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技術 掘削壁面の安定性評価方法

出願人 株式会社大林組
発明者 佐藤眞弘矢部文生渡邉康司藤井太志
出願日 2015年7月27日 (4年1ヶ月経過) 出願番号 2015-147666
公開日 2017年2月2日 (2年7ヶ月経過) 公開番号 2017-025654
状態 特許登録済
技術分野 根切り,山留め,盛土,斜面の安定 地下構造物、基礎の保護・試験・修復
主要キーワード 完全塑性 増分法 部材力 ポアソン比ν 破壊機構 いすべり 低減係数 節点変位
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年2月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

既設地中構造物近接して掘削壁面が存在する場合に、せん断強度低減有限要素法を用いて、掘削壁面の安定性評価と、地盤掘削による周辺地盤および既設地中構造物への影響評価を実施することの可能な、掘削壁面の安定性評価方法を提供する。

解決手段

既設地中構造物、およびこれと隣接する掘削壁面を含む解析対象エリアに有限要素法に基づく解析モデルを設定し、前記掘削壁面の安定性をせん断強度低減有限要素法にて評価する、掘削壁面の安定性評価方法であって、前記解析モデルの、前記既設地中構造物の外面をなす要素と接触する地盤をなす要素を、物性値調整要素として置き換え、該物性値調整要素に、前記既設地中構造物のヤング率より小さく、該物性値調整要素と隣接する前記地盤をなす要素に付与したヤング率より大きくなるように調整した調整ヤング率を付与する。

概要

背景

従来より、地中連続壁場所打ち杭等の施工開削を伴う地中構造物構築するにあたり、掘削溝杭孔等における掘削壁面の安定性を評価する手法の1つとして、任意の斜面形状土質不均質性間隙水圧の存在など多様な条件下の斜面の安全率を精度よく算出することの可能な、せん断強度低減有限要素法SSR−FEM)が採用されている。

せん断強度低減有限要素法は、非特許文献1にて開示されているように、すべり面仮定せずに、かつ極限平衡法に基づく安全率の概念矛盾しない系全体の安全率を求めることができる手法である。また、掘削壁面近傍の地表面に既設構造物施工機械などの荷重が作用する際においても、これら上載荷重を条件に含めた上で掘削壁面の安定性を評価することが可能な手法である。

概要

既設地中構造物近接して掘削壁面が存在する場合に、せん断強度低減有限要素法を用いて、掘削壁面の安定性評価と、地盤掘削による周辺地盤および既設地中構造物への影響評価を実施することの可能な、掘削壁面の安定性評価方法を提供する。既設地中構造物、およびこれと隣接する掘削壁面を含む解析対象エリアに有限要素法に基づく解析モデルを設定し、前記掘削壁面の安定性をせん断強度低減有限要素法にて評価する、掘削壁面の安定性評価方法であって、前記解析モデルの、前記既設地中構造物の外面をなす要素と接触する地盤をなす要素を、物性値調整要素として置き換え、該物性値調整要素に、前記既設地中構造物のヤング率より小さく、該物性値調整要素と隣接する前記地盤をなす要素に付与したヤング率より大きくなるように調整した調整ヤング率を付与する。

目的

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、既設地中構造物に近接して掘削壁面が存在する場合において、せん断強度低減有限要素法を用いて、掘削壁面の安定性評価と、地盤掘削による周辺地盤および既設地中構造物への影響評価の両者を実施することの可能な、掘削壁面の安定性評価方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

既設地中構造物、およびこれに近接する掘削壁面を含む解析対象エリア有限要素法に基づく解析モデルを設定し、前記掘削壁面の安定性せん断強度低減有限要素法にて評価する、掘削壁面の安定性評価方法であって、前記解析モデルの、前記既設地中構造物をなす要素に接触する地盤をなす要素を、物性値調整要素として置き換え、該物性値調整要素に、前記既設地中構造物のヤング率より小さい値に調整した調整ヤング率を付与し、前記既設地中構造物と前記地盤との境界表現することを特徴とする掘削壁面の安定性評価方法。

請求項2

請求項1に記載の掘削壁面の安定性評価方法において、前記調整ヤング率が、前記既設地中構造物のヤング率と、前記物性値調整要素と隣接する前記地盤をなす要素に付与したヤング率との間に位置する値に調整されること特徴とする掘削壁面の安定性評価方法。

技術分野

0001

本発明は、既設地中構造物近接する掘削壁面の安定性評価方法に関する。

背景技術

0002

従来より、地中連続壁場所打ち杭等の施工開削を伴う地中構造物構築するにあたり、掘削溝杭孔等における掘削壁面の安定性を評価する手法の1つとして、任意の斜面形状土質不均質性間隙水圧の存在など多様な条件下の斜面の安全率を精度よく算出することの可能な、せん断強度低減有限要素法SSR−FEM)が採用されている。

0003

せん断強度低減有限要素法は、非特許文献1にて開示されているように、すべり面仮定せずに、かつ極限平衡法に基づく安全率の概念矛盾しない系全体の安全率を求めることができる手法である。また、掘削壁面近傍の地表面に既設構造物施工機械などの荷重が作用する際においても、これら上載荷重を条件に含めた上で掘削壁面の安定性を評価することが可能な手法である。

先行技術

0004

弾塑性FEMによる斜面の全体安全率の計算法土質工学論文報告集、Vol.29、No.2、pp.190−195、1989

発明が解決しようとする課題

0005

しかし、例えば構築しようとする地中連続壁に近接して既設基礎構造物が存在する場合、施工中における掘削壁面の安定性を上記のせん断強度低減有限要素法にて評価しようとすると、掘削壁面から連続するすべり面が形成される前に、既設の基礎構造物と地盤との間に先行して破壊機構が形成される等して計算が発散してしまい、精度よく掘削壁面の安定性を評価することが困難であった。

0006

一方で、既設の基礎構造物近傍にて地盤掘削を行うと、周辺地盤や基礎構造物に影響を及ぼす可能性が高いが、これらの影響による周辺地盤の変形や基礎構造物の支持機能への影響等をせん断強度低減有限要素法にて評価することができなかった。

0007

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、既設地中構造物に近接して掘削壁面が存在する場合において、せん断強度低減有限要素法を用いて、掘削壁面の安定性評価と、地盤掘削による周辺地盤および既設地中構造物への影響評価の両者を実施することの可能な、掘削壁面の安定性評価方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0008

かかる目的を達成するため本発明の掘削壁面の安定性評価方法は、既設地中構造物、およびこれに近接する掘削壁面を含む解析対象エリアに有限要素法に基づく解析モデルを設定し、前記掘削壁面の安定性をせん断強度低減有限要素法にて評価する、掘削壁面の安定性評価方法であって、前記解析モデルの、前記既設地中構造物をなす要素に接触する地盤をなす要素を、物性値調整要素として置き換え、該物性値調整要素に、前記既設地中構造物のヤング率より小さい値に調整した調整ヤング率を付与し、前記既設地中構造物と前記地盤との境界表現することを特徴とする。

0009

また、本発明の掘削壁面の安定性評価方法は、前記調整ヤング率が、前記既設地中構造物のヤング率と、前記物性値調整要素と隣接する前記地盤をなす要素に付与したヤング率との間に位置する値に調整されること特徴とする。

発明の効果

0010

本発明によれば、既設地中構造物に隣接して掘削壁面が位置する場合に、地盤と既設地中構造物との境界を、調整ヤング率を付与した物性値調整要素にてモデル化した解析モデルを用いて解析することで、地盤と既設地中構造物の剛性差が大きいことに起因する破壊機構が、解析モデルの他のエリアに生じる破壊機構よりも先行して形成されることがなく、掘削壁面近傍の地盤に対して実挙動に近いすべり面を形成することができる。

0011

これにより、掘削壁面の安定性を、既設地中構造物が掘削壁面に及ぼす影響を加味した上で、高い精度で評価することが可能になるとともに、地中掘削が周辺地盤や既設地中構造物に与える影響を評価することも可能となる。

図面の簡単な説明

0012

地中連続壁構築予定対象エリアを示す図である。
せん断強度低減有限要素法にて解析する解析モデルを示す図である。
基礎杭と地盤の境界を物性値調整要素にてモデル化した様子を示す図である。
せん断強度低減有限要素法にて解析した結果を示す図である。
遠心模型実験にて、基礎杭に隣接する掘削壁面の近傍にすべり面を発生させた際の画像解析図である。

実施例

0013

以下、本発明の掘削壁面の安定性評価方法を、図1図5を用いて説明する。
本実施の形態では、図1で示すように、地中連続壁1構築予定の対象エリアに、既設構造物2を支持する基礎杭3が存在する場合を事例に挙げて説明する。なお、構築しようとする新設地中構造物は、必ずしも地中連続壁1に限定されるものではなく、例えば、場所打ち杭など、施工に掘削を伴う構造物であれば、いずれの新設地中構造物を採用してもよい。また、既設地中構造物についても、必ずしも基礎杭3に限定されるものではなく、その他の基礎構造物や土留め壁等の対策工等、いずれの既設地中構造物を採用してもよい。

0014

掘削壁面の安定性評価方法は、基礎杭3等の既設地中構造物の近傍に、地中連続壁1等の施工に掘削を伴う新設地中構造物を構築する場合において、新設地中構造物の施工段階で構築される掘削壁面1aの安定性評価と、地盤掘削による周辺地盤の変形や基礎杭3の支持機能の低下等、既設地中構造物への影響をせん断強度低減有限要素法(SSR−FEM)にて評価する方法である。そして、このせん断強度低減有限要素法を採用するにあたり、本実施の形態では、3次元弾塑性地盤解析プログラムGA3Dを採用している。

0015

GA3Dは、地盤FEM解析の分野では広く知られた周知のプログラムであるため詳細は省略するが、降伏基準にMohr-Coulomb式、塑性ポテンシャルにDrucker-Prager式を用いた非関連流れ測に基づく弾完全塑性モデルであって、非線形方程式解法として増分法修正Newton-Raphson法を組み合わせた混合法を用いている。

0016

入力物性値は、少なくとも地層条件、各地層に対応する土質条件(ヤング率Es、ポアソン比ν粘着率c,内部摩擦角φ,ダイレタンシー角ψ,単位体積重量γ等)、地下水位安定液水位ガイドウォール1bの有無(有りの場合には、厚さ、地表面からの深さ、材料定数(ヤング率、粘着力))、掘削壁面1aの近傍地表面に荷重が作用する構造物の有無(有りの場合には、分布荷重座標単位面積当たりの荷重)、掘削壁面1aの近傍地表面に作用する線荷重の有無(有りの場合には集中荷重の作用位置と大きさ)、である。なお、地盤のヤング率Esは、例えば砂質土で2000N(kN/m2)程度、粘性土で4000N(kN/m2)程度である。ここで、Nは、標準貫入試験によるN値を指す)。

0017

解析モデル4を設定する範囲としては、一般に、構築しようとする新設地中構造物が地中連続壁1である場合には、その長さをLとしたとき、X軸方向を地中連続壁1の長さLの2倍以上、Y軸方向を地中連続壁1の長さL以下、Z軸方向には地中連続壁1の掘削深さ以上が採用される。なお、解析モデル4の設定方法は、必ずしもこれに限定されるものではなく、X方向に発生するすべり面を形成することのできる範囲であれば、いずれに設定してもよい。

0018

また、解析モデル4のメッシュ分割方法は、解析目的に応じて適宜分割幅分割数を調整すればよい。なお、本実施の形態では、図2で示すように、掘削壁面1aからX軸方向に間隔を徐々に広げて分割、Y軸方向は均等分割、Z軸方向は、掘削壁面1aにおいてはらみ出しが生じる可能性のある高さ範囲と地下水位5の近傍の高さ範囲を細かく分割し、その他の高さ範囲を均等分割する等して、挙動を把握したい範囲を細かく分割する構成としている。

0019

ところで、本実施の形態では、先にも述べたように、地中連続壁1の構築予定エリア近傍に、既設構造物2を支持する基礎杭3が存在している。このため、基礎杭3の位置、径、深さ、本数、配置間隔等の実測値から、解析モデル4における掘削壁面1aからX方向の距離を決定してソリッド要素によりモデル化し、基礎杭3の物性値(ヤング率E,ポアソン比ν等)を入力する。なお、基礎杭3のヤング率Eは、例えば鋼管造で2.1×108(kN/m2)程度、コンクリート造で2.1×107(kN/m2)程度である。

0020

また、本実施の形態では、地下水位5以浅の地盤を上載荷重として置き換え、解析モデル4の地下水位5と等しい面5aの全面に分布荷重として作用させる。ただし、本実施の形態においては、上述のモデル化によって解析を実施した。しかし、モデル化の方法は、この方法限りでない。さらに、既設構造物2の荷重は、基礎杭3各々に集中荷重として作用させる。なお、既設構造物2の荷重は、4本の基礎杭3で囲まれる範囲に分布荷重として作用するものと仮定してもよい。

0021

こうして設定した解析モデル4に対して、地中連続壁1内における安定液6の水位を段階的に低下させ、水位を低下させたステージごとに、せん断強度低減法(SSR)による全体安全率Fの算出とすべり面の推定を行う。なお、解析結果として、節点変位、要素のひずみ、要素の応力等、有限要素法にて一般的に得られるアウトプットは当然のこと、基礎杭3の部材力および部材に生じるひずみを把握することも可能である。

0022

具体的な解析手順は、地盤のせん断強度パラメーターのc’とφ’を仮想的に低減係数frでcr’とφr’に低減し、低減係数frを徐々に大きくすることで仮想的なせん断強度を低下させ、降伏域が掘削壁面1aから地下水位5と等しい面5aまで連続的に連なるすべり面を形成させる。そして、すべり面が形成される直前の低減係数frを全体安全率Fとするものである。なお、一般的には、低減係数frを0.01ずつ大きくする。

0023

ところで、上記の解析モデル4では、基礎杭3と地盤との剛性差が大きいことが一因となり、掘削壁面1aから地下水位5と等しい面5aまで連続的に連なるすべり面が形成される前に、基礎杭3と地盤との境界に先行して降伏域が連続し破壊機構が形成される現象が起きやすい。

0024

このような、地盤と地中構造物のように物性値が大きく異なる要素が隣り合う場合において、有限要素法では一般に、これらの境界を表現するべくモデル化する手法として、両者の間に薄層要素を設ける方法、両者の間をバネつなぐ方法、インターフェース要素を設ける方法等、様々な方法が提案されている。これに対して、本実施の形態ではこれら地盤と基礎杭3の相互作用問題に対して、物性値調整要素7を設けることで対応する点が大きな特徴である。

0025

つまり、図3の解析モデル4の断面図で示すように、地盤をなす要素4bのうち、基礎杭3をなす要素4aと接触する地盤をなす要素4bを物性値調整要素7と置き換え、この物性値調整要素7に調整ヤング率を入力することで、基礎杭3と地盤との境界が先行して破壊する現象を抑止する。ここで、物性値調整要素7に入力する調整ヤング率は、基礎杭3と地盤の剛性差を小さくすることを目的としていることから、基礎杭3のヤング率Eと、物性値調整要素7と隣接する地盤をなす要素4bに付与されているヤング率Esとの間に位置する値となるように調整されている。

0026

そして、好ましくは、基礎杭3をなす要素4aと地盤をなす要素4bの剛性差に起因する破壊機構が、解析モデル4の他のエリアに生じる破壊機構よりも先行して形成されることがなく、かつ、掘削壁面1aから地下水位5と等しい面5aまで連続的に連なるすべり面が精度よく形成されるよう、最適な数値を調整するとよい。

0027

なお、解析対象の地盤に複数の地層が存在する場合には、地盤のヤング率Esが地層ごとで異なることから、複数の物性値調整要素7各々と隣接する地盤をなす要素4bに付与されているヤング率Esもそれぞれ異なる場合が想定される。この場合には、物性値調整要素7ごとで、基礎杭3のヤング率Eより小さく、物性値調整要素7と隣接する地盤のヤング率Esより大きい値であって、最適な数値に調整した値を調整ヤング率として算定し、これを付与するとよい。ただし、算定した調整ヤング率が複数の物性値調整要素7ごとで似通っている場合には、算定した調整ヤング率の中で選択した1つの調整ヤング率を代表値として、これをすべての物性値調整要素7に入力してもよい。

0028

また、解析対象の地盤に複数の地層が存在する場合であっても、地盤条件が比較的良い場合(例えば、各地層のN値が30以上の場合)には、基礎杭3のヤング率Eの例えば1/100、地盤条件が比較的悪い場合(例えば、各地層のN値が30未満の場合)には、基礎杭3のヤング率Eの例えば1/1000という具合に、基礎杭3のヤング率Eを基準にしてこれより小さく、物性値調整要素7と隣接する地盤のヤング率Esより大きい値となるように調整ヤング率を決定し、この調整ヤング率を基礎杭3の外周を覆う物性値調整要素7すべてに入力してもよい。

0029

さらに、本実施の形態では解析モデル4において、物性値調整要素7を他の地盤をなす要素4bより薄層に形成し、地盤に占める物性値調整要素7の幅を小さくしているが、必ずしもこれに限定するものではなく、他の地盤をなす要素4bと同じ厚さの要素としてもよい。

0030

上記の物性値調整要素7を取り入れた解析モデル4を用いた解析結果を、図4に示す。図4(a)は、安定液6の水位がG.L.に等しい場合であり、安定液6の水位を段階的に低下させたものを図4(b)から図4(d)に示している。

0031

これを見ると、安定液6の水位がG.L.と等しい場合には、掘削壁面1aから地下水位5と等しい面5aまで連続的に連なる第1のすべり面8が形成されているものの、基礎杭3の周囲には降伏域が形成されておらず、基礎杭3が存在することによる地盤壁面1aの安定性への影響、地盤掘削による周辺地盤の変形および基礎杭3の支持機能への影響は、いずれも認められない。しかし、安定液6の水位が低下するにつれて、基礎杭3の周辺に降伏域9が発生して支持機能へ影響を与えるようになり、安定液6の水位がG.L.より0.9m低い図4(d)では、基礎杭3近傍に生じた降伏域9が連続して掘削壁面1aに向かって連なり、第2のすべり面10を形成しようとしている様子がわかる。

0032

これは、図5で示す遠心模型実験においても認められる現象である。遠心模型実験では、図5(a)の写真で示すように、地盤中に複数のターゲット11を均等配置し、地盤内水位を一定に保持した状態で、安定液を段階的に低下させている。そして、図5(b)の画像解析図で示すように、安定液の水位の変化に応じて変動するターゲット11の動きを画像解析し、その結果からすべり面を推定したものである。

0033

図5(b)の画像解析結果には、基礎杭3によらない第1のすべり面8と、基礎杭3近傍から掘削壁面1aへ向かって伸びる2つ目のすべり面10が形成されており、これら2つのすべり面は、本実施の形態における掘削壁面の安定性評価方法による解析結果と対応している。したがって、本実施の形態において掘削壁面の安定性評価方法は、掘削壁面1aの安定性を、基礎杭3が掘削壁面1aに及ぼす影響を加味した上で、高い精度で評価することが可能であるとともに、地中掘削が周辺地盤や基礎杭3の支持機構に与える影響を評価することも可能である。

0034

なお、本発明の掘削壁面の安定性評価方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

0035

1地中連続壁
1a掘削壁面
2既設構造物
3基礎杭
4解析モデル
4aをなす要素
4b地盤をなす要素
5地下水位
5a地下水と等しい面
6安定液
7物性値調整要素
8 第1のすべり面
9降伏域
10 第2のすべり面
11 ターゲット

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