JP7394344B2

JP7394344B2 - 液状化対策工法及び液状化対策構造

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Publication number: JP7394344B2
Application number: JP2020087463A
Authority: JP
Inventors: 充有吉; 明良泉; 栄征毛利; 俊典河端; 豊澤田
Original assignee: Kobe University NUC; National Agriculture and Food Research Organization; Ibaraki University NUC
Current assignee: Kobe University NUC; National Agriculture and Food Research Organization; Ibaraki University NUC
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2040-05-19
Also published as: JP2021181706A

Description

本発明は、液状化対策工法及び液状化対策構造に関する。

地震により埋設管の周囲の地盤材料が液状化することによって、地中に埋設された埋設管が移動することや、当該移動により生じる埋設管の接続部の離脱を防ぐ技術として、特許文献１～５に記載された技術が知られている。特許文献１及び２では、埋設管の接続部の離脱を防ぐために、離脱しやすい部分を予め補強した埋設管を用いることが記載されている。特許文献３～５には、地盤の液状化に伴い埋設管が浮上又は沈下することを防ぐために、埋設管の周囲に補強材料を注入する技術が記載されている。

特開２００２－２７６８５３号公報特開２００５－１６３８９７号公報特開２０１６－１７３４１号公報特開平７－２８６３５６号公報特開２０１３－１６４１０３号公報

農業用パイプラインのように内部に水が流れる管において、屈曲した部分のように水の流れが変化する箇所には、水の流れの変化により生じるスラスト力が作用する。管が略水平方向に延伸して埋設されている場合には、スラスト力は略水平方向に生じるものであり、管を浮上又は沈下させる力とは異なっている。地中に埋設された埋設管では、土圧や土と管との摩擦力が反力となるため、スラスト力が作用しても埋設管の変形部は移動しないようになっている。

しかしながら、地震により埋設管の周囲が液状化すると、土圧や土と管との摩擦力が減少してスラスト力に抵抗できなくなり、変形部が移動しやすくなってしまう。変形部が移動してしまうと、埋設管の接続部の離脱や管の破損に繋がる。地中における埋設管の接続部の離脱や管の破損は、農業用水の供給に支障を来たすだけでなく、漏水に伴う地盤流亡や交通障害等の二次被害に繋がる場合もある。そのため、土圧の減少に伴う埋設管の移動及び接続部の離脱を防ぐ技術が求められている。

特許文献１及び２に記載された技術は、離脱しやすい変形部を補強した上で管を埋設する技術であるため、地中に既に埋設されている既設管に適用することはできない。また、特許文献３～５に記載された技術は、地盤の液状化に伴う埋設管の浮上又は沈下を防止する技術であり、略水平方向に作用するようなスラスト力の影響を防ぐことはできない。

本発明の一態様は、埋設管に液状化対策を施すことでスラスト力の影響による埋設管の移動を防ぎ、埋設管の接続部の離脱を防ぐことを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、以下の態様を含む。
１）埋設管に対する液状化対策工法であって、前記埋設管は、直管部と、内部を流れる水の流れが当該直管部と異なることにより生じるスラスト力が付加される変形部とを有しており、地盤を掘削して形成される溝中に敷設された前記変形部の周囲に導入された基礎材中に、当該基礎材の流動性を低下させる注入材を注入する注入工程を包含する、液状化対策工法。
２）前記注入工程において、前記スラスト力が付加される方向の下流側の前記基礎材に前記注入材を注入する、１）に記載の液状化対策工法。
３）前記変形部の周囲は防護材により覆われており、前記注入工程において、前記防護材の周囲に導入された前記基礎材中に前記注入材を注入する、１）又は２）に記載の液状化対策工法。
４）前記注入工程の前に、前記溝中に前記埋設管を敷設し、当該埋設管の周囲に前記基礎材を導入する前記埋設管の埋設工程をさらに含む、１）から３）のいずれかに記載の液状化対策工法。
５）前記注入材は、シリカ溶液、粘土、セメント、スラグ、気泡、及び気体からなる群より選択される１種又は複数種を含む、１）から４）のいずれかに記載の液状化対策工法。
６）直管部と、内部を流れる水の流れが当該直管部とは異なることにより生じるスラスト力が付加される変形部とを有する埋設管と、地盤を掘削して形成される溝中に敷設された前記変形部の周囲に導入された基礎材中に設けられ、当該基礎材よりも流動性が低下した補強部とを備えた、液状化対策構造。

本発明の一態様によれば、埋設管に液状化対策を施すことでスラスト力の影響による埋設管の移動を防ぎ、埋設管の接続部の離脱を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る液状化対策工法を施した埋設管を示す上面図である。土壌中に埋設された埋設管を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る液状化対策工法を説明する断面図である。埋設管に生じるスラスト力の他の例を説明する模式図である。埋設管に生じるスラスト力の他の例を説明する模式図である。埋設管に生じるスラスト力の他の例を説明する模式図である。本発明の一実施形態に係る液状化対策工法の他の例を説明する上面図である。

〔液状化対策工法〕
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明するが、本発明はこの実施形態に限定されない。

図１は、本発明の一実施形態に係る液状化対策工法を施す埋設管１０を示す上面図である。なお、各図に示す座標軸において、Ｚ軸は鉛直方向に延伸しており、Ｘ軸及びＹ軸は水平方向に延伸している。したがって、図１は、埋設管１０が土壌中に埋設されている場合に、埋設管１０を地面側から見た上面図である。
図１に示すように、液状化対策工法により液状化対策される埋設管１０は、直管部１１と、内部を流れる水の流れが直管部１１とは異なる変形部１２とを有する。直管部１１と変形部１２とは、内部を水が流通可能なように接続されている。変形部１２には、内部を流れる水の流れが直管部１１と異なることにより生じるスラスト力Ｗが付加される。埋設管１０は、地盤を掘削して形成される溝１３中に埋設される。埋設管１０が埋設された溝１３は、基礎材１５により埋められる。
図１に示す例において、変形部１２は、直管部１１に対して屈曲した屈曲部である。変形部１２の円弧の外側には、補強部１４が位置しており、埋設管１０と補強部１４とにより液状化対策構造１００が構築されている。液状化対策工法は、補強部１４を形成することにより埋設管１０に液状化対策を施す。

埋設管１０は、例えば、灌漑のために農業用水が流れる農業用パイプラインであるが、これに限定されない。埋設管１０の口径は、例えば、５０ｍｍ以上、４０００ｍｍ以下である。埋設管１０の全長は、数十ｋｍに及ぶ場合もある。

液状化対策工法は、地盤を掘削して形成される溝１３中に敷設された変形部１２の周囲に導入された基礎材１５中に、基礎材１５の流動性を低下させる注入材を注入する注入工程を包含する。注入工程は、基礎材１５中に注入材を注入することで、補強部１４を形成する工程である。補強部１４は、注入材と、注入材が注入された範囲の基礎材１５とから構成され、注入材を含むことにより基礎材１５の流動性が低下した部分であり得る。

図２を参照して、注入工程について説明する。図２は、図１のＡＡ’線で切断した断面図であり、本発明の一実施形態に係る液状化対策工法を説明する図である。図２に示すように、埋設管１０は、地面Ｇの下に埋設される。

埋設管１０を埋設する場合、まず、地面Ｇを掘削して溝１３を形成する。そして、溝１３の底に基礎材１５を敷き詰め、基礎材１５上に埋設管１０を敷設する。そして、埋設管１０の管頂が埋まるまで基礎材１５を導入して締め固める。これにより、溝１３内において埋設管１０の周囲が基礎材１５で覆われる。そして、基礎材１５上に埋め戻し材１７を導入して締め固めることにより、埋設管１０が埋設される。基礎材１５は、砂、砂利、砕石等を主に含む材料である。埋め戻し材１７は、通常、掘削した地盤材料であるが、外部から持ってきた地盤材料であってもよい。このように、液状化対策工法は、溝１３中に埋設管１０を敷設し、埋設管１０の周囲に基礎材１５を導入する埋設管１０の埋設工程をさらに包含してもよい。

スラスト力は、管の内部を流れる水の流れが変化する部分で生じ、管の接続部分の離脱や管の破損の原因となり得るものである。内部を流れる水の流れが直管部１１とは異なる変形部１２において生じるスラスト力Ｗは、変形部１２の周囲の基礎材１５により溝１３外の地盤に伝播する。通常、地盤の土圧がこのスラスト力の反力となるので、スラスト力Ｗによる変形部１２の移動は抑制されている。

ここで、地震時には、掘削して形成した溝１３の外側の地盤は液状化せず、溝１３に埋め戻した基礎材１５部分のみが液状化する場合がある。このように、基礎材１５が地震により液状化すると、変形部１２に付加されるスラスト力Ｗが地盤に伝播せず、地盤の土圧がスラスト力Ｗの反力とならない。その結果、溝１３において基礎材１５が導入された範囲内で変形部１２が変位してしまい、直管部１１と変形部１２との接続部分が離脱して漏水発生に繋がる。また、硬質塩化ビニル管のように直管部１１と変形部１２とを接着剤により接合しているような管材の場合には、管が破損する可能性もある。

注入工程では、スラスト力Ｗが付加される変形部１２の周囲に導入された基礎材１５中に、基礎材１５の流動性を低下させる注入材を注入し、基礎材１５中に補強部１４を形成する。補強部１４は、地震時の土粒子の動きが抑制されるので、例え地震により基礎材１５が液状化したとしても、補強部１４によりスラスト力Ｗが地盤に伝播する。その結果、地盤の土圧が反力となり、スラスト力Ｗによる変形部１２の移動が抑制される。このように、注入工程により、基礎材１５を強度低下しにくくすることができる。

注入工程においては、変形部１２の周囲の基礎材１５に注入材を注入する。すなわち、溝１３内の変形部１２と溝１３の外側の地盤との間に注入材を注入する。これにより、変形部１２と地盤との間に補強部１４が形成される。補強部１４は、変形部１２及び地盤に接していることが好ましいが、変形部１２又は地盤から離れていてもよい。

注入工程における注入材の注入方法として、例えば、基礎材１５が導入されている位置の上方に相当する位置の地面Ｇの一部に開口部を形成し、開口部に挿入した注入管を介して注入材を注入する方法が挙げられるが、これに限定されない。埋設管１０の管径が大きい場合には、埋設管１０内に人が入って、図２に示すように、内側から管に開口部を形成し、開口部に挿入した注入管１６を介して基礎材１５に注入材を注入してもよい。

また、注入工程においては、スラスト力Ｗが付加される方向の下流側の基礎材１５に注入材を注入してもよい。スラスト力Ｗが付加される方向の下流側の基礎材１５に注入材を注入することで、スラスト力Ｗの影響による変形部１２の移動を効果的に抑制することができる。図１及び２に示す例においては、変形部１２が屈曲部であるため、スラスト力Ｗは、変形部１２の円弧の内側から外側に向かう方向（図２中Ｙ軸方向）に付加される。したがって、注入工程においては、変形部１２の円弧の外側の基礎材１５に注入材を注入することで、補強部１４を形成する。また、後述する図５に示す例においても、スラスト力Ｗが付加される方向の下流側の基礎材５５に注入材を注入し、補強部５４を形成する。

なお、図１及び２に示すように、埋設管１０が略水平方向に延伸するように設けられている場合には、スラスト力Ｗが付加される方向は、略水平方向である。一方、図３に示すように、埋設管が略鉛直方向に延伸する部分を含む場合、スラスト力Ｗが付加される方向は、変形部１２の屈曲の角度に応じて斜め上方又は斜め下方の方向となる。図３は、本発明の一実施形態に係る液状化対策工法を説明する断面図である。

注入材は、埋設管の埋め戻しに用いられる基礎材の流動性を低下させるものである。注入材の例として、シリカ溶液、粘土、セメント、スラグ、気泡、及び気体からなる群より選択される１種又は複数種を有効成分として含んでいてもよい。注入材は、例えば、流動性の液体であり、時間の経過に伴って固化してゲル状になることで基礎材の流動性を低下させるものであってもよい。このような注入材は、ゲル化促進剤をさらに含んでいてもよく、これにより注入材のゲル化時間を調整することができる。注入材として、例えば、公知のグラウト材を用いることができる。

注入材として用いるグラウト材の材質は特に限定されず、埋設管１０の周辺の地盤の性状に対応させて選択して採用することが好ましい。例えば、注入材として用いるグラウト材としては、一液型のものや二液型のものがある。一液型のグラウト材としてはセメントミルクがあり、二液型のグラウト材としては水ガラス系溶液型のグラウト材、懸濁液型グラウト材等がある。

例えば、埋設管１０の周囲が透水係数の小さい（浸透性の悪い）土壌である場合、水ガラス系溶液型のグラウト材が好ましく用いられる。水ガラス系溶液型のグラウト材としては、「耐久グラウト注入工法施工指針」（発行者；一般社団法人日本グラウト協会、発行；平成２４年３月、以下同じ）に分類されている水ガラス系溶液型の無機系グラウト材に属するアルカリ性グラウト材や中性・酸性グラウト材、特殊中性・酸性グラウト材や特殊シリカ（シリカコロイド）グラウト材、有機系グラウト材に属するアルカリ性グラウト材があり、何れも用いることが可能である。特に、特殊中性・酸性グラウト材や特殊シリカ（シリカコロイド）グラウト材の場合、長期間耐久性を保持し得るグラウト材として好ましく用いることができる。

また、埋設管１０の周囲の土壌の透水係数が大きい（浸透性が良い）場合、懸濁液型のグラウト材が好ましく用いられる。懸濁液型のグラウト材としては、非水ガラス系グラウト材に属する超微粒子系グラウト材や特殊スラグ系グラウト材、水ガラス系グラウト材に属するアルカリ性グラウト材や中性・酸性グラウト材がある。特に、透水係数の小さい土壌に対する浸透性を考慮した場合、懸濁液型の非水ガラス系に属する特殊スラグ系であっても用いることができる。

液状化対策工法は、すでに埋設管１０が地面Ｇの下に埋設されている既設管に対して、埋設した状態のまま実行することができる。これにより、液状化対策のために、既設管を掘り出したり、既設管を新しいものに取り替えたりする必要がない。なお、埋設管１０を埋設する際に、基礎材１５中に注入材を注入してもよい。すなわち、液状化対策工法は、埋設管を新設する際に実行してもよいし、既設管に対して実行してもよい。

注入工程において基礎材１５中に注入材を注入する範囲は特に限定されず、埋設管１０の口径、内圧、埋設管１０と地盤との間の距離、基礎材１５の間隙率（土粒子、空気及び水からなる地盤における土粒子以外の割合を示す指標）等に応じて、適宜選択すればよい。

また、注入工程において注入する注入材の注入量は特に限定されないが、土質調査等により、注入範囲の基礎材１５の間隙率を想定し、空気と水の部分を注入材で置き換えるために必要な量を選択してもよい。

注入工程において注入材を注入する範囲及び注入量は、例えば、以下のように算出することができる。すなわち、注入材を注入する範囲は、変形部１２と溝１３の外側の地盤との間の隙間であるため、その隙間の体積をＶ、隙間内の基礎材１５の間隙率をｎとした場合、注入材の注入量Ｌは、Ｌ＝Ｖ×ｎである。したがって、例えば、隙間の長さ（ｌ）が７．０４ｍ、高さ（ｈ）が１．３ｍ、変形部１２と溝１３の外側の地盤との間の距離（ｄ）を０．５ｍとした場合、Ｖ＝７．０４×１．３×０．５＝約４．６ｍ^３となる。そして隙間内の基礎材１５の間隙率ｎが４０％であれば、注入材の注入量はＬ＝４．６ｍ^３×０．４＝１．８ｍ^３となる。

このように、液状化対策工法によれば、埋設管１０の埋め戻しに用いた基礎材１５が地震の影響で液状化した場合でも、補強部１４によりスラスト力Ｗを地盤に伝播させることができる。これにより、地盤の土圧が反力となり、スラスト力Ｗによる変形部１２の移動が抑制される。液状化対策工法によれば、変形部１２の周囲の基礎材１５を強度低下しにくくすることができる。

液状化対策工法が施される埋設管１０は、直管部１１と変形部１２とを有することにより、内部に水を流した際に、変形部１２にスラスト力が付加されるものである。変形部１２に付加されるスラスト力について、図４～６を参照して説明する。図４～６は、埋設管に生じるスラスト力の例を説明する模式図である。

図４に示すように、直管部１１と屈曲した変形部１２とを有する埋設管１０には内圧Ｐ
が付加され、変形部１２にはスラスト力Ｗが付加される。スラスト力Ｗは、水の流れが変
化する箇所で生じ、管の内圧及び断面積（口径の二乗）に比例する。また、変形部１２は
屈曲しているため、付加されるスラスト力は図４においてΘで示す角度の影響を受ける。
Θは、変形部１２の曲がり角度を示している。

したがって、内圧をＰ、変形部１２の断面積をＡとした場合、スラスト力Ｗは、以下の式（１）により算出することができる：
Ｗ＝２ＰＡｓｉｎ（Θ／２）・・・（１）

変形部１２に付加されるスラスト力Ｗの反力となる地盤の土圧は、地盤の土の単位体積重量、変形部１２の円弧の外側の幅（変形部１２の両端間の長さ）、変形部１２が埋設された深さに比例する。

このように、基礎材１５に液状化が生じたとしても、埋設管１０は、変形部１２と地盤との間に形成された補強部１４によって、地盤へのスラスト力の伝播が阻害されない。その結果、スラスト力の反力となる地盤の土圧が低下せず、変形部１２の移動が抑制される。このように、変形部１２の離脱を防ぐことができる。

スラスト力は、図４に示す屈曲した変形部１２を有する埋設管１０以外にも、図５及び６に示すような形状の埋設管にも付加される。すなわち、埋設管が備える変形部の構造には、図４に示すような屈曲構造以外にも、図５に示す分岐構造及び図６に示す片落管構造等が含まれる。

図５に示す埋設管５０は、直管部５１と、直管部５１から分岐した変形部５２とを備えており、溝５３に敷設されている。埋設管５０においては、矢印に示すように、管壁に略垂直に内圧Ｐが付加される。そして、内圧Ｐのうち、対向する成分は相殺される一方で、直管部５１と変形部５２とが分岐する部分の管壁に付加される成分が相殺されず、スラスト力Ｗが生じる。このように、水の流れが変化する変形部５２には、直管部５１側からこれに対向する側へと、スラスト力Ｗが付加される。

したがって、埋設管５０についても、変形部５２の周囲に導入された基礎材１５中に注入材を注入することで、変形部５２と地盤との間に補強部５４を形成する。これにより、基礎材５５に液状化が生じたとしても、地盤へのスラスト力の伝播が阻害されない。その結果、スラスト力の反力となる地盤の土圧が低下せず、変形部５２の移動が抑制される。このように、変形部５２の離脱を防ぐことができる。

さらに、図６に示す埋設管６０は、直管部６１ａ及び直管部６１ｂを備えている。直管部６１ａと直管部６１ｂとは、その口径が異なっており、変形部６２により接続されている。埋設管６０は、管の口径が変化する片落管である。埋設管６０は、地盤を掘削ライン６３ｂまで掘削して形成された溝に敷きつめられた基礎材６５ｂ上に敷設される。そして、埋設管６０上は基礎材埋め戻しライン６３ａまで基礎材６５ａで埋められ、基礎材６５ａから地面Ｇまで埋め戻し材で埋められている。

埋設管６０において、変形部６２には、矢印に示すように、管壁に略垂直に内圧Ｐが付加される。そして、内圧Ｐの対向する上下方向の成分は相殺されるが、それ以外の成分によりスラスト力Ｗが生じる。このように、水の流れが変化する変形部６２には、口径の小さい直管部６１ａの方向にスラスト力Ｗが付加される。

注入工程においては、変形部６２の周囲に注入材を注入し、補強部６４ａ及び補強部６４ｂを形成する。すなわち、変形部６２の周囲の基礎材埋め戻しライン６３ａと埋設管６０との間に注入材を注入して補強部６４ａを形成する。また、変形部６２の周囲の掘削ライン６３ｂと埋設管６０との間に注入材を注入して補強部６４ｂを形成する。

これにより、基礎材６５ａ又は基礎材６５ｂが液状化したとしても、スラスト力Ｗは補強部６４ａ又は補強部６４ｂにより埋設管６０の上下の地盤に伝播し、地盤へのスラスト力Ｗの伝播が阻害されない。その結果、スラスト力Ｗの反力となる地盤の土圧が低下せず、変形部６２の移動が抑制される。このように、変形部６２の離脱を防ぐことができる。

ここで、図７に示すように、埋設管１０の変形部１２がスラストブロック７１により囲まれた液状化対策構造７０についても、本発明の範疇に含まれる。すなわち、変形部１２の周囲はスラストブロック（防護材）７１により覆われており、注入工程において、スラストブロック７１の周囲に導入された基礎材１５中に注入材を注入してもよい。図７は、本発明の一実施形態に係る液状化対策工法の他の例を説明する上面図である。

液状化対策構造７０は、埋設管１０及びスラストブロック７１と共に、補強部１４を備えている。注入工程においては、スラストブロック７１の周囲、すなわちスラストブロック７１と地盤との間の基礎材１５中に注入材を注入することで補強部１４を形成する。すなわち、スラストブロック７１を介して、変形部１２の周囲に注入材を注入する。ここで、スラストブロック７１は、液状化対策として埋設管に設けられる公知の防護材であり、例えば、コンクリートブロックであり得る。スラストブロック７１の大きさは、埋設管１０の内圧、口径、屈曲角等に応じて設計され得る。

地震により基礎材が液状化すると、変形部に付加されるスラスト力によりスラストブロックごと変形部が変位する虞がある。図７の構成では、変形部１２の周囲のスラストブロック７１の周囲に補強部１４が形成されているので、基礎材１５が液状化しても、スラスト力Ｗは補強部７４により地盤に伝播し、地盤へのスラスト力Ｗの伝播が阻害されない。その結果、スラスト力の反力となる地盤の土圧が低下せず、変形部１２及びスラストブロック７１の移動が抑制される。このように、変形部１２の離脱を防ぐことができる。

〔液状化対策構造〕
本発明の一実施形態に係る液状化対策構造は、直管部と、内部を流れる水の流れが当該直管部とは異なることにより生じるスラスト力が付加される変形部とを有する埋設管と、地盤を掘削して形成される溝中に敷設された前記変形部の周囲に導入された基礎材中に設けられ、当該基礎材よりも流動性が低下した補強部とを備えている。
すなわち、上述した本発明の一実施形態に係る液状化対策工法により構築される液状化対策構造１００は、本発明に係る液状化対策構造の一態様である。したがって、本発明に係る液状化対策構造の詳細は、上述した本発明の一実施形態に係る液状化対策工法の説明に準じる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０埋設管
１１直管部
１２変形部
１３溝
１４補強部
１５基礎材
１００液状化対策構造

Claims

埋設管に対する液状化対策工法であって、
前記埋設管は、直管部と、内部を流れる水の流れが当該直管部と異なることにより生じるスラスト力が付加される変形部とを有しており、
地盤を掘削して形成される溝中に敷設された前記変形部の周囲に導入された基礎材中に、当該基礎材の流動性を低下させる注入材を注入する注入工程を包含する、液状化対策工法。
前記注入工程において、前記スラスト力が付加される方向の下流側の前記基礎材に前記注入材を注入する、請求項１に記載の液状化対策工法。
前記変形部の周囲は防護材により覆われており、
前記注入工程において、前記防護材の周囲に導入された前記基礎材中に前記注入材を注入する、請求項１又は２に記載の液状化対策工法。
前記注入工程の前に、前記溝中に前記埋設管を敷設し、当該埋設管の周囲に前記基礎材を導入する前記埋設管の埋設工程をさらに含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の液状化対策工法。
前記注入材は、シリカ溶液、粘土、セメント、スラグ、気泡、及び気体からなる群より選択される１種又は複数種を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の液状化対策工法。
直管部と、内部を流れる水の流れが当該直管部とは異なることにより生じるスラスト力が付加される変形部とを有する埋設管と、
地盤を掘削して形成される溝中に敷設された前記変形部の周囲に導入された基礎材中に設けられ、当該基礎材よりも流動性が低下した補強部と
を備えた、液状化対策構造。