そこでハイブリッドパイルと改良体の引抜き耐力算定式を

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(1)ハイブリッドパイルと改良体を用いた盤ぶくれ防止工法の開発竹中計行 1 深田和志 1 森正嗣 1 1. 正会員株式会社錢高組技術本部技術研究所研究員（〒163-1024 東京都新宿区西新宿 3-7-1 新宿パークタワー24 階）従来の盤ぶくれ対策には，土留め壁を下部の難透水層まで根入れする方法，地下水を汲み上げ揚圧力を低下させる方法，掘削底以深を地盤改良する方法がある．しかし，これらの方法では，経済面や施工面，周辺環境問題などから適用が困難となるケースが多い．そこで，引抜き杭と既存のジェットグラウト改良体を組み合わせた盤ぶくれ防止工法（以後 ZAOS-phm と呼ぶ）を錢高組，旭化成建材，大阪防水建設社，三信建設工業の４社で考案した．本報告は，ZAOS-phm の概要と，本工法の開発課題である引抜き杭とジェットグラウト改良体の引抜き耐力を求めるために行った試験 1)について報告するものである．. キーワード：盤ぶくれ，ハイブリッドパイル，地盤改良，杭，引抜き. １．はじめに近年，地下空間の重層的な利用が活発化しており，地下構造物の大深度化が進んでいる．地下空間の構築方法としては，シールド工事が主流であるが，この工事で不可欠なものは大深度掘削を伴う立坑である．しかし，都市部では地下水汲み上げ規制により地下水位が回復しているため，立坑工事においては掘削底面の安定確保が重要なポイントとなっている．掘削底面の安定には，「盤ぶくれ」，「ボイリング」，「ヒービング」があるが，大深度掘削では「盤ぶくれ」の安定確保が最も重要である．盤ぶくれ対策としては，土留め壁を下部の難透水層まで根入れする方法，地下水を汲み上げ揚圧力を低下させる方法，掘削底以深を地盤改良する方法がある．しかし，地盤条件によっては，土留め壁の根入れを長くする方法は経済面・施工面から採用できないケースがあり，また地下水低下工法は地盤沈下などの周辺環境問題から適用困難となる図-1 盤ぶくれ防止工法の概要. ケースが多い．その結果，底盤改良工法が採用されることが多いが，他工法と比較してコスト高となるため，経済的. そこでハイブリッドパイルと改良体の引抜き耐力算定式を. で確実な盤ぶくれ防止対策工の提案が望まれている．そこで盤ぶくれ防止対策として，図-1 に示すように，既. 考案するため，室内で引抜き模型試験を行った．そして，その. 存の超高圧噴流液によるジェットグラウト改良体（以後，. 算定式の妥当性と施工性を確認するため現場での実物モデル. 改良体と呼ぶ）と引抜き杭（以後，ハイブリッドパイルと. の引抜き試験を行った．本報告は，盤ぶくれ防止工法の概要と. 呼ぶ）を組み合わせた ZAOS-phm を考案した．. ハイブリッドパイルと改良体の引抜き試験結果について報告. 本工法の開発にあたって，解決しなければならない技術課題. するものである．. は，ハイブリッドパイルと改良体の引抜き耐力を把握することである．ハイブリッドパイルは，地盤での引抜き事例はあるが，改良体との引抜き事例はない．. －197－.

(2) 改良体. ZAOS-phm. 底盤改良工法. 改良厚. スクリュー. 埋込み長さ. 付着力改良厚さ改良体重量. 付着力. 改良厚さ. パイル. 改良体重量引抜き力土砂重量. ファブリックシェル. 土砂重量透水層揚圧力. 定着長さ. 透水層揚圧力. 揚圧力. 図-2 底盤改良工法と ZAOS-phm の比較. 図-3. ハイブリッドパイル. ２．工法概要（２)試験方法図-2 に示すように，従来の底盤改良工法は，改良体や土. 模型試験で使用した試験装置を図-4 に示す．. 砂の重量と，土留め壁と改良体・土砂の付着抵抗とで揚圧. 供試体は，1/6 モデル，1/12 モデルではφ500 のボイド管. 力に抵抗する考えのため，改良厚さが数 m 以上と大きくな. を，1/38 モデルではφ150 のボイド管を用いて製作した．改. り対策費用が高額となっていた．これに対してZAOS-phm は，. 良体はコンクリートミキサーで，セメント，砂，粘土を混練. ハイブリッドパイルと改良体を併用して揚圧力に抵抗する. りし，ボイド管への充填はバイブレータを用いてボイド管の. 考えにより，改良厚さを従来の半分以下にすることができ. 外側をたたきながら行った．改良体のセメント量は，日本ジ. コスト低減を図ることが可能となる．. ェットグラウト協会の圧縮強度の設計基準値 2)（砂質地盤. ハイブリッドパイルとは，図-3 に示すように，杭下端に筒状の拡大球根部があり，杭頭部の改良体部分にはスパイラル状の鋼製羽根（以後スクリューと呼ぶ）が設置された. 3.0N/mm2・粘性土地盤 1.0N/mm2）を目標として，事前に行った一軸圧縮試験から決定した．また砂，粘土の配合は，一般的な土質条件での試験とする. 杭である．ハイブリッドパイルは下記の特長を持っている．. ため表-2 のように決定した．模型試験で使用したハイブリ. ａ)杭頭部は杭径の２倍程度のスクリューがあり，改良体と. ッドパイルは，鋼管に杭径の２倍のスクリューを溶接にて取. スクリューのせん断抵抗によって大きな引抜き耐力を有し. り付けた杭で，スクリュー上部は改良体との付着をカットす. ており，また止水に対しても大きな安全性を有する．. るため二重管構造とした．引抜き試験は，杭頭部を下側に載. ｂ)支持層部分はジェットまたはビットを用いて拡大掘削. 荷することによって，ハイブリッドパイルと改良体をせん断. し，ファブリックシェル（通水性袋体）にグラウトを加圧. させる方式とし，載荷は一方向の 1 サイクル方式とした．測. 注入するので，地盤との密着性が確保でき大きな引抜き耐. 定項目は，1/6 モデル・1/12 モデルでは荷重と杭頭の変位を，. 力を有する．. 1/38 モデルでは荷重とした．. ｃ)パイルは杭径 250mm 以上の鋼管杭で，鋼管の厚みは 9mm 以上あり，揚圧力に対して十分な引張抵抗を有する．. 表-1 試験条件. 土質条件. ３．模型試験. スクリュー径 D. (１)試験条件. 杭径 D0. 模型試験は，表-1 に示すように，改良体の対象地盤が砂. D0=D/2. 表-2. デルを想定したスクリューの埋め込み長さ（Ｌ／Ｄ＝１～. 改良体の配合. セメント（kg）. 水（kg）. 砂質土. 180. 400. 1300. 560. 粘性土. 150. 800. 560. 1300. ４）である．スクリュー径の大きさは，実物の 1/6 モデル，. －198－. φ16（1/38ﾓﾃﾞﾙ）・φ50（1/12ﾓﾃﾞﾙ） φ100（1/6ﾓﾃﾞﾙ）. 埋め込み長さ L Ｌ=D・2D・3D・4D (φ16･φ50). 質土（１２体）の場合と，粘性土（７体）の場合の２種類について行った．試験条件は，スクリュー径の大きさと実物モ. 1/12 モデル，1/38 モデルの３種類とした．. 砂質土（12体）・粘性土（7体）. 砂（珪砂5号）粘土（スミクレー）（kg）（kg）.

(3) (３)試験結果および考察. 加力方向. ａ）破壊形状. 塩ビ管. 破壊形式は，ほとんどの試験体で改良体がコーン状に抜け. み長さがスクリュー径に比べて 5 倍以下と小さかったことによりコーン破壊を起こしたと考えられる．コーン破壊しなかった試験体は，スクリュー径がφ50mm とφ100mm の埋め込. 埋め込み長さ（L). とアンカーの引抜き試験と同じであり，スクリューの埋め込. ハイブリッドパイル. スクリュー. 落ちるコーン破壊となった．この破壊形式は，コンクリート. 改良体. D. み長さが 200mm と 300mm の試験体であり，試験体全体が割裂. 固定盤（モルタル）. する破壊形式となった．これは，試験体の大きさが埋め込み長さに比べて小さかったことにより発生したと考えられる．. 鉄板. t=15. 400. ｂ）対象地盤の影響. 500. 杭頭荷重と杭頭変位の関係を図-5，6 に示す．対象地盤に. 図-4. よる違いは，砂質土の方が粘性土に比べて同じ埋め込み長さ. 模型引抜き試験. でも破壊荷重が大きく，その大きさは 3～5 倍程度となった．杭頭荷重(kN). これは，改良体の圧縮強度の違いが大きく関係していると考. 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 0. えられる．. -2. でほぼ直線的な関係である．粘性土では破壊荷重の 1/2 程度. -4. までは直線的な関係であるが，それ以降は変形が徐々に増加して曲線的な関係となる．ｃ）埋め込み長さの影響. 杭頭変位量(mm). 杭頭荷重と杭頭変位量の関係は，砂質土では破壊に至るま. -6 -8 -10. 埋め込み長さの影響は，埋め込み長さが大きいほど破壊荷. -12. 重が大きくなっており，その関係は埋め込み長さ L の２乗. -14. D=50 D=50 D=50 D=50. L=50 L=100 L=150 L=200. 図-5 杭頭荷重と杭頭変位の関係（砂質土）. と比例関係にある．（図-5，6）. 杭頭荷重(kN). ｄ）引抜き耐力算定式. 0 0. リートとアンカーの引抜き試験結果の整理方法 3)を参考と. -2. して，改良体とハイブリッドパイルの引抜き耐力算定式を考. -4. 案することとした．縦軸に破壊荷重(P0)と改良体の圧縮強度(σb)を用いて P0 ／√σb で表し，横軸に改良体のコーン破壊を評価するのに. 杭頭変位量(mm). 改良体の破壊形式がコーン状の破壊となったので，コンク. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. -6 -8 -10. 有効とされる有効水平投影面積(Ac)で表したものを図-7 に. -12. 示す．この図から，ほぼ P0／√σb と Ac とは比例関係にあり，. -14. Ｄ=50 Ｄ=50 Ｄ=50 Ｄ=50. L=50 L=100 L=150 L=200. 図-6 杭頭荷重と杭頭変位の関係（粘性土）. その係数は砂質地盤で 0.1，粘性土地盤で 0.08 であることがわかった．なお有効水平投影面積は，スクリューパイル埋め込み長さから求まる水平投影面積からスクリュー部分の 12000. 面積を差し引いたものである．図-7 より改良体とスクリューパイルの引抜き耐力算定式. 砂質土. 10000. は，式１のように得られた．. 粘性土. Ｐ0/√σb. 8000. 砂質土Ｐs = 0.1⋅ σ b ⋅Ａc. y=0.1x. 6000 4000. 粘性土Ｐc = 0.08⋅ σ b ⋅Ａc. （式１）. y = 0.08x. 2000 0 0. 20000. 図-7. －199－. 40000. 60000. 80000. 有効水平投影面積(Ac) （ｍｍ2）. P0 と P0／√σb の関係. 100000.

(4) コーン破壊有効投影面積 A c＝π×Ｌ×（Ｌ + Ｄ）. 表-3 試験条件. 土質. ２. σb. ：改良体の圧縮強度（N/mm ）. Ｄ. ：スクリュー径（mm）. Ｌ. ：スクリューの埋め込み長さ（mm）. 砂質地盤粘性土地盤. 目標 N値改良種類圧縮強度 (N/mm2) 15 3. JG-2号 JG-1号. 28日圧縮強度 (N/mm2). 3.0 1.0. 1.1 1.1. 表-4 コラムジェットの配合. ４．現場試験 (１)試験条件. 砂質地盤. セメント（kg） 400. 水（kg） 861. 混和剤（kg） 3 （B）. 混合剤（kg） 26 （3B). 粘性土地盤. 780. 747. 12 （ﾏｯﾄﾞﾌﾛｰ200）. －. 試験条件を表-3 に示す．現場試験は，引抜き耐力算定式（式１）の妥当性を確認するため，人工的に製作した砂質地盤と粘性土地盤で行った．（図-8，9，10）砂質地盤は，地盤を GL-2.0m まで階段状に掘削した後，その中に川砂を巻き出し厚 300mm で投入し，ランマーにより転圧し人工地盤を製作した．ハイブリッドパイルの建込みトルクから推定すると，N 値 15 程度の砂地盤である．粘性土地盤は， N 値 0～3 程度の関東ローム層である．一般的に，砂質地盤でのコラムジェットの圧縮強度は，日本ジェットグラウト協会の設計基準値（砂質地盤. 2000. 2. 3.0N/mm ）の 3 倍程度発生する．本試験においてのコラムジェットの目標圧縮強度は，砂質地盤 3.0N/mm2，粘性土地盤 1.0N/mm2 である．よって，改良体の圧縮強度を調. 2000. 変位計. 整するため，砂質地盤では強度抑制型のコラムジェット JG-2 号，粘性土地盤では強度発現型のコラムジェット JG-1 号で地盤改良を行った．ハイブリッドパイルは，スクリュー径 580mm，パイル径 250mm の鋼管杭である．. 図-8 現場試験の平面図（砂質地盤）. 図-9 現場試験の断面図（砂質地盤）. －200－.

(5) 図-10 現場試験の断面図（粘性土地盤）. (２)施工と試験方法. 写真-1. 砂質土の破壊状況. 施工は，先ずハイブリッドパイルを回転圧入により所定の位置に建込み，その後スクリューを囲むようにφ2000 のコラムジェット６本の施工を行った．改良範囲は，模型試験の結果からスクリュー端部からコーン破壊線（鉛直に対して 60°）を想定して，その影響範囲内とした．試験は，反力杭を用いた引抜き試験で，コラムジェットを施工し 28 日養生後に実施した．試験方法は，地盤工学会規準－杭の引抜き試験方法・同解説－4)に準拠した一方向多. 写真-2. 粘性土の破壊状況. サイクル方式（荷重保持時間 15 分・4 サイクル）である．改良体をコアボーリングして圧縮強度を調べた結果，改良体の 28 日強度の平均値は，砂質地盤，粘性土地盤とも 1.1N/mm2 であった．粘性土地盤は目標通りの圧縮強度となったが，砂質地盤は目標の 1/3 程度しか発現しなかった．これは，砂質地盤が人工的に製作されたものであることと，降雨時に地盤改良の施工が行われ改良体の水分量が増加したことが原因と考えられる．杭頭荷重P(kN) 0. (３)試験結果および考察破壊状況を，写真-1，2 に示す．引抜き試験結果終了後，破壊状況を確認するため，改良体を掘削し，スクリュー付近のクラック状況を観察した．その結果，クラックは模型試験と同様にコーン状に数本発生していることがわかった．鉛直方向に対する破壊線の角度は，砂質地盤で 45°程度，粘性. 杭頭変位量S(mm). ａ）破壊形状. 土地盤で 60°程度であった．. 杭頭変位量が少なく，破壊までほぼ直線で推移する．粘性土地盤は，杭頭荷重が 300kN を超えたころから顕著な残留変形が見られ，420kN 載荷時において，荷重保持段階に. 変位量(mm). うに模型試験と同様であり，砂質地盤は粘性土地盤に比べて. 400. 500. 砂質地盤粘性土地盤. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -2000. おいて急激な引抜き量の増加が生じ，荷重保持が困難とな. 0kN 70kN 150kN 250kN 330kN 350kN. -1000. 0. 1000. 2000. 杭芯からの距離(mm). 図-12. －201－. 300. 図-11 杭頭荷重と杭頭変位量の関係. かった．現場試験の杭頭荷重と杭頭変位の関係は，図-11 に示すよ. 200. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100. また，スクリューと改良体の境界面は，確実に改良体が造成されており，スライムの付着や未改良部分などは見られなｂ）杭頭荷重と杭頭変位量. 100. 改良体上面の変位量（砂質土）.

(6) り，杭頭変位が 90mm を超えた時点で試験を終了した． 30. ｃ）改良体上面の変位量改良体上面の変位量と荷重の関係を図-12，13 に示す．改. 0kN 60kN 140kN 220kN 300kN 400kN 420kN. 25. 変位量(mm). 良体上面の変位量は，砂質地盤，粘性土地盤ともに杭頭変位と一致している．改良体上面の変位分布は，杭芯を頂上とした山状に変形しており，その影響範囲は，砂質地盤で杭芯から 1500mm 程度，粘性土地盤で杭芯から 2000mm 程度である．. 20 15 10. この図からも，改良体がコーン状に破壊して，コーン状の改. 5. 良体が浮き上がってきていることがわかる．. 0 -2000. ｄ）引抜き耐力算定式. -1000. 0. 1000. 2000. 杭芯からの距離(mm) 図-13 改良体上面の変位量（粘性土）. 引抜き耐力の計算値と実験値の比較を図-14 に示す．計算値とは，引抜き耐力算定式(式 1)から求めた引抜き荷重と改良体上部の土砂重量を足し合わせたものである．. 50. しかし，実験値は計算値に比べ安全側の値であり，模型試験. 45 40. 引抜き実験値Ps0(kN). 実験値は，計算値に比べ 110～125％大きな値となった．から求めた引抜き耐力算定式が実物モデルにおいても妥当であることがわかった．. ５．まとめ. 粘性土. 35 30. 砂質土. 25 20 15 10 5. ZAOS-phm において，解決すべき技術課題であるハイブリ. 0. ッドパイルと改良体の引抜き抵抗を把握するために，模型. 0. 10. 20. 図-14. 模型試験の結果，ハイブリッドパイルと改良体の引抜き. 30. 40. 計算値Ps(kN). 試験と実物モデルの現場試験を行った．. 50. 実験値と計算値の比較. 耐力算定式を提案することができ，現場試験の結果，その算定式が実物モデルにおいても有用であることが確認でき. 6 000. 3 200. 14 00. 14 00. スライム等の付着もなく確実に造成されており，ハイブリ φ200. ッドパイルと改良体の止水性が確保できていることを確認. 0. ハイブリッドパイル. した．地盤改良（ JS G ）. 本工法は 2003 年 2 月現在，シールド到達立坑工事におい照）．当工事は地下水の豊富な軟弱砂地盤であり，掘削床には約 0.1Mpa の水圧が作用しているため，ハイブリッドパイルと改良体（JSG 工法）を併用して盤ぶくれを防止する計画. GL-0.0 0m. T P 18.3 5 土 γ=1.6 5t/m3. Ｃ= 2.0t/m 2 φ=10 °. 6 00 0. 10 20 30 4 0 50. ロームＮ= 4 γ=1 .35t/m 3 Ｃ=2.2t /m2. G L-2.1 0m. H- 30 0. G L-1.90 m. 凝灰質粘土Ｎ= 1 GL-2 .80m. GL-4. 50m. ＦＳＰ－Ⅳ. γ=1. 67t/m 3 φ=6 ° Ｃ=1.0 t/m2 粘土混じり細砂Ｎ= 3 φ=20 ° γ=1. 74t/m3 Ｃ =0.5t/ m2. H-5 00. 10 8 97. て盤ぶくれを防止するための施工を行っている（図-15 参. 埋. 2 2 00 2 20 0 4 40 0. た．また，現場試験からスクリューと改良体の境界面は，. となっている．細砂～中砂. 今後は，本施工の計測データ（沈下計・ひずみ計）を整. H- 400. GL-8 .35m. H- 40 0. 礫混じり細～中砂. スクリュー φ 50 0. Ｎ= 9. 1 2 00. γ=1.9 1t/m3. 1)竹中計行,深田和志他：盤ぶくれ防止工法（ZAOS-phm）の開発,第 57 回土木学会年次講演概要集,Ⅵ,pp.361-362. 2)日本ジェットグラウト協会：ジェットグラウト工法技術. 粘. G L-15.4 0m. 細. GL-17. 00m. 粘 GL-1 7.70m. 資料,第８版.. 土. 砂. Ｎ=12 γ=1. 61t/m3 φ =15 ° Ｃ=5 .4t/m2. 地盤改良（ JSG ）. 鋼管 φ 35 5.6. 22 2 0. GL-13. 40m. 70 00 3 2 80. φ=27 °. 参考文献. Ｎ= 40 γ=1.90t /m3 φ=39 °. ファブリック球根 φ 6 00 、 L=2 22 0. 土Ｎ= 21 γ=1 .70t/ m3 Ｃ=13. 1t/m2. 3)日本建築学会：「各種アンカーボルト設計指針・同解説」. 4)地盤工学会：「杭の引抜き試験方法・同解説」.. 細～中砂Ｎ =42 γ=2. 21t/m3 φ =40 °. 140 0. 図-15. －202－. 15 0 0. GL- 9.25m. る．. 粘土Ｎ= 7 γ =1.64 t/m3 φ=13 ° Ｃ =4.0t /m2. 30 0. 理し， FEM 解析や設計との整合性等を検証していく予定であ. Ｎ= 16 φ=30 ° γ= 1.95t/ m3. 3 200. ZAOS-phm の実施工図. 14 00.

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