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明細書 :液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5382900号 (P5382900)
公開番号 特開2007-262815 (P2007-262815A)
登録日 平成25年10月11日(2013.10.11)
発行日 平成26年1月8日(2014.1.8)
公開日 平成19年10月11日(2007.10.11)
発明の名称または考案の名称 液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法
国際特許分類 E02D  27/34        (2006.01)
E02D   3/12        (2006.01)
FI E02D 27/34 Z
E02D 3/12 101
E02D 3/12 102
請求項の数または発明の数 1
全頁数 15
出願番号 特願2006-091772 (P2006-091772)
出願日 平成18年3月29日(2006.3.29)
審査請求日 平成20年8月3日(2008.8.3)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】000173784
【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所
発明者または考案者 【氏名】澤田 亮
【氏名】渡辺 健治
個別代理人の代理人 【識別番号】100099704、【弁理士】、【氏名又は名称】久寶 聡博
参考文献・文献 特開平6-306847(JP,A)
特公平5-52366(JP,B2)
特開昭61-5114(JP,A)
特開平11-21870(JP,A)
調査した分野 E02D 27/34
E02D 3/12
特許請求の範囲 【請求項1】
地盤を地表面から開削して掘削空間を形成し、次いで、該掘削空間の底部に地中構造物を設置し、次いで、幅が該地中構造物の水平幅と同等又はそれ以下となるようにかつ前記地中構造物に隣接するように該地中構造物の上に固化領域を形成することを特徴とする液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、地震時の液状化現象によりトンネルが浮き上がるのを防止する液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法に関する。
【背景技術】
【0002】
地震時に起こる液状化は、地震によって地盤に水平振動が作用したときに該地盤のせん断変形によって砂粒子間の間隙水圧が上昇し、その間隙水圧上昇に伴って有効応力がゼロになり砂粒子間で応力伝達ができなくなって流動性が高くなり、やがては鉛直支持力を失って建物の倒壊を招く現象であり、言うまでもなく、緩い飽和砂質地盤で起こりやすい(以下、液状化が発生しやすい地盤を液状化地盤と言う)。
【0003】
かかる液状化による被害の甚大さは、我が国では古くは新潟地震から強く認識されるようになり、従来からさまざまな液状化対策が研究開発されてきた。
【0004】
典型的な液状化対策としては、既設構造物が地盤上に立設されている場合、その下方に拡がる液状化地盤の広い範囲に薬剤注入等で地盤強度を向上させ、地震時のせん断変形を抑制する工法である。
【0005】

【特許文献1】特開平10-131209
【特許文献2】特開平06-346432
【特許文献3】特開平06-108478
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
一方、液状化による被害は、建物等のみならず、地盤内に構築された地中構造物にも及ぶ。すなわち、地下水位以下に構築された地中構造物は、通常時であれば、地下水位からの深さに応じた浮力を受けて地表面方向に上昇しようとするが、かかる浮力は、アンカー等で補強される場合を除き、一般的には地盤のせん断抵抗や地中構造物と地盤との摩擦抵抗で支持され、地中構造物の安定が確保される。
【0007】
しかしながら、かかる状況で地震動が入力し地中構造物の周辺地盤が液状化すると、地盤のせん断抵抗や地中構造物と地盤との摩擦抵抗が消失して地中構造物が地盤内で浮き上がり、地震動がおさまっても修復不可能な程度まで残留変位が生じる懸念があるという問題を生じていた。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、地震時において地中構造物の浮き上がりを防止可能な液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法を提供することを目的とする。
【0009】
上記目的を達成するため、本発明に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法は請求項1に記載したように、地盤を地表面から開削して掘削空間を形成し、次いで、該掘削空間の底部に地中構造物を設置し、次いで、幅が該地中構造物の水平幅と同等又はそれ以下となるようにかつ前記地中構造物に隣接するように該地中構造物の上に固化領域を形成するものである。
【0014】
既設構造物が地盤上に立設されている場合の液状化対策としては、従来技術で述べたように、既設構造物の下方に拡がる液状化地盤の広い範囲に薬剤注入等で地盤強度を向上させ、地震時のせん断変形を抑制する工法が知られている。
【0015】
また、地中構造物周囲の過剰間隙水圧をドレーン材等で消散させる、地中構造物周囲のせん断変形を鋼矢板や杭で抑制する、地中構造物周囲からの水の流入を止水壁等で防止するといった対策も知られている。
【0016】
しかしながら、これらの対策はいずれも大規模な工事が必要となり、例えばトンネルの場合においては、その長さ方向に沿って対策を施さねばならず、コストは膨大となる。
【0017】
本出願人はかかる従来技術の問題点に鑑み、さまざまな実験を積み重ねた結果、地中構造物の直下又は直上のみを地盤改良するだけで地震による残留変位を抑制することができるという新たな知見を得るに至った。
【0018】
すなわち、本発明及び参考発明に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造及び防止方法においては、地中構造物の下方又は上方に該地中構造物に隣接するようにして固化領域を設けるとともに、固化領域の水平幅を地中構造物の水平幅と同等又はそれ以下とした。
【0019】
かかる構成においては、固化領域の水平幅が地中構造物の水平幅以下となるため、地中構造物がトンネルのような数km~数十kmに及ぶものであっても、現実的な液状化対策になり得る。
【0020】
一方、このような構成を模した振動実験を行った結果、液状化による地中構造物の残留変位は、十分に抑制されることがわかった。
【0021】
地中構造物の残留変位が抑制される原理としては、地中構造物の直下に固化領域を設けた場合、地震時において地中構造物の下方が液状化しないため、地中構造物を取り囲む地盤全体の液状化の程度が小さくなるとともに、地震時において地中構造物直下に回り込む土の量も少なくなるからであると思われる。
【0022】
また、地中構造物の直上に固化領域を設けた場合、地震時において地中構造物の上方が液状化しないため、固化領域のせん断抵抗によって地中構造物の浮力が押さえ込まれるからであると思われる。
【0023】
したがって、本発明及び参考発明によれば、液状化による地中構造物の残留変位を最小限の工事で効果的に抑制することが可能となる。なお、本発明は、上述したあらたな知見のうち、地盤を地表面から開削して掘削空間を形成し、次いで、該掘削空間の底部に地中構造物を設置し、次いで、幅が該地中構造物の水平幅と同等又はそれ以下となるようにかつ前記地中構造物に隣接するように該地中構造物の上に固化領域を形成することを特徴とする液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法とする。
【0024】
固化領域は、薬液注入工法、セメント系深層混合処理工法(CDM工法)その他軟弱地盤や液状化地盤の地盤改良に用いられる公知の工法によって形成することができる。
【0025】
また、本発明に係る固化材は、薬液注入工法、セメント系深層混合処理工法(CDM工法)その他軟弱地盤や液状化地盤の地盤改良に用いられる公知の固化材(薬液含む)を適宜選択すればよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
以下、本発明に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【0027】
(第1実施形態)
【0028】
図1は、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造を示した図である。同図でわかるように、本実施形態に係る地中構造物の浮き上がり防止構造1は、地盤としての液状化地盤2内に埋設された地中構造物であるトンネル3の下方に該トンネルに隣接するようにして固化領域4を設けてなる。
【0029】
固化領域4は、液状化地盤2に薬液を注入することで構成してある。薬液については、液状化地盤を地盤改良する際に用いられる公知の薬剤から適宜選択すればよい。
【0030】
ここで、固化領域4は、その水平幅Wがトンネル3の水平幅W′と同等になるように形成してあるとともに、その高さHがトンネルの高さH′の1.25倍以上となるように形成してある。
【0031】
本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造1を構築するには、まず図2(a)に示すように、液状化地盤2を地表面11から開削して掘削空間12を形成する。
【0032】
次に同図(b)に示すように、掘削空間12の下方を薬液注入によって地盤改良し、掘削空間12の直下に固化領域4を形成する。
【0033】
次に、掘削空間12であって固化領域4の上にトンネル3を設置する。
【0034】
トンネル3は、例えばプレキャストコンクリートと現場打ちコンクリートを組み合わせて構築すればよいが、開削トンネルの構築については公知の手段から適宜採用することができるので、ここではその施工方法を省略する。
【0035】
トンネル3の構築が終了したならば、掘削空間12の残余空間を埋め戻す。
【0036】
以上説明したように、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造1及び防止方法によれば、固化領域4の水平幅Wがトンネル3の水平幅W′と同等であるため、トンネル長が数km~数十kmに及ぶ場合であっても、従来のように莫大なコストをかけることなく、液状化によるトンネル3の浮き上がり、言い換えれば液状化によるトンネル3の残留変位を修復可能な範囲に収めることが可能となる。
【0037】
本実施形態では、固化領域4の高さHがトンネルの高さH′の1.25倍以上となるように構成したが、これは振動実験から得られた一つの目安であり、実際には、支持層の深さ、土質性状、地下水位のレベルなどの数多くの要因を考慮して固化領域4の高さHを定めればよく、例えば支持層が浅い場合、必ずしも固化領域4の高さHを水平幅Wの1.25倍にする必要はなく、液状化の残留変位が抑制される限りにおいて、1.25倍より小さくてもかまわない。
【0038】
(第2実施形態)
【0039】
次に、第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【0040】
図3は、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造を示した図である。同図でわかるように、本実施形態に係る地中構造物の浮き上がり防止構造31は、液状化地盤2内に埋設されたトンネル3の上方に該トンネルに隣接するようにして固化領域32を設けてなる。
【0041】
固化領域32は、セメントスラリーを掘削土砂と攪拌混合し、これを埋め戻して形成することができる。
【0042】
ここで、固化領域32は固化領域4と同様、その水平幅Wがトンネル3の水平幅W′と同等になるように形成してあるとともに、その高さHがトンネルの高さH′の1.25倍以上となるように形成してある。
【0043】
本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造31を構築するには、まず図4(a)に示すように、液状化地盤2を地表面11から開削して掘削空間12を形成する。
【0044】
次に同図(b)に示すように、掘削空間12の底部33上にトンネル3を構築する。
【0045】
次に、トンネル3の上に固化領域32を形成する。固化領域32は上述したように、液状化地盤2を開削したときに発生した掘削土砂をセメントスラリーと混合して攪拌し、これを掘削空間12の残余空間に埋め戻して形成する。
【0046】
以上説明したように、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造31及び防止方法によれば、固化領域32の水平幅Wがトンネル3の水平幅W′と同等であるため、トンネル長が数km~数十kmに及ぶ場合であっても、従来のように莫大なコストをかけることなく、液状化によるトンネル3の浮き上がり、言い換えれば液状化によるトンネル3の残留変位を修復可能な範囲に収めることが可能となる。
【0047】
本実施形態では、固化領域32の高さHがトンネルの高さH′の1.25倍以上となるように構成したが、これは振動実験から得られた一つの目安であり、実際には、支持層の深さ、土質性状、地下水位のレベルなどの数多くの要因を考慮して固化領域32の高さHを定めればよく、例えば支持層が浅い場合、必ずしも固化領域32の高さHを水平幅Wの1.25倍にする必要はなく、液状化の残留変位が抑制される限りにおいて、1.25倍より小さくてもかまわない。
【0048】
(第3実施形態)
【0049】
次に、第3実施形態について説明する。なお、上述の実施形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【0050】
本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法においては、まず図5に示すように、液状化地盤2内に埋設されたトンネル3の底版51を穿孔して注入孔52を形成し、該注入孔から固化材としての薬液を注入することで、トンネル3の直下に固化領域4を形成する。
【0051】
なお、固化領域4については第1実施形態で既に述べたので、ここではその説明を省略する。
【0052】
以上説明したように、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法によれば、固化領域4の水平幅Wがトンネル3の水平幅W′と同等であるため、トンネル長が数km~数十kmに及ぶ場合であっても、従来のように莫大なコストをかけることなく、液状化によるトンネル3の浮き上がり、言い換えれば液状化によるトンネル3の残留変位を修復可能な範囲に収めることが可能となる。
【0053】
また、本実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法によれば、既設のトンネル3であってもその直下を上述した手順で地盤改良することによって、液状化によるトンネルの浮き上がりを抑制することが可能となる。
【0054】
本実施形態では、固化領域4の高さHがトンネルの高さH′の1.25倍以上となるように構成したが、これは振動実験から得られた一つの目安であり、実際には、支持層の深さ、土質性状、地下水位のレベルなどの数多くの要因を考慮して固化領域4の高さHを定めればよく、例えば支持層が浅い場合、必ずしも固化領域4の高さHを水平幅Wの1.25倍にする必要はなく、液状化の残留変位が抑制される限りにおいて、1.25倍より小さくてもかまわない。
【0055】
(実証試験)
【0056】
次に、本発明に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造及び防止方法を実証するために振動試験を行ったので、その概要及び結果について以下に説明する。
【0057】
振動試験を行うにあたり、内法で幅206cm×奥行き60cm×高さ101cmの形状を有し正面をガラス張りとした土槽を準備し、この土槽内に砂(珪砂6号、GS=2.652、emax=0.903、emin=0.582)を投入するとともに該砂の天端に水位面が一致するように水を飽和した。
【0058】
砂は、その流動状況が観察できるよう、ガラスと接する側に円形状に着色を施した標点を所定の間隔ごとに縦横(水平及び深さ方向)に設けるとともに、数mm程度の厚みを着色した着色層を所定深さごとに設けた。
【0059】
トンネルを模したトンネル模型は、大きさが幅40cm×奥行き59cm×高さ20cm、見掛けの比重が0.7となるようにアルミボックスで構成し、これをトンネル模型の下面が土槽底面から525mmとなるように砂内に埋設した。また、固化領域は、砂にポリマーを含浸させて比重が2となるように形成した。なお、トンネル模型及び固化領域のガラス側接触面にも縦横に標点を付した。
【0060】
また、トンネル模型を変位計を介してワイヤーで吊持し、トンネル模型の鉛直方向の変位を測定できるようにした。
【0061】
次に、図6(a)に示す時刻歴波形を有する地震動で土槽を水平に加振し、液状化の発生状況及びトンネル模型の浮き上がり性状を調べた。同図(b)は、トンネル模型の浮き上がりを時刻歴で示したグラフであり、図7乃至図11は、液状化の発生及びそれに伴うトンネル模型の浮き上がりを示した写真画像である。
【0062】
これらの図でわかるように、液状化対策を施さない場合(図7)、トンネル模型は、7秒後に58mm浮き上がり、最終的に140mm浮き上がったのに対し、固化領域の高さを10cm(トンネル模型の高さの1/2倍)にしてトンネル模型の直下に配置した場合(図8,ケース10)、7秒後に28mm浮き上がり、加振終了後の浮き上がりは125mmにとどまった。さらに固化領域の高さを25cm(トンネル模型の高さの1.25倍)に増やした場合(図9,ケース11)、7秒後に14mm浮き上がり、加振終了後の浮き上がりを86mmに抑制することができた。ケース12はケース11と同条件で行った結果であり(図10)、7秒後の浮き上がり値(13mm)及び最終浮き上がり値(86mm)とも再現性があることを確認できた。また、固化領域の高さを25cm(トンネル模型の高さの1.25倍)にしてこれをトンネル模型の直上に配置した場合(図11,ケース13)、直下に配置した場合と概ね同様、7秒後に17mm浮き上がり、加振終了後の浮き上がりを90mmに抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】第1実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造の概略図。
【図2】第1実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造を施工する手順(防止方法)を示した図。
【図3】第2実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造の概略図。
【図4】第2実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造を施工する手順(防止方法)を示した図。
【図5】第3実施形態に係る液状化による地中構造物の浮き上がり防止方法の手順を示した図。
【図6】実証試験に関するグラフであり、上段は時刻歴入力地震動を示したグラフ、下段はトンネルの浮き上がりを時刻歴で示した図。
【図7】実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像(無対策)。
【図8】実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像(ケース10)。
【図9】実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像(ケース11)。
【図10】実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像(ケース12)。
【図11】実証試験における土の液状化状況及びトンネル模型の浮き上がり状況を示した写真画像(ケース13)。
【符号の説明】
【0064】
1,31 液状化による地中構造物の浮き上がり防止構造
2 液状化地盤
3 トンネル(地中構造物)
4,32 固化領域
12 掘削空間
51 底版
52 注入孔
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10