JPH0721179B2

JPH0721179B2 - 砂質地盤の液状化防止方法及びこれに用いられる気泡注入装置

Info

Publication number: JPH0721179B2
Application number: JP13969989A
Authority: JP
Inventors: 伸也西尾; 茂後藤; 幸吉馬場
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1989-06-01
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1995-03-08
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: JPH035514A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、完全飽和状態またはそれに近い状態の砂質
地盤の液状化防止方法及びこれに用いられる気泡注入装
置に関するものである。

「従来の技術およびその課題」一般に、飽和した砂質地盤は地震時に液状化する恐れが
あるため、このような砂質地盤上に建築物を構築する場
合には、各種の地盤改良方法で地盤を改良する必要があ
る。ところが、このような地盤改良を行なうためには極
めて高いコストがかかるため、低コストで液状化を防止
する方法の開発が望まれている。また、既に建築物が構
築されている砂質地盤に対して前記のような地盤改良を
行なった場合には周囲の建築物に悪影響を与える恐れが
あるため、既に建築物が構築されている砂質地盤におい
ては、前記のような地盤改良工法で液状化を防止するこ
とは不可能と考えられる。

この発明は前記事情に鑑みてなされたもので、完全飽和
に近い砂質地盤内に液体と共に微小な気泡を圧入して地
盤改良を行うことで、低コストで地盤改良を行え、か
つ、既に構築物が構築されている砂質地盤への適用も可
能な砂質地盤の液状化防止方法及びこれに用いられる気
泡注入装置の提供を目的としている。

「課題を解決するための手段」最近の弾性波探査に関する研究により、地下水位以下の
地盤においても、その地盤の間隙水中に微小な気泡が存
在する場合には、地盤のＰ波速度が1500m/sec（水のＰ
波速度）以下に低下することが明らかにされた。

一方、完全飽和状態に近い砂質地盤において、飽和度の
わずかな低下が強度の増加をもたらすことは既に研究さ
れており、上述したようなＰ波速度の低下した不飽和層
を砂質地盤中に人工的に作成することができれば、新た
な液状化防止方法として有望と考えられる。

そこで、この発明のうち第１の請求項に係る発明は、完
全飽和状態に近い砂質地盤中に注入パイプを貫入し、気
泡注入装置により気泡が混入された液体を作製してこれ
を前記注入パイプの上端からその内部に圧入すること
で、この注入パイプから前記砂質地盤中に微小な気泡で
注入するような砂質地盤の液状化防止方法を構成するこ
とで、前記課題を解決せんとしている。

また、第２の請求項に係る発明は、前記第１の請求項に
係る砂質地盤の液状化防止装置に用いられる気泡注入装
置を、圧力容器と、該圧力容器内に空気を圧入してこの
圧入容器内部の圧力を大気圧以上となす圧縮機と、圧力
容器内に液体を供給する供給手段と、圧力容器内部を撹
拌する撹拌手段と、切換手段を介して圧力容器内部に連
通して設けられ、圧力容器内部より低圧に保持された減
圧容器と、この減圧容器に連結され、地盤中に貫入され
た注入パイプからなるものとしたことを特徴としてい
る。

「作用」この発明の砂質地盤の液状化防止方法においては、完全
飽和状態に近い砂質地盤上に建築物を構築する際、ある
いは既に建築物が構築されている砂質地盤が完全飽和に
近い場合に、その砂質地盤中に注入パイプを貫入すると
共に、気泡混入装置により気泡が混入された液体を予め
作製しておく。そして、このようにした後、気泡が混入
された液体を前記注入パイプの上端からその内部に圧入
することによって、そのパイプ内の水圧を周囲の砂質地
盤の地下水圧よりも高めて、このパイプから液体と共に
前記砂質地盤中に微小な気泡を注入する。このようにす
ると、砂質地盤の飽和度を低下させることができ、地震
時における間隙水圧の上昇が抑制されることとなる。

「実施例」以下、この発明の実施例について第１図を参照して説明
する。

この実施例は、完全飽和に近い砂質地盤１において、そ
の砂質地盤１上に建築物２を構築する際に実施される液
状化防止方法であって、前記砂質地盤１中に多数の微小
な透気孔を有する注入パイプ３を垂直に貫入し、気泡混
入装置４により気泡が混入された液体を作製してこれを
前記注入パイプ３の上端から内部に圧入することで、前
記砂質地盤１の液状化を防止するようにしている。

前記注入パイプ３は、ステンレスまたは合成樹脂などか
らなる管の先端を閉止板で閉塞し、かつその側壁および
閉止板に無数の微小な透気孔（図示略）を形成したもの
であって、その先端を下方に向けた状態で前記砂質地盤
１中に貫入されるものである。但し、注入パイプの構成
はこれに限定されることなく、例えば単に下端部のみ開
口して側壁に透気孔が設けられていないような注入パイ
プであってもよいことは勿論である。

前記気泡混入装置４は、各注入パイプ３、…毎あるいは
一箇所に集中して設けられ、第２図に示すように、大気
圧以上の圧力に耐えうる構造の密閉型圧力容器10と、圧
力容器10内に空気を圧入することでこの圧力容器10内部
の圧力を大気圧以上とするコンプレッサー（圧縮機）11
と、圧力容器10内へ水12を供給する図示されない供給手
段と、圧力容器10内部を撹拌する撹拌装置13とから概略
構成されている。撹拌装置13は、圧力容器10の上部から
突設された撹拌軸14と、この撹拌軸14の側面に植設され
た撹拌翼15、…と、前記撹拌軸14を回転駆動させるモー
タ16とから構成されている。

また、圧力容器10には耐圧ホース17を介して密閉型減圧
容器18が連結され、これら圧力容器10及び減圧容器18手
前の耐圧ホース17にはそれぞれ切換弁19、19が取り付け
られている。この減圧容器18には大気に連通する減圧弁
20が設けられている。

減圧容器18と各注入パイプ３、…の上端はホース21、…
により連結され、かつ、ホース21には吐出圧調整可能な
ポンプ22が介在されている。

このような液状化防止方法によって砂質地盤１の液状化
を防止する場合には、まず、建築物２を構築する予定の
砂質地盤１中に、多数の注入パイプ３、３、…をそれぞ
れ所定位置に垂直に貫入する。

次に、気泡混入装置４を注入パイプ３の上端に接続した
後、気泡混入装置４の圧力容器10内に図示されない供給
手段を介して水12を注入する。そして、所定量の水を圧
力容器10内に貯留した後、圧縮機11により圧力容器10内
に空気を圧入することでこの圧力容器10内部の圧力を大
気圧以上の所定圧にまで加圧しつつ、モータ16を駆動し
て撹拌翼15、…ごと撹拌軸14を回転させることで、圧力
容器10内の水12を撹拌する。これにより、圧力容器10内
の水12には、大気圧における飽和量以上の空気が溶け込
む。なお、圧力容器10内の圧力は必要とする気泡の量や
その時の大気圧に依存して適宜決定すればよい。

この状態で暫く撹拌を継続した後、圧縮機11による加圧
及び撹拌翼15、…等による撹拌を停止し、切換弁19、19
を開状態とすることで圧力容器10内の水12を減圧容器18
内に導入する。次に、切換弁19、19を閉状態としてか
ら、減圧容器18の減圧弁20を開状態とすることでその内
部を大気に連通させる。これにより、減圧容器18内の水
12に溶け込んでいた空気のうち、大気圧下における飽和
量以上の空気が溶出して微小な気泡となり、気泡が混入
された水12を得ることができる。

そして、この水12をポンプ22により圧送して、注入パイ
プ３、…上端から内部に圧入することにより、これら注
入パイプ３、…内の水圧を周囲の砂質地盤１の地下水圧
より高め、これによって、注入パイプ３、…内の水12を
その注入パイプ３、…の無数の透気孔から放出して、砂
質地盤１内に水12とともに微小な気泡を注入する。

このようにして砂質地盤１中に無数の微小な気泡を注入
すると、その砂質地盤１の飽和度が低下することとなる
が、その場合、砂質地盤１中にその砂質地盤１の飽和度
を検出するセンサを設けるか、または砂質地盤１上に適
当な測定機器等を設けるなどして、その砂質地盤１の飽
和度（液状化強度）およびその時間的変化を把握してお
くようにする。この飽和度の検出は、前述の如く地盤の
Ｐ波速度の低下と飽和度との関係に基づき、弾性波探査
等によりＰ波速度を計測することで行えばよい。

そして、前記砂質地盤１の改良範囲および改良効果をモ
ニタリングしながらその砂質地盤１の飽和度を低下させ
ることによって、その砂質地盤１の液状化強度を所望の
強度まで高める。このようにすると、前記砂質地盤１中
における地震時の間隙水圧の上昇が低減して適正なレベ
ルに抑えられることとなり、これによって、完全飽和に
近い状態の砂質地盤１においても地震時の液状化が防止
されることになる。

特に、この実施例の液状化防止方法においては、砂質地
盤１に微小な気泡を注入する際に、気泡混入装置４によ
り気泡が混入された水12を作製し、これを注入パイプ３
を介して地盤１内に圧入することで気泡を地盤１内に注
入しているので、砂質地盤１への水12の注入量及び注入
圧を適宜制御することで地盤１内への気泡注入量を容易
に制御することができ、しかも単に注入パイプ３内に圧
縮空気を送出することで注入パイプ３の透気孔から気泡
を注入するような場合に比較して、砂質地盤１への気泡
注入が確実かつ容易に行える。

すなわち、従来の研究に依れば、砂の透気係数は飽和度
の増加に伴い減少し、飽和度50％程度で閉塞することが
報告されている。これは、単純に気泡のみを砂に注入す
る場合には、砂の飽和度は50％以下に至らないことを意
味する。従って、土の骨格構造を乱さずに、飽和地盤中
に空気を送り込むのは困難とされていた。しかし、本実
施例の如く水12中に微小な気泡を混入し、この水12とと
もに微小な気泡を地盤中に注入すれば、閉塞を生じずに
砂の中に空気を送り込むことができ、砂質地盤を所望の
飽和度となすことができる。

また、圧力容器10及び減圧容器18を備えた気泡混入装置
４を用いれば、これら容器10、18間における圧力差によ
って、粒子径が均一かつ微小で水12内における分布も均
一な気泡を容易にしかも迅速に作製することができる。

なお、この発明では、完全飽和状態に近い砂質地盤上に
建築物を構築する際に実施する液状化防止方法について
説明したが、この発明の液状化防止方法は、既に建築物
が構築されている砂質地盤に対しても適用することがで
きる。その場合、第１図に示すように、砂質地盤１上の
各建築物２の周囲に前記注入パイプ３を打ち込み、その
注入パイプ３の上端、例えば各建築物２の四隅にそれぞ
れ気泡混入装置４等を設置すればよい。これにより、液
状化防止のための地盤改良がなされていない砂質地盤１
上に構築された既設の建築物２に対しても、各建築物２
周辺の砂質地盤１の飽和度を低下させることによって、
地震時の液状化を有効に防止することができる。

「実施例」この実施例は、微小気泡を飽和砂地盤中に注入して地盤
の飽和度を下げ、地震時に発生する間隙水圧を低減させ
る液状化対策ついて進められた研究の中で、特に、飽和
過程による供試体の弾性波速度の測定結果により、飽和
度、すなわちＢ値と弾性波速度との関係について考察を
加え、対策効果のモニタリングを目的とした、弾性波速
度による地盤飽和状態の推定法の可能性を検討したもの
である。

試料および試験方法用いた試料は豊浦砂および砂礫の２種類である。試料の
物理的性質を表１に示す。

試験は大型三軸試験装置（供試体：直径300mm、高さ600
mm）を用いて行ない、弾性波の測定は、有効拘束圧を49
kPaに保ち、供試体を飽和させる過程で実施した。飽和
度は、バックプレッシャー載荷に伴う間隙水の体積変化
を耐圧ビュレット（容量1000cm³）で測定し、ボイルの
法則から求めた。

飽和度、Ｂ値と弾性波速度について多孔質弾性体理論を用い、さらに気泡を含んだ間隙水の
体積弾性定数を考慮すると、飽和度（Sr）とＰ波速度
（Vp）との関係は次式で与えられる。

ここに、ρ ：密度（湿潤密度） ρd ：土骨格の密度（乾燥密度） Vpd：土骨格のＰ波速度 Kw ：気泡を全く含まない水の体積弾性定数（2.2×10kPa） Ka ：空気の体積弾性定数（絶対圧で表した間
隙水圧） n ：間隙率第３図は、式（１）を用いて推定した飽和度によるVpの
変化を示している。間隙水中に占める気泡の割合（１−
Sr）が、10^-5〜10^-3（飽和度にして、99.999〜99.9％）
に変化する領域のVpの変化は極めて大きい。

一方、土粒子の圧縮性を無視すれば、Ｂ値は次式で表さ
れる。

第４図は、式（２）から求めた飽和度によるＢ値の変化
を示している。Ｂ値の場合も飽和度の影響を顕著に受
け、特に（１−Sr）が10^-3〜10^-1に変化する領域での変
化が大きいことがわかる。

測定結果と考察第５図は、飽和過程で測定した弾性速度と飽和度との関
係を示している。Vpは飽和度の影響を顕著に受け、第３
図に示した推定値と良く対応した変化を示すのに対し、
せん断波速度（Vs）の変化は極めて小さい。計算によれ
ば、飽和度増加に伴う密度の増加を考慮しても、せん断
弾性定数は飽和過程でほとんど一定値を示した。実測し
たVpd（乾燥供試体で測定したVp）およびVpを用い、式
（１）から求めた（１−Sr）cal.と間隙水の体積変化測
定から求めた（１−Sr）meas.の比較結果を第６図に示
す。（１−Sr）の小さな領域において、測定精度に起因
すると思われるばらつきはあるが、全体的には良い相関
があると判断できる。

第７図に、各飽和段階において、弾性波速度から求めた
体積弾性定数（Ｋ）と実測したＢ値との関係を示した。
第７図中の曲線は、式（２）に多孔質弾性体理論を適用
して得られる次式を表している。

Ｂ＝１−Kd/K （３）計算曲線は測定データを良く近似していることがわか
る。第８図は、乾燥供試体で測定した弾性波速度からKd
を求め、式（３）を用いて計算したＢ値（Bcal.）と実
測したＢ値（Bmeas.）の比較結果である。両者の間には
広い範囲にわたって良い相関関係が認められる。

結論砂および砂礫供試体の飽和過程における弾性波速度の変
化を測定し、完全飽和の状態からわずかに飽和度が低下
するだけでＰ波速度は著しく低減することを示した。ま
た、これは、気泡を多く含んだ間隙水の体積弾性定数を
考慮すれば、多孔質弾性体の理論で説明することがで
き、弾性波速度から飽和度、すなわちＢ値を推定するこ
とができることを明らかにした。

以上の結果より、気泡注入による液状化対策において、
地盤の弾性波速度を測定した対策効果をモニタリングす
る手法の有効性が示唆された。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、この発明によれば、完全飽
和状態に近い砂質地盤中に注入パイプを貫入し、気泡混
入装置により気泡が混入された液体を作製してこれを前
記注入パイプの上端からその内部に圧入することで、こ
の注入パイプから前記砂質地盤中に微小な気泡を注入
し、それによって地震時における間隙水圧の上昇を抑制
することができる。このため、完全飽和に近い状態の砂
質地盤においても地震時の液状化を防止することができ
る。しかも、この発明の液状化防止方法においては、気
泡が混入された液体を地盤内に圧入することで気泡を地
盤内に注入しているので、砂質地盤への液体の注入量及
び注入圧を適宜制御することで地盤内への気泡注入量を
容易に制御することができ、しかも単にパイプ内に圧縮
空気を送出することでパイプの透気孔から気泡を注入す
るような場合に比較して、砂質地盤への注入が確実かつ
容易に行える。

また、圧力容器及び減圧容器を備えた気泡注入装置を用
いれば、これら容器間における圧力差によって、粒子径
が均一かつ微小で液体内における分布も均一な気泡を容
易にしかも迅速に作製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第２図は、この発明の一実施例を示す図で
あって、第１図は砂質地盤の液状化防止方法を説明する
ための図、第２図は気泡注入装置の例を示す概略図、第
３図は飽和度とＰ波速度との関係を表すグラフ、第４図
は飽和度とＢ値との関係を表すグラフ、第５図は飽和度
による弾性波速度の変化を表すグラフ、第６図は飽和度
の実測値と推定値との関係を表すグラフ、第７図は体積
弾性定数とＢ値との関係を表すグラフ、第８図はＢ値の
計算値と実測値との関係を表すグラフである。１……砂質地盤、２……建築物、３……パイプ、４……
気泡混入装置、12……水（液体）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】完全飽和状態に近い砂質地盤中に注入パイ
プを貫入し、気泡混入装置により気泡が混入された液体
を作製してこれを前記注入パイプの上端からその内部に
圧入することで、この注入パイプから前記砂質地盤中に
微小な気泡を注入することを特徴とする砂質地盤の液状
化防止方法。
【請求項２】圧力容器と、該圧力容器内に空気を圧入し
てこの圧力容器内部の圧力を大気圧以上となす圧縮機
と、圧力容器内に液体を供給する供給手段と、圧力容器
内部を撹拌する撹拌手段と、切換手段を介して圧力容器
内部に連通して設けられ、圧力容器内部より低圧に保持
された減圧容器と、この減圧容器に連結され、地盤中に
貫入された注入パイプとからなる砂質地盤の液状化防止
方法に用いられる気泡注入装置。