(57)【要約】【課題】地震動の表層地盤増幅による上部構造物の揺れを効率的に軽減させることが可能な地盤改良基礎構造を提供する。【解決手段】地盤とセメント系固化材とを混合撹拌させた改良体によって構築される地盤改良基礎構造である。  要するに、複数が配置される太径改良体２の合計断面積が、建物３の下方地盤を改良範囲３１としたときの全体面積との割合となる改良率で10%−80%にすることで、改良範囲の卓越固有周期と建物の固有周期とを乖離させるように調整がされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤とセメント系固化材とを混合撹拌させた改良体によって構築される地盤改良基礎構造であって、
複数が配置される前記改良体の合計断面積が、上部構造物の下方地盤を改良範囲としたときの全体面積との割合となる改良率で10%−80%にすることで、前記改良範囲の卓越固有周期と前記上部構造物の固有周期とを乖離させるように調整がされていることを特徴とする地盤改良基礎構造。
【請求項２】
前記改良体は円柱状であって、杭径が0.7m−2.0mであることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良基礎構造。
【請求項３】
前記改良体の杭長が1.0m−8.0mであることを特徴とする請求項２に記載の地盤改良基礎構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤と固化材とを混合撹拌させた改良体によって構築される地盤改良基礎構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地盤上に住宅などの建物を建てる際には、建物の重量を支持できるだけの地耐力（支持力）があるか否かを調査することに加えて、地震によって被害を受ける地盤でないかどうかを調査することが望ましい。例えば、特許文献１には、地震基盤の加速度応答スペクトルと表層地盤の増幅率を求めて、その結果に基づいて求められた固有周期（卓越固有周期）を使用して建築物の耐震設計を行う方法が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２では、液状化被害軽減を目的として上部構造物の下方地盤が囲まれるように壁状改良体を備えた地盤改良基礎構造に関して、鉛直荷重を負担する部分と液状化に対して剛性を高めるために配置される部分とを明確にすることによって、合理的かつ経済的な構造となることを提案している。
【０００４】
ここで、地震動の表層地盤増幅が懸念されると判定された場合、増幅を軽減するためには単純に地盤の剛性を高めることが考えられる。小規模建築物の地盤改良は敷地の制約や経済性から、その多くは、小口径の鋼管杭又は地盤とセメント系固化材とを混合撹拌させた改良体によるものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−８０９０５号公報
【特許文献２】特開２０１５−２００１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、改良体の構築によって支持地盤の剛性が変化すると、上部構造物の振動特性に近似することがあるので、建物に共振が起きないように調整することが求められる。
【０００７】
そこで、本発明は、地震動の表層地盤増幅による上部構造物の揺れを効率的に軽減させることが可能な地盤改良基礎構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明の地盤改良基礎構造は、地盤とセメント系固化材とを混合撹拌させた改良体によって構築される地盤改良基礎構造であって、複数が配置される前記改良体の合計断面積が、上部構造物の下方地盤を改良範囲としたときの全体面積との割合となる改良率で10%−80%にすることで、前記改良範囲の卓越固有周期と前記上部構造物の固有周期とを乖離させるように調整がされていることを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記改良体は円柱状であって、杭径が0.7m−2.0mである構成とすることができる。さらに、前記改良体の杭長は、1.0m−8.0mとすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
このように構成された本発明の地盤改良基礎構造は、地盤と固化材とを混合撹拌させた改良体によって構築される地盤改良基礎構造であって、改良体を含む支持地盤の卓越固有周期と上部構造物の固有周期とを乖離させるような調整がなされる。そして、その調整は、改良範囲の全体面積に占める改良体の合計断面積の割合である改良率を、10%−80%に設定するものである。
【００１１】
このような改良率の設定にすることによって、建物などの上部構造物の振動特性が支持地盤に近似して共振が起きるような状態の発生が回避され、地震動の表層地盤増幅による上部構造物の揺れを軽減させることができる地盤改良基礎構造を、効率的に構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態の地盤改良基礎構造の概略構成を説明する斜視図である。
【図２】本実施の形態の別の地盤改良基礎構造の概略構成を説明する斜視図である。
【図３】地盤調査方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図４】地盤改良がされていない地盤のモデルを模式的に示した説明図である。
【図５】表層改良がされた地盤のモデルを模式的に示した説明図である。
【図６】柱状改良がされた地盤のモデルを模式的に示した説明図である。
【図７】地盤改良がされていない地盤において、地震の揺れ低減対策の要否を判定するための図表の一例である。
【図８】表層改良がされた地盤において、地震の揺れ低減対策の要否を判定するための図表の一例である。
【図９】柱状改良がされた地盤において、地震の揺れ低減対策の要否を判定するための図表の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本実施の形態の地盤改良基礎構造は、住宅や小規模集合住宅などのような上部構造物となる建物の基礎として地盤に構築される。ここで、上部構造物を下方から支える地盤改良基礎構造が設けられる地盤を「支持地盤」と呼び、その地表面に投影される領域を「改良範囲」と呼ぶこととする。
【００１４】
地盤改良基礎構造が設けられる地盤に対しては、改良範囲又はその周辺の１地点又は複数地点において地盤調査が行われる。地盤調査としては、表面波探査試験や貫入試験などが行われる。
【００１５】
地盤調査の１手法である表面波探査試験とは、地盤の表面に当てた起振機によって人工的に発生させたレイリー波を、起振機から離れた位置に設置された複数のセンサ（検出器）で測定することで、地盤の硬さを調べる調査方法である。要するに、物質が硬質になれば伝播速度も速くなることを利用して、調査対象地盤が硬質であるか軟質であるかなどの硬さの度合いを、伝播速度の大きさから推定する方法である。
【００１６】
詳細には、起振機から異なる距離に設置された２つのセンサによって、起振機から地盤に付与されたレイリー波を検出した時間を検出する。ここで、２つのセンサは異なる位置に設置されているため、検出時間には時間差が生じる。
【００１７】
そこで、２つのセンサ間の距離と検出時間の時間差とから、表面波の伝播速度（Ｓ波速度）を算出する。この時間差を正確に求めるためには、スペクトルアナライザーを使用して、検出信号からノイズを完全に除去する必要がある。
【００１８】
一方、貫入試験には、例えば標準貫入試験のように、対象層までボーリングを行い、当該層に対して錘を落下させたときの貫入量でその土層の硬軟を評価する動的貫入試験がある。また、スウェーデン式サウンディング試験のように、ロッドに錘を載荷したときの沈下の有無や回転貫入させたときの抵抗度合いから、間接的に当該層の支持性能を評価する静的貫入試験などがある。
【００１９】
ここで、ボーリングやスウェーデン式サウンディング試験の貫入装置に加振機を取り付けて、調査対象となる土層を動的に打撃する機構とした場合、いわば動的な載荷試験を行っていることと同じになり、地震時の当該層の剛性を評価していることになる。このため、これと相関性のあるＳ波速度が得られるという考え方ができる。
【００２０】
これらの地盤調査の結果から得られたＳ波速度から、地震時に地盤の揺れが大きく増幅されるか否かの判定を行うことができる。ここで、「地盤の揺れ（地震動）の増幅」とは、切土盛土などの地盤条件によって局所的に地震波が大きく増幅することをいう。
【００２１】
このような地震動の増幅がある地盤を事前に特定しておくことで、地震被害を低減又は防止することができるようになる。要するに「揺れ低減対策」とは、大地震時に地盤が大きく揺れることで誘引される建物被害を低減するための対策を指す。
【００２２】
地震動の増幅が起きるか否かの増幅判定は、例えば表層地盤増幅率を基準に行われる。表層地盤増幅率とは、地表近くの表層地盤の地震時の揺れの大きさを数値化したものであり、地震に対する地盤の弱さを示す。
【００２３】
この表層地盤増幅率は、例えば表面波探査試験又は貫入試験によって得られた調査対象地盤のＳ波速度から算出することができる。そして、これを解析することによって、周期ごとの表層地盤増幅率を求めることができる。
【００２４】
表層地盤増幅率は、数値が大きいほど地盤が弱く揺れも大きくなるといわれている。また、建築される構造物の固有周期が当該地盤の表層地盤増幅率の高い周期帯にある場合には、構造物の固有周期に合致する地震動がより大きくなり、想定以上の変形を生じて被害を及ぼす可能性がある。
【００２５】
こうしたことから、建物の特性や過去の実験結果等の知見に基づいて、例えば周期0.5secにおいて表層地盤増幅率α＝2.0倍を基準値として、その基準値以上の表層地盤増幅率が算出された場合は揺れ低減対策が必要とし、基準値未満であれば揺れ低減対策が不要であると判定することが考えられる。
【００２６】
ここで、深度ごとのＳ波速度の値は地盤ごとに様々である。住宅において表層地盤増幅率を求める場合には、充分な硬さをもつ土層（硬質地盤）を「工学的基盤」とする。例えば、Ｓ波速度VS=400m/s程度の地盤が工学的基盤に該当する。
【００２７】
そして、この工学的基盤を底盤として、それ以浅の地盤のＳ波速度と、密度と、減衰定数と、土質とを設定する。ここで、表層地盤増幅率の検討においては、軟弱地盤を対象とするのであれば、例えば「小規模建築物基礎設計指針」（日本建築学会，2008年）などの文献を参考にすることができる。例えば、粘性土地盤を想定し、密度1.7t/m3、減衰定数は過大とならない0.03程度と仮定し、変数である工学的基盤以浅のＳ波速度に応じた検討を予め行うことができる。
【００２８】
以下では、図３を参照しながら地盤調査方法の処理の流れを説明する。地盤調査を行うにあたっては、それまでに蓄積されてきた既存の地盤調査結果や、文献などから得られる既存の地盤データなどが利用される。
【００２９】
ステップＳ１では、実際に建物３を建設する調査対象地盤において、地盤調査を行う。地盤調査は、例えば表面波探査試験が行われる。この表面波探査試験によって、調査対象地盤の深度ごとのＳ波速度が測定される。
【００３０】
そこで、Ｓ波速度が400m/s以上となる深さを、工学的基盤までの深さとして特定する（ステップＳ２）。続いてステップＳ３では、工学的基盤までのＳ波速度を平均して、表層地盤の平均Ｓ波速度として算定する。なお、平均Ｓ波速度を使用しない場合は、このステップを省略することができる。
【００３１】
そして、ステップＳ４では、上述したような既存の地盤データを使用して、調査対象地盤の特定された工学的基盤までの深さと平均Ｓ波速度との関係などから表層地盤増幅率を推定する。
【００３２】
この推定された表層地盤増幅率が、揺れ低減対策の要否判定の基準値となる。例えば周期0.5secにおいてα＝2.0倍以上であれば、揺れ低減対策が必要であると判定される（ステップＳ５）。
【００３３】
このように地盤調査の結果から揺れ低減対策が必要と判定された場合、上部構造物の固有周期と、支持地盤の卓越固有周期とを乖離させた地盤改良基礎構造を設ける必要がある。基本的には、水平剛性を高めると短周期側に遷移することになる。
【００３４】
そこで、図１に示すように、上部構造物となる建物３の下方地盤を改良範囲３１として、改良範囲３１に地盤改良基礎構造１を設けることで、地震動の表層地盤増幅が軽減された支持地盤にする。
【００３５】
本実施の形態の地盤改良基礎構造１は、地盤とセメント系固化材とを混合撹拌させた改良体によって構築される。このような改良体は、例えば深層混合処理工法によって構築することができる。これらの工法では、セメントミルクのようなスラリー状のセメント系固化材を、切削された原位置の地盤の中に混入させて、混合撹拌させることによって改良体（ソイルセメント）を構築する。
【００３６】
図１に示した改良体は、比較的に直径が大きい円柱状の太径改良体２である。例えば、一般的に戸建て住宅で構築される改良体の杭径を0.5m-0.6mとすると、0.7m-2.0m程度の杭径に構築される。
【００３７】
一方、杭長は、必要に応じて短くすることができる。すなわち、地震動の表層地盤増幅の低減に寄与しない分は、短くすることで工費を削減することができるようになる。例えば、一般的な戸建て住宅の改良体の杭長が2.0m-8.0mとすると、1.0m-8.0m程度の杭長に構築される。
【００３８】
杭長を短くするためには、改良率を上げて地震動の表層地盤増幅を低減させる必要がある。ここで、「改良率」とは、改良範囲３１の全体面積（平面積）に対する複数の改良体の合計断面積の割合で、10%−80%に設定される。例えば、改良体間で重なりがない場合は、改良率＝（改良体の断面積×本数）／（改良範囲３１全体の平面積）×100となる。他方、改良体同士にラップがある場合は、重複する箇所の断面積が２重に加算されないように改良体の合計断面積が算定される。
【００３９】
図１に示した地盤改良基礎構造１を構成する太径改良体２は、杭径が1.0mで、一般的な戸建て住宅の改良体の杭径0.5mの2倍であり、断面積は4倍になる。また、太径改良体２の杭長は1.0mで、通常よりも短尺に形成されている。
【００４０】
そして、改良範囲３１には、水平方向に間隔を置いて複数の太径改良体２，・・・が構築され、改良率は23%程度となっている。太径改良体２は、建物３の柱の下方など、鉛直荷重が集中しやすい箇所に重点的に配置される。
【００４１】
一方、図２には、別の地盤改良基礎構造１Ａを示した。改良範囲３１Ａに間隔を置いて構築される改良体は、一般の改良体の杭径及び杭長に近い円柱状の長尺改良体２Ａである。例えば、杭径が0.7m、杭長が7.0mの長尺改良体２Ａが構築される。
【００４２】
そして、改良範囲３１Ａに水平方向に間隔を置いて配置される複数の長尺改良体２Ａ，・・・による改良率は、10%程度となっている。また、この長尺改良体２Ａの支持力は、下端面の地盤抵抗である先端支持力と、地盤との付着による周面摩擦抵抗との合計である。
【００４３】
このようにして改良範囲３１，３１Ａの改良率を調整することによって卓越固有周期が調整される支持地盤に建つ建物３は、例えば工場で部材が製作されるユニット住宅などである。例えば、間隔を置いて配置される柱間に梁を架け渡すことで、構造部材となる骨組構造体が形成される。
【００４４】
この骨組構造体を構成する柱及び梁は、例えばＨ形鋼、溝形鋼（Ｃ形鋼）又は角形鋼管などの鋼材によって形成することができる。また、骨組構造体は、柱と梁とをボルトで接合させる鉄骨構造体であってもよいし、柱と梁とを溶接によって剛接合させるラーメン構造体であってもよい。
【００４５】
このような柱と梁によって骨組構造体が形成される建物の自重などの鉛直荷重は、柱脚部から集中的に基礎に伝達される。図１，２に示した太径改良体２及び長尺改良体２Ａの配置は、柱などから集中荷重が作用する位置及びその周辺である。
【００４６】
そして、工場などでユニット化された部材が製作されることによって構築される建物３は、予め固有周期が判明しているため、支持地盤の卓越固有周期と建物３の固有周期とを乖離させるような調整を行うことができる。
【００４７】
基本的には、地盤の剛性を上げることで増幅を軽減することができるが、支持地盤の振動特性が建物３の振動特性に近似して、共振が起きやすい状態になるのを避けるように設計が行われる。
【００４８】
小規模な住宅を対象とする場合、中〜大規模建築物が対象とする土層と比較すると、対象層は浅く、また全体の層厚も薄くなる。さらに、対象とする土層は大小があっても全体的に剛性は低く、簡便化して検討を行っても影響度は小さいと言える。そこで、平均Ｓ波速度をその層厚ごとに予め算出しておくこととする。
【００４９】
図４が、平均Ｓ波速度が適用された地盤のモデルを模式的に示した説明図である。この地盤モデルは、地盤改良がされていない原地盤（無補強地盤）をモデル化している。一方、例えばセメント系固化材を用いて現地盤の土と撹拌することで地盤を補強する浅層改良や、柱状の改良体を連続して構築して地盤を補強する深層改良を行うと、地震時の地盤の揺れ方が変化する。
【００５０】
図５は、地盤改良として表層改良Ｍ１がされている地盤のモデルを模式的に示した説明図である。地盤改良を行う場合、従来からある軟弱地盤対策工法であってその改良地盤の水平剛性が予測可能な場合には、改良対象層を考慮して検討することも可能である。すなわち、改良部分のみ別途、平均Ｓ波速度を算出し、明らかに剛性に差がある範囲が平均化されるのを防ぎ、実際の地盤に近いモデル化を行うことができる。
【００５１】
一方図６は、地盤改良として柱状改良Ｍ２がされている地盤のモデルを模式的に示した説明図である。そして、これらの地盤モデルについて、工学的基盤までの深さを変化させるとともに、表層地盤の平均Ｓ波速度を変化させて、２つの関係に基づく表層地盤増幅率をそれぞれ算出する。
【００５２】
図７に、原地盤の表層地盤増幅率を検討するためのマトリクス化した図表の一例を示した。ここで、例えば基準値を1.7倍とした場合、平均Ｓ波速度と工学的基盤までの深度とから該当する箇所の表層地盤増幅率が基準値を超えている場合（図７で濃く示したマス目の範囲）には、揺れ低減対策が必要と判定する。他方、該当する箇所の表層地盤増幅率が基準値未満であれば、揺れ低減対策が不要であると判定することができる。
【００５３】
例えば、工学的基盤までの深さが6ｍで、当該深度までの平均Ｓ波速度がVS=50m/sである地盤の場合、図７によれば、現地盤のままであれば、表層地盤増幅率は基準値未満であるので、地震の揺れ低減としての地盤補強は不要である。
【００５４】
ここで参考までに、浅層地盤改良である表層改良Ｍ１がされている図５の地盤モデルについても、工学的基盤までの深さを変化させるとともに、表層地盤の平均Ｓ波速度を変化させて、２つの関係に基づく表層地盤増幅率をそれぞれ算出する。
【００５５】
図８に、層厚2m程度の表層改良Ｍ１を施した場合の表層地盤増幅率を検討するためのマトリクス化した図表の一例を示した。このマトリクス化された判定データベースを使用することで、原地盤のままでは地震の揺れが大きくなる場合に、浅層地盤改良によって地震の揺れ低減が可能かどうかを判定することができる。
【００５６】
要するに、軟弱地盤であることを理由に、地耐力等の確保のために地盤改良を施す必要がある場合に、表層改良Ｍ１によって地震の揺れが大きくなる可能性がないかを予め予測することができるようになる。そして、揺れが大きくなると予測された場合には、深層地盤改良や水平剛性の小さい杭状地盤補強などの他の工法に切り替えることを検討することができる。
【００５７】
同様に図９には、深さ4m程度までの水平剛性を高める連続した柱状改良Ｍ２を施した場合の表層地盤増幅率を検討するためのマトリクス化した図表の一例を示した。このマトリクス化された判定データベースを使用することで、柱状改良Ｍ２によって地震の揺れ低減が可能かどうかを判定することができるようになる。
【００５８】
さらに、軟弱地盤のために柱状改良Ｍ２を施す必要がある場合に、地震の揺れが大きくなる可能性を予め予測することもできるようになる。そして、揺れが大きくなると予想された場合には、水平剛性の小さい杭状地盤補強など他の工法に切り替えることを検討することができる。
【００５９】
要するに、図６に示した連続した柱状改良Ｍ２を、杭状の太径改良体２や長尺改良体２Ａに置き換えることで、支持地盤の水平剛性を調整することができるようになる。そこで、工学的基盤までの深度が2.5m-20mの範囲で、平均Ｓ波速度が110m/s-290m/sの範囲の大きな増幅を示す地盤に、上述したような本実施の形態の地盤改良基礎構造１，１Ａを構築する。
【００６０】
次に、本実施の形態の地盤改良基礎構造１，１Ａの作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の地盤改良基礎構造１，１Ａは、地盤とセメント系固化材とを混合撹拌させた改良体（２，２Ａ）によって構成される。
【００６１】
そして、改良体（２，２Ａ）を含む支持地盤の卓越固有周期と建物３の固有周期とを乖離させるような調整がされる。この調整は、例えば改良体（２，２Ａ）を太径化させることで、改良率が10%−80%に設定されるように行われる。また、改良体の本数や杭長で調整することもできる。
【００６２】
要するに、建物３などの上部構造物の振動特性と支持地盤の振動特性とが近似して共振が起きるような状態の発生を回避することで、地震動の表層地盤増幅による建物３の揺れを軽減させることが可能な地盤改良基礎構造１，１Ａを構築する。
【００６３】
一方、地震動の表層地盤増幅の軽減に寄与せず、地盤との間の周面摩擦抵抗による支持力の増加がそれほど期待できないような軟弱地盤では、杭長を短くして工費を抑えることもできる。
【００６４】
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、太径改良体２と長尺改良体２Ａを例に説明したが、これに限定されるものではなく、これらの中間的な改良体を構築することもできる。
【符号の説明】
【００６５】
１，１Ａ：地盤改良基礎構造
２      ：太径改良体（改良体）
２Ａ    ：長尺改良体（改良体）
３      ：建物（上部構造物）
３１，３１Ａ：改良範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020180454.tif 000010
【図９】
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