JP7355680B2 - 杭基礎改良地盤の液状化評価方法および杭基礎地盤改良工法 - Google Patents

Description

本発明は、杭基礎改良地盤の液状化評価方法および杭基礎地盤改良工法に関する。

従来、地盤の液状化防止対策として、地盤内にセメント系改良によって平面視で格子状の壁を作成することで、格子内の原地盤を拘束し、地震時の地盤のせん断ひずみを低減する工法が知られている。

このような液状化防止を行った改良地盤の液状化の評価方法としては、例えば特許文献１に示されるように、地盤改良壁と原地盤を合わせたときの剛性を簡単に求める方法がある。
特許文献１には、地盤改良体が原地盤内に平面視で周期的に配設されてなる改良地盤の等価せん断波速度と当該改良地盤の地盤改良率との相関関係を示す等価せん断波速度グラフを用いて、当該改良地盤上に構築される建屋の地震応答を評価する方法が提案されている。

特開２００７－１７０９０４号公報

ところで、従来では、地盤に打設されている杭を液状化対策として利用することは行われていない。そこで、このような杭を考慮した地盤改良における具体的な液状化の評価方法が求められており、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、杭基礎を考慮した改良地盤の液状化を効率よく評価できる杭基礎改良地盤の液状化評価方法および杭基礎地盤改良工法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る杭基礎改良地盤の液状化評価方法は、杭基礎を格子状地盤改良体で拘束した杭基礎改良地盤における液状化の可能性について評価するための杭基礎改良地盤の液状化評価方法であって、改良形状をパイル状に改良したパイル状地盤改良体の等価せん断速度より得られた第１算定チャートを作成する工程と、前記格子状地盤改良体の等価せん断速度より得られた第２算定チャートを作成する工程と、前記第１算定チャートを使用して前記パイル状地盤改良体の材料値を前記杭基礎の材料値に変換し、前記杭基礎と原地盤の剛性をもつせん断応力τとひずみγの関係を求める工程と、前記第２算定チャートを使用して前記格子状地盤改良体のせん断応力τとひずみγの関係を求める工程と、前記杭基礎と原地盤の剛性をもつせん断応力τとひずみγの関係、及び前記格子状地盤改良体のせん断応力τとひずみγの関係に基づいて、改良前後の地盤に生じるせん断応力比からなる液状化安全率を求める工程と、前記せん断応力比の大きさに基づいて液状化の有無を判定する工程と、を有することを特徴としている。

また、本発明に係る杭基礎地盤改良工法は、上述した杭基礎改良地盤の液状化評価方法を用いて前記杭基礎改良地盤を構築する杭基礎地盤改良工法であって、原地盤に前記杭基礎を打設する工程と、該杭基礎を格子状に囲むように格子状地盤改良体を構築する工程と、を有することを特徴としている。

本発明では、パイル状地盤改良体に基づく第１算定チャートを杭基礎の材料値に置き換えて補正したものを使用して液状化を評価できる。すなわち、液状化安全率を求める際に、杭基礎の剛性を考慮して原地盤の見掛け上の強度を高めて計算することができる。
これにより、本発明では、杭基礎と格子状地盤改良体とを組み合わせた杭基礎改良地盤の剛性を簡単な方法により求めることができ、杭基礎の効果を考慮した杭基礎改良地盤であっても液状化を評価できる。しかも、従来使用されるパイル状地盤改良体の第１算定チャートを利用して、杭基礎の材料値に変換するといった簡単な方法により液状化安全率を求めることができ、効率よく液状化を評価することができる。

また、本発明に係る杭基礎改良地盤の液状化評価方法は、前記杭基礎は、既存杭であることを特徴としてもよい。

この場合には、既存杭と格子状地盤改良体とを組み合わせた杭基礎改良地盤を構築する際に、上述した液状化評価方法を用いて液状化を評価することができる。この場合には、新たな杭基礎を打設することなく施工できるので、効率的かつ剛性の高い改良地盤を構築することができる。

本発明の杭基礎改良地盤の液状化評価方法および杭基礎地盤改良工法によれば、杭基礎を考慮した改良地盤の液状化を効率よく評価できる。

本発明の実施形態による液状化評価方法を適用する杭基礎改良地盤を模式的に示した斜視図である。 図１に示す杭基礎改良地盤の平面図である。 パイル状地盤改良体を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 格子状地盤改良体を模式的に示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 図３に示すパイル状地盤改良体の等価せん断波速度グラフである。 図４に示す格子状地盤改良体の等価せん断波速度グラフである。 改良地盤の液状化検討フローの一例を示す図である。 改良前後の改良地盤の液状化安全率（ＦＬ値）を示す図である。

以下、本発明の実施形態による杭基礎改良地盤の液状化評価方法および杭基礎地盤改良工法について、図面に基づいて説明する。

本実施形態による杭基礎改良地盤１の液状化評価方法は、図１及び図２に示すように、例えば鋼管杭やコンクリート杭等の複数の既存杭２（杭基礎）が施工されている原地盤Ｇにおいて、地盤改良により平面視で格子状となる格子状地盤改良体３を形成した杭基礎改良地盤１を対象として液状化を評価するものである。格子状地盤改良体３は、既存杭２を囲うような複数の格子が形成されている。既存杭２は、円柱状に形成されている。
なお、本実施形態では杭基礎として既存杭２を対象としているが、新設杭を本実施形態の液状化評価方法による杭基礎の適用対象としてもよい。

先ず、杭基礎改良地盤１の等価せん断波速度グラフを作成する。本実施形態では、既存杭２の形状や格子状地盤改良体３の改良形状が選択される。具体的には、図３（ａ）、（ｂ）に示すように改良形状をパイル状に改良したパイル状地盤改良体４の等価せん断速度より得られた第１算定チャート（図５参照）を作成するとともに、図４（ａ）、（ｂ）に示すように格子状地盤改良体３の等価せん断速度より得られた第２算定チャート（図６参照）を作成する。
これら算定チャートは、改良体の形状に応じて、原地盤Ｇと地盤改良体３、４の等価剛性を求めるために使用される。

図５に示す第１算定チャートは、図３（ａ）、（ｂ）に示すパイル状地盤改良体４において、ミクロスケールで表される周期構造モデルを用いて等価せん断波速度Ｖ_{ｓ_ｅｑ}を求め、算定チャート化したものである。パイル状地盤改良体４の場合には、パイル状地盤改良体４の半径ｒを変えて計算している。第１算定チャートに示す曲線群は、パイル形状に応じた特性を示し、地盤改良率Ｒ（％）の増加に対する等価せん断波速度Ｖ_{Ｓ_ｅｑ}の増加率は小さく、例えばＲ＝６０％で原地盤の２倍程度の等価せん断波速度Ｖ_{Ｓ_ｅｑ}にしかかならい。地盤改良率Ｒは、地盤改良体の面積／改良地盤の全面積である。

図６に示す第２算定チャートは、格子状地盤改良体３において、ミクロスケールで表される周期構造モデルを用いて等価せん断波速度Ｖ_{Ｓ_ｅｑ}を求め、算定チャート化したものである。格子状地盤改良体３の場合には、格子状地盤改良体３の格子幅方向の厚さｔを変えて計算している。第２算定チャートに示す曲線群は、格子形状に応じた特性を示し、全体剛性に対する顕著な改良形状効果が生じている。

各算定チャートにおけるａおよび地盤改良率Ｒを設定して単位周期構造体の弾性マトリックスＣおよび応答変位ベクトルＸを力学的あるいは解析的に求め、（１）式を用いて地盤改良体の等価弾性マトリックスＣ^Ｈを算出する。なお、図中のａは、（地盤改良体のせん断波速度Ｖ_ＳＩ／原地盤のせん断波速度Ｖ_ＳＧ）である。
次に、等価弾性マトリックスＣＨの成分として得られた地盤改良体の等価せん断弾性係数Ｇ^Ｈを用いて（２）式から地盤改良体の等価せん断波速度Ｖ^Ｈを算出する。
ここで、（１）式、（２）式において、Ｃは上記の通り単位周期構造体の弾性マトリックス、Ｉは単位マトリックス、Ｘは上記の通り単位周期構造体に単位マクロひずみを作用させたときの応答変位ベクトル、ｙはミクロスケール、Ｙは単位周期構造体の領域、ρは改良地盤の平均密度である。そして、単位マクロひずみとは、改良地盤の平均ひずみを１とすることをいう。

続いて、ａおよび地盤改良率Ｒを順次、変えて改良地盤の等価せん断波速度Ｖ^Ｈを算出し、ａをパラメータとして、改良地盤の等価せん断波速度Ｖ^Ｈと当該改良地盤の地盤改良率との相関関係を示す曲線群を求めることにより、選択した改良形状に対応する等価せん断波速度グラフを得ることができる。

図５及び図６に示す等価せん断波速度グラフを利用する場合は、（地盤改良体のせん断波速度Ｖ_ｓＩ／原地盤のせん断波速度Ｖ_ｓＧ）を先ず設定し、等価せん断波速度グラフを用いて最適なａと地盤改良率Ｒの組合せを設計的観点から選択することになる。例えば、パイル状地盤改良体４の場合、改良地盤の等価せん断波速度Ｖ^Ｈを原地盤の約１．４倍に設定すると、図５よりａ＝４～２０の範囲において地盤改良率を３５％とすればよいことがわかる。

ここで、本実施形態による杭基礎改良地盤１の液状化評価方法は、一例として図７に示すような改良地盤における液状化検討フローを用いることができる。図７に示す液状化検討フローは、「格子状改良体で拘束された砂地盤の簡易液状化評価法」（土木学会論文集Ｃ（地圏工学）、ｖｏｌ．６８、Ｎｏ．２、２９７－３０４、２０１２）である。このような図７に示す液状化検討フローを用いてもよいし、他の液状化検討フローを採用することも可能ある。なお、図７に示す液状化検討フローは、上述した文献に記載されているので、ここでは詳しい説明を省略する。

次に、図５に示す第１算定チャートを使用してパイル状地盤改良体４の材料値を既存杭２の材料値に変換し、図８に示すように、既存杭２と原地盤Ｇの剛性をもつせん断応力τとひずみγの関係（図８に示すＳ２の曲線）を求める。具体的には、パイル状地盤改良体４の第１算定チャートのせん断波速度Ｖ_ＳＩに関して、パイル状地盤改良体４の材料に代えて既存杭２の材料のものを使用する。例えば、既存杭２のせん断波速度Ｖ_ＳＩが２０００ｍ／ｓで、パイル状地盤改良体４が５００ｍ／ｓの場合、比率ａは、既存杭２の場合にはパイル状地盤改良体の場合の４倍になる。

次に、等価繰り返しせん断応力比（τ_ｄ／σ´_ｖ）を算定する。地震時に地盤に生じるせん断応力τ_ｄは地震応答解析などから算定する。そして、拘束された地盤のせん断ひずみγ_Ｉを算定する。そして、上記で求めたせん断応力τ_ｄに対する初期せん断ひずみγ_Ｉを（３）式により求める。ここで、Ｇ_ｅｑは、格子状地盤改良体３の等価なせん断剛性である。

（３）式により得られた初期せん断ひずみγ_Ｉの値に応じて図５の第１算定チャートにより格子状地盤改良体３の等価なせん断剛性Ｇ_ｅｑを求める。そして、このサイクルをγ_Ｉが収束するまで数度繰り返し、γ_Ｉ＝γ_{Ｉ_ｅｑ}を決定する。ここで、γ_{Ｉ_ｅｑ}は、改良地盤に生じる等価な初期せん断ひずみである。

次に、図８に示すように、改良前後の液状化安全率（ＦＬ値）を求める。即ち、既存杭２と原地盤Ｇの剛性をもつせん断応力τとひずみγの関係（図８のＳ２の曲線）、及び第２算定チャートから得られる格子状地盤改良体３のせん断応力τとひずみγの関係（図８のＳ３の曲線）に基づいて、改良前後の地盤に生じるせん断応力比（τ／σ´_ｖ）からなる液状化安全率を求める。

具体的には、上記で求めた改良地盤の等価な初期せん断ひずみγ_{Ｉ_ｅｑ}および液状化が発生する初期せん断ひずみγ_{Ｉ_Ｉｑ}から対応するせん断応力比（τ／σ´_ｖ）を求める。

図８に示すように、原地盤Ｇの液状化に達するひずみγ_{Ｉ_Ｉｑ}が変わらないように、液状化強度を補正する。図８のグラフは、横軸に変形（ひずみγ_Ｉ）、縦軸にせん断応力比（τ／σ´_ｖ）を示している。ここでは、原地盤Ｇに液状化が発生するせん断ひずみγ_Ｉ＿Ｉｑが既存杭２の有無に関係なく変わらないと仮定するものであり、液状化時に地盤に生じる応力が大きくなると仮定する。つまり、原地盤Ｇに液状化が発生するせん断ひずみγ_Ｉ＿Ｉｑのとき、液状化時に地盤に生じる応力は、原地盤Ｇのτ－γ関係のグラフＳ１ではなく、原地盤Ｇと既存杭２の剛性をもつ地盤のτ－γ関係のグラフＳ２による数値に基づいて求める。

なお、均質化法の仮定として、杭が周囲の地盤と一体となってせん断変形するものとしているが、実際には杭は地盤と同じせん断変形はせず、曲げ材として変形するので、均質化された複合地盤のせん断剛性は比較的過大に評価される。

次に、図８に基づいて、せん断応力比の大きさに基づいて液状化の有無を判定する。ここで、ＦＬ値は、液状化が発生するせん断応力τ_Ｉｑに対する改良前後の地盤のせん断応力の比（τ／σ´_ｖ）である。

改良前では、外力（等価繰返しせん断応力比：τ_ｄ／σ´_ｖ）の方が、液状化強度（液状化時に地盤に生じるせん断応力比：τ_Ｉｑ／σ´_ｖ）より大きいため液状化のおそれがある（ＦＬ値＜１）と判定される場合においても、適切な改良後では、外力によって生じるせん断ひずみが改良の効果により小さくなり、原地盤Ｇに生じるせん断応力比（τ_ｅｑ／σ´_ｖ）が液状化強度より小さくなり、液状化の恐れがない（ＦＬ値＞１）と判定される。

次に、上述した杭基礎改良地盤の液状化評価方法および杭基礎地盤改良工法の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態では、図８に示すように、パイル状地盤改良体４に基づく第１算定チャートを既存杭２の材料値に置き換えて補正したものを使用して液状化を評価できる。すなわち、液状化安全率を求める際に、既存杭２の剛性を考慮して原地盤Ｇの見掛け上の強度を高めて計算することができる。

これにより、本実施形態では、既存杭２と格子状地盤改良体３とを組み合わせた杭基礎改良地盤１の剛性を簡単な方法により求めることができ、既存杭２の効果を考慮した杭基礎改良地盤１であっても液状化を評価できる。しかも、図５に示す従来使用されるパイル状地盤改良体４の第１算定チャートを利用して、既存杭２の材料値に変換するといった簡単な方法により液状化安全率を求めることができ、効率よく液状化を評価することができる。

また、本実施形態では、杭基礎として既存杭２を採用しているので、既存杭２と格子状地盤改良体３とを組み合わせた杭基礎改良地盤１を構築する際に、本実施形態の液状化評価方法を用いて液状化を評価することができる。この場合には、新たな杭基礎を打設することなく施工できるので、効率的かつ剛性の高い改良地盤を構築することができる。

上述のように本実施形態による杭基礎改良地盤の液状化評価方法および杭基礎地盤改良工法では、杭基礎を考慮した改良地盤の液状化を効率よく評価できる。

以上、本発明による杭基礎改良地盤の液状化評価方法および杭基礎地盤改良工法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態で対象としている杭基礎２は、既存杭、新設の基礎杭のいずれかを対象とすることも可能である。
また、杭基礎として、円柱形状のものに限定されることはなく、断面視で矩形状の杭であってもかまわない。

また、上述した実施形態では、格子状地盤改良体３の１つの格子の中に１本の基礎杭（杭基礎）が配置された一例であるが、１つの格子の中に複数本の杭基礎が配置される場合にも適用可能である。この場合の液状化評価方法として、例えば、パイル状地盤改良体４に基づく第１算定チャート（図５参照）と、格子状地盤改良体３に基づく第２算定チャート（図６参照）をそれぞれ独立して算定することにより液状化評価を実施することができる。すなわち、複数の杭基礎の杭種が同じ場合は、近似的には、格子内地盤の面積に対する複数本の杭面積で改良率を決めてパイル状地盤改良体４に基づく第１算定チャートを使用して計算することができる。また、複数杭の杭種が異なる場合（例えば、第１既存杭Ａ、第２既存杭Ｂ）には、近似的には、杭剛性を単純に（第１既存杭Ａ＋第２既存杭Ｂ）／２とし、格子内地盤との面積比で剛性を決めて同様に計算することができる。なお、格子間に複数本の杭基礎が配置される場合の第１算定チャートを使用した計算方法は、これに限定されることはなく、適宜な算定方法を採用することができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 杭基礎改良地盤
２ 既存杭（杭基礎）
３ 格子状地盤改良体
４ パイル状地盤改良体
Ｇ 原地盤

Claims (3)

1. 杭基礎を格子状地盤改良体で拘束した杭基礎改良地盤における液状化の可能性について評価するための杭基礎改良地盤の液状化評価方法であって、
   改良形状をパイル状に改良したパイル状地盤改良体の等価せん断速度より得られた第１算定チャートを作成する工程と、
   前記格子状地盤改良体の等価せん断速度より得られた第２算定チャートを作成する工程と、
   前記第１算定チャートを使用して前記パイル状地盤改良体の材料値を前記杭基礎の材料値に変換し、前記杭基礎と原地盤の剛性をもつせん断応力τとひずみγの関係を求める工程と、
   前記第２算定チャートを使用して前記格子状地盤改良体のせん断応力τとひずみγの関係を求める工程と、
   前記杭基礎と原地盤の剛性をもつせん断応力τとひずみγの関係、及び前記格子状地盤改良体のせん断応力τとひずみγの関係に基づいて、改良前後の地盤に生じるせん断応力比からなる液状化安全率を求める工程と、
   前記せん断応力比の大きさに基づいて液状化の有無を判定する工程と、
   を有することを特徴とする杭基礎改良地盤の液状化評価方法。
2. 前記杭基礎は、既存杭であることを特徴とする請求項１に記載の杭基礎改良地盤の液状化評価方法。
3. 請求項１又は２に記載の杭基礎改良地盤の液状化評価方法を用いて前記杭基礎改良地盤を構築する杭基礎地盤改良工法であって、
   原地盤に前記杭基礎を打設する工程と、
   該杭基礎を格子状に囲むように格子状地盤改良体を構築する工程と、
   を有することを特徴とする杭基礎地盤改良工法。
   

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