(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟弱地盤中に所定のピッチで多数の固化処理杭が造成された処理区域と、固化処理杭が造成されない非処理区域を有し、非処理区域に直近する内側固化処理杭に構造物や盛り土による側方圧力が作用する固化処理改良地盤において、前記内側固化処理杭は、固化処理杭中、最大の曲げ変形を生じるものであって、且つ該内側固化処理杭の最大変位曲率位置又はその近傍に拡径の水平固化盤を有し、該拡径の水平固化盤は、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列の少なくとも１列の固化処理杭に形成されると共に、固化処理杭列における隣接する水平固化盤同士を接合してなる固化処理改良地盤。
【請求項２】
軟弱地盤中に所定のピッチで多数の固化処理杭が造成された処理区域と、固化処理杭が造成されない非処理区域を有し、非処理区域に直近する内側固化処理杭に構造物や盛り土による側方圧力が作用する固化処理改良地盤において、前記内側固化処理杭は、該内側固化処理杭の最大変位曲率位置又はその近傍に拡径の水平固化盤を有し、該拡径の水平固化盤は、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列の少なくとも１列の固化処理杭に形成されると共に、固化処理杭列における隣接する水平固化盤同士を接合してなり、且つ全ての固化処理杭に形成されるものではない固化処理改良地盤。
【請求項３】
軟弱地盤中に所定のピッチで多数の固化処理杭が造成された処理区域と、固化処理杭が造成されない非処理区域を有し、非処理区域に直近する内側固化処理杭に構造物や盛り土による側方圧力が作用する固化処理改良地盤において、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列間に、前記内側固化処理杭の上端から外側固化処理杭の下端にかけて傾斜する斜め固化処理杭を更に造成することを特徴とする固化処理改良地盤。
【請求項４】
軟弱地盤中に所定のピッチで多数の固化処理杭が造成された処理区域と、固化処理杭が造成されない非処理区域を有し、非処理区域に直近する内側固化処理杭に構造物や盛り土による側方圧力が作用する固化処理改良地盤において、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列間に、前記内側固化処理杭の最大主応力方向に沿った角度で斜め固化処理杭を前記処理区域内に更に造成することを特徴とする固化処理改良地盤。
【請求項５】
前記斜め固化処理杭は、前記内側固化処理杭の最大主応力方向の±１５度の角度に沿った範囲に造成され、且つ該斜め固化処理杭の上端芯部が、側面視で前記内側固化処理杭の上端芯部から側方圧力が作用する方向に隣接する固化処理杭の上端芯部の範囲にあることを特徴とする請求項４記載の固化処理改良地盤。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、処理区域と非処理区域を有する固化処理改良地盤の盛り土などの載荷時において、該処理区域に造成される固化処理杭が受ける側方変形を抑制することができる固化処理改良地盤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地盤改良工法のひとつに固化処理杭造成工法がある。この固化処理杭造成工法は、例えば、機械式攪拌装置の先端を、施工する柱体の芯に合わせて攪拌軸を回転させ、装置先端から固化材を吐出しながら攪拌羽根を回転し、掘削土と混合攪拌しながら掘進を行い、設計深度に達したところで吐出を停止し、攪拌軸をそのままの回転又は逆転して、更に混合攪拌しながら地盤上に引き上げて柱状体を造成するものである。そして、柱状体の固化処理杭は軟弱地盤中、所定のピッチを有して多数造成されたり、接円断面状に多数造成して連続杭としたりする。
【０００３】
従来、例えば、図５に示すように、のり面５２を有する盛り土５１を支持する軟弱地盤を改良する場合、設計上、盛り土５１ののり面５２直下に所定のピッチで多数の固化処理杭５３を造成する。このため、盛り土を支持する改良地盤５０には、処理区域５４と、盛り土の中央部５５の直下に固化処理杭が造成されない非処理区域５６が存在する。また、図７に示すように、橋台構造物６１の背面部に造成される盛り土５５を支持する軟弱地盤を改良する場合、橋台６３の背面部の基礎部分６４に所定のピッチで多数の固化処理杭５３を造成する。このため、盛り土を支持する改良地盤６０には、処理区域５４と、橋台６３から離れた盛り土の直下に固化処理杭が造成されない非処理区域５６が存在する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような構造を有する改良地盤５０においては、図６に示すように、盛り土内側の固化処理杭５３ａは鉛直方向に盛り土の高さ分の荷重Ｚと、側方向の圧力によって、曲げ変形Ｘを生じる。盛り土外側の固化処理杭５３ｂは盛り土ののり尻の直下にあるため、鉛直方向の荷重は受けず、側方向の圧力を受けることになり、固化処理杭５３ｂは、下端５３１を中心に転倒変形Ｙを生じる。ここで、５３ａ以外の改良域の固化処理杭は、荷重をあまり負担していない状態となっており、不経済な改良となっていた。また、図７に示すような改良地盤６０においても、盛り土内側の固化処理杭５３ａは鉛直方向に盛り土の高さ分の荷重と、側方向の圧力によって、同様に曲げ変形を受ける一方で、その他の固化処理杭にはそれほどの曲げ変形が起こらない状態であり、効率的な荷重負担が行われていなかった。このような盛り土ののり面直下の固化処理杭５３に作用する偏荷重に効率的に対処する方法としては、地盤の改良率を高める方法が採られていたが、この方法は施工コストを上昇させるという問題があった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、処理区域と非処理区域を有する固化処理改良地盤の盛り土などの載荷時において、該載荷に起因して発生する固化処理杭ごとに異なる不均一な応力状態を是正し、各固化処理杭に相応の荷重分担を行わせ地盤の側方変形を抑制する経済的な改良地盤を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、固化処理杭ごとの応力状態は弾塑性圧密変形有限要素法解析によって求められ、曲げ変形を受ける内側固化処理杭の特定位置に拡径の水平固化盤を形成し、該拡径の水平固化盤を、側方圧力が作用する方向に配置される固化処理杭に同様に形成するか、あるいは、前記処理区域内でかつ特定傾斜の斜め固化処理杭を更に造成するかすれば、固化処理杭ごとに異なる不均一な応力状態を是正し、各固化処理杭に相応の荷重分担を行わせ地盤の側方変形を抑制する経済的な改良地盤を得ることができること、などを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明（１）は、軟弱地盤中に所定のピッチで多数の固化処理杭が造成された処理区域と、固化処理杭が造成されない非処理区域を有し、非処理区域に直近する内側固化処理杭に構造物や盛り土による側方圧力が作用する固化処理改良地盤において、前記内側固化処理杭は、固化処理杭中、最大の曲げ変形を生じるものであって、且つ該内側固化処理杭の最大変位曲率位置又はその近傍に拡径の水平固化盤を有し、該拡径の水平固化盤は、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列の少なくとも１列の固化処理杭に形成されると共に、固化処理杭列における隣接する水平固化盤同士を接合してなる固化処理改良地盤を提供するものである。また、本発明（２）は、軟弱地盤中に所定のピッチで多数の固化処理杭が造成された処理区域と、固化処理杭が造成されない非処理区域を有し、非処理区域に直近する内側固化処理杭に構造物や盛り土による側方圧力が作用する固化処理改良地盤において、前記内側固化処理杭は、該内側固化処理杭の最大変位曲率位置又はその近傍に拡径の水平固化盤を有し、該拡径の水平固化盤は、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列の少なくとも１列の固化処理杭に形成されると共に、固化処理杭列における隣接する水平固化盤同士を接合してなり、且つ全ての固化処理杭に形成されるものではない固化処理改良地盤を提供するものである。
【０００８】
また、本発明（３）は、軟弱地盤中に所定のピッチで多数の固化処理杭が造成された処理区域と、固化処理杭が造成されない非処理区域を有し、非処理区域に直近する内側固化処理杭に構造物や盛り土による側方圧力が作用する固化処理改良地盤において、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列間に、前記内側固化処理杭の上端から外側固化処理杭の下端にかけて傾斜する斜め固化処理杭を更に造成することを特徴とする固化処理改良地盤を提供するものである。
【０００９】
また、本発明（４）は、軟弱地盤中に所定のピッチで多数の固化処理杭が造成された処理区域と、固化処理杭が造成されない非処理区域を有し、非処理区域に直近する内側固化処理杭に構造物や盛り土による側方圧力が作用する固化処理改良地盤において、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列間に、前記内側固化処理杭の最大主応力方向に沿った角度で斜め固化処理杭を前記処理区域内に更に造成することを特徴とする固化処理改良地盤を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施の形態における固化処理改良地盤を図１および図２を参照して説明する。図１は第１の実施の形態例の固化処理改良地盤の断面図、図２は図１の固化処理杭の構造を説明する模式図で、（ａ）が側方圧力が作用する方向に配置されるひとつの固化処理杭列を示し、（ｂ）が４列の固化処理杭列の平面図をそれぞれ示す。但し、図２では、図の簡略化のため、杭本数を１列当たり３本で示した。
【００１１】
本例の固化処理改良地盤１Ａは、のり面２を有する盛り土４を支持する軟弱地盤５を改良するため、盛り土４ののり面２の直下に所定のピッチで多数の固化処理杭３を造成したものである。すなわち、盛り土４は図１中、紙面の表裏方向にも連続しており、従って、固化処理杭３も同様に図１中、紙面の表裏方向に所定のピッチで連続して造成されている。このため、盛り土４を支持する改良地盤５には、処理区域７と、盛り土の中央部４１の直下に固化処理杭が造成されない非処理区域８が存在し、処理区域７内の固化処理杭３のうち、非処理区域８に直近の内側固化処理杭３ａに盛り土４による側方圧力が作用することになる。
【００１２】
第１の実施の形態例において、内側固化処理杭３ａは、該内側固化処理杭３ａの最大変位曲率位置ｈに拡径で所定の厚みを有する第１水平固化盤６ａを、更にその下方に拡径で所定の厚みを有する第２水平固化盤６ｂを有している。このように、内側固化処理杭３ａの最大変位曲率位置ｈに拡径の水平固化盤６ａを設けることにより、極めて効率的に側方変形を抑制することができる。また、内側固化処理杭３ａの第１水平固化盤６ａ及び第２水平固化盤６ｂは、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ・・・のうち、固化処理杭列３Ｂおよび３Ｄの固化処理杭３ａ、３ｂ、３ｃに形成されると共に、隣接する水平固化盤６はオーバーラップして、固化処理杭３同士を接合している。このように、接合された固化処理杭は互いに一体化しているため、各固化処理杭に相応の荷重分担を行なわせることができる。
【００１３】
本例において、内側固化処理杭３ａの最大変位曲率位置ｈは、地表面から内側固化処理杭３ａの最大変位曲率位置までの深さであり、弾塑性圧密変形有限要素法解析により求められるもので、詳しくは、第４６回地盤工学シンポジウム−地盤・構造物の変形とその評価−平成１３年１１月２１日発行（社団法人地盤工学会）第２７５頁から第２８０頁に開示された方法、あるいは、当該有限要素解析により求めた簡易なノモグラフが適用できる。この弾塑性圧密変形有限要素法解析は、固化処理杭および軟弱地盤を含むモデル領域を要素メッシュに分割し、各要素の内部応力と外力とが等しいとする“つりあい方程式”と、水の流れる速さが動水勾配と透水係数の積に等しいとする“水の連続方程式（ダルシー則）”を、連立方程式とみなし、これをモデル領域全体に足し合わせ、全体の方程式をマトリックスで解くものであり、公知の解析方法である。本例では図５及び図６で示される内側固化処理杭５３ａが解析の対象となり、このような固化処理杭５３ａの場合、最大変位曲率位置ｈは地表面から地層底（硬質層の表面）までの厚みＨの１／３〜１／４の深度に現れる。
【００１４】
本例において、固化処理杭における拡径の水平固化盤の設置位置は、第１の実施の形態例のように、内側固化処理杭３ａの最大変位曲率位置ｈの他、最大変位曲率位置ｈの近傍であっても、内側固化処理杭３ａに作用する曲げ応力に抗することができる点でその設置範囲内である。また、本例において、拡径の水平固化盤６は、少なくとも内側固化処理杭３ａの最大変位曲率位置ｈ又はその近傍に形成されていればよく、第１の実施の形態例のような合計設置数が２個の他、３個以上の設置数であってもよい。また、水平固化盤６の厚みも適宜決定されるが、余り厚すぎても施工に多くの時間を要したり、固化材が不必要に多く使用するなど不経済となる。
【００１５】
また、第１の実施の形態例において、処理区域７に造成される固化処理杭３は、その下端が硬質層５１に着底しているものの他、硬質層５１に到達していない浮き杭にも適用できる。この浮き杭の場合、その下端が硬質層５１の近傍まで達している固化処理杭、すなわち、軟弱地盤層の深さＨの相当長さまで形成されている固定処理杭が、盛り土の荷重を実質的に支えることができる点で好ましい。また、拡径の水平固化盤６は、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ・・・の少なくともいずれかひとつの列の固化処理杭３ａ、３ｂ、３ｃに形成されていればよく、上記の例の他、更に、固化処理杭列３Ａ及び３Ｃにも形成されるものであってもよい。この場合、隣接する固化処理杭列の固化処理杭の水平固化盤６同士も接合されると共に、処理区域７に造成される全ての固化処理杭３に水平固化盤を形成させることになる。拡径の水平固化盤６を、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列のいずれの列の固化処理杭に形成するかは、軟弱地盤の土質、側方圧力の程度、固化処理杭の強度などを考慮して適宜決定される。また、水平固化盤６の接合形態としては、上記の例のオーバーラップの他、接円断面形状のものであってもよい。
【００１６】
第１の実施の形態例における拡径を有する固化処理杭３は、例えば、特公昭５９-５０８１３号公報に記載の攪拌翼を拡大縮小自在の上段攪拌翼と一定直径の下段攪拌翼の２段構造を有する拡径時攪拌翼変化型の機械攪拌混合処理装置を使用する方法、あるいは、例えば、地盤中に所定深度まで貫入した中空ロッドを回転させ、かつその下端の下向きノズルから固化材を噴出させながら引き上げ、この間、地盤表面から深さｈのところでは中空ロッドの下端の横向きノズルからも固化材の高圧噴出を行なう拡径時高圧噴射併用型複合攪拌混合処理方法など公知の方法で形成させることができる。
【００１７】
第１の実施の形態の固化処理改良地盤によれば、固化処理杭ごとの応力状態は前述の弾塑性圧密変形有限要素法解析によって求められ、曲げ変形を受ける内側固化処理杭の最大変位曲率位置に拡径の水平固化盤を形成し、該拡径の水平固化盤を、側方圧力が作用する方向に配置される固化処理杭に同様に形成したため、発生応力を拡径の水平固化盤が形成されたすべての固化処理杭で負担させることができる。このため、曲げ変形に対して、ほとんど改良率を高めることなく、改良率が高められたと同様の効果を奏する。
【００１８】
次に、本発明の第２の実施の形態における固化処理改良地盤を図３及び図４を参照して説明する。図３は第２の実施の形態例の固化処理改良地盤の断面図、図４は図３の固化処理杭の構造を説明する模式図で、（ａ）が側方圧力が作用する方向に配置されるひとつの固化処理杭列と斜め固化処理杭を示し、（ｂ）が４列の固化処理杭列のそれぞれの列間に造成された斜め固化処理杭の平面図をそれぞれ示す。但し、図４では、図の簡略化のため、杭本数を１列当たり３本で示した。図３及び図４において、図１及び図２と同一の構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点についてのみ主に説明する。
【００１９】
すなわち、図３及び図４において、図１及び図２と異なる点は、側方圧力が作用する方向に配置される固化処理杭に水平固化盤を形成させる代わりに、内側固化処理杭３ａの上端から外側固化処理杭３ｂの下端にかけて傾斜する斜め固化処理杭９を造成した点にある。また、この斜め固化処理杭９は、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ・・・の、各列の間に造成されている。この斜め固化処理杭９の造成により、盛り土の荷重は斜め固化処理杭９の圧縮強度によっても支えることができるため、側方変形を抑制することができる。
【００２０】
また、この斜め固化処理杭９は、図４（ａ）に示すように、上端の芯部９１を内側固化処理杭３ａの上端の芯部３１に略合わせ、その傾斜が最大主応力方向（鉛直方向に対して、時計回りでα度の方向）に沿った角度となるように処理区域７内に造成してもよい。これにより、盛り土荷重を効率的に支えることができ、改良率を極端に高めることなく、比較的少ない処理杭で改良率を高めた場合と同等の改良効果を得ることができる。内側固化処理杭３ａの最大主応力方向とは、第１の実施の形態例と同様に、弾塑性圧密変形有限要素法解析、あるいは、当該有限要素解析により求めた簡易なノモグラフにより求められるものである。すなわち、本例では図５及び図６で示される内側の固化処理杭５３ａが解析の対象となり、具体的には固化処理杭５３ａにおいて、地表面から地層底（硬質層の表面）までの厚みＨの上部１／４部分程度の要素での解析結果における平均の最大主応力方向をその値とする。要素単位が上記１／４程度を越えると、杭の角度が過大となって効果が薄れ、また、１／４程度未満であると、杭の角度が過小となって効果が薄れるため好ましくない。一般に、固体の１点の任意面の応力は、垂直応力とせん断応力で表現でき、このとき、せん断応力が０の面が必ず存在し、その面の方向を主方向といい、その面の垂直応力を主応力と言う。そして、最大主応力とは、一般に、外力が作用する固体内の任意の１点には３つの主応力が存在するが、それらのうちの最大の主応力を言い、最大主応力方向とはその最大主応力が作用する方向を言う。最大主応力方向αは、例えば、図５の地盤の遠心模型実験における固化処理杭５３ａの場合、盛土高さを６ｍ、のり面勾配を１：１.６、軟弱層（カオリン粘土）の厚みを１３ｍ、軟弱層のせん断強度を１８kN/m2、軟弱地盤の含水比４８％、軟弱地盤の湿潤密度１．７１g/cm3、固化処理杭の本数を５本、固化処理杭の一軸圧縮強さを３００kN/m2とした条件で解析した場合、５２度である。
【００２１】
第２の実施の形態例において、斜め固化処理杭９の設置位置は、上記位置に限定されず、内側固化処理杭３ａの最大主応力方向の±１５度の角度（図４中、βの範囲）に沿った範囲に造成され、且つ斜め固化処理杭９の上端芯部９１が、側面視で内側固化処理杭３ａの上端芯部３１から側方圧力が作用する方向に隣接する固化処理杭３ｃの上端芯部３２の範囲に存在するものであってもよい。すなわち、例えば、上端芯部９１が内側より２番目の固化処理杭３ｃの上端芯部と一致させた位置である場合、斜め固化処理杭９は当該上端芯部９１を中心に角度βの範囲、すなわち、ｌ-ｌ線からｍ-ｍ線に亘る範囲内で造成してもよい。当該範囲内にあれば、内側固化処理杭３ａの最大主応力方向に沿って造成される斜め固化処理杭９と同様に、盛り土荷重を支えることができるため、側方変形を抑制することができる。
【００２２】
また、本第２の実施の形態例において、処理区域７に造成される固化処理杭３は、その下端が硬質層５１に着底しているものの他、硬質層５１に到達していない浮き杭にも適用できる。この浮き杭の場合、その下端が硬質層の近傍まで達している固化処理杭、すなわち、軟弱地盤層の深さＨの相当長さまで造成されている固定処理杭が、盛り土の荷重を実質的に確実に支えることができる点で好ましい。第２の実施の形態例における斜め固化処理杭９は、例えば、リーダー及び攪拌軸を傾斜して施工できる固化処理杭造成装置を使用して造成される。
【００２３】
本例において、斜め固化処理杭の造成箇所及び個数としては、上記の例に限定されず、例えば、側方圧力が作用する方向に配置される複数の固化処理杭列３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ・・・の間をひとつ飛び、又は任意の数飛びにして形成されるものであってもよく、更に、既設の鉛直固化処理杭３ａ、３ｂ、３ｃにオーバーラップして造成されるものであってもよい。既設の鉛直固化処理杭３ａ、３ｂ、３ｃへのオーバーラップ施工は、既設杭が既に固化している場合は、施工が困難となる場合があり、その場合は、既設の固化処理杭列３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ・・・のそれぞれの間に造成することが好ましい。
【００２４】
第２の実施の形態の固化処理改良地盤１Ｂによれば、固化処理杭３ごとの応力状態は弾塑性圧密変形有限要素法解析によって求められ、盛り土４の荷重を鉛直固化処理杭３と斜め固化処理杭９の双方で支えるため、側方変形を効率的に抑制することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、固化処理杭ごとの応力状態は弾塑性圧密変形有限要素法解析によって求められ、拡径の水平固化盤を、側方圧力が作用する方向に配置される固化処理杭の特定位置に形成するか、あるいは、斜め固化処理杭を前記処理区域内に造成するかするため、固化処理杭ごとに異なる不均一な応力状態を是正し、各固化処理杭に相応の荷重分担を行わせる地盤の側方変形を抑制する経済的な改良地盤を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態例の固化処理改良地盤の断面図である。
【図２】図１の固化処理杭の構造を説明する模式図で、（ａ）が側方圧力が作用する方向に配置されるひとつの固化処理杭列を示す、（ｂ）が４列の固化処理杭列の平面図を示す。
【図３】第２の実施の形態例の固化処理改良地盤の断面図である。
【図４】図３の固化処理杭の構造を説明する模式図で、（ａ）が側方圧力が作用する方向に配置されるひとつの固化処理杭列と斜め固化処理杭を示し、（ｂ）が４列の固化処理杭列のそれぞれの列間に造成された斜め固化処理杭の平面図を示す。
【図５】従来の固化処理改良地盤の断面図である。
【図６】従来の固化処理杭の構造を説明する模式図で、（ａ）が側方圧力が作用する方向に配置されるひとつの固化処理杭列を示す、（ｂ）が３列の固化処理杭列の平面図を示す。
【図７】従来の他の固化処理改良地盤の断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ    固化処理改良地盤
２、５２      のり面
３、５３      固化処理杭
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ      固化処理杭列
３ａ、５３ａ          内側の固化処理杭
３ｂ、５３ｂ          外側の固化処理杭
４、５１      盛り土
５            軟弱地盤
６ａ          第１水平固化盤
６ｂ          第２水平固化盤
７、５４      処理区域
８、５６      非処理区域
９            斜め固化処理杭
４１          盛り土の中央部
５０、６０    改良地盤
ｈ            最大変位曲率位置
Ｈ            軟弱地盤層の厚み
【図１】
0003912737.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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