JP6804728B2

JP6804728B2 - 構造物の液状化対策構造の設計方法

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Publication number: JP6804728B2
Application number: JP2016084553A
Authority: JP
Inventors: 英之眞野; 友昊周; 毅芳福武
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2036-04-20
Also published as: JP2017193867A

Description

本発明は、杭基礎を備えた構造物の液状化による被害を軽減させるための構造物の液状化対策構造の設計方法に関する。

液状化層１の上に非液状化層２がある地盤Ｇは、地震時に液状化が生じると、例えば図１３に示すように液状化層１より上の地盤Ｇ（上層の非液状化層２）が大きく変位する。そして、例えば図１４に示すように、このような地盤Ｇに杭基礎（杭）３を備えた構造物（建物）４を構築した場合には、地震時に液状化が生じるとともに、地盤変位が急変する液状化層１と上層の非液状化層２、及び液状化層１とこの液状化層１よりも下層の非液状化層５の境界部分で杭３が損傷するおそれがある。

従来、この地盤Ｇの液状化に伴う杭３の損傷（構造物４の被害）を防止するために、地盤Ｇを液状化させないように地盤改良を行ったり、杭３を補強して液状化時に発生する荷重Ｆにも耐えられるようにする対策が多用されていた。しかしながら、地盤改良による対策では、特に液状化層１が深部まで連続的に存在する場合や非液状化層を間に挟んで複数の液状化層１が存在し、最下層の液状化層１が深部に存在する場合などに、莫大なボリュームの地盤Ｇを改良することが必要になるため、対策費用が非常に高額になるという問題があった。また、地盤改良による対策や杭３を補強する対策は、既存の杭基礎構造物４に採用することが難しいという問題があった。

これに対し、例えば図１５に示すように、構造物４（上部構造４ａ）の根入れ部４ｂに、液状化層１より軟質な材料（軟質材６）を充填する液状化対策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この対策では、液状化時に構造物４に作用する力Ｆを軟質材６で吸収することにより、構造物４に与える影響を軽減させるようにしている。

また、例えば図１６に示すように、構造物４（上部構造４ａ）の周りに軽量材７を埋設する液状化対策も提案されている。この対策では、液状化時の地盤変位による受動抵抗を小さくすることにより、構造物４に与える影響を軽減させるようにしている。

さらに、例えば図１７（図１７（ａ）：断面図、図１７（ｂ）：平面図）に示すように、構造物４（上部構造４ａ）の周囲の地盤Ｇを壁状の砂８で置換する液状化対策も提案されている。この対策では、置換した壁状の砂８を液状化させることにより、液状化時の地盤変位を抑制して構造物４に与える影響を軽減させるようにしている。

さらに、構造物４の外周に沿って壁を設ける対策、いわゆるスカートウォール工法と称する対策もあり、このスカートウォール工法では、例えば図１８に示すように、構造物４の外周に沿って基礎４ｃと連結した剛な壁（スカートウォール１０）を設けて杭３の水平荷重を低減させるようにしている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−１７８９９７号公報特開昭５７−９９２５号公報

しかしながら、軟質材６を構造物４の根入れ部４ｂに充填する対策では、根入れ部４ｂ周辺の地盤Ｇが軟らかくなることにより、構造物４（上部構造４ａ）の揺れを根入れ部４ｂで抑制する効果が小さくなってしまう。このため、液状化を生じることがない中小地震時には、逆に構造物４の揺れによって杭３の応力が増大して損傷が生じるおそれがある。

また、構造物４の周りに軽量材７を埋設する対策では、液状化時の地盤変位による受動抵抗を確実に小さくするために、軽量材７を大きな面積で埋設することが必要になるという問題があった。

構造物４の周囲の地盤Ｇを砂８で置換する対策においても、確実に壁状の砂８を液状化させるために、地下水位Ｔが地表面付近にあることが必要で、どのような条件下の構造物４であっても適用できる訳ではなく、その採用に大きな制限があるという問題があった。

また、スカートウォール工法においては、基礎４ｃと連結した剛な壁（スカートウォール１０）が水平力を負担して杭３の水平荷重を低減させるためのものであり、地盤Ｇの液状化時に構造物４や杭３に作用する水平力を軽減させるためのものではない。すなわち、スカートウォール１０は、構造物４の基礎４ｃと杭３の接合部分に作用するせん断力を減少させて、この接合部分の被害を軽減させるために設けられるのであって、液状化とは無関係なものである（液状化対策として設けられるものではない）。また、このようなスカートウォール１０が液状化層１の上の非液状化層２内にあると、液状化時にかえって構造物４に作用する荷重（水平力）を増大させるおそれがある。また、スカートウォール１０の下端より深い位置にある液状化層と下部非液状化層との境界で生じる杭応力は低減できないおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑み、大きな面積、ボリュームを要することなく、効果的に液状化による損傷を防止（軽減）することを可能にする構造物の液状化対策構造の設計方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の構造物の液状化対策構造の設計方法は、液状化層の上に非液状化層がある地盤に杭基礎を備えて構築される構造物の液状化による被害を軽減させるための構造物の液状化対策構造の設計方法であって、前記杭基礎を囲繞するように設けられるとともに、上端部側を前記液状化層の上の非液状化層に配し、下端部側を前記液状化層の下の非液状化層に配して設けられ、前記杭基礎側の液状化層とその外側の液状化層を縁切りする縁切り部材を備え、前記縁切り部材の上端部は、前記構造物の下端よりも上方に配されており、前記構造物の諸元を設定する構造物諸元設定工程と、前記杭基礎、前記縁切り部材、および前記構造物の根入れ部のそれぞれの地盤ばねを算出する地盤ばね設定工程と、前記縁切り部材がない場合の地震時の地盤変位を一般地盤変位として算出する一般地盤変位算出工程と、前記杭基礎の前記縁切り部材内に位置する部分の地盤変位を基準にしつつ、前記一般地盤変位を前記地盤ばねを介して梁ばねモデルからなる構造物モデルに与えて前記縁切り部材の変位を算出し、該縁切り部材の変位を地震時の前記縁切り部材の内側の地盤変位として求める縁切り部材内地盤変位算出工程と、前記一般地盤変位を前記縁切り部材、前記構造物の根入れ部、および前記縁切り部材の下端より深い位置にある杭基礎に与え、且つ前記縁切り部材の内側の地盤変位を前記杭基礎に与えて、新たな前記縁切り部材の内側の地盤変位を求める縁切り部材内地盤変位更新工程と、前記縁切り部材内地盤変位更新工程を前記縁切り部材の変位の差が収束するまで繰り返し行い、前記縁切り部材の変位の差が収束した段階の前記縁切り部材の変位を前記縁切り部材の内側の地盤変位として決定する縁切り部材内地盤変位決定工程と、前記縁切り部材内地盤変位決定工程で決定した前記縁切り部材の内側の地盤変位を基にして前記杭基礎の地震時の応力を算定する杭応力算出工程と、を備えていることを特徴とする。

本発明の構造物の液状化対策構造の設計方法によれば、液状化時の地震時地盤変位が大きく、液状化層と非液状化層との境界で杭応力が著しく大きくなる建物などの構造物に対しても、縁切り部材を設けることによって杭応力を大幅に低減させることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の設計方法を示すフロー図である。本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の設計方法において、一般地盤変位を算出する際の説明に用いた図である。本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の設計方法において、縁切り部材の内側の地盤変位を算出する際の説明に用いた図である。本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の設計方法において、縁切り部材の内側の地盤変位を算出する際の説明に用いた図である。本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の設計方法において、縁切り部材の内側の地盤変位を算出する際の説明に用いた図である。本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の設計方法において、縁切り部材の内側の地盤変位を算出する際の説明に用いた図である。本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の設計方法において、縁切り部材の内側の地盤変位を算出する際の説明に用いた図である。本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の設計方法において、縁切り部材の内側の地盤変位を算出する際の説明に用いた図である。実証実験で用いた模型を示す図である。実証実験で用いた模型の絶縁部材（壁材）の納まり状態を示す図である。実証実験の結果を示す図であり、（ａ）が杭基礎に生じる曲げモーメント、（ｂ）が杭基礎に生じるせん断力を示す図である。液状化層の上に非液状化層がある地盤の液状化時の変位を示す図である。液状化による構造物の損傷に関する説明に用いた図である。従来の構造物の液状化対策を示す断面図である。従来の構造物の液状化対策を示す断面図である。従来の構造物の液状化対策を示す断面図及び平面図である。従来の構造物の液状化対策を示す断面図である。

以下、図１から図１３を参照し、本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造及び構造物の液状化対策構造の設計方法について説明する。本実施形態は、液状化時の構造物（杭基礎構造物）の被害を防止あるいは軽減させるための構造、及び該構造の設計方法に関するものである。

はじめに、本実施形態の構造物４は、図１に示すように、液状化層１の上に非液状化層（上層の非液状化層）２がある地盤Ｇに構築され、地盤Ｇ内に打設した複数の杭（杭基礎３）で上部構造４ａを支持して構築されている。また、上部構造４ａは、下端部側（根入れ部４ｂ）を上層の非液状化層２に根入れして構築されている。

そして、本実施形態の構造物の液状化対策構造１５は、複数の杭３側の液状化層１（本実施形態では構造物４の直下の液状化層１）とその外側の液状化層１とを縁切りさせるように縁切り部材１６を構造物４の水平方向外側の地盤Ｇ内に設けて構成されている。また、本実施形態の縁切り部材１６は、構造物４の外周に沿って連続的に設けられ、液状化層１に下端部１６ａ側を根入れして設けられている。

さらに、縁切り部材１６は、その上端部１６ｂを上層の非液状化層２内に配し、下端部１６ａ側を液状化層１の下の非液状化層（下層の非液状化層）５に根入れして設けられている。

なお、縁切り部材１６は、その剛性、材質、厚さ等を特に限定する必要はない。また、杭３が設けられた液状化層１を囲繞するように配設されていれば、部分的に不連続であったり、部分的に切り欠き、孔などがあっても構わない。縁切り部材１６は、地盤の液状化時に水は通しても極力土を透過させないものであればよい。
また、本実施形態では、縁切り部材１６がその上端部１６ｂ側を構造物４の根入れ部４ｂに接するようにして設けられている。これに対し、縁切り部材１６はその上端部を上層の非液状化層２内に配して設けられていてもよい。このとき、縁切り部材１６の上端部が構造物４の下端よりも上方に配されていることがより好ましい。また、縁切り部材１６は、根入れ部４ｂから離間して設けたり、根入れ部４ｂとの間を地盤改良するなどし、根入れ部４ｂとの間に介在層を設けて配設されていてもよい。

さらに、本実施形態の構造物４は、上記のような縁切り部材１６（構造物の液状化対策構造１５）を備えることにより、地震時に液状化層１の液状化に伴い杭基礎３に作用する応力を図２に示すように求め、求めた応力に基づいて杭基礎３が構築されている（杭基礎３の形状、耐力、剛性等の諸元が設定されている）。

まず、図２（及び図１）に示すように、杭３や縁切り部材１６などの形状、各部材（や全体として）の耐力、剛性等の諸元を設定する（Ｓｔｅｐ１：構造物諸元設定工程）。また、杭ばね、縁切り部材ばね（壁ばね）、根入ればね、すなわち、杭３、縁切り部材１６、構造物４の根入れ部の地盤ばねを算定／設定する（Ｓｔｅｐ２：地盤ばね設定工程）。

さらに、図２、図３（及び図１）に示すように、縁切り部材１６（液状化対策構造１５）がない場合の地震時地盤変位（以下、一般地盤変位という）を算出する（Ｓｔｅｐ３：一般地盤変位算出工程）。

そして、図２、図４、図５、図６（及び図１）に示すように、杭３の縁切り部材１６内に位置する部分の地盤変位を０とし（基準にし）、一般地盤変位を地盤ばねを介して構造物モデルに与えて縁切り部材１６の変位を算出し、得られた縁切り部材１６の変位を縁切り部材１６で囲まれた内部の地盤変位とする（Ｓｔｅｐ４、Ｓｔｅｐ５：縁切り部材内地盤変位算出工程）。

さらに、本実施形態では、図２、図４、図５、図６、図７、図８、図９（及び図１）に示すように、一般地盤変位を縁切り部材１６と根入れ４ｂに与え、且つ縁切り部材内地盤変位を杭３に与えて、新たな縁切り部材１６内の地盤変位を算定する（Ｓｔｅｐ６：縁切り部材内地盤変位更新工程）。この操作を縁切り部材１６の変位の差が収束するまで繰り返し行う。そして、縁切り部材１６の変位の差が収束した段階の縁切り部材変位を縁切り部材内地盤変位とする（Ｓｔｅｐ７、Ｓｔｅｐ８：縁切り部材内地盤変位決定工程）。

すなわち、縁切り部材１６の変形は初期には未定であるため、本実施形態では、繰り返し計算などによって縁切り部材１６の変形と杭に与える地盤変形が等しくなるようにし、このときの変位を縁切り部材内地盤変位として決定する。

さらに、本実施形態では、安全側に評価するため、地震力の方向に直交する面（面外変形を生じる縁切り部材１６）の剛性のみを考慮して縁切り部材１６の剛性を設定する。

次に、決定した縁切り部材内地盤変位を基に、慣性力と地盤変位を考慮した杭応力を算定する（Ｓｔｅｐ９：杭応力算出工程）。このとき、例えば、建物慣性力による杭応力と地盤変位による杭応力の単純和あるいは自乗和平方で杭応力を求めたり、慣性力と地盤変位を同時に載荷して杭応力を算出して求める。

ここで、実換算で周期１秒、定常３０波、最大加速度１００ｃｍ／ｓ^２の正弦波を地震動の入力波として行った実証実験について説明する。

この実証実験では、図１０に示す実験模型を用いた。
土槽は８００ｍｍ×４００ｍｍ×３２５ｍｍのせん断土層を用いた。地盤Ｇの下部非液状化層５は相対密度約１００％の３号珪砂層を厚さ１００ｍｍ（実換算３ｍ）とし、液状化層１及び上部非液状化層２は相対密度５０％の７号珪砂層を空中落下法で作成した。間隙流体は比重が１で粘性が３０ｃｓのシリコンオイルとし、地下水位は地表から７０ｍｍ（実換算２．１ｍ）とした。

杭３は、直径１２ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、長さ２５２ｍｍの真鍮パイプ４本（杭間隔９６ｍｍ）とした。杭先端はベアリングを用いてピン状態とした。杭頭はほぼ剛接合と見なせる。

基礎は平面が１５０ｍｍ×１６４ｍｍ、厚さが４０ｍｍのアルミ製とした。構造物慣性力が卓越しないように、構造物は基礎部分のみとし、構造物の比重は周囲の地盤とほぼ等しい程度に抑えるよう軽量化を図った。

縁切り部材（壁材）１６は、厚さ０．３〜４．０のアルミ板とし、先端をウレタンに差し込むことで土槽底面からの振動が伝播しないようにした。また、縁切り部材１６は、鉛直軸周りの曲げ剛性が結果に寄与しないように幅２９〜３６ｍｍの板状の部材を各面５枚ずつ厚さ０．０８ｍｍのテフロン（登録商標）製のテープ（以下、テフロンテープという）で貼り合わせることにより作成した。また、側壁の面内剛性の影響を除くため、図１１に示すように、側壁と前後面壁（隣り合う縁切り部材１６）の間には１ｍｍの隙間を空け、厚さ０．０８ｍｍのテフロンテープで留めるだけとした。杭３と縁切り部材（厚さ０．３ｍｍを除く）１６には７断面にひずみゲージを添付した。

主な模型諸元と相似則は表１に示す通りである。

また、実験ケースは表２に示す通りであり、縁切り部材１６を設けないＣ０、厚さを０．３〜４．０ｍｍの範囲で変えたＣ０．３、Ｃ１．０、Ｃ２．０、Ｃ４．０の計５ケースとした。表２にはＨ４００−２００−８−１３のＨ形鋼を９００ｍｍピッチで配置した山留め壁の曲げ剛性に対する縁切り部材１６の曲げ剛性の比も併記している。すなわち、Ｃ０．３は、剛性比が山留め壁の１万分の１未満であり非常に小さい曲げ剛性の縁切り部材１６を用いている。

図１２は、実証実験結果であり、液状化直後に液状化層境界で最大曲げモーメントが発揮される時刻（約１２．６ｓ）における曲げモーメント分布（図１２（ａ））とせん断力分布（図１２（ｂ））を示している。

これらの結果から、縁切り部材１６があることによって杭頭や液状化層１の上下境界付近の曲げモーメント、せん断力がともに２／３〜１／２程度に減少することが確認された。また、縁切り部材１６の厚さによる効果の違いはほとんどなく、ごく薄い縁切り部材１６であっても地震時地盤変位による杭３の応力低減効果が大きいことが確認された。

言い換えれば、縁切り部材１６の機能／作用としては液状化した地盤のすり抜けを防止することが重要であり、その剛性の違いによる効果の差は小さいことが確認された。すなわち、縁切り部材１６は液状化した地盤のすり抜けを防止することが可能であれば、非常に薄い部材、剛性が小さい部材でもよく、その剛性に関わりなく優れた杭応力低減効果を発揮できることが確認された。

したがって、本実施形態の構造物の液状化対策構造１５及び構造物の液状化対策構造１５の設計方法においては、液状化時の地震時地盤変位が大きく、液状化層１と非液状化層２、５との境界で杭応力が著しく大きくなる建物などの構造物４に対しても、縁切り部材１６を設けることによって杭応力を大幅に低減させることが可能になる。

以上、本発明に係る構造物の液状化対策構造及び構造物の液状化対策構造の設計方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一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、構造物４の構築時に縁切り部材１６を設置もよいし（例えば土留め壁を縁切り部材１６としてもよいし）、縁切り部材１６としてシートパイルを地盤Ｇに打ち込むなどし、既存の構造物４に対して縁切り部材１６（液状化防止構造１５）を付加するようにしてもよい。

１液状化層
２上層の非液状化層
３杭（杭基礎）
４構造物
４ａ上部構造
４ｂ根入れ部
４ｃ基礎
５下層の非液状化層
６軟質材
７軽量材
８砂
１０スカートウォール（壁、壁体）
１５構造物の液状化対策構造
１６縁切り部材
Ｆ水平力（荷重）
Ｇ地盤
Ｔ地下水位

Claims

液状化層の上に非液状化層がある地盤に杭基礎を備えて構築される構造物の液状化による被害を軽減させるための構造物の液状化対策構造の設計方法であって、
前記杭基礎を囲繞するように設けられるとともに、上端部側を前記液状化層の上の非液状化層に配し、下端部側を前記液状化層の下の非液状化層に配して設けられ、前記杭基礎側の液状化層とその外側の液状化層を縁切りする縁切り部材を備え、
前記縁切り部材の上端部は、前記構造物の下端よりも上方に配されており、
前記構造物の諸元を設定する構造物諸元設定工程と、
前記杭基礎、前記縁切り部材、および前記構造物の根入れ部のそれぞれの地盤ばねを算出する地盤ばね設定工程と、
前記縁切り部材がない場合の地震時の地盤変位を一般地盤変位として算出する一般地盤変位算出工程と、
前記杭基礎の前記縁切り部材内に位置する部分の地盤変位を基準にしつつ、前記一般地盤変位を前記地盤ばねを介して梁ばねモデルからなる構造物モデルに与えて前記縁切り部材の変位を算出し、該縁切り部材の変位を地震時の前記縁切り部材の内側の地盤変位として求める縁切り部材内地盤変位算出工程と、
前記一般地盤変位を前記縁切り部材、前記構造物の根入れ部、および前記縁切り部材の下端より深い位置にある杭基礎に与え、且つ前記縁切り部材の内側の地盤変位を前記杭基礎に与えて、新たな前記縁切り部材の内側の地盤変位を求める縁切り部材内地盤変位更新工程と、
前記縁切り部材内地盤変位更新工程を前記縁切り部材の変位の差が収束するまで繰り返し行い、前記縁切り部材の変位の差が収束した段階の前記縁切り部材の変位を前記縁切り部材の内側の地盤変位として決定する縁切り部材内地盤変位決定工程と、
前記縁切り部材内地盤変位決定工程で決定した前記縁切り部材の内側の地盤変位を基にして前記杭基礎の地震時の応力を算定する杭応力算出工程と、を備えていることを特徴とする構造物の液状化対策構造の設計方法。