(57)【要約】 【課題】  鉄鋼スラグを用いた低置換改良地盤を提供すること。【解決手段】  天然砂等の非硬化性材料製杭１と、鉄鋼スラグ杭３とを並列して併用した鉄鋼スラグを用いた地盤改良構造であって、改良地盤６の上層部７が、天然砂等の非硬化性材料製杭１と鉄鋼スラグ杭３による改良地盤６とされ、下層部８が、天然砂等の非硬化性材料製杭１の改良地盤６とされている異種のＳＣＰ杭を併用した改良地盤。【選択図】図１
2006348466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼スラグを用いたＳＣＰ杭と天然砂などを用いたＳＣＰ杭とからなるＳＣＰ改良地盤において、鉄鋼スラグを用いたＳＣＰ杭の長さが天然砂などを用いたＳＣＰ杭の長さより短いことを特徴とする異種のＳＣＰ杭を併用した改良地盤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンドコンパクションパイル工法（以下、ＳＣＰ工法ともいう）による改良地盤に関し、特に、ＳＣＰ工法で鉄鋼スラグを用いた鉄鋼スラグ杭と、ＳＣＰ工法の砂杭との異種のＳＣＰ杭を併用した改良地盤に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地盤改良工法として、（１）図７に示すような砂杭１を軟弱な粘土地盤２に打設するサンドコンパクションパイル工法（以下、ＳＣＰ工法ともいう）が知られている。
【０００３】
前記のＳＣＰ工法は、砂を用いて、締め固めた強固な大径の砂杭を改良すべき地盤中に強制的に打設して、緩い砂地盤の場合、締め固めによる液状化防止、軟弱な粘土地盤では強制的な置き換え排除によって強度増強あるいは圧密沈下防止を目的とした地盤改良工法である。
【０００４】
特に粘土地盤を対象としたＳＣＰ工法には、高置換改良（改良率≧６０〜７０％程度）と、低置換改良（改良率≦３０％）があり、中でも低置換ＳＣＰ工法は、高置換ＳＣＰ工法に比較して、杭本数が少なく経済的であることから近年港湾工事を中心として多用されつつある。
【０００５】
一方、ＳＣＰ工法に用いられる砂杭は、従来良質な天然砂が用いられてきたが、近年港湾工事を中心として多数箇所に利用され、砂によるＳＣＰ杭においては、天然資源の保護の観点より鉄鋼スラグ等のリサイクル材料の有効活用が推進されている。
【０００６】
例えば、粘土地盤に高置換ＳＣＰ工法を適用した場合には、（１）ＳＣＰ杭による強制的な部分置換によるＳＣＰ杭と粘土地盤とからなる複合地盤としての改良効果を期待するもので、ＳＣＰ杭に要求される性能は強度上の点であり、砂杭に代えて鉄鋼スラグ杭を使用することも可能である。
【０００７】
他方、粘土地盤に低置換ＳＣＰ工法を適用した場合には、前記の（１）ＳＣＰ杭による強制的な部分置換によるＳＣＰ杭と粘土地盤とからなる複合地盤としての改良効果の他に、（２）ＳＣＰ杭のドレーン効果による軟弱粘土地盤の圧密による強度増加の効果を図る点がある。このような低置換ＳＣＰ工法の砂杭に、砂杭と同じ長さの鉄鋼スラグ杭を築造した場合には、鉄鋼スラグ、例えば製鋼スラグの潜在水硬性に伴う硬化と著しい透水性低下により、前記（２）の作用効果が阻害されるため、低置換改良のＳＣＰ工法へ鉄鋼スラグ杭の適用性が困難などの利用上の制約があるという問題がある。また、鉄鋼スラグ杭を用いた低置換改良では、製鋼スラグの硬化に伴う製鋼スラグ杭への応力集中が生じると共に透水性の低下によりドレーン材として機能できなくなるため、軟弱粘土地盤の改良効果は期待できないことも知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
また、粘土地盤において、低置換ＳＣＰ工法における砂杭に代えて、図６に示すように、製鋼スラグ杭３のみの低置換改良とにした場合には、製鋼スラグ杭３の著しい硬化と、透水性の低下により軟弱な粘土地盤２の圧密促進機能の低下を引き起こすため、製鋼スラグ杭３単体のみを用いた低置換改良工法は困難である。また、このようにした場合、（２）製鋼スラグ杭３への水平力の集中による地盤改良部の転倒破壊モードへの移行に伴う耐力低下と水平変位の増大を伴うという問題も生じる（例えば、非特許文献２参照）。
【非特許文献１】（財）沿岸開発技術センター発行、港湾工事用製鋼スラグ利用手引書Ｐ１９〜Ｐ２０、２０００．３
【非特許文献２】北詰直樹  他、着定型杭状深層混合処理地盤の破壊挙動Ｐ１〜Ｐ２８、港湾技術研究所報告、１９９８．６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のように、製鋼スラグ杭３は、高置換ＳＣＰ工法に使用できても、低置換ＳＣＰ工法には使用できないという問題があった。
【００１０】
本発明は、前記の地盤改良における低置換ＳＣＰ工法において、前記の課題を有利に解決することができる異種のＳＣＰ杭を併用した改良地盤を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の課題を有利に解決するために、本発明の異種のＳＣＰ杭を併用した改良地盤では、鉄鋼スラグを用いたＳＣＰ杭と天然砂などを用いたＳＣＰ杭の２種のＳＣＰ杭を併用した改良地盤において、鉄鋼スラグを用いたＳＣＰ杭の長さを天然砂などを用いたＳＣＰ杭の長さよりも短くしたことを特徴とする。これにより、改良地盤の上層部に鉄鋼スラグ杭と非硬化性材料製杭とを形成すると共に、改良地盤の下層部を圧密効果のある天然砂等の非硬化性材料製杭のみとしている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると次のような効果がある。
（１）天然砂等の非硬化性材料製杭の部分がドレーン材の作用を発揮するため、地盤の圧密効果がある。
（２）改良地盤の上層部は、下層部よりも高置換改良となるため水平力による転倒破壊に対する抵抗力が向上する。
（３）地盤改良された上層部は、下層部よりも高置換改良となるために、圧密沈下層は下層の一部となり、沈下量が小さくなると共に、改良地盤全体の圧密沈下を期待する従来のＳＣＰ杭工法に比べて、沈下期間が短くなるため、施工期間を短くすることができる。
（４）鉄鋼スラグ杭のみによる低置換工法に比べて、最小安全率を与える円弧すべり線が拡大（大深度化）することにより、改良地盤により支持力の増大を図ることができる。
（５）  改良地盤全体を高置換改良地盤とする場合に比べて、施工が容易で経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１〜図３は、本発明の一実施形態を示すものであって、海底粘土地盤２にＳＣＰ工法による天然砂等の非硬化性材料４が打設されて、長尺の非硬化性材料製杭５が、地盤改良区域の前後方向および左右方向に間隔をおいて多数（所要数）形成され、また、前後方向または左右方向あるいは斜め方向に隣り合う前記非硬化性材料製杭５の間に、ＳＣＰ工法による鉄鋼スラグを用いた短尺の鉄鋼スラグ杭３が形成されている。すなわち、多数の長尺の非硬化性材料製杭５による非硬化性材料製杭群とこれらの間に形成された多数の短尺の製鋼スラグ杭３による鉄鋼スラグ杭群とが、護岸構造物に沿うように混在に形成されている。
【００１５】
図示のように、粘土地盤２に長尺の非硬化性材料製杭５と短尺の鉄鋼スラグ杭３とを並列して併用した改良地盤６とされ、鉄鋼スラグ杭３の打設寸法は、図示の形態では、天然砂等の非硬化性材料製杭５の打設寸法の１／２程度とされているが、設計により適宜設定することができる。
【００１６】
前記のように施工された改良地盤６では、非硬化性材料製杭５と鉄鋼スラグ杭３とが混在する上層部７は、下層改良地盤に比べて高置換改良地盤となり、また、下層部８は、天然砂等の非硬化性材料製杭５４のみの低置換改良地盤となる。
【００１７】
前記のように、ＳＣＰ工法による短い鉄鋼スラグ杭３とＳＣＰ工法による長い非硬化性材料製杭５を併用する本発明の改良地盤６では、次のような利点がある。
（１）ドレーン材としての機能は、鉄鋼スラグ杭３と並列して打設される天然砂などの非硬化性材料製杭５で発揮させることができるため、鉄鋼スラグＳＣＰ杭３の硬化による圧密硬化の低下は生じない。
（２）改良された上層部７では、下層部よりも高置換改良となるため、水平力による転倒破壊に対する抵抗力が向上する。
（３）上層部７は二種類の杭を混合した改良層で高強度であるので特に圧密改良の必要がなくなるため、圧密期間の短縮と沈下量を抑制することができる。
（４）鉄鋼スラグ杭のみによる低置換工法に比べて、最小安全率を与える円弧すべり線の拡大（大深度化）することにより、改良地盤により支持力の増大を図ることができる。
（５）改良地盤全体を高置換改良地盤とする場合に比べて施工が容易で経済的である。
【００１８】
前記の鉄鋼スラグとは、高炉スラグ（高炉除冷スラグ、高炉水砕スラグ）、製鋼スラグを意味する。
前記の製鋼スラグとは、高炉で製造された硬くて脆い銑鉄から、不要な成分を除去し、靭性・加工性のある鋼にする製鋼過程で生じる石灰石を主体とした石状の副産物であり、転炉スラグ、溶銑予備処理スラグ、電気炉スラグ等を用いることができる。
【００１９】
また、前記の非硬化性材料としては、天然砂以外に、銅水砕スラグ、フェロニッケルスラグ、石炭灰造粒物あるいはコンクリートがら等を使用することもできる。
【００２０】
なお、図示の形態では、改良地盤上に、捨て石マウンド９が形成され、その捨て石マウンド９の上に順次直列にケーソン１０が沈設・着底され、適宜ケーソン内に廃棄物等の充填材が充填されて、コンクリート床版１１および上部工１２が設けられ、ケーソン１０背面に裏込め土１３が充填されて、ケーソン護岸構造物１４が形成されている。
【００２１】
上記のように本発明では、下記のような作用効果を奏することができる。
（１）打設長さの長い砂等の非硬化性材料製杭の部分でドレーン材の作用を分担するため、地盤の圧密効果がある。
（２）改良地盤の上層部は、下層部よりも高置換改良となるため水平力による転倒破壊に対する抵抗力が向上する。
（３）地盤改良された上層部は、下層部よりも高置換改良となるために、圧密沈下層は下層部の一部となり、沈下量が小さくなると共に、改良地盤全体の圧密沈下を期待する従来のＳＣＰ杭工法に比べて、沈下期間が例えば半減するなど格段に短くなるため、施工期間を短くすることができる。
（４）鉄鋼スラグ杭のみによる低置換改良地盤６の円弧すべり線ｒ（図５参照）に比べて、最小安全率を与える円弧すべり線Ｒが拡大（大深度化）することにより、鉄鋼スラグ杭のみの低置換改良地盤に比べて、より支持力の増大を図ることができる。
（５）  改良地盤全体を高置換改良地盤とする場合に比べて、施工が容易で経済的である。
【００２２】
ここで、図４を参照して、非硬化性材料製杭５の配置形態と改良率について説明すると、（ａ）のように非硬化性材料製杭５中心を結ぶ形状が正方形配置とし、杭直径を２ｍ（断面積Ａｓ＝３．１４ｍ２）として、ｘ＝２．１ｍの間隔で非硬化性材料製杭５を打設すると改良率ａｓ＝０．７１となる。同様に（ｂ）の正三角形とすると改良率ａｓ＝０．８２となり、同様に（ｃ）のく形配置では、ｘ１＝４．２，ｘ２＝２．１とした場合では改良率０．３６となる。前記の非硬化性材料製杭５の直径および配置形態並びに配置間隔を適宜設定することにより、改良率を３０％前後〜８０％前後に適宜設定することができる。
【００２３】
図４（ｄ）左に示すように、ＳＣＰ工法による多数の非硬化性材料製杭５を間隔をおいて粘土地盤等の地盤２に先行施工した後、同じ杭築造装置により、同図右に示すように、非硬化性材料製杭５間にＳＣＰ工法による鉄鋼スラグ杭３を築造すると、同じ杭築造装置を使用して効率良く施工することができる。また、多数の鉄鋼スラグ杭３を先行築造した後、鉄鋼スラグ杭３間に非硬化性材料製杭５を築造するようにしてもよい。非硬化性材料製杭５の長さに対する製鋼スラグ杭３の長さは、設計により適宜設定される。
【００２４】
ＳＣＰ工法による地盤改良範囲および改良率等の使用の決定は、一般的に図７に示すように常時の荷重作用条件下での円弧すべりを仮定した安定解析により行われる。
すなわち、円弧すべりを生じさせる起動力は、円弧の中心点Ｏ点まわりのモーメントとして、ＭＲ＝ΣＦＲ・ＬＲで与えられる。ここで時計まわりのすべりを考える場合、ＦＲは円弧の中心点を通る鉛直線の右側にある地盤・構造物の重量、ＬＲは円弧の中心点を通る鉛直線から地盤・構造物の重心までの距離である。一方、この円弧すべりに対する抵抗力としてのモーメントＭは、前記鉛直線の左側部分のＯ点まわりのモーメントＭＬ＝ΣＦＬ・ＬＬと、円弧すべり面の地盤の抵抗によるＯ点まわりのモーメントＭＳ＝Στ・Ｒの和となる。ここで、τは地盤のせん断強度であり、Ｒは円弧の半径である。
円弧すべりに対する地盤破壊に対する安全の確保は、起動モーメントＭＲに対する抵抗モーメントＭの比で示される安全率Ｆｓが所望の値であることを確認することにより行われる。
【００２５】
上記地盤のせん断抵抗力は、ＳＣＰ工法により改良された地盤については、ＳＣＰ杭による改良率、ＳＣＰ杭のせん断強度、原地盤のせん断強度、原地盤の圧密による強度上昇等を考慮した下記式（１）により表される複合地盤としてのせん断強度を用いる。
τ＝（１−ａＳ）（ｃ０+ｃ／ｐ・（σｃ・ｚ＋μｃ・σｚ−ＰＣ）・Ｕ）＋
（γｓｚ・μｓ・σｚ）ａｓ・ｔａｎφｓ・ｃｏｓ２θ            （１）
ここで、前記（１）の式中、
τ  ：改良地盤のせん断抵抗
ａｓ：置換率
ｃ０  ：粘性土の粘着力
σｚ：載荷による増加応力
μｃ＝１／［１＋（ｎ−１）ａｓ］
μｓ＝ｎ／［１＋（ｎ−１）ａｓ］
ｎ：応力分担比
Ｕ：  圧密度
ｃ／ｐ  ：粘着率増加係数
γｓ  ：砂の水中単位体積重量
重量  ［＝（１−ａＳ）γ’ｃ＋ａＳγ’ｓ］
μｓ，μｃ：応力集中（低減）係数
Ｐｃ：先行圧密応力
ｚ：土被り深さ
θ：すべり面が水平面となす角度
【００２６】
上記（１）の式から、上式右辺の ｃ／ｐ・（σｃ・ｚ＋μｃ・σｚ−ＰＣ）・Ｕの項が高置換工法では無視されるが、粘土の圧密強度上昇を期待する低置換工法では、この項により改良地盤のせん断抵抗が大きく左右される。すなわち、非硬化性材料杭１の低置換では、圧密度Ｕが高くなるに従って、圧密による増加粘着力（上式右辺のｃ／ｐ・（σｃ・ｚ＋μｃ・σｚ−ＰＣ）・Ｕの項）が高くなり、せん断抵抗が高くなる。
なお、（γｓｚ・μｓ・σｚ）ａｓ・ｔａｎφｓ・ｃｏｓ２θの項は、砂杭のせん断強度を意味している。
【００２７】
前記実施形態では、護岸構造物の下部地盤に適用した場合を説明したが、本発明を実施する場合、粘土地盤以外の軟弱地盤等に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の鉄鋼スラグを用いた地盤改良工法を適用した改良地盤およびその改良地盤上にケーソン護岸を築造した状態を示す縦断正面図である。
【図２】図１の上層部の横断平面図である。
【図３】図１の下層部の横断平面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ砂杭の配置形態を示す平面図、（ｄ）は砂杭を形成した後、鉄鋼スラグ杭を形成する施工形態の一例を示す平面図である。
【図５】本発明を実施した改良地盤の場合に円弧すべり線が拡大することを説明するための説明図である。
【図６】鉄鋼スラグ杭のみの改良地盤およびその改良地盤上にケーソン護岸を築造した状態を示す縦断正面図である。
【図７】地盤の破壊とＳＣＰ工法による地盤支持力改良機構を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  砂杭などの非硬化性材料製杭
２  粘土地盤
３  鉄鋼スラグ杭
６  改良地盤
７  上部層
８  下部層
９  捨て石マウンド
１０  ケーソン
１１  コンクリート床版
１２  上部工
１３  裏込め土
１４  ケーソン護岸構造物
【図１】
2006348466.tif 000003
【図２】
2006348466.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006348466.tif 000007
【図６】
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【図７】
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