(57)【要約】【課題】ニューマチックケーソン工事に対し、従来手法より容易で柔軟に、且つ精度よく地盤の影響評価を行うことを可能にするニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法を提供する。【解決手段】ＭＰＭを用いたニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法であって、直交座標系三成分を分割したメッシュ状の計算空間を設定する計算空間設定工程と、ケーソン、掘削地盤、周辺地盤の形状情報を閉空間として計算空間に配置するとともに、計算空間内に粒子を配置し、且つ地盤材料に対して強度定数を付与して解析モデルを作成する解析モデル作成工程と、ケーソン沈設過程における地盤掘削情報を形状情報として計算空間に配置する掘削範囲設定工程と、初期自重解析を実施し、全ての粒子が存在する状態の地盤の応力状態を算出し、且つ、掘削解析を実施して周辺地盤の応力状態及び変位を求める解析工程とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニューマチックケーソン施工のケーソン沈設工程による周辺地盤の影響を、ＭＰＭ法を用いて評価するための解析方法であって、
水平の一方向と一方向に直交する水平の他方向と鉛直方向の直交座標系三成分を所望の解像度を実現するための分割数で分割したメッシュ状の計算空間を設定する計算空間設定工程と、
ケーソン、掘削地盤、周辺地盤の形状情報であるジオメトリを閉空間として計算空間に配置するとともに、メッシュ状の計算空間の格子配列上に、連続体力学に基づく物性値を付与した粒子を配置し、且つ地盤調査に基づき地盤材料に対して強度定数を付与して解析モデルを作成する解析モデル作成工程と、
ケーソン沈設過程における地盤掘削情報を形状情報として計算空間に配置する掘削範囲設定工程と、
粒子位置を更新しない微小変形条件下及び重力載荷場で初期自重解析を実施し、全ての粒子が存在する状態の地盤の応力状態を算出し、さらに、ケーソン沈設工程の各施工段階に応じた掘削解析を実施して、周辺地盤の応力状態及び変位を求める解析工程とを備えることを特徴とするニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法。
【請求項２】
請求項１記載のニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法において、
前記解析工程の掘削解析では、ケーソン沈設工程の各施工段階において、掘削範囲に含まれる粒子を解析的に除去して運動方程式を作り替え、
ケーソンが下部にある地盤粒子と接触して新たな釣り合いが取れるまで沈下させて運動方程式の求解を行い、
地盤を掘削した時の周辺地盤の応力状態及び変位の結果を出力し、
ケーソンと隣接する粒子の強度定数をケーソンの周面摩擦応力度の低減を考慮した強度定数として物性の更新を行う工程を、
ケーソン沈設方向に複数作成した掘削範囲の回数分繰り返し行うことを特徴とするニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ニューマチックケーソン工事（工法）は、大規模化、大深度化が進んでいる。
一方、大規模、大深度のニューマチックケーソン工事は、地盤変状の影響範囲の拡大をもたらし、その結果、より広範囲な近隣構造物・地下埋設物に対する影響評価が必要になる。
【０００３】
従来、地盤沈下を評価するための影響予測手法としては、非構造格子を用いた自由度の高い解析モデルの作成が可能であり、影響評価を行う際には地表面変位などの境界値に対して定量的な評価が可能で有効な手法であることからＦＥＭ解析が多用されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−７８２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＦＥＭ解析のように計算格子(要素)を用いて数値計算を行う影響評価手法においては、掘削過程を考慮して解析条件・解析モデルの変更を行ったり、大変形を伴うケーソン躯体の自沈、刃先近傍で生じる土塊の移動など、変形解析で要素形状に破綻が生じるなどして、正確に表現できず、予測が困難になるケースがある。
【０００６】
このため、ＦＥＭ解析のように要素を用いてニューマチックケーソン工法の変形解析を実施する場合は、ケーソン躯体の沈下深度に応じ、掘削段階毎に主要な要因を考慮した釣合問題に置き換えた静的解析として近似させる（「静的釣合法」と呼ぶ）手法を用いている。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、ニューマチックケーソン工事に対し、従来手法より容易で柔軟に、且つ精度よく地盤の影響評価を行うことを可能にするニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法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】
【０００８】
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。
【０００９】
本発明に係るニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法は、ニューマチックケーソン施工のケーソン沈設工程による周辺地盤の影響を、ＭＰＭ法を用いて評価するための解析方法であって、水平の一方向と一方向に直交する水平の他方向と鉛直方向の直交座標系三成分を所望の解像度を実現するための分割数で分割したメッシュ状の計算空間を設定する計算空間設定工程と、ケーソン、掘削地盤、周辺地盤の形状情報であるジオメトリを閉空間として計算空間に配置するとともに、メッシュ状の計算空間の格子配列上に、連続体力学に基づく物性値を付与した粒子を配置し、且つ地盤調査に基づき地盤材料に対して強度定数を付与して解析モデルを作成する解析モデル作成工程と、ケーソン沈設過程における地盤掘削情報を形状情報として計算空間に配置する掘削範囲設定工程と、粒子位置を更新しない微小変形条件下及び重力載荷場で初期自重解析を実施し、全ての粒子が存在する状態の地盤の応力状態を算出し、さらに、ケーソン沈設工程の各施工段階に応じた掘削解析を実施して、周辺地盤の応力状態及び変位を求める解析工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法において、前記解析工程の掘削解析では、ケーソン沈設工程の各施工段階において、掘削範囲に含まれる粒子を解析的に除去して運動方程式を作り替え、ケーソンが下部にある地盤粒子と接触して新たな釣り合いが取れるまで沈下させて運動方程式の求解を行い、地盤を掘削した時の周辺地盤の応力状態及び変位の結果を出力し、ケーソンと隣接する粒子の強度定数をケーソンの周面摩擦応力度の低減を考慮した強度定数として物性の更新を行う工程を、ケーソン沈設方向に複数作成した掘削範囲の回数分繰り返し行うことが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法においては、構造物と地盤間の相互作用を連続的に考慮できる。また、動的釣合法はケーソン沈設開始から完了まで一貫した解析が可能になる。さらに、地盤支持力破壊による刃先の貫入や躯体近傍地盤の引きずり込みを表現できる。
【００１２】
よって、本発明のニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法によれば、ニューマチックケーソン工事に対し、従来手法より容易で柔軟に、且つ精度よく地盤の影響評価を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＭＰＭにおいて、固体材料を対象とした場合に用いられる代表的な補間関数を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法の解析フローを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法の解析モデルの概念図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法の解析モデルの一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法を用いて行った解析の結果を示す図であり、（ａ）がニューマチックケーソン沈設過程における周辺地盤内の鉛直変位を示す図、（ｂ）がニューマチックケーソン沈設過程における周辺地盤内の最大せん断ひずみを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係るニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法について説明する。
【００１５】
はじめに、本実施形態のニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法では、ニューマチックケーソン下部にある地盤を掘削するという施工過程の解析において、解析的アプローチの個々の要因が独立事象であるという前提に基づき、逐次、力の釣り合いを満足させるように、数値計算法として変形性能に優れる粒子法（Material Point Method：以下、ＭＰＭという）を用い、ＭＰＭを組み込むことにより（「動的釣合法」を用いることにより）、施工過程を考慮した連続的な周辺地盤の影響解析を可能にする。
【００１６】
ここで、ＭＰＭ（粒子・要素混合法）について説明する。
【００１７】
ＭＰＭは対象物質を物理量の評価点である物質点（Material Point）に離散化し、物質点が持つ物理量を、補間関数を用いて計算格子点へ受け渡す。格子点で求まる運動は、再度、補間関数を用いて物質点へ戻され、物質点の運動となり、対象物質は移動・変形する。
【００１８】
ＭＰＭにおいては、物理空間と計算空間を繋ぐ補間関数が計算法としての根幹であり、図１に示すように、補間関数の定義により様々な変形挙動を表現できるようになる。なお、図１は、固体材料を対象とした場合に用いられる代表的な補間関数を示している。
【００１９】
具体的に、本実施形態のニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法におけるＭＰＭを組み込んだ動的釣合法を用いることによる解析の手順を以下に示す（図２参照）。
【００２０】
（計算空間の作成：計算空間設定工程）
まず、計算空間の設定を行う（図２の初期条件の設定）。
ここでは、図３に示すように、計算空間の長さを直交座標系三成分（Ｌｘ：水平の一方向、Ｌｙ：Ｌｘに直交する水平の他方向、Ｌｚ：鉛直方向）で定義する。Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚの寸法はケーソンの水平寸法より十分長い値を確保する。また、計算空間は、解析における目的解像度（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）を実現するための分割数（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）で分割することによって、正方メッシュを成す計算空間（計算メッシュという）として定義する。
すなわち、ｎｘ＝Ｌｘ／Ｒｘ、ｎｙ＝Ｌｙ／Ｒｙ、ｎｚ＝Ｌｚ／Ｒｚとなるように計算空間を定義する。
【００２１】
（解析モデルの作成：解析モデル作成工程）
次に、解析モデルを作成する（図２の初期条件の設定）。
ここでは、ケーソン、掘削地盤、周辺地盤の形状情報を閉空間として計算空間に配置する。形状情報（ジオメトリという）としては、ケーソンに対し沈設ブロック、掘削地盤、周辺地盤に対し地層区分をそれぞれ付与する。
【００２２】
このとき、図３に示すように、上記の計算空間で作成した計算メッシュは個々のジオメトリに複数含有されており、各ジオメトリに包含される計算メッシュに格子配列上に粒子を配置する。この計算メッシュ内への粒子配置は、整数の累乗個を規則正しく配置するものとし、２次元空間であれば、縦横に２個・２個の計４個、３次元空間であれば奥行きを追加して縦横に２個・２個、奥行きに２個の計８個、粒子を配置する。すなわち、ｎ個配置の場合、各計算メッシュには２次元でｎ２個、３次元ではｎ３個の粒子が規則的に配置される。配置した粒子には連続体力学に基づく物性値（密度、ヤング率、ポアソン比）を付与する。地盤材料に対してはさらに地盤調査に基づき強度定数（粘着力、内部摩擦角）を付与する。
【００２３】
（掘削範囲の定義：掘削範囲設定工程）
次に、掘削範囲を設定する（図２の初期条件の設定）。
ケーソン沈設過程における地盤掘削情報を形状情報として計算空間に配置する。掘削範囲は施工段階の回数に応じて複数設定する。
【００２４】
（計算の実行：解析工程）
そして、計算を実行する（図２のフローの実行）。
ここでは、はじめに初期自重解析を微小変形条件下（粒子位置を更新しない）及び重力載荷場で実施する（図２の地盤のみの自重解析）。初期自重解析では、全ての粒子が存在する状態の応力状態を算出される。次に、各施工段階に応じた掘削解析を実施する。
【００２５】
この掘削解析では、
ｉ）前述の（掘削範囲の定義）で定義した掘削範囲に含まれる粒子を解析的に除去する（運動方程式の作り替え）。
ｉｉ）また、解析的に粒子を除去することで、当該範囲の応力の釣り合い状態が崩れ、相対的に大きな応力を有するケーソンが、下部にある地盤粒子と接触し、新たな釣り合いが取れるまで沈下する（運動方程式の求解）。
ｉｉｉ）次に、釣り合い状態が得られた段階で、当該掘削範囲まで地盤を掘削した時の周辺地盤の地表面変位（地盤の変位及び応力状態）の結果を得る（結果の出力）。
ｉｖ）そして、ケーソンと隣接する粒子の強度定数はフリクションカットや滑材の使用による周面摩擦応力度の低減を考慮した強度定数として新たな値を代入する（物性の変更／更新）。
【００２６】
また、掘削範囲はケーソン沈設方向に複数作成するため、上記のｉ）、ｉｉ）、ｉｉｉ）の流れを、設定した掘削範囲の回数分繰り返す。
【００２７】
［実施例］
次に、ニューマチックケーソン沈設解析の実施例について説明する。
なお、本実施例は、本実施形態のニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法を用い、ニューマチックケーソンの沈設に伴う周辺地盤の変形解析（沈設１０ｍ毎の地盤内鉛直変位及び最大せん断ひずみの解析）を行った結果に関するものである。
【００２８】
（解析条件及び解析モデル）
本実施例における解析条件及び解析モデルについて説明する。
大型大深度ニューマチックケーソンの解析モデルとして、図４に示すように、平面寸法：幅５２．０ｍ×奥行２９．５ｍ、掘削深さ：６０．０ｍを想定した。また、境界条件は表１に示す通りである。
【００２９】
【表１】
2019131973.tif 000003
【００３０】
ケーソン形状、地盤条件とも左右対称を仮定した。
周辺地盤はケーソン寸法を基準とし水平は３倍、鉛直は２倍となる範囲までモデル化した。１つの計算格子寸法は１ｍ×１ｍの矩形格子とし、粒子を１格子あたり４つ配置した。粒子総数は１０６，２５０個である。また、ここでは、ケーソン作業室内に存在する粒子を削除することで掘削時の躯体有効重量を深度毎に変化させ、重力加速度による沈下を表現した。
【００３１】
（解析結果）
図５は、解析結果であり、沈設１０ｍ毎の地盤内鉛直変位（図５（ａ））及び最大せん断ひずみ（図５（ｂ））を示している。
【００３２】
図５（ａ）の鉛直変位分布図から、掘削深度Ｇ．Ｌ−１０ｍでは初期構築時のケーソンによる地盤の側方への押し広げによりケーソン近傍の地表面において地盤の隆起が生じることが確認できる。
【００３３】
一方、掘削深度が深くなるとケーソンから離れた位置まで地盤が沈下しており、ケーソン躯体による引きずり込み沈下が顕著となることが確認できる。
【００３４】
図５（ｂ）の最大せん断ひずみ分布図から、ケーソン沈下に伴い近傍地盤にせん断ひずみが集中し、引きずり込みが生じていること、ケーソン刃先で支持力破壊モードを示し、粒子がケーソン内部に移動している様子が確認できる。
【００３５】
これらの解析結果は、ケーソン及び地盤の相互作用を動的な釣り合い問題として解くことによって初めて算出することができたものである。
【００３６】
したがって、本実施形態のニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法においては、構造物と地盤間の相互作用を連続的に考慮できる。また、動的釣合法を用いることでケーソン沈設開始から完了まで一貫した解析が可能になる。さらに、地盤支持力破壊による刃先の貫入や躯体近傍地盤の引きずり込みを表現することができる。
【００３７】
よって、本実施形態のニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法によれば、ニューマチックケーソン工事に対し、従来手法より容易で柔軟に、且つ精度よく地盤の影響評価を行うことが可能になる。
【００３８】
以上、本発明に係るニューマチックケーソン工法の地盤の影響評価方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の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。
【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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