(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラベルドレーン及びグラベルマットを地中に埋設し地盤の液状化を防止するグラベルドレーン工法の施工の際に、該グラベルマット上方に該グラベルマットと地表を連通する空気抜き孔を設置する必要があるか否かを判定する方法において、該グラベルマットが地盤の地下水位よりも高く埋設されると共に、該グラベルマットの上方に存在する不飽和土層の厚さが１．５ｍ以下であり、且つ、該不飽和土層の上方が実質的に排水不可能な状態である場合に、次式(1) 及び(2) ；
Ｖ’≧Ｑ’          (1)
（式中、Ｖ’(m3)は地震発生前の前記グラベルドレーン及びグラベルマット中の地下水位以上に存在する空隙体積を示し、Ｑ’(m3)は過剰間隙水圧がｕ’(tf/m2) の時にダルシー則により求めた流速ｖ(m/sec) と前記グラベルドレーン中の杭断面積Ｓ(m2)と地震の継続時間ｔ(sec) との積ｖ×Ｓ×ｔとして算出される該グラベルドレーンからの排水量を示す（ここで、ｕ’は該地盤がｔ(sec) 間の地震によって生じると想定される過剰間隙水圧を示す。）。）
Δｐ≦Ｕ−ｕ’      (2)
（式中、Δｐ(tf/m2) は過剰間隙水圧ｕ’(tf/m2) により前記グラベルドレーン及びグラベルマット中で増加する空気圧を示し、Ｕ(tf/m2) はグラベルドレーン工法で施工された地盤の許容間隙水圧を示す。）
のいずれも満たす場合に、前記空気抜き孔を設置する必要がないと判定することを特徴とする空気抜き孔の設置の必要性の有無の判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤の液状化を防止するグラベルドレーン工法において、地盤内に埋設されたグラベルドレーンの上部に形成されるグラベルマットと地表を連通して設けられる空気抜き孔の設置の必要性の有無を判定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、地震時に砂層地盤に液状化現象（以下、液状化という）が発生する例は多く知られているが、液状化は地盤の支持力を失わせて構造物を沈下させたり倒壊させたりする問題となる現象である。液状化は、水で飽和した空隙の多い構造の砂層地盤が地震時に剪断応力を受けて空隙の多い構造の砂層が崩壊して支持力を失い、同時に間隙水圧が急上昇して過剰間隙水圧を発生し起きると考えられる現象である。地震が発生したときに液状化が生じるか否かは、一般的に、地盤の密度、地盤を構成する土砂等の粒径及び地下水位等に関連があると考えられており、具体的には水で飽和したゆるい砂層地盤や細かい砂層地盤において液状化する危険性が高いと考えられている。
【０００３】
このような液状化を防止する方法としてはグラベルドレーン工法が知られている。この工法は、地盤中の過剰間隙水圧で発生した水を、地盤中に砂利や礫等を埋設して形成した隙間の多い構造の鉛直方向略柱状のグラベルドレーン中に逃がし、さらに該グラベルドレーン中を上昇した水を該グラベルドレーン上部に連通する隙間の多い構造で略平板状のグラベルマットに逃がして集水することにより地盤の液状化を防止するものである。
【０００４】
ところが、グラベルドレーン工法において、単にグラベルドレーン及びグラベルマットを埋設するだけでは、過剰間隙水圧によりグラベルドレーン及びグラベルマット内の水位が上昇したり、該水位の上昇に伴いグラベルドレーン等内の空隙が減少してグラベルドレーン等中の気圧が上昇したりすると、地震時にグラベルドレーンから排水される地下水の水量、グラベルドレーン及びグラベルマット中の空隙体積、グラベルマット上方に存在しグラベルマットから排出される水を吸収可能な不飽和土層の容量、又は地表にアスファルトやコンクリートが敷設されたり貯蔵タンクが設置されたりすることによる地表の排水能力の有無等によっては、水又は空気圧の上昇をグラベルドレーン等中で十分に吸収できず、液状化が発生してしまうことがある。このため、グラベルドレーン工法による施工の際には、原則として、グラベルマット内部の過剰の水圧及び空気圧を地上に逃がす排水経路又は排気経路として、グラベルマットの上部に地上に連通する空気抜き孔を設けている。
【０００５】
しかしながら、グラベルマットの埋設深さが地下水の水位よりも低い場合は必ず空気抜き孔の設置が必要になるものの、グラベルマットの埋設深さが地下水の水位よりも高く、且つ、該グラベルマット及びグラベルドレーン中に存在する空隙により地下水位の上昇分を吸収できる場合には、必ずしも空気抜き孔を設置する必要はないと考えられる。
【０００６】
また、グラベルマット上面に不飽和土層がほとんどなく、且つ、地表が、例えばコンクリート等で舗装され密閉されてグラベルマットからの排水が実質的に不可能な場合には空気抜き孔の設置が必要になるものの、この場合においても不飽和土層が十分な厚さで存在していれば、グラベルマットからの排水を不飽和土層が吸収できるため、空気抜き孔の設置は必要でなくなる。また、グラベルマットが地表に露出している等排水が容易な場合は空気抜き孔の設置は必要でない。このように、グラベルドレーン工法での施工において、地盤の条件によっては空気抜き孔の設置が必要でない場合もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のグラベルドレーン工法においては上記地下水の水量等の条件を勘案して空気抜き孔の設置の有無を判定する方法はなく、安全のために、常に空気抜き孔を設置する必要があった。このため、施工上煩雑であり手間とコストがかかると共に、施工後長期間にわたって清掃、点検等をする必要があり多大な労力を要するという問題があった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、グラベルドレーン工法による施工において、地盤等の条件から空気抜き孔の設置の必要性の有無が判定可能な判定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、グラベルマットの埋設深さが地盤の地下水位よりも高く、該グラベルマットの上方に存在する不飽和土層の厚さが１．５ｍ以下であり、且つ、該不飽和土層の上方が実質的に排水不可能な状態であり、グラベルドレーン工法で施工する地盤の許容間隙水圧がＵ(tf/m2) 、該地盤がｔ(sec) 間の地震によって生じると想定される過剰間隙水圧がｕ’(tf/m2) である場合に、地震発生前のグラベルドレーン及びグラベルマット中の地下水位以上に存在する空隙体積Ｖ’が、過剰間隙水圧ｕ’(tf/m2) に伴うグラベルドレーンからの排水量Ｑ’以上であり、且つ、地震発生前により前記グラベルドレーン及びグラベルマット中で増加する空気圧Δｐ(tf/m2) がＵとｕ’との差Δｕ(tf/m2) 以下の場合であれば、空気抜き孔を設置する必要性がないことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、グラベルドレーン及びグラベルマットを地中に埋設し地盤の液状化を防止するグラベルドレーン工法の施工の際に、該グラベルマット上方に該グラベルマットと地表を連通する空気抜き孔を設置する必要があるか否かを判定する方法において、該グラベルマットが地盤の地下水位よりも高く埋設されると共に、該グラベルマットの上方に存在する不飽和土層の厚さが１．５ｍ以下であり、且つ、該不飽和土層の上方が実質的に排水不可能な状態である場合に、次式(1) 及び(2) ；
Ｖ’≧Ｑ’          (1)
（式中、Ｖ’(m3)は地震発生前の前記グラベルドレーン及びグラベルマット中の地下水位以上に存在する空隙体積を示し、Ｑ’(m3)は過剰間隙水圧がｕ’(tf/m2) の時にダルシー則により求めた流速ｖ(m/sec) と前記グラベルドレーン中の杭断面積Ｓ(m2)と地震の継続時間ｔ(sec) との積ｖ×Ｓ×ｔとして算出される該グラベルドレーンからの排水量を示す（ここで、ｕ’は該地盤がｔ(sec) 間の地震によって生じると想定される過剰間隙水圧を示す。）。）
Δｐ≦Ｕ−ｕ’      (2)
（式中、Δｐ(tf/m2) は過剰間隙水圧ｕ’(tf/m2) により前記グラベルドレーン及びグラベルマット中で増加する空気圧を示し、Ｕ(tf/m2) はグラベルドレーン工法で施工された地盤の許容間隙水圧を示す。）
のいずれも満たす場合に、前記空気抜き孔を設置する必要がないと判定することを特徴とする空気抜き孔の設置の必要性の有無の判定方法を提供するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る空気抜き孔の設置の必要性の有無の判定方法は、グラベルドレーン及びグラベルマットを施工したときに、グラベルマットが地盤の地下水位よりも高く埋設されると共に、該グラベルマットの上方に存在する不飽和土層の厚さが１．５ｍ以下であり、且つ、該不飽和土層の上方が実質的に排水不可能な状態のために、空気抜き孔の設置の必要性の有無の判断が困難で、検討を要する場合に用いられる。表１には、グラベルドレーン工法を施工した１２種類の地盤（記号Ａ〜Ｌ）について、上記のような「検討を要する」場合を△印で示した。表１において、本発明の対象となる空気抜き孔の設置の必要性の有無の判断に検討を有する場合は記号Ｇ及びＨの地盤である。
【００１２】
【表１】
0003680088.tif 000002
【００１３】
なお、グラベルマットが地盤の地下水位よりも低く埋設される場合は（表１のＡ〜Ｆ）、明らかに空気抜き孔の設置が必要であり、検討の余地がない。また、グラベルマットが地盤の地下水位よりも高く埋設され、且つグラベルマット上面が開放されて排水が容易な場合は（表１のＪ〜Ｌ）、空気抜き孔の設置が不要であり、検討の余地はない。また、グラベルマットが地盤の地下水位よりも高く埋設され、且つ、グラベルマット上面がコンクリート等で密閉され排水が困難であるが、不飽和土層が十分に厚い場合は（表１のＩ）、グラベルマットから不飽和土層への排水が容易なため空気抜き孔の設置が不要であり、検討の余地はない。
【００１４】
グラベルドレーンは、砂利、細石、礫等の材料からなる粒状物等を、地盤中の液状化を起こし易い層まで達するように鉛直方向略柱状に埋設して形成した隙間の多い構造の埋設物であり、地震が発生して地盤中に過剰間隙水圧ｕ’が生じたときに、過剰間隙水圧ｕ’による水をドレーン内に集水すると共にドレーン中の空隙を通して地盤上方に逃がすことにより地盤の液状化を防止する作用を行う。上記材料は、特に限定されないが、対象地盤に比べて透水性が大きく、且つ、透水性が大きいことを維持できる材質であることが好ましい。このため、対象地盤の透水係数や粒度分布により適当な材質を選択することが好ましい。グラベルドレーンの空隙率、グラベルドレーン径、グラベルドレーン長、グラベルドレーンの埋設数量等は特に限定されないが、地盤により適宜決定される。
【００１５】
グラベルマットは、１又は２以上のグラベルドレーンの上部に連通するグラベルドレーンと同様な隙間の多い構造の略平板状の埋設物であり、地震時にグラベルドレーン中を上昇する水を集水するためのものである。グラベルマットの材質、構造、空隙率等は、通常はグラベルドレーンと同様のものが用いられるが、異なっていてもよい。また、グラベルマットの厚さや上面の面積等は構造等と共に、地盤により適宜決定されて用いられる。本発明の判定方法においては、空気抜き孔の設置の有無の必要性の検討を要する場合であるため、グラベルマットは地下水位よりも高い位置、すなわち、表面より浅い部分に埋設されている。
【００１６】
空気抜き孔は、グラベルマットの上方にグラベルマットと地表を連通するように設けられるもので、グラベルマットに集水した水、又は集水に伴うグラベルマット内の空気圧の上昇を地表に逃がすための孔である。空気抜き孔の径、長さ等は、地盤の条件により適宜選定される。不飽和土層とは、水が浸透可能な土の層を示し、本発明の判定方法においては、特にグラベルマットの上方に存在するものをいう。本発明の判定方法は、不飽和土層の厚さが１．５ｍ以下のときに用いられる。また、不飽和土層の上方が実質的に排水不可能な状態とは、グラベルマットから不飽和土層に浸透した水が、地表に排水できない状態をいい、例えば、地表がコンクリートや透水性のないアスファルト等で舗装されている状態をいう。
【００１７】
許容間隙水圧Ｕ(tf/m2) とは、上記グラベルドレーン工法による施工により地盤の排水性が改良された状態において、該改良された地盤について予め設定される設計上の間隙水圧である。通常、許容間隙水圧Ｕを鉛直有効土被り圧σv0' で除した許容間隙水圧比Ｕ／σv0' は地中深さに関わらず一定値をとるため、グラベルドレーン工法による施工で改良された地盤固有の値として用いることができる。グラベルドレーン工法においてＵ／σv0' は地盤の条件等により適宜の値に設定されるが、通常０．２５〜０．５程度に設定される。なお、Ｕ／σv0' は０と１の間の値を取りうるが、０の場合は間隙水圧が全く発生していない状態を示し、１の場合は完全液状化の状態を示す。従って、グラベルドレーン等を多く埋設する等してＵ／σv0' が低い値に設定されるほど、地盤が液状化し難い安全な設計となる。
【００１８】
過剰間隙水圧ｕ’(tf/m2) とは、上記グラベルドレーン工法による施工により地盤の排水性が改良された状態において、所定の大きさの地震が発生したときに生じると想定される間隙水圧であり、次に示す「GADFLEA 」の基本方程式を変形した次式(3) を計算することにより求められる。
【００１９】
【数１】
0003680088.tif 000003
【００２０】
（式中、ｕ’は過剰間隙水圧、ｋh は水平方向透水係数、ｋv は鉛直方向透水係数、ｍv は体積圧縮係数、γw は水の単位体積重量をそれぞれ示す。）
計算方法の具体例としては、軸対称浸透流解析プログラム（「軸対称２次元間隙水圧発生・消散プログラム」とも言う。）「GADFLEA 」による計算であり、式(3) を図１に示すような軸対称解析モデルを使って、空間的・時間的離散化を行って解く方法が挙げられる。図１中、１は軸対称解析モデルを示し、グラベルドレーン２が負担する等価円柱３であり、４はグラベルドレーンの杭長（ｌ）、５は等価円の径を示す。
【００２１】
過剰間隙水圧ｕ’は、許容間隙水圧Ｕと同様に地中深さの影響により変化するため、ｕ’を鉛直有効土被り圧σv0' で除した過剰間隙水圧比ｕ’／σv0' が地盤固有の値として用いられる。また、Ｕ／σv0' とｕ’／σv0' の差に鉛直有効土被り圧σv0' を乗じた値Ｕ−ｕ’はΔｕとして表され、これは許容間隙水圧Ｕと発生する過剰間隙水圧ｕ’の水圧差であるから、余裕水圧値といえる。なお、Ｕ／σv0' は常にｕ’／σv0' よりも大きい値であり、また、σv0' は正の値であるため、Δｕ（＝Ｕ−ｕ’）も正の値をとる。
【００２２】
Ｖ’(m3)は地震発生前におけるグラベルドレーン及びグラベルマット中の地下水位以上に存在する空隙体積を示すもので、具体的には、全グラベルドレーン及びグラベルマットのうち地下水位以上に存在する部分の体積とその空隙率との積で表される。例えば、グラベルドレーン及びグラベルマットの空隙率が共にｎ、グラベルドレーン及びグラベルマットのうち地下水位以上に存在する部分の体積がＶであれば、Ｖ’はＶ’＝Ｖ×ｎで表される。
【００２３】
Ｑ’(m3)は該グラベルドレーンからの排水量を示すもので、次式；Ｑ’＝ｖ×Ｓ×ｔから求まる。式中、ｖ(m/sec) は過剰間隙水圧がｕ’(tf/m2) の時にダルシー則により求められる流速を示し、Ｓ(m2)はグラベルドレーン中の杭断面積、ｔ(sec) は地震の継続時間を示す。ここで、ダルシー則とは、流速ｖ(m/sec) ＝ｋ・ｕ’／ｌ（式中、ｋは透水係数、ｌはグラベルドレーンの杭長(m) である）で表される。
【００２４】
本発明の判定方法において、空気抜き孔を設置する必要がないと判定するには、第１にＶ’とＱ’とが下記式(1) ；
Ｖ’≧Ｑ’    (1)
の関係を満たすことが必要である。上記関係式を満たすときは、地震時にグラベルドレーンから排出される水の累計排出量Ｑ’が、地下水位以上のグラベルドレーン及びグラベルマットの空隙体積の総和量Ｖ’よりも小さく、地震時に地盤から排出される水をグラベルドレーン及びグラベルマット内で貯留できるため、下記式(2) をも満たすことを条件として、空気抜き孔を設置する必要がなくなる。
【００２５】
Δｐ(tf/m2) は設定される過剰間隙水圧がｕ’(tf/m2) の時に、地震発生前に比べて前記グラベルドレーン及びグラベルマット中で増加する空気圧を示し、前記グラベルドレーン及びグラベルマット中、地震発生前後のＰＶ値は等しいとした次式；ｐ0 ×Ｖ’＝（ｐ0 ＋Δｐ）×（Ｖ’−Ｑ’）を満たすことにより求められる。すなわち、該式を変形した次式(4) から求まる。
Δｐ＝ｐ0 ×Ｑ’／（Ｖ’−Ｑ’）          (4)
（式中、ｐ0 (tf/m2) は地震発生前におけるグラベルドレーン及びグラベルマット中の空気圧を示し、通常１０(tf/m2) であり、Ｖ’(m3)は前記に同じであり、Ｖ’−Ｑ’(m3)は過剰間隙水圧がｕ’(tf/m2) になる地震がｔ(sec) 間継続して発生した後のグラベルドレーン及びグラベルマット中の空隙体積を示す。）
【００２６】
本発明の判定方法において、空気抜き孔を設置する必要がないと判定するには、第２にΔｐとＵ−ｕ’とが下記式(2) ；
Δｐ≦Ｕ−ｕ’        (2)
の関係を満たすことが必要である。上記関係式を満たすときは、地盤からグラベルドレーンに排水された水の水位の上昇によりグラベルドレーン及びグラベルマット中の空隙体積が減少したことに伴う空気圧の上昇分Δｐが、許容間隙水圧Ｕと過剰間隙水圧ｕ’の水圧差Δｕ以下であるため、砂層地盤からグラベルドレーン中への排水圧力Δｕが空気圧の上昇分Δｐにより阻害されることがなく、動水勾配が十分に確保されるため、上記式(1) を満たすことを条件として、空気抜き孔を設置する必要がなくなる。本発明の判定方法では、上記式(1) 及び(2) のいずれをも満たすことを条件として空気抜き孔の設置の必要性がないことを判断できる。
【００２７】
【実施例】
次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。
【００２８】
参考例１
空気抜き孔が設置されていないグラベルドレーン打設域にも関わらず、平成５年に４５０gal 以上の大規模地震動が作用しても液状化が認められなかったＫ市Ｎ港グラベルドレーン打設域を掘削し、地盤の条件及びグラベルドレーン打設条件を調べ、本発明に係る判定方法の結果に当てはまるかを調べた。
(1) Ｋ市Ｎ港グラベルドレーン打設域におけるグラベルドレーン打設の条件
・グラベルマットの埋設の高さ：地下水の水位より高い位置に埋設
・グラベルマットの厚さ：３０cm
・グラベルマット上面の不飽和土層の厚さ：１．７ｍ
・空気抜き孔：なし
・地表の状態：コンクリート舗装によるため地中からの排水は不可能
【００２９】
(2) 解析方法
排水量Ｑ’(m3)は、前述の通り、軸対称２次元間隙水圧発生・消散プログラム「GADFLEA 」の計算方法により行い、ドレーン頭部要素の間隙水圧分布及び下記解析条件に基づき、各時刻の鉛直方向の動水勾配、ドレーン頭部要素の透水係数及びドレーン頭部要素の断面積より累積して求めた。
【００３０】
(3) 解析条件
(3-1) 土質定数
Ｋ市Ｎ港グラベルドレーン打設域の土質定数をボーリングデータを基にして以下のように仮定した。
0003680088.tif 000004
【００３１】
(3-2) 地震動の想定
▲１▼等価（剪断応力の）繰り返し回数Ｎ    Ｎ＝15.96 回
▲２▼地震継続時間ｔ                      ｔ＝20秒
【００３２】
(3-3) 解析モデル
図１に示すような軸対称解析モデルとし、グラベルドレーン１本が負担する等価円柱を想定した。
▲１▼グラベルドレーンの杭長；６．５m
（但し、地下水位−５m 、グラベルドレーン上端部の高さ＋1.5m)
▲２▼グラベルドレーンの半径：ａ＝０．２m
▲３▼等価円の半径：          ｂ＝０．５６m
【００３３】
(4) 解析結果
▲１▼グラベルドレーン１本当たり排出される排水量Ｑ’(m3)の算出
「 GADFLEA」の変形式(3) で計算された過剰間隙水圧ｕ’と次式のダルシー則；次式流速ｖ(m/sec) ＝ｋ・ｉ＝ｋ・Δｕ・ｔ／ｌ（ｉは動水勾配を示す。）より算出された表２に示す流速及び累積流量時刻歴から、グラベルドレーン１本当たり排出される累積排水量Ｑ’(m3)を算出したところ、Ｑ’＝0.00107 m3であった。
【００３４】
【表２】
0003680088.tif 000005
【００３５】
▲２▼排水量Ｑ’(m3)を吸収できるグラベルマットの厚さｔの算出
次式；ｔ＝Ｑ’／（Ａ×ｎ）（式中、Ａはグラベルドレーン１本の流量を分担するグラベルマットの面積(m2)を示し、ｎはグラベルマット内部の空隙率を示す。）にＡ＝1.0m2 、ｎ＝40％と仮定し代入して求めたところ、ｔ＝0.0027m ＝2.7mm と算出された。
【００３６】
▲３▼実際に打設されているグラベルマットの厚さ及び空隙体積
実際に打設されているグラベルマットの厚さは0.30m であるから、前記(4) ▲１▼の結果0.0027m と比較して、グラベルマットの厚さは十分であることが判った。また、グラベルドレーン１本当たりのグラベルマットの空隙体積Ｖ’はＶ’＝０．４×０．３×１．０＝０．１２m2と計算され、このＶ’値と表２に示される累積排水量Ｑ’(m3)を次式Δｐ＝ｐ0 ×Ｑ’／（Ｖ’−Ｑ’）に代入して地震発生後と仮定される条件でのグラベルマット内の空気圧を求めた。この空気圧の経時変化を、グラベルドレーン（ＧＤ）杭芯、グラベルドレーン杭間及びグラベルマット（ＧＭ）について図示したところ図２のようになった。図２より、過剰間隙水圧発生後のグラベルマット内の空気圧は、グラベルドレーン杭芯及びグラベルドレーン杭間の間隙水圧と比較して十分に小さい（約１／１０）ため、動水勾配は確保されている（Δｐ≦Ｕ−ｕ’）ことが判った。すなわち、許容間隙水圧比Ｕ／σv0' を０．２５として、杭長６．５m 、σv0' ＝１０tf/m2 の時、Ｕ＝０．２５×１０tf/m2 ＝２．５tf/m2 であり、これと図２のＧＤの過剰間隙水圧の最大値０．７７を上記（２）式の右辺に代入して、Ｕ−ｕ’＝２．５−０．７７＝１．７３tf/m2 となり、ＧＭの空気圧０．０９≦１．７３となる。従って、地盤からグラベルドレーンへの排水は阻害されておらず、Ｋ市Ｎ港グラベルドレーン打設域においては、空気抜き孔の設置の必要性がない場合であったことが確認され、本発明の判定方法の有効性が確認された。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係るグラベルドレーン工法における空気抜き孔の設置の必要性の有無の判定方法によれば、グラベルドレーン工法による施工において、地盤等の条件から空気抜き孔の設置の必要性の有無が判定可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】「GADFLEA 」の方程式から過剰間隙水圧を計算する際の軸対称解析モデルである。
【図２】実施例のグラベルドレーン打設地盤における過剰間隙水圧の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１      軸対称解析モデル
２      グラベルドレーン
３      等価円筒
４      グラベルドレーンの杭長
５      等価円の径
【図１】
0003680088.tif 000006
【図２】
0003680088.tif 000007