(57)【要約】【課題】液状化地盤の進行性破壊を防止し、確実に液状化に伴う構造物の被害を低減することを可能にする構造物の液状化対策構造及び構造物の液状化対策構造の構築方法を提供する。【解決手段】液状化する地盤Ｇ及び液状化後の地盤Ｇから間隙水を排出させて、液状化地盤Ｇ上に構築された構造物１の被害を低減するための構造物の液状化対策構造Ａであって、平面視あるいは平断面視で構造物１の外側に上端３ａを配し、液状化地盤Ｇの地表部から下方の深度方向に削孔して透水性材料を充填してなる排水ドレーン３を配設して構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状化する地盤及び液状化後の地盤から間隙水を排出させて、液状化地盤上に構築された構造物の被害を低減するための構造物の液状化対策構造であって、
平面視あるいは平断面視で前記構造物の外側に上端を配し、前記液状化地盤の地表部から下方の深度方向に削孔して透水性材料を充填してなる排水ドレーンを配設して構成されていることを特徴とする構造物の液状化対策構造。
【請求項２】
請求項１記載の構造物の液状化対策構造において、
前記排水ドレーンが、前記地表部から深度方向の下方に向かうに従い漸次前記構造物の直下の内側に向かうように斜設されていることを特徴とする構造物の液状化対策構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の構造物の液状化対策構造において、
前記液状化地盤の地表部から下方に凹み、前記構造物の外周部に沿って延びる掘削溝に透水性材料を充填してなる導水部を平面視で前記構造物の外側に備え、
前記導水部に上端を繋げて前記排水ドレーンが配設されていることを特徴とする構造物の液状化対策構造。
【請求項４】
請求項３記載の構造物の液状化対策構造において、
横方向に削孔して透水性材料を充填してなる水平ドレーンが、両端部をそれぞれ前記導水部に繋げ、前記構造物の直下に配設されていることを特徴とする構造物の液状化対策構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の構造物の液状化対策構造において、
前記構造物の外周部の地表部側に、前記排水ドレーンの上端と上下方向で重なるように外側に突出する拡幅部が設けられていることを特徴とする構造物の液状化対策構造。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の構造物の液状化対策構造の構築方法であって、
前記液状化地盤の地震時の最大せん断ひずみを求めるとともに液状化後の残留体積ひずみを求め、前記残留体積ひずみから液状化後の等価な地盤定数を設定して前記構造物の荷重による前記液状化地盤の沈下量を求め、
前記液状化地盤の沈下量から求まる必要排水量を上回る排水処理性能を備えるように前記排水ドレーンと前記水平ドレーンと前記導水部を、単独であるいは組み合わせて構築することを特徴とする構造物の液状化対策構造の構築方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の液状化、噴砂、地盤の進行性破壊を防止（抑止）し、液状化地盤上に構築した構造物の被害を低減するための液状化対策構造及び構造物の液状化対策構造の構築方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば安定な非液状化層の上に非液状化層の砂層が堆積しているような液状化地盤は、地震によって液状化層に液状化が発生すると、地盤支持力の消失、液状化層の側方流動などが生じ、広範囲にわたって地盤全体の大きな沈下が生じたり、不同沈下が生じる場合がある。このため、このような液状化地盤上に建物などの構造物を構築する際には、液状化対策を講じることが求められている。
【０００３】
そして、従来、液状化対策として、非液状化層に達するように支持杭を打設し、この支持杭によって建物などの構造物を支持することで、地震によって液状化が生じた場合であっても構造物の沈下を防止する手法が多用されている。しかしながら、この対策においては、杭基礎が直接基礎に比べて非常に高コストである上、液状化による構造物自体の沈下を防止しても周囲地盤が大きく沈下することによって不陸が生じ、上下水道管やガス管などのライフライン設備の寸断などを招き、地震後の供用に支障が生じるなどの点で問題がある。
【０００４】
これに対し、本願の出願人（発明者ら）は、構造物の直下や周囲の地盤に礫を敷設するなどして排水層（透水層）を設けたり、排水層とともに鉛直ドレーン（ドレーンパイプ）を設けることで、液状化が発生した際に、構造物の沈下を許容しつつその沈下量を制御可能な液状化対策についての特許出願を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
そして、この液状化対策構造によれば、構造物の沈下を許容しつつその沈下量を制御可能であるため、構造物全体が大きく沈下したり、顕著な不同沈下が生じて周辺地盤との間に大きな不陸が生じることを効果的に防止でき、これにより、地盤の液状化によって構造物が供用できなくなるという大きな被害を防止（抑止）することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−９２０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の液状化対策構造においては、構造物の直下に排水層及び鉛直ドレーンを設けるようにしているため、地盤の液状化に伴って排水層及び鉛直ドレーンから排出される水などによって構造物が影響を受けるおそれがあり、この点でさらなる改善の余地が残されていた。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、液状化地盤の進行性破壊を防止し、確実に液状化に伴う構造物の被害を低減することを可能にする構造物の液状化対策構造及び構造物の液状化対策構造の構築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】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の構造物の液状化対策構造は、液状化する地盤及び液状化後の地盤から間隙水を排出させて、液状化地盤上に構築された構造物の被害を低減するための構造物の液状化対策構造であって、平面視あるいは平断面視で前記構造物の外側に上端を配し、前記液状化地盤の地表部から下方の深度方向に削孔して透水性材料を充填してなる排水ドレーンを配設して構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の構造物の液状化対策構造においては、前記排水ドレーンが、前記地表部から深度方向の下方に向かうに従い漸次前記構造物の直下の内側に向かうように斜設されていてもよい。
【００１２】
さらに、本発明の構造物の液状化対策構造においては、前記液状化地盤の地表部から下方に凹み、前記構造物の外周部に沿って延びる掘削溝に透水性材料を充填してなる導水部を平面視で前記構造物の外側に備え、前記導水部に上端を繋げて前記排水ドレーンが配設されていることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の構造物の液状化対策構造においては、平面視あるいは平断面視で前記構造物の外側に、前記液状化地盤の地表部から下方に凹み、前記構造物の外周部に沿って延びる掘削溝に透水性材料を充填してなる導水部を設けて構成されており、横方向に削孔して透水性材料を充填してなる水平ドレーンが、両端部をそれぞれ前記導水部に繋げ、前記構造物の直下に配設されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の構造物の液状化対策構造においては、前記構造物の外周部の地表部側に、前記排水ドレーンの上端と上下方向で重なるように外側に突出する拡幅部が設けられていることが望ましい。
【００１５】
本発明の構造物の液状化対策構造の構築方法は、上記のいずれかの構造物の液状化対策構造の構築方法であって、前記液状化地盤の地震時の最大せん断ひずみを求めるとともに液状化後の残留体積ひずみを求め、前記残留体積ひずみから液状化後の等価な地盤定数を設定して前記構造物の荷重による前記液状化地盤の沈下量を求め、前記液状化地盤の沈下量から求まる必要排水量を上回る排水処理性能を備えるように前記排水ドレーンと前記水平ドレーンと前記導水部を、単独であるいは組み合わせて構築することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の構造物の液状化対策構造及び構造物の液状化対策構造の構築方法においては、平面視あるいは平断面視で構造物の外側に少なくとも上端側を配して、液状化地盤の深度方向の下方に延びる排水ドレーン、横方向に延びる水平ドレーン、導水部が設けられているため、地震によって液状化が発生した際（液状化中）、また液状化後に、液状化地盤中の間隙水（や噴砂など）を構造物の外側に導いて排出させることが可能になる。
【００１７】
これにより、液状化地盤の進行性破壊を防止し、確実に液状化に伴う構造物の被害を低減することを可能になるとともに、間隙水（や噴砂など）を構造物の外側に排出させることができ、確実に構造物の液状化に伴う被害を低減（防止、抑止）することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造を示す側断面視図である。
【図２】図１のＸ１−Ｘ１線矢視図であり、本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造を示す平面視（平断面視）図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の変更例を示す側断面視図である。
【図４】図３のＸ１−Ｘ１線矢視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の変更例を示す側断面視図である。
【図６】図５のＸ１−Ｘ１線矢視図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の変更例を示す側断面視図である。
【図８】図７のＸ１−Ｘ１線矢視図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の変更例を示す側断面視図である。
【図１０】図９のＸ１−Ｘ１線矢視図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の構築方法に関するフロー図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造の構築方法の説明で用いた構造物の液状化対策構造のモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１から図１２を参照し、本発明の一実施形態に係る構造物の液状化対策構造及び構造物の液状化対策構造の構築方法について説明する。
【００２０】
本実施形態の構造物の液状化対策構造は、ドレーンなどの透水性材料を液状化地盤（安定な非液状化層の上に非液状化層の砂層が堆積しているような地盤）の深度方向に設置し、地震による液状化中、液状化後に地層全体の間隙水を地表面（表層の地表部）に排水することで、液状化に伴う地盤全体の進行性破壊を防止するための構造である。
【００２１】
具体的に、本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａは、例えば図１及び図２に示すように、平面視あるいは平断面視で建物などの構造物１の外側（周囲）に、液状化地盤Ｇ（非液状化層Ｇ１及び液状化層Ｇ２）の地表面２から液状化層Ｇ２に向けて深度方向の下方に延びる排水ドレーン３を設けて構成される。
【００２２】
このとき、排水ドレーン３は、液状化地盤Ｇを地表面２から深度方向下方に鉛直に掘削し、礫などの透水性材料を充填して構築される。なお、排水ドレーン３は、有孔管やストレーナなどを備えた管材に透水性材料を充填して構築することが望ましい。また、本実施形態において、排水ドレーン３は、その長さ（深さ）を液状化層Ｇ２と同程度、すなわち、排水ドレーン３の下端部が液状化層Ｇ２の下端（底）の位置、またはこの位置付近に配されるように構築する。
【００２３】
さらに、本実施形態では、平面視あるいは平断面視で建物などの構造物１の外側に上端３ａを配し、構造物１の外周部１ａに沿って所定の間隔をあけつつ構造物１を囲繞するように複数の排水ドレーン３が配設されている。
【００２４】
そして、このように構成した本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａにおいては、平面視あるいは平断面視で構造物１の外側に少なくとも上端３ａ側を配して、液状化地盤Ｇの深度方向の下方に延びる排水ドレーン３が設けられているため、地震によって液状化地盤Ｇ（液状化層Ｇ２）に液状化が発生した際（液状化中）に、また液状化後に、液状化地盤Ｇ中の間隙水や噴砂などを構造物１の外側に導いて排出させることが可能になる。特に、構造物１の直下の液状化層Ｇ２の間隙水を、構造物１を囲繞するように、且つ鉛直に配設された複数の排水ドレーン３によって確実に集水し地表部に排出することができる。
【００２５】
これにより、地盤Ｇの液状化、噴砂、液状化地盤Ｇの進行性破壊を防止することができ、比較的簡易で低コストの対策によって液状化に伴う構造物１の被害を確実に低減することを可能になる。すなわち、間隙水や噴砂などを構造物１の外側に排出させることができることで、確実に構造物１の液状化に伴う被害を低減（防止、抑止）することが可能になる。
【００２６】
ここで、本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａは、例えば図３及び図４に示すように、液状化地盤Ｇの地表部から下方に凹み、構造物１の外周部１ａに沿って延びる掘削溝に透水性材料を充填してなる導水部４を平面視で構造物１の外側に備え、この導水部４に上端３ａを繋げて排水ドレーン３を配設するように構成してもよい。
【００２７】
このように構成した場合には、各排水ドレーン３で排出する間隙水などを導水部４で受けることができ、構造物１の周囲で排水ドレーン３から急激に間隙水や砂が噴出することを防止できる。また、構造物１の外周部１ａに沿って導水部４が設けられていることで、地表部側の液状化層Ｇ２からの間隙水を導水部４で集水して排出することができ、この地表部側の地盤Ｇの液状化、噴砂、液状化地盤Ｇの進行性破壊を導水部４で確実に防止することができる。これにより、より確実に、構造物１の液状化に伴う被害を低減することが可能になる。
【００２８】
さらに、本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａにおいては、例えば図５及び図６に示すように、構造物１の外周部１ａの地表部側に、排水ドレーン３の上端３ａ及び／又は導水部４と上下方向で重なるように外側に突出する拡幅部１ｂを設けて構成してもよい。
【００２９】
このように構成した場合には、各排水ドレーン３や導水部４を通じて排出される間隙水などを拡幅部１ｂで受けることができ、間隙水や砂が急激に噴出することを抑えることができる。これにより、地震によって液状化が発生した際に間隙水を排水ドレーン３や導水部４を通じて排出するようにしても、構造物１の直下の地盤Ｇが急激に変位し、不同沈下などが発生して構造物１に被害が生じることをより確実に防止することができる。
【００３０】
さらに、本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａは、例えば図７及び図８に示すように、液状化地盤Ｇの地表部から下方に凹み、構造物１の外周部１ａに沿って延びる掘削溝に透水性材料を充填してなる導水部４と、この導水部４に上端３ａを繋げて排水ドレーン３とを構造物１の外側に設けるとともに、構造物１の直下に、横方向に削孔して透水性材料を充填してなる水平ドレーン５を、その両端部をそれぞれ導水部４に繋げて配設して構成してもよい。
【００３１】
このように構成した場合には、排水ドレーン３と導水部４による上記の作用効果に加え、地震によって液状化地盤Ｇに液状化が発生した際に、また液状化後に、特に、構造物１の直下の液状化層Ｇ２の間隙水を水平ドレーン５によっても構造物１の外側の地表部に排出することができる。
【００３２】
これにより、さらに確実に、地盤Ｇの液状化、噴砂、液状化地盤Ｇの進行性破壊を防止することができ、比較的簡易で低コストの対策によって液状化に伴う構造物１の被害を低減することを可能になる。
【００３３】
さらに、本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａは、例えば図９及び図１０に示すように、排水ドレーン３が地表部から深度方向の下方に向かうに従い漸次構造物１の直下の内側に向かうように斜設されていてもよい。
【００３４】
このように構成した場合には、地震によって液状化地盤Ｇに液状化が発生した際に、また液状化後に、特に、構造物１の直下の液状化層Ｇ２の間隙水を、斜設した排水ドレーン３によって効果的に集水して構造物１の外側の地表部に排出することができる。
【００３５】
これにより、より確実に、地盤Ｇの液状化、噴砂、液状化地盤Ｇの進行性破壊を防止することができ、比較的簡易で低コストの対策によって液状化に伴う構造物１の被害を低減することを可能になるとともに、排水ドレーン３の設置本数を減らすことも可能になる。
【００３６】
ここで、上記の本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａは、排水ドレーン３や水平ドレーン５、導水部４の排水性能を求めて構築されるとともに、液状化中、液状化後に生じる構造物１の沈下量を算出し、沈下に伴い排出される間隙水を確実に地表面まで排水するように構築されていることが重要になる。
【００３７】
そして、本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａの構築方法では、図１１に示すように、液状化後の構造物１の沈下量と排水量の計算を行い、これに基づいて構造物の液状化対策構造Ａを構築する。
【００３８】
より具体的に、本実施形態の構造物の液状化対策構造Ａの構築方法では、例えば、図１１及び図１２に示すように、地盤条件の設定、構造物モデルの設定、地震動の設定を行い、これら設定した条件モデルに対し、液状化後の構造物１の沈下量の算出、必要排水量の算出、鉛直方向に設置した排水ドレーン３による可能排水量の計算を行う。
【００３９】
液状化後の構造物１の沈下量Ｄｓは、地震時に生じる最大せん断ひずみγｍａｘから、液状化後の地盤Ｇの最大残留体積ひずみ（εｖｒ）ｍａｘを計算し、液状化後の沈下に寄与する体積ひずみεｖｐを次の式（１）から計算する。
【００４０】
【数１】
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【００４１】
ここで、Ｃｈは液状化時の地震応答によって生じた非可逆な体積ひずみポテンシャルが残留体積ひずみと残留せん断ひずみに寄与する割合を示すパラメーターで、地表面の傾斜がほとんどない地盤Ｇでは約０．２である。Ｒ０（上に＊）、ｍは砂の種類や密度に依存しない固有定数でＲ０（上に＊）＝２．０、ｍ＝０．７６である。また、ｅ０は液状化前の砂の間隙比、ｅｍａｘは真の最小間隙比である。
【００４２】
そして、式（１）から求めたεｖｐに液状化する層の層厚をかけることで液状化時の地盤の沈下量が求められる。また、εｖｐから次の式（２）を用いて地盤Ｇの等価なヤング係数を求めることができる。このヤング係数を用いて、液状化後の構造物１の沈下量を弾性解析もしくはＳｔｅｉｎｂｒｅｎｎｅｒの解析解などを用いて計算する。
【００４３】
【数２】
2015010367.tif 000004
【００４４】
次に、必要排水量の算出を行う。まず、液状化後の沈下は過剰間隙水圧の消散に伴い１〜１２時間程度の時間をかけて生じると考えられる。建物平面をＬａ×Ｌｂ、液状化後の沈下量をＤｓとすると、液状化後に地上部に排水する地下水量△Ｖｗ、排水流量ｑｗｌは、次の式（３）及び式（４）でそれぞれ計算できる。なお、△ｔは１〜１２時間である。
【００４５】
【数３】
2015010367.tif 000005
【００４６】
【数４】
2015010367.tif 000006
【００４７】
次に、鉛直方向に設置した排水ドレーン３による可能排水量の計算について説明する。まず、ドレーン３の透水係数をｋ、液状化層厚をＨ、地盤の単位体積重量をγｔ、水の単位体積重量をγｗ、深度ｚでの全水頭をｈｚ、地表面での全水頭をｈ０、浸透距離（深度）をｚとすると、液状化時にドレーン内に生じる地下水の動水勾配ｉｖは、次の式（５）で表せる。
【００４８】
【数５】
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【００４９】
ここで、全水頭ｈｚはｈｚ＝（位置水頭）＋（圧力水頭）＝−ｚ＋ｐｗ／γｗと定義されるが、式（５）では、液状化時はσｚ’＝０となるとし、σｚ＝σｚ’＋ｐｗ＝ｐｗであるからｈｚ＝（位置水頭）＋（圧力水頭）＝−ｚ＋σｚ／γｗとした。
【００５０】
また、ドレーンの半径をa、単位深度をｄｚとすると、ドレーンの周面積ｄＡｗは、ｄＡｗ＝２πａ・ｄｚとなる。
そして、液状化時には水圧上昇した間隙水がドレーンの周面から流入すると考えられるため、周面からの流入量を深さＨで積分することで、ドレーン１本当たりの排水可能量ｑｗ２を次の式（６）のように求めることができる。
【００５１】
【数６】
2015010367.tif 000008
【００５２】
なお、ドレーン３の打設本数をｎとすると、ｎ＝ｑｗ１／ｑｗ２とすればよい。また、ここではドレーン３の場合の可能排水量を計算したが、鉛直方向に深さのある透水性材料を敷設する場合は、その形状によらず鉛直方向の単位周面積ｄＡｗを計算することによって、上記の通りに設計が可能である。
【００５３】
以下に具体的な計算例を示す。
【００５４】
９ｍ×９ｍの建物平面、液状化後の沈下量をＤｓ＝０．２ｍとすると、排水量は、△Ｖｗ＝９ｍ×９ｍ×０．２ｍ＝１６ｍ３となる。
【００５５】
液状化による水圧上昇に伴う沈下が１時間継続するものと仮定すると、必要な排水量ｑｗ１は、ｑｗ１＝△Ｖｗ／△ｔ＝１６．２／６０＝０．２７ｍ３／ｍｉｎとなる。
【００５６】
そして、ドレーンの透水係数をｋ＝１．０×１０−１ｃｍ／ｓ＝６×１０−２ｍ／ｍｉｎ、液状化層厚をＨ＝１０ｍとすると、ドレーン１本当たりの可能排水量はｑｗ２＝０．０６×２×３．１４×０．２×（−１＋１８／１０）×１０＝０．６ｍ３／ｍｉｎとなる。
【００５７】
実際には周辺からの地下水もドレーン３に流入してくるので、例えば建物面積の９倍の面積から流入したとすると、流入量は、ｑｗ１’＝９×ｑｗ１＝９×０．２７＝２．４ｍ３／ｍｉｎとなる。
【００５８】
そして、ｎ＝ｑｗ１’／ｑｗ２＝２．４／０．６＝４となり、少なくとも４本以上、ドレーンを設置すれば必要な排水量を達成することができる。
【００５９】
以上、本発明に係る構造物の液状化対策構造及び構造物の液状化対策構造の構築方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一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。
【符号の説明】
【００６０】
１      構造物
１ａ    外周部
１ｂ    拡幅部
２      地表面（地表部）
３      排水ドレーン
３ａ    上端
４      導水部
５      水平ドレーン
Ａ      構造物の液状化対策構造
Ｇ      液状化地盤
Ｇ１    非液状化層
Ｇ２    液状化層
【図１】
2015010367.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
2015010367.tif 000012
【図５】
2015010367.tif 000013
【図６】
2015010367.tif 000014
【図７】
2015010367.tif 000015
【図８】
2015010367.tif 000016
【図９】
2015010367.tif 000017
【図１０】
2015010367.tif 000018
【図１１】
2015010367.tif 000019
【図１２】
2015010367.tif 000020