(57)【要約】【課題】根入れ抵抗の上限を低く抑えることで、杭基礎構造物に与える損傷を低減するようにした。【解決手段】杭３における被害軽減構造１は、地盤の地下水位より上方の非液状化層Ｇ２において、地盤の受働すべり面Ｓの上端部Ｓａと構造物２の根入れ部２ａとの間に、非液状化層Ｇ２の地盤より摩擦力が小さく、長期間、摩擦が小さな状態を保つことができるすべり層４の層上端部４ａが設けられている。このすべり層４は、構造物２の根入れ部２ａの略下端から外方地表に向けて広がるように所定角度の傾斜面を形成させて配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤中の液状化層の液状化に伴う被害を軽減する杭基礎構造物の被害軽減構造であって、
少なくとも前記液状化層より上方の非液状化層に構造物の根入れ部が設けられ、
前記構造物の揺れや地震時の地盤変位による土圧を受けてすべり作用が生じたときに、前記地盤がすべることで破壊に至るすべり面が生じ、
前記根入れ部の周囲には、前記非液状化層の前記地盤より摩擦力の小さな材料からなるすべり層、及び前記すべり面と前記根入れ部との間の所定範囲を前記非液状化層の地盤より比重が軽く且つ地盤剛性が高い材料に置換させてなる置換材の少なくとも一方が設けられていることを特徴とする杭基礎構造物の被害軽減構造。
【請求項２】
前記すべり層の層上端部は、地盤改良を行わない場合の前記すべり面の上端部と、前記根入れ部との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の杭基礎構造物の被害軽減構造。
【請求項３】
前記すべり層は、シート状のビニール材、プラスチック材、金属材、又はこれらの複合材から形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の杭基礎構造物の被害軽減構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震等による地盤の液状化に伴う構造物の被害を軽減する杭基礎構造物の被害軽減構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
地震時に液状化層が液状化すると、液状化層とその上の非液状化層の地盤には大きな地盤変位が生じる。地震時に液状化が生じると、液状化層は地盤剛性が大きく低下するが、非液状化層の地盤剛性の低下は小さい。このような地盤に根入れを有する構造物を建てた場合、根入れ部は土圧を受ける面積が大きいので、剛性の大きい非液状化層の地盤変位により作用する荷重も大きくなることから、構造物の杭（杭基礎構造物）に損傷を与える原因となっていた。
このような問題に対応するため、従来は地盤を液状化させないように、例えば広範囲に及ぶ締固め改良や深層混合処理により地盤改良工事を施す方法や、杭を補強して液状化の荷重に耐える杭構造とする方法が行われていた。ところが、地盤改良による液状化対策にかかる費用は高額であり、また杭の補強も液状化時の荷重に対応するためには、杭径、鋼板補強など大掛かりな補強構造とする必要があり、それに伴ってコストが大きくなるという問題があった。
そこで、このような地盤改良や杭の補強方法によらない方法で液状化対策する方法として、図５に示すように、構造物２の根入れ部２ａの周囲の所定範囲に、非液状化層Ｇ２より軟質な材料６を充填して地盤剛性を小さくし、液状化層Ｇ１が液状化した時の地盤変位が構造物２や杭３に与える影響を軽減するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、液状化層の上側の非液状化層を掘削して矢板を打設した後、緩衝材（軟質の材料に相当）を充填することによって、構造物の側面に作用する土圧が殆ど作用しない構造をなしている。
【特許文献１】特開２０００−１７８９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１は、構造物の根入れ部の周辺地盤が軟質な材料に置換された軟弱地盤となることから、地盤剛性が小さくなり、構造物の揺れを根入れ部の根入れ抵抗によって抑えられなくなるという欠点があった。そのため、液状化を生じない程度の中小規模の地震発生時においても構造物の揺れが大きくなり、それによって杭の応力が増大し、その杭に損傷を与えるなどの被害を及ぼすといった問題があった。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、根入れ抵抗の上限を低く抑えることで、杭基礎構造物に与える損傷を低減するようにした杭基礎構造物の被害軽減構造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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係る杭基礎構造物の被害軽減構造は、地盤中の液状化層の液状化に伴う被害を軽減する杭基礎構造物の被害軽減構造であって、少なくとも液状化層より上方の非液状化層に構造物の根入れ部が設けられ、構造物の揺れや地震時の地盤変位による土圧を受けてすべり作用が生じたときに、地盤がすべることで破壊に至るすべり面が生じ、根入れ部の周囲には、非液状化層の地盤より摩擦力の小さな材料からなるすべり層、及びすべり面と根入れ部との間の所定範囲を非液状化層の地盤より比重が軽く且つ地盤剛性が高い材料に置換させてなる置換材の少なくとも一方が設けられていることを特徴としている。
本発明では、すべり層が設けられた場合、中小規模地震で非液状化層の地盤変位が小さなときには、すべり層がすべることなく、構造物の根入れ部は非液状化層の地盤と略同等の地盤剛性を受け、構造物に作用する水平力は非液状化層の地盤によってある程度支持されることになる。そして、大規模地震で液状化層が液状化して非液状化層の地盤変位が大きくなるときには、非液状化層に対して摩擦力の小さなすべり層がすべるように作用する。そのため、構造物の根入れ部が受ける地盤抵抗（根入れ抵抗）が低減され、杭基礎構造物に大きな応力を負担させることを抑制することができる。
また、置換材が設けられた場合、比重の軽い置換材の作用により、すべり面の有効応力が減少し、すべり作用が発生しやすくなる。これにより、根入れ抵抗の上限が低く抑えられ、杭基礎構造物に作用する応力も小さく抑えられる。
【０００６】
また、本発明に係る杭基礎構造物の被害軽減構造では、すべり層の層上端部は、地盤改良を行わない場合のすべり面の上端部と、前記根入れ部との間に設けられていることが好ましい。
本発明では、すべり層は、すべり面ですべり作用が発生する地盤変位よりも小さな地盤変位ですべり作用が発生するため、構造物の根入れ部に作用する土圧を低減させることができる。
【０００７】
また、本発明に係る杭基礎構造物の被害軽減構造では、すべり層は、シート状のビニール材、プラスチック材、金属材、又はこれらの複合材から形成されていることが好ましい。
本発明では、ビニール材、プラスチック材、金属材、又はこれらの複合材からなるすべり層は、非液状化層の地盤に対して摩擦力が小さいことから、液状化層が液状化したときに発生する抵抗によりすべる作用が生じる。しかも、これらの材料は、長期間摩擦が低い状態を保持することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の杭基礎構造物の被害軽減構造によれば、すべり層を設ける場合に、中小規模地震で地盤変位が小さいときは、すべり層がすべることなく、非液状化層の地盤と略同等の地盤剛性を確保することができるため、杭基礎構造物に応力増加による負担を与えることがなくなる。そして、大規模地震で地盤変位が大きいときには、すべり層がすべり、構造物の根入れ部に過大な地盤抵抗（根入れ抵抗）が作用しなくなるため、杭基礎構造物に作用する応力の増加を抑制することができる。このように根入れ抵抗の上限を低く抑えることにより、杭基礎構造物に与える損傷を低減させることができる。しかも、広範囲に地盤改良したり、杭に大掛かりな補強を施したりする従来の対策工法が不要となる構造であることから、工費および工期を大幅に削減することができる。
また、本発明の杭基礎構造物の被害軽減構造によれば、置換材を使用して地盤の比重を軽くすることですべり面の地盤抵抗が小さくなり、すべり作用が発生しやすくなる。そのため、過大な根入れ抵抗によって杭基礎構造物に作用する応力を増加させることがなくなることから、根入れ抵抗の上限を低く抑えることができ、杭基礎構造物に与える損傷を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の杭基礎構造物の被害軽減構造の実施の形態について、図１及び図２に基づいて説明する。
図１は本発明の第一の実施の形態による杭の被害軽減構造を示す立断面図、図２は地盤変位の大きさに対する根入れ抵抗の変化を示すグラフである。
【００１０】
図１に示すように、本第一の実施の形態による杭基礎構造物の被害軽減構造１は、例えば埋立地などの軟弱地盤上に構築される構造物２に適用されるものである。
本第一の実施の形態では、地下水位Ｗより下方が液状化層Ｇ１をなし、その上方が非液状化層Ｇ２をなしている。そして、非液状化層Ｇ２中に根入れ部２ａを形成して構造物２が構築されている。構造物２は、主に液状化層Ｇ１中に打設され、その先端部が図示しない岩盤などの支持層に達する複数の杭３…（杭基礎構造物）によって支持されている。
また、非液状化層Ｇ２内には、構造物２の揺れや地震時の地盤変位による土圧を受けてすべり作用が生じたときに、最終的に地盤がすべることで破壊に至るすべり面を推定することができる。このときのすべり面を、本第一の実施の形態では受働すべり面Ｓとする。なお、この受働すべり面Ｓの角度や位置などは、地盤の種類、状態、地盤強度などの条件によって変わるものである。
【００１１】
図１に示すように、構造物２の根入れ部２ａと非液状化層Ｇ２の受働すべり面Ｓとの間の領域には、非液状化層Ｇ２より摩擦力が小さく、長期間、その摩擦力を小さな状態で維持させるすべり層４が形成されている。このすべり層４は、構造物２の根入れ部２ａの周囲の略下端から地表に向けて広がるように所定角度の傾斜面を形成して連続して配置されている。さらに、すべり層４の層上端部４ａは、根入れ部２ａと後述する受働すべり面Ｓの上端部Ｓａとの間に設けられている。
なお、すべり層４の位置や角度は、例えば解析手段などを用いて対象地盤で効果が発揮できるように設定することが好ましい。
【００１２】
すべり層４に使用される材料としては、シート状のビニール材、プラスチック材、金属材、又はこれらの複合材などが採用される。なお、これらの材料は、長期間、摩擦が低い状態を保持できるものが好ましい。そして、これらの材料を用いたすべり層４は、受働すべり面Ｓですべり作用が発生する地盤変位よりも小さな地盤変位ですべり作用が発生することになる。
【００１３】
次に、このように構成される杭３の被害軽減構造１の作用について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、大規模な地震により液状化層Ｇ１が液状化したときは、すべり層４が非液状化層Ｇ２より摩擦抵抗が小さいことから、このすべり層４を界面にして非液状化層Ｇ２の地盤がすべり、構造物２の根入れ部２ａが受ける外力（土圧）を低減させることができる。これにより、根入れ部２ａに作用する地盤抵抗も小さくすることができる。
【００１４】
図２を用いてさらに具体的に説明する。図２は液状化時における地盤変位の大きさに対する構造物２の根入れ部２ａの根入れ抵抗の変化を示したものであり、第１のグラフＲ１（図中の実線）はすべり層４を設けた場合、第２のグラフＲ２（図中の二点鎖線）はすべり層４を設けない場合の根入れ抵抗をなしている。これによると、両グラフＲ１、Ｒ２は、地盤変位が大きくなるにつれて根入れ抵抗が増え、所定の大きさの地盤変位となったときに根入れ抵抗が一定となっている。第１のグラフＲ１で根入れ抵抗が一定となるときの地盤変位の大きさは、第２のグラフＲ２の一定となるときの地盤変位の大きさより小さくなっている。
【００１５】
そして、中小規模の地震などで影響される地盤変位の小さな範囲Ｍ１、つまり液状化層Ｇ１が液状化しない場合には、根入れ部２ａは非液状化層Ｇ２と略同等の地盤抵抗（地盤剛性に相当）を受けることになる。つまり、液状化しない程度の小さな地盤変位では、非液状化層Ｇ２の地盤剛性によって根入れ部２ａの根入れ抵抗が確保され、構造物２の揺れを抑えることができる。
また、液状化層Ｇ１が液状化するような地盤変位の大きな範囲Ｍ２では、すべり層４の作用により、根入れ部２ａに作用する根入れ抵抗の最大値が低下することを確認できる。
【００１６】
上述した本第一の実施の形態による杭基礎構造物の被害軽減構造では、中小規模地震で地盤変位が小さいときは、すべり層４がすべることなく、非液状化層Ｇ２の地盤と略同等の地盤剛性を確保することができるため、杭３に応力増加による負担を与えることがなくなる。そして、大規模地震で地盤変位が大きいときには、すべり層４がすべり、構造物２の根入れ部２ａに過大な地盤抵抗（根入れ抵抗）が作用しなくなるため、杭に作用する応力の増加を抑制することができる。このように根入れ抵抗の上限を低く抑えることにより、杭３に与える損傷を低減させることができる。
また、広範囲に地盤改良したり、杭に大掛かりな補強を施したりする従来の対策工法が不要となる構造であることから、工費および工期を大幅に削減することができる。
【００１７】
次に、本発明の第二及び第三の実施の形態について、図３及び図４に基づいて説明するが、上述の第一の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第一の実施の形態と異なる構成について説明する。
図３は本発明の第二の実施の形態による杭の被害軽減構造を示す立断面図である。
図３に示すように、第二の実施の形態による被害軽減構造１１は、構造物２の根入れ部２ａの周囲に、２つのすべり層４Ａ、４Ｂが所定間隔をもって配置されたものである。複数箇所のすべり層４Ａ、４Ｂですべり作用を発生させることができることから、第一の実施の形態の単数のすべり層４（図１参照）より、すべり作用の効果及び確実性を高めることができる。
【００１８】
次いで、図４は本発明の第三の実施の形態による杭の被害軽減構造を示す立断面図である。
図４に示すように、第三の実施の形態による被害軽減構造１２は、構造物２の周囲であって、受働すべり面Ｓと根入れ部２ａとの間の所定範囲の非液状化層Ｇ２を、軽量材５（置換材）で置換したものである。軽量材５は、非液状化層Ｇ２の地盤より比重が軽く、地盤剛性が高い材料が採用される。受働すべり面Ｓの地盤抵抗（摩擦抵抗）はこの受働すべり面Ｓより浅い領域の地盤の重量に影響されるため、軽量材５を使用して地盤の比重を軽くすることで、その地盤重量の影響を小さくすることができる。すなわち、受働すべり面Ｓの地盤抵抗が小さくなり、すべり作用が発生しやすくなる。そのため、第一及び第二の実施の形態と同様、過大な根入れ抵抗によって杭３に作用する応力を増加させることがなくなることから、根入れ抵抗の上限を低く抑えることができ、杭３に与える損傷を低減することができる。
【００１９】
以上、本発明による杭基礎構造物の被害軽減構造の第一乃至第三の実施の形態について説明したが、本発明は上記の第一乃至第三の実施の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。
例えば、本第一及び第二の実施の形態ではすべり層４は一様に連続したものとされているが、必ずしも連続性を有するものであることはなく、例えば、部分的であって不連続性な状態のすべり層であってもよい。要は、すべり層を境にして地盤がすべる面或いは層を形成できればよいのである。また、すべり層４の下端の位置は、根入れ部２ａと受働すべり面Ｓとの間であることに限定されることはなく、例えばすべり層４が受働すべり面Ｓと交差するように設けられていてもかまわない。
【００２０】
そして、すべり層４に使用される材料をビニールシート、プラスチック、金属部材、又はこれらの複合部材などの材料としているが、これらの材料に限定されることはない。要は、長期間摩擦が低い状態を保持することができ、上述したように、非液状化層Ｇ２の地盤に対して所定の摩擦力を有する材料であればよいのである。
また、第一の実施の形態では単数のすべり層４が設けられ、第二の実施の形態では２つのすべり層４Ａ、４Ｂが設けられているが、すべり層４の数量に限定されることはなく、単数は勿論、３つ以上の複数のすべり層４を設けるようにしてもよい。
さらに、第一及び第二の実施の形態のすべり層４と、第三の実施の形態の軽量材５との両者を併用した構成をなす被害軽減構造であってもかまわない。この場合、すべり層４及び軽量材５を夫々単独で設けた場合より、液状化時の根入れ抵抗を減らす効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一の実施の形態による杭の被害軽減構造を示す立断面図である。
【図２】地盤変位の大きさに対する根入れ抵抗の変化を示すグラフである。
【図３】本発明の第二の実施の形態による杭の被害軽減構造を示す立断面図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態による杭の被害軽減構造を示す立断面図である。
【図５】従来の杭基礎構造を示す立断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１、１１、１２  被害軽減構造
２  構造物
２ａ  根入れ部
３  杭（杭基礎構造物）
４、４Ａ、４Ｂ  すべり層
４ａ  層上端部
５  軽量材（置換材）
Ｇ１  液状化層
Ｇ２  非液状化層
Ｓ  受働すべり面
Ｓａ  上端部
【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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