強度のばらつきを考慮した固化処理地盤の支持力について
埋立地盤 支持力 統計的解析
関門港湾建設（株） 湯 怡新
宮崎良彦
１．はじめに
固化処理により浚渫土を埋立材料や裏埋め材料に用いる場合，上部構造物の荷重に対し埋立地盤が十分な支持力を有することが求められる。十分な支持力を確保するには，計画検討の段階において適切なセメント配合設計を行う必要がある。港湾の施設の技術上の基準1）によると，均一地盤の場合，支持力の計算法が定式化されているが，多層地盤の場合円弧すべり解析による検討を行うことが標準とされている。本研究は，固化処理土による埋立地盤の強度分布特性を再現し，モンテカルロの手法を用い地盤強度のばらつきが支持力に与える影響について検討したものである。
２．自然地盤と人工地盤の違い
自然な海成地盤と人工的な埋立地盤を比較すると，その工学的特性の空間的分布が異なることが考えられる。図-1はその空間的分布の違いを例示したものである。自然地盤の場合，図-1(a)のように，自己相関の範囲は鉛直方向で数m，水平方向で数百ｍとなることが多いが，一方人工造成地盤においては図-1(b)のように，自己相関の範囲は鉛直方向で0.5-1m，水平方向で数ｍとなることが確かめられている2)。
今回，人工地盤に限定し，その強度のばらつき特性を考慮した場合の支持力の変動特性を検討した。
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３．検討方法
３．１ 仮想地盤の生成
①表層より深さ6m，幅20mの地盤を計算対象とし，この範囲を0.1m幅の格子状に分割し，各節点におけるせん断強度を求めることとした。
②この範囲において，無作為に50点を選び出した。平均値Su，変動係数Vsu=scu/Suを有する正規分布として，これらの点におけるせん断強度を与えた。
③上記の50点を既知とし，クリギング手法を用い計算範囲内すべての節点のせん断強度を推定した。
なお，クリキングを行う際，適当なバリオグラムを使う必要がある。よく用いられるモデルとして指数型，球型，ガウス型があるが，ここでガウス型のモデルを採用し，次のように表される。
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（１）
ただし，hは間隔である。また，a，bはそれぞれ水平方向，鉛直方向の自己相関の範囲であり，過去の調査結果を参考にa=2.5m，b=0.6mとした。
図-2に平均値Su=100 kN/m2，変動係数Vsu=0.3としたときのせん断強度の空間的分布を示す。図-1(b)に示した固化処理土による埋立地盤の調査結果に比較すると，人工地盤の空間的特性が再現されていると言えよう。
３．２ 支持力の計算
以上のように生成した仮想地盤に対して，円弧すべり解析によって地盤支持力を求めた。図-3のように基礎幅は2.0m，延長無限大の帯状基礎と仮定した。円弧の中心位置を0.1mずつ変えて計算したが，半径については，円弧が必ず基礎の反対側の端部を通るように設定した。左右両方同時に解析を行い，一連の計算の中で最も小さい載荷重を示すものを地盤の支持力とした。
３．３ モンテカルロシミュレーション
3.1～3.2節で示した計算過程を1000回繰り返し，地盤のせん断強度にばらつきがある場合に，地盤の支持力がどのように影響を受けるかを調べた。ここで，せん断強度の変動係数をVsu=0.1，0.2，0.3，0.4と変化させ地盤支持力のばらつき特性を検討した。図-4にその結果を示す。地盤強度のばらつきが大きくなるほど，地盤の支持力は平均値が低下するととともに，ばらつきも大きく増大することが分かる。
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４．結果と結論
図-4の解析結果をまとめると図-5のようになる。上部構造物の荷重に対し，地盤支持力が下回る確率を一定値以下にするために，地盤強度のばらつき程度に応じて従来計算法の支持力係数Ncを小さくするか，若しくは安全率を適切に考慮することが必要である。港湾の施設の技術上の基準によると，支持力に関する安全率は1.5以上を標準とするが，重要構造物の場合2.5以上を用いるとされている。図-5の結果をこの基準に照らすと，例えば地盤強度の変動係数が0.3の場合，支持力不足に伴う破壊の確率はそれぞれPf=17％，1.3％となる。
本研究では，固化処理土の埋立地盤において，地盤強度のばらつきと地盤支持力の低下の関係について検討を行った。ここで用いた手法は，埋立地盤における沈下・不同沈下問題の検討にも非常に有効であると考えられる。
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【参考文献】
1）港湾の施設の技術上の基準・同解説，（社）日本港湾協会，1999
2）土田孝・善見政和・湯怡新・宮崎良彦：セメント処理土による埋立地盤の品質評価，第35回地盤工学研究発表会，pp.1255-1256，2000