JP3963883B2

JP3963883B2 - 低強度注入固結体を用いた締固め工法

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Publication number: JP3963883B2
Application number: JP2003343277A
Authority: JP
Inventors: 浩之山▲崎▼; 功企善; 武小西; 淳一山本; 雅巳藤平; 雅樹足立; 一実大沢; 孝志新坂
Original assignee: INDEPENDENT ADMINISTRATIVE INSTITUTION PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: INDEPENDENT ADMINISTRATIVE INSTITUTION PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: JP2005105740A

Description

本発明は、低強度の注入固結体を注入して緩い地盤を、地震波が強く地盤に伝播しないように締固めるコンパクショングラウチング工法に関する。

近年、都市化が急激に進展したため、河川、湖沼や遠浅海岸における臨海部の開発が進められている。しかしながら、これらの地域では、地下水位が高く、しかも緩く堆積した砂地盤が多い。そのため、地震による振動が作用すると液状化が発生しやすい。したがって、この地盤上の建築物や各種構造物を中心に多大な被害を受ける恐れがあった。

これらの地盤を改良する代表的な方法は、セメントやセメントミルク等の改良材の地盤中へ高圧で注入する地盤改良技術が盛んに行われるようになっている。しかしこの地盤改良技術では、地盤中に注入したセメントやセメントミルク等の改良材が砂地盤などの軟弱な地盤中で圧入された所定の位置から広がって逸走、迷走することが多く、そのため地盤改良の不均一さが見られた。

例えば、図２に示すような地盤１が薄い土層などの表層２と砂質土などの液状化層３と岩盤などの非液状化層４で構成され、前記表層２の上に建造物が建造されている場合の地盤１の改良においては、強制的に地盤改良材を地盤１中の液状化層３まで搬送して攪拌混合する「深層混合処理工法」が採用されることが多い。

このような地盤改良工事を行うと、建造物の下方の液状化層３内にセメントやセメントミルク等で形成されたコンクリートの大きな格子状の塊となって必要以上に高強度の改良体５を形成することになる。しかも、この施工に使用する施工機械は大型のものであり、したがって、施工に広い区域を必要とすることから供用中の施設や狭隘な既設建造物直下の施工は困難であった。

また、サンドコンパクションパイル工法やバイブロフローテーション工法などの地盤中に砂や砕石を動的に注入して地盤を締固める工法は、騒音、振動等の問題があるばかりではなく、施工機械が大型であるために供用中の施設や狭隘な既設構造物直下の施工に好ましくないという不具合があった。

これら騒音、振動および作業空間の制限等の問題を改善するために、地盤改良材を静的に圧入して地盤を締固める「コンパクショングラウチング」を採用した地盤改良技術が提案されている（例えば、特許文献1参照）。
特開２００２−２９４６８４号公報

前記特許文献１に記載された発明は、既設構造物の下部地盤の表面部に所定間隔に小サイズの所定径の削孔を行い、非流動性で自己硬化性の低スランプ等（実際には２〜５ｃｍ等）の比較的硬くなる注入材をポンプで静的に圧入して、固結体５Ａを積層状に形成して造成することによって周辺地盤（杭間地盤）を圧縮強化させている（図３）。

前記のような性質を持つ注入材を使用する施工方法は、地盤中の注入材の逸走や迷走がなく既設構造物下部の地盤の強度や剛性を広範囲に増加させるもので、地盤の液状化現象を比較的容易に阻止することができる。従って、この改良された地盤１上にある既設構造物の機能を十分に維持できる。

しかも、これに使用する注入材は、低スランプの自硬性のものが選ばれ、これを地盤中に静的に圧入されるために、振動や騒音等の現象も生ずることなく施工することが可能である。また、この施工に使用するボーリングマシンや特殊ポンプ等の施工機械は車載式でコンパクトな設備であるため、狭い作業空間でも施工が可能である。

しかしながら、従来のコンパクショングラウチング工法による地盤注入後に造成される積層状ないし団子状の固結体５Ａの強度は３０００ｋＮ／m²程度であり、深層混合処理工法と同程度の強度である。したがって前記コンパクショングラウチング工法の固結体の強度は、周辺地盤の強度に比較すると、かなり高い強度となることは明らかである。このように地盤改良材を圧入して積層状の固結体を、地中に所定間隔をおいて連続して造成することで、あたかも多数の強固な柱状の固結体を地中に圧入することにより、この固結体に囲まれた部分の杭間地盤６を押し退けて締め固めた状態となる。

結局、従来のコンパクショングラウチング工法の場合も、図２に示した深層混合処理工法と同様に、部分的に必要以上に強固な固結体５Ａ（図３）が連続的に形成されてしまうことになる。

このように改良後に高強度の固結体５Ａと締固め後の杭間地盤６のように、強度の異なる部分が混在している複合状態の地盤の強度分布のモデルを考えて見ると、杭間地盤６に相当する柔軟なクッションの中に、固い棒状の改良体５Ａが圧入されている状態となる。

図２に示したように強度の不均一な改良体５を含んでいる地盤１に対して、図４に示すように地震波Ｗ１（振動）が伝播されたとすると、この地盤１の下部に剛性の大きい改良体５にその地震波Ｗ１が集中して改良体５を含む全体に振動を与えることになる。

そしてこの大型の塊からなる改良体５の内部で前記地震波Ｗ１が増幅されて大きな振動Ｗ２となり、それに伴って改良体５の内部に大きなせん断力、即ち、改良体５を捩じるような地盤のズレ力が発生することとなる。

その結果、改良地盤１の上に存在する建造物Ｋにも大きなせん断力が加わって建造物Ｋに甚大な被害を与える恐れがある。

また、図３に示すようにコンパクショングラウチング工法により柱状の固結体５Ａが千鳥状に分散して押し込まれている地盤１に対して、図５に示すような地震波Ｗ１が伝達されるとすると、この固結体５Ａの内部においてはその振動Ｗ２が増幅されて伝播されるが、この固結体５Ａの間の杭間地盤６Ｂには振動がＷ１そのまま、あるいはやや減衰しながら伝播され、表層２上に支持されている建造物Ｋに振動を与えることになる。

その結果、改良地盤１の上に存在する建造物ｋにも大きなせん断力が加わって建造物Ｋに甚大な被害を与える恐れがある。
従来のコンパクショングラウチング工法では、セメントなどの固化材の配合量を減らすことによって、改良体６を構成する固結体５Ａの強度を低強度に調整することは可能である。しかし、固化材の添加量を少なくすると、細粒分が不足して注入材の流動性を保つことが困難となり、また固結体５Ａの強度のバラツキが発生する恐れがある。

このように注入材の流動性が低下したり、固結体５Ａの内部の固結強度にバラツキが発生すると、固結体５Ａが分散配置されている改良体６Ａの杭間地盤６Ｂの締固め効果もバラツクことになり、地震によって液状化され易い部分が発生することになる。

本発明者は、このような知見から、コンパクショングラウチング工法による改良地盤における地震波の伝播状態を考慮し、地盤１を改良する場合は、形成される固結体５Ａと、その固結体５Ａで囲まれている杭間地盤６Ｂとの間の強度（剛性）の差の少ない、すなわち固結体５Ａの強度が原地盤（液状化層３）と同程度の強度であれば、液状化層３を締固めると同時に、図５に示したように固結体５Ａに地震波がＷ１が集中しない方法の開発が必要であることが分かった。

（土壌汚染の問題）
ところで、土木工事で一般に使用されている高炉Ｂ種セメントや普通ポルトランドセメントなどの固化材による地盤改良工事は、固化材の影響で施工周辺の地盤が高アルカリ性（ｐＨ13程度）を示し、更に、６価クロム等の重金属も溶出してこれが拡散される可能性があることも知られている。

図７は、河川や湖沼や遠浅海岸における臨海部のように地盤中の水層が連通している場所において、図２に示す大型の改良体５を地盤１の液状化層３の部分に形成した状態を示しているが、この高炉Ｂ種セメントや普通ポルトランドセメントで形成された改良体５から、前記のように６価クロムイオンや水酸基イオンが水７の中に溶出したり、前記改良体５を形成した液状化層３に水層が連続している水底の砂地地盤３ａ中に溶出し、更にこの水７を汚染することとなる。

ところで、地震に伴って液状化しやすい砂地盤は、河口、海岸や湖沼等の水辺周辺に点在することが多い。しかもこのような水辺には、多くの場合、魚介類の養殖場や港が建設されており、従って、環境保護の観点から前記高アルカリ性の水分や６価クロム等のような重金属の溶出は許されないのである。

即ち、これらが水中に流出すると水生生物、特に養殖されている海草や魚類に対するへい死が増加し、また、このへい死が増加しないまでも成長速度を著しく阻害することになる。

また、海浜においては漁港や養殖場のみではなく、子供達の遊び場になっている場合もある。このようなことを考慮すると、地盤改良工事をするにしても、その施工周辺の水質汚染は絶対に避けなければならないのである。

本発明は、前記従来の地盤改良法における問題点を解消するために得られたものであって、その第１の目的とするところは、ゆるく堆積した砂地盤を改良する方法において、注入して形成した固結体と杭間地盤との間の剛性に差が少ない地盤の締固め工法を提供することにある。

第２の目的とするところは、補強された地盤の周辺地盤が高アルカリ性を示すことなく、また、この補強された地盤より６価クロム等の重金属が溶出することに伴って水生生物や養殖している海草や魚介類のへい死や成長阻害が増大することが実質的にない、軟弱な砂地盤の締固め工法を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明に係る砂地盤の締固め工法は、次のように構成されている。

第１の発明は、ゆるく堆積した砂質土からなる地盤に、固化材として酸化マグネシウム４〜１０％、礫、砂、シルトや粘土分を有する骨材６５〜７２％と、水２０〜２６％の混合物を攪拌して調整した低流動性の自硬性注入材を静的に圧入して低強度固結体を造成することによって、周辺地盤への地震波の伝播を抑制することを特徴としている。

第２の発明は、施工周辺の区画と地下水が連通し、注入された自硬性注入材より構成物質が溶出可能な地盤に、固化材として酸化マグネシウム４〜１０％、礫、砂、シルトや粘土分を有する骨材６５〜７２％と、水２０〜２６％の混合物を攪拌して調整した自硬性注入材を静的に圧入することにより、ｐＨ上昇や六価クロム等の溶出による施工周辺の汚染を誘因しないことを特徴としている。

本発明は、河川や河口あるいは河口付近や遠浅海岸などの、ゆるく堆積した砂地盤や同様な特性を示す地盤を締固めて補強改良するものであって、これに使用する固結体の強度をかなり低下させて形成することにより、砂地盤の力学的な影響を少なくするものである。

更に、水生生物に対する影響等を考慮して、注入材に使用する固化材として、特に酸化マグネシウムを選定して使用するものである。

発明に使用する酸化マグネシウムは、マグネサイトを原料としてこれを７００℃〜１０００℃程度の温度で焼成して得られたものであって、純度が９０％以上のものである。

マグネサイトの焼成温度が７００℃未満であると酸化マグネシウムの活性度が低下し、注入材が固化しないため、固化材としては不適当である。また、１０００℃以上の温度で焼成したものも自硬性を示さないため、７００〜１０００℃程度の温度範囲で焼成した酸化マグネシウムが固化材に適している。

低流動性の自硬性注入材は、固化材として酸化マグネシウムを、注入材に対して４〜１０％使用している。この酸化マグネシウムの混入量がこの範囲より少ないと固結強度が小さくなり、周辺地盤を締固めることが不可能となる。また、酸化マグネシウムを前記範囲より多くすると、固結体強度が必要以上に大きくなり、地震波の伝播を促進させる欠点がある。

骨材としては、礫、砂、シルトや粘土分の混合体を６５〜７２％に対して水２０〜２６％を添加した混合物を攪拌して自硬性注入材を調整し、改良すべき地盤中にコンパクショングラウチング工法によって、静的に圧入することを要件としている。

本発明に係る締固め工法は、ゆるく堆積した砂質土からなる地盤に対してコンパクショングラウチング工法で改良する方法において、前記地盤中に低流動性の自硬性注入材を静的に圧入することにより、低強度固結体を連続的に造成して周辺地盤を圧縮強化させることを特徴としている。

従って、本発明に係る低流動性の自硬性注入材は、これが固化しても杭間地盤と同程度の強度を出すように調整されているので、締固めされた改良体の部分においては可及的に強度ムラを発生しないようにしており、その結果、改良された地盤への地震波の影響を極力防止することができる。

また、自硬性注入材として酸化マグネシウムなどを含むものを使用しているので、魚などの養殖場における６価クロムなどの重金属の溶出による汚染がなく、養殖されている海草類は魚介類のへい死や成長不良などの問題点を一挙に解消することができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる地盤の締め固め工法によって得られた改良地盤における、地震波が伝播した際に発生するせん断力の概念図である。

本発明を適用する地盤１は、例えば、信濃川河岸やポートアイランドなどのように、河口や海岸や湖沼付近に形成される、ゆるく堆積した砂質土からなる地盤である。

この砂質土からなる地盤は、河川や河口や砂地の海岸などであることから、水位が比較的高いのが特徴である。このような地盤に地震の振動が作用すると、簡単に液状化する傾向が強いことが知られている。また、前記のように強すぎる改良体によって地盤改良した場合は、その地盤上に地震の振動が大きく伝達されることも前記の通りである。

本発明は、図１に示すように河川や河口のように、ゆるく堆積した砂質土からなる地盤１に対して、特に、コンパクショングラウチング工法を採用して低流動性の自硬性注入材を静的に圧入して、従来の工法による固結体より低強度の固結体５０を柱状に連続的に造成し、この固結体５０の間の杭間地盤５１を締め固めることによって、改良体５２を形成している。

なお、この固結体５０は直径が６０〜８０ｃｍのものが所定の間隔をおいて分散して形成されており、あたかも液状化層３を構成している砂地地盤に、多数の固結体５０の柱状物を押し込んだような状態となっている。

前記のように構成された改良体５２に対して地震波Ｗ１が作用すると、この地震波Ｗ１は固結体５０と杭間地盤５１とに分散して伝達され、固結体５０の内部では減衰された振動Ｗ３となり、また、固結体５０の間の杭間地盤５１では減衰された振動Ｗ４となる。そして表面層２内においては減衰された振動Ｗｓとなって伝播されて建造物Ｋに対して大きな振動を与えることがない。

このように本発明によれば、改良体５２は、低流動性の自硬性注入材を地盤１に所定間隔ｄで静的に圧入して形成された柱状の固結体５０と、締固め後の杭間地盤５１からなる複合体で構成されているので、周辺の地盤との間に大きな強度差がないようになっている。

したがって、地震波Ｗ１が改良体５２に作用するとその地震波が減衰されて穏やかな振動Ｗ５となって地表にある建造物Ｋに伝播されることになり、この建造物Ｋの被害を最小限に抑えることができるのである。
（実施例１）
固化材として８００℃で焼成された酸化マグネシウム８％と、礫・砂・シルト・粘土分の混合体からなる骨材６８％に対して、水を２４％を添加した混合物を攪拌して自硬性注入材を調整した。このように調整された注入材のスランプ値は４ｃｍであった。
前記のように調整された自硬性注入材を特許文献１に記載されたようなコンパクショングラウチング装置と同種類の装置を使用して、改良すべき地盤中に、例えば最大で６Ｍｐａの圧力で静的に圧入した。

その圧入深さは、施工する地盤によって変化するが、例えば図１における深さＨがＧＬ−３〜ＧＬ−１２ｍの範囲であり、１回の充填量は２．６〜３．８ｍ³で、液状化層の厚みを考慮した必要とする段数、例えば３〜１０段に上下に団子状で柱状の固結体５を間隔ｄが１５０〜１７０ｃｍで形成する。推定であるが、本発明における地盤１中に形成される固結体５０の直径Ｄは６０〜８０ｃｍ程度であると考えられる。
このようにして形成された固結体５０を林立して集合させた改良体５２は、図２に示すような、深層混合処理法によって形成された改良体５のように一体化された大型の塊状に形成されず、あたかも多数本の大型の杭ないし柱を林立して立てたように形成され、その間の杭間地盤５１は杭の圧入形成により締固めされた状態になっている。

その理由は、自硬性注入材として、酸化マグネシウムを４〜１０％、骨材６５〜７２％、水２０〜２６％を攪拌した注入材を使用することによって、２〜５ｃｍの低スランプのものを得ることができるからである。この低スランプの自硬性注入材は締固め後の杭間の地盤強度にかなり近いものである。

従って、このような自硬性注入材を土中に、静的に圧入しても、やわらかく堆積した砂地盤中でも横方向に広がりがなく、比較的細く、独立した杭状あるいは柱状のまとまった形になっている。

前記のように形成された改良体５２（改良地盤）に対して、地震波Ｗ１が伝達されると、これは固結体５０の内部で振動波Ｗ３の如く減衰しながら上方に伝達されて大きく減衰された振動波Ｗｓとして地盤１の上方に伝達される。

注入材の配合量の例を下記表１に示す。なお、注入材を地盤に注入する際、地盤中での注入材の逸走、迷走を防ぐために注入材のスランプ値が２〜５ｃｍ程度の流動体でなければならない。

また、注入材で形成された固結体の一軸圧縮強度が１００ｋＮ／ｍ²未満では、杭間地盤に対する締固め効果が低下し、３００ｋＮ／ｍ²より大きいと、固結体に地震波が集中してしまうために、地震波を集中させることなく、杭間地盤を締固めるのに適している固結体強度は、およそ１００〜３００ｋＮ／ｍ²程度である。

表１のNO.1は、固化材である酸化マグネシウムと水の混合率が少ないため、スランプ値と強度が基準値を満足していない。また、NO.4も酸化マグネシウムの混合率が多いため、固結体の強度が必要以上に大きくなってしまった。

これに対して、請求項１で示している注入材の範囲である、酸化マグネシウム４〜１０％、礫、砂、シルトや粘土分を有する骨材６５〜７２％と水２０〜２６％を満たしているNO.2とNO.3については、スランプ値、強度とも基準値を満足しており、中でもNO.3の配合量で注入材を混合すると、締固め効果が最も大きくなり、従って、地震波の集中からも防ぐことができる。

（実施例２）
図６は、地盤１の地下水が連通している水辺区画、特に砂質地盤からなる液状化層３の改良工事を示すもので、コンパクショングラウチング工法により地盤中に造成された固結体５０より６価クロムや水酸化イオンが水７中に溶出しない状態を示している。

本発明は、自硬性注入材として酸化マグネシウムを４〜１０％、骨材６５〜７２％、水２０〜２６％を攪拌した注入材を使用している。

また、本発明は、低流動性の自硬性注入材を、コンパクショングラウチング工法によって静的に圧入して地盤を改良することによって、ｐＨ上昇や六価クロム等の溶出を抑制することができ、施工周辺の汚染の誘因を防止でき、養殖場や港や海水浴場の水質の汚染を防止することができる。

更に本発明においてはスランプ値が比較的小さい注入材を使用しているため、地盤１上の建造物Ｋは、図１を参照して説明したように、地震波の影響を受けないばかりか、水辺における環境悪化を引き起こすことがない。

本発明に係る改良地盤の説明図である。深層混合処理法による従来の改良体を示す斜視図である。コンパクショングラウチング法による従来の改良体を示す斜視図である。図２に対応する改良体の地震波の伝播状況の説明図である。図３に対応する改良体の地震波の伝播状況の説明図である。海浜地区に本発明を適用した改良地盤の断面図である。従来の地盤改良の地下水の汚染の説明図である。

符号の説明

１地盤
２表層
３液状化層
４非液状化層
５、５２、５３改良体
５Ａ、５０固結体
６、５１杭間地盤

Claims

ゆるく堆積した砂質土からなる地盤に、固化材として酸化マグネシウム４〜１０％、礫、砂、シルトや粘土分を有する骨材６５〜７２％と、水２０〜２６％の混合物を攪拌して調整した低流動性の自硬性注入材を静的に圧入して低強度固結体を造成することによって、周辺地盤への地震波の伝播を抑制することを特徴とする締固め工法。
施工周辺の区画と地下水が連通し、注入された自硬性注入材より構成物質が溶出可能な地盤に、固化材として酸化マグネシウム４〜１０％、礫、砂、シルトや粘土分を有する骨材６５〜７２％と、水２０〜２６％の混合物を攪拌して調整した自硬性注入材を静的に圧入することにより、ｐＨ上昇や六価クロム等の溶出による施工周辺の汚染を誘因しないことを特徴とする締固め工法。