JP2015148105A - 地盤改良工法、及び地盤改良システム - Google Patents

Abstract

【課題】地盤改良工事の施工コストを抑え、地盤改良工事による開削工事の工期に及ぶ影響を減らす。
【解決手段】土留め壁１２の内側の粘性土層である改良対象層１の下に透水層２が存在する地盤を、地下水を排水することにより改良する地盤改良工法であって、土留め壁１２を透水層２に達するように構築する工程と、土留め壁１２の内側の地盤に孔３４を透水層２に達するように掘削する工程と、孔３４に中間杭３２を挿入する工程と、孔３４の中間杭３２と孔壁との間にドレーン材３６を充填する工程と、土留め壁１２の内側の地盤に透水層２から揚水する揚水井戸２０を設置する工程と、揚水井戸２０により透水層２及びドレーン材３６を充填した孔３４を通して改良対象層１の地下水を排水する工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、土留め壁の内側の地盤を、地下水を排水することにより改良する地盤改良工法、及び地盤改良システムに関する。

土留め壁の内側の地盤を掘削する開削工事において、該地盤の上層が軟弱の場合には、建設機械の荷重に耐え得る地盤の能力（トラフィカビリティ）を確保するために、地盤改良を実施する必要があるところ、地盤の改良対象層を、地下水を排水して圧密化することにより改良する地盤改良工法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の地盤改良工法では、軟弱粘性土層を改良対象層としており、当該層の下の透水層まで延びる揚水井戸の他に、当該透水層まで延びるドレーンを設けることにより、軟弱粘性土層の地下水を当該透水層まで導いて上記揚水井戸により排水している。

特開２００１−２７９６５７号公報

特許文献１に記載の地盤改良工法では、土留め壁の施工後に地盤改良のために専用のドレーンを構築しなければならず、地盤改良の施工コストが増大する。また、掘削工程等の開削工事の他の工程に遅延が生じ、開削工事の工期に影響が及ぶ。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、土留め壁の内側の地盤を、地下水を排水することにより改良する地盤改良工法において、地盤改良工事の施工コストを抑え、地盤改良工事による開削工事の工期への影響を減らすことを課題にするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る地盤改良工法は、土留め壁の内側の粘性土層の下に透水層が存在する地盤を、地下水を排水することにより改良する地盤改良工法であって、前記土留め壁を前記透水層に達するように構築する工程と、前記土留め壁の内側の地盤に孔を前記透水層に達するように掘削する工程と、前記孔に杭を挿入する工程と、前記孔の前記杭と孔壁との間にドレーン材を充填する工程と、前記土留め壁の内側の地盤に前記透水層から揚水する揚水井戸を設置する工程と、前記揚水井戸により前記透水層及び前記ドレーン材を充填した前記孔を通して前記粘性土層の地下水を排水する工程とを備える。

前記地盤改良工法において、前記杭は中間杭又は桟橋杭であってもよい。

また、本発明に係る地盤改良システムは、土留め壁の内側の粘性土層の下に透水層が存在する地盤を、地下水を排水することにより改良する地盤改良システムであって、前記透水層に達するように構築された土留め壁と、前記土留め壁の内側の地盤に前記透水層に達するように掘削された孔と、前記孔に挿入された杭と、前記孔の前記杭と孔壁との間に充填されたドレーン材と、前記土留め壁の内側の地盤に設置され、前記透水層から揚水する揚水井戸とを備える。

本発明によれば、地盤改良工事の施工コストを抑え、地盤改良工事による開削工事の工期への影響を減らすことができる。

一実施形態に係る地盤改良システムを示す立断面図である。 一実施形態に係る地盤改良システムを示す平面図である。 本実施形態に係る地盤改良システムを構築する手順を説明する立断面図である。 本実施形態に係る地盤改良システムを構築する手順を説明する立断面図である。 本実施形態に係る地盤改良システムを構築する手順を説明する立断面図である。 ドレーンの配置と解析対象の範囲とを示す平面図である。 解析対象の範囲のＦＥＭ解析モデルを示す平面図である。 解析対象の範囲のＦＥＭ解析モデルを示す斜視図である。 関東地方の都市圏の地盤構成の例と、解析に用いた地盤定数値を示す表である。 有効応力鉛直成分（ｋＮ／ｍ²）の増加過程を示すグラフである。 有効応力鉛直成分（ｋＮ／ｍ²）の圧密降伏応力を超過した量を示すグラフである。 せん断強度（粘着力）（ｋＮ／ｍ²）の増分を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る地盤改良システム１０を示す立断面図であり、図２は、該地盤改良システム１０を示す平面図である。これらの図に示すように、地盤改良システム１０は、開削工事において土留め壁１２の内側の地盤の改良対象層１を、地下水を排水して圧密化することにより改良する地盤改良工法を実施するためのものである。

地盤改良システム１０により地盤改良を実施する地盤には、地表面から順に、改良対象層１、透水層２、不透水層３が存在する。改良対象層１は、水分を多く含むことにより軟弱であって砂層や礫層に比して透水性が低い沖積粘土層等の軟弱粘性土層である。また、透水層２は、砂層や礫層等であり、粘土層に比して透水性が高い層である。さらに、不透水層３は、改良対象層１及び透水層２に比して硬質で不透水の硬質粘土層である。

地盤改良システム１０は、掘削範囲の両側に構築された土留め壁１２と、掘削範囲に設けられた揚水井戸２０及びドレーン３０とを備えている。土留め壁１２は、遮水性を有する鋼矢板壁等の止水壁であり、地表面から改良対象層１、透水層２を貫通して不透水層３まで達するように構築されている。

揚水井戸２０は、ディープウェル等の井戸内に流入する地下水を水中ポンプ２２により排水するものであり、地表面から改良対象層１を貫通して透水層２の深部に達するように構築されている。この揚水井戸２０は、孔２６内に配されたケーシング２３と、ケーシング２３内に配された水中ポンプ２２及び揚水管２５と、ケーシング２３と孔２６の壁面との間に充填されたグラウト材２７−１及びフィルター材２７−２とを備える。グラウト材２７−１は、改良対象層１の深度に設けられ、フィルター材２７−２は、透水層２の深度に設けられている。

ケーシング２３のスクリーン２４は、透水層２の深部から改良対象層１との境界までの範囲に設けられており、水中ポンプ２２は、透水層２の深部に設置されている。このため、水中ポンプ２２が作動されると、透水層２の地下水がスクリーン２４から井戸内に流入して水中ポンプ２２により揚水管２５を通して地上へ排水される。

ドレーン３０は、地表面から改良対象層１、透水層２を貫通して不透水層３に達するように構築されている。ここで、複数の中間杭３２が土留め壁１２に沿って打設されており、ドレーン３０は、中間杭３２が挿入された孔３４内に、ドレーン材３６を充填することにより構築されている。

中間杭３２は、地表面近傍から支持層である不透水層３に達するように打設されたＨ形鋼や鋼管等の支持杭であり、不透水層３に支持されている。この中間杭３２は、将来の掘削時に、土留め壁１２の支保工となる切梁を保持したり、覆工荷重を支持したりする役割を担う。また、ドレーン材３６は、土圧に抵抗して孔３４の壁面を保護すると共に、中間杭３２を支持する機能と、透水性能とを有する砕石やヘチマロン等であり、中間杭３２と孔３４の壁面との間に充填されている。

ここで、ドレーン３０は、揚水井戸２０と土留め壁１２との間に、揚水井戸２０に比して多数設けられており、揚水井戸２０と土留め壁１２との間の改良対象層１の地下水が、ドレーン３０に集水されドレーン３０を通して透水層２まで降下する。

図３〜図５は、本実施形態に係る地盤改良システム１０を構築する手順を説明する立断面図である。まず、図３に示すように、土留め壁１２を地表面から不透水層３に達するように構築する。次に、図４及び図５に示すように、ドレーン３０を土留め壁１２の内側の地盤中に構築すると共に、揚水井戸２０を土留め壁１２の内側の地盤中に構築する。

ドレーン３０を構築する工程では、まず、図４に示すように、多数の孔３４を土留め壁１２に沿って掘削する。この孔３４は、地表面から透水層２に達するように掘削する。そして、図５に示すように、中間杭３２を孔３４内に不透水層３まで達するように挿入し、中間杭３２と孔３４の壁面との間にドレーン材３６を充填する。

また、揚水井戸２０を構築する工程では、孔２６を地表面から透水層２の深部に達するように掘削し、ケーシング２３を孔２６に挿入する。この際、スクリーン２４を透水層２の上端以深に設ける。そして、水中ポンプ２２と揚水管２５とをケーシング２３内に設置し、ケーシング２３と孔２６の孔壁との間は、改良対象層１の深度ではグラウト材２７−１を充填して止水処理を行い、透水層２の深度ではフィルター材２７−２を充填する。この際、水中ポンプ２２を透水層２の深部に設置する。

以上のようにして地盤改良システム１０を構築した後、土留め壁１２の内側の地盤改良を実施する。この地盤改良工程では、図１に示すように、水中ポンプ２２を作動させて土留め壁１２の内側の地盤の地下水を排水する。ここで、止水壁である土留め壁１２が不透水層３に達していることにより、土留め壁１２の内側の改良対象層１及び透水層２には、土留め壁１２の外側及び透水層２の下側から地下水が流入しない。従って、土留め壁１２の内側の改良対象層１及び透水層２の地下水が減少する。

また、ドレーン３０が、改良対象層１を貫通して透水層２に達していることにより、水中ポンプ２２が作動されて透水層２の地下水が水中ポンプ２２により揚水されると、改良対象層１では、地下水がドレーン３０にその周囲から集まってドレーン３０を通して透水層２に降下する地下水の流れができる。ここで、ドレーン材３６で囲まれた中間杭３２を改良対象層１に設置することで、地下水の横方向への移動距離を短くすることができ、改良対象層１内の集水機能を向上させることができる。これにより、透水性の低い改良対象層１においても、効果的に地下水をドレーン３０に集めてドレーン３０を通して透水層２に降下させて揚水井戸２０により排水することができる。従って、透水性の低い改良対象層１を圧密化して有効応力、及びせん断強度（粘着力）を効果的に増加させることができる。

本実施形態に係る地盤改良工法の効果を検証するための解析結果を以下に説明する。図６は、ドレーン３０の配置と解析対象の範囲とを示す平面図である。また、図７は、解析対象の範囲のＦＥＭ解析モデルを示す平面図であり、図８は、解析対象の範囲のＦＥＭ解析モデルを示す斜視図である。さらに、図９は、関東地方の都市圏の地盤構成の例と、解析に用いた地盤定数値とを示す表である。

本解析では、開削工事の開始前の３ヶ月間をドレーン３０を通して地下水を排水する期間として、沖積粘土層のうちのＡｃ１−１層（ＧＬ−１〜−１０ｍ）、Ａｃ１−２層（ＧＬ−１０〜−２０ｍ）（図８参照）の有効応力鉛直成分（ｋＮ／ｍ²）が増加する過程、及び、せん断強度（粘着力）（ｋＮ／ｍ²）の増分を、Ｂｉｏｔ（ビオ）の多次元圧密理論に基づく３次元地盤／地下水連成ＦＥＭ解析により検証した。

図６に示すように、本解析では、２列のドレーン３０を両側の土留め壁１２に対して平行に配置し、２列のドレーン３０の列の間隔を６２００ｍｍ、各列のドレーン３０と土留め壁１２との間隔を４６００ｍｍ、各列のドレーン３０の間隔を５０００ｍｍとした。また、ドレーン３０は、中間杭の挿入孔に砂・礫材を充填したものとし、その直径を５００ｍｍとした。即ち、土留め壁１２とドレーン３０との位置関係を、両側の土留め壁１２の間の領域を土留め壁１２に直交する方向（図中左右方向）に二分する線Ｌ１に対して対称、且つ、図中左右方向に並んだドレーン３０の中心を通る線Ｌ２に対して対称、且つ、図中上下方向に並んだドレーン３０の間の領域を図中上下方向に二分する線Ｌ３に対して対称としている。

ここで、ドレーン３０から地下水を排水している際の、土留め壁の内側の地盤での変形や間隙水の流れは、土留め壁１２とドレーン３０との位置関係によって決まるところ、当該位置関係に上述の対称性があることに従って同様の対称性を有する。そこで、本解析では、線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及び土留め壁１２で囲まれた矩形の１つの区画Ａ１について、ドレーン３０の壁面を排水境界（水圧が０の地点）として、沖積粘土層のＡｃ１−１層、Ａｃ１−２層の地下水の移動と地盤の変形・有効応力の変化を解析し、その周囲の区画については、区画Ａ１の解析結果と上述の対称性とに基づいて検証する。

図１０〜図１２は、解析結果を示すグラフである。図１０のグラフは、有効応力鉛直成分（ｋＮ／ｍ²）の増加過程を示し、図１１のグラフは、有効応力鉛直成分（ｋＮ／ｍ²）の圧密降伏応力を超過した量を示す。また、図１２のグラフは、せん断強度（粘着力）（ｋＮ／ｍ²）の増分を示す。

図１０のグラフから、有効応力鉛直成分（ｋＮ／ｍ²）は時間経過と共に増加することが確認できる。また、図１１のグラフから、有効応力鉛直成分（ｋＮ／ｍ²）の圧密降伏効力を超過した量（即ち、実際の増加量）Δｐは、ＧＬ−７〜−２０ｍでは、徐々に増加し、ＧＬ−２０ｍ以深では、１８０ｋＮ／ｍ²で一定となることを確認できる。なお、圧密降伏応力は、その粘土が過去に受けたことのある最大の応力であり、圧密降伏応力値は、土質調査により得た値である。

ここで、せん断強度（粘着力）（ｋＮ／ｍ²）の増分ΔＣは、下記（１）式で表され、その計算結果を図１２のグラフに示しているところ、せん断強度（粘着力）（ｋＮ／ｍ²）が増加することが確認できる。ｍは、道路土工−軟弱粘土地盤対策工指針（平成２４年版）における粘性土の強度増加率の目安値であり、０．３〜０．４５（平均は０．３７５）である。なお、初期のせん断強度は、原位置の地盤についての三軸圧縮試験と一軸圧縮試験とにより得た値である。
ΔＣ＝Δｐ×ｍ …（１）

ＧＬ−２０ｍ以深では、有効応力鉛直成分（ｋＮ／ｍ²）の圧密降伏効力を超過した量（即ち、実際の増加量）Δｐが１８０ｋＮ／ｍ²となるので、せん断強度の増分ΔＣは５０〜８０ｋＮ／ｍ²（平均 ６５ｋＮ／ｍ²）となる。

以上説明したように、本実施形態に係る地盤改良工法では、土留め壁１２の内側の粘性土層である改良対象層１の下に透水層２が存在する地盤を、地下水を排水することにより改良するところ、土留め壁１２を透水層２に達するように構築する工程と、土留め壁１２の内側の地盤に孔３４を透水層２に達するように掘削する工程と、孔３４に中間杭３２を挿入する工程と、孔３４の中間杭３２と孔壁との間にドレーン材３６を充填する工程と、土留め壁１２の内側の地盤に透水層２から揚水する揚水井戸２０を設置する工程と、揚水井戸２０により透水層２及びドレーン材３６を充填した孔３４を通して改良対象層１の地下水を排水する工程とを備える。これにより、上述したように、透水性の低い粘性土層である改良対象層１においても、効果的に地下水をドレーン３０に集めてドレーン３０を通して透水層２に降下させて揚水井戸２０により排水できる。従って、透水性の低い粘性土層である改良対象層１を圧密化して有効応力、及び、せん断強度（粘着力）を効果的に増加させることができる。

ここで、中間杭３２を挿入するための孔３４を利用してドレーン３０を構築したことにより、土留め壁１２の施工後に地盤改良のために専用のドレーンを構築する工程を不要にできるため、地盤改良工事の施工コストを抑えることができる。ここで、揚水井戸２０は、盤ぶくれの防止やドライワークを目的とする開削工事に必要なものであり、地盤改良工事に専用のものではないため、揚水井戸２０の設置により地盤改良工事の施工コストが増加することもない。また、開削工事の他の工程に遅延を生じさせることなく地盤改良を実施でき、地盤改良工事による開削工事の工期に及ぶ影響を減らすことを防止できる。

また、中間杭３２が砕石等のドレーン材３６で囲まれていることにより、掘削の際に、中間杭３２がドレーン材３６により掘削機から保護される。これにより、中間杭３２の近傍での掘削機による掘削の作業性を向上できる。

一方で、ドレーン３０内に芯材としての中間杭３２が挿入されていることにより、掘削施工時や地震時等、中間杭３２に外力が作用した場合でも、ドレーン３０の曲げ変形を抑制でき、ドレーン３０の垂直性が保たれ、改良対象層１から地下水を集めて透水層２まで降下させるというドレーン３０の機能を維持できる。

また、本実施形態に係る地盤改良システム１０によれば、土留め壁１２内の掘削中に大雨が降った場合でも、ドレーン３０から雨水を降下させて水中ポンプ２２で場外に排出させることにより、早期に掘削作業を再開・着手することが可能となる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、中間杭３２を挿入するための孔３４を利用してドレーン３０を構築したが、桟橋杭を挿入するための孔を利用してドレーンを構築してもよい。さらに、土留め壁１２及びドレーン３０を不透水層３まで構築すること、並びに中間杭３２を不透水層３まで打設することは必須ではなく、透水層２までであってもよい。

１ 改良対象層、２ 透水層、３ 不透水層、１０ 地盤改良システム、１２ 土留め壁、２０ 揚水井戸、２２ 水中ポンプ、２３ ケーシング、２４ スクリーン、２５ 揚水管、２６ 孔、２７−１ グラウト材、２７−２ フィルター材、３０ ドレーン、３２ 中間杭、３４ 孔、３６ ドレーン材

Claims (3)

1. 土留め壁の内側の粘性土層の下に透水層が存在する地盤を、地下水を排水することにより改良する地盤改良工法であって、
   前記土留め壁を前記透水層に達するように構築する工程と、
   前記土留め壁の内側の地盤に孔を前記透水層に達するように掘削する工程と、
   前記孔に杭を挿入する工程と、
   前記孔の前記杭と孔壁との間にドレーン材を充填する工程と、
   前記土留め壁の内側の地盤に前記透水層から揚水する揚水井戸を設置する工程と、
   前記揚水井戸により前記透水層及び前記ドレーン材を充填した前記孔を通して前記粘性土層の地下水を排水する工程と
   を備える地盤改良工法。
2. 前記杭は中間杭又は桟橋杭である請求項１に記載の地盤改良工法。
3. 土留め壁の内側の粘性土層の下に透水層が存在する地盤を、地下水を排水することにより改良する地盤改良システムであって、
   前記透水層に達するように構築された土留め壁と、
   前記土留め壁の内側の地盤に前記透水層に達するように掘削された孔と、
   前記孔に挿入された杭と、
   前記孔の前記杭と孔壁との間に充填されたドレーン材と、
   前記土留め壁の内側の地盤に設置され、前記透水層から揚水する揚水井戸と
   を備える地盤改良システム。