バッコ博士の構造塾

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軟弱地盤だと地盤改良工事が必要?切っても切れない地盤と地震の関係

世界中どこを見渡しても同じ条件の建物はありません。仮に姿かたちが同じでも、建物が建つ地盤が違います。

 

□■□疑問■□■

軟弱地盤に家を建てるので不安です。建物を設計する際、地盤の影響はどのくらいあるのでしょうか。

 

□■□回答■□■

建物に作用する地震の力は地盤の状況に応じて変化します。その関係は非常に複雑で、地盤と建物相互の特性が影響しあっており、簡単には評価できません。設計上は地盤が軟弱なほど地震の力を割り増します。高層建物では地震の力の割り増しは大きくなりますが、住宅のような低層建物ではほとんど影響ありません。軟弱地盤だからと言って、過度に不安にならなくても大丈夫です。

ただ、地震時にも建物を支えられていられるよう、基礎はしっかりと造る必要があります。状況に応じて杭の使用や地盤改良工事を行うため、コストは増加します。また、地盤はまだまだわからないことが多くあります。高度な解析を行ったからといって精確に評価できているとは限りません。余裕を持った設計が必要です。

 

 

地盤と地震力の関係

2018年の大阪地震では「マグニチュードの割に震度が大きい地域が多かった」と言われています。大阪平野の地盤の緩さが原因と考えられています。断層から放出されたエネルギーが地盤を伝わって各地を揺らすわけですが、地盤が緩いとなかなかエネルギーが消散されないからです。

 

揺れの強さ(加速度)と地震による建物被害は比例関係にあるわけではありません。建物の周期(揺れが一往復するのにかかる時間)と揺れの周期が一致すると、揺れの強さに対して被害が大きくなります。揺れの周期は地盤の影響を大きく受け、地盤が緩いと周期は長くなり、地盤が固いと周期は短くなります。

 

地盤が緩いと揺れが大きくなりやすいですが、その分周期は長くなります。住宅のような低層建物は周期が短いため、「揺れが大きくなった分(被害増)」と「揺れとの周期が離れた分(被害減)」とを考慮すると、あまり影響は無いと考えられています。これが高層建物になると「揺れが大きくなった分(被害増)」と「揺れとの周期が近づいた分(被害増)」とで、影響が顕著になります。

 

基礎の種類と地盤の影響

基礎には「直接基礎」と「杭基礎」の2種類があります。両者を併用することもありますが、基本はどちらか一方を選択します。

 

直接基礎

地表面付近の地盤が固くて強ければ直接基礎となります。建物の基礎を地盤の上に直接載せるので直接基礎といいます。建物の外周部や壁の位置に合わせて「線」で支えるのが「布基礎」、建物の底面全体を利用して「面」で支えるのが「べた基礎」です。

 

常に作用する建物の重さを支えるのが主たる役割であり、どちらが地震に強いというわけではありません。どちらの基礎であっても、基礎底の摩擦により地震の力を地盤に伝えることができます。「面の方が線よりもいい」という意見もあるようですが、地盤の強さに応じて使い分ければいいだけです。

 

直接基礎の設計の前提として、地震中でも地盤は重さを支持できなくてはいけません。当然ながら液状化の恐れがあるところには採用できません。しかし、地震によって地面が大きく割れ、それにより建物が壊れてしまっている例もあります。そのような状況を想定して設計していないため、布基礎だろうがべた基礎だろうが耐えられないでしょう。

 

新たに造成されたような軟弱な地盤では、周辺地盤がしっかりと擁壁等で保護されているか確認が必要です。これは基礎の設計以前の問題です。

 

杭基礎

地表面付近に強い地盤が無い場合、強い地盤がある深いところまで杭を設置することになります。柱の下や重量の大きいところに一本ずつ設置していくので「点」で支えることになります。点であっても、直接基礎が載る地盤よりもさらに強いところに達しているので、十分な耐力があります。

 

住宅のような小規模の建物であれば「鋼管杭」と呼ばれる先端に羽がついた鋼製の菅を使用します。これを重機でねじ込むように支持地盤までねじ込むことで耐力を発揮します。回転抵抗の大小により支持地盤まで到達したかを判断します。

 

直接基礎とは違い、支持地盤は地表面から深いところにあります。地表面付近の軟弱な地盤では地震の力を負担しきれないため、杭が頑張る必要があります。地盤の固さに応じて杭に生じる負担は変化しますが、液状化の恐れがある場合は特に大きくなります。

 

地盤改良の効果

直接基礎を採用したいが、建物を支えられるだけ良好な地盤がやや深い位置にある、という場合に地盤改良を行います。

 

地盤改良の方法

セメント系の固化材を建物直下の地盤に混ぜ合わせることで強度を高める方法が一般的です。地盤をコンクリートの様に固めてしまおうということです。

 

部分的に地盤と固化材を混ぜ合わせることで直径数十cmの円柱状の改良体を造成する方法を「柱状改良」と言います。布基礎の様に線で建物を支える場合、この円柱状の改良体をいくつも並べて線状にすることで対応します。

 

建物直下を全て改良する場合は、大型の重機で地盤と固化材を撹拌します。全体を一度に混ぜ合わせると固化材が均一にならないので、区画を決めて丁寧に行います。べた基礎ではこの方法が取られることもありますし、柱状改良をする場合もあります。

 

基本的には砂質地盤に適した方法です。粘土質地盤だと難しい場合もあるようです。

 

重力に対する効果

セメント系の固化材により、今まで軟弱だった地盤がカチコチに固まります。液状化の恐れがあるような地盤であろうと、十分な強度を発揮します。掘り返すのが大変なくらいです。

 

もちろん工事監理はしっかりと行う必要があります。自然状態の砂を利用しているため、発現する強度には大きなばらつきが生じます。余裕度を十分見込んだ施工がされていますが、注意は必要です。

 

地震に対する効果

建物直下が地震により液状化するようなことはありません。ただ、敷地の周辺は改良がされているわけではないので液状化の可能性があります。

 

また、地盤の揺れ方は周辺の影響を受けるため、基本的には軟弱地盤の揺れ方をします。地盤改良したからと言って、硬質地盤の揺れ方をするわけではありません。もちろん部分的であれ固い地盤ができることで揺れ方は変化するでしょうが、全体から見ると小さな範囲でしかありません。

 

地震という地球規模の動きが生じるので、局所的な変化が全体に及ぼす影響は小さいでしょう。それでもその効果を把握したいなら、高度な解析を行う必要があります。

 

地盤はわからない

地盤は「倍半分」

建築の構造技術者は想定の「倍」、あるいは「半分」くらいまで性能がばらつくものを「倍半分」と言います。学生時代に初めて学会でこの言葉を聞いたときは意味が分かりませんでした。そして、地盤というのはまさに「倍半分」なものです。

 

新入社員の時に検討したちょっとした構造物の基礎の検討において「地盤なんて倍半分なんだから、計算値の半分の場合と2倍の場合の検討もしておくこと」と上司に言われました。それくらい信用ならないものです。

 

沈む超高層ビル

サンフランシスコに大林組が施工した超高級マンションがあります。実はこのマンション、竣工から数十cmも沈下しているのです。確かにいくらかは沈下するのを予測していたらしいのですが、大幅に予測を超えています。

 

設計者は「近くで大型の工事が始まり、地下水をくみ上げたからだ」と主張しています。近隣の工事をしている業者は「それ以前からも大幅に沈下していたじゃないか」と主張しています。

 

どちらに非があるのかはわかりません。おそらくどちらもある程度正しいのでしょう。なんにせよ、世界トップクラスの技術者が高度な解析を行ったところでその程度の評価しかできなかったということです。

 

まだまだ計算できないこと、わからないことはたくさんあります。軟弱地盤がどの程度建物に対して悪さをするかはわかりません。過度に怖がる必要はありませんが、わからないからこそしっかりとした備えが必要です。