(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状化しやすい砂質の軟弱地盤上に設置されている既設構造物の下方に、周辺地盤よりも液状化強度が高い筒状の改良地盤を、平面的に見たときに、前記既設構造物の下面外周縁部が、該改良地盤の筒の厚み部分の中に配置されるように構築する基礎地盤構造において、前記改良地盤を、非アルカリ珪酸ソーダ溶液を前記砂質の軟弱地盤に注入して形成するとともに、前記改良地盤の上端の位置を地下水位と同じ位置にして改良地盤を地下水位の下方に構築し、改良地盤の上端と前記砂質の軟弱地盤の表面との間に間隔を設けるようにしたことを特徴とする既設構造物の改良基礎地盤構造 。
【請求項２】
前記改良地盤は、円筒状である請求項１に記載の既設構造物の改良基礎地盤構造 。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地震時に液状化の可能性のある砂質等の軟弱地盤上に設置されている既設構造物の基礎地盤構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既設構造物、例えば石油タンク等の既設円筒貯槽の基礎地盤については古くから地震時の液状化対策が種々検討されている。そして、液状化対策のための基礎地盤改良工法として、例えば、地下水位低下工法、ドレーン系の工法、鋼製リングによる工法等がある。
【０００３】
地下水位低下工法とは、既設円筒貯槽の周囲を矢板等で囲み、内部の地下水をポンプによって汲み上げることにより地下水位を下げることにより、液状化が発生するのを防止しようとするものである。
しかしながら、地下水位低下工法によって改良された基礎地盤構造は地下水位低下のために全体の不等沈下が生じ易いという問題がある。また、いつ発生するか分からない地震のために常にポンプなどを稼働させておく必要があり、維持管理費用が高いという問題もある。
【０００４】
また、ドレーン系の工法とは、既設円筒貯槽の周囲地盤に多数のパイプを挿入あるいは砕石の柱を造成して、地震時に既設円筒貯槽の下方地盤に生ずる圧力水を排出することによって、不等沈下を防止しようとするものである。
しかし、ドレーン系の工法では、施工機が比較的大きいため、石油タンクのようにタンク周辺に配管が密集するような場合には施工機を配置することができず、円筒貯槽に付随する既設配管の撤去が必要ともなる。したがって、既設円筒貯槽の密集した条件には適用できないという問題がある。
【０００５】
また、鋼製リングによる工法とは、既設円筒貯槽を囲むように鋼矢板を打ち込み、地盤の側方への滑りを防止すると共に液状化も抑制するというものである。
しかし、この工法ではドレーン工法の場合と同様に、円筒貯槽に付随する既設配管の撤去が必要となること、大型タンクの場合には鋼矢板の継ぎ手強度が不足すること、対策効果が検証されていないこと等の種々の問題がある。
【０００６】
以上例に挙げた従来工法はいずれも既設円筒貯槽に付属機器を用いて液状化を防ごうというものであり、共通する問題として付属機器の設置スペースが必要であり、円筒貯槽が密集するような箇所で実施できないという大きな問題がある。
【０００７】
そこで、提案されたものが注入固化による地盤改良工法であり、図５はこの工法によって地盤改良した地盤の側面断面を示している。図において、１は既設円筒貯槽、２は砂質地盤、３は地下水位、４は改良地盤である。
この工法は、既設円筒貯槽１の下方の液状化槽（砂質地盤）２に複数のパイプを貫入し、このパイプを通してセメント系の固化材料を注入するものである。そして、注入された固化材料は、土粒子間隙の水と置き換わって固化し、既設タンク１の下方の基礎地盤全域にわたる改良地盤４を形成し、地盤の安定化を図るというものである。
【０００８】
しかしながら、上述した注入固化による地盤改良工法による基礎地盤構造は、以下の問題がある。
注入固化による地盤改良工法では、一般に下記（１）式によって算出される改良地盤直径が必要である。
改良地盤直径＝タンク直径＋２×（２／３）×液状化層深さ  …  （１）
したがって、一般的な液状化槽の深さを考慮すると、改良地盤直径は、（１）式から少なくともタンク直径＋１０ｍ以上となり、改良地盤の体積が大きく、改良に長時間を要すると共にコストが高価になる。
【０００９】
そこで、このような問題を解決すべく提案されたのが、例えば特開平８−１２８０５４号公報に開示された部分地盤改良工法による基礎地盤構造である。
この部分地盤改良工法による基礎地盤構造は、図６に示すように、既設円筒貯槽１（公報では既設構造物）の底部外周部に構築された基礎部５の直下部分のみを非液状化層９に至るまで固化材によって円筒状の固化柱状体７を構築し、この固化柱状体７によって既設円筒貯槽１を支持するというものである。
そして、上記の部分地盤改良工法による基礎地盤構造にあっては、既設円筒貯槽１の接地部の一部の下方のみを固化して地盤改良すればよいので、従来のように既設円筒貯槽１の下方全域を地盤改良する必要がなく、材料費や施工時間を削減できるとしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、部分地盤改良工法による基礎地盤構造では、円筒状に構築された固化柱状体７の内側は液状化の可能性のある未改良部が残されるため、その部分が液状化時に沈下し、沈下しない若しくは沈下の小さい改良部との間で不等沈下が生じてしまう。そのため、既設円筒貯槽１の底板が沈下に追従していびつな変形を生じ、既設円筒貯槽１に有害な影響を与える可能性が大きい。
【００１１】
また、既設円筒貯槽１直下の未改良部に液状化が起こった場合には過剰間隙水圧により円筒状に配置された固化柱状体７にフープ張力が発生する。そして、一般に固化材料により改良された固化柱状体７の引張強度は極めて小さいため、このフープ張力に対して引張破壊を生じてしまう。固化柱状体７が破壊すると、破壊された部分に局部滑りが生じ、既設円筒貯槽１が傾いてしまう可能性が大きい。
【００１２】
このように、特開平８−１２８０５４号公報に開示された部分地盤改良工法には、コスト面及び施工時間の面でのメリットは認められるものの、本来の目的である地震時において既設円筒貯槽を安定的に支持するという点で不安を残すものであった。
【００１３】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、コスト及び作業時間を削減できると共に、地震時においても既設構造物を安定的に支持できる既設構造物の改良基礎地盤構造を得ることを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る既設構造物の改良基礎地盤構造は、液状化しやすい砂質の軟弱地盤上に設置されている既設構造物の下方に、周辺地盤よりも液状化強度が高い筒状の改良地盤を、平面的に見たときに、前記既設構造物の下面外周縁部が、該改良地盤の筒の厚み部分の中に配置されるように構築する基礎地盤構造において、前記改良地盤を、非アルカリ珪酸ソーダ溶液を前記砂質の軟弱地盤に注入して形成するとともに、前記改良地盤の上端の位置を地下水位と同じ位置にして改良地盤を地下水位の下方に構築し、改良地盤の上端と前記砂質の軟弱地盤の表面との間に間隔を設けるようにしたものである。
【００１５】
また、前記改良地盤は、円筒状にすることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
具体的な実施の形態を説明する前、本発明のコンセプトを説明する。
従来の注入固化による地盤改良は既設構造物の下方地盤を固化材料で固化して固い地盤にし、これで既設構造物を支持しようというものである。
しかしながら、このような方法では、従来例の既設円筒貯槽の例で説明したように、既設構造物を安定的に支持するには下方地盤全体の地盤改良をする必要がある。この点は、コストと時間を削減するために部分改良をした特開平８−１２８０５４号公報開示の方法が、既設円筒貯槽を安定的に支持するという本来の目的さえ達成できない可能性があることからも理解される。
【００１８】
そこで、発明者等は既設構造物の下方を固い地盤に改良して、改良地盤の沈下を防止し、この改良地盤で既設構造物を支持するという従来の発想を転換して、既設構造物の安定的な支持に本質的な要素は沈下を防止する点ではなく、不等沈下を防止することであるという知見に基づき、沈下を防止するのではなく、不等沈下を防止する、換言すれば均等な沈下は許容するが不均等な沈下を防止することによって、既設構造物の安定支持を達成しようとするものである。
以下、具体的な実施の形態を既設構造物として既設円筒貯槽を例に挙げて説明する。
【００１９】
実施の形態．
図１は本発明の一実施の形態の説明図であり、従来例を示した図５、図６と同一部分には同一の符号を付している。
図において、１は砂質地盤２の上に設置された既設円筒貯槽、１１は既設円筒貯槽の下方に形成された円筒状の改良地盤である。
【００２０】
改良地盤１１は、非アルカリ珪酸ソーダ溶液を砂質地盤２に注入して地盤改良したものである。そして、改良地盤１１はその液状化強度（たとえば、中空ねじり試験において、繰り返し回数Ｎ＝２０回で、両振幅ひずみが３％にいたるせん断応力と初期有効拘束圧の比）が、周辺の砂質地盤２の液状化強度よりも大きくなるように設定されている。
具体的には、砂質地盤２の液状化強度は、一般的には０．２〜０．４程度であるので、改良地盤１１の液状化強度は、周辺地盤である砂質地盤２の液状化強度よりも高いことを前提として０．３〜２．０となるように設定されている。
【００２１】
ここで、非アルカリ珪酸ソーダ溶液を砂質地盤２に注入するための注入工法について説明する。
液状化を起こすような軟弱土層の１０-4cm/sec付近の透水係数の土層に対しては、浸透し易い低粘性の恒久薬液を注入する場合でも、従来工法では薬液が脈状になり平均的に浸透させることができない場合がある。
このような場合の対策としては、注入箇所を多数にすると共に、一箇所の注入孔からの時間当たりの注入量を従来工法の１０分の１以下にすることが考えられる。
そして、これを実現できる工法として、例えば最近注目されている超多点注入工法がある。超多点注入工法とは、数十から数百という多数のノズルを地盤中に配置し、各ノズルから低吐出注入を行うことによって、同時的に注入できる工法である。この工法によれば、均一な改良地盤１１を確実に形成することができ、かつ経済的にも優れている。
【００２２】
次に、改良地盤１１の配置関係について説明する。
改良地盤１１は、平面的に見たときに既設円筒貯槽１の下面外周縁部が、改良地盤１１の筒の厚み部分の中に配置されるように構築されている。
このように配置した理由は以下の通りである。
地震時においては、既設円筒貯槽１の下面周縁部分の下方地盤は、構造物の圧力がかかっている部分と、その外側周辺部との境界で、内側から外側に向けて局部滑りが発生しやすい。そして、局部滑りが発生すると、その部分が局部的に沈下することになり、不等沈下が発生する。そこで、かかる局部滑りを防止して、これに起因する不等沈下を防止するために既設円筒貯槽１の下面外周縁部の下方地盤を液状化強度が高くなるように改良したものである。
【００２３】
また、改良地盤１１は、既設円筒貯槽１の下方における地下水位３よりも下の部分に位置している。
このように配置した理由は以下の通りである。すなわち、液状化は地下水位よりも下の地盤で発生するものである。そして、本願特許は、地盤を固化した地盤により既設円筒貯槽１を支持するものでないので、地下水位３よりも上まで改良地盤を形成して、これによって既設円筒貯槽１を支持させる必要がないからである。このため、改良する範囲が少なくてよく、時間とコストをより削減できる。もっとも、地下水位よりも上方まで、改良してもよい。
【００２４】
次に、上記のように構成された本実施の形態の作用を説明する。
地盤改良がされていない場合には、地震が発生すると、既設円筒貯槽１の下面外周縁部の下方地盤が外側に局部滑りを生じ、この部分が局部的に沈下することにより不等沈下が発生する。
しかし、本実施の形態の場合には、周辺の砂質地盤２よりも液状化強度の高い改良地盤１１を形成しているので、既設円筒貯槽１の下面外周縁部の下方地盤に局部滑りが発生せず、従って不等沈下が生じない。
【００２５】
また、円筒状の改良地盤１１の内側の未改良部分には液状化が発生し、過剰間隙水圧が生じることがあるが、改良地盤１１は非アルカリ珪酸ソーダ溶液を砂質地盤２に浸透注入して地盤改良したものであり、従来例のようにセメント系の固化材によって固化したものではなく、変形性能に優れるため、従来例のようなフープ張力が発生せず、改良地盤１１にフープ引張破壊が生ずることがない。
したがって、従来例のように改良地盤１１の破壊による不等沈下が発生することがない。
【００２６】
このように、本実施の形態においては、既設円筒貯槽１の下面外周縁部の下方地盤に局部滑りが発生せず、また改良地盤１１のフープ引張破壊もないので、既設円筒貯槽１の下方地盤には不等沈下が発生せず、既設円筒貯槽１を安定的に支持できるのである。
【００２７】
【実施例】
次に、具体的な実施例について説明する。
図２は、既設円筒貯槽の下方地盤の解析モデル図であり、図１に示した各部に対応する部分には同一の符号が付してある。
１は仮想円筒貯槽であり、デメンジョンは直径１６ｍ、液深１３．７ｍ、容量３０００ｋｌである。そして、液状化層がＧＬ−１０ｍまで存在する地盤において、図２に示すように、厚さ４ｍの領域を円筒状に改良した場合の例を紹介する。
【００２８】
図３は、有効応力に基づく数値解析手法（プログラム名ＬＩＱＣＡ：「地盤工学会：液状化メカニズム・予測法と設計法に関するシンポジウム、委員会報告・論文集、１９９９／５」参照）を用いて、１９６８年十勝沖地震における八戸波を最大加速度１７０ＧａｌでＧＬ．−１０ｍ地点に入力した場合の既設円筒貯槽及び基礎地盤系の変形状態を示す図である。（変形は３倍で表示している。）。
図３に示すように、既設円筒貯槽１は若干沈下するものの、タンク基礎にとって問題となる大きな不等沈下はみられない。
【００２９】
図４は、既設円筒貯槽１の基礎地盤の沈下量と地盤の水平変位量の関係を、無対策の場合（図４（ａ））と本実施の形態の場合（図４（ｂ））とを比較して表わしたものである。
図４における横軸は既設円筒貯槽１の基礎地盤（図２におけるＳ点）の鉛直変位ρ（ｍ）、縦軸は既設円筒貯槽の下面周縁下方の地盤（図２におけるＰ点）の水平変位をそれぞれ示している。
【００３０】
図４から分かるように、無対策の場合（図４（ａ））には、既設円筒貯槽１の沈下量に対して、地盤内の水平変位量が大きく、地盤の局部破壊の可能性を示唆する結果となっている。
一方、本実施の形態の場合（図４（ｂ））には、地盤内の水平変位量が無対策の場合の１／２程度に抑制されており、地震時に地盤が安定した変形をしつつ、既設円筒貯槽１の荷重を支えていることが示唆される。
【００３１】
なお、上記の解析モデルは固体状にある場合を想定したものであり、完全に液状化した状態の解析を取り扱うには限界があり、完全に液状化した状態を考慮した場合にはさらに大きな水平変位が発生するとも考えられる。
したがって、実際には無対策のものと本実施の形態とでは上記モデル解析以上の差が発生しているとも考えられ、本実施の形態が不等沈下に対して有効であることが実証できたものと認められる。
【００３２】
本実施の形態においては地盤改良のための注入材として水ガラス系のものを使用したので、改良地盤の液状化強度の調整が容易であり、作業効率がよい。もっとも、本発明においは、水ガラス系のものに限定するものではなく、セメント系のものであっても注入量等を制御することで液状化強度を調整できるので、これを使用することは可能である。
【００３３】
また、上記の説明では、既設円筒貯槽の下部地盤を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、液状化を生じやすい軟弱地盤上に設置された他の形状の既設構造物の改良基礎地盤構造としても有効である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されているので、以下に示すような効果が得られる。
【００３５】
既設構造物の下方に周辺地盤よりも液状化強度が高い筒状の改良地盤を、平面的に見たときに、前記既設構造物の下面外周縁部が、該改良地盤の筒の厚み部分の中に配置されるように構築する基礎地盤構造において、前記改良地盤を、非アルカリ珪酸ソーダ溶液を前記砂質の軟弱地盤に注入して形成するとともに、前記改良地盤の上端の位置を地下水位と同じ位置にして改良地盤を地下水位の下方に構築し、改良地盤の上端と前記砂質の軟弱地盤の表面との間に間隔を設けるようにしたことにより、既設構造物の下面外周縁部の下方地盤に局部滑りが発生せず、また改良地盤のフープ引張破壊もないので、既設構造物の下方地盤には不等沈下が発生せず、既設構造物を安定的に支持できる。
【００３６】
また、改良地盤は、非アルカリ珪酸ソーダ溶液を軟弱地盤に浸透注入して形成したものであり、改良地盤の液状化強度の調整が容易であり、作業効率がよい。
【００３７】
さらに、改良地盤は、地下水位の下方に構築されているので、改良体積が小さく、コストと時間をさらに削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】  本発明の一実施の形態の解析モデル図である。
【図３】  有効応力に基づく数値解析手法による加振後の変形状態を示す図である。
【図４】  本実施の形態における既設円筒貯槽の基礎地盤の沈下量と地盤の水平変位量の関係を示すグラフである。
【図５】  従来の注入固化による地盤改良工法による基礎地盤構造の一例を示す断面図である。
【図６】  従来の部分地盤固化改良工法による基礎地盤構造の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  既設円筒貯槽
２  砂質地盤
３  地下水位
１１  改良地盤
【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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【図６】
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