交する方向）へ抑える支圧力を発生させる。
杭外周面の摩擦力に、この支圧力を加えることにより、遮水壁で遮水する遮水工法に適用した場合においては、従来の方法よりも遮水壁の貫入深さを浅くしても、盤ぶくれを抑止することができる。また、地下水を汲み上げる揚水工法に適用した場合においては、従来の方法よりも揚水井戸からの揚水量を少なくしても、盤ぶくれを抑止することができる。即ち、杭外周面の摩擦力に加え、盤ぶくれを抑止する支圧力を発生させる盤ぶくれ抑止構造を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の盤ぶくれ抑止構造において、前記中間節部は、前記掘削部の前記掘削底面と前記盤ぶくれ対象面との間に複数個形成されていることを特徴としている。
即ち、場所打ち杭には、中間節部が複数個形成されている。この結果、それぞれの傾斜面の支圧効果が重ね合わされ、より大きな支圧効果がとなり、盤ぶくれをより確実に抑止することができる。

請求項３に記載の発明に係る盤ぶくれ抑止構造は、不透水層まで貫入された遮水壁で囲まれ前記不透水層の底面である盤ぶくれ対象面より下部の水を汲み上げる揚水井戸が設けられた掘削部に、前記不透水層の下方の透水層まで建て込まれ、杭頭が掘削底面にある場所打ち杭と、前記場所打ち杭の頭部に形成され、前記場所打ち杭より大径の拡頭部と、前記拡頭部の下端部に設けられ、前記場所打ち杭の周面から上方へ向けて拡大し、下方斜めへ支圧力を発生させる円錐状の傾斜面と、を有していることを特徴としている。

即ち、場所打ち杭の杭頭部には拡頭部が形成され、拡頭部の下端部には、場所打ち杭の周面から上方へ向けて拡大する円錐状の傾斜面が設けられている。この傾斜面が、傾斜面と接する土塊を介して、盤ぶくれ対象面を下方へ抑えるよう作用する支圧効果を発揮する。この支圧効果により、盤ぶくれ対象面の鉛直応力が増大され、盤ぶくれを抑止することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の盤ぶくれ抑止構造において、前記拡頭部と前記不透水層との間には、前記場所打ち杭より大径の中間節部が形成され、前記中間節部の下端部には、前記場所打ち杭の周面から上方へ向けて拡大し、下方斜めへ支圧力を発生させる円錐状の傾斜面が設けられていることを特徴としている。
即ち、場所打ち杭の拡頭部と不透水層との間には、中間節部が形成されている。この結果、拡頭部の傾斜面の支圧効果と、中間節部の傾斜面の支圧効果とが重ね合わされてより大きい支圧効果を発揮する。この結果、盤ぶくれをより確実に抑止することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の盤ぶくれ抑止構造において、前記場所打ち杭は、逆打ち工法における構真台柱であることを特徴としている。
これにより、施工時及び施工後に発生する鉛直軸力を、場所打ち杭で構築された構真台柱に受けさせることができる。

本発明は、上記構成としてあるので、杭外周面の摩擦力に加え、支圧力を発生させて盤ぶくれを抑止する盤ぶくれ抑止構造を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止構造の基本構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止杭と遮水工法における従来の場所打ち杭との構成比較を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止杭と揚水工法における従来の場所打ち杭との構成比較を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止構造の基本構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止構造の基本構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止構造の基本構成を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１の地盤断面図に示すように、第１の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止杭１０は、場所打ち杭２０に、後述する支圧力Ｐ３を発生させる中間節部２４を設けた構成である。
場所打ち杭２０は、断面で示す地盤３４が掘削された掘削部１２に建て込まれている。地盤３４は、複数の透水層１６Ａ〜１６Ｄと、複数の不透水層１４Ａ〜１４Ｃが相互に積層された地層である。地盤３４における自然状態での地下水の水位３２は、透水層１６Ａの地表近くの高い位置にある。また、掘削部１２内の水位３３は、掘削底面２８の地表近くにある。

掘削部１２は、透水層１６Ａと不透水層１４Ａを貫通して掘削され、掘削底面２８は、透水層１６Ｂに設けられている。掘削部１２の四周は、不透水層１４Ｂまで貫入された遮水壁１８で囲まれている。
遮水壁１８は、例えば芯材が挿入されたソイルセメント柱列壁で構築され、下端部は掘削底面２８の直下にある不透水層１４Ｂに根入れされている。遮水壁１８は遮水機能を有しており、透水層１６Ａ、１６Ｂから掘削部１２への地下水の浸入を遮断している。

掘削部１２には、地下水を汲み上げる揚水井戸２６が掘られている。揚水井戸２６は、不透水層１４Ｂの下の透水層１６Ｃまで到達する深さで設けられており、透水層１６Ｃの水を汲み上げ、不透水層１４Ｂに加わる水圧を下げることができる。
ここに、太線で示す、盤ぶくれで変形する不透水層１４Ｂの底面が盤ぶくれ対象面３０とされている。即ち、不透水層１４Ｂに下方から加わる水圧が、不透水層１４Ｂを押し下げる力より大きい場合には、不透水層１４Ｂが盤ぶくれを生じる。
盤ぶくれは、掘削部１２の土塊が除去されたことに起因して、不透水層１４Ｂが持ち上げられるものであることから、適正な対応を施さないと掘削底面２８の変形や、掘削部１２に地下水が噴出する恐れがある。

掘削部１２には、場所打ち杭２０が、不透水層１４Ｂ、１４Ｃを貫通して建て込まれている。場所打ち杭２０の杭頭は掘削底面２８にあり、先端部２２は不透水層１４Ｃの下方にある。ここに、場所打ち杭２０は、逆打ち工法における構真台柱として活用される杭である。場所打ち杭２０の先端部２２は拡径され、鉛直軸力Ｗの支持力を増大させている。これにより、施工時及び施工後に発生する鉛直軸力Ｗを受けて、地盤３４へ伝達させることができる。

場所打ち杭２０の不透水層１４Ｂと掘削底面２８の間には、中間節部（拡径部）２４が形成されている。
中間節部２４は、図１（Ｂ）に示すように所定の高さＨ１で、場所打ち杭２０の外周面を拡径して形成されている。中間節部２４の形状は、上端部２４Ｕから中央部２４Ｍへ向けて、緩やかに拡径された傾斜面２４Ｋと、中央部２４Ｍと２４Ｎの間に設けられた円筒状の外周面２４Ｆを有している。更に、中央部２４Ｎから下端部２４Ｄへ向けて、急激に縮径された傾斜面２５を有している。
この傾斜面２５が、傾斜面２５と接する土塊を介して、盤ぶくれ対象面３０を下方（傾斜面２５と直交する方向）へ押す力（支圧力ｐ３）を発生させている。

次に、本実施の形態の作用について説明する。
本実施の形態によれば、掘削部１２は、掘削底面２８まで廃土され、掘削底面２８の直下の不透水層１４Ｂに根入れされた遮水壁１８により囲まれ、掘削部１２の内部空間への地下水の浸入が遮断されている。
また、掘削底面２８の直下の不透水層１４Ｂの下は透水層１６Ｃとなっている。このため、太線で示す盤ぶくれ対象面３０には、自然状態においては、透水層１６Ｃからの圧力（水圧）Ｐｗ１が上向きに作用する。この水圧Ｐｗ１の値は、被圧水頭３２Ａで決定される。

一方、盤ぶくれ対象面３０に作用する下向きの力Ｐｄは、地下水を含む土塊重量ｐ１、場所打ち杭２０の外周面の周面摩擦力ｐ２、及び傾斜面２５による支圧力ｐ３を合計した力となる。即ち、Ｐｄ＝ｐ１＋ｐ２＋ｐ３である。
この結果、盤ぶくれ対象面３０に作用する力のバランスから、Ｐｗ１≦Ｐｄならば盤ぶくれは発生しない。しかし、Ｐｗ１＞Ｐｄならば盤ぶくれが発生する。

Ｐｗ１＞Ｐｄの条件においては、揚水井戸２６からの地下水の汲み上げ量を調整し、地下水の水位３２Ｂを所定値まで下げることで、盤ぶくれを抑止することができる。
例えば、一定量の地下水を揚水井戸２６から汲み上げたとき、被圧水頭は３２Ａから３２Ｂに低下する。このとき、盤ぶくれ対象面３０に作用する水圧Ｐｗ２は、自然状態の水圧Ｐｗ１より小さくなる。従って、Ｐｗ２≦Ｐｄの条件を確保することができれば、盤ぶくれを抑止することができる。
ここに、被圧水頭は３２Ａと３２Ｂの水頭差Ｓ１を必要水位低下量という。即ち、必要水位低下量Ｓ１を、揚水井戸２６からの地下水の汲み上げで確保できれば、盤ぶくれを抑止することができる。

本実施の形態においては、傾斜面２５による支圧力ｐ３が、盤ぶくれ対象面３０に作用する下向きの力Ｐｄに加算されるため、被圧水頭３２Ｂを高くでき、必要水位低下量Ｓ１を小さくできる。この結果、揚水井戸２６からの地下水の汲み上げ量を減らすことができる。

次に、効果について、従来の遮水工法及び揚水工法の構成と対比しながら説明する。
先ず、図２に示す遮水工法に適用した場合について説明する。ここに、遮水工法とは、掘削部１２の周囲を遮水壁で遮水し、盤ぶくれを抑止する工法である。

図２（Ａ）に、従来の遮水工法の構成を示す。図２（Ｂ）は、図１と同じ構成であり、対比のために記載している。地盤３４の構成は既述した図１と同じである。
図２（Ａ）においては、遮水壁３８は不透水層１４Ｃの深さまで構築され、揚水井戸４０は、透水層１６Ｄまで達する深さまで掘られている。また、盤ぶくれ面４２は、不透水層１４Ｂの下層の不透水層１４Ｃの底面に形成されている。
場所打ち杭４４は、不透水層１４Ｃの下方まで建て込まれている。なお、場所打ち杭４４には、中間節部は設けられていない。

図２（Ａ）の構成とすることにより、盤ぶくれ面４２が深い位置となり、盤ぶくれ面４２より上部の土塊重量ｐ１、及び場所打ち杭４４の周面摩擦による押さえ込み力ｐ２が増大する。この結果、盤ぶくれ面４２に作用する下向きの合力力Ｐｄ２が増大する。
これにより、必要水位低下量Ｓ２は小さくなり、揚水井戸４０から汲み上げる地下水の量は少なくなる。必要水位低下量Ｓ２を確保することにより盤ぶくれが抑止される。

これに対し、図２（Ｂ）に示す本実施の形態では、盤ぶくれ抑止杭１０の傾斜面２５が支圧力ｐ３を生じさせる。この結果、盤ぶくれ対象面３０を下方に押す力Ｐｄは、上述したようにＰｄ＝ｐ１＋ｐ２＋ｐ３となる。
この状態において、揚水井戸２６から地下水を汲み上げ、必要水位低下量Ｓ１を確保することで盤ぶくれを抑止することができる。

即ち、本実施の形態では、支圧力ｐ３が加えられることにより、図２（Ａ）に示す従来の遮水工法と比較して、遮水壁３８の貫入深さを浅くすることができる。さらに揚水井戸２６の貫入深さを浅くすることができる。これにより、工期の短縮やコスト低減を図ることができる。

次に、図３に示す揚水工法に適用した場合について説明する。ここに、揚水工法とは、盤ぶくれ対象面の下の地下水を汲み上げ、盤ぶくれを抑止する工法である。
図３（Ａ）に遮水工法の構成を示す。図３（Ｂ）は、図１と同じ構成であり、対比のために記載している。地盤３４の構成は既述した図１と同じである。

図３（Ａ）においては、遮水壁１８は不透水層１４Ｂの深さまで構築され、揚水井戸４０は、透水層１６Ｃまで達する深さに掘られている。また、盤ぶくれ対象面３０は、不透水層１４Ｂの底面に形成されている。
場所打ち杭４４は、不透水層１４Ｃの下方まで建て込まれている。なお、場所打ち杭４４には、中間節部は設けられていない。

即ち、揚水工法においては、図３（Ａ）の構成において、透水層１６Ｃの地下水を大量に汲み上げることにより、大きな必要水位低下量Ｓ３を確保している。これにより、盤ぶくれ面３０に作用する水圧を下げて盤ぶくれを抑止する。

これに対し、図２（Ｂ）に示す本実施の形態では、盤ぶくれ抑止杭１０の傾斜面２５が支圧力ｐ３を生じさせる。この結果、盤ぶくれ対象面３０を下方に押す力Ｐｄは、上述したようにＰｄ＝ｐ１＋ｐ２＋ｐ３となる。
この状態において、揚水井戸２６から地下水を汲み上げ、必要水位低下量Ｓ１を確保することで盤ぶくれを抑止することができる。

即ち、本実施の形態では、支圧力ｐ３が加えられることにより、図３（Ａ）に示す従来の揚水工法と比較して、揚水井戸２６からの地下水の汲み上げ量を少なくすることができる。これにより、排水費用の削減や周囲の井戸の枯渇、地盤沈下を抑制できる。

（第２の実施の形態）
図４に示すように、第２の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止杭４６は、場所打ち杭２０の外周面に２個の中間節部を有している。即ち、第１の実施の形態で説明した盤ぶくれ抑止杭１０に、第２の中間節部４８を追加した構成である。
中間節部４８は、中間節部２４と盤ぶくれ対象面３０との間に形成されている。ここに、中間節部４８の形状は、既述した中間節部２４と同じであり、下端部には、傾斜面５８が形成されている。

これにより、中間節部２４の傾斜面２５で発生する支圧効果ｐ３に加え、第２の中間節部４８の傾斜面５８の支圧効果ｐ４が盤ぶくれ対象面３０に作用する。この結果、必要水位低下量Ｓ４をより小さくでき、揚水井戸２６からの地下水の汲み上げ量を少なくすることができる。この結果、不透水層１４Ｂの盤ぶくれをより確実に抑止することができる。
他の構成は、第１の実施の形態と同じであり、説明は省略する。

（第３の実施の形態）
図５に示すように、第３の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止杭５０は、場所打ち杭２０の杭頭部が拡径された拡頭部５２を有している。ここに、拡頭部５２は、図５（Ｂ）に示すように、高さはＨ２とされ、場所打ち杭２０の外径より大径とされた円筒状の外周面６０と、拡頭部５２の下端部に円錐状に形成された傾斜面５３とを有している。
この傾斜面５３が、上述したように、傾斜面５３と接する土塊を介して盤ぶくれ対象面３０を下方へ抑えるよう作用する支圧力ｐ３を発生させる。この状態において、揚水井戸２６から地下水を汲み上げ、必要水位低下量Ｓ５を確保することで盤ぶくれを抑止することができる。
他の構成は、第１の実施の形態と同じであり、説明は省略する。

（第４の実施の形態）
図６に示すように、第４の実施の形態に係る盤ぶくれ抑止杭５４は、杭頭部が拡径された拡頭部５２、及び中間節部５６を有している。即ち、第３の実施の形態で説明した盤ぶくれ抑止５０に、第２の中間節部５６を追加した構成である。
中間節部５６は、拡頭部５２と盤ぶくれ対象面３０との間に形成されている。中間節部５６の構成は中間節部４８と同じであり、下端部には傾斜面５８が形成されている。

これにより、拡頭部５２の傾斜面で発生する支圧力ｐ３に加え、第２の中間節部５６の傾斜面５８の支圧力ｐ４が加算され、盤ぶくれ対象面３０を下方へ抑えるよう作用する。この結果、必要水位低下量Ｓ６がより小さくなり、揚水井戸２６からの地下水のを汲み上げ量が少なくなる。これにより、盤ぶくれをより確実に抑止することができる。
他の構成は、第３の実施の形態と同じであり、説明は省略する。

１０ 盤ぶくれ抑止杭
１２ 掘削部
１４ 不透水層
１６ 透水層
１８ 遮水壁
２０ 場所打ち杭
２４ 中間節部（拡径部）
２５ 傾斜面
２６ 揚水井戸
２８ 掘削底面
３０ 盤ぶくれ対象面
５２ 拡頭部

Claims (5)

1. 不透水層まで貫入された遮水壁で囲まれ前記不透水層の底面である盤ぶくれ対象面より下部の水を汲み上げる揚水井戸が設けられた掘削部に、前記不透水層の下方の透水層まで建て込まれ、杭頭が掘削底面にある場所打ち杭と、
   前記場所打ち杭の前記掘削底面と前記不透水層との間に形成され、前記場所打ち杭より大径の中間節部と、
   前記中間節部の下端部に設けられ、前記場所打ち杭の周面から上方へ向けて拡大し、下方斜めへ支圧力を発生させる円錐状の傾斜面と、
   を有する盤ぶくれ抑止構造。
2. 前記中間節部は、前記掘削底面と前記不透水層との間に複数個形成されている請求項１に記載の盤ぶくれ抑止構造。
3. 不透水層まで貫入された遮水壁で囲まれ前記不透水層の底面である盤ぶくれ対象面より下部の水を汲み上げる揚水井戸が設けられた掘削部に、前記不透水層の下方の透水層まで建て込まれ、杭頭が掘削底面にある場所打ち杭と、
   前記場所打ち杭の頭部に形成され、前記場所打ち杭より大径の拡頭部と、
   前記拡頭部の下端部に設けられ、前記場所打ち杭の周面から上方へ向けて拡大し、下方斜めへ支圧力を発生させる円錐状の傾斜面と、
   を有する盤ぶくれ抑止構造。
4. 前記拡頭部と前記不透水層との間には、前記場所打ち杭より大径の中間節部が形成され、
   前記中間節部の下端部には、前記場所打ち杭の周面から上方へ向けて拡大し、下方斜めへ支圧力を発生させる円錐状の傾斜面が設けられている
   請求項３に記載の盤ぶくれ抑止構造。
5. 前記場所打ち杭は、逆打ち工法における構真台柱である請求項１〜４のいずれか１項に記載の盤ぶくれ抑止構造。

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