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軟弱地盤処理の問題点とその対策

建設省土木研究所
機械施工部長
久 楽 勝 行

1 はじめに
我が国の地形・地質に起因して,沖積の低平地が多いことから,N値が4以下,含水比が50%以上の粘性土や有機質土からなる軟弱地盤が,有明海をはじめとして全国の各地に存在する。このような地盤に各種の構造物を築造する場合には,地盤が軟弱なために施工機械のトラフィカビリティが確保できなかったり,構造物の荷重による地盤のすべり破懐や長期にわたる圧密による地盤の沈下などが問題となる。
このため,古くから地盤処理の方法についてはいろいろの工法が用いられてきており,最近の新しい工法や新材料の導入などによって軟弱地盤の処理技術が著しく進展し,生化学的なものを除いて,図ー1に示すように原理的および技術的にみて可能な工法は一応実用化されている。従って,現場の地盤条件,施工条件ならびに構造物の規模に応じて軟弱地盤対策工法を適切に選定,あるいは組み合わせることによって地盤処理が行えるようになってきている。

一方,最近の建設工事をみると,軟弱層の厚い箇所や埋立地,谷部,沼沢地等の超軟弱な地盤,複雑な地層条件下等での構造物の築造,あるいはウォーターフロント,地下空間利用等の開発プロジェクトにおける大規模な構造物の築造ならびに深い掘削工事も増大している。また,市街地等の建設工事では,近接構造物への影響や住民への環境保全を考慮した施工方法や対策が必要となってきている。さらに,軟弱地盤処理を安全に,かつ確実に,しかも迅速に経済的に行うことが以前に増して求められている。この他にも,都市部においては捨土する処分地の確保が困難になっていることから,掘削した軟弱粘性土の活用技術も緊急を要する課題となってきている。
そこで,盛土等の構造物の築造に伴う最近の軟弱地盤処理の問題とその対策について以下に述べることにする。

2 盛土の安定と周辺への影響への軽減対策
道路盛土や河川堤防,宅地造成用の盛土等を軟弱地盤上に築造する場合には,盛土の安定とともに,長期にわたる盛土の沈下や盛土荷重による周辺地盤の沈下・変形が問題となる。従って,それらを防止または軽減するために,次に示すような対策が講じられてきている。
2.1 盛土の安定対策
軟弱地盤上に盛土を築造する場合に,地盤の強度不足によって写真ー1に示すようなすべり破壊を生ずることがある。このようなすべり破披を防止するために,一般に地盤について詳細な土質調査を実施し,その調査結果に基づいて円孤すべり法による安定計算を行って盛土の安定性を検討する。そして,所要の安全率1.2~1.3を満足しない場合には,工期や用地に余裕のあるときは図ー1に示した緩速載荷工法や押え盛土などを適用して所定の盛土を築造する。一方,工期や用地の制限,あるいは周辺への影響が懸念される場合は,圧密促進工法や締固め工法,あるいは固結工法などの地盤処理工法を適用し,盛土を行うことが多くなっている。

このような地盤処理の方法によって,最近では盛土によるすべり破壊の事例は少なくなっているが,地盤には不均質性や不規則性が常に存在するために,図ー2に示すような局部的に地盤に弱い箇所で,思わぬすべり破壊を起こすことがある。また,海成粘土が砂層の上に堆積しているような箇所や図ー3に示す傾斜基盤上の軟弱層に盛土した場合には,境界面や基盤に沿ったすべりが生ずることがあるので,注意を要する。そのようなすべりに対しては,複合すべり面を想定した安定性の検討を行い,対策工として図ー3に示すような工法を適用する事例が多い。なお,設計時において,全てのことを事前に予測することは困難であるので,施工時にも盛土の沈下やのり先部の地盤の水平移動,隆起などの経時的な変化を測定し,異常が生じていないかなど確認しながら工事を進める,いわゆる情報化施工を行って,工事の安全を期することが大切である。

2.2 超軟弱地盤での盛土等の施工
埋立地や谷部,湖沼地などのN値が0~1の超軟弱地盤上に盛土や構造物を築造することが最近多くなってきている。このような地盤では,施工機械のトラフィカビリティを確保することがむずかしく,また盛土による地盤のせん断変形によって側方移動が起こり,周辺地盤の隆起などの問題が生じやすい。それらの対策として,最近では下記に示すような表層処理工法が多用されるようになってきている。
a)敷設材工法
軟弱地盤の表面に図ー4に示すような補強材を敷設して,施工機械のトラフィカビリティを確保するとともに,敷設材の引張力によって地盤の局部的な過大な沈下や地盤の側方移動を減じ,地盤の支持力の向上を図るものである。補強材としては,ジオテキスタイルや鋼棒,鉄網,プレート付アンカー鉄筋などが用いられており,材料の種類や工法の違いによって各種のものがある。ジオテキスタイルを用いたものとしては,敷網工やロープとシートを組み合せた写真ー2に示すロープシート工,ロープネット工法,あるいは竹枠とシートによるバンブーシート工,剛性の高いジオグリッドを用いたマットレス工法などがある。また,補強材として亜鉛メッキされた菱形金網や帯鋼,あるいは写真ー3に示すようにプレートの支圧力によって大きな引抜き抵抗と盛土の側方移動の拘束効果が得られるプレート付アンカー鉄筋などが用いられている。なお,これらの補強材は,深層混合処理工法などの固結工法と併用すると,効果が一層期待でき,軟弱地盤のすべり破壊防止や側方移動の軽減,ならびに周辺地盤への影響を小さくすることにも役立つ。

b)表層安定処理工法
ヘドロや超軟弱な粘性土にセメント系,石灰系などの固化材を添加・混合して固化盤を造成することによって,施工機械のトラフィカビリティや地盤の支持力を確保するもので,改良厚さは1.0~4.0m程度のものが施工されている。施工方法としては,固化材を紛体で散布した後に,トレンチャー式あるいはローター式の混合機で撹拌し固化する方法と,図ー5に示すような固化材をスラリー状にして撹拌翼で混合する方法とがある3)。一般には,施工機械の作業を容易にすることを目的としているため,一軸圧縮強さで0.5~1.0kg/cm2程度以上の土質改良が一応の目安とされている。

2.3 盛土による周辺地盤および隣接構造物への影響を軽減する対策
盛土を軟弱地盤上に築造すると,載荷重によって盛土部に沈下が生ずるだけでなく,周辺の地盤にも沈下や側方移動等の影響が及ぶことがある。特に,最近では土地利用の高度化が進み,計画する盛土に近接して人家や橋脚,擁壁あるいは鉄道,鉄塔等の重要施設が存在することが多く,そのような場合には,盛土による周辺地盤や近接した構造物への影響を十分考慮に入れて工事を進めることが重要である。
盛土による周辺地盤への影響度合を推定する方法として通常,道路土工指針1)等では,その影響度合を経験的に推定する方法を採用している。一般に,盛土の荷重分散はのり先から45°の角度で軟弱層の底面まで及ぶとして,沈下の影響を考えてよさそうである。従って盛土築造後の周辺地盤の沈下は,のり先から軟弱層厚さにほぼ等しい距離まで及ぶことが多い。
周辺地盤への影響を軽減する対策工としては,図ー6に示すような方法が用いられている4)。すなわち,図ー6(a)のように盛土のり先に矢板または杭を打設する工法や,(b)ののり先付近の地盤に深層混合処理工法による改良柱体や砂礫杭を施工する方法などがある。これらの工法は,最近多く用いられている工法で,矢板等の場合には,軟弱層下部の基盤まで打ち込んで矢板の変形を少なくすることが大切であり,頭部をテンション材等で連結すると,効果がいっそう期待できる。また,深層混合処理工法等の場合には,盛土の安定対策や周辺地盤への側方変位を抑制する効果と工事中の振動や騒音を抑えることができるなどの利点を有している。図ー6(c)のパイルネット工法等による工法は,盛土荷重を摩擦杭で支えるために地盤の沈下抑制の効果が大きく,周辺地盤への影響も小さくすることができる。

写真ー4は,軽量盛土材による周辺地盤への影響を軽減した施工例を示したものである。この場所は太田川右岸で,写真一4(a)のような盛土部と民家の擁壁とが接近しており,盛土のり先に縁切り用の鋼矢板が打設されている。盛土は擁壁の所まで施工することになるが,通常の盛土材を施工すると,埋戻し部で沈下が大きくなり,民家等に影響を及ぼすことが懸念されることから,写真一4(b)に示すようなマサ土と発泡スチロールビーズと固化材を混合した軽量盛土材で盛土部と擁璧の間の埋戻しを行った。その結果,軽量盛土材を用いることによって近接構造物への影響を少なくすることができ,軽量盛土材の効果が認められたものである。

橋台や擁壁等の構造物に接して盛土を行う場合には,盛土荷重による地盤の側方移動によって構造物が変位したり,その取付け部に不同沈下が発生したりする。その対策として,載荷重工法やバーチカルドレーン工法,押え盛土工法などを用いる場合もあるが,最近では図ー1に示すような深層混合処理工法などの固結工法やサンドコンパクションパイル工法が適用されている。また,施工の容易さや工期等から,図ー7(b)に示すような発泡スチロールブロックなどを用いた軽量盛土材で全沈下量を少なくし,段差を軽減することも行われている。

3 盛土に伴う長期沈下対策
軟弱地盤上に盛土などの構造物を築造すると,盛土荷重によって地盤が長期にわたって大きく沈下する。盛土荷重の大きさや軟弱層の土質特性,層厚によっては,沈下量が2~3mに達することも少なくない。沈下量が大きくなると,単に盛土量が増大するだけでなく,道路においては路面の平坦性が失われたり,排水の不良や幅員の不足,あるいは舗装の破壊の誘因にもなる。また,カルバートなどの横断構造物との取付け部や地層構成が著しく変化しているような箇所では,写真ー5に示すような不同沈下が生じやすく,それによって車の走行に著しい支障をきたす場合がある。

河川堤防等では,天端高を確保するために長期沈下を見込んだ余裕高が必要であり,さらに宅地造成の盛土では,図ー8に示すように長期沈下によって家屋等に被害が及ぶこともあるので,その対策を十分施して,家屋や上・下水道,ガス等の施設を設けることが大切である。

3.1 盛土による軟弱地盤の沈下特性
盛土の築造に伴う軟弱地盤の沈下特性は,一般に図ー9に示すような沈下曲線になる。すなわち盛土載荷による軟弱地盤の全沈下量Sは,盛土築造時に生ずる即時沈下Siと圧密沈下量Sc,およびクリープや二次圧密等による長期沈下量Ssとが加わったものになる。軟弱層が薄い場合や盛土高が高くない場合は,圧密沈下が早く終了したり,長期沈下量が比較的小さいことから,長期の沈下量はそれほど問題とならない。しかし,図ー8に示したようなピート層と粘土層,あるいは粘性土層が10~15m以上に厚く堆積して,しかも盛土高が高い場合には,沈下が長期にわたって生じる。

図ー10は,高速道路盛土で測定された供用後の沈下速度と軟弱層厚の関係を示したものである2)。供用後の沈下量として,軟弱層厚の厚い所では30~100cm程度の沈下が生じている。また,長期沈下係数β(Ss=βlog t/to)は,1~3.5%程度の値のものが多いことを示している。以上のように長期沈下量が大きくなると予想される箇所では,図ー9に示した残留沈下量をできるだけ少なくする対策を講じた後に,構造物を築造するように努めることが大切である。

3.2 長期沈下対策
軟弱地盤などの残留沈下が問題となる箇所における許容の残留沈下量は,道路盛土では10~30cm(盛土中央部における舗装後3年間),鉄道盛土および造成地盛土では,供用開始時点でそれぞれ10cm,10~20cmを一応の目安としている。
このような残留沈下量を少なくする対策工法としては,次に示すものが多く用いられている。
a)載荷重工法
載荷重工法は,事前に軟弱地盤を強制的に沈下させた後に,構造物を造って,その沈下を軽減させる工法である。載荷重工法には,サーチャージ工法とプレローディング工法とがある。サーチャージ工法は,図ー11に示すような計画盛土荷重に△Pのサーチャージ(余盛り)荷重を加えて,一定期間放置した後に,△Pを取り除き構造物等を築造するものである。従って,余盛りしたサーチャージ荷重によって地盤の圧密が促進されるため,残留沈下量を小さく抑えることができる。サーチャージ荷重および放置期間は,地盤の条件や盛土の規模,許容値等によって異なるが,通常盛土高として2m程度を標準とし,時間的には3~12ケ月程度の放置期間を要することが多い。また,図ー11に示した残留沈下比は,T.D=(放置期間)/(層厚)に関係し,T.D=2ならば,残留沈下比が5%程度以下に抑えられるという結果が得られている5)

次に,プレローディング工法は軟弱地盤で支持杭等を有しないカルバートやパイプなどの構造物を施工する箇所に適用される工法で,構造物の施工に先立って盛土した荷重を,ある放置期間後に除去し,構造物を築造するものである。日本道路公団等のボックスカルバートでは,図ー12に示すようなプレローディングが実施されている2)。盛土の形状としては,計画盛土高に2m程度の余盛りを行うものとし,放置期間は残留沈下量が許容値以下になるように定める。なお,残留沈下量が大きいと予想される場合には,縦断方向に残留沈下量に対応するだけの上げ越しを行って,残留沈下が終了したときに所定の計画高になるようにすることが望ましい。また,将来カルバートの機能に障害が生じないように,カルバートの内空断面に余裕を見込んでおくことも,維持管理のうえで大切である。

b)バーチカルドレーン工法
バーチカルドレーン工法は,地盤の圧密を促進させ,土のせん断強さの増加も早く期待できるので,地盤の圧密促進や盛土の安定に有効である。従って,バーチカルドレーン工法と前述の載荷重工法とを併用すると,効果が一層期待できる。
バーチカルドレーン工法には,サンドドレーン工法や袋詰めサンドドレーン工,砕石ドレーン工法,カードボードドレーン工法などの各種のエ法がある。なお,地盤の沈下一時間関係は,地盤の性状等によっては予測しがたい点もあるので,施工に際しては動態観測を十分行って,除荷後の残留沈下量や除荷時期などを決定するとよい。
c)軽量盛土工法
載荷重工法を適用した地盤や不同沈下が発生している盛土区間等では,盛土の一部を掘削して軽量盛土材で置き換えることにより,載荷重を加えることと同等の効果が得られる。ここで置き換えた盛土の深さに,盛土材と軽量盛土材との単位体積重量の差を掛けたものが,載荷重の効果としてみなすことができる。

4 構造物基礎の地盤処理
軟弱地盤上にカルバートや樋門,樋管,あるいは擁壁等の構造物を造る場合には,地盤の過大な沈下や不同沈下によって構造物が変形したり,破損したりして,その機能が著しく損われることがある。このため,基礎杭等で構造物を支持して,構造物を安全に築造し,その機能を保持することが行われてきている。
一方,軟弱層が厚い箇所では,カルバートや樋管等を支持するために,長尺の杭が必要とされる。また,盛土を行った場合に地盤の側方流動によって,継手が開いたり,あるいは図ー13に示すような盛土荷重による地盤の長期沈下によって,構造物の抜け上りや段差などの不同沈下が生ずることがある。さらに,盛土との不同沈下によって構造物底部に空洞が発生したり,構造物上面に鉛直土圧より大きい付加土圧が作用することがある。また,杭に大きなネガティブフリクションが作用して,先端部が支持層にめり込み,構造物が沈下したり,杭の抜け上りなどによって構造物が破損する場合もある。
そこで,最近では地盤の条件や構造物の機能に応じて,基礎杭を有しない,次に示すような地盤処理や構造物の構造に工夫を加えたもので対処する方法が採用されるようになってきている。

a)載荷重工法とバーチカルドレーン工法による圧密促進
3.2の長期沈下対策のところで述べた方法が用いられている。道路のカルバートだけでなく,最近では河川の樋門等の構築にも採用されている12)
b)固結工法と補強土工法との併用
ボックスカルバート等の基盤地質を深層混合処理などの固結工法によって処理し,その支持力を得るとともに,盛土と構造物との不同沈下を軽減するために,盛土の上部あるいは路床部等にジオテキスタイルまたは金網等の補強材を敷設して,沈下にできるだけ追従できるようにする。図ー14は,ボックスカルバートにおける固結工法と敷網工との併用例を示したものである13)。この場合は,盛土の安定と沈下の対策としてバーチカルドレーン工法が採用されており,ボックスカルバートの埋設部分は盛土高が8m程度で高く,軟弱層厚も大きいことから,深層混合処理によって地盤改良し,盛土部には敷網工を2段にわたって施工した。固結工法による改良部の沈下は10cm程度を見込んで設計したが,動態観測の結果から盛土完成後のボックス部の沈下は5~10cm程度のほぼ一定の値のものが得られた。また,供用後の路面状況は,わずかな凹凸がある程度で,走行上は問題ないという結果も得られているようである。

また,図ー15は,下水道管等の埋設管を設置する際に,基礎地盤の処理として固結工法を採用した例である。固結工法による改良柱体の間の不同沈下を軽減する目的で,埋戻し部分の底部にジオテキスタイルが敷設されている。さらに,本特集号にも取り上げられているように,函渠の基礎としてジオテキスタイルを用いた浮基礎工法等も施工されている。

c)柔構造・柔支持の樋管
河川堤防に設置される樋管について,盛土との不同沈下を少なくする構造として,図ー16に示すような地盤の沈下に追従できる柔構造,あるいは柔支持の樋管が構築され始めている。この工法の基本的な考え方は,従来の支持杭を有するものに比べると,樋管の沈下を許容することを原則としている9)。従って,図ー16に示したように樋管は地盤沈下に追従できるように分割し,それぞれ分割した樋管のブロックはPC鋼棒等の緊張材で連結する。また,継手部はゴム等による可撓継手や弾性継手とし,分割ブロックの継手部の下部の開きは,ゴム等の伸びによって止水性を確保する構造になっている。

一方,写真ー6に示すような柔構造の鋼製樋管も開発されている。この樋管は,鋼製であることから,上載荷重による伸びが期待でき,地盤の変形に対してもある程度追従できる。従って,載荷重工法と併用すると,その効果が一層期待できる。なお,鋼製樋管の場合は,鋼製の水門と一体にして構築することもでき,施工が容易で,早期にでき,しかも軽量の構造とすることもできる。

また,地盤との沈下と追従しやすい構造形式のものとして,写真ー7に示す三角形樋管が施工されている。この樋管の特徴は,三角形の形状をしているため,上載圧によって樋管が地盤にめり込むようになることから,樋管の周囲や底部に空洞等が生じないことなどが挙げられる。
いずれにしても,柔構造・柔支持の樋管の場合は,地盤の沈下に追従できる構造となっていることから,その沈下量に見合った断面を確保するように当初から設計しておくことが大切である。

d)擁壁基礎の地盤改良
軟弱地盤上に擁壁を築造する場合には,一般に基礎として支持杭が用いられるが,軟弱層が厚い場合や背面盛土が高い場合には,杭に多大な支持力を必要とすることがある。このため,地盤の性状や擁壁の規模によっては,地盤改良によって支持力を増大させ,擁壁を構築する方法が用いられている。
図ー17は,東京湾岸道路の羽田地区の超軟弱地盤である埋立地で,深層混合処理工法によって地盤改良を行い,その上に高さ6.3mの逆T擁壁を施工した例を示したものである8)。この地区は,プレロードとバーチカルドレーン工法によって,あらかじめ地盤が改良されており,擁壁下の上部粘土層を深層混合処理工法で改良したものである。深層混合処理工法によって改良した部分は,擁壁を支持するとともに,背面盛土によるすべりや側土圧に対して安定であるように,改良柱体のせん断強さや改良幅が決められている。なお,下部粘土層は土質改良が行われていないため,施工時には,擁壁の変位や沈下などを計測しながら工事を進めた。その結果,擁壁等に大きな変位や沈下が生ずることなく,ほぼ満足できるものが得られている。

5 掘削粘性土の有効利用
建設事業の進展に伴い,発生する残土は年々増大しており,その一方では残土の処分地の確保が困難になってきている。ここで,建設工事に伴って発生する残土には,種々の土があるが,砂質土などの比較的良質の土は,そのまま他の建設事業への流用が可能である。粘性土やヘドロ,掘削泥水などの高含水比の土は,そのままでは施工機械のトラフィカビリティーを確保することがむずかしいことや,捨土するための運搬時に土が流動するなどの取り扱いが困難な場合が多い。そのような土を脱水,あるいは各種の固化材などを用いて土質改良を行い,その品質を高めることによって図ー18に示すような他の建設事業に再利用できれば,残土の処分の解決に役立つとともに,良質土の代替えとして省資源の観点からも得策である。そのような高含水比の粘性土の有効利用の1例として,写真一8はジオテキスタイルを用いた円筒形の袋に霞ケ浦のヘドロを投入して,地盤の変形等に追従できる可撓性の護岸を施工した例を示したものである。このような掘削した高含水比の粘性土の処分と合わせて,その有効利用が今後一層望まれる。

6 おわりに
最近の軟弱地盤対策の問題点,ならびにその新しい対策について,盛土等の土構造物の築造を主にしていくかの方法を示した。軟弱地盤処理工法については,一層の確実性を増すための技術開発が望まれる。すなわち,改良地盤の不均質性をできるだけ少なくするための施工方法の改良や,改良地盤の特性や改良効果を判定するための調査法の確立,あるいは信頼性の向上を図るための施工の合理化などが今後一層期待される。

参考資料
1) 日本道路協会:道路土工ー軟弱地盤対策工指針,丸善,昭和61年11月
2) 日本道路公団:設計要領,第一集,第1編 土工,1983
3) 土木研究センター:土木新材料要覧,平成3年3月
4) 土質工学会編:近接施工,土質基礎工学ライブラリー34,1989.9
5) 土質工学会編:盛土の調査・設計から施工まで,現場技術者のための土と基礎シリーズ4,平成2年7月
6) 土質工学会編:設計における強度定数一c,φ,N値ー,土質基礎工学ライブラリー32,昭和63年5月
7) 土質工学会九州支部:地盤と構造物の不同沈下とその対策一九州における事例解析一,平成3年6月
8) 国土開発技術研究センター:羽田道路施工検討業務委託報告書,平成3年3月
9) 国土開発技術研究センター:軟弱地盤上の樋門・樋管設計の手引き(案) ,平成3年12月
10) 近藤 正,久楽勝行他:道路土工 (Ⅱ)  軟弱地盤処理,道路実務講座5,山海堂,昭和59年1月
11) 久楽勝行:軽量盛土工法の特徴とその適用,基礎工,Vol.18,No.12,1990.12
12) 服部辰美:勢濃排水樋門軟弱地盤処理,土木技術,Vol.46,No.2,1991.12
13) 門田信一,外山正人:狭小谷軟弱地盤における高盛土の施工,土木技術,Vol.46,No.2,1991.12

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