| '08/10/15 |
| 粘土地盤における不同沈下対策 目次 |
| 吉見 吉昭 |
粘土地盤（広い意味では粘性土地盤）上の基礎の不同沈下対策を分類すると，①地盤改良，②べた基礎，③フローティング基礎，④摩擦杭基礎，⑤先端支持杭基礎，となります。基礎直下の地盤が軟弱な場合には①と②または②と③のの組合せも有効です。
①地盤改良
粘土は，砂と比べて①間隙率が高く，圧縮性が高い，②透水性が非常に低い，という特徴を持っていますので，改良方法も，それに適したものが選ばれます。改良されるべき軟弱粘土は，沖積層または埋立層で，間隙が水で飽和した飽和粘土です。軟弱粘土層では，これまでに，現在の地盤の自重しか経験したことがない，正規圧密粘土であることが多いのですが，その強度と，原位置における有効応力との間には，よい相関があります1)。すなわち，深くなるほど有効応力が大きく，強度も高くなります。一般に飽和粘土の強度（および堅さ）は，間隙比（間隙の体積÷土粒子の体積）または含水比（間隙水の質量÷土粒子の質量)が小さいほど大きくなります2)。含水比は，標準貫入試験のとき採取される試料からでも容易に求められる量で，粘土の力学的性質とよい相関関係がありますので，ぜひ地盤調査の項目の一つに加えることをお奨めします3)。
プレローディング工法
一時的に置いた盛土などの重量によって，間隙水を押し出して粘土層を圧密すると，間隙比が低くなって強度が増加します。さらに，粘土の圧縮の不可逆性によって，圧密沈下後に盛土を除去しても，除荷によるリバウンド量はわずかなので，いったん増加した強度は保持され，粘土は過圧密されたことになります。このような改良方法を“プレローディング（preloading）工法”と言います。盛土による地中の応力増分は浅いほど大きく，一方，初期有効応力は浅いほど小さいので，応力増分と初期有効応力の比は，浅いほど大きく，強度の増加率も浅いほど高くなります。この傾向は，基礎の支持力を確保し，不同沈下を抑えるために好都合です。
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木造２階建て程度の軽い建物では，高さ１㍍以下の盛土で充分ですし，粘土層の上部だけ圧密すればよいので，それほど長い時間は必要ないでしょう。しかし，建物の規模が大きくなると，もっと深いところまで圧密することが必要になりますが，圧密に要する時間は，排水距離の２乗に比例して長くなりますので，厚い粘土層をそのまま圧密させるには長い時間が必要となり，実際的ではありません。そこで，圧密を促進するために，砂または人工材料の排水路（バーティカルドレーン)4)を，右図のように配置して，排水距離を短縮しますが，材料に応じて，サンドドレーン，ペーパードレーン，ファイバードレーン等と言います。（図中の“元の排水距離”は，下の層が不透水層だと倍になります。）
技術的にはもっと複雑になりますが，盛土の替りに，地表面を気密シートで覆って間隙水圧を下げることによって，大気圧によるプレローディングを行う工法もあります。
固化工法
粘土にセメントなどを混入して固める深層混合処理工法は，砂より先に軟弱粘土の改良のために開発されました。機械攪拌工法では，羽根のついた棒を回転させて地中に貫入し，先端から固化剤を噴き出しながら攪拌しますが，セメントと水の混合物を使うスラリー方式とセメントの粉をそのまま使う粉体方式があります。そのほか，熱を加えて地盤を焼き固める工法もありますが，エネルギーの高価なわが国では，広範囲に行うには経済性が問題です。
②べた基礎
液状化対策として有効なべた基礎は，粘土層上の基礎の不同沈下対策としても使えますが，基礎直下の土の陥没や流出の対策ではなく，建物が全体として傾斜した場合，建物を補強せずに，比較的容易に建て起こせる，べた基礎の特徴を利用します。
③フローティング基礎
船が水に浮かぶときは，自重と等しい重量の水を排除するので，船の重量を排水トンと言いますが，建物の自重と等しい重量の土を掘削すれば，その下に軟弱層があっても，その中の応力は変わらないので，沈下も起らないはずです。ただし，一瞬のうちに土と建物を入れ替えることは不可能ですから，掘削した後に土がリバウンドした分は建物の荷重によって沈下します。また，掘削する土の重量が建物自重の100％に満たなくても，それなりに沈下量を減らす効果があれば，フローティング基礎と言います。階数の少ない，地下室のある建物は，自然にフローティング基礎になっているので，それを利用すれば，合理的な設計が可能です。ただし，隣地にもっと深い掘削をされる可能性があれば，念のため杭を使うことも考えるほうがよいでしょう。
④摩擦杭基礎
摩擦杭とは，先端が固い地層に届かない，主として周面摩擦抵抗によって荷重を支持する杭のことです。鋼管杭や場所打ちコンクリート杭が普及する以前で，固い支持層が深い場合は，摩擦杭が主流でした。摩擦杭は，先端までの深さの地層のバラツキを平均化し，実際の載荷面を杭の先端より少し上の深さまで下げるので，不同沈下量を減らす効果があります。摩擦杭の上に建てられた鉄筋コンクリートの集合住宅が，数十年もの間，全く問題なく使われてきた例も少なくありません。パイルド・ラフト基礎は，固い地層に届く先端支持杭以外の杭基礎とべた基礎を併用するものです5)。
⑤先端支持杭基礎
固い地層に届く先端支持杭を使えば，確実に不同沈下を減らすことができるはずです。しかし，深い軟弱層を貫通して，固い地層まで届く杭の表面には，周りの地層が沈下すると，下向きの力(負の摩擦力）が作用しますが，杭が長くなって摩擦力が過大になると，杭の先端がめり込んだり，杭が破壊することがあります。また，杭と建物が地表面から抜け上がって，建物の下に隙間ができることもありますが，このような抜け上りは，東京の丸の内では1930年代から問題になっていて，玄関に階段を付け足した建物が少なからずありました。