JP2007182724A - 地盤の液状化防止工法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】砂地盤の液状化防止技術であって、シリカ系の特殊な溶液型地盤固結用薬液を砂地盤中に注入することにより地盤中に恒久的な固結体を形成して地盤の液状化を防止する。
【解決手段】シリカ系の溶液型薬液に気泡４を混入し、得られた気泡混入薬液を砂粒子１の地盤に注入し、気泡４の混入された固結体Ａを形成して地盤の液状化を防止する。この工法は薬液製造装置と注入装置との間に気泡混入装置を配置した液状化防止装置によって達成される。
【選択図】図４

Description

本発明は地盤、特に砂地盤の液状化防止工法および装置に係り、特にシリカ系の特殊な溶液型地盤固結用薬液（注入材）を地盤、特に砂地盤中に注入することにより地盤中に恒久的な固結体を形成して地盤の液状化を防止する、地盤の液状化防止工法および装置に関する。

一般に、地盤、特に砂地盤は地震等によりせん断変形し、ダイレタンシー現象により体積変化を起こす。特に、水で飽和した砂は排水条件が良好な場合には排水して体積減少を起こす。

一方、排水条件が好ましくない場合、過剰間隙水圧が上昇し、有効応力が減少して砂の抵抗力が低下し、液状化現象を引き起こす。

この対策として、従来、セメントミルクや、恒久性に優れたシリカ系の各種水溶液型注入材を地盤中に注入、固結して液状化を防止する方法、あるいは、微少な気泡の混入された水を地盤中に注入し、砂の飽和度を低下させて液状化を防止する方法等が提案されている。

しかし、上述前者の公知方法では、恒久性に優れた溶液型注入材により地盤を固結するので、既設構造物周辺や直下での施工性に優れているものの、一軸圧縮強度によって液状化判定を行うため、薬液のシリカ濃度が重要となる。すなわち、この場合、特殊な薬液を用いるため、経済性が問題となる。

一方、上述後者の公知方法、すなわち、気泡混入方法では、原料が水と空気であることから、経済性に優れているとともに、充分な液状化強度を有する研究成果が示されている。
しかし、河川堤防直下等、地盤中に地下水流がある場合、注入された気泡が流失あるいは拡散され、期待した品質を確保、保持することができない。
特開平１１−２７９５５２号公報 特開平２−１２５０１３号公報 米倉亮三、島田俊介、木下吉友：恒久グラウト注入工法 山海堂２０００年８月 岩崎靖、諏訪裕哉、末政直晃、片田敏行：気泡混入工法における原位置不飽和度評価法の検討

そこで、本発明の課題は恒久性に優れた低濃度の特殊シリカ薬液に気泡を混入し、これを地盤中に注入し、固結することにより、固結化と不飽和化を一緒に行って地盤の浸透性を恒久的に難透水化し、かつ、不飽和を維持し、上述の公知技術に存する欠点を改良した地盤の液状化防止工法および装置を提供することにある。

上述の課題を解決するため、本発明の地盤の液状化防止工法によれば、シリカ系の溶液型地盤固結用薬液に気泡を混入し、得られた気泡混入薬液を地盤中に注入し、固結して地盤中に気泡の混入された固結体を形成し、気泡による不飽和化と固結化を同時に行って地盤の液状化を防止することを特徴とする。

さらに、上述の課題を解決するため、本発明の地盤の液状化防止装置によれば、薬液製造装置およびこれによって製造されたシリカ系の溶液型地盤固結用薬液を地盤中に注入する注入装置を備えた装置において、前記薬液製造装置と前記注入装置との間に、薬液に気泡を混入する混入装置を配置し、前記薬液製造装置によって製造された薬液に、混入装置により気泡を混入し、気泡混入薬液を地盤中に注入し、固結して地盤中に気泡の混入された固結体を形成し、気泡による不飽和化と固結化を同時に行って地盤の液状化を防止することを特徴とする。

上述の本発明は恒久性に優れた低濃度特殊シリカ薬液に気泡を混入し、これを既設構造物周辺や直下、あるいは地下水流のある地盤中に注入し、地盤中の砂粒子間に人工的に気泡をつくり、不飽和化することにより、地震時等の繰り返しせん断荷重を受けても過剰間隙水圧の発生を防ぐ。

さらには、長期耐久性に優れた特殊シリカを用いることにより固結物が難透水化される。この機能は恒久的に維持され、液状化現象を防止する。

以下、本発明を具体的に詳述する。

本発明の地盤の液状化防止工法は上述のとおり、シリカ系の溶液型地盤固結用薬液に気泡を混入し、得られた気泡混入薬液を地盤中に注入し、固結して地盤中に気泡の混入された固結体を形成し、気泡による不飽和化と固結化を同時に行って地盤の液状化を防止する。

本発明に用いられる地盤固結用薬液はシリカ系の長期恒久性に優れた溶液型薬液であって、水ガラスのアルカリを酸で除去して得られた非アルカリ性シリカゾル溶液（図７）、または陽イオン交換樹脂やイオン交換膜等でアルカリを除去して得られた活性シリカをそのままあるいは増粒したシリカコロイドを用いることも出来る。あるいは、酸性シリカゾルをイオン交換樹脂やイオン交換膜で処理して酸根を提言させたシリカコロイド溶液等を用いることも出来る。また、これらのイオン交換処理して得られたシリカコロイドに水ガラスと酸を加えることにより大きなシリカと小さなシリカからなる非アルカリ性活性複合シリカを用いることも出来る（図８）。これらのシリカグラウトは長期耐久性が優れているため気泡を含んだまま長年月安定した地盤を形成する。具体的には、シリカゾルグラウトあるいはパーマロック等のコロイダルシリカグラウト（強化土エンジニヤリング（株）製商品名）等である。

これらの非アルカリ性シリカグラウトは数十時間の長いゲル化時間を得ることが出来るため、広範囲な固結体が可能で、かつ、シリカ濃度が薄くても固結性に優れ、シリカの溶出もなく耐久性に優れている。非アルカリ性シリカゾル溶液やシリカコロイド溶液以外にもアルミニウム塩を含む水ガラスグラウトあるいはグリオキザールや炭酸エステルや多価アルコールエステル等有機反応剤を用いた水ガラスグラウトは耐久性と長いゲル化時間を得ることができる。なお、気泡としての炭酸ガスはアルカリ性の水ガラス等に吸収されやすいので、気泡としては空気や窒素等の不活性気体が望ましいが、経済性を考慮すると、空気が一番好ましい。

特に、炭酸ガスを用いる場合は、水ガラスのアルカリを中和する量以上を混入すれば、中性領域のシリカゲルの中に炭酸ガスが混入したまま保持できる。したがって、このように使用すれば、従来、炭酸ガスを反応剤とする水ガラスグラウトが公知であるが、それは炭酸ガスが炭酸となり、それが水ガラス中でアルカリを中和してゲル化時間をアルカリ領域で調整するのであり、また、炭酸水を反応剤として、同じように水ガラスをゲル化させるのである。しかし、本発明では、これらとは異なり、炭酸ガスが気泡になるように過剰に加えるのである。

本発明では、上述の薬液に空気等の気泡を混入して気泡混入薬液を製造し、この薬液を地盤、特に砂地盤中に注入し、固結して地盤中に気泡の混入された固結体を形成する。

気泡混入薬液はＳｉＯ_２濃度が１〜１０％、好ましくは１〜６％に調整された薬液に気泡を直接混入して製造するか、またはＳｉＯ_２濃度が４〜３０％に調整された薬液に気泡の混入された希釈液、具体的には希釈水を混入してＳｉＯ_２濃度を１〜１０％に希釈して製造する。なお、薬液の気泡混入量はいずれの方式でも、注入された地盤の飽和度が９０％以下となるように気泡の量を調節する。

上述のようにして製造された気泡混入薬液を砂地盤に注入した時の物性を以下の図１〜図３に示す。図１は相対密度６０％程度の豊浦砂に特殊シリカを注入した時のシリカ濃度と透水係数の関係を示したグラフである。これよりある程度シリカが充填されていれば充分な不透水性を示すといえる。

図２は相対密度４０％程度に調整した豊浦砂を９８ｋＰａの拘束圧下で繰り返し非排水三軸試験を行い、繰り返し回数とせん断応力比の関係を表したグラフである。液状化強度は軸ひずみ両振幅が５％に達した時の値を用いている。これより、飽和度が９０％以下であれば、高い液状化強度比を示す傾向を示す。

図３は相対密度４０％程度に調整した豊浦砂にシリカ濃度６％の特殊シリカを注入した時の養生期間と一軸圧縮強度の関係を表したグラフである。これより、特殊シリカは充分な長期耐久性を保持するといえる。

図４は本発明にかかる気泡混入薬液を砂地盤中に注入した時の模型図であって、砂粒子１，１・・・１は気泡４，４・・・４の混入された薬液のシリカによる皮膜２によって固結され、固結体Ａを形成する。３は間隙水である。上述の本発明にかかる気泡混入薬液は以下の図５および図６の液状化防止装置によって地盤中に注入される。

図５は本発明にかかる液状化防止装置のフローシートである。図５において、Ｘは液状化防止装置であって、薬液製造装置５およびこの装置５で製造された薬液を地盤６中に注入する注入装置７とを備え、これら装置の間には薬液に気泡を混入する気泡混入装置８を配置する。図５中、９は圧縮ガスボンベまたはエアコンプレッサー、１０は薬液の貯蔵タンク、１１は気泡の混入された薬液の貯蔵タンク、１２は注入ポンプ、１３は送液ポンプである。

図５において、まず、薬液製造装置５によってシリカ系の溶液型地盤固結用薬液、具体的には、非アルカリ性シリカゾル溶液や活性シリカコロイド溶液を製造し、次いで、この薬液を一次貯蔵タンク１０を経て送液ポンプ１３によって気泡混入装置８に送液する。気泡混入装置８中の薬液には圧縮ガスボンベ９からの気泡を混入し、得られた気泡混入薬液を貯蔵タンク１１中に貯蔵する。次いで、貯蔵タンク１１中の気泡混入薬液を注入ポンプ１２を介し、注入管理システム１４で管理しながら地盤６中に注入する。このようにして地盤６中に気泡の混入された固結体を形成し、地盤の液状化を防止する。

図６は本発明にかかる他の形式の液状化防止装置のフローシートである。図６において、図５と同様、Ｘは液状化防止装置であって、薬液製造装置５およびこの装置５で製造された薬液を地盤６中に注入する注入装置７を備え、これら装置の間には薬液に気泡を混入する気泡混入装置８を配置する。

図６において、まず、薬液製造装置５によってシリカ系の溶液型地盤固結用薬液、例えば、酸性シリカゾルグラウトや活性シリカグラウトを製造し、次いで、この薬液を一次貯蔵タンク１０を経て貯蔵タンク１１に送液する。一方、水槽１４に貯留された水を送液ポンプ１３を経て気泡混入装置８に送液し、この水の中に圧縮ガスボンベ９からの圧縮ガスを吹き込んで気泡の混入された希釈液を製造する。次いで、貯蔵タンク１１中に気泡混入装置８からの希釈液を送液して気泡混入薬液を調整し、この薬液を注入ポンプ１２を介し、注入管理システム１４で管理しながら地盤６中に注入する。このようにして、地盤６中に気泡の混入された固結体を形成し、地盤の液状化を防止する。

本発明は低シリカ濃度による固結化と、気泡混入による不飽和化によって、特に大規模工事となる河川堤防、その周辺の既設構造物直下や周辺地盤等を経済的かつ恒久的に改良し液状化を防ぐことができ、地盤固結の技術分野において利用可能性が高い。

シリカ濃度と透水係数との関係を表したグラフである。 繰り返し回数とせん断応力比との関係を表したグラフである。 養生期間と一軸圧縮強度の関係を表したグラフである。 本発明にかかる気泡混入薬液を砂地盤中に注入した時の模型図である。 本発明にかかる液状化防止装置の一具体例のフローシートである。 本発明にかかる液状化防止装置の他の具体例のフローシートである。 シリカゾル製造プラントの説明図である。 活性複合シリカの製造工程の説明図である。

符号の説明

Ａ 固結体
Ｘ 液状化防止装置
Ｙ 注入装置
１ 砂粒子
２ 皮膜
３ 間隙水
４ 気泡
５ 薬液製造装置
６ 地盤
７ 注入装置
８ 気泡混入装置
９ 圧縮ガスボンベ
１０ 貯蔵タンク
１１ 貯蔵タンク
１２ 注入ポンプ
１３ 送液ポンプ
１４ 水槽

Claims (11)

1. シリカ系の溶液型地盤固結用薬液に気泡を混入し、得られた気泡混入薬液を地盤中に注入し、固結して地盤中に気泡の混入された固結体を形成して地盤の液状化を防止することを特徴とする地盤の液状化防止工法。
2. 請求項１において、前記地盤が砂地盤である請求項１に記載の地盤の液状化防止工法。
3. 請求項１において、ＳｉＯ_２濃度が１〜１０％に調整された薬液に気泡を直接混入して気泡混入薬液をつくる請求項１に記載の地盤の液状化防止工法。
4. 請求項１において、ＳｉＯ_２濃度が４〜３０％に調整された薬液に気泡の混入された希釈液を混入してＳｉＯ_２濃度を１〜１０％に希釈し、気泡混入薬液をつくる請求項１に記載の地盤の液状化防止工法。
5. 請求項１において、シリカ系の溶液型地盤固結用薬液が長期耐久性に優れた薬液である請求項１に記載の地盤の液状化防止工法。
6. 請求項１において、気泡が空気による気泡である請求項１に記載の地盤の液状化防止工法。
7. 薬液製造装置およびこれによって製造されたシリカ系の溶液型地盤固結用薬液を地盤中に注入する注入装置を備えた装置において、前記薬液製造装置と前記注入装置との間に、薬液に気泡を混入する混入装置を配置し、前記薬液製造装置によって製造された薬液に混入装置により気泡を混入して気泡混入薬液を製造し、この薬液を地盤中に注入し、固結して地盤中に気泡の混入された固結体を形成し、地盤の液状化を防止することを特徴とする地盤の液状化防止装置。
8. 請求項７において、前記薬液製造装置によって製造された、ＳｉＯ_２濃度が１〜１０％に調整された薬液に混入装置により直接気泡を混入する請求項７に記載の地盤の液状化防止装置。
9. 請求項７において、前記薬液製造装置によって製造された、ＳｉＯ_２濃度が４〜３０％に調整された薬液に混入装置により気泡の混入された希釈液を混入してＳｉＯ_２濃度を１〜１０％に希釈する請求項７に記載の地盤の液状化防止装置。
10. 請求項７において、前記地盤が砂地盤である請求項７に記載の地盤の液状化防止装置。
11. 請求項７において、前記シリカ系の溶液型地盤固結用薬液が長期耐久性に優れた薬液である請求項７に記載の地盤の液状化防止装置。
    

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