(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
土留掘削工事に伴う底部地盤の変状を予測する方法であって、前記底部地盤下にあって該底部地盤の変状を生起する被圧帯水層における水圧と、前記被圧帯水層上の土被り圧、土留壁又は杭と地盤との間の接触抵抗、および土留壁下端又は杭下端以深の粘性土層の粘着力のいずれかを含む前記水圧に対する抗力とについて、多次元圧密理論にもとづくＦＥＭ解析法を適用することで、前記底部地盤における空間離散化および時間離散化を図った抗力値および水圧値を解析し、施工過程毎および施工領域毎に抗力／水圧比を算定することを特徴とする変状予測方法。
【請求項２】
前記土留壁又は杭と地盤との接触部に生じる接触抵抗を解析するにあたり、前記接触部を含む適宜領域に該接触部周囲の地盤と同じ非線形モデルおよび材料定数を適用し、接触部の応力状態が地盤強度を越えた際に当該接触部における接触抵抗を消失させる解析処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の変状予測方法。
【請求項３】
前記土留壁又は杭と地盤との接触部に生じる接触抵抗を解析するにあたり、前記接触部を含む適宜領域に非線形モデルを適用するとともに、材料定数として接触抵抗に関する実測データを用いることを特徴とする請求項１に記載の変状予測方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の変状予測方法をコンピュータ上で機能させるための変状予測プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土留掘削工事に伴う底部地盤の変状を予測・評価する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば都市土木工事等の施工領域が限定されるような工事においては、限られた施工領域を有効活用する意味からも、鋼矢板や横矢板等の土留壁を腹起し・切梁やアースアンカー等の支保工で支持して掘削を進行させる土留掘削を伴う工事が多く施工されている。ただしこの土留掘削には、施工地盤や地下水の性状に応じて留意すべき現象の発生が従来より指摘されている。この現象とは、盤ぶくれ、ボイリング、およびヒービングといった底部地盤の変状現象である。このうち例えば盤ぶくれに関して言えば、掘削底部の地盤に含まれる被圧帯水層（例：砂・礫層など）の水圧が、該被圧帯水層上部に存在する不透水層を含む地盤を上方に押し上げる現象であり、この現象に対する予測・評価方法が従来より提案されてきた。図１に従来手法における盤ぶくれの考え方を示している。
【０００３】
従来の予測・評価方法においては、前述した被圧水頭ｈｗに由来する被圧帯水層（透水層）の水圧Ｕと、該被圧帯水層上部の地盤（不透水層とＩ層）の重量Ｗ（土被り圧）との大小を比較することにより、前記水圧が勝れば盤ぶくれ発生が危惧され、前記土被り圧が勝れば盤ぶくれの惧れは少ないとする予測を行って掘削地盤全体に関する盤ぶくれの発生を推定していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の手法によれば、前記土被り圧よりも水圧に対する有効な抗力と成りうると推定される土留壁側面等と地盤との接触抵抗を、施工過程、経過時間を考慮しながら、具体的に検討することはなかった。また、水圧と土被り圧等の抗力との比較を鉛直一次元の問題として解析を進めていたため、掘削底部地盤全体としての変状予測や評価を行うことは出来ても、空間的および時間的に変状を予測・評価することはなされていなかった。従って、従来手法により予測・評価された底部地盤の変状は、過大評価となりがちであるとともに、ここで予測された変状に対する対策工を設計するにしても、底部地盤の領域や掘削施工段階毎に対策工の過不足が発生する惧れが内在していた。
【０００５】
そこで、本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、優れた精度の下、領域毎や施工段階毎に掘削底部地盤の変状予測を、簡便確実になしうる掘削底部地盤の変状予測評価方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記目的を達成するためになされたもので、第１の発明は、土留掘削工事に伴う底部地盤の変状を予測する方法であって、前記底部地盤下にあって該底部地盤の変状を生起する被圧帯水層における水圧と、前記被圧帯水層上の土被り圧、土留壁又は杭と地盤との間の接触抵抗、および土留壁下端又は杭下端以深の粘性土層の粘着力のいずれかを含む前記水圧に対する抗力とについて、多次元圧密理論にもとづくＦＥＭ解析法を適用することで、前記底部地盤における空間離散化および時間離散化を図った抗力値および水圧値を解析し、施工過程毎および施工領域毎に抗力／水圧比を算定することを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記土留壁又は杭と地盤との接触部に生じる接触抵抗を解析するにあたり、前記接触部を含む適宜領域に該接触部周囲の地盤と同じ非線形モデルおよび材料定数を適用し、接触部の応力状態が地盤強度を越えた際に当該接触部における接触抵抗を消失させる解析処理を行うことを特徴とする。本発明は、粘性土地盤の変状予測に用いて好適であり、非線形モデルとして、関口と太田の提案による弾塑性構成式を適用することが好ましい。
【０００８】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記土留壁又は杭と地盤との接触部に生じる接触抵抗を解析するにあたり、前記接触部を含む適宜領域に非線形モデルを適用するとともに、材料定数として接触抵抗に関する実測データを用いることを特徴とする。本発明は、砂礫地盤の変状予測に用いて好適であり、非線形モデルとして、Ｄｒｕｃｋｅｒ−Ｐｒａｇｅｒモデルを適用することが好ましい。
【０００９】
第４の発明は、第１〜第３のいずれかに記載の変状予測方法をコンピュータ上で機能させるための変状予測プログラムをなすこととする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明にかかる掘削底部地盤の変状予測方法の実施形態について添付図面を用いて説明する。図２（ａ）は本実施形態における掘削底部と解析領域とを示す平面図であり、（ｂ）は土留掘削を行った地質状況および施工断面を示す説明図である。また図３（ａ）は施工サイトの有限要素モデリングの状況を示す説明図であり、（ｂ）は、場所打ち杭の平面配置と有限要素メッシュの適用状況を示す説明図である。
【００１１】
本実施形態においては、土留掘削に際して掘削底部の地盤（以下、底部地盤）に発生が懸念される変状事象のうち特に盤ぶくれにスポットを当てて説明することとし、この盤ぶくれの発生が掘削施工時に懸念された実際の現場についてｂｉｏｔの多次元圧密理論にもとづく３次元地盤／地下水連成ＦＥＭ解析を行い、盤ぶくれの発生予測を行った状況を想定する。また、施工条件によって底部地盤の応力状態がどのように変化するかも併せて解析する。
【００１２】
１．施工条件と有限要素モデリング
施工領域、つまり土留掘削を行う領域は、図２（ａ）に示すように縦８０ｍ×横９０ｍのほぼ矩形のエリアであり、土留壁体としてＲＣ連続地中壁（同（ｂ）図参照。厚みｔ＝１．０ｍ、長さＬ＝３８ｍ）を採用している。このＲＣ連続地中壁の内周には厚み０．７ｍの地盤改良体を適宜施工し地盤の自立性を高め、また、掘削領域外周には、掘削の段階的進行に合わせて（本実施例では７次掘削時）地下水揚水用のディープウェルＤＷの施工を想定している。他にも、排水用のリリーフウェルＲＷを前記ＲＣ連続地中壁と同程度の長さでもって掘削領域内に設けてドライ掘削を図っている。このような掘削領域に対して、床付けまで７次に渡って掘削を行うと共に、逆打ちスラブ打設を前記の段階掘削と合わせて実行し、１ＦからＢ５Ｆまでスラブを形成する。また、解析条件に応じて場所打ち杭（φ２．０ｍ、Ｌ＝１９ｍ）を床付け面からＧＬ−４３ｍまで施工する状況を想定する。
【００１３】
一方、上記掘削領域の地盤状況としては、図２（ｂ）における地質柱状図に示すように、最上層の沖積上部砂層が地表下（以下、ＧＬ−）６ｍ付近まで堆積し、その下層に沖積の（高塑性）粘土層がＧＬ−６ｍ〜２２ｍ付近まで厚く堆積している状況である。以下、洪積の粘土層と洪積または沖積の砂層とが交互に積層している。解析にあたっては、前記の沖積粘土層と、盤ぶくれ発生が懸念される床付けレベル（ＧＬ−２３．８ｍ）下の洪積上部粘土層及び中間粘土層には、関口と太田の提案による弾塑性構成式（参照文献：Sekiguchi,H. and Ohta,H.:Induced anisotropy and time dipendency in clay, 9th ICSMFE, Tokyo,Proc.Specialty session 9, pp.229-239,1977）を用い、圧密試験の結果を主体に非線形定数値を設定する。
【００１４】
沖積と洪積の各砂層ならびに洪積粘土層の初期変形係数はＰＳ検層により求めることとし、三軸伸張条件でのＤｒｕｃｋｅｒ−Ｐｒａｇｅｒの破壊条件（Ｍｏｈｒ−Ｃｏｕｌｏｍｂの破壊条件に内接する円）に至った地盤要素の変形係数は１／１００に低減させる設定とする。また、ポアソン比は横田らの実験結果（参照文献：横田・今野・栗田：土のポアソン比について、第１５回土質工学研究発表会、pp.529-532,1980）をもとに０．３５としている。なお、各砂層の透水係数は現場透水試験の結果に基づいて決定するものとする。
【００１５】
解析領域と有限要素メッシュを図３（ａ）、（ｂ）に示す。ここにおける解析領域は、土留壁背面から掘削領域中心を包含するもの（図２（ａ）も参照のこと）とし、前述の場所打ち杭の格子状配置による変形の対称性を考慮する。土留壁と各掘削段階で設けられた逆打ちスラブの模擬にはシェル要素を、掘削底部の場所打ち杭とその上部の柱（逆打ち荷重受け）にはソリッド要素を用い、コンクリートの定数値を与えることとする。ここで、土留壁と地盤との間（接触部）、場所打ち杭と地盤との間（接触部）には薄層の地盤要素（接触部を含む適宜領域）を設け、地盤の非線形性によって接触抵抗を表現した。この場合、前記薄層に生じる接触抵抗は、薄層の応力状態が地盤強度を越えた際に当該薄層における接触抵抗が消失するとする解析処理を行う。なお、このように接触抵抗を解析するにあたり、前記薄層を含む適宜領域にＤｒｕｃｋｅｒ−Ｐｒａｇｅｒモデルを適用するとともに、材料定数として接触抵抗に関する実測データを用いることとしてもよい。
【００１６】
上記条件下において、実際工事と同様に段階的掘削と逆打ちスラブの繰り返し施工を順次追跡して盤ぶくれの予測について解析を行う。なおこの際、リリーフウェルＲＷによるドライ掘削を模擬するために、内水位を各次掘削段階で掘削レベルより１ｍ深い位置に保つように該当節点の全水頭値を拘束し、また最終の７次掘削時に盤ぶくれ対策として実施されるディープウェルＤＷ揚水については、対象となった洪積中間砂層の節点の全水頭値を実際と同様に△−６．０ｍ低下させて拘束することにより減圧効果をシミュレートする。
【００１７】
２．掘削底部地盤の応力状態
最終掘削時の底部地盤の全般の応力状態を図４に、掘削部中央付近の応力の深度分布を図５に示す。図４では、本発明の変状予測方法を上記条件の下に実施して得られた解析結果として、鉛直全応力σｖと間隙水圧ｐｗの比（σｖ／ｐｗ）のコンターマップを示しており、ディープウェルＤＷの効果および場所打ち杭の効果を、対策工未施工の場合と比較し併せて示している。被圧帯水層（例：砂・礫層）上端のσｖがｐｗを下回った時点（σｖ／ｐｗ＜１）で盤ぶくれのおそれが生じることになるが、未対策のケース（ＤＷも場所打ち杭も無い）では、実工事で懸念されていたようにσｖ／ｐｗ＜１の領域（黒色領域）が掘削領域中央付近に拡がる解析結果が明確に得られている。
【００１８】
一方、ディープウェルＤＷを考慮したケースでは、σｖ／ｐｗ＜１の領域は生じていない。また、場所打ち杭を設けたケースではディープウェルＤＷを用いなくてもσｖ／ｐｗの値が大きく改善される解析結果となっている。このように、各施工段階において掘削領域全体を空間的に俯瞰する解析結果を得ることが出来るのである。従って、どの領域に盤ぶくれの発生が懸念されるか、或いはその部分への対策工の効果等も一目瞭然だと言える。他方、図５においては、場所打ち杭と地盤との間で発揮された接触抵抗により、底部地盤の鉛直全応力σｖが大きく残留していることが明らかになっている。本発明による盤ぶくれに対する予測方法を実施すれば、ディープウェルＤＷによる揚圧力の低減、場所打ち杭による土被り圧（全応力）の残留、の両効果を上記の如く簡便確実かつ、視覚的に明確にすることができ、盤ぶくれへの対策を万全にして施工を行うことにつながる。なお、本発明の変状予測方法は、コンピュータ上で機能可能なプログラムとして構成して該コンピュータ上で機能させることとすれば、勿論、上述の変状予測は自動的かつ簡便・迅速に行われることとなる。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の掘削底部地盤の変状予測方法によれば、掘削域及びその周辺の幾何的条件、ならびに土留壁側面等と地盤との接触抵抗を具体的に考慮して変状予測を実行することが可能となることに加えて、水圧と土被り圧等の抗力との比較を空間的にも経時的にも解析することが出来る。
よって掘削底部地盤全体としての変状予測や評価を行うだけでなく、所定の施工段階において局所的に底部地盤の変状を予測・評価することが可能となる。
つまり、揚水井等の設置といった各種対策工を各所の変状に応じて過不足なく効果的に実施することに結びつく変状予測の結果を簡便確実に得ることが出来るのである。
また本発明は、盤ぶくれ対策工である被圧帯水層に対する揚水による減圧効果を考慮した変状予測を行うことも出来る利点を備える。
しかして、優れた精度の下、領域毎や施工段階毎に掘削底部地盤の変状予測や評価を、簡便確実になしうる掘削底部地盤の変状予測方法を提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】盤ぶくれに対する従来の考え方を示す説明図である。
【図２】（ａ）は本実施形態における掘削底部と解析領域とを示す平面図であり、（ｂ）は土留掘削を行った地質状況および施工断面を示す説明図である。
【図３】（ａ）は施工サイトの有限要素モデリングの状況を示す説明図であり、（ｂ）は、場所打ち杭の平面配置と有限要素メッシュの適用状況を示す説明図である。
【図４】掘削底部地盤に残留する鉛直全応力と間隙水圧との比を対策工毎に示したコンターマップである。
【図５】底部地盤中央付近の応力／間隙水圧の深度分布を示す説明図である。
【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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