JP5877482B2 - 構造物の液状化被害低減構造 - Google Patents

Description

本発明は液状化地盤に構築される構造物を対象とする液状化被害低減構造に関する。

周知のように、緩い砂層が堆積しているような軟弱な地盤では地震時に液状化を生じ易く、そこに構築される建物等の構造物に大きな沈下や傾斜を生じさせる懸念がある。
そのため、従来よりたとえば図６（ａ）に示すように液状化地盤１に建物等の構造物２を構築する際には、構造物２の基礎２ａを杭３により支持して液状化が生じても沈下や傾斜を防止するという対策が取られたり、あるいは（ｂ）に示すように基礎２ａの下方地盤を締め固めたりセメント系改良材による地盤改良を行って安定な地盤改良部４を形成することによって液状化の発生自体を防止することが行われている。

しかし、図６（ａ）に示すような杭基礎とすることは直接基礎に比べてコスト高であるし、液状化による構造物２の沈下を防止できても周囲地盤が大きく沈下してしまえば相対的に浮き上がってしまって大きな不陸が生じることから地震後の供用に支障を来す場合があり、その点では万全ではない。

また、図６（ｂ）に示すように構造物２の下方地盤全体を改良することは大掛かりな施工を必要とするので必然的にかなりの工期と工費を要するものとなり、したがって大規模な建物や重要構造物を対象とする場合はともかくとしても住宅や付帯設備棟等の比較的小規模な建物や簡易な構造物に適用することは現実的ではない場合が多い。
特に、このように基礎２ａの下方地盤に対する改良を行うことでは既存の構造物２への適用が困難であるし、敢えて既存の構造物２に適用する場合には図７に示すように地表部から斜めボーリングによって既存の構造物２の下方地盤に対して薬液注入を行って地盤改良部４を施工せざるを得ず、そのために煩雑な作業を必要とするので構造物２を新築する場合よりもさらに工費と工期を要する。

そこで、比較的簡易に実施可能な液状化対策手法として、たとえば特許文献１〜３に示されるように構造物の下方地盤全体を改良することなく改良範囲を限定することによって液状化防止効果を得るという工法も提案されている。

特開２００３−２０６５９号公報 特開２０１１−１２７４１７号公報 特開平８−１２８０５４号公報

しかし、そのような液状化対策手法も構造物の基礎の直下の地盤に対して改良を行うことを前提としていることから必ずしも簡易に実施することができるものではないし、特許文献２〜３に示されるものは実質的に杭に相当する要素を非液状化層に達するように設けるものであることから、結局は大掛かりな工事を必要とし、したがって小規模構造物や既存構造物に適用することはやはり現実的ではない。

上記事情に鑑み、本発明は液状化地盤に構築される構造物の液状化被害を低減させることが可能であり、特に小規模構造物や既存構造物に対しても簡易に適用可能な有効適切な液状化被害低減構造を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、液状化地盤に構築される構造物を対象として前記液状化地盤が液状化した際における前記構造物の被害を低減させるための構造であって、前記構造物の外周側に、該構造物との間に間隔を確保した状態で造成されて該構造物を囲繞する枠状の地盤改良体を形成し、前記地盤改良体の内周と前記構造物の外周との間における前記液状化地盤の表層部、および該地盤改良体の外周隣接位置における前記液状化地盤の表層部に、該液状化地盤よりも透水係数が大きい透水層をそれぞれ形成してなり、前記地盤改良体の根入れ深さを、少なくとも前記構造物の基礎の短辺方向の幅寸法の１／２以上に設定してなり、前記地盤改良体は、非液状化地盤に到達しない根入れ深さで構成されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構造物の液状化被害低減構造であって、前記透水層を礫層として形成して該礫層の層厚を３０ｃｍ以上に設定し、かつ前記地盤改良体の外周隣接位置に形成する前記透水層の幅寸法を３０ｃｍ以上に設定してなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の構造物の液状化被害低減構造であって、前記地盤改良体の内周部に、前記構造物の基礎を該地盤改良体に対して連結して支持するための支持部を所定間隔で形成してなることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載の構造物の液状化被害低減構造であって、前記地盤改良体と前記構造物との間における前記液状化地盤内に、該液状化地盤が液状化した際に過剰間隙水を地表に排水するための鉛直ドレーンを設置してなることを特徴とする。

本発明によれば、構造物の周囲に間隔をおいて枠状の地盤改良体を設けてその内外の地表部に透水層を設けることのみで、少なくとも構造物の基礎の周囲においては原地盤である液状化地盤が液状化を生じたりそれによる噴砂が生じることを有効に防止でき、以て構造物に傾斜や沈下が生じることや周辺地盤との間に大きな不陸が生じることを抑制し得て液状化被害を有効に低減させることが可能である。

そして本発明によれば、枠状の地盤改良体を構造物の周囲に間隔をおいて施工すれば良いので構造物の直下の地盤に対しては一切の作業を必要とせず、また地盤改良体を深部に至るように形成する必要はないし、地表部に設ける透水層の層厚や地盤改良体の外周隣接位置に透水層の幅寸法もたとえばわずか30cm程度で良いから、本発明は十分に低コストかつ短工期で実施することが可能であり、したがって戸建て住宅等の小規模構造物や既存構造物に対する液状化対策として最適である。

本発明の原理を説明するための図である。 本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の有効性を実証するための解析実験結果（構造物の傾斜の状況）を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態を示す図である。 従来の液状化防止対策工法の例を示す図である。 従来の液状化防止対策工法を既存構造物に対して適用する場合の例を示す図である。

本発明の基本原理について図１を参照して詳細に説明する。
通常の液状化に対する設計手法では、地盤の過剰間隙水圧比が１に達した状態を完全に液状化した状態（液体になった状態）として、これ以降の状態を考えることはないが、本発明では過剰間隙水圧比が１に達した後にせん断変形により剛性が回復する状態（以下、これを「ポスト液状化状態」という）を呈することに着目し、そのポスト液状化状態を安定に継続させることで構造物に対する支持力を維持し確保するという設計思想に基づくものである。
すなわち、図１に示すように、ポスト液状化状態に達した地盤に対して排水することなくさらにせん断力を作用し続けると、非可逆の塑性体積ひずみ（圧縮側）にダイレクタンシーによる可逆的な塑性体積ひずみ（膨張側）が追いつけず、地盤が完全な液体状態なる。この状態が噴砂や構造物の不同沈下が生じる地盤の破壊に達した状態である。
一方、適切に排水しながら上記のせん断力を作用させると、非可逆の塑性体積ひずみ圧縮側）と可逆的な塑性体積ひずみ（膨張側）が常に釣り合い、ポスト液状化状態が安定に継続するから、本発明はそのような安定なポスト液状化状態を保持することで構造物の支持力を確保して構造物の沈下や傾斜といった液状化被害を低減するものである。

本発明はそのような知見に基づき、以下で説明するように構造物の外周側に枠状の地盤改良体を形成してその内外の表層部に透水層を形成したものであり、以下、本発明の液状化被害低減構造の具体的な実施形態を図２〜図３を参照して説明する。
これは、原地盤が液状化地盤１である敷地に構築されている小規模な既存の構造物２（たとえば戸建て住宅等）を対象として、その直下の原地盤に対する作業を必要とせずに液状化被害を低減する場合の適用例であって、構造物２の外周側に枠状の地盤改良体５を造成するとともに、その地盤改良体５の内外の表層部にそれぞれ透水層６を形成したことを主眼とする。

本実施形態における地盤改良体５はたとえばセメント系固化材等による周知の構造のものを周知の工法により形成すれば良いが、構造物２の基礎２ａの外周との間に若干の間隔を確保した状態で構造物２の全体を囲繞する状態で設置することとする。
その地盤改良体５による改良深度（図２（ａ）に示すように基礎２ａの底面からの根入れ深さ）は、少なくとも基礎幅Ｂ（基礎２ａの短辺方向の幅寸法）の1/2以上、可能であればＢ以上とすることが好ましいが、いずれにしても安定な非液状化層に達するように設ける必要はない。

なお、この枠状の地盤改良体５は原地盤である液状化地盤１を全面的にではなく部分的に改良することで原地盤の液状化強度を高め、以てこの地盤改良体５の形成範囲における液状化を防止する目的で形成されるものである。したがって、この地盤改良体５の設計および施工に当たっては、部分改良により原地盤に対する所望の増強効果が得られるようにその全体的な形状や厚さ、剛性等の諸元を設定する必要がある。そのためには、たとえば特開2010-133204号公報に示されている「部分改良地盤の液状化強度の簡易評価法、および部分改良地盤の変形量の簡易評価法」に基づいて設計および施工を行うことが好ましい。

既存の構造物２の周囲にそのような枠状の地盤改良体５を形成することにより、地震時には地盤改良体５の下端以深における液状化は必ずしも防止できないが、地盤改良体５の形成範囲においては原地盤の変形が拘束されてそこでは液状化が生じ難くなり、したがって構造物２の傾斜や沈下を有効に抑制し得てそれによる液状化被害を有効に防止することができる。
また、改良深度以深が液状化した場合には原地盤全体が沈下することは防止し得ないが、その際には構造物２や地盤改良体５も一体に沈下するので、構造物２が周辺地盤に対して相対的に沈下したり浮き上がることはなく、構造物２の供用に支障を来すような顕著な不陸が生じることは防止することができる。

そのような地盤改良体５を設けることによる効果を図３に示す。
図３は、上記実施形態における液状化地盤１に相当する砂層に対して構造物２に相当する模擬構造物を設置し、80秒間の加振実験を行った後における傾斜の状況を測定した結果を示すものである。この場合、対策なし（地盤改良体５なし）の場合には最大で0.2radにも達する大きな傾斜が生じるのに対し、上記実施形態における地盤改良体５に相当する模擬地盤改良体を形成した場合には最大傾斜は0.02rad程度にまで大幅に抑制され、また、地震後の傾斜増加は非常に小さく、これにより地盤改良体５を設けることの有効性が実証された。
しかも、そのような効果は地盤改良体５の根入れ深さにはあまり依存せず、地盤改良体の基礎下深さを構造物２の基礎幅Ｂに対してB/2〜Bの範囲で変化させた場合でもほぼ同様の効果が得られるものであり、このことから少なくとも基礎幅Ｂの1/2以上であれば十分であることが確認された。

地盤改良体５の内外の地表部に設置する透水層６は、構造物２の下方地盤において液状化が生じた際に過剰間隙水を地表に効率的に排水して地表への噴砂が生じることを防止するためのものである。そのため、この透水層６の透水係数は原地盤である液状化地盤１よりも大きくする必要があり、たとえば原地盤よりも１桁（１０倍）程度大きくすることが好ましい。

透水層６としては天然の礫材（砂利）の充填による礫層として形成することが現実的であり好適であるが、同等の透水性能が得られるものであれば砕石や各種の人工透水性材料も採用可能である。
また、図２（ａ）に示しているように透水層６の層厚は30cm以上とすることが好ましく、そのような透水層６を地盤改良体５の内側においてはその内周と構造物２と間に全面的に隙間なく形成する。また、地盤改良体５の外周隣接位置において地盤改良体５との間に隙間が生じることなく全周にわたるように形成し、そこでの幅寸法は30cm以上とすることが好ましい。

なお、いずれにしても透水層６は地震時に破断することなく変形し得るような柔軟性を有するように非固結状態で形成することが好ましい。透水層６を固結状態で硬直な状態で形成した場合には地震時に透水層６が破断してしまってそこに隙間が生じたり、あるいは透水層６全体が構造物２や地盤改良体５に対して相対変位を生じてそれらの間に隙間が生じる余地があり、その場合には隙間から噴砂が生じてしまう懸念があって好ましくない。それに対し、透水層６を非固結状態で形成して地震時における変形を吸収可能な程度の柔軟性を有するものとしておくことにより、透水層６が破断したり隙間が生じることを防止できてそこから噴砂が生じることを有効に防止することが可能である。

以上のように、本発明によれば構造物２の周囲に枠状の地盤改良体５を設けてその内外の地表部に透水層６を設けることのみで、少なくとも構造物２の基礎２ａの周囲においては原地盤が液状化を生じたりそれによる噴砂が生じることを有効に防止でき、以て構造物２に傾斜や沈下が生じたり周辺地盤との間に大きな不陸が生じることを防止できて液状化被害を有効に低減させることが可能である。

そして本発明によれば、枠状の地盤改良体５を構造物２の周囲に間隔をおいて施工すれば良いので構造物２の直下の地盤に対しては一切の作業を必要としない。また、地盤改良体５の根入れ位深さを構造物２の幅寸法（図示例では基礎２ａの幅寸法）のわずか1/2程度とすることで十分であって通常のように安定な非液状化層に達するように深部に至るまで形成する必要はない。しかも、地表部に設ける透水層６も単なる礫層を30cm程度の層厚で形成すれば良いし、地盤改良体５の外周隣接位置に対してわずか30cm程度の幅で形成することで十分である。
以上のことから、本発明は大掛かりな工事を必要とせずに十分に低コストでかつ短工期で実施することが可能であり、したがって戸建て住宅等の小規模構造物に適用するものとして好適であるし、特に直下に対する作業が困難である既存構造物に対する液状化対策として最適である。

以上で本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の設計的変更や応用が可能であることは当然である。

たとえば、地盤改良体５の具体的な構成、すなわちその構造や形状、寸法、施工手法その他については、対象とする原地盤である液状化地盤１や構造物２の特性や諸元に応じてその構造物２の基礎２ａ周りの液状化を有効に防止し得るように最適設計すれば良い。
透水層６についても基礎周りにおいて噴砂を防止し得るものであれば良く、その限りにおいて透水層６の形成材料やその透水性能、層厚、形成範囲,施工手法等は適切に設定すれば良い。

また、上記実施形態では地盤改良体５を単なる枠状に形成したが、図４に示すように地盤改良体５の内周部に基礎２ａを地盤改良体５に対して連結して支持するための支持部５ａを所定間隔で形成しておくことも好ましく、それにより構造物２が支持部５ａを介して地盤改良体５によって支持されてさらに傾斜し難くなる効果が得られる。
この場合、支持部５ａは地盤改良体５の施工の際にその内周部に一体に設けることでも良いし、あるいは地盤改良体５の内側にたとえばコンクリート等のより高剛性の別素材による支持部５ａを別途設けることでも良い。
いずれにしても、支持部５ａを設ける場合においても地盤改良体５と構造物２（図示例では基礎２ａ）との間には透水層６を残すべきである。地盤改良体５と構造物２との間の透水層６を省略してその範囲全体を高剛性の支持部５ａにより完全に塞いでしまうと、十分な排水性能が期待できなくなるし、わずかな隙間が生じてそこから噴砂が生じる懸念があるので好ましくない。

また、図５に示すように、地盤改良体５と構造物２との間に鉛直ドレーン７を設置しておく（図示例では４本の鉛直ドレーン７を四隅部に設置している）ことも考えられ、これにより地盤改良体５の内側において液状化が生じた際に過剰間隙水をより効率的に排水し得て噴砂の発生をより確実に防止することができる。勿論、そのような鉛直ドレーン７と上記の支持部５ａの双方を並設しても良い。

なお、本発明は上述したように小規模構造物や既存構造物に適用することが好適ではあるが、それに限るものではなく、規模を問わず各種の構造物に広く適用できるものであるし、既存構造物に限らず新築構造物に対しても適用可能であることはいうまでもない。

１ 液状化地盤
２ 構造物
２ａ 基礎
５ 地盤改良体
５ａ 支持部
６ 透水層（礫層）
７ 鉛直ドレーン

Claims (4)

1. 液状化地盤に構築される構造物を対象として前記液状化地盤が液状化した際における前記構造物の被害を低減させるための構造であって、
   前記構造物の外周側に、該構造物との間に間隔を確保した状態で造成されて該構造物を囲繞する枠状の地盤改良体を形成し、
   前記地盤改良体の内周と前記構造物の外周との間における前記液状化地盤の表層部、および該地盤改良体の外周隣接位置における前記液状化地盤の表層部に、該液状化地盤よりも透水係数が大きい透水層をそれぞれ形成してなり、
   前記地盤改良体の根入れ深さを、少なくとも前記構造物の基礎の短辺方向の幅寸法の１／２以上に設定してなり、
   前記地盤改良体は、非液状化地盤に到達しない根入れ深さで構成されていることを特徴とする構造物の液状化被害低減構造。
2. 請求項１記載の構造物の液状化被害低減構造であって、
   前記透水層を礫層として形成して該礫層の層厚を３０ｃｍ以上に設定し、かつ前記地盤改良体の外周隣接位置に形成する前記透水層の幅寸法を３０ｃｍ以上に設定してなることを特徴とする構造物の液状化被害低減構造。
3. 請求項１または２記載の構造物の液状化被害低減構造であって、
   前記地盤改良体の内周部に、前記構造物の基礎を該地盤改良体に対して連結して支持するための支持部を所定間隔で形成してなることを特徴とする構造物の液状化被害低減構造。
4. 請求項１，２または３記載の構造物の液状化被害低減構造であって、
   前記地盤改良体と前記構造物との間における前記液状化地盤内に、該液状化地盤が液状化した際に過剰間隙水を地表に排水するための鉛直ドレーンを設置してなることを特徴とする構造物の液状化被害低減構造。

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