JP6283537B2

JP6283537B2 - 液状化対策構造

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Publication number: JP6283537B2
Application number: JP2014040001A
Authority: JP
Inventors: 景太柴田
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2014-03-01
Filing date: 2014-03-01
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2034-03-01
Also published as: JP2015165065A

Description

本発明は、例えば、地盤の液状化を防止するための液状化対策構造に関する。

従来より、地盤の液状化対策が提案されている。
例えば、対象となる地盤を囲んで地中に格子状に地中壁を設ける構造が提案されている（特許文献１参照）。この構造によれば、地中壁で囲まれた対象地盤の変形を抑止するとともに、周辺地盤からこの対象地盤に流入する地下水を遮断して、対象地盤の液状化を防止できる。

また、構造物の直下の地盤に格子状の地中壁を設けて、この格子状の地中壁の頂部と構造物の下面との間に低剛性の緩衝材を挟む構造が提案されている（特許文献２参照）。この構造によれば、格子状の地中壁により地盤のせん断変形を抑止するとともに、地盤に対して上から構造物の重量を加えて、格子状の地中壁で囲まれた地盤の初期有効応力を増加させて、液状化を防止できる。

特公平４−５４００４号公報特開２０１１−１９０６４５号公報

しかしながら、特許文献１の構造では、構造物の直下の地盤内に格子状の地中壁を設けて、地盤のせん断変形を抑止して液状化対策を行うには、格子状壁の間隔を狭くしなければならず、地中壁を構築するのにかかるコストが高くなる、という問題があった。

また、特許文献２の構造では、地震時の構造物慣性力が、水平荷重として直下の地盤に直接作用するので、地盤のせん断応力が増加し、液状化の発生を助長するという問題があった。さらに、地中壁内側から外側への地震時土圧によって、外周地中壁の入隅部上部に応力が集中し、地震時に地中壁が損傷する可能性があった。

また、特許文献１および２に共通して、構造物直下に地中壁を設けることを想定しているが、既存構造物がある場合には、構造物直下に地中壁を造成することが難しく、コストが多くなったり、造成が不可能だったりするという問題があった。

本発明は、既存構造物がある地盤に対しても、低コストで構築でき、かつ、液状化の抑制効果および地中壁の耐震性に優れた液状化対策構造を提供することを目的とする。

請求項１に記載の液状化対策構造（例えば、後述の液状化対策構造１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ）は、地下躯体（例えば、後述の地下躯体１１）を有する構造物（例えば、後述の建物１０、１０Ｅ）と、当該構造物の直下の地盤（例えば、後述の地盤２）を囲んで構築された地中壁（例えば、後述の地中壁２０、ＳＭＷ壁５０）と、前記構造物の地下躯体と前記地中壁の内壁面（例えば、後述の内壁面２２）との間に非荷重伝達領域を有する荷重伝達体（例えば、後述のコンクリート体３０、３０Ａ、鋼矢板３１）と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の液状化対策構造は、前記非荷重伝達領域は、前記構造物の桁行方向または梁間方向の中央付近に設けられることを特徴とする。

請求項１または２に係る発明によれば、地中壁により地盤の側面を囲んで、地盤のせん断変形を抑止するとともに、地盤に対して上から構造物の重量を加えて、地盤の初期有効応力を増加させる。これにより、地震時に地盤に生じるせん断応力の初期有効応力に対する比が低下するので、液状化を防止できる。

ここで、初期有効応力とは、地盤が、構造物重量や地盤の自重などによる荷重を受けた時に、土粒子同士の接触面を通して伝わる常時の応力度のことであり、具体的には、土に働く全応力より地下水による水圧成分を除いた応力度を意味する。

ところで、地震時には、横揺れにより構造物に慣性力が発生する。その結果、構造物と地盤とが接しているので、構造物慣性力による水平荷重が地盤に伝わってしまう。すると、地中壁で囲まれた地盤のせん断応力が増大し、液状化を十分に抑制できないおそれがある。
そこで、この発明では、構造物の地下躯体と地中壁の内壁面との間に、非荷重伝達領域を有する荷重伝達体を設けることで、この構造物の水平荷重を、荷重伝達体を介して地中壁へ伝えた。ここで、非荷重伝達領域とは、荷重伝達体による水平荷重の伝達を行わない、地下躯体と地中壁の内壁面との間の領域とする。その結果、構造物から直下の地盤に伝わる水平荷重を低減させ、地盤のせん断応力を低減して、液状化抑制効果を高めることができる。

よって、地中壁の間隔を広くしても液状化抑制効果を十分に得られるようになるので、従来のように格子状に地中壁を設けずに、構造物の直下の地盤を囲んで地中壁を設けるだけで液状化を防止することができる。そのため、本発明では構造物の直下の地盤を囲んで地中壁を設けており、従来のように格子状に地中壁を設けていないから、既存構造物がある地盤に対しても、低コストで地中壁を構築できる。

また、荷重伝達体の非荷重伝達領域を地中壁の中央付近に設けて、地中壁の入隅部で構造物に力が伝わるようにした。入隅部は、直線状に延びる地中壁同士が交差する箇所であり、変形しにくい部分である。この変形しにくい入隅部で力を伝えることで、地震時に構造物の水平荷重を地中壁に伝達しやすくなる。
また、この入隅部では、大きな応力が発生しやすいが、荷重伝達体を設けることで、荷重伝達体と地中壁とが一体化されて入隅部が補強されるから、入隅部の剛性が向上し、入隅部が損傷するのを防止できるうえに、地中壁の耐震性が高まる。

ここで、本発明の液状化対策構造は、前記荷重伝達体は、平面視で略Ｌ字形状であり、前記構造物の桁行方向および梁間方向のそれぞれについて、前記荷重伝達体の長さは、前記地中壁の長さの１/４以下であることが好ましい。

荷重伝達体を水平断面視において略Ｌ字形状とし、構造物の桁行方向および梁間方向のそれぞれについて、荷重伝達体の長さを、地中壁の長さの１/４以下とし、荷重伝達体の設置範囲を荷重が伝わりやすい範囲に限定すると、荷重伝達機能を維持した状態で荷重伝達体のサイズを小さくすることができ、低コスト化が図れる。

請求項２に記載の液状化対策構造は、前記荷重伝達体と前記地中壁とは、繋ぎ材（例えば、後述の鉄筋４０）で一体化されていることを特徴とする。

この発明によれば、荷重伝達体と地中壁が繋ぎ材により強固に一体化されているので、地震時に荷重伝達体と地中壁の間にせん断力が生じても、互いが分離することなく荷重伝達体による地中壁の補強機能を維持することができる。

請求項３に記載の液状化対策構造は、前記荷重伝達体の剛性は、前記地中壁の剛性より大きいことを特徴とする。

この発明によれば、荷重伝達体の剛性を、地中壁の剛性より大きくしたので、地中壁の入隅部の剛性を高めてより確実に補強できる。

本発明によれば、地下躯体の外壁面に荷重伝達体を設けたので、地震時の構造物慣性力を地中壁へと伝達することができ、直下地盤への外荷重を減らすことができる。その結果、直下地盤のせん断応力が低減するので、液状化抑制効果を高めることができる。さらに、荷重伝達体が地中壁の入隅部を補強するので、地中壁の耐震性を高めることができる。また、構造物の直下の地盤を囲んで地中壁を設けたので、従来のように格子状に地中壁を設けないから、低コストで地中壁を構築できる。

本発明の第１実施形態に係る液状化対策構造の平面図である。前記実施形態に係る液状化対策構造の縦断面図である。前記実施形態に係る液状化対策構造の地中壁を検討するための算定モデルを示す模式図ある。前記実施形態に係る液状化対策構造の算定モデルについて変形係数と荷重点の位置の関係を示す図である。前記実施形態に係る液状化対策構造の地中壁と荷重伝達体との接合部分を示す水平断面図である。本発明の第２実施形態に係る液状化対策構造の平面図である。前記実施形態に係る液状化対策構造の縦断面図である。本発明の第３実施形態に係る液状化対策構造の平面図である。前記実施形態に係る液状化対策構造の縦断面図である。本発明の第４実施形態に係る液状化対策構造の平面図である。本発明の第５実施形態に係る液状化対策構造の平面図である。本発明の第６実施形態に係る液状化対策構造の縦断面図である。本発明の第７実施形態に係る液状化対策構造の平面図である。本発明の第８実施形態に係る液状化対策構造の地中壁と荷重伝達体との接合部分を示す水平断面図である。本発明の第９実施形態に係る液状化対策構造の地中壁と荷重伝達体との接合部分を示す水平断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１および図２は、本発明の第１実施形態に係る液状化対策構造１の平面図および縦断面図である。

液状化対策構造１は、地中に構築された地下躯体１１を有する構造物としての建物１０と、この建物１０の直下の地盤２を囲んで、地下躯体１１の外側で地中に構築された地中壁２０と、地下躯体１１の外壁面１３と地中壁２０の内壁面２２との間に設けられた荷重伝達体としてのコンクリート体３０と、を備える。

建物１０は、略直方体形状の直接基礎の建物であり、地盤２中に構築された地下躯体１１と、この地下躯体１１の上に構築された地上躯体１２と、を備える。
建物１０の側面は、外壁面１３となっている。

地中壁２０は、平面視では、地下躯体１１の外壁面１３よりも外側に構築された矩形枠状である。この地中壁２０は、平面視で直線状に延びる４つの直線部２３で構成される。したがって、この地中壁２０の入隅部２１は、直線部２３同士が交差する４箇所となっている。
また、平面視で、地下躯体１１の外壁面１３と地中壁２０の内壁面２２との間には、隙間が形成されている。

各コンクリート体３０は、地中壁２０の４箇所の入隅部２１に設けられる。つまり、コンクリート体３０の非荷重伝達領域は、地中壁２０の長さ方向の中央付近に設けられている。
このコンクリート体３０建物１０からの建物慣性力を地中壁２０に伝達するものである。
コンクリート体３０は、ここでは、無筋コンクリートであり、このコンクリート体３０の水平方向の軸剛性およびせん断剛性は、地中壁２０の水平方向の軸剛性およびせん断剛性より大きくなっている。

また、このコンクリート体３０は、平面視で略Ｌ字形状であり、平面視で入隅部２１から直線状に２方向に延びている。ここで、このコンクリート体３０の入隅部２１から各先端までの直線長さをＬとすると、コンクリート体３０の全長は、２Ｌとなる。

平面視で、地中壁２０の長辺方向（桁行方向）の長さをＬ_Ｘ、短辺方向（梁間方向）の長さをＬ_Ｙとすると、コンクリート体３０の入隅部２１から各先端までの長さＬは、それぞれの方向について、Ｌ_Ｘ／４以下、Ｌ_Ｙ／４以下であることが好ましい。
これは、建物慣性力を地中壁に伝達させる際、地中壁の中央付近よりも入隅部の方が、地中壁が面外曲げ変形しにくく、建物からの力が伝わりやすいからである。

以下、地中壁について建物からの力が伝わりやすい位置を検討した。
まず、図３に示すように、地中壁の１つの構面を取り出して、両端固定梁としてモデル化したものを算定モデルとする。

次に、モデル化した地中壁の荷重点に、地中壁の内側から外側に向かって水平方向の集中荷重を作用させる。そして、荷重点におけるたわみ量を求めて、変形係数（荷重を地中壁の面外曲げ変形によるたわみ量で除した値）を算定する。
次に、変形係数が大きいほど、建物からの荷重が伝わりやすいと考えられるので、変形係数の大小を比較して、荷重を作用させる位置（荷重点）の違いが荷重の伝わりやすさに及ぼす影響を評価した。

図４は、モデル化した地中壁について変形係数kと荷重点の位置xの関係を示す図である。
図４より、変形係数ｋは、荷重を作用させる荷重点が地中壁中央に位置する場合が最も小さく、荷重点が端部に近づくほど大きくなることが判る。例えば、変形係数ｋは、荷重点を地中壁の全長Ｌｘ、Ｌｙの１／４の位置とした場合、荷重点を地中壁中央の位置とした場合の２倍以上となっている。よって、地中壁の端部に近いほど、地中壁が面外曲げ変形しにくく、建物からの力の伝達効率が高くなると考えられる。

以上のように、建物１０と地中壁２０との間に設けるコンクリート体３０の断面形状は、建物１０と地中壁２０との間の全長に亘って設けなくても、建物１０を囲む地中壁２０の入隅部２１のみに設けることで、地震時における建物慣性力を地中壁２０に伝達させることができるような形状とする。

図５は、地中壁２０とコンクリート体３０との接合部分を示す水平断面図である。
地中壁２０は、鉛直方向に延びる円柱状のセメント系の地盤改良体２４を水平方向に連続して形成したものである。この地盤改良体２４は、機械撹拌式の深層（または中層）混合処理工法により造成される。
また、地中壁２０に密着してコンクリート体３０が造成されている。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）地中壁２０により建物１０直下の地盤２の地震時における変形を拘束し、地盤２のせん断変形を抑止するとともに、地盤２に対して上から建物１０の重量を加えて、地盤の初期有効応力を増加させる。これにより、建物１０および地中壁２０で囲まれた地盤２の液状化を防止する。

また、地下躯体１１の外壁面１３と地中壁２０の内壁面２２との間に、非荷重伝達領域を有するコンクリート体３０を設けた。よって、地震時における建物１０の慣性力を、コンクリート体３０を介して地中壁２０に伝達させることで、建物１０の直下の地盤２に入力される外荷重を低減できる。
その結果、地盤２の地震時のせん断応力が低減し、液状化抑制効果をさらに高めることができる。
また、建物１０の直下の地盤２を囲んで地中壁２０を設けたので、従来のように構造物直下の地盤内に格子状に地中壁を設けないから、低コストで地中壁２０を構築できる。

また、コンクリート体３０を地中壁２０の入隅部２１に設けた。入隅部２１は、直線部２３同士が交差する箇所であり、変形しにくい部分であるため、地震時の建物１０の水平荷重を地中壁２０に伝達しやすい。

また、コンクリート体３０には、非荷重伝達領域を地中壁２０の中央付近に設けており、地中壁２０の入隅部２１で建物１０に力が伝わるようにした。地中壁２０の入隅部２１では、大きな応力が発生しやすいが、この入隅部２１で力を伝えることで、コンクリート体３０と地中壁２０とが一体化されて入隅部２１が補強されるから、入隅部２１の剛性が向上し、入隅部２１が損傷するのを防止できる。

〔第２実施形態〕
図６および図７は、本発明の第２実施形態に係る液状化対策構造１Ａの平面図および縦断面図である。
本実施形態では、コンクリート体３０Ａの大きさが、第１実施形態と異なる。
すなわち、コンクリート体３０Ａの入隅部２１から先端までの長さＬ１は、コンクリート体３０の入隅部２１から先端までの長さＬよりも大きく、コンクリート体３０Ａの高さＨ１は、コンクリート体３０の高さＨよりも大きくなっている。

本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（２）コンクリート体３０Ａの入隅部２１から先端までの長さＬ１、高さをＨ１としたので、コンクリート体３０から地中壁２０に作用する力を、より十分に分散して地中壁２０に伝達でき、地中壁２０の一部に応力が集中するのを回避して、地中壁２０の損傷を確実に防止できる。また、コンクリート体３０から建物１０に作用する力を、より十分に分散して建物１０に伝達でき、建物１０の一部に応力が集中するのを回避して、建物１０の損傷を確実に防止できる。
建物１０の応力が厳しくなる場合には、Ｌ１を建物柱間隔以上とし、地中壁２０の応力が厳しくなる場合には、Ｈ１を建物の根入れ深さ以上とするのが有効である。

〔第３実施形態〕
図８および図９は、本発明の第３実施形態に係る液状化対策構造１Ｂの平面図および縦断面図である。
本実施形態では、地中壁２０を高圧噴射撹拌工法により造成したセメント系の地盤改良体２５で構成する点、および、荷重伝達体として鋼矢板３１を設けた点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、入隅部２１について、建物１０に近接して鋼矢板３１を打ち込み、その後、鋼矢板３１の外側に固化材を吹き付けながら、高圧噴射撹拌工法により地盤改良体２５を造成する。これにより、鋼矢板３１と地盤改良体２５とを一体化させる。
本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（３）建物１０と地中壁２０との隙間を小さくできるので、建物１０周囲のスペースが狭い場合であっても、液状化対策構造１Ｂを構築できる。

〔第４実施形態〕
図１０は、本発明の第４実施形態に係る液状化対策構造１Ｃの平面図である。
本実施形態では、地中壁２０の一部を、機械撹拌式の深層混合処理工法により造成された地盤改良体２４で構成した点が、第３実施形態と異なる。
すなわち、地中壁２０のうち、鋼矢板３１が設けられる部分を、高圧噴射撹拌工法により造成した地盤改良体２５で構成し、鋼矢板３１が設けられない部分を、機械撹拌式の深層混合処理工法により造成された地盤改良体２４で構成する。

本実施形態によれば、上述の（１）、（３）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（４）機械撹拌式の深層混合処理工法は、高圧噴射撹拌工法に比べて、コストが安く、発生汚泥が少ない。地中壁２０の一部を機械撹拌式の深層混合処理工法により造成された地盤改良体２４で構成したので、より低コストで液状化対策構造１Ｃを構築できる。

〔第５実施形態〕
図１１は、本発明の第５実施形態に係る液状化対策構造１Ｄの平面図である。
本実施形態では、地中壁２０の入隅部２１を地盤改良体２４でさらに補強した点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、地中壁２０の入隅部２１の外側に、さらに、機械撹拌式の深層混合処理工法により地盤改良体２４を造成する。

本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（５）地中壁２０の入隅部２１の外側を地盤改良体２４で補強したので、コンクリート体３０による補強と地盤改良体２４による補強の両方の補強効果が得られるので、地中壁２０の耐震性を向上できる。

〔第６実施形態〕
図１２は、本発明の第６実施形態に係る液状化対策構造１Ｅの縦断面図である。
本実施形態では、建物１０Ｅの基礎をパイルドラフト基礎とした点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、パイルドラフト基礎は、杭１４による杭基礎と、べた基礎と、を併用した基礎である。

本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（６）建物１０Ｅの基礎をパイルドラフト基礎としたので、杭１４により建物１０Ｅの沈下を抑制できる。

〔第７実施形態〕
図１３は、本発明の第７実施形態に係る液状化対策構造１Ｆの平面図である。
本実施形態では、建物１０と地中壁２０との隙間の一部に粒状体４１を設けた点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、建物１０と地中壁２０との隙間のうちコンクリート体３０を設けていない部分には、砕石などの透水性の高い粒状体４１が設けられている。

本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（７）建物１０と地中壁２０との隙間の一部に粒状体４１を設けたので、地震時に、建物１０の直下の地盤２で増加した水圧を円滑に消散させることができる。

〔第８実施形態〕
図１４は、本発明の第８実施形態に係る液状化対策構造１Ｇについて、地中壁としてのＳＭＷ壁５０とコンクリート体３０との接合部分を示す水平断面図である。
本実施形態では、地中壁としてのＳＭＷ壁５０を設けた点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、ＳＭＷ壁５０は、土とセメントスラリーを混合攪拌して造成した壁体５１と、この壁体５１に水平方向に所定間隔おきに打ち込まれた複数本の芯材５２と、を備える。
芯材５２は、略鉛直方向に延びるＨ形鋼であり、この芯材５２の表面に繋ぎ材としてのスタッド５３が複数本溶接されており、これらスタッド５３の先端は、コンクリート体３０内に埋め込まれている。

本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（８）地中壁としてのＳＭＷ壁５０の芯材５２に、スタッド５３を打ち込んだので、ＳＭＷ壁５０とコンクリート体３０とを一体化して、ＳＭＷ５０をより確実に補強できる。

〔第９実施形態〕
図１５は、本発明の第９実施形態に係る液状化対策構造１Ｈについて、地中壁２０の地盤改良体２４とコンクリート体３０との接合部分を示す水平断面図である。
本実施形態では、地中壁２０の地盤改良体２４に繋ぎ材としての鉄筋４０を差し込んだ状態で、コンクリート体３０を造成した点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、鉄筋４０によって、地盤改良体２４とコンクリート体３０とが一体化し、地盤改良体２４とコンクリート体３０の間にせん断力や引張力が掛かっても、分離しにくくなっている。

本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（９）地中壁２０の地盤改良体２４とコンクリート体３０が鉄筋４０で繋がっているので、地中壁２０とコンクリート体３０の一体化がより強固となり、地中壁２０をより確実に補強できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上述の各実施形態では、地中壁２０を、機械撹拌式の深層混合処理工法により造成されたセメント系の地盤改良体２４、高圧噴射撹拌工法により造成したセメント系の地盤改良体２５、あるいは、ＳＭＷ壁５０により構成したが、これに限らず、鉄筋コンクリートで構成してもよい。

また、荷重伝達体を、無筋のコンクリート体３０や、鋼矢板３１としたが、これに限らず、鉄筋コンクリート、流動化処理土、セメント系の地盤改良体、モルタル、Ｈ形鋼、山留め材等としてもよい。

Ｄ…地中壁の壁厚
Ｈ、Ｈ１…コンクリート体の高さ
Ｌ、Ｌ１…コンクリート体の水平断面視における長辺の長さ
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ…液状化対策構造
２…地盤
１０、１０Ｅ…建物（構造物）
１１…地下躯体
１２…地上躯体
１３…外壁面
１４…杭
２０…地中壁
２１…入隅部
２２…内壁面
２３…直線部
２４、２５…地盤改良体
３０、３０Ａ…コンクリート体（荷重伝達体）
３１…鋼矢板（荷重伝達体）
４０…鉄筋（繋ぎ材）
４１…粒状体
５０…ＳＭＷ壁（地中壁）
５１…壁体
５２…芯材
５３…スタッド

Claims

地下躯体を有する平面矩形状の構造物と、
当該構造物の直下の地盤を囲んで構築された矩形枠状の地中壁と、
前記構造物の地下躯体と前記地中壁の内壁面との間に設けられた荷重伝達体と、を備え、
当該荷重伝達体は、前記地中壁の入隅部から当該地中壁に沿って２方向に延びる平面視で略Ｌ字形状のコンクリート体であり、
前記構造物の桁行方向および梁間方向の中央付近には、隙間あるいは充填された粒状体からなる非荷重伝達領域が設けられることを特徴とする液状化対策構造。
前記荷重伝達体と前記地中壁とは、繋ぎ材で一体化されており、
前記略Ｌ字形状のコンクリート体の入隅部から各先端までの長さは、前記地中壁の長辺方向または短辺方向の長さの１／４以下であることを特徴とする請求項１に記載の液状化対策構造。
前記荷重伝達体の剛性は、前記地中壁の剛性より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の液状化対策構造。