改良地盤および地盤改良工法

【課題】低コストで液状化可能層の改良ができる地盤改良工法、すなわち、砂地盤の液状化可能層を全て改良するのではなく、地震による液状化後の地盤沈下に応じた液状化可能層の改良、すなわち部分的に改良する改良地盤および地盤改良工法を提供することである。
【解決手段】地盤改良工法は、舗装部３下側の改良対象地盤４において、地震による液状化後の地盤沈下が改良対象地盤全体で一様になるように、未改良部７を所望の厚さ分残す設定をし、この設定に基づいて未改良部７以外の改良対象地盤４に薬液１６を注入して改良することである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は改良地盤および地盤改良工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液状化可能層に薬液を注入する地盤改良工法は、図１５の（１）に示すように、未改良時において液状化の可能性のある全ての領域、すなわち液状化可能層２１に薬液２２を注入することにより、これらの層２１における砂の間隙を薬液２２で置き換えていた。すなわち液状化可能層２１を１００％改良することにより地震による液状化を防いでいた。これは液状化可能層２１を全て改良するという工法であった。また、この他の地盤改良工法としては、特開２００４−３４６６３６号公報の発明がある。
【特許文献１】特開２００４−３４６６３６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、上記の地盤改良工法は液状化可能層を全て改良し、この液状化可能層における全ての砂の間隙量と、同じ量の薬液を液状化可能層に注入していたためコスト高になるという問題があった。
【０００４】
本願発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで液状化可能層の改良ができる地盤改良工法、すなわち、液状化可能層を全て改良するのではなく、図１５の（２）に示すように、液状化可能層２１を所望の厚さ分残した部分改良を行うことにより地震による液状化後の地盤沈下があったとしても、この地盤沈下が改良対象地盤全体で一様になるような改良地盤および地盤改良工法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するための改良地盤は、舗装部下側の改良対象地盤において、地震による液状化後の地盤沈下が改良対象地盤全体で一様になるように、未改良部を所望の厚さ分残し、これ以外の改良対象地盤に薬液を注入して改良したことを特徴とする。
また地盤改良工法は舗装部下側の改良対象地盤において、地震による液状化後の地盤沈下が改良対象地盤全体で一様になるように、未改良部を所望の厚さ分残す設定をし、この設定に基づいて未改良部以外の改良対象地盤に薬液を注入して改良することを特徴とする。また改良対象地盤において未改良部を所望の厚さ分残したシミュレーション用の地盤改良モデルケースを複数用意し、この各地盤改良モデルケースにおける想定地震動に対する液状化による地盤沈下量および舗装部変形をモンテカルロシミュレーションによって算定し、この結果に基づいて上記の地盤改良モデルケースの中から最適の地盤改良モデルケースを１以上選定し、これに基づいて未改良部以外の改良対象地盤に薬液を注入して改良することを含むものである。
【発明の効果】
【０００６】
液状化可能層の全てを改良するのではなく、液状化可能層を所望の厚さ分残した部分的な改良をしたとしても地震時における液状化による不同沈下を対象施設の機能維持のために設定される基準値内に収まるように抑えることができる。例えば、既存滑走路などにおいて不同沈下が発生したとしても、この不同沈下は滑走路について設定される基準値を超えて生じることなく平坦性の機能が充分に維持されるものとなる。また液状化可能層の全てを改良するのではなく、未改良部を所望の厚さ分残し、これ以外の改良対象地盤に薬液を注入して改良したことにより、地盤改良に使用する材料の低減、工期の短縮およびコストの削減を図ることができる。また地盤改良の一地点あたりに要する改良時間が短くなるため、使用中の施設を２４時間にわたって閉鎖することなく、例えば夜間のみの改良工事により必要な地盤改良を行うことができる。また地盤沈下を一様にする改良ができるので、舗装部の段差や亀裂などの発生を防ぐことができる。また改良コストが全面改良に比べると縮減されるため、同じ費用で、従来の工法と比べて大幅な長さの地盤が改良できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本願発明の改良地盤および地盤改良工法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本願発明の対象は既存滑走路および既存道路における舗装部下側の地盤であるが、本実施の形態においては既存滑走路を対象として説明する。はじめに改良地盤について説明し、次に地盤改良工法について説明するが、各実施の形態において同じ構成は同じ符号を付して説明し、異なった構成にのみ異なった符号を付して説明する。
【０００８】
図１は既存滑走路１における改良地盤２を示し、これは舗装部３の下側における改良対象地盤である液状化可能層４と、その下側の非液状化可能層５とから構成されている。この液状化可能層４を全く改良しなければ地震時の液状化による不同沈下によって舗装部３に段差や亀裂が発生して滑走路としての平坦性を確保できなくなる。そのため従来は液状化可能層４の全てに薬液を注入して改良する全面改良を行っていた。しかし、図１に示す改良地盤２は、非液状化可能層５から所定の厚さ分、例えば３〜７ｍ（この厚さは任意に選択可能）の液状化可能層（未改良部）４を残し、それ以外の液状化可能層４に薬液を注入して改良した改良部６と未改良部７とから構成されている。このように非液状化可能層５から所定の厚さ分の液状化可能層（未改良部）４を残した改良地盤２は全面改良ではなく部分改良となって、所定厚さ分の液状化可能層４が残るため、地震時における液状化による不同沈下が発生するが、この不同沈下は、未改良の液状化可能層４が一定厚であるので、滑走路について設定される基準値を超えて生じることなく、平坦性の機能が充分に維持されるだけでなく、コストの削減を図ることも可能になる。また、非液状化可能層５から所定の厚さ分の未改良部７は、図１においては非液状化可能層５に沿って横方向に形成されているが、これは当然に非液状化可能層５の全面に沿って広がって形成されている。
【０００９】
次に、地盤改良工法を前記と同様に既存滑走路の舗装部下側の地盤を対象として説明する。この地盤改良工法は、図１のように非液状化可能層５から所定の厚さ分の液状化層（未改良部）４を残して改良した場合でも、地震による液状化後の地盤沈下が改良対象地盤全体で一様になるような改良範囲を選定（事前にソフト解析を行って選定）し、これを基にして実際の地盤改良を行うものである。この改良範囲の選定については図２のフローに基づいて説明する。
【００１０】
まず、ステップ１として、地盤の改良範囲を検討するために、既存滑走路の改良対象地盤において未改良部を所望の厚さ分残した地盤改良モデルケースを複数設定する。この既存滑走路の地盤改良モデルケースは想定地震動に対する液状化による地盤沈下量および舗装部変形の解析用のものである。この既存滑走路の地盤改良モデルケースとしては、例えば、図３に示すように、ケース（case）１として非液状化可能層５から３ｍの厚さ分の液状化可能層（未改良部）４を残す場合（液状化可能層全体の６０％が改良された改良部６と未改良部７とからなる場合）、図４に示すように、ケース（case）２として非液状化可能層５から５ｍの厚さ分の液状化可能層（未改良部）４を残す場合（液状化可能層全体の４０％が改良された改良部６と未改良部７とからなる場合）、図５に示すように、ケース（case）３として非液状化可能層５から７ｍの厚さ分の液状化可能層（未改良部）４を残す場合（液状化可能層全体の２０％が改良された改良部６と未改良部７とからなる場合）、図６に示すように、ケース４（case）として地盤改良を全く行わない場合の４つを設定する。そして、これらの地盤改良モデルケースのすべてについての、想定地震動に対する液状化による地盤沈下量および舗装部変形の解析をモンテカルロシミュレーションによって行い、これに基づいて上記の地盤改良モデルケースの中から最適の地盤改良モデルケースを選定し、これによって未改良部以外の改良範囲を決定して地盤改良を行うものである。まず、図３に示す、ケース１の地盤改良モデルケースの想定地震動に対する液状化による地盤沈下量および舗装部変形の解析について説明する。
【００１１】
次に、ステップ２として、対象地盤のボーリング調査の結果に基づいて土質区分の設定、液状化可能層および非液状化可能層の土質定数に関する確率分布を把握した地盤モデルを作成する。この土質区分の設定は物性が同じと見なされる領域ごとに地盤全体を、例えば沖積粘土層Ａ、沖積粘土層Ｂ、砂層Ａ、砂層Ｂ、砂礫層Ａ、砂礫層Ｂなどに区分けして行う。また土質定数に関する確率分布の把握は、図７の（１）に示すように、想定される土質定数のばらつきに関して、平均値（中央値）、標準偏差といった分布を特徴づける数学的なパラメーターを把握することにより行う。また舗装部については構成する舗装、路床、路盤の材料特性に応じて区分けを行う。また弾性係数などの変形パラメーターに関する確率分布の把握は、同様なばらつきに関して平均値、標準偏差といった分布を特徴づける数学的なパラメ−ターを把握することにより行う。
【００１２】
次に、ステップ３として、図７の（２）および（３）に示すように、地盤沈下量および舗装部変形の検討対象領域となる液状化可能層および舗装部を、三次元でメッシュ状に区画した構成図９を作成する。この区画は水平方向を２０〜５０ｍ間隔で、鉛直方向を１〜５ｍ間隔で区切ったものであり、砂地盤または路盤が２０〜５０ｍ×２０〜５０ｍ×１〜５ｍの構成要素１０、１０ａを縦横方向（水平方向Ｘ、Ｙおよび鉛直方向Ｚ）に連続して重ね合わせた構成になる。この液状化可能層の構成図は改良部（改良土）と未改良部（未改良土）とから構成されている。
【００１３】
次に、ステップ４として、想定地震動（その地域の発生するであろう地震動）に対する地盤沈下量の解析と舗装部変形の解析とを２つのサブモデルによるモンテカルロシミュレーションで行う。まず想定地震動に対する地盤沈下量の解析を行うために、上記構成図９における改良土の構成要素１０に、事前の実験により求めた弾性係数などの変形パラメーターの入力を行い、未改良土の構成要素１０ａにはＮ値などを入力する。すなわち構成図９における構成要素１０、１０ａに対して、１回のシミュレーションごとの入力データとして、土質定数に関する確率分布の把握結果に基づき（平均値と標準偏差の情報を基にして）各構成要素の土層の厚さ、Ｎ値、体積ひずみ等の土質定数の値を数学的に乱数を発生させて入力する。これは各構成要素１０、１０ａに物性をばらつかせて与えることにより、想定地震動に対する地盤沈下量の解析のためのシミュレーションを繰り返して行うようにするものである。
【００１４】
次に、上記のデータを入力した地盤の想定地震動に対する地盤沈下量を、地盤の地震応答解析モデル（ＦＥＭ解析モデルなど）などの数値解析モデルを用いて解析する。この数値解析モデルとしては、（ａ）透水方程式（圧密方程式に間隙水圧発生の項を加えた方程式やBiotらの多孔質物体変形理論に基づく透水方程式）、（ｂ）応力〜ひずみ関係のモデル（Hardin・Drnevich型モデル、 Ramberg・Osgood型モデルまたは適切な硬化関数を用いた塑性論モデル）（ｃ）間隙水圧発生モデルによって構成される。この数値解析モデルとしては、例えば、DESRA、YUSAYUSA、LIQCA、FLIPなどの解析モデルが使用される。
【００１５】
次に、上記の地盤沈下量の解析に基づいて、舗装部変形の解析を行う。これを実施するには、図７の（３）に示す構成図９に入力データとして、事前に舗装部の弾性係数、舗装厚などの変形定数を、上記の地盤沈下量の解析と同様の方法により確率的に割り付ける。そして、前段階で解析された地盤沈下量を舗装部下に鉛直変位の境界条件として強制的に与えて、地盤沈下量による舗装部変形を、舗装部を弾性体とみなしたＦＥＭ解析モデルなどの数値解析モデルによって解析する。この解析によって、ケース１の地盤改良モデルケースの想定地震動に対する液状化による地盤沈下量および舗装部変形についてのシミュレーションが１回行われたことになる。この舗装部変形の解析で行われる弾性体解析では、以下の式１〜式３で示すフックの法則の応力〜ひずみ関係に基づく解析が行われる。このような変形解析により舗装部の沈下量、水平ひずみ、せん断ひずみの発生量を予測することができる。
［式１］

［式２］

［式３］

ここでε：ひずみ、σ：応力、Ｅ：弾性係数（変形係数）、υ：ポアソン比である。
【００１６】
このようなケース１の地盤改良モデルケースの想定地震動に対する液状化による地盤沈下量および舗装部変形の解析のためのシミュレーションを１００回（この回数は必要に応じて変更可能）行った結果の一例が、図８に示すような舗装部の沈下形状であり、図９がその平均沈下形状である。このような平均沈下形状から算定される局所的な沈下量の差（段差）、または別途出力される水平ひずみ量からクラックの発生の予測判断をする。このクラックが発生する段差量、水平ひずみ量の予測判断については、既往の調査結果（林洋介・佐藤勝久（１９８４）：地盤の不同沈下による空港舗装の破損、第１９回土質工学研究発表会、Ｐ５８４−５８５）を利用して行う。この予想した舗装部のクラックの発生結果のから、非液状化可能層５から３ｍの厚さ分の液状化可能層（未改良部）４を残すケース１の地盤改良は、地震による不同沈下が発生したとしても、この不同沈下が滑走路について設定される基準値を超えて生じることがなく、平坦性の機能が充分に維持されたものとなる。すなわち、３ｍの厚さ分の未改良部を残した部分改良を行うことにより、地震による液状化後の不同沈下があったとしても、この不同沈下が滑走路について設定される基準値を超えて生じることがないため、改良範囲が３ｍの厚さ分残した液状化可能層（未改良部）４以外の範囲だけで良いことを確認することができる。
【００１７】
次に、ケース２の非液状化可能層５から５ｍの厚さ分の液状化可能層（未改良部）４を残した地盤改良モデルケースと、ケース３の非液状化可能層５から７ｍの厚さ分の液状化可能層（未改良部）４を残した地盤改良モデルケースについて、上記と同様のステップ２〜ステップ４の方法による評価を行う。この結果が図１０および図１１に示す平均的沈下形状であり、これからケース２の地盤改良モデルケースによる地盤改良、およびケース３の地盤改良モデルケースによる地盤改良については、地震による不同沈下が発生したとしても、この不同沈下が滑走路について設定される基準値を超えて生じることがなく、平坦性の機能が充分に維持されるものであるとの判断をすることができる。したがって、これらのケースも５ｍまたは７ｍの厚さ分の未改良部を残した部分改良を行うことにより、地震による液状化後の不同沈下があったとしても、この不同沈下が滑走路について設定される基準値を超えて生じることがないため、改良範囲が５ｍまたは７ｍの厚さ分残した液状化可能層（未改良部）４以外の範囲だけで良いことを確認することができる。
【００１８】
次に、ケース４として地盤改良を全く行わない場合の地盤改良モデルケースについて、上記と同様のステップ２〜ステップ４の方法による評価を行う。この結果が図１２に示すものであり、この平均的沈下形状から舗装部変形が大きくて、路盤に段差や亀裂が発生する予測判断ができるため、この不同沈下が滑走路について設定される基準値を超えて生じ、平坦性の機能を充分に維持することができないとの判断をすることができる。
【００１９】
このことから、図３に示すように、液状化可能層４を非液状化可能層５から３ｍの厚さ分残すケース１の地盤改良、図４に示すように、液状化可能層４を非液状化可能層５から５ｍの厚さ分残すケース２の地盤改良、図５に示すように、液状化可能層４を非液状化可能層５から７ｍの厚さ分残すケース３の地盤改良が適正な改良範囲であることを確認することができた。この３〜７ｍは任意に選択することができ、必要に応じて選択するものである。例えば、液状化可能層４を非液状化可能層５から９ｍの厚さ分残す地盤改良モデルケースを設定し、この地盤改良モデルケースの想定地震動に対する液状化による地盤沈下量および舗装部変形の解析をモンテカルロシミュレーションで行った結果、不同沈下が大きい場合は、不適正な改良範囲であるとの判断をすることができる。本実施の形態では一般的な施設を対象に平均沈下形状を用いて評価したが、特に重要な施設を対象にする場合は上位５％の沈下形状を用いて評価することもできる。
【００２０】
次に、ステップ５として、このような複数の改良範囲の中から、図１３に示すように、各ケースにおける地震時の被災状況を予測し、事前に行う地盤改良費および被災時の補修費のトータルコストが最小となるようなケースを最適案として抽出する。しかし、これはトータルコストが最小となるようなケースであり、舗装部３が滑走路の機能である平坦性を確保することができるか否かを基準にすると、上記の地盤改良範囲で充分である。
【００２１】
図１４は、ケース１の改良範囲を基にした既設滑走路１１における舗装部１２下側の液状化可能層１３の改良を行ったものである。まず既設滑走路１１の舗装部１２の側面から曲がり薬液注入孔１４を削孔し、この曲がり薬液注入孔１４に湾曲のストレーナー型注入管１５を挿入して、シリカ系水溶液型の薬液１６を注入する。このシリカ系水溶液型の薬液１６としては、いわゆる「水ガラス」製造用の原料であるNa_２O/nSiO_２またはK_２O/nSiO_２と、その硬化剤である無機塩類、有機塩類、金属酸化物、金属水酸化物、無機酸、有機酸、酸性塩、金属酸化物、金属水酸化物、塩基性塩等を組み合わせて調整したもの、ならびに特殊シリカ溶液とその硬化剤、例えばリン酸などである。
【００２２】
そして舗装部１２直下の液状化可能層１３を改良率１００％で改良するが、この液状化可能層１３に改良率が１００％になる薬液１６、すなわち薬液濃度を１〜８％、注入速度を１０Ｌ／分に設定した薬液１６を注入すると、改良体１７が水平方向で密に重なり合った均質かつ一体的な全面改良層１８が形成される。そして、このような全面改良層１８を深度が深くなるにしたがって順次形成し、液状化可能層１９を非液状化可能層２０から３ｍの厚さ分残す箇所まで改良すると、全面改良層１８と非液状化可能層２０との間に層厚が３ｍの液状化可能層１９が形成される。したがって、地震による不同沈下が発生しても、この不同沈下が滑走路について設定される基準値を超えて生じることがなく、平坦性の機能を充分に維持した部分改良を行うことができる。なお、液状化可能層１９を非液状化可能層２０から５ｍの厚さ分残すケース２の地盤改良、または７ｍの厚さ分残すケース３の地盤改良も上記と同じ方法で行う。
【００２３】
なお、上記の実施の形態においては薬液注入孔１４を液状化可能層１３の側面から掘削したが、この薬液注入孔１４を既存滑走路１１の舗装部１２の上面から掘削することもできる。また上記の実施の形態においては既存滑走路を対象に説明したが、これは既存道路でも適用することができる。さらに、本発明は一般の薬液注入による地盤改良にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】既存滑走路における改良地盤の断面図である。
【図２】地盤改良工法を実施するためのフロー図である。
【図３】ケース１の既存滑走路の地盤改良モデルケースの断面図である。
【図４】ケース２の既存滑走路の地盤改良モデルケースの断面図である。
【図５】ケース３の既存滑走路の地盤改良モデルケースの断面図である。
【図６】ケース４の既存滑走路の地盤改良モデルケースの断面図である。
【図７】（１）は対象地盤の物性値を示したグラフ図、（２）は液状化可能層の構成図、（３）は舗装部の構成図である。
【図８】１００回のシミュレーションにより得られた舗装部の沈下形状の図である。
【図９】（１）は１００回のシミュレーションにより得られた舗装部の平均沈下形状の図、（２）は同斜視図である。
【図１０】（１）は既存滑走路のシミュレーション用の地盤改良モデルケースの断面図、（２）は１００回のシミュレーションにより得られる舗装部の平均沈下形状を示した図である。
【図１１】（１）は既存滑走路のシミュレーション用の地盤改良モデルケースの断面図、（２）は１００回のシミュレーションにより得られる舗装部の平均沈下形状を示した図である。
【図１２】（１）は既存滑走路のシミュレーション用の地盤改良モデルケースの断面図、（２）は１００回のシミュレーションにより得られる舗装部の平均沈下形状を示した図である。
【図１３】最適なトータルコストを判断する図である。
【図１４】実施の形態の地盤改良工法の断面図である。
【図１５】（１）は従来の地盤改良工法の断面図、（２）は本願発明の地盤改良工法の断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１既存滑走路
２改良地盤
３、１２舗装部
４、１３、１９、２１液状化可能層
５、２０非液状化可能層
６改良部
７未改良部
９構成図
１０、１０ａ構成要素
１１既設滑走路
１４薬液注入孔
１５ストレーナー型注入管
１６、２２薬液
１７改良体
１８全面改良層

【特許請求の範囲】
【請求項１】
舗装部下側の改良対象地盤において、地震による液状化後の地盤沈下が改良対象地盤全体で一様になるように、未改良部を所望の厚さ分残し、これ以外の改良対象地盤に薬液を注入して改良したことを特徴とする改良地盤。
【請求項２】
舗装部下側の改良対象地盤において、地震による液状化後の地盤沈下が改良対象地盤全体で一様になるように、未改良部を所望の厚さ分残す設定をし、この設定に基づいて未改良部以外の改良対象地盤に薬液を注入して改良することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項３】
改良対象地盤において未改良部を所望の厚さ分残したシミュレーション用の地盤改良モデルケースを複数用意し、この各地盤改良モデルケースにおける想定地震動に対する液状化による地盤沈下量および舗装部変形をモンテカルロシミュレーションによって算定し、この結果に基づいて上記の地盤改良モデルケースの中から最適の地盤改良モデルケースを１以上選定し、これに基づいて未改良部以外の改良対象地盤に薬液を注入して改良することを特徴とする請求項１に記載の地盤改良工法。

【図１】