(57)【要約】【課題】地盤の液状化を確実に発生させ、地震による構造物の沈下及び傾斜を防ぐことができる免震構造を得る。【解決手段】軟弱地盤１２Ａ上の建物１４を取り囲み、硬質地盤１６に到達するＲＣ連続壁２２と、建物１４の底面の外周部を支持する跳ね出し部材２０を設ける。地震が発生すると、ＲＣ連続壁２２で囲まれた軟弱地盤１２Ａ内の水圧が上昇して液状化が発生する。液状化した軟弱地盤１２Ａでは、建物１４及び跳ね出し部材２０に総浮力Ｆが働くので、建物１４の沈下を防ぐことができる。また、跳ね出し部材２０に作用する浮力は、建物１４の底面の外周部にほぼ均等に作用するので、建物１４の傾斜を防ぐことができる。さらに、ＲＣ連続壁２２と硬質地盤１６によって軟弱地盤１２Ａが取り囲まれているので、確実に液状化を発生させることができ、建物１４への地震による水平動の伝達で確実に抑えることができる。【選択図】図１
2008127865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟弱地盤上の構造物の周囲を取り囲んで前記軟弱地盤を囲み、硬質地盤又は不透水層に到達する遮水層と、
前記遮水層で囲まれた前記軟弱地盤中に配置され、前記構造物の底面の外周部を支持すると共に、前記軟弱地盤が液状化した時に浮力を発生する支持体と、
を有することを特徴とする免震構造。
【請求項２】
前記支持体が、前記構造物の側面を取り囲む壁部を有し、
前記壁部と前記側面との間に隙間が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の免震構造。
【請求項３】
前記隙間に弾性部材を設けたことを特徴とする請求項２に記載の免震構造。
【請求項４】
前記支持体と前記遮水層との間に、弾性部材を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の免震構造。
【請求項５】
前記遮水層、前記支持体、及び前記不透水層によって囲まれた前記軟弱地盤内の水圧を上昇させる加圧手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の免震構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震によって地盤が液状化したときに免震効果を発揮する免震構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
埋立地や沖積の河川堆積地盤では比較的緩い砂が堆積していることが多いため、地震時に地盤が液状化して地盤の沈下や噴砂・噴水現象などが起こることがある。このような液状化の可能性のある地盤に直接基礎建物を建築すると、地震時には液状化によって地盤の支持力が喪失するので、建物の沈下や建物が傾斜するなどの被害が生じてしまう。
【０００３】
このため、従来は、建物直下の地盤に対して、液状化の可能性のある地層の全てについて地盤改良などを行い、地盤の強度を増加させて建物の被害を防止する工法や、堅固な支持地盤に建物を支持させて杭基礎とする工法などが採用されてきた。
【０００４】
一方、液状化の可能性のある地盤や軟弱な粘性土地盤では、地震時に地盤の非線形性が顕著に現れるので、地盤のせん断ひずみが大きくなると共に減衰も大きくなる。この減衰は、地震による繰返しせん断に伴う地盤の履歴減衰であり、液状化するような地盤では発生するひずみも大きいので履歴減衰も大きくなる。
【０００５】
よって、地盤の深部から入力される地震動が地表に伝わりにくくなる。つまり、地盤の液状化によって、地中部よりも地表の方が揺れにくくなるわけである。
【０００６】
この地盤の液状化に伴う減衰効果により、地中部の振動加速度よりも地表の振動加速度の方が小さくなることは、阪神大震災の観測記録からも確認されている。そこで、地盤の液状化を利用した免震構造が提案されている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【０００７】
特許文献１の地盤免震構造は、硬質地盤上の軟弱地盤において、軟弱地盤の未改良部分を残すように地盤改良体が設けられており、この地盤改良体の上に構造物が設けられている。これにより、地震によって軟弱地盤が液状化すると、軟弱地盤の未改良部分によって構造物に入力される加速度が低減され、履歴減衰を引き起こし、構造物に対する免震効果を得ている。
【０００８】
しかし、特許文献１は、強制的に軟弱地盤の液状化を発生させるものではなく、自然に発生する液状化を利用するものなので、地震によって軟弱地盤が液状化しない場合には、免震効果が得られないことがある。また、軟弱地盤が液状化した場合には、構造物及び地盤改良体の荷重を支えきれなくなり、構造物が沈下したり、あるいは、不同沈下により傾斜してしまう。
【０００９】
一方、特許文献２の免震構造では、基礎杭で支持された建物と支持地盤との間の地盤中に圧縮空気を送り込み、地盤を強制的に液状化させて液状化層を形成し、この液状化層によって地盤内を伝搬する地震動を抑制している。
【００１０】
しかし、特許文献２は、地盤中の所定の層に圧縮空気を送り込んでも、透水性の小さい層がこの所定の層の周囲に存在しないと圧力が分散されてしまい、発生する水圧がすぐに消散して、液状化を確実に発生させることができない。また、杭を介して地震動が建物に伝わる可能性もあり、液状化を利用した免震効果が得られない場合があった。
【特許文献１】特開２００３−２０６５９号公報
【特許文献２】特開平６−１０８４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、地盤の液状化を確実に発生させ、地震による構造物の沈下及び傾斜を防ぐことができる免震構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１に係る免震構造は、軟弱地盤上の構造物の周囲を取り囲んで前記軟弱地盤を囲み、硬質地盤又は不透水層に到達する遮水層と、前記遮水層で囲まれた前記軟弱地盤中に配置され、前記構造物の底面の外周部を支持すると共に、前記軟弱地盤が液状化した時に浮力を発生する支持体と、を有することを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、地震が発生しない場合は、構造物直下の軟弱地盤が建物を支持している。地震が発生すると、遮水層で囲まれた軟弱地盤内の水圧が上昇して液状化が発生する。液状化した軟弱地盤では支持体に浮力が働くので、この浮力によって、構造物の沈下を防ぐことができる。
【００１４】
また、地震時には、構造物の端部に働く鉛直力の変動が中央部よりも大きくなり、端部の方が中央部よりも沈下して構造物が傾斜する場合がある。しかし、支持体に作用する浮力によって構造物の底面の外周部にほぼ均等な浮力が作用するので、構造物の傾斜を防ぐことができる。
【００１５】
さらに、遮水層と不透水層によって軟弱地盤が取り囲まれており、水圧が上昇しやすく、液状化が発生しやすいので、支持体に働く浮力の効果を確実に得ることができる。
【００１６】
本発明の請求項２に係る免震構造は、前記支持体が、前記構造物の側面を取り囲む壁部を有し、前記壁部と前記側面との間に隙間が形成されたことを特徴としている。
【００１７】
上記構成によれば、壁部と側面との間に隙間があるので、遮水層としてＲＣ連続壁などの剛性の高い材料を用いた場合でも地震による水平力が構造物に伝達されにくくなり、構造物の揺れを抑えることができる。
【００１８】
本発明の請求項３に係る免震構造は、前記隙間に弾性部材を設けたことを特徴としている。
【００１９】
上記構成によれば、壁部と側面の間の隙間に設けられた弾性部材によって地震による水平力が減衰され、構造物に伝達されにくくなるので、構造物の揺れを抑えることができる。
【００２０】
本発明の請求項４に係る免震構造は、前記支持体と前記遮水層との間に、弾性部材を設けたことを特徴としている。
【００２１】
上記構成によれば、支持体と遮水層との間に設けられた弾性部材によって、地震による水平力が減衰されて構造物に伝達されにくくなるので、構造物の揺れを抑えることができる。
【００２２】
また、弾性部材が蓋として機能し、遮水層で囲まれた軟弱地盤内の水圧が、支持体と遮水層の間から消散するのを防ぐので、確実に軟弱地盤を液状化させることができる。
【００２３】
本発明の請求項５に係る免震構造は、前記遮水層、前記支持体、及び前記不透水層によって囲まれた前記軟弱地盤内の水圧を上昇させる加圧手段を設けたことを特徴としている。
【００２４】
上記構成によれば、加圧手段によって軟弱地盤内の水圧が上昇し、地震発生時の軟弱地盤の液状化を確実に発生させるので、地盤の深部から地表面に向かう地震動が、液状化による減衰効果で構造物に伝わりにくくなる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、上記構成としたので、地盤を液状化させて免震効果を発揮させ、かつ地盤が液状化しても構造物の沈下及び傾斜を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の免震構造の第１実施形態を図面に基づき説明する。
【００２７】
図１には、免震構造１０が示されている。免震構造１０は、主にＲＣ連続壁２２と、跳ね出し部材２０で構成されている。
【００２８】
図１に示すように、不透水層としての硬質地盤１６の上層にある軟弱地盤１２上に、構造物としての鉄筋コンクリート（ＲＣ）造りの建物１４が支持されている。
【００２９】
建物１４の周囲を取り囲むようにして遮水性のＲＣ連続壁２２が構築されており、ＲＣ連続壁２２の下端部は、硬質地盤１６に到達している。これにより、ＲＣ連続壁２２で囲まれた軟弱地盤１２Ａ内部の水圧が逃げないようになっている。
【００３０】
一方、建物１４の底面の外周部１５を支持する跳ね出し部材２０が設けられている。
【００３１】
跳ね出し部材２０は、平面視にて枠状となっており、建物１４の底面の外周部１５を支持する支持部２１と、支持部２１から立設された壁部２３とで構成されている。また、跳ね出し部材２０は、主にコンクリートが用いられており、遮水性となっている。
【００３２】
跳ね出し部材２０の単位体積当りの重量（密度ρ２とする）は、地震により液状化したときの軟弱地盤１２Ａの単位体積当りの重量（図２ｂ参照：密度ρ３’とする）よりも小さくなるように、内部に中空部を形成する等して予め調整されている。
【００３３】
跳ね出し部材２０の壁部２３と建物１４の側面との隙間、及び跳ね出し部材２０とＲＣ連続壁２２との隙間には、ゴム製のクッション材２４、２６が充填されている。
【００３４】
次に、本発明の第１実施形態の作用について説明する。
【００３５】
図２ａ及び図２ｂは、地震未発生時と地震発生時の建物１４、跳ね出し部材２０、及び軟弱地盤１２Ａの状態を示したものである。
【００３６】
図２ａ及び図２ｂにおいて、建物１４の地表面から上側の体積をＶ１、建物１４の地表面から下側の体積をＶ２、建物１４の密度（単位体積当りの重量）をρ１、跳ね出し部材２０の体積をＶ３、跳ね出し部材２０の密度（単位体積当りの重量）をρ２とする。また、地震未発生時の軟弱地盤１２Ａの密度（単位体積当りの重量）をρ３、地震発生時の軟弱地盤１２Ａの密度をρ３’とする
ここで、図２ａに示すように、地震が発生していない状態では、粘性土の土質、砂質土の土質、及び土の押さえ効果等により決まる地盤支持力Ｒが、建物１４及び跳ね出し部材２０の総重量Ｐよりも大きければ、建物１４は沈下しない。
【００３７】
一方、図２ｂに示すように、地震が発生すると、ＲＣ連続壁２２で囲まれた軟弱地盤１２Ａ内では、過剰間隙水圧が上昇して軟弱地盤１２Ａの液状化が発生する。
【００３８】
軟弱地盤１２Ａの液状化により、地盤支持力Ｒは急激に低下し、建物１４が沈下する。このときの建物１４の沈下量をΔＶ２とする。
【００３９】
地盤支持力Ｒが０となったとしても、代わりに、建物１４及び跳ね出し部材２０には総浮力Ｆが生じるので、Ｐ＝Ｆとなるところで釣り合い、建物１４の沈下が止まることになる。
【００４０】
軽量のため、クッション材２４、２６の重量を無視すると、Ｐ＝（Ｖ１＋Ｖ２）×ρ１＋Ｖ３×ρ２であり、Ｆ＝（Ｖ２＋ΔＶ２＋Ｖ３）×ρ３’である。これにより、建物１４の沈下が止まる条件式は、（Ｖ１＋Ｖ２）×ρ１＋Ｖ３×ρ２＝（Ｖ２＋ΔＶ２＋Ｖ３）×ρ３’となる。
【００４１】
ここで、跳ね出し部材２０が無い場合を想定する。跳ね出し部材２０が無いということは、建物１４の沈下が止まる条件式でＶ３の項が無くなることを意味している。
【００４２】
いま、総重量Ｐ（左辺）におけるＶ３の項はＶ３×ρ２、総浮力Ｆ（右辺）におけるＶ３の項はＶ３×ρ３’であり、前述のようにρ２＜ρ３’であるから、（Ｐ−Ｖ３×ρ２）＞（Ｆ−Ｖ３×ρ３’）となる。
【００４３】
よって、跳ね出し部材２０が無いと、総重量Ｐ＞総浮力Ｆとなって、建物１４がさらに沈下していくことになる。
【００４４】
しかし、本発明では、跳ね出し部材２０によって総重量Ｐ＝総浮力Ｆとなるので、建物１４がΔＶ２だけ沈下したところで沈下を止めることができる。
【００４５】
また、地震による建物の水平動により、建物端部ではロッキングに伴う鉛直力の変動を生ずるが、跳ね出し部材２０によって建物１４の底面の外周部にほぼ均等な浮力が働くので、建物１４が傾斜して不同沈下することがなくなる。
【００４６】
一方、地震による建物１４の水平方向の震動は、軟弱地盤１２Ａの液状化により硬質地盤１６における震動より小さくなる。また、建物１４と跳ね出し部材２０の当接による摩擦力、及びクッション材２４、２６の弾性変形による減衰効果によって、硬質地盤１６からＲＣ連続壁２２を通じて建物１４へ伝達される震動を抑えることが出来る。このようにして、建物１４の水平方向の震動が低減される。
【００４７】
さらに、クッション材２６が蓋の役割をして、ＲＣ連続壁２２で囲まれた軟弱地盤１２Ａ内の水圧が、跳ね出し部材２０とＲＣ連続壁２２の間から消散するのを防ぐので、確実に軟弱地盤１２Ａを液状化させることができる。
【００４８】
以上説明したように、本発明の第１実施形態においては、地震が発生しない場合は、地盤支持力Ｒによって建物１４直下の軟弱地盤１２Ａが建物を支持している。
【００４９】
地震が発生すると、ＲＣ連続壁２２で囲まれた軟弱地盤１２Ａ内の水圧が上昇して液状化が発生する。液状化した軟弱地盤１２Ａでは建物１４及び跳ね出し部材２０に総浮力Ｆが働くので、この総浮力Ｆによって、建物１４の沈下を防ぐことができる。
【００５０】
また、地震による液状化において、建物１４の端部に働く鉛直力の変動が中央部よりも大きくなり、端部の方が中央部よりも沈下して建物１４が傾斜する場合がある。しかし、跳ね出し部材２０に作用する浮力によって、建物１４の底面の外周部にほぼ均等な浮力が作用するので、建物１４の傾斜を防ぐことができる。
【００５１】
さらに、ＲＣ連続壁２２と硬質地盤１６によって軟弱地盤１２Ａが取り囲まれており、水圧が上昇しやすく、液状化が発生しやすいので、跳ね出し部材２０に働く浮力の効果を確実に得ることができる。
【００５２】
また、壁部２３と建物１４の側面の間の隙間、及び跳ね出し部材２０とＲＣ連続壁２２との間に設けられたに設けられたクッション材２４、２６によって地震による水平力が減衰され、建物１４に伝達されにくくなるので、建物１４の揺れを抑えることができる。
【００５３】
また、クッション部材２６が蓋として機能し、ＲＣ連続壁２２で囲まれた軟弱地盤１２Ａ内の水圧が、跳ね出し部材２０とＲＣ連続壁２２の間から消散するのを防ぐので、確実に軟弱地盤１２Ａを液状化させることができる。
【００５４】
次に、本発明の免震構造の第２実施形態を図面に基づき説明する。
【００５５】
なお、前述した第１実施形態と基本的に同一のものには、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【００５６】
図３には、免震構造５０が示されている。免震構造５０は、主にＲＣ連続壁２２と、跳ね出し部材２７で構成されている。
【００５７】
図３に示すように、建物１４の屋上には貯水タンク３４が設けられている。
【００５８】
貯水タンク３４は、建物１４に設けられたポンプ３６に接続されており、ポンプ３６には、制御装置３８が接続されている。
【００５９】
制御装置３８は、地上面に設置された地震計４６から送られてくるＰ波のデータからポンプ３６を作動させるか否かの判断を行い、ポンプ３６のオン・オフを制御する。
【００６０】
また、ポンプ３６には、三叉の開閉弁４０が設けられている。
【００６１】
開閉弁４０の一端は、鉄等の金属製のスタンドパイプ３０の一端に接続されており、他の一端は、鉄等の金属製の排水パイプ４２の一端に接続されている。排水パイプ４２の他端は、排水ポンプ４４に接続されている。
【００６２】
一方、建物１４の底面の外周部１５に当接して跳ね出し部材２７が設けられている。
【００６３】
跳ね出し部材２７は、建物１４の底面の外周部１５に当接された支持部２８と、支持部２８から立設された壁部２９とで構成されている。また、跳ね出し部材２７は、主にコンクリートが用いられており、遮水性となっている。
【００６４】
跳ね出し部材２７の単位体積当りの重量は、地震により液状化したときの軟弱地盤１２Ａの単位体積当りの重量（図２ｂ参照：密度ρ３’とする）よりも小さくなるように、内部に中空部を形成する等して予め調整されている。
【００６５】
跳ね出し部材２７の壁部２９と建物１４の側面との間には、所定幅の隙間３２が形成されている。また、跳ね出し部材２７とＲＣ連続壁２２との隙間には、ゴム製のクッション材２６が充填されている。さらに、跳ね出し部材２７には、前述のスタンドパイプ３０が貫通され一体化されている。
【００６６】
スタンドパイプ３０は、地上から軟弱地盤１２Ａに向って略垂直に配管されており、スタンドパイプ３０の下端部には噴出口３０Ａが形成されている。
【００６７】
ここで、スタンドパイプ３０、貯水タンク３４、ポンプ３６で軟弱地盤１２Ａの加圧手段が構成されている。ポンプ３６を作動させると、貯水タンク３４の水がスタンドパイプ３０に加圧注入され、スタンドパイプ３０内の水圧を上昇させて、スタンドパイプ３０の噴出口３０Ａから加圧された水が噴出するようになっている。
【００６８】
また、前述の開閉弁４０の切り替えによって、ポンプ３６とスタンドパイプ３０との間の接続、遮断、開放の操作が行われる。
【００６９】
開閉弁４０の遮断操作時には、スタンドパイプ３０と地上の外気との接続も断たれるようになっており、これによってＲＣ連続壁２２によって囲まれた軟弱地盤１２Ａ内の圧力が一定に保たれる。
【００７０】
一方、開閉弁４０の開放操作時には、軟弱地盤１２Ａに注入された水を排出パイプ４２を介して排水タンク４４に排出することが可能となっている。スタンドパイプ３０の上端部には図示しないフィルターが取り付けられており、これによって水と一緒に土砂が排出されるのを防いでいる。
【００７１】
次に、本発明の第２実施形態の作用について説明する。
【００７２】
地震が発生し、地震計４６がＰ波を検知すると、そのＰ波の大きさによって、制御装置３８が、ポンプ３６を作動させるか否かの判断を行う。
【００７３】
ある値以上の大きさのＰ波を検知した場合には、ポンプ３６を作動し、貯水タンク３４の水をスタンドパイプ３０に加圧注入する。そして、スタンドパイプ３０内の水圧を上昇させ、スタンドパイプ３０の下端部に設けられた噴出口３０Ａから加圧された水を噴出させる。
【００７４】
これにより、ＲＣ連続壁２２によって囲まれた軟弱地盤１２Ａ内の水圧が上昇し、強制的に軟弱地盤１２Ａが液状化される。液状化が完了した後、軟弱地盤１２Ａ内の水圧が低下しないように、開閉弁４０を遮断操作した後にポンプ３６が止められる。
【００７５】
地震による建物１４の水平方向の震動は、軟弱地盤１２Ａの液状化により硬質地盤１６における震動より小さくなる。
【００７６】
一方、建物１４の側面と壁部２９との隙間３２により震動の水平力が伝達されにくくなっていることと、建物１４と跳ね出し部材２７の当接による摩擦力、及びクッション材２６の弾性変形による減衰効果によって硬質地盤１６からＲＣ連続壁２２を通じて建物１４へ伝達される震動を抑えることができる。このようにして、建物１４の水平方向の震動が低減される。
【００７７】
ここで、第１実施形態の跳ね出し部材２０と同様に、跳ね出し部材２７に液状化による浮力が働くため、軟弱地盤１２Ａが液状化しても建物１４が沈下することがない。また、跳ね出し部材２７によって建物１４の底面の外周部にほぼ均等な浮力が働くので、建物１４が傾斜して不同沈下することがなくなる。
【００７８】
さらに、軟弱地盤１２Ａは、建物１４、ＲＣ連続壁２２、硬質地盤１６、跳ね出し部材２７、クッション材２６によって囲まれ、概ね密閉された状態になっている。よって、液状化の際に発生する水圧がすぐに消散してしまうことを防げるので、より確実に液状化することができ、さらには液状化を早めることができる。
【００７９】
また、Ｐ波（初動）を検知した時点でポンプ２２を作動させ、Ｓ波（主要動）が到達する前に液状化を開始させることができるので、建物１４に、大きな主要動が伝達されるのを防ぐことができる。
【００８０】
地震が止まった後は、開閉弁４０を開放操作すると、軟弱地盤１２Ａ内の上昇した圧力により、ポンプ３６によって注入した分の水が自然に排水タンク４４に排出され、水圧が消散して軟弱地盤１２Ａは元の状態に戻る。
【００８１】
このように、ポンプ３６によって注入した分の水が排出されるので、水圧が消散した後に地盤が沈下することがなくなる。
【００８２】
以上説明したように、本発明の第２実施形態においては、壁部２９と建物１４の側面との間に隙間３２があるので、地震による水平力が建物１４に伝達されにくくなり、建物１４の揺れを抑えることができる。
【００８３】
また、ポンプ３６によって軟弱地盤１２Ａ内の水圧が上昇し、地震発生時の軟弱地盤１２Ａの液状化を確実に発生させるので、地盤の深部から地表面に向かう地震動が、液状化による減衰効果で建物１４に伝わりにくくなる。
【００８４】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。
【００８５】
軟弱地盤１２Ａを囲む遮水層としてＲＣ連続壁２２を示したが、遮水性を有するものであればよく、ソイルセメント壁、鋼矢板壁、鋼管矢板壁等を用いてもよい。
【００８６】
跳ね出し部材２０、２７の形状は、断面が略Ｌ字形状のもの以外に、略矩形状のものであってもよく、中空のものであってもよい。また、壁部２３、２９を設けていないものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る免震構造の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態における建物及び跳ね出し部材の総重量と、地盤支持力又は浮力との釣り合い状態を示す模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る免震構造の構成図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０  免震構造（免震構造）
１２Ａ  軟弱地盤（軟弱地盤）
１４  建物（構造物）
１５  外周部（外周部）
１６  硬質地盤（不透水層）
２０  跳ね出し部材（支持体）
２２  ＲＣ連続壁（遮水層）
２３  壁部（壁部）
２４  クッション部材（弾性部材）
２６  クッション部材（弾性部材）
２７  跳ね出し部材（支持体）
２９  壁部（壁部）
３０  スタンドパイプ（加圧手段）
３２  隙間（隙間）
３４  貯水タンク（加圧手段）
３６  ポンプ（加圧手段）
【図１】
2008127865.tif 000003
【図２】
2008127865.tif 000004
【図３】
2008127865.tif 000005