(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設地中構造物、およびこれに近接する掘削壁面を含む解析対象エリアに有限要素法に基づく解析モデルを設定し、前記掘削壁面の安定性をせん断強度低減有限要素法にて評価する、掘削壁面の安定性評価方法であって、
前記解析モデルの、前記既設地中構造物をなす要素に接触する地盤をなす要素を、物性値調整要素として置き換え、
該物性値調整要素に、前記既設地中構造物のヤング率より小さい値に調整した調整ヤング率を付与し、前記既設地中構造物と前記地盤との境界を表現することを特徴とする掘削壁面の安定性評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の掘削壁面の安定性評価方法において、
前記調整ヤング率が、前記既設地中構造物のヤング率と、前記物性値調整要素と隣接する前記地盤をなす要素に付与したヤング率との間に位置する値に調整されること特徴とする掘削壁面の安定性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設地中構造物に近接する掘削壁面の安定性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、地中連続壁や場所打ち杭等の施工に開削を伴う地中構造物を構築するにあたり、掘削溝や杭孔等における掘削壁面の安定性を評価する手法の１つとして、任意の斜面形状、土質の不均質性、間隙水圧の存在など多様な条件下の斜面の安全率を精度よく算出することの可能な、せん断強度低減有限要素法（ＳＳＲ−ＦＥＭ）が採用されている。
【０００３】
せん断強度低減有限要素法は、非特許文献１にて開示されているように、すべり面を仮定せずに、かつ極限平衡法に基づく安全率の概念と矛盾しない系全体の安全率を求めることができる手法である。また、掘削壁面近傍の地表面に既設構造物や施工機械などの荷重が作用する際においても、これら上載荷重を条件に含めた上で掘削壁面の安定性を評価することが可能な手法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】弾塑性ＦＥＭによる斜面の全体安全率の計算法、土質工学会論文報告集、Ｖｏｌ．２９、Ｎｏ．２、ｐｐ．１９０−１９５、１９８９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、例えば構築しようとする地中連続壁に近接して既設の基礎構造物が存在する場合、施工中における掘削壁面の安定性を上記のせん断強度低減有限要素法にて評価しようとすると、掘削壁面から連続するすべり面が形成される前に、既設の基礎構造物と地盤との間に先行して破壊機構が形成される等して計算が発散してしまい、精度よく掘削壁面の安定性を評価することが困難であった。
【０００６】
一方で、既設の基礎構造物近傍にて地盤掘削を行うと、周辺地盤や基礎構造物に影響を及ぼす可能性が高いが、これらの影響による周辺地盤の変形や基礎構造物の支持機能への影響等をせん断強度低減有限要素法にて評価することができなかった。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、既設地中構造物に近接して掘削壁面が存在する場合において、せん断強度低減有限要素法を用いて、掘削壁面の安定性評価と、地盤掘削による周辺地盤および既設地中構造物への影響評価の両者を実施することの可能な、掘削壁面の安定性評価方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するため本発明の掘削壁面の安定性評価方法は、既設地中構造物、およびこれに近接する掘削壁面を含む解析対象エリアに有限要素法に基づく解析モデルを設定し、前記掘削壁面の安定性をせん断強度低減有限要素法にて評価する、掘削壁面の安定性評価方法であって、前記解析モデルの、前記既設地中構造物をなす要素に接触する地盤をなす要素を、物性値調整要素として置き換え、該物性値調整要素に、前記既設地中構造物のヤング率より小さい値に調整した調整ヤング率を付与し、前記既設地中構造物と前記地盤との境界を表現することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の掘削壁面の安定性評価方法は、前記調整ヤング率が、前記既設地中構造物のヤング率と、前記物性値調整要素と隣接する前記地盤をなす要素に付与したヤング率との間に位置する値に調整されること特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、既設地中構造物に隣接して掘削壁面が位置する場合に、地盤と既設地中構造物との境界を、調整ヤング率を付与した物性値調整要素にてモデル化した解析モデルを用いて解析することで、地盤と既設地中構造物の剛性差が大きいことに起因する破壊機構が、解析モデルの他のエリアに生じる破壊機構よりも先行して形成されることがなく、掘削壁面近傍の地盤に対して実挙動に近いすべり面を形成することができる。
【００１１】
これにより、掘削壁面の安定性を、既設地中構造物が掘削壁面に及ぼす影響を加味した上で、高い精度で評価することが可能になるとともに、地中掘削が周辺地盤や既設地中構造物に与える影響を評価することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】地中連続壁構築予定の対象エリアを示す図である。
【図２】せん断強度低減有限要素法にて解析する解析モデルを示す図である。
【図３】基礎杭と地盤の境界を物性値調整要素にてモデル化した様子を示す図である。
【図４】せん断強度低減有限要素法にて解析した結果を示す図である。
【図５】遠心模型実験にて、基礎杭に隣接する掘削壁面の近傍にすべり面を発生させた際の画像解析図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の掘削壁面の安定性評価方法を、図１〜図５を用いて説明する。
本実施の形態では、図１で示すように、地中連続壁１構築予定の対象エリアに、既設構造物２を支持する基礎杭３が存在する場合を事例に挙げて説明する。なお、構築しようとする新設地中構造物は、必ずしも地中連続壁１に限定されるものではなく、例えば、場所打ち杭など、施工に掘削を伴う構造物であれば、いずれの新設地中構造物を採用してもよい。また、既設地中構造物についても、必ずしも基礎杭３に限定されるものではなく、その他の基礎構造物や土留め壁等の対策工等、いずれの既設地中構造物を採用してもよい。
【００１４】
掘削壁面の安定性評価方法は、基礎杭３等の既設地中構造物の近傍に、地中連続壁１等の施工に掘削を伴う新設地中構造物を構築する場合において、新設地中構造物の施工段階で構築される掘削壁面１ａの安定性評価と、地盤掘削による周辺地盤の変形や基礎杭３の支持機能の低下等、既設地中構造物への影響をせん断強度低減有限要素法（ＳＳＲ−ＦＥＭ）にて評価する方法である。そして、このせん断強度低減有限要素法を採用するにあたり、本実施の形態では、３次元弾塑性地盤解析プログラムＧＡ３Ｄを採用している。
【００１５】
ＧＡ３Ｄは、地盤ＦＥＭ解析の分野では広く知られた周知のプログラムであるため詳細は省略するが、降伏基準にMohr-Coulomb式、塑性ポテンシャルにDrucker-Prager式を用いた非関連流れ測に基づく弾完全塑性モデルであって、非線形方程式の解法として増分法に修正Newton-Raphson法を組み合わせた混合法を用いている。
【００１６】
入力物性値は、少なくとも地層条件、各地層に対応する土質条件（ヤング率Ｅｓ、ポアソン比ν，粘着率c，内部摩擦角φ，ダイレタンシー角ψ，単位体積重量γ等）、地下水位、安定液水位、ガイドウォール１ｂの有無（有りの場合には、厚さ、地表面からの深さ、材料定数（ヤング率、粘着力））、掘削壁面１ａの近傍地表面に荷重が作用する構造物の有無（有りの場合には、分布荷重の座標、単位面積当たりの荷重）、掘削壁面１ａの近傍地表面に作用する線荷重の有無（有りの場合には集中荷重の作用位置と大きさ）、である。なお、地盤のヤング率Ｅｓは、例えば砂質土で２０００Ｎ（ｋＮ/ｍ2）程度、粘性土で４０００Ｎ（ｋＮ/ｍ2）程度である。ここで、Ｎは、標準貫入試験によるＮ値を指す）。
【００１７】
解析モデル４を設定する範囲としては、一般に、構築しようとする新設地中構造物が地中連続壁１である場合には、その長さをＬとしたとき、Ｘ軸方向を地中連続壁１の長さＬの２倍以上、Ｙ軸方向を地中連続壁１の長さＬ以下、Ｚ軸方向には地中連続壁１の掘削深さ以上が採用される。なお、解析モデル４の設定方法は、必ずしもこれに限定されるものではなく、Ｘ方向に発生するすべり面を形成することのできる範囲であれば、いずれに設定してもよい。
【００１８】
また、解析モデル４のメッシュ分割方法は、解析目的に応じて適宜分割幅や分割数を調整すればよい。なお、本実施の形態では、図２で示すように、掘削壁面１ａからＸ軸方向に間隔を徐々に広げて分割、Ｙ軸方向は均等分割、Ｚ軸方向は、掘削壁面１ａにおいてはらみ出しが生じる可能性のある高さ範囲と地下水位５の近傍の高さ範囲を細かく分割し、その他の高さ範囲を均等分割する等して、挙動を把握したい範囲を細かく分割する構成としている。
【００１９】
ところで、本実施の形態では、先にも述べたように、地中連続壁１の構築予定エリア近傍に、既設構造物２を支持する基礎杭３が存在している。このため、基礎杭３の位置、径、深さ、本数、配置間隔等の実測値から、解析モデル４における掘削壁面１ａからＸ方向の距離を決定してソリッド要素によりモデル化し、基礎杭３の物性値（ヤング率Ｅ，ポアソン比ν等）を入力する。なお、基礎杭３のヤング率Ｅは、例えば鋼管造で２．１×１０8（ｋＮ/ｍ2）程度、コンクリート造で２．１×１０7（ｋＮ/ｍ2）程度である。
【００２０】
また、本実施の形態では、地下水位５以浅の地盤を上載荷重として置き換え、解析モデル４の地下水位５と等しい面５ａの全面に分布荷重として作用させる。ただし、本実施の形態においては、上述のモデル化によって解析を実施した。しかし、モデル化の方法は、この方法限りでない。さらに、既設構造物２の荷重は、基礎杭３各々に集中荷重として作用させる。なお、既設構造物２の荷重は、４本の基礎杭３で囲まれる範囲に分布荷重として作用するものと仮定してもよい。
【００２１】
こうして設定した解析モデル４に対して、地中連続壁１内における安定液６の水位を段階的に低下させ、水位を低下させたステージごとに、せん断強度低減法（ＳＳＲ）による全体安全率Ｆの算出とすべり面の推定を行う。なお、解析結果として、節点変位、要素のひずみ、要素の応力等、有限要素法にて一般的に得られるアウトプットは当然のこと、基礎杭３の部材力および部材に生じるひずみを把握することも可能である。
【００２２】
具体的な解析手順は、地盤のせん断強度パラメーターのｃ’とφ’を仮想的に低減係数ｆｒでｃｒ’とφｒ’に低減し、低減係数ｆｒを徐々に大きくすることで仮想的なせん断強度を低下させ、降伏域が掘削壁面１ａから地下水位５と等しい面５ａまで連続的に連なるすべり面を形成させる。そして、すべり面が形成される直前の低減係数ｆｒを全体安全率Ｆとするものである。なお、一般的には、低減係数ｆｒを０．０１ずつ大きくする。
【００２３】
ところで、上記の解析モデル４では、基礎杭３と地盤との剛性差が大きいことが一因となり、掘削壁面１ａから地下水位５と等しい面５ａまで連続的に連なるすべり面が形成される前に、基礎杭３と地盤との境界に先行して降伏域が連続し破壊機構が形成される現象が起きやすい。
【００２４】
このような、地盤と地中構造物のように物性値が大きく異なる要素が隣り合う場合において、有限要素法では一般に、これらの境界を表現するべくモデル化する手法として、両者の間に薄層要素を設ける方法、両者の間をバネでつなぐ方法、インターフェース要素を設ける方法等、様々な方法が提案されている。これに対して、本実施の形態ではこれら地盤と基礎杭３の相互作用問題に対して、物性値調整要素７を設けることで対応する点が大きな特徴である。
【００２５】
つまり、図３の解析モデル４の断面図で示すように、地盤をなす要素４ｂのうち、基礎杭３をなす要素４ａと接触する地盤をなす要素４ｂを物性値調整要素７と置き換え、この物性値調整要素７に調整ヤング率を入力することで、基礎杭３と地盤との境界が先行して破壊する現象を抑止する。ここで、物性値調整要素７に入力する調整ヤング率は、基礎杭３と地盤の剛性差を小さくすることを目的としていることから、基礎杭３のヤング率Ｅと、物性値調整要素７と隣接する地盤をなす要素４ｂに付与されているヤング率Ｅｓとの間に位置する値となるように調整されている。
【００２６】
そして、好ましくは、基礎杭３をなす要素４ａと地盤をなす要素４ｂの剛性差に起因する破壊機構が、解析モデル４の他のエリアに生じる破壊機構よりも先行して形成されることがなく、かつ、掘削壁面１ａから地下水位５と等しい面５ａまで連続的に連なるすべり面が精度よく形成されるよう、最適な数値を調整するとよい。
【００２７】
なお、解析対象の地盤に複数の地層が存在する場合には、地盤のヤング率Ｅｓが地層ごとで異なることから、複数の物性値調整要素７各々と隣接する地盤をなす要素４ｂに付与されているヤング率Ｅｓもそれぞれ異なる場合が想定される。この場合には、物性値調整要素７ごとで、基礎杭３のヤング率Ｅより小さく、物性値調整要素７と隣接する地盤のヤング率Ｅｓより大きい値であって、最適な数値に調整した値を調整ヤング率として算定し、これを付与するとよい。ただし、算定した調整ヤング率が複数の物性値調整要素７ごとで似通っている場合には、算定した調整ヤング率の中で選択した１つの調整ヤング率を代表値として、これをすべての物性値調整要素７に入力してもよい。
【００２８】
また、解析対象の地盤に複数の地層が存在する場合であっても、地盤条件が比較的良い場合（例えば、各地層のＮ値が３０以上の場合）には、基礎杭３のヤング率Ｅの例えば１/１００、地盤条件が比較的悪い場合（例えば、各地層のＮ値が３０未満の場合）には、基礎杭３のヤング率Ｅの例えば１/１０００という具合に、基礎杭３のヤング率Ｅを基準にしてこれより小さく、物性値調整要素７と隣接する地盤のヤング率Ｅｓより大きい値となるように調整ヤング率を決定し、この調整ヤング率を基礎杭３の外周を覆う物性値調整要素７すべてに入力してもよい。
【００２９】
さらに、本実施の形態では解析モデル４において、物性値調整要素７を他の地盤をなす要素４ｂより薄層に形成し、地盤に占める物性値調整要素７の幅を小さくしているが、必ずしもこれに限定するものではなく、他の地盤をなす要素４ｂと同じ厚さの要素としてもよい。
【００３０】
上記の物性値調整要素７を取り入れた解析モデル４を用いた解析結果を、図４に示す。図４（ａ）は、安定液６の水位がＧ．Ｌ．に等しい場合であり、安定液６の水位を段階的に低下させたものを図４（ｂ）から図４（ｄ）に示している。
【００３１】
これを見ると、安定液６の水位がＧ．Ｌ．と等しい場合には、掘削壁面１ａから地下水位５と等しい面５ａまで連続的に連なる第１のすべり面８が形成されているものの、基礎杭３の周囲には降伏域が形成されておらず、基礎杭３が存在することによる地盤壁面１ａの安定性への影響、地盤掘削による周辺地盤の変形および基礎杭３の支持機能への影響は、いずれも認められない。しかし、安定液６の水位が低下するにつれて、基礎杭３の周辺に降伏域９が発生して支持機能へ影響を与えるようになり、安定液６の水位がＧ．Ｌ．より０．９ｍ低い図４（ｄ）では、基礎杭３近傍に生じた降伏域９が連続して掘削壁面１ａに向かって連なり、第２のすべり面１０を形成しようとしている様子がわかる。
【００３２】
これは、図５で示す遠心模型実験においても認められる現象である。遠心模型実験では、図５（ａ）の写真で示すように、地盤中に複数のターゲット１１を均等配置し、地盤内水位を一定に保持した状態で、安定液を段階的に低下させている。そして、図５（ｂ）の画像解析図で示すように、安定液の水位の変化に応じて変動するターゲット１１の動きを画像解析し、その結果からすべり面を推定したものである。
【００３３】
図５（ｂ）の画像解析結果には、基礎杭３によらない第１のすべり面８と、基礎杭３近傍から掘削壁面１ａへ向かって伸びる２つ目のすべり面１０が形成されており、これら２つのすべり面は、本実施の形態における掘削壁面の安定性評価方法による解析結果と対応している。したがって、本実施の形態において掘削壁面の安定性評価方法は、掘削壁面１ａの安定性を、基礎杭３が掘削壁面１ａに及ぼす影響を加味した上で、高い精度で評価することが可能であるとともに、地中掘削が周辺地盤や基礎杭３の支持機構に与える影響を評価することも可能である。
【００３４】
なお、本発明の掘削壁面の安定性評価方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１    地中連続壁
１ａ  掘削壁面
２    既設構造物
３    基礎杭
４    解析モデル
４ａ  杭をなす要素
４ｂ  地盤をなす要素
５    地下水位
５ａ  地下水と等しい面
６    安定液
７    物性値調整要素
８    第１のすべり面
９    降伏域
１０  第２のすべり面
１１  ターゲット
【図１】
0006512014.tif 000002
【図２】
0006512014.tif 000003
【図３】
0006512014.tif 000004
【図４】
0006512014.tif 000005
【図５】
0006512014.tif 000006