JP6238088B2 - 改良地盤及び地盤改良工法 - Google Patents

Description

本発明は、改良地盤及び地盤改良工法に関する。

セメント系固化材と土砂とを攪拌翼で混合攪拌することにより、円柱状の改良柱体を地中に複数本形成する地盤改良工法が知られている。当該地盤改良工法における改良柱体は、例えば、直径が概ね０．６〜２ｍ、長さが概ね２〜２０ｍの範囲で形成されている。当該地盤改良工法は、改良柱体の配置方法により、一般的に、杭式改良工法、ブロック式改良工法、壁式改良工法及び格子式改良工法の４つに分類されている。

杭式改良工法は、複数の改良柱体を互いに離間して配置する工法である。杭式改良工法は、施工が容易であるとともに、改良率が１０〜３０％程度と低く、経済的にも優れた工法である。しかし、改良柱体が一本一本独立しているため、大きな水平力が作用すると、改良柱体が連鎖的に傾倒するおそれがある。つまり、杭式改良工法は、構造物の鉛直荷重に対する支持力の増加や地盤沈下対策としては有効であるが、地震時の水平力や液状化対策としては効力がない。なお、改良率とは、改良対象地盤の表面積に対する改良柱体の総平断面積の割合を言う。

ブロック式改良工法は、改良柱体同士をオーバーラップして配置するため、鉛直力及び水平力の両方に対して抗力があり、未改良部がほとんど生じないことから液状化対策としても有効である。しかし、ブロック式改良は、改良率が７８．５％以上になり施工費が嵩むという問題がある。また、改良率が大きくなると改良対象地盤の透水性が悪く、雨水の浸透の妨げになるという問題もある。

壁式改良工法は、水平力が作用する方向にだけ改良柱体を連続して壁状に配置する工法である。壁式改良工法では、連続した壁式配置と直交する方向は所定の間隔で未改良部が発生し、この未改良部によって液状化が発生する可能性がある。

格子式改良工法は、平面視格子状（平面視四角形）となるように改良柱体を配置し、隣り合う改良柱体同士を２０ｃｍ程度オーバーラップさせる工法である。格子式改良工法によれば、改良率を５０％程度に下げても格子状全体の剛性力を高めることができ、水平力にも対抗できる。また、格子の幅と深さの関係を一定の範囲に収めることで、それぞれの格子に囲まれた未改良部の液状化も防ぐことができる（特許文献１参照）。

特開２０１３−２０７８号公報

従来の地盤改良工法を鉛直力・水平力に対する抗力、経済性及び透水性の観点からみると、格子式改良工法に多くの利点がみられる。しかし、格子式改良工法は、隣り合う改良柱体同士をオーバーラップさせる必要があるところ、一の改良柱体を施工した後に１日以上経過させると、改良柱体が固化してある程度の強度になるため、このオーバーラップ施工が困難になるという問題がある。固化した改良柱体をオーバーラップさせる場合は、出力の大きな大型の施工機械が必要になる。これにより、狭隘な場所での施工が困難になるとともに、騒音も大きくなる。

本発明はこのような課題を解決するために創作されたものであり、鉛直力・水平力に対する抗力、経済性及び改良対象地盤の透水性に優れるとともに、施工性の高い地盤改良工法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するため、６本の平断面円形の改良柱体の中心が平面視正六角形の頂点にそれぞれ位置するように地中に配置された複数の六角状ユニットと、前記六角状ユニットの内部及び隣り合う前記六角状ユニットで囲まれた領域において締め固められないように形成された未改良部と、を有し、前記改良柱体は、地中の土砂とセメント系固化材とを攪拌翼で混合攪拌することにより形成されており、前記六角状ユニットを構成する隣り合う前記改良柱体の側面同士が線接触するとともに、隣り合う前記六角状ユニット同士のうち、隣り合う前記改良柱体の側面同士が線接触し、地震時の水平力に対抗できることを特徴とする。

また、本発明は、６本の平断面円形の改良柱体の中心が平面視正六角形の頂点にそれぞれ位置するように地中に配置した六角状ユニットを複数個形成する工程を含み、前記工程では、地中の土砂とセメント系固化材とを攪拌翼で混合攪拌することにより前記改良柱体を形成し、前記六角状ユニットの内部及び隣り合う前記六角状ユニットで囲まれた領域において締め固められない未改良部を形成し、前記六角状ユニットを構成する隣り合う前記改良柱体の側面同士を線接触させるとともに、隣り合う前記六角状ユニット同士のうち、隣り合う前記改良柱体の側面同士を線接触させ、地震時の水平力に対抗できることを特徴とする。

かかる構成によれば、改良率は概ね６０％程度になり、施工費を低減することができ、経済性に優れる。また、正六角形を呈する複数の六角状ユニットを線接触させることにより、改良率が低い割に、鉛直力及び水平力に対する抗力を高めることができる。また、各六角状ユニットの内部には改良柱体を設けないため、各六角状ユニットの内部の未改良部が透水機能を有する。また、各六角状ユニット間に生じる未改良部も透水機能を有する。また、改良柱体の側面同士を線接触させるだけでよいため、容易に施工することができる。さらに、改良柱体の側面同士を切削する必要がなく、小型の施工機械でも対応できるため、狭隘な現場でも施工可能となる。

また、地震時に、隣り合う前記改良柱体の側面同士の接触部に生じる鉛直方向せん断力が、当該接触部に生じる摩擦抵抗力以下となるように設定されていることが好ましい。

かかる地盤改良工法によれば、鉛直力・水平力に対する抗力をより高めることができる。

本発明に係る地盤改良工法によれば、鉛直力・水平力に対する抗力、経済性及び透水性に優れるとともに、施工性を高めることができる。

本発明の第一実施形態に係る改良地盤を示す模式平面図である。 第一実施形態に係る六角状ユニットを示す平面図である。 第一実施形態に係る２本の改良柱体を示す側面図である。 格子間隔／改良深さと格子内原地盤の過剰間隙水圧との関係を示すグラフである。 格子式改良工法に係る応力図である。 第一実施形態に係る地盤改良工法の応力図である。 鉛直方向せん断力と摩擦抵抗力の算出方法を説明するための施工（改良）区域側断面模式図である。 （ａ）は液状化層厚ｈ及び非液状化層厚ｄから求められる震度Ｋを示す表であり、（ｂ）は図８（ａ）に対応するグラフである。 鉛直方向せん断力に対する格子式改良工法の作用図である。 鉛直方向せん断力に対する第一実施形態に係る地盤改良工法の作用図である。 （ａ）は実験装置の側断面図であり、（ｂ）は実験装置の平面図であり、（ｃ）は実験用の改良柱体を示す側面図である。 実施例１を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。 比較例１を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。 実施例２を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。 比較例２を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図である。 本発明の第二実施形態に係る改良地盤を示す模式平面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る改良地盤１は、施工区域Ｚ内に配置された、複数の六角状ユニット２、未改良部３，３’及び複数の補助改良柱体４を備えて構築されている。施工区域Ｚの形状、大きさは、特に制限されるものではないが、本実施形態では矩形状を呈する。本実施形態の施工区域Ｚは、例えば、改良柱体１０の直径Φを１．０ｍとすると横寸法ａが１２．０ｍであり、縦寸法ｂが１０．５７ｍ（約１３０ｍ^２）である。

図２に示すように、六角状ユニット２は、６本の改良柱体１０で構成されている。各改良柱体１０は、円柱状を呈する。改良柱体１０の中心は、正六角形の頂点が位置するように配置している。図３に示すように、改良柱体１０の直径Φ及び長さＨは、例えば、直径Φが概ね０．６〜２．０ｍ、長さＨが概ね２．０〜２０ｍの範囲で適宜設定される。

本実施形態の六角状ユニット２の仮想正六角形の一辺は、改良柱体１０の直径Φと同一寸法である。隣り合う改良柱体１０，１０の周面（側面）同士は線接触している。図３に示すように、六角状ユニット２は、地面Ｇから所定の深さＤで埋設されている。深さＤは、適宜設定される。

本実施形態では、改良柱体１０の直径Φを１．０ｍに設定しているため、施工区域Ｚ内に１４個の六角状ユニット２が配置されている。本実施形態の改良地盤１の改良率は６３．７％になっている。

改良柱体１０の直径Φ及び長さＨは、図３に示すように、所定の上載荷重が作用する場合において、水平力Ｐ_２（動水圧と施工区域Ｚの重量及び上載荷重の慣性力）により隣り合う改良柱体１０，１０の接触部（線状に接触している部分）に生じる鉛直方向せん断力τ_ｖが、水平力Ｐ_１（周囲からの土圧）により当該接触部に生じる摩擦抵抗力以下となるように設定する。

改良柱体１０の材料は、鉛直力・水平力に対して所定の圧縮強度を発現するものであれば特に制限されないが、本実施形態ではセメント系固化材と土砂とを用いている。改良柱体１０の製造方法も特に制限されないが、本実施形態では、セメント系固化材を地中に注入しつつ、地中の土砂とセメント系固化材とを攪拌翼で混合攪拌することにより形成している。改良柱体１０は、公知の施工機械を用いて形成することができる。当該施工機械は、例えば、複数の攪拌翼を備えたロッドと、ロッドを回転駆動させる駆動手段と、ロッド及び駆動手段とを保持する車両本体とで主に構成されている。

図１に示すように、隣り合う六角状ユニット２，２同士は、線接触するように配置されている。ここで、複数の六角状ユニット２を区別する場合には六角状ユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃ・・・のように称する。六角状ユニット２Ａの一の改良柱体１０は、六角状ユニット２Ａに隣接する他の六角状ユニット２Ｂの一の改良柱体１０と線接触するように配置されている。このとき、線接触する改良柱体１０，１０の各中心は、六角状ユニット２Ａの中心と六角状ユニット２Ｂの中心とを結ぶ線上に位置する。

また、六角状ユニット２Ａの他の改良柱体１０は、六角状ユニット２Ａに隣接する他の六角状ユニット２Ｃの一の改良柱体１０と線接触するように配置されている。このとき、線接触する改良柱体１０，１０の各中心は、六角状ユニット２Ａの中心と六角状ユニット２Ｃの中心とを結ぶ線上に位置する。

このように、六角状ユニット２Ａは、その周囲に放射状に配置された他の六角状ユニット２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇとそれぞれ線接触している。つまり、六角状ユニット２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇは、六角状ユニット２Ａの周囲を６０°ずつ位相して配置されている。さらに、六角状ユニット２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇはさらにその外側の六角状ユニット２と線接触している。すなわち六角状ユニット２がこの
ように配置されることにより、隣り合う３つの六角状ユニット２（例えば、六角状ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の中心を結ぶ平面形状が正三角形状となり、施工区域Ｚ内で全体としてハニカム構造を形成している。

未改良部３は、元の地盤に相当する部位である。つまり、未改良部３は、六角状ユニット２の内部において改良されていない領域（６つの改良柱体１０で囲まれた領域）である。また、図１に示すように、隣り合う三つの六角状ユニット２，２，２で囲まれる領域も未改良部３’となる。当該未改良部３’も、六角状ユニット２の内部の未改良部３と同等の形状となる。

未改良部３の大きさは、格子状形式改良地盤の模型振動実験（建築基礎のための地盤改良設計指針案：社団法人日本建築学会著）の『格子間隔／改良深さと格子内原地盤の過剰間隙水圧の関係』のグラフ（図４参照）を参考に導くことができる。

例えば、改良柱体１０の直径Φを１．０ｍ、長さを４．０ｍに設定した場合、図２に示すように、未改良部３の間隔Ｌは概ね１．０ｍになり、深さＨ（液状化層厚ｈ）は４．０ｍになる。よって、Ｌ／Ｈ（ｈ）は０．２５となる。図４に示すように、液状化が発生しないようにするためには、最大過剰間隔水圧比を０．５以下に設定する必要がある。したがって、Ｌ／Ｈ（ｈ）の値が０．９５以下であれば好ましい。本実施形態ではＬ／Ｈ（ｈ）を０．５〜０．０５に設定しているため、液状化を防ぐことができる。

補助改良柱体４は、施工区域Ｚの外縁と六角状ユニット２との間に複数本配置されている。補助改良柱体４は、施工区域Ｚの外縁と六角状ユニット２との間を充填する改良柱体である。補助改良柱体４を設けることにより、改良地盤１の水平力・鉛直力に対する抗力をより高めることができる。補助改良柱体４は、改良柱体１０と同じ材料で形成されており、同じ施工方法で形成される。隣り合う補助改良柱体４同士は線接触している。また、隣り合う六角状ユニット２の改良柱体１０と補助改良柱体４とも線接触するように配置されている。補助改良柱体４は、施工区域Ｚと六角状ユニット２との間において、必要に応じて複数本配設される。補助改良柱体４は、本実施形態では、例えば１９本配置されている。

次に、本実施形態に係る地盤改良工法について説明する。本実施形態に係る地盤改良工法は、準備工程と、ハニカム構造形成工程と、補助改良柱体形成工程とを行う。

準備工程は、地面Ｇ（図３参照）において、改良柱体１０を形成する予定位置に目印を形成する工程である。準備工程では、仮想正六角形の頂点にそれぞれ目印を形成する。

ハニカム構造形成工程は、地中に複数の六角状ユニット２を形成する工程である。ハニカム構造形成工程では、前記した施工機械を用いて、６本の改良柱体１０を形成し、一の六角状ユニット２を形成する。改良柱体１０は、仮想正六角形の頂点に改良柱体１０の中心が位置するように形成する。改良柱体１０の直径Φ及び長さＨは、図３に示すように所定の上載荷重が作用する場合において、水平力Ｐ_２により隣り合う改良柱体１０，１０の接触部に作用する鉛直方向せん断力τ_ｖ及び水平力Ｐ_１により当該接触部に生じる摩擦抵抗力を考慮しつつ、液状化対策としてのＬ／Ｈ（ｈ）の値を考慮しつつ決定することができる。

そして、当該六角状ユニット２の周囲に複数の六角状ユニット２を形成する。隣り合う六角状ユニット２，２の一方の改良柱体１０と、他方の改良柱体１０とを線接触させて、複数の六角状ユニット２が全体としてハニカム構造を形成するように形成する。なお、ハニカム構造形成工程では、必ずしも六角状ユニット２ごとに形成する必要はなく、最終的
に複数の六角状ユニット２が形成されてハニカム構造になればよい。

補助改良柱体形成工程は、施工区域Ｚの外縁と六角状ユニット２との隙間に複数の補助改良柱体４を形成する工程である。以上により改良地盤１が形成される。

次に、水平方向せん断力に対する本実施形態に係る改良地盤１の作用について説明する。まずは、図５を参照して比較例となる格子式改良工法の四角状ユニット２０の作用について説明する。図５に示すように、格子式改良工法の四角状ユニット２０は、平面視仮想正方形の辺上に、複数の円柱状の改良柱体３０の中心が位置するように並設して構成されている。隣り合う改良柱体３０同士は、２０ｃｍ程度オーバーラップしている。例えば、改良柱体３０Ａ，３０Ｂがオーバーラップすることで、ラップ部Ｅが形成され、改良柱体３０Ａ，３０Ｃがオーバーラップすることで、ラップ部Ｆが形成されている。四角状ユニット２０の内部は、未改良部２３になっている。

水平方向せん断力の作用に関して従来の四角状ユニット２０では、例えば四角状ユニット２０の改良柱体３０Ａに水平力Ｐ_０（Ｐ_０=Ｐ_１＋Ｐ_２）が作用した場合、ラップ部Ｅ，Ｆの水平方向のせん断抵抗力τ_Ｅ及びτ_Ｆで改良柱体３０ＡがＸ方向にずれることを防止している。

次に、図６を参照して水平方向せん断力に対する本実施形態に係る六角状ユニット２の作用について説明する。図６では、６本の改良柱体１０を、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆを付して区別する。図６に示すように、本実施形態に係る六角状ユニット２では、例えば改良柱体１０ａに水平力Ｐ_０が作用すると、改良柱体１０ａに隣接する改良柱体１０ｂから反力Ｐｂを受けるとともに、改良柱体１０ａに隣接する改良柱体１０ｃから反力Ｐｃを受ける。また、他の改良柱体１０も改良柱体１０ａと同様に、当該改良柱体１０に対して水平力Ｐ_０が作用すると、隣接している他の２つの改良柱体１０，１０から反力を受ける。これにより、改良柱体１０に水平力Ｐ_０が作用しても当該水平力Ｐ_０に対抗する反力が作用するため、各改良柱体１０がずれること（ここでは、改良柱体１０ａがＸ方向にずれること）を防ぐことができる。

すなわち本実施形態に係る改良地盤１（六角状ユニット２）によれば、仮想正六角形の頂点に互いに接して配置された改良柱体１０，１０同士は水平力Ｐ_０に対してアーチアクション効果（楔効果）により各々の改良柱体１０の中心に向かって水平方向の圧縮力が伝達され、改良柱体１０，１０同士の接触部での水平方向（改良柱体外周接線方向）のせん断力は作用しない（実質的にゼロに近い）ため、改良柱体１０，１０同士をオーバーラップさせる必要はない。

以上説明した改良地盤１によれば、改良率は概ね６０％程度になり、施工費を低減することができ、経済性に優れる。また、正六角形を呈する複数の六角状ユニット２によりハニカム構造が構築されているため（六角状ユニット２，２同士を線接触させているため）、改良率が低い割に、鉛直力及び水平力に対する抗力を高めることができる。また、各六角状ユニット２の内部に改良柱体１０を設けないため、各六角状ユニット２の内部の未改良部３が透水機能を有する。また、隣り合う六角状ユニット２，２間に生じる未改良部３’も透水機能を有する。

また、本実施形態によれば、また、改良柱体１０，１０同士を線接触させるだけでよいため、容易に施工することができる。つまり、改良柱体１０，１０同士をオーバーラップさせる必要がないため、改良柱体１０の一部を切削する必要もない。これにより、小型の施工機械でも対応できるため、狭隘な現場でも施工可能となる。

また、本実施形態では、未改良部３のＬ／Ｈ（ｈ）を０．５〜０．０５としているため、液状化を防ぐことができる。また、本実施形態では、水平力Ｐ_２（動水圧と施工区域Ｚの重量及び上載荷重の慣性力）により隣り合う改良柱体１０，１０の接触部に生じる鉛直方向せん断力τ_ｖ が、水平力Ｐ_１（周囲からの土圧）により当該接触部に生じる摩擦抵抗力以下となるように改良柱体１０の直径Φ及び長さＨを設定している。これにより、水平力に対する抗力をより高めることができる。また、施工にあたっては改良柱体１０の直径Φを設計値よりも、例えば、５〜１０％大きくすることにより、施工誤差を吸収して改良柱体１０，１０同士を確実に線接触させることができる。また、特許請求の範囲の「正六角形」とは、設計誤差により数学的な意味での「正六角形」とはなっていないが、実質的に正六角形となるものも含む意味である。

次に、図７を参照して、鉛直方向せん断力と摩擦抵抗力の算出方法について詳述する。セメント系固化材を用いた固結工法による地盤改良においては、鉛直方向せん断力は、施工区域Ｚの中央部に生じ、かつ、地震時に周囲地盤が液状化した場合に最も大きくなる。施行区域側断面奥行き１ｍあたりの最大鉛直方向せん断力（ｋＮ/ｍ）をτ_ｖmaxとすると、最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxは、下記式（１）で求められる。

ここで、式（１）においては、図７に示す施工区域Ｚの幅（ｍ）をＢ、液状化層厚（ｍ）をｈ、非液状化層厚（ｍ）をｄ、上載物の幅（ｍ）をｌ、施工区域Ｚの地下水位以上の重量（ｋＮ/ｍ）をＷ_１＝γ_ｔｄＢ、単位体積重量（ｋＮ/ｍ^３）をγ_ｔ、施工区域Ｚの地下水位以下の重量（ｋＮ/ｍ）をＷ_２＝γ_ｔ´ｈＢ、水中単位体積重量（ｋＮ/ｍ^３）をγ_ｔ´とする。また、上載荷重（ｋＮ/ｍ）をＱ＝ｑｌ、単位面積当たりの荷重（ｋＮ/ｍ^２）をｑ、主働土圧（ｋＮ/ｍ）をＰ_ａＨ＝(１/２)ｋ_ａγ_tｄ^２、主働土圧係数＜１をｋ_ａ、受働土圧（ｋＮ/ｍ）をＰ_ＰＨ＝(１/２)ｋ_ｐγ_tｄ^２、受働土圧係数＞１をｋ_ｐ、液状化時の土圧（ｋＮ/ｍ）をＰ_ＯＨ＝ｋ_Ｏ（(１/２)γ_t´ｈ^２＋γ_tｄｈ）、ｋ_Ｏ＝１．０とする。さらに、動水圧（ｋＮ/ｍ）をＰ_ＤＨ≒（７/８）・（π/４）・（γ_ｗ＋ＲＵ・γ_t´）Ｋｈ^２、水の単位体積重量（１０ｋＮ/ｍ^３）をγ_ｗ、過剰間隙水圧比（１．０）をＲＵ、慣性力（ｋＮ/ｍ）をＫＱ、ＫＷ_１、ＫＷ_２、設計に用いる震度ＫをＫ=α_max/ｇ、地表面最大水平加速度（ｇａｌ）をα_max、重力加速度（９８０ｇａｌ）をｇとする。なお、震度Ｋは、０．１５〜０．３６の範囲に設定することが好ましい。本実施形態では、説明の便宜上、１ｔｆ/ｍ^２を１０ｋＮ/ｍ^２に換算し、１ｔｆ/ｍ^３を１０ｋＮ/ｍ^３に換算する。

式（１）の６/Ｂ^２は、施工区域奥行き１ｍあたりの平断面係数の逆数である。式（１）のＭは、図７に示す施工区域Ｚの中央部の下端を中心とするモーメントであり、モーメントＭは、下記式（２）で求められる。

水平力Ｐ_１は、下記式（３）で求められる。

水平力Ｐ_２は、下記式（４）で求められる。

最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxに対する抵抗力は、本実施形態では水平力Ｐ_１（周囲からの土圧）により隣り合う改良柱体１０，１０の接触部に生じる摩擦抵抗力である。施工区域側断面奥行き１ｍあたりの摩擦抵抗力ｆ（ｋＮ/ｍ）の大きさは、水平力Ｐ_１＝Ｐ_ａＨ＋Ｐ_ＯＨに改良柱体１０，１０同士の摩擦係数μを乗じた値、すなわち下記式（５）で求められる。

摩擦係数μに関して、道路土工指針では硬い粘土でμ＝０．５を採用している。

地震時（液状化時）に施工区域Ｚを安定させるためには、摩擦抵抗力ｆが最大鉛直せん断力τ_ｖmax以上でなければならない。すなわち、f/τ_ｖmax≧１．０の関係を満足する必要がある。

例として、式（１），（５）に下記数値を代入し、ｆ＝τ_ｖmaxとして液状化層厚ｈ及び非液状化層厚ｄと震度Ｋとの関係を求めると、図８（ａ），（ｂ）に示す結果となる。ここでは代入する数値は、Ｂ＝１５ｍ、γ_ｔ＝１８ｋＮ/ｍ^３、γ_t´＝１０ｋＮ/ｍ^３、ｑ＝１０ｋＮ/ｍ^２、ｌ＝１０ｍ、Ｑ＝１００ｋＮ/ｍ、ｋ_ａ＝０．４１、ｋ_ｐ＝２．４６（φ２５°）、ｋ_ｏ＝１．０とした。また、液状化層厚ｈには、２ｍ、４ｍ、６ｍ、８ｍ、１０ｍ、２０ｍのいずれかの数値を代入し、非液状化層厚ｄには、１ｍ、２ｍ、３ｍ、４ｍのいずれかの数値を代入した。

図８（ｂ）に示すグラフでは、１ｍ〜４ｍの非液状化層厚ｄごとの４つの折れ線グラフを表している。各折れ線は、摩擦抵抗力ｆと最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxが等しくなる境界（ｆ＝τ_ｖmaxのライン）を示す。

すなわち折れ線よりも震度Ｋが大きい領域では摩擦抵抗力ｆが最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxよりも小さいことを意味し（ｆ＜τ_ｖmax）、折れ線よりも震度Ｋが小さい領域では摩擦抵抗力ｆが最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxよりも大きいことを意味している（ｆ＞τ_ｖmax）。例えば、液状化層厚ｈが２ｍで非液状化層厚ｄが４ｍのケースでは、震度Ｋ＝０．３９９（３９１ｇａｌ）となり、この数値と同等の震度の地震に対しては摩擦抵抗力ｆと最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxが等しくなる。また、上記数値よりも大きい震度の地震に対しては摩擦抵抗力ｆが最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxよりも小さくなり、上記数値よりも小さい震度の地震に対しては摩擦抵抗力ｆが最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxよりも大きくなる。

ここで、震度Ｋの目安は、例えば建築基礎構造設計指針（日本建築学会編、２００４年８月１０日）では損傷限界検討用としてＫ＝０．１５〜０．２０（１５０ｇａｌ〜２００ｇａｌ）が推奨されており、終局限界検討用としてＫ＝０．３６（３５０ｇａｌ）が推奨されている。これらの数値と図８（ａ）に示す数値とを照らし合わせると、損傷限界検討用の数値については全てのケースで満たしており、また終局限界検討用の数値についても一部のケースで満たしていることが分かる。このことから、多くのケースにおいて、最大鉛直方向せん断力τ_ｖmaxに対して隣り合う改良柱体１０，１０の接触部に生じる摩擦抵抗力ｆで抵抗できることが裏付けられた。

なお、図８（ａ）、（ｂ）においては改良柱体１０ａの下端を下層の非液状化層に根入れをしていないケースを想定しているが、根入れをすることにより図８（ａ）、（ｂ）に示す震度Ｋの数値が上がるため、本発明の適用範囲が広がることになる。

次に、鉛直方向せん断力に対する本実施形態に係る改良地盤１の作用について説明する。まずは、図９を参照して、比較例となる格子式改良工法の接円四角状ユニット５０の作用について説明する。格子式改良工法の接円四角状ユニット５０は、隣り合う改良柱体６０，６０同士がオーバーラップせずに線接触する点が、図５に示す四角状ユニット２０と相違する。

図３でも説明したように、接円四角状ユニット５０では、例えば改良柱体６０Ａに水平力Ｐ_０（Ｐ_０=Ｐ_１＋Ｐ_２）が作用した場合、水平力Ｐ_２（動水圧と施工区域Ｚの重量及び上載荷重の慣性力）により隣り合う改良柱体６０Ａ，６０Ｂの接触部には鉛直方向せん断力τ_ｖが生じると共に、接円四角状ユニット５０の中心に向かう水平力Ｐ_１（周囲からの土圧）により隣り合う改良柱体６０，６０の接触部には摩擦抵抗力が生じる。しかし、接円四角状ユニット５０では、水平力Ｐ_１により改良柱体６０同士が接円四角状ユニット５０の中心に向けて相互に締め付けられる配置関係になっていない。換言すると、各改良柱体６０には隣り合う改良柱体６０，６０の間に食い込むような力が相互に作用していないので、地震動で改良柱体６０がずれやすくなっている。特に仮想正方形の各辺の中央に位置する改良柱体６０がずれやすくなる。このようなずれが生じると、摩擦抵抗力が全く働かないため、改良柱体６０，６０同士をオーバーラップさせる必要がある。

次に、図１０を参照して、鉛直方向せん断力に対する本実施形態に係る六角状ユニット２の作用について説明する。図３でも説明したように、本実施形態に係る六角状ユニット２では、例えば改良柱体１０ｂに水平力Ｐ_０（Ｐ_０=Ｐ_１＋Ｐ_２）が作用すると、水平力Ｐ_２（動水圧と施工区域Ｚの重量及び上載荷重の慣性力）により隣り合う改良柱体１０ｂ，１０ｄの接触部には鉛直方向せん断力τ_ｖが生じると共に、六角状ユニット２の中心に向かう水平力Ｐ_１（周囲からの土圧）により隣り合う改良柱体１０，１０の接触部には摩擦抵抗力が生じる。六角状ユニット２では、水平力Ｐ_１により改良柱体１０同士が六角状ユニット２の中心に向けて相互に締め付けられる配置関係になっている。換言すると、各改良柱体１０には隣り合う改良柱体１０，１０の間に食い込むような力が相互に作用しているので、地震動を受けても楔効果により各改良柱体１０がずれることを防ぐことができる。これにより、本実施形態に係る六角状ユニット２では、摩擦抵抗力が確実に働くため、改良柱体１０，１０同士をオーバーラップさせる必要はない。

次に、図１１〜図１５を参照して、本発明の改良地盤（六角状ユニット）の作用効果について、実施例及び比較例により更に詳細に説明する。
＜実験装置、改良柱体＞
まずは、図１１（ａ）〜（ｃ）を参照して、本実験に用いる実験装置１００と改良柱体２００について説明する。
実験装置１００は、上方に開口する箱状のアクリル槽１１０と、アクリル槽１１０の内側面に設置されたスポンジ１２０と、アクリル槽１１０の底面とスポンジ１２０の内側面とに亘って設置された外側塩ビシート１３０とを備えている。外側塩ビシート１３０の内側には、水分を含んだ砂１４０が敷設されている。砂１４０上には、内側塩ビシート１５０が設置されている。内側塩ビシート１５０上には、載荷重体１６０が載置されている。載荷重体１６０は、砂と鉄粉と鉄製直方体とからなり、下側からこの順序で積み重ねられている。内側塩ビシート１５０の周縁は、上方へ折り曲げられており、外側塩ビシート１３０に対して隙間１７０を空けて対向している。本実験では、振動を与えて砂１４０が液状化すると、隙間１７０から噴砂が発生するため、液状化の発生を容易に確認できるようになっている。載荷重体１６０の鉄製直方体には、沈下量を測るための測定点Ｐ（図１１（ｂ）に示す破線円参照）となる目印が付されている。測定点Ｐは、アクリル槽１１０の縦横方向に等間隔で複数並設されている。

アクリル槽１１０の縦横寸法Ｄ１，Ｄ２は、それぞれ１９ｃｍ、４０ｃｍに設定した。スポンジ１２０の厚さ寸法Ｄ３は、２ｃｍに設定した。対向する一対のスポンジ１２０，１２０間の内寸法Ｄ４は、３６ｃｍに設定した。砂１４０の高さ寸法Ｄ５は、１５.２ｃｍに設定した。砂１４０と水の相対密度は、液状化の発生に適する４０〜５０％に設定した。載荷重体１６０の砂の厚さは１ｃｍ、鉄粉の厚さは２．２ｃｍ、鉄製直方体の縦横高さ寸法は２ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍにそれぞれ設定した。載荷重体１６０の載荷重は、３．２ｋＮ/ｍ^２に設定した。

図１１（ｃ）に示す改良柱体２００は、ソイルセメント製の円柱体からなる。改良柱体２００は、直径φが２５ｍｍ、長さＨが１５０ｍｍ、密度ρtが１．８８ｇ/ｃｍ^３、一軸圧縮強度ｑｕが１２００ｋＮ/ｍ^２のものを使用した。

＜実験方法＞
本実験方法は、図示せぬ加振装置により実験装置１００を左右方向（水平方向）に加振して、液状化が発生したときの各測定点Ｐにおける鉄製直方体の沈下量と、改良柱体２００のずれとを測定した。本実験では、振動周波数を４Ｈｚ、片振幅を２．５ｍｍ、加速度を１６１ｇａｌとした。実施例１〜２では六角状ユニット３００を使用し、比較例１〜２では接円四角状ユニット４００を使用して、上記各測定を行った。実施例１と比較例１では、各ユニット３００，４００に加わる左右方向の土圧が均等となる環境下で実験を行い、実施例２と比較例２では、各ユニット３００，４００に加わる左右方向の土圧が不均等となる環境下で実験を行った。

＜実施例１＞
図１２（ａ），（ｂ）に示すように、実施例１では、アクリル槽１１０の左右方向の中央に六角状ユニット３００を配置した。実施例１では、２０秒間の加振を行ったところ、加振開始から約１〜２秒後に液状化がはじまった。
実施例１では、六角状ユニット３００の内側に位置する測定点Ｐの沈下量が２ｍｍ〜３ｍｍとなり、六角状ユニット３００の外側に位置する測定点Ｐの沈下量が３ｍｍ〜１６ｍｍとなった。図１２（ｂ）に示す破線ラインＹ１は沈下状況を模式的に示しており、沈下量は比較的少なかった。実施例１では、改良柱体２００の左右方向のずれが発生しなかった。

＜比較例１＞
図１３（ａ），（ｂ）に示すように、比較例１では、アクリル槽１１０の左右方向の中央に接円四角状ユニット４００を配置した。比較例１では、１５秒間の加振を行ったところ、加振開始から約１〜２秒後に液状化がはじまった。
比較例１では、接円四角状ユニット４００の内側に位置する測定点Ｐの沈下量が３ｍｍ〜４ｍｍとなり、接円四角状ユニット４００の外側に位置する測定点Ｐの沈下量が３ｍｍ〜２６ｍｍとなった。図１３（ｂ）に示す破線ラインＹ２は、沈下状況を模式的に示している。破線ラインＹ２は、図１２（ｂ）に示す破線ラインＹ１よりも下に位置している。すなわち、比較例１の沈下量は、実施例１の沈下量よりも多かった。比較例１では、改良柱体２００のうち最も左側と右側の列において内側に隣接する他の改良柱体２００がないものが接円四角状ユニット４００の中心に向けて５ｍｍ程度ずれた（図１３（ａ）の白抜き矢印、図１３（ｂ）の破線参照）。

＜実施例２＞
図１４（ａ），（ｂ）に示すように、実施例２では、アクリル槽１１０の右側に六角状ユニット３００を偏心して配置した。六角状ユニット３００には、当該六角状ユニット３００に対して左側の土圧が右側の土圧よりも大きく加わっている。実施例２では、１３秒間の加振を行ったところ、加振開始から約４〜５秒後に液状化がはじまった。
実施例２では、六角状ユニット３００の内側に位置する測定点Ｐの沈下量が２ｍｍとなり、六角状ユニット３００の外側に位置する測定点Ｐの沈下量が３ｍｍ〜１６ｍｍとなった。図１４（ｂ）に示す破線ラインＹ３は沈下状況を模式的に示しており、沈下量は比較的少なかった。実施例２では、改良柱体２００の左右方向のずれが発生しなかった。

＜比較例２＞
図１５（ａ），（ｂ）に示すように、比較例２では、アクリル槽１１０の右側に接円四角状ユニット４００を偏心して配置した。接円四角状ユニット４００には、当該接円四角状ユニット４００に対して左側の土圧が右側の土圧よりも大きく加わっている。比較例２では、１３秒間の加振を行ったところ、加振開始から約４〜５秒後に液状化がはじまった。
比較例２では、接円四角状ユニット４００の内側に位置する測定点Ｐの沈下量が３ｍｍ〜４ｍｍとなり、接円四角状ユニット４００の外側に位置する測定点Ｐの沈下量が４ｍｍ〜１７ｍｍとなった。図１５（ｂ）に示す破線ラインＹ４は、沈下状況を模式的に示している。破線ラインＹ４は、図１４（ｂ）に示す破線ラインＹ３よりも下に位置している。すなわち、比較例２の沈下量は、実施例２の沈下量よりも多かった。比較例２では、改良柱体２００のうち最も左側と中央の列において右側に隣接する他の改良柱体２００がないものが右側に７〜１０ｍｍ程度ずれた（図１５（ａ）の白抜き矢印、図１５（ｂ）の破線参照）。

＜小括＞
実施例１と比較例１の実験結果を対比すると、各ユニット３００，４００に加わる左右方向の土圧が均等となる環境下では、六角状ユニット３００の沈下量が接円四角状ユニット４００の沈下量よりも少ないことが実証された。また、接円四角状ユニット４００では、地震動（液状化）による改良柱体２００のずれが発生するが、六角状ユニット３００では、地震動（液状化）による改良柱体２００のずれが発生しないことが実証された。
実施例２と比較例２の実験結果を対比すると、各ユニット３００，４００に加わる左右方向の土圧が不均等となる環境下においても、六角状ユニット３００の沈下量が接円四角状ユニット４００の沈下量よりも少ないことが実証された。また、接円四角状ユニット４００では、地震動（液状化）による改良柱体２００のずれが発生するが、六角状ユニット３００では、地震動（液状化）による改良柱体２００のずれが発生しないことが実証された。

以上説明した実施例１〜２及び比較例１〜２によれば、接円四角状ユニット４００では、水平力Ｐ_１（周囲からの土圧）により改良柱体２００同士が接円四角状ユニット４００の中心に向けて相互に締め付けられる配置関係になっておらず、各改良柱体２００には隣り合う改良柱体２００，２００の間に食い込むような力が相互に作用していないので、地震動で改良柱体２００がずれるものと推察される。また、改良柱体２００のずれが発生することから、沈下量も多くなると推察される。
これに対して、六角状ユニット３００では、水平力Ｐ_１により改良柱体２００同士が六角状ユニット３００の中心に向けて相互に締め付けられる配置関係になっており、各改良柱体２００には隣り合う改良柱体２００，２００の間に食い込むような力が相互に作用しているので、地震動を受けても楔効果により各改良柱体２００がずれないものと推察される。また、改良柱体２００のずれが発生しないことから、沈下量も少なくなると推察される。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。図１６に示すように、第二実施形態に係る改良地盤４１は、複数の六角状ユニット２、未改良部３，５を備えて構築されている。改良地盤４１は、六角状ユニット２の配置が第一実施形態と相違する。以下、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

本実施形態の施工区域Ｚは、例えば、改良柱体１０の直径Φを１．０ｍとすると横寸法ａが１２．０ｍであり、縦寸法が１０．９６ｍ（約１３０ｍ^２）である。六角状ユニット２の構造は、第一実施形態と同一である。六角状ユニット２は、本実施形態では、隣り合う六角状ユニット２，２のうち、各六角状ユニット２の２本の改良柱体１０同士が線接触するように配置されている。隣り合う六角状ユニット２，２のうち線接触する合計４つの改良柱体１０の中心を結ぶ平面形状は平面視正方形呈する。また、隣り合う４つの六角状ユニット２（例えば、六角状ユニット２α，２β，２γ，２δ）の中心を結ぶ平面形状が矩形状となるように配置されている。補助改良柱体４は第一実施形態と同様の目的で本実施形態では、例えば６本配置されている。

また、隣り合う４つの六角状ユニット２によって未改良部５が形成されている。未改良部５は、未改良部３と同様に改良されていない地盤であって、透水性機能を有する領域である。なお、Ｌ／Ｈ（ｈ）を設定する場合は、未改良部５の長辺部Ｌａの値をＬに代入する。

以上説明した第二実施形態に係る改良地盤４１でも、第一実施形態に係る改良地盤１と略同等の効果を奏することができる。改良地盤４１によれば、改良率は６０．９％程度になり施工費を低減することができ、経済性に優れる。また、隣り合う六角状ユニット２，２同士を線接触させているため、改良率が低い割に、鉛直力及び水平力に対する抗力を高めることができる。

１ 改良地盤
２ 六角状ユニット
３ 未改良部
３’ 未改良部
４ 補助改良柱体
１０ 改良柱体
Φ 直径
Ｈ 長さ

Claims (3)

1. ６本の平断面円形の改良柱体の中心が平面視正六角形の頂点にそれぞれ位置するように地中に配置された複数の六角状ユニットと、
   前記六角状ユニットの内部及び隣り合う前記六角状ユニットで囲まれた領域において締め固められないように形成された未改良部と、を有し、
   前記改良柱体は、地中の土砂とセメント系固化材とを攪拌翼で混合攪拌することにより形成されており、
   前記六角状ユニットを構成する隣り合う前記改良柱体の側面同士が線接触するとともに、
   隣り合う前記六角状ユニット同士のうち、隣り合う前記改良柱体の側面同士が線接触し、
   地震時の水平力に対抗できることを特徴とする改良地盤。
2. 地震時に、隣り合う前記改良柱体の側面同士の接触部に生じる鉛直方向せん断力が、当該接触部に生じる摩擦抵抗力以下となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の改良地盤。
3. ６本の平断面円形の改良柱体の中心が平面視正六角形の頂点にそれぞれ位置するように地中に配置した六角状ユニットを複数個形成する工程を含み、
   前記工程では、
   地中の土砂とセメント系固化材とを攪拌翼で混合攪拌することにより前記改良柱体を形成し、前記六角状ユニットの内部及び隣り合う前記六角状ユニットで囲まれた領域において締め固められない未改良部を形成し、
   前記六角状ユニットを構成する隣り合う前記改良柱体の側面同士を線接触させるとともに、
   隣り合う前記六角状ユニット同士のうち、隣り合う前記改良柱体の側面同士を線接触させ、
   地震時の水平力に対抗できることを特徴とする地盤改良工法。

Images