地盤の極限状態における平衡に関する研究

地盤 の極 限状態 における平衡 に関す る研究

川   崎 栄 久

要     旨

構造物 を構築す る場合 ,地 盤の安定性 を考 えなければな らない。地盤の安定問題 には構造物の基 礎 の支持力 ,}ノ 雅壁や山留めに作用す る土圧 の釣 り合い ,斜 面の安定 な どがある。

これ までの地盤の安定性 を検討す る場合 は地盤 を剛塑性体 と仮定 して極限平衡 ^(釣 り合い )法 に よって解かれ ,理 想的な地盤条件の下で計算 され る。実際の地盤 は粘性土か ら砂質土 まで広 く存在 す るので ,計 算 による予測値 と実現象が乖離 している場合が多い。 これは実現象の破壊 メカニズム が仮定 された円弧滑 り面 と必ず しも整合 しないためである。設計時の計算値 と施工時の実測値 に整 合 を持たせ るには ,地 盤の破壊 メカニズムを解明す る必要がある。地盤 の力 と変形 の非線形な関係

を明 らか にす ることが支持力の予測方法の精度の向上 に資する。

本研究では地盤の硬軟 の両極端である ,超 軟弱粘性地盤 と砂地盤 を取 り挙 げた。山留め・掘削工 におけるヒー ビング現象 と直接基礎や杭基礎先端の地盤支持力の評価方法 を対象 に ,  これ らの地盤 の安定問題 を上槽実験 ,三 軸試験 と平板載荷試験等か ら解明することとした。

軟弱地盤の山留 め・ 掘削工 におけるヒー ビング現象 は ,掘 削底面下土塊の滑 りに対す る抵抗モー メン トが掘削底面か ら地表面 までの滑 リモーメン トよ りも小 さいために発生する とされている。超 軟弱地盤 にお けるヒー ビング現象の対策 について多 くの研究が行 われてい るが ,実 際の掘削で は ヒー ビングの発生が危惧 され る場合 にはセメン トな どによる地盤改良工法で ,掘 削工事 を完了 させ ている。超軟弱地盤の力学的な特性 を正 しく評価せずに地盤の固結 に頼 ることは合理噛であるとは 言い難 く ,性 能設計 に向かいつつある地盤工学 に とって地盤の変状予測 に応 じた抑止策 を採用 して い くことが必要 と考 える。

以上の考 え方 に基づいて超軟弱地盤 におけるヒー ビング現象の予測 と評価 のために土槽実験 を実 施 した。 その結果 ,  ヒー ビング現象 は掘削によ り ,土 圧 のバ ランスを崩 した地盤 の塑性流動である ことがわかった。 また ,ヒ ー ビングは掘削によって生 じる水頭差が もた らす掘削底面下の過剰間隙 水圧や地下水位の位置 とも深 い関わ り合 いがあることが認 め られた。超軟弱地盤 は粘弾性の性質 を 帯 びているので ,バ ネ とグ ッシュポ ッ トを組 み合わせた 5要 素固体モデルによって隆起量の予測が 可能であると考 えた。実測の隆起量 と時間の関係 に同モデル を適用 した結果 ,両 者 の関係 をほぼ近 似す ることが出来た。その結果か ら ,5要 素固体 モデルによる計算 は ,超 軟弱地盤 の変状予測 あるい は評価のために有力 な手法 と判断され る。 また ,弾 塑性法 と組 み合わせ ることで矢板 の変形 と地盤 の変状 を同時 に予測す ることも可能 となる。

次 に超軟弱地盤 の安定性 を確保す る方法 を検討 した。既存 の ヒー ビング抑止方法 には浅層 ,ま ^た は深層混合処理工法がある。 これは強度の低 い掘削底面土 をセメン トや石灰で固結す る方法で ,根

切 り底面が大平面でかつ大深度である場合 には地盤改良材 を多量 に必要 とす る。地盤の安定 に役立

学位記番号 と学位 :第 17号 ,博 ^士 (工 学

授与年 月 日    :平 成 15年 3月 20日

授与時の所属   :大 学院工学研究科土木工学専攻博士後期課程

八戸工業大学紀要   ^{第 23巻}

つ の は掘 削終 了時 に残 った改 良地盤 で あ るので ,掘 削地盤 中 に含 まれ るセ メ ン トは土 と共 に廃棄 さ れ る こ ととな っていた。

既存 の判定 方法 と抑止 方法 に対 して ,土 槽 実験 よ り判 明 した ヒー ビング現象 の発生 メカニズム に 基 づ き ,合 理 的で経済 的 な方法 を考案 した。一般 的 には緩速施工 で掘 削底面下 の過剰 間隙水圧 の発 生 を抑制 しなが ら主働 ,受 働 の土圧 のバ ラ ンス を取 りなが ら施工 す るのが よい。 また ,地 下水位 の 位 置 が ヒー ビング に大 き く影響 してい る ことか ら地下水位 を下 げ る ことも有力 な手法 で あ る。

さ らに ,抑 止杭群 お よび抑止杭群 +真 空 ス トレー ナー杭 を山留 め壁背面地盤 に挿入 す る方法 も考 案 した。抑 止杭 の期待 され る効 果 は主働土圧 を受 け持 つ ことで塑性流動 を阻止 す る ことで あ る。真 空 ス トレー ナー杭 の効 果 は抑止杭 の役割 に加 えて間隙水 の吸 引 に よ る有効 応 力 の増 加 とス トレー ナー杭周 りに吸引 によ り形成 された土柱 によ り流動幅 を狭 め る ことで あ る。

検 証 実験 は無対策実験 ,抑 止杭群実験 ,抑 止杭群 十真空 ス トレーナー杭 実験 の 3ケ _{ー スで あ る。無} 対 策実験 は掘 削直後 に地盤 の隆起量 と沈下量 は時間 との関係 で直線 的 に増大 したが ,時 間 の経過 と 共 に非線形 とな り ,収 束 した。抑止群杭 は掘 削直後 の直線 的 な隆起 と沈下 を抑 え ,非 線 形部分 の変 位 も減 少 した。抑止杭群 と真空 ス トレーナー杭 は抑止杭群 のみ と比較 して隆起量 を相対 的 に減少 さ せ たが ,沈 下量 は抑止杭群 と比較 して大 き くなった。 これ は地下水 の過剰 な吸引が原因で あ る。

砂地 盤 にお ける支持力 は Terzaghiの 仮 定 した破壊面 か ら基礎 直下 の主働 くさび ,対 数 らせ ん ブ ロ ック ,受 働 ブ ロ ックの抵抗力 との釣 り合 い によって発現 され る。 Terzaghiの 支持 力公式 は地盤材 料 を剛塑性体 とし ,強 度定 数 (C,φ )も 一定 として極 限支持力 を算定 す る もので あ る。実地盤 の破 壊 は進行 破壊 が多 く ,滑 り線 どお りにすべ らない場合 が あ る こと ,拘 束圧 の増加 に よって砂粒 子が 破砕 を生 じて φ の値が減少す る こと ,地 盤 の強度が異方性 を有 してい る こ とな どか ら支持力 は計 算 値 と必 ず し も一 致せ ず支持 力 のメカニズム は解 明 されてい る とは言 い難 い。

本研 究 は中圧 三軸試験 を使 用 して ,拘 束圧 に よ り粒 子破砕 を生 じる砂 の非線形 なモール・ クー ロ ンの破壊条件 を定式化 す る こと ,C,φ の変動 を考慮 した支持力公式 を提案 す る こと ,考 案 した支持 力公 式 に よる算定値 と平板載荷試験 に よる極 限支持力 との整合性 を検証 す る ことを目的 とした。三 軸 圧縮 試験 の結果 に よる と拘束圧 が高 い場合 ,主 応 力差 の ピー クが現 れて も正 のダイ レイタ ンシー は現 れ なか った。 これ よ り基礎直下 の主働 くさび は圧縮破壊 して対数 らせ んの滑 り線 は生 じに くい と推察 され る。

以上 の研究 によって ,超 軟 弱地盤 の ヒー ビング現象 に対 す る予測 方法 と抑止 方法 ,砂 地 盤 にお け る支持力 の予測 方法が合理化 で きる。地盤材料 を一律 に剛塑性体 と仮定 して力やモー メ ン トの釣 り 合 い を求 め る極 限平衡 法 に頼 るので はな く ,力 と変形 の非線形 な関係 を解 明す る こ とによ り ,実 地 盤 の安 定性 を確保 す る ことがで きる。

軟 らか い地盤 と固い地盤 の力 と変形 の関係 を解 明 したので ,両 者 の中間 にあ る上 の安 定 問題 も両 者 の力 学 的性状 を考慮 す る ことで解決 す ることがで きる。

主指導教員   塩 井幸武

Studies for the equilibriunl fo ground in the ultilnate state

Teruhisa KAWASAKI

Abstract

Ground stability is prerequisite in the construction of structures  Ground stabihty prob―

lems include the bearing capacity for structures, the balance of earth pressures at retaining walls and cofferdams,the stabilization of slope,etc  The conventional calculation rnethods for these problems assume ground as a rigid body and adopt the plastic equilibrium theory.

Regardless of the wide ranging size of ground from clay to sand,these methods such as the circular slip method cannOt explain the actual failure mechanis■ l precisely.  For the agreement between calculation and phenomena,it is necessary to clarify the failure mechanism and the non― hnear relation bet、 「 、 een load and deformation of ground,which should contribute to a rnore accurate estirnation of bearing capacity  This study, concentrates on t、 ユ 、 ア o extreme objects, very soft ground and sandy ground in the ultilnate state.  One is heaving at a corerdanl on very soft grOund and the other is bearing capacity of spread foundation and pile tip  These themes are explained through model tests, loading tests at site, triaxial compression test etc  the generation of heaving is dependent on smaner resistant moment under the bottoni rather than shding moment frOni the outer surface.  If there is a danger Of heaving,a consohdation method with cement for the inner grOund is adopted to complete excavation although various counter‐

measures are devised for heaving  These traditional rェ ュ ethods are not satisfactory regardless of site excavation for the mechanical properties of very soft ground  lt is necessary to select a proper measure corresponding to estimate deformation is accordance  ^■ア ith the current geotechniques that ailn at performance― based design.

To solve the above―mentioned problems, we performed a series of model tests for the prediction and estirnation of heaving on very soft ground  As a result, the phenomenon of heaving was related to excavation  lt was also recognized that heaving is strongly related to excess pore water pressure beneath the excavation bottoln,and the level of ground water  As a result the 5 elements sohd model was apphed to the actualrnovement and∬ ハ ras very usefulin pedicting and estilnating the deformation of very soft ground.  Furthermore,it was possible to predict the deformation of sheet piles and ground in combination、 vith an elasto― plastic rnethod.

Then,the stabili3ation rnethod at excavation on very soft ground、

as investigated.  The rnain traditional rnethod for the prevention of heaving is the sha1low or deep nlixing lnethod,which Hlixes weak ground、 vith cement or lilne and requires rlluch material in cases of wide or deep excavation,  Since the effective part for grOund stability is the improved ground remaining after excavation,the cement included in excavated soil、 vas discarded together with the soil

Fronl the model tests,reasonable and econoHlical rnethods for the prediction and preven‐

八戸工業大学紀要   第 23巻

tion of heaving ttrere devised  ln general cases,slow step excavation,controning the genera‐

tion Of excess pore、 vater and the balance of active and passive earth pressure,pressure under the excavated bottonl,and lowering of ground、

ア ater level are practical rnethods to prevent of heavlng

Also,restrain group piles and those、 、 ア ith vacuuna strainer piles driven into the background of a cofferdanュ 、 vere proposed  The restraint group piles are expected to receive active earth pressure and to prevent the settlement of background.  The vacuuna strainer piles increase the ettective stress of the ground by the absorption of pore water and narroM/the nowing width betⅥ π een piles by a soil column、 、 ア rapped arOund the piles in addition to the roll of the roll of group piles.  Three cases of verincation test、 vere performed fOr no measure,restraint group piles and those with vacuum strainer plles  The upheaval and settlement in the no measure test increased linearly up to a substantial amount after excavation and ceased non― hnearly after tilne had elapsed.  The group piles restrained the amOunt of upheaval and settlement both in hnear and non― linear parts  The group piles and the vacuum strainer plles greatly de―

creased the amount of upheaval but could not restrain the amount of settlement compared to the group piles,depending on the strong absorption of ground、 vater  According to Ter3aghi' s theory,the bearing capacity of sandy ground reveals,based on resistance combination with the active cone under the bottom and logarithmic spiral and passive earth pressure blocks The theory calculates the ultilnate bearing capacity under the presumption that the ground materials are rigid plastic and have constant cohesion and frictional angle values,  Ho、、 ア _ever, the actual bearing capacity is not always equal to the calculated value depending on the fact that rnany raptures are progressive,that the sliding lines are not silnilar to thOse presumed and that the value of the frictional angle decreases depending on the breakage of sand particles,as wen as the strength of the grOund having anisotropical properties  TherefOre,it is dimcult t。

connrnl、、 ァ 1lether the mechanism of bearing capacity has been resolved

This study aillled at the foundation of the non― linear rapture condition of sand byふ /1ohr―

Coulomb depending on particle breaking― up by connned pressure, the proposal of bearing capacity calculation considering variable values of cOhesiOn and frictional angle, and the conarmation of correspondence between the ultimate bearing the capacity ofloading test at site and the calculated value froni the newly proposed fOrmula.

According to the triaxial compression test,particle dilatancy is not revealed at the peak of principal stress difference under a strong cOnaned stress.  It measures the active cone beneath the foundatiOn breaking under compression and the logarithrllical spiral line is barely evident  Based On the above― mentioned studies, the prediction and restraint methods for bearing capacity of sandy ground can be realized.  GrOund stability can be obtained to satisfy the non― hnear relation between force and deformation,not depending on the ultimate equilib‐

rium method based on the balance of forces or lnoments that equally presume ground material as rigid plastic bodies.

Since the relations betMreen force and deformatiOn of very soft ground and hard ground are

clear,it is possible to resolve stability problems Of the intermediate solls bet■ veen both types

of ground considering of each mechanical propertỳ

Professor(Chairperson) Yukitake SHIOI