(57)【要約】 【課題】ＳＣＰ工法において砂、スラグ等の粒状物からなる圧入杭を合理的に設計する。【解決手段】本発明に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法においては、まず、ステップ１０１〜１０３を実施することによって圧入杭１の改良率ａsを暫定的に算出する。次に、圧入杭１のＮ値Ｎpを評価するとともに（１０４）、Ｎpと改良率ａsとを用いて、（３）式から複合地盤のＮ値ＮTを算出し（１０５）、次いで、（４）式で算出された目標Ｎ値低減係数Ｒを目標Ｎ値Ｎ1に乗じることで、該目標Ｎ値Ｎ1を低減する（１０７）。次に、Ｒ・Ｎ1を、Ｎ1に代わるあらたな目標Ｎ値として（１）式に代入してＮ2′を求め（１０８）、次いで、Ｎ2′を用いて、杭間領域３における圧入後の間隙比ｅ2をあらたに算出した後（１０９）、（２）式から圧入杭１の修正改良率ａs2を算出する（１１０）。【選択図】  図１
2018059310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂、スラグ等の粒状物を柱状に原地盤に圧入して該原地盤内に圧入杭を造成することにより、前記原地盤のうち、前記圧入杭の杭間に拡がる領域を締め固める液状化地盤における圧入杭の設計方法であって、前記原地盤のＮ値をＮ0、前記原地盤を締め固める際の前記領域における目標Ｎ値をＮ1、前記原地盤の細粒分含有率に応じたＮ値の増加量に対する低減率をβとして、次式、
Ｎ1′＝（Ｎ1−Ｎ0）／β＋Ｎ0  （１）
から、細粒分がないとした場合の計算Ｎ値Ｎ1′を求め、次いで、該Ｎ1′を用いて前記領域における圧入後の間隙比ｅ1を求め、しかる後、前記原地盤における圧入前の間隙比をｅ0として、次式、
ａs＝（ｅ0−ｅ1）／（１＋ｅ0）（２）
から前記圧入杭の改良率ａsを算出する液状化地盤における圧入杭の設計方法において、
前記圧入杭のＮ値Ｎpを評価し、
前記圧入杭と前記領域とからなる複合地盤のＮ値Ｎ2を、前記Ｎpと前記改良率ａsとを用いて、次式、
Ｎ2＝ａs・Ｎp＋（１−ａs）・Ｎ1  （３）
から求め、次いで、該Ｎ2から、目標Ｎ値低減係数Ｒを、次式、
Ｒ＝Ｎ1／Ｎ2  （４）
から求め、該Ｒを前記Ｎ1に乗じてなるＲ・Ｎ1を、前記目標Ｎ値Ｎ1に代わるあらたな目標Ｎ値として（１）式及び（２）式を演算することにより、前記改良率ａsに代わる修正改良率ａ′sを算出することを特徴とする液状化地盤における圧入杭の設計方法。
【請求項２】
前記粒状物の少なくとも一部を鉄鋼スラグで構成した請求項１記載の液状化地盤における圧入杭の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状化地盤における圧入杭の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液状化は、地震時水平力が地盤に作用したとき、該地盤のせん断変形によって砂粒子間の間隙水圧が上昇し、それによって有効応力が減少するとともに、砂粒子間での応力伝達が困難になって流動性が高くなり、やがては鉛直支持力を失う現象であり、緩い飽和砂質地盤で起こりやすい（以下、液状化が発生しやすい地盤を液状化地盤と呼ぶ）。
【０００３】
液状化を防止する対策としては、地盤内に砂杭を造成することで地盤を締め固める、いわゆるサンドコンパクションパイル（ＳＣＰ）工法のほか、ドレーンによって間隙水圧を低下させる、モルタルや薬液を土粒子間隙に充填注入して固結させる、地下水位を低下させるといった種々の工法が存在するが、ＳＣＰ工法は、費用や信頼性の観点で従来から数多く採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０９０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳＣＰ工法は、ケーシングを介して地盤内に投入された砂を、ケーシング撤去後、静的あるいは動的に圧入して拡径することにより、地盤内に砂杭を造成しつつ、該砂杭の杭間に拡がる領域を締め固めるものであるが、かかる工法を実施するにあたっては、圧入された砂杭によって原地盤の液状化が適切に防止ないしは抑制されるよう、該砂杭の体積割合を評価する必要がある。
【０００６】
上記評価を行うにあたり、昨今では、Ｃ法と呼ばれる評価方法を用いるのが主流であって、該評価方法においては、砂杭の造成による締固めの際、該砂杭の杭間に拡がる領域における目標Ｎ値をＮ1とし、圧入された砂杭の体積分だけ杭間領域の間隙比が小さくなると仮定した上、細粒分含有率を考慮しながら、改良率あるいは圧入率という形で砂杭の体積割合が決定される。
【０００７】
ここで、砂杭は、原地盤に投入された砂を圧入拡径して造成される関係上、そのＮ値は、杭間領域のＮ値よりも大きくなる傾向にあるが、地震時には、Ｎ値が大きい分だけ、砂杭がより多くの地震時水平力を負担する一方、杭間領域の負担分は小さくなるため、目標Ｎ値をＮ1とする従来のＣ法では、杭間領域における締固めの程度が必要以上に大きくなって、液状化防止のためのコストが過大になるという問題を生じていた。
【０００８】
特に、資源の有効利用の観点あるいは環境への配慮から、天然砂に代えて、鉄鋼スラグを用いる場合があるが（特許文献１）、このような工法においては、鉄鋼スラグからなる圧入杭のＮ値が砂杭のＮ値よりもずっと大きくなって、杭間領域におけるＮ値との差も拡がるため、上述の傾向は一層顕著となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、ＳＣＰ工法において砂、スラグ等の粒状物からなる圧入杭を合理的に設計可能な液状化地盤における圧入杭の設計方法を提供することを目的とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法は請求項１に記載したように、砂、スラグ等の粒状物を柱状に原地盤に圧入して該原地盤内に圧入杭を造成することにより、前記原地盤のうち、前記圧入杭の杭間に拡がる領域を締め固める液状化地盤における圧入杭の設計方法であって、前記原地盤のＮ値をＮ0、前記原地盤を締め固める際の前記領域における目標Ｎ値をＮ1、前記原地盤の細粒分含有率に応じたＮ値の増加量に対する低減率をβとして、次式、
Ｎ1′＝（Ｎ1−Ｎ0）／β＋Ｎ0  （１）  
から、細粒分がないとした場合の計算Ｎ値Ｎ1′を求め、次いで、該Ｎ1′を用いて前記領域における圧入後の間隙比ｅ1を求め、しかる後、前記原地盤における圧入前の間隙比をｅ0として、次式、
ａs＝（ｅ0−ｅ1）／（１＋ｅ0）（２）
から前記圧入杭の改良率ａsを算出する液状化地盤における圧入杭の設計方法において、
前記圧入杭のＮ値Ｎpを評価し、
前記圧入杭と前記領域とからなる複合地盤のＮ値Ｎ2を、前記Ｎpと前記改良率ａsとを用いて、次式、
Ｎ2＝ａs・Ｎp＋（１−ａs）・Ｎ1  （３）
から求め、次いで、該Ｎ2から、目標Ｎ値低減係数Ｒを、次式、
Ｒ＝Ｎ1／Ｎ2  （４）
から求め、該Ｒを前記Ｎ1に乗じてなるＲ・Ｎ1を、前記Ｎ1に代わるあらたな目標Ｎ値として（１）式及び（２）式を演算することにより、前記改良率ａsに代わる修正改良率ａ′sを算出するものである。
【００１１】
また、本発明に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法は、前記粒状物の少なくとも一部を鉄鋼スラグで構成したものである。
【００１２】
本発明に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法は、粒状物を柱状に原地盤に圧入して該原地盤内に圧入杭を造成することにより、原地盤のうち、圧入杭の杭間に拡がる領域を締め固める工法に適用されるものであって、該工法には、圧入杭を砂杭とした狭義のサンドコンパクションパイル工法をはじめ、圧入杭をスラグからなる杭としたスラグコンパクションパイル工法その他粒状物からなる圧入杭を用いた工法が含まれる。
【００１３】
なお、サンドコンパクションパイル（ＳＣＰ）工法なる用語は、本明細書においては、スラグコンパクションパイル工法をはじめ、粒状物からなる圧入杭を用いた締固め工法を意味するものとする。
【００１４】
本発明に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法においては、まず、原地盤のＮ値をＮ0、原地盤を締め固める際の上述した杭間領域における目標Ｎ値をＮ1、原地盤の細粒分含有率に応じたＮ値の増加量に対する低減率をβとして、次式、
Ｎ1′＝（Ｎ1−Ｎ0）／β＋Ｎ0  （１）
から、細粒分がないとした場合の計算Ｎ値Ｎ1′を求める（ステップ１０１）。
【００１５】
原地盤のＮ値Ｎ0は、締固め対象となる液状化地盤を原地盤とし、該原地盤に対して地盤調査を行うことで取得すればよいし、目標Ｎ値Ｎ1は、上述した杭間領域における液状化を防止あるいは抑制するための設計与条件として適宜定めればよい。また、低減率βは、原地盤の細粒分含有率をＦc（％）として、次式、  
β＝１．０５−０．５１・logＦc 
から算出することができる。
【００１６】
次に、Ｎ1′を用いて杭間領域における圧入後の間隙比ｅ1を求める（ステップ１０２）。
【００１７】
間隙比ｅ1は、有効上載圧をσv′（ｋＮ／ｍ2）、原地盤における圧入前の最大間隙比と最小間隙比をそれぞれ、ｅmax、ｅminとして、次式、
Ｄr1＝２１・√（Ｎ1′／（０．７＋σv′／９８））  
ｅ1＝ｅmax−（Ｄr1／１００）・（ｅmax−ｅmin）
から求めればよいし、最大間隙比ｅmax、最小間隙比ｅminはそれぞれ次式、
ｅmax＝０．０２・Ｆc＋１．０  
ｅmin＝０．００８・Ｆc＋０．６  
から求めればよい。
【００１８】
次に、原地盤における圧入前の間隙比をｅ0として、次式、
ａs＝（ｅ0−ｅ1）／（１＋ｅ0）（２）  
から、圧入杭の改良率ａsを算出する（ステップ１０３）。
【００１９】
間隙比ｅ0は、次式、
Ｄr0＝２１・√（Ｎ0／（０．７＋σv′／９８））  
ｅ0＝ｅmax−（Ｄr0／１００）・（ｅmax−ｅmin）
から求めればよい。
【００２０】
上述したステップ１０１〜１０３は、従来のＣ法に従った手順であって、従来のサンドコンパクションパイル工法における圧入杭は、かかる一連の手順で得られた改良率ａsを用いて径及びピッチが定められる。
【００２１】
しかし、上記手順においては、圧入杭自体が締固め強度を有することの液状化防止への寄与が考慮されていないため、圧入杭のＮ値が大きいほど、安全側に過ぎる設計となる。そのため、本発明においては、以下の手順で上述の改良率を修正する。
【００２２】
まず、圧入杭のＮ値Ｎpを評価する（ステップ１０４）。
【００２３】
圧入杭のＮ値Ｎpは、液状化防止対象となる原地盤に造成予定の圧入杭と同一の粒状物でかつ同一の物理定数（例えば、密度や締固度）で室内試験を予め行った上、該室内試験で得られる強度定数（内部摩擦角φと粘着力Ｃ）を用いて、従来公知の内部摩擦角φとＮ値との関係、あるいは粘着力ＣとＮ値との関係から定めることができる。
【００２４】
一方、圧入杭のＮ値Ｎpは、液状化防止対象となる原地盤に対し、本施工に先だって、該本施工で用いるものと同一の粒状物を同一の圧入方法で原地盤に圧入して圧入杭を造成する予備施工を行い、該圧入杭に対して標準貫入試験を行って取得することもできるし、圧入杭の径を一定の大きさとし、ピッチだけを設計で定めるのであれば、１本目の圧入杭に対して標準貫入試験を行うことでＮpを取得し、以下、後述する設計結果によってピッチが定められた後、該ピッチに従って２本目以降を造成する形でもかまわない。
【００２５】
次に、Ｎpと改良率ａsとを用いて、次式、
ＮT＝ａs・Ｎp＋（１−ａs）・Ｎ1  （３）
から複合地盤のＮ値ＮTを算出する（ステップ１０５）。
【００２６】
ここで、複合地盤とは、圧入杭と杭間領域とで構成されたものであって、そのＮ値には、杭間領域における圧入後のＮ値（目標Ｎ値Ｎ1）のみならず、圧入杭のＮ値Ｎpが反映される。
【００２７】
次に、ＮTから、目標Ｎ値低減係数Ｒを、次式、
Ｒ＝Ｎ1／ＮT  （４）
から算出する（ステップ１０６）。
【００２８】
従来のＣ法に従えば、圧入杭による締固めによって、杭間領域が目標Ｎ値Ｎ1となるが、実際の地震時挙動を想定した場合、大きなＮ値を持つ圧入杭がそのＮ値に応じてより多くの地震時水平力を負担し、その分、杭間領域に作用する水平地震力が小さくなるため、圧入杭のＮ値が大きい場合、杭間領域を目標Ｎ値Ｎ1まで締め固めることは過大な設計となる。
【００２９】
したがって、本発明では、目標Ｎ値低減係数なる概念をあらたに導入するとともに、複合地盤のＮ値ＮTに対する目標Ｎ値Ｎ1の比率を目標Ｎ値低減係数Ｒとし（（４）式）、これを目標Ｎ値Ｎ1に乗じることで、該目標Ｎ値Ｎ1を低減する（ステップ１０７）。
【００３０】
ちなみに、目標Ｎ値低減係数Ｒを（４）式で仮定することは、水平地震力の分担を考慮すれば、十分な工学的妥当性を有するものである。
【００３１】
次に、ＲをＮ1に乗じてなるＲ・Ｎ1を、Ｎ1に代わるあらたな目標Ｎ値として（１）式、
Ｎ2′＝（Ｒ・Ｎ1−Ｎ0）／β＋Ｎ0 
に代入してＮ2′を求める（ステップ１０８）。
【００３２】
次に、Ｎ2′を用いて、次式、
Ｄr2＝２１・√（Ｎ2′／（０．７＋σv′／９８））  
ｅ2＝ｅmax−（Ｄr2／１００）・（ｅmax−ｅmin）
から杭間領域における圧入後の間隙比ｅ2をあらたに算出する（ステップ１０９）。
【００３３】
次に、次式、
ａs2＝（ｅ0−ｅ2）／（１＋ｅ0）（２） 
から、圧入杭の修正改良率ａs2を算出する（ステップ１１０）。
【００３４】
以上述べた一連のステップによれば、圧入杭自体の締固め強度を考慮することで、杭間領域の目標Ｎ値を低減することが可能となり、かくして圧入杭の設計を合理化することができる。
【００３５】
圧入杭を構成する粒状物は、例えば従来のＳＣＰ工法で採用されている手順に従って原地盤に圧入拡径することにより該原地盤に造成が可能である限り、どのような材料で構成するかは任意であって、主として内部摩擦角φによってせん断強さを発揮する粒状物（φ材）、典型的には砂で構成することが可能である。
【００３６】
一方、上述の粒状物の少なくとも一部を、内部摩擦角φと粘着力ｃとでせん断強さを発揮する、いわゆるｃ―φ材、特に鉄鋼スラグで構成した場合には、圧入杭自体の締固め強度がより大きくなるため、圧入杭の設計における上述の合理化がさらに顕著となる。
【００３７】
上述の構成において、粒状物は、その全部を鉄鋼スラグとしてもよいし、一部のみ鉄鋼スラグとし、残りを砂で構成するようにしてもかまわない。
【００３８】
鉄鋼スラグとしては、銑鉄製造時に生じる高炉スラグや、製鋼過程で生じる製鋼スラグを用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法の実施手順を示したフローチャート。
【図２】設計対象となる圧入杭１を、それらが圧入される液状化地盤としての原地盤２とともに示した図であり、(a)は鉛直断面図、(b)はＡ−Ａ線方向から見た矢視図。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００４１】
図１は、本実施形態に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法を示したフローチャート、図２は、設計対象となる圧入杭１を、それらが圧入される液状化地盤としての原地盤２とともに示した鉛直断面図であり、同図に示された圧入杭１の径及びピッチが、本実施形態に係る圧入杭の設計方法によって算出される。
【００４２】
本実施形態に係る圧入杭の設計方法を用いて圧入杭１の径及びピッチを算出するには、まず図１に示すように、原地盤２のＮ値をＮ0、原地盤２を締め固める際の杭間領域３における目標Ｎ値をＮ1、原地盤２の細粒分含有率に応じたＮ値の増加量に対する低減率をβとして、次式、
Ｎ1′＝（Ｎ1−Ｎ0）／β＋Ｎ0  （１）
から、細粒分がないとした場合の計算Ｎ値Ｎ1′を求める（ステップ１０１）。
【００４３】
原地盤２のＮ値Ｎ0は地盤調査によって予め取得しておき、目標Ｎ値Ｎ1は、杭間領域３における液状化を防止あるいは抑制するための設計与条件として適宜定めておく。
【００４４】
また、低減率βは、原地盤２の細粒分含有率をＦc（％）として、次式、  
β＝１．０５−０．５１・logＦc 
から算出すればよい。
【００４５】
次に、（１）式で得られた計算Ｎ値Ｎ1′を用いて、杭間領域３における圧入後の間隙比ｅ1を求める（ステップ１０２）。
【００４６】
間隙比ｅ1は、有効上載圧をσv′（ｋＮ／ｍ2）、原地盤２における圧入前の最大間隙比をｅmax、同じく最小間隙比をｅminとして、次式、
Ｄr1＝２１・√（Ｎ1′／（０．７＋σv′／９８））  
ｅ1＝ｅmax−（Ｄr1／１００）・（ｅmax−ｅmin）
から求めればよいし、最大間隙比ｅmax、最小間隙比ｅminはそれぞれ次式、
ｅmax＝０．０２・Ｆc＋１．０  
ｅmin＝０．００８・Ｆc＋０．６  
から求めればよい。
【００４７】
次に、原地盤２における圧入前の間隙比をｅ0として、次式、
ａs＝（ｅ0−ｅ1）／（１＋ｅ0）（２）  
から、圧入杭１の改良率ａsを算出する（ステップ１０３）。
【００４８】
間隙比ｅ0は、次式、
Ｄr0＝２１・√（Ｎ0／（０．７＋σv′／９８））  
ｅ0＝ｅmax−（Ｄr0／１００）・（ｅmax−ｅmin）
から求めればよい。
【００４９】
次に、（２）式で暫定的に得られた改良率ａsを、以下の手順で修正する。
【００５０】
まず、圧入杭１のＮ値Ｎpを評価する（ステップ１０４）。
【００５１】
圧入杭１のＮ値Ｎpは、原地盤２に造成予定の圧入杭と同一の粒状物でかつ同一の物理定数（例えば、密度や締固度）で室内試験を予め行った上、該室内試験で得られる強度定数（内部摩擦角φと粘着力Ｃ）を用いて、従来公知の内部摩擦角φとＮ値との関係、あるいは粘着力ＣとＮ値との関係から適宜定めればよい。
【００５２】
圧入杭１を構成する粒状物は、鉄鋼スラグ、特に製鋼スラグに物理的あるいは化学的処理が施してなる高強度スラグ材、又はその一部を砂に置換したものを母材とし、これにセメント系固化材やシリカフュームを添加混合した上、行政が定める規準等に従って粒度調整したものを用いるのが望ましい。
【００５３】
次に、Ｎpと改良率ａsとを用いて、次式、
ＮT＝ａs・Ｎp＋（１−ａs）・Ｎ1  （３）
から複合地盤のＮ値ＮTを算出する（ステップ１０５）。
【００５４】
ここで、複合地盤とは、圧入杭１と杭間領域３とで構成されたものであって、そのＮ値には、杭間領域３における圧入後のＮ値（目標Ｎ値Ｎ1）のみならず、圧入杭１のＮ値Ｎpが反映される。
【００５５】
次に、ＮTから、目標Ｎ値低減係数Ｒを、次式、
Ｒ＝Ｎ1／ＮT  （４）
から算出する（ステップ１０６）。
【００５６】
次に、算出された目標Ｎ値低減係数Ｒを目標Ｎ値Ｎ1に乗じることで、該目標Ｎ値Ｎ1を低減する（ステップ１０７）。
【００５７】
次に、Ｒ・Ｎ1を、目標Ｎ値Ｎ1に代わるあらたな目標Ｎ値として（１）式、
Ｎ2′＝（Ｒ・Ｎ1−Ｎ0）／β＋Ｎ0 
に代入し、Ｎ2′を求める（ステップ１０８）。
【００５８】
次に、Ｎ2′を用いて、次式、
Ｄr2＝２１・√（Ｎ2′／（０．７＋σv′／９８））  
ｅ2＝ｅmax−（Ｄr2／１００）・（ｅmax−ｅmin）
から杭間領域３における圧入後の間隙比ｅ2をあらたに算出する（ステップ１０９）。
【００５９】
次に、次式、
ａs2＝（ｅ0−ｅ2）／（１＋ｅ0）（２） 
から、圧入杭１の修正改良率ａs2を算出する（ステップ１１０）。
【００６０】
修正改良率ａs2が算出されたならば、これを用いて圧入杭１の径とピッチを求めることが可能であり、圧入杭１を例えば正方形配置とし、その断面積を固定値とするのであれば、次式、
圧入杭１のピッチ＝√（圧入杭１の断面積／ａs2）
から求めればよい。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法によれば、目標Ｎ値低減係数なる概念をあらたに導入するとともに、複合地盤のＮ値ＮTに対する目標Ｎ値Ｎ1の比率を目標Ｎ値低減係数Ｒとし、これを目標Ｎ値Ｎ1に乗じることで、当初の目標Ｎ値Ｎ1を低減するようにしたので、圧入杭１自体の締固めによる液状化防止への寄与が目標Ｎ値低減係数として反映されることとなり、かくして圧入杭１の設計を合理化することが可能となる。
【００６２】
また、本実施形態に係る液状化地盤における圧入杭の設計方法によれば、圧入杭１を、製鋼スラグを母材として構成するようにしたので、圧入杭１自体の締固め強度がより大きくなり、圧入杭１の設計をより合理的に行うことが可能となる。
【００６３】
本実施形態では、圧入杭１のＮ値Ｎpを室内試験で定めるようにしたが、これに代えて、本施工に先だち、該本施工で用いるものと同一の粒状物を同一の圧入方法で原地盤２に圧入して圧入杭を造成する予備施工を行い、該圧入杭に対して標準貫入試験を行って取得するようにしてもよいし、圧入杭の径を一定の大きさ（固定値）とし、ピッチだけを設計で定めるのであれば、予備施工は省略し、本施工において１本目の圧入杭に対し標準貫入試験を行うことでＮpを取得し、以下、上述の実施形態で算出されたピッチに従って２本目以降の圧入杭１を造成する形でもかまわない。
【符号の説明】
【００６４】
１      圧入杭
２      原地盤（液状化地盤）
３      杭間領域
【図１】
2018059310.tif 000003
【図２】
2018059310.tif 000004