JP2005299337A

JP2005299337A - 高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法

Info

Publication number: JP2005299337A
Application number: JP2004120775A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Shinozaki; 晴彦篠崎; Masao Nakagawa; 雅夫中川; Masato Tsujii; 正人辻井; Eiji Kiso; 英滋木曽
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】高炉水砕スラグを岸壁の裏込め材として用いた場合、所要の期間内に十分な固結強度を確保する。
【解決手段】岸壁、擁壁等の壁体の裏込め材として高炉水砕スラグを用い、施工完了後の所定期間経過時点で固結状態を判定し、固結不十分の部位が存在する場合に当該部分に固結促進対策を施すことにより所要の固結強度を確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は、岸壁ならびに擁壁などの壁体構造物の背面に施される裏込め材による土圧軽減ならびにその液状化防止を目的とした固結工法に関する。

尚、ここで裏込め材とは岸壁・擁壁の裏側に充填される全ての材料を総称して示す。

岸壁、擁壁の裏込め材を用いる箇所（以下、裏込め部と記載）は構造物、車両等の荷重を安定して支持する重要構造である。

従来、裏込め材として主に天然割石、天然砕石、および天然砂が用いられてきた。例えば港湾の岸壁の場合には、裏込め部の所要の範囲は人頭大の天然割石で施工し、その背面には割石よりも低級な天然砂もしくは残土で埋め立てして陸地化する。特に重要な岸壁の場合には、地震時の被害を防止または軽減することによる震災直後の沿岸の早期供用開始が性能上求められている。地震時において、最も大きな被害を与えると考えられる液状化防止の観点から、液状化しない材料の選定および工法の選定が必要である。

裏込め材としての天然割石は設計上液状化しない材料として扱われているが、その他の材料の場合、液状化すると判断される場合には、別途サンドコンパクションパイル工法等の補助工法が必要となる。上記の割石を用いる工法は、強度の大きな天然割石を裏込め材に用いることから、充分な土圧軽減効果と液状化防止効果が期待できる反面、高価な材料費に加えて人力による敷き均しや防砂シートの敷設などの作業を伴うため、高コストな工法である。さらに、昨今の良質な天然資源の確保が困難な状況から、比較的安価な砂にセメント等の固化剤と分離低減剤を混合して強制的に固化させる事前混合処理工法が開発および基準化されている。また、特に高含水比の粘土質浚渫土のような付加価値の低い不要土とセメント等固化剤を管内圧送時に攪拌混合して、スラリー状態で施工し強制的に固化させる管中混合固化処理工法等も開発・基準化されている。これらの工法は、いずれもセメント等の固化作用による土圧軽減、液状化強度または動的せん断強度の増強に効果的である。

上記処理工法にて用いられる材料に対して、高炉水砕スラグは、高炉で銑鉄と分離された溶融高炉スラグを加圧水により急冷、粒状化した砂状の鉄鋼副産物であり、大半は廃棄されたり、セメント原料として利用されたりしている。

地盤材料としての高炉水砕スラグの特性は、軽量および高強度であることに加えて、水と反応して水和反応により固結する潜在水硬性を有しており、優れたな地盤材料として非特許文献１、２などにより基準化されている。

高炉水砕スラグは溶融状態から急冷生成されるため、その粒子は不安定な非結晶構造からなる。高炉水砕スラグが水と反応すると、スラグ粒子からカルシウム、シリカ、アルミニウムなどがイオンとして溶出し、ある飽和濃度条件に達すると安定なカルシウム−シリカ−アルミナ系水和物がスラグ粒子表面に生成する。カルシウム−シリカ−アルミナ系水和物は粒子同士の接触点でバインダーとなってスラグ粒子全体を固結する。

高炉水砕スラグが固結するための条件は、ある程度以上の締固め密度が確保されていることおよび水和物が安定して生成するために必要な間隙水が静止、またはその流速が緩慢な状態に保たれていることである。

高炉水砕スラグの固結促進方法としては、主にセメント、消石灰等のアルカリ刺激剤を混合した強化路盤工法等で実用化されている。その他の固結促進方法として、高炉水砕スラグの細粒化あるいは高温養生、締め固めなどがある。

高炉水砕スラグの利用基準としての上記非特許文献１において、その固結特性は付加的効果として位置付けされており、設計への有効利用はなされていなかった。しかし、近年上記非特許文献２により、高炉水砕スラグの潜在水硬性の長所を有効に設計に活用する試みが増加するものと期待されている。

そこで、高炉水砕スラグを裏込め材として用いることは、前記各種工法に比べて、工法によっては、締め固めやセメント等の添加による強制的な固結対策といった補助工法を必要とすることなく、所要の目的を達成することが可能である。更に、セメント等の固化剤の添加による海水へのアルカリ成分の溶出や濁りの問題が少なく、安価な土圧軽減・液状化対策工法となりうる。
「港湾工事用水砕スラグ利用手引書」（（財）沿岸開発技術研究センター、鐵鋼スラグ協会平成元年８月）「港湾の施設の技術上の基準・同解説」（（社）日本港湾協会平成１１年４月改定）

高炉水砕スラグを裏込め材として用いた地盤が土圧軽減効果および液状化抵抗を発揮するまでに必要な固結状態（一軸圧縮強さｑｕ＝５０〜１００ｋＰａ程度）に達するまでに要する期間は、前述のセメント系の混合処理地盤に比べて緩慢で通常３〜６ヶ月程度必要である。しかし、高炉水砕スラグを岸壁の裏込め材として用いる場合であれば、施工から供用開始までの時間を考慮すると実用化可能な期間と考えられる。

しかし、高炉水砕スラグを裏込め材として用いた場合、施工環境条件により、固結に伴う強度発現のばらつきは大きく、特に重力式岸壁の裏込め部の下層においては、ケーソン直下に施工される透水性の高い捨石層を介する潮位変動に伴う海水の流入浸透や、背面の埋立て地盤からの地下水の流入浸透の影響により、所要の期間で充分な固結状態になり難い等の問題がある。

本発明の目的は上記の課題に対して、高炉水砕スラグを裏込め材として用いた際に、所要の期間に確実な固結強度を確保させる一連の手法を提供することである。

本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）壁体の裏込め材として高炉水砕スラグを用い、施工完了後の所定期間経過時点で固結状態を判定し、固結不十分の部位が存在する場合には、当該部位に固結促進対策を施すことにより、所要の固結強度を確保することを特徴とする高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法であり、
（２）前記固結促進対策として、固結不十分の部位にアルカリ刺激材を添加するか、または高炉水砕スラグの固化促進剤を供給することを特徴とする（１）の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法であり、
（３）固結促進対策として、加熱および振動付与のいずれかの手段により高炉水砕スラグからのイオン溶出を促進させることを特徴とする（１）の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法であり、
（４）前記固結促進対策として、高炉水砕スラグに強制的に粒子破砕を生じさせることによって、固結に必要なイオン溶出を促進させることを特徴とする（１）の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法であり、
（５）高炉水砕スラグ裏込め材の固結状態を判定する際に、標準貫入試験値Ｎ値、オートマチックラムサウンディングによるＮｄ値、およびオランダ式二重コーン貫入試験によるコーン貫入抵抗値（ｑｃ値）のいずれかの原位置サウンディングを用いることを特徴とする（１）の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法であり、
（６）高炉水砕スラグ裏込め材の固結状態を判定する際に、ＰＳ検層より得られるせん断波速度Ｖｓを用いることを特徴とする（１）の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法であり、
（７）高炉水砕スラグ裏込め材の固結状態を判定する際に、裏込め部位からサンプル片を採取し、一軸圧縮強さまたは透水係数を測定することを特徴とする（１）の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法であり、
（８）高炉水砕スラグ裏込め材の裏込め材施工直後から供用開始までの任意の経過時毎に、壁体法線直角方向の任意の位置において深さ方向に原位置試験を実施し、得られた測定値の経時変化から将来的な強度を予測して固結しにくい部位をあらかじめ特定し、事前に固結促進対策を講じることを特徴とする（１）の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法である。

本発明は、高炉水砕スラグを用いて、固結強度が発現しにくい部位を施工後の調査により判別し、局部的に固結促進を図ることによって、最小限の施工によりその固結特性を有効活用することを特徴としている。

高炉水砕スラグの固結促進のためには前述の通り、各種アルカリ剤を事前に添加混合させ、施工することで目的を達成することが可能であるが、その場合以下の問題がある。

（i）施工にあたって事前に高炉水砕スラグにアルカリ剤を添加することにより施工コストが高くなる。

（ii）アルカリ剤を添加しているため水中投入施工において周辺海水の高ｐＨ化および濁り（ＳＳ）による水質汚濁が懸念される。特に岸壁裏込め、施工時において外周護岸部は完全に締め切られておらず、余水吐きを経由して直接高ｐＨ水が沿岸海域へ流出するおそれがあり、対策が必要となる。

本発明は、上記（i）に対しては高炉水砕スラグ材料単体で施工するため、混合工程が不要で最も安価な施工方法を提供できる。上記（ii）に対しては、事前にアルカリ剤を添加されていない高炉水砕スラグ単独の場合には、海水と接触しても海水のｐＨを上昇させる虞が少なく、濁りも少ないことから、水質汚濁の問題は殆ど生じないという利点がある。

高炉水砕スラグを用いる際には、長所である潜在水硬性を最大限に活用し、補助工法としての固結促進対策を極力用いないことが望ましい。

そのためにも、裏込め部の施工から供用開始まで、施工直後を含めて、高炉水砕スラグを用いた裏込め部を複数回に分けて、壁体法線直角方向の任意の位置の深さ方向で、経時的に固結状況を調査する。そして、裏込め部の強度を予測して、固結しにくい部位をあらかじめ特定し、早めに対策を講じることが必要である。そのとき任意の調査箇所においては、各調査時に極力近い場所を測定するように選定し、調査方法としても原位置調査法を採用するのが、コスト・工期上から望ましい。

裏込め部の施工要領は通常と同様に行うが、施工後の調査により前記（２）〜（４）のいずれかの方法により所望の期間に所望の強度を満たさない場合か、または予測した固結状況が所望の強度に満たさない場合には、前記（５）〜（７）のいずれかの方法によりその範囲を特定し、必要な固結対策を講じる。

アルカリ刺激材として高炉徐冷スラグ、高炉スラグ微粉末、破砕した高炉水砕スラグ、製鋼スラグ、コンクリート廃材、石炭灰、消石灰、生石灰、水酸化ナトリウム、水ガラス、セメントおよびセメント系固化材など全てのアルカリ溶出物質を用いることができる。

図１は、高炉水砕スラグを用いた裏込め部の固結促進方法として前記アルカリ刺激剤を対象とする部位に圧入して、強制的にアルカリ環境下に導くものである。アルカリ刺激剤の圧入方法として例えば、通常のサンドドレン工法あるいはサンドコンパクションパイル工法の要領で地盤中に打込むことにより目的を達成することが可能である。

図２は、高炉水砕スラグを用いた裏込め部の固結促進方法として強制的に高炉水砕スラグの固化促進剤を部分注入し、固化促進を図ったものである。ここでいう高炉水砕スラグの固化促進剤とは、高アルカリ溶液、アルカリ性粉末を含む懸濁溶液、セメント系固化材および水ガラス等の薬液を示す。高炉水砕スラグの固化促進剤を部分注入する工法と類似の工法として、高炉水砕スラグ地盤の透水性が高いことを利用して高炉水砕スラグ層の上面より直接浸透させることも可能である。

図１および図２と同様の工法を用いてケーシングを高炉水砕スラグ裏込め部に挿入して、前記ケーシングに装着した加熱装置またはバイブロ等の振動発生機により加熱または振動を加えることにより、高炉水砕スラグからのイオン溶出を促進させることができる。

また、図１、図２のごとく、高炉水砕スラグ裏込め部に同じ高炉水砕スラグを用いて、サンドコンパクションパイル工法により打設することで、高炉水砕スラグの粒子に強制破砕を生じさせイオン溶出を促進させる効果を得ることができる。

高炉水砕スラグの固結促進に対する粒子破砕の効果に関する試験結果を図３に示す。試験は、製造直後の高炉水砕スラグ（ＧＳ０）およびそれぞれを破砕機により強制的に破砕して細粒化したＧＳ１、ＧＳ２をそれぞれ所望の容器に水中投入して作製した試供体を４０℃の温水で養生し、所定の期間で一軸圧縮強さを測定して固結状態を比較したものである。図３より、細粒化した高炉水砕スラグほど固結が早期に進展し、高い強度を発現しており、固結に及ぼす粒子破砕の効果が確認できる。

固結状況を判定する方法を、図４〜図７に示す。

図４に示す標準貫入試験値（Ｎ値）と一軸圧縮強さ（ｑｕ）の関係より、一軸圧縮強さの目標をｑｕ＝１００ｋＰａとした場合の標準貫入試験による標準貫入試験値Ｎ値＝１０程度と考えられる。

図５は現場で測定したコーン貫入抵抗値（ｑｃ）と、せん断強度（τ）の関係を示したものである。せん断強度（τ）は、室内試験（三軸圧縮（ＣＤ））で得られた粘着力（ｃ）、内部摩擦角（φ）をもとに計算し、せん断強度τ＝ｃ＋σ’ｔａｎφとの関係を得た。図５より、せん断強度（τ）とコーン貫入抵抗値（ｑｃ）との関係には、線形関係が認められる。これより、必要なコーン貫入抵抗値（ｑｃ）を以下に記す（I）〜（III）式の手順により得ることができる。

さらに、鉛直有効応力（σｖ’＝γｓｕｂ・ｚ≒８ｚ（ｋＮ／ｍ^２））を用いることにより深度ｚの関数として、以下に示すように算定することが可能である。

一軸圧縮強さ（ｑｕ）とせん断強度（τ）の関係を（I）式に示す。

（I）式において目標一軸圧縮強さｑｕ＝１００ｋＰａ（ｋＮ／ｍ^２）、内部摩擦熱φ＝３５°の場合、目標粘着力ｃ≒２５ｋＰａ（ｋＮ／ｍ^２）となる。

図５よりコーン貫入抵抗値（ｑｃ）とせん断強度（τ）の関係は（II）式で示される。

（II）式におけるσｖ’として、水砕スラグの水中有効重量γｓｕｂＺ＝＝σｖ’＝８Ｚ（ｋＮ／ｍ^２）を用い、（III）式に示す。

図６は、せん断波速度Ｖｓと一軸圧縮強さの関係の一例として、事前混合処理技術マニュアルより引用したものである。これより、一軸圧縮強さｑｕ＝１００ｋＰに対応するＶｓ≒５００（ｍ／ｓ）程度となる。

図７は現場調査で得られた一軸圧縮強さと透水係数の関係の一例を示したものであり、この関係を用いると一軸圧縮強さｑｕ≧１００ｋＰａとなり、ｋ_１５≦６．５×１０^−３（ｃｍ／ｓ）となる。

高炉水砕スラグ裏込め材の固結状態を判定する際には、裏込め部位にてボーリングを実施し、サンプル採取機を使って裏込め部位から試料を採取し、サンプル片の一軸圧縮強さまたは透水係数測定するための試験を実施した。

図８は、（５）に示す原位置試験のうち標準貫入試験を用いて現場における経時的な調査結果をもとに所望の期間における推定強度より必要対策部位を決定する手法を示している。

固結が不充分な部位へのアルカリ刺激剤の打設方法を示す図である。固結が不充分な部位へのアルカリ刺激剤の注入方法を示す図である。固結促進に対する粒子破砕の効果に関する試験結果を示す図である。標準貫入試験値（Ｎ値）と一軸圧縮強さの関係の一例を示す図である。コーン貫入試験値ｑｃ値とせん断強度の関係の一例を示す図である。せん断波速度と一軸圧縮強さとの関係を示す図である。透水係数と一軸圧縮強さとの関係を示す図である。経時的なＮ値の変化から推定した将来Ｎ値の予測を示す図である。

符号の説明

１：高炉水砕スラグ裏込め部
２：固結が不充分な部位
３：アルカリ刺激剤
４：重力式ケーソン岸壁
５：アルカリ刺激剤打設機
６：アルカリ刺激剤注入管
７：アルカリ懸濁液または溶液
８：Ｌ型ブロック
９：裏込め石
１０：標準貫入試験実施部
１１：対策部位

Claims

壁体の裏込め材として高炉水砕スラグを用い、施工完了後の所定期間経過時点で固結状態を判定し、固結不十分の部位が存在する場合には、当該部位に固結促進対策を施すことにより、所要の固結強度を確保することを特徴とする高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法。
前記固結促進対策として、固結不十分の部位にアルカリ刺激材を添加するか、または高炉水砕スラグの固化促進剤を供給することを特徴とする請求項１に記載の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法。
前記固結促進対策として、加熱および振動付与のいずれかの手段により高炉水砕スラグからのイオン溶出を促進させることを特徴とする請求項１に記載の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法。
前記固結促進対策として、高炉水砕スラグに強制的に粒子破砕を生じさせることによって、固結に必要なイオン溶出を促進させることを特徴とする請求項１に記載の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法。
高炉水砕スラグ裏込め材の固結状態を判定する際に、標準貫入試験値Ｎ値、オートマチックラムサウンディングによるＮｄ値、およびオランダ式二重コーン貫入試験によるコーン貫入抵抗値（ｑｃ値）のいずれかの原位置サウンディングを用いることを特徴とする請求項１に記載の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法。
高炉水砕スラグ裏込め材の固結状態を判定する際に、ＰＳ検層より得られるせん断波速度Ｖｓを用いることを特徴とする請求項１に記載の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法。
高炉水砕スラグ裏込め材の固結状態を判定する際に、裏込め部位からサンプル片を採取し、一軸圧縮強さまたは透水係数を測定することを特徴とする請求項１に記載の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法。
高炉水砕スラグ裏込め材の裏込め材施工直後から供用開始までの任意の経過時毎に、壁体法線直角方向の任意の位置において深さ方向に原位置試験を実施し、得られた測定値の経時変化から将来的な強度を予測して固結しにくい部位をあらかじめ特定し、事前に固結促進対策を講じることを特徴とする請求項１に記載の高炉水砕スラグ裏込め材の固結促進方法。