JP2008127892A - 地中構造物の構築方法、地盤掘削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤に混合するセメントミルクの量を必要最低限に減らすことのできる地中構造物の構築方法を提供する。
【解決手段】（Ａ）地盤の少なくとも一部を削孔撹拌し、（Ｂ）削孔撹拌された対象土にセメントミルクを注入し、（Ｃ）対象土とセメントミルクとを混合撹拌し、（Ｄ）対象土とセメントミルクの混合物をサンプリングし、サンプリングした混合物における注入液の混入率を算出し、算出した注入液の混入率に基づき、セメントミルクの供給量を調整することにより地中構造物１０を構成するソイルセメント１３の少なくとも一部を構築する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ソイルセメントからなる地中構造物の構築方法及び地中構造物を構築する際に用いられる地盤掘削装置に関する。

従来より、土留壁などには、低コストで構築することのできるソイルセメント壁が用いられている。このようなソイルセメント壁を構成するソイルセメントは、原位置で地盤を掘削することにより発生した対象土にセメント系材料からなる注入液を混入し、対象土と注入液を撹拌するソイルセメント撹拌工法を用いて構築される。

現場においてソイルセメントを形成する場合には、セメントミルクと対象土とが充分に撹拌されていないなどの理由により強度のばらつきが生じ易い。これに対して、従来、形成されたソイルセメントの注入液の混入率を調べる方法がなく、確実にソイルセメントが所定の強度を発揮できるように、ソイルセメントの設計基準強度に対して割り増し係数（３倍程度）をかけて配合強度を算出し、この配合強度を確保するために必要なセメントミルクの量を地盤に供給することによりソイルセメントを形成していた。（非特許文献１参照）
"改訂版 建築物の改良地盤の設計及び品質管理指針 ―セメント系固化材を用いた深層・浅層混合処理工法―" 財団法人 日本建築センター、平成１４年１１月３０日、ｐ．４０９−４１４

上述のように、現場においてソイルセメントを形成する場合には、実際に所定の強度を発現させるのに必要なセメントミルクの量に比べて、過大な量のセメントミルクをソイルセメントに混合しなければならない。このため、地中構造物を構築するために必要以上のコストがかかってしまう。特に、ソイルセメントを高強度にするような場合では、セメントミルクの混合量が非常に大きくなり、大幅なコスト高を招いてしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、低コストで地中構造物を構築するため、地盤に混合するセメントミルクの量を必要最低限に減らすことのできる地中構造物の構築方法を提供することである。

本発明の地中構造物の構築方法は、地盤に埋設されるソイルセメントからなる地中構造物を構築する方法であって、前記地盤の地中構造物に相当する部分の少なくとも一部を削孔撹拌し、前記削孔撹拌された対象土にセメント系材料からなる注入液を注入し、前記対象土と前記注入液とを混合撹拌することによりソイルセメントを形成しながら、前記対象土と前記注入液の混合物をサンプリングすることを特徴とする。
上記の地中構造物の構築方法において、前記サンプリングした混合物における前記注入液の混入率を求め、求めた注入液の混入率に基づき、前記注入液の供給量を調整してもよい。

また、前記対象土と前記注入液の混合物に空気を混入させ、空気を混入させた前記混合物を揚泥ポンプで揚泥することにより前記対象土と前記注入液の混合物をサンプリングしてもよい。

また、下端が前記混合物内に到達するように設置された鉛直方向に延びる円筒状の筒状部材と、前記筒状部材の略中心に配置された回転軸と、前記筒状部材と隙間がないように前記回転軸に螺旋状にとりつけられた回転翼と、を備え、前記回転軸を回転させることにより、前記回転翼が前記筒状部材下端より前記混合物を前記筒状部材内に取りこみ、上方に押し上げることのできるサンプリング装置を用いて、前記対象土と前記注入液の混合物をサンプリングしてもよい。

また、前記対象土に混合された注入液の密度をＤ１、前記対象土に混合された注入液の累積体積をＶ１、前記注入液を混合する前の前記対象土の密度をＤ２、前記注入液を混合する前の前記対象土の体積をＶ２、前記サンプリングした混合物の密度をＤ３、とした場合に、前記注入液の混入率Ｘを、次式（１）により算出してもよい。
Ｘ＝Ｖ１／Ｖ２×（Ｄ１−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ２） …（１）

また、前記対象土に注入液を注入し、前記対象土と前記注入液とを混合撹拌する工程を繰り返すことによりソイルセメントの強度を調整してもよい。また、前記地中構造物を構成するソイルセメントの少なくとも一部を高強度ソイルセメントとしてもよい。

また、本発明の地盤掘削装置は、地盤を削孔撹拌する削孔撹拌手段と、前記削孔撹拌手段により削孔撹拌された対象土にセメント系材料からなる注入液を供注入する注入手段と、前記削孔撹拌手段により削孔撹拌された対象土と前記注入液とを混合撹拌する撹拌手段と、前記混合撹拌された対象土と注入液の混合物をサンプリングする手段と、を備えることを特徴とする。

前記サンプリングする手段は、前記混合物に空気を混入させる手段と、前記空気を混入させた混合物を揚泥する揚泥ポンプと、を備えるものであってもよい。また、前記サンプリング手段は、下端が前記混合物内に到達するように設置された鉛直方向に延びる円筒状の筒状部材と、前記筒状部材内に配置された回転軸と、前記筒状部材と隙間がないように前記回転軸に螺旋状にとりつけられた回転翼と、を備え、前記回転軸を回転させることにより、前記回転翼が前記筒状部材下端より前記混合物を前記筒状部材内に取りこみ、上方に押し上げることによりサンプリングしてもよい。

本発明によれば、対象土とセメントミルクとの混合物をサンプリングし、サンプリングした混合物におけるセメントミルクの混入率に基づき、セメントミルクの供給量を調整するため、セメントミルクの供給量を必要最低限とすることができる。このため、コストを削減することができる。

以下、本発明の地中構造物の構築方法の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の地中構造物の構築方法により構築されたソイルセメント１３からなる地中構造物１０の一例を示す図であり、（Ａ）は鉛直方向断面図であり、（Ｂ）は水平方向断面図である。同図に示すように、地中構造物１０は、ソイルセメント１３と、ソイルセメント１３に埋設された芯材１１とで構成され、建物２を支持する杭として機能する。地中構造物１０を構成するソイルセメント１３の支持層３にあたる部分は高強度ソイルセメント１６からなり、その他の部分は普通強度のソイルセメントからなる。高強度ソイルセメント１６は、普通強度のソイルセメントに比べて土砂に対するセメント量の割合を増加させることにより形成され、４［Ｎ／ｍｍ^２］以上の強度を有する。ただし、一般的には高強度ソイルセメント１６の強度の上限は２０［Ｎ／ｍｍ^２］程度である。後に詳述するように、本実施形態の地中構造物１０を構成するソイルセメント１３は、複数の改良区間２０に分割され、下方から上方に向かって、改良区間２０ごとに順次形成されたものである。

図１に示すように、芯材１１は、横方向に並べられた鉛直方向に延びる複数のＨ型鋼１２と、これら複数のＨ型鋼１２を軟弱層４にあたる部分で連結するように、Ｈ型鋼１２の両フランジ面に取り付けられた第１の鋼板１４と、Ｈ型鋼１２を支持層３にあたる部分で連結するように、Ｈ型鋼１２の両フランジ面に取り付けられた第２の鋼板１５と、を備える。第１の鋼板１４は、水平方向に対して傾斜した状態でＨ型鋼１２に取付けられており、傾斜の向きが交互に反転することでトラス状の構成を呈している。このように第１の鋼板１４が傾斜して設けられることで、第１の鋼板１４が筋かいのように働き、軟弱層４内での地中構造物１０の水平方向の耐力が向上されている。

また、Ｈ型鋼１２のウェブの表面には、水平方向（紙面に垂直な方向）に延びるように凸部１８が形成されている。この凸部１８は、例えばアングル材をＨ型鋼１２のウェブの表面に水平に溶接することにより形成することができる。

建物２の荷重は鉛直下向きに地中構造物１０の芯材１１のＨ型鋼１２に伝達される。この荷重により、表面に設けられた凸部１８と高強度ソイルセメント１６との間に支圧力が作用し、この支圧力により建物の鉛直荷重が高強度ソイルセメント１６に伝達される。高強度ソイルセメント１６は支持層３まで到達しているため、建物２の荷重は高強度ソイルセメント１６から支持層３に伝達される。これにより地中構造物１０は建物の鉛直荷重を支持することができる。

本実施形態の地中構造物の構築方法は、地中構造物１０を構成するソイルセメントを構築する際に、地盤を削孔撹拌することにより生じた対象土とセメントミルクとを混合撹拌し、対象土とセメントミルクの混合物をサンプリングし、サンプリングした混合物におけるセメントミルクの混入率に基づき、セメントミルクの供給量を調整することに特徴を有する。

まず、地中構造物を構築するために用いられる地盤掘削装置の構成を説明する。図２は、地中構造物を構築するために用いられる地盤掘削装置１００の構成を示す図である。同図に示すように、地盤掘削装置１００は、揚重機（不図示）により揚重されて用いられ、装置の下部に設けられた、油圧モータなどにより駆動される一対のカッタードラム１１０と、セメントミルクを供給する注入液供給装置１２０と、エアーリフト１３０と、を備える。

地盤掘削装置１００は、カッタードラム１１０を回転させることにより、地盤を断面長方形状に削孔撹拌することができる。なお、削孔撹拌とは、地盤を削孔するとともに削孔することにより生じた土砂を撹拌することを意味し、ベントナイトや水を注入しながら行ってもよい。
また、地盤掘削装置１００は、注入液供給装置１２０により削孔撹拌された対象土に注入液を供給した後、カッタードラム１１０を回転させることにより、対象土と注入液とを混合撹拌してソイルセメントを形成することができる。
エアーリフト１３０は、混合物を圧送する揚泥ポンプ１３２と、揚泥ポンプ１３２により圧送された対象土とセメントミルクとの混合物に空気を混入させるエアー供給装置１３１と、を備える。また、混合物を地上まで送るための配管内には逆流防止用の弁が取り付けられており、逆流が防止されている。かかる構成により、エアーリフト１３０は、エアー供給装置１３１により対象土とセメントミルクの混合物に空気を混入させ、混合物の比重を下げることで、揚泥ポンプ１３２により混合物を地上高さまで揚げることができる。

次に、注入液の混入率を算出する方法の一例について説明する。図３は、注入液の混入率を算出する方法の原理を説明するための図である。以下の説明では、一の改良区間２０のソイルセメントにおける注入液の混入率を算出する場合について説明する。同図に示すように、改良区間２０に注入される注入液の密度及び体積を夫々Ｄ１、Ｖ１、改良区間２０の地盤の密度及び体積を夫々Ｄ２、Ｖ２、混合撹拌することにより形成される対象土と注入液の混合物の密度をＤ３とする。

改良区間２０に注入される注入液の密度Ｄ１は、注入液の調合に基づき求めることができる。
注入される注入液の体積Ｖ１は、注入液供給装置１２０における注入時間と流量とを積算するなどの方法により求めることができる。
改良区間２０の地盤の密度Ｄ２は、地中構造物１０を構築する前に実施される地盤調査の結果から得ることができる。
改良区間２０の体積Ｖ２は、地盤掘削装置１００の性能や施工計画に基づき決定される。
排出される対象土及び注入液の混合物の密度Ｄ３は、サンプリングした混合物の質量及び体積などを測定することにより算出できる。

注入液を注入したあとの改良区間２０の質量Ｍは注入液の混入率をＸとすると、以下の式で算出される。
Ｍ＝Ｖ２×Ｄ１×Ｘ＋Ｖ２×Ｄ２×（１−Ｘ） …（２）
また、質量の収支を考えると、改良区間２０の質量Ｍは以下の式で表される。
Ｍ＝Ｖ１×Ｄ１＋Ｖ２×Ｄ２−Ｖ１×Ｄ３ …（３）
式（２）及び式（３）からから次式（４）が導かれる。
Ｘ＝Ｖ１／Ｖ２×（Ｄ１−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ２） …（４）

式（４）を用いることにより、改良区間２０における注入液の混入率Ｘを算出することができる。なお、改良区間２０の体積が大きい場合には、地盤掘削装置１００の体積の影響が小さいため、改良区間２０の体積を式（４）におけるＶ２として用いることができるが、改良区間２０の体積が小さいような場合には、改良区間２０の体積から地盤掘削装置１００の体積を除いた値をＶ２とするとよい。

以下、地盤掘削装置１００を用いた地中構造物１０の構築方法を説明する。図４は地中構造物１０の構築方法を説明するための図である。
まず、予め、設計条件などに基づき、地中構造物１０の改良区間２０にあたる部分において必要な注入液の設計混入率Ｘ_０（改良区間２０におけるソイルセメント１３に必要な強度を発現させるべく、最低限必要な注入液の混入率）を求めておく。

次に、図４（Ａ）に示すように、揚重機により地盤掘削装置１００を揚重し、地中構造物１０の構築位置に地盤掘削装置１００を設置し、カッタードラム１１０を回転させて、地中構造物１０の下端にあたる深さまで地盤を掘削する。
次に、図４（Ｂ）に示すように、下端の改良区間２０にあたる位置で注入液供給装置１２０を起動し、地盤を削孔撹拌することにより発生した対象土に注入液を供給する。
次に、図４（Ｃ）に示すように、カッタードラム１１０を回転させることにより、対象土と注入液とを混合撹拌する。

次に、図４（Ｄ）に示すように、エアーリフト１３０により対象土と注入液との混合物をサンプリングする。そして、混合物における注入液の混合率Ｘを式（４）により算出する。
次に、図４（Ｅ）に示すように、算出された注入液の混入率Ｘが設計混入率Ｘ_０未満の場合には、混入率Ｘが設計混入率Ｘ_０に達するまで注入液の供給、及び対象土と注入液との混合撹拌を繰り返す。
これにより、ソイルセメントにおける注入液の混入率Ｘを高めて行くことができ、設計混入率Ｘ_０となるように調整することができる。こうして、算出された注入液の混入率Ｘが設計混入率Ｘ_０になった時点で注入液の供給及び混合撹拌を終了する。

なお、支持層３にあたる部分の改良区間２０の高強度ソイルセメント１６を形成する場合には、注入液の供給と、対象土と注入液の混合撹拌とを繰り返せばよい。これらの工程を繰り返すことによりソイルセメントの強度を高めていくことで、高強度ソイルセメント１６を形成することができる。
上記の工程を繰り返すことにより、図４（Ｆ）に示すように、地中構造物１０を構成するソイルセメント１３を構築することができる。

次に、上記のようにして形成されたソイルセメント１３が硬化する前に、図４（Ｇ）に示すように、ソイルセメント１３内に芯材１１を埋設する。なお、地中構造物１０内に埋設される芯材１１は、予め、地上において複数の凸部１８の設けられたＨ型鋼１２を第１の鋼板１４及び第２の鋼板１５により連結しておき、これをソイルセメント１３に挿入すればよい。
そして、図４（Ｈ）に示すように、ソイルセメント１３が硬化することにより、ソイルセメント１３からなる地中構造物１０が構築される。

以上説明したように、本実施形態の地中構造物の構築方法によれば、施工中に形成したソイルセメント１３における注入液の混入率Ｘを算出することができるため、確実に注入液を所定の割合まで混入させることができる。これにより、設計基準強度に対して積算する割り増し係数が抑えられ、注入液の量を削減することができるため、コストを削減することができる。特に、高強度ソイルセメントを構築する場合には、割り増し係数を抑えることにより、必要となる注入液を大きく削減することができるため、非常に有効である。

なお、本実施形態では、下方の改良区間２０より上方に向かって、順次ソイルセメント１３を形成する構成としたが、これに限らず、上方の改良区間より下方に向かって、ソイルセメントを形成してもよい。

また、本実施形態では、複数の改良区間２０に分割して、改良区間２０ごとにソイルセメント１３を構築する構成としが、これに限らず、連続的にソイルセメントを構築することも可能である。このような場合には、注入液を供給しながら混合撹拌を行い、適宜なタイミングでサンプリングを行い、ソイルセメントの混入率が所定の割合以上となったら、地盤掘削装置１００を上方に移動させればよい。

また、本実施形態では、対象土と、注入液との混合物をサンプリングする手段として、エアーリフト１３０を用いる構成としたが、これに限らず、例えば、図５に示すような機械的に混合物を地上まで送るサンプリング装置１４０を用いることができる。

図５に示すサンプリング装置１４０は、下端が混合物内に到達するように設置された鉛直方向に延びる円筒状の筒状部材１４３と、筒状部材１４３の中心に配置された回転軸１４１と、筒状部材１４３と隙間がないように回転軸１４１に螺旋状にとりつけられた回転翼１４２と、を備える。サンプリング装置１４０によれば、回転翼１４２の下端が改良区間に到達するようにサンプリング装置１４０を配置し、回転軸１４１を回転させることにより、回転翼１４２が筒状部材１４３下端より混合物を筒状部材１４３内に取りこみ、上方に押し上げる。これにより、混合物を地上まで押し上げることができ、サンプリングすることができる。

本実施形態の地中構造物の構築方法により構築されたソイルセメントからなる地中構造物の構成を示す図であり、（Ａ）は鉛直方向断面図であり、（Ｂ）は水平方向断面図である。 地中構造物を構築するために用いられる地盤掘削装置の構成を示す図である。 注入液混入率の算出方法の原理を説明するための図である。 地中構造物の構築方法を説明するための図である。 機械的に混合物を地上まで送るサンプリング装置を備えた地盤掘削装置を示す図である。

符号の説明

３ 支持層
４ 軟弱層
１０ 地中構造物
１１ 芯材
１２ Ｈ型鋼
１３ ソイルセメント
１４ 第１の鋼板
１５ 第２の鋼板
１６ 高強度ソイルセメント
１８ 凸部
２０ 改良区間
１００ 地盤掘削装置
１１０ カッタードラム
１２０ ソイルセメント供給装置
１３０ エアーリフト
１３１ エアー供給装置
１３２ 揚泥ポンプ
１４０ サンプリング装置
１４１ 回転軸
１４２ 回転翼
１４３ 筒状部材

Claims (10)

1. 地盤に埋設されるソイルセメントからなる地中構造物を構築する方法であって、
   前記地盤の地中構造物に相当する部分の少なくとも一部を削孔撹拌し、前記削孔撹拌された対象土にセメント系材料からなる注入液を注入し、前記対象土と前記注入液とを混合撹拌することによりソイルセメントを形成しながら、前記対象土と前記注入液の混合物をサンプリングすることを特徴とする地中構造物の構築方法。
2. 請求項１記載の地中構造物の構築方法であって、
   前記サンプリングした混合物における前記注入液の混入率を求め、求めた注入液の混入率に基づき、前記注入液の供給量を調整することを特徴とする地中構造物の構築方法。
3. 請求項１又は２記載の地中構造物の構築方法であって、
   前記対象土と前記注入液の混合物に空気を混入させ、空気を混入させた前記混合物を揚泥ポンプで揚泥することにより前記対象土と前記注入液の混合物をサンプリングすることを特徴とする地中構造物の構築方法。
4. 請求項１又は２記載の地中構造物の構築方法であって、
   下端が前記混合物内に到達するように設置された鉛直方向に延びる円筒状の筒状部材と、前記筒状部材の略中心に配置された回転軸と、前記筒状部材と隙間がないように前記回転軸に螺旋状にとりつけられた回転翼と、を備え、前記回転軸を回転させることにより、前記回転翼が前記筒状部材下端より前記混合物を前記筒状部材内に取りこみ、上方に押し上げることのできるサンプリング装置を用いて、前記対象土と前記注入液の混合物をサンプリングすることを特徴とする地中構造物の構築方法。
5. 請求項１から４何れかに記載の地中構造物の構築方法であって、
   前記対象土に混合された注入液の密度をＤ１、前記対象土に混合された注入液の累積体積をＶ１、前記注入液を混合する前の前記対象土の密度をＤ２、前記注入液を混合する前の前記対象土の体積をＶ２、前記サンプリングした混合物の密度をＤ３、とした場合に、前記注入液の混入率Ｘを、次式（１）により算出することを特徴とする地中構造物の構築方法。
   Ｘ＝Ｖ１／Ｖ２×（Ｄ１−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ２） …（１）
6. 請求項１から５何れかに記載の地中構造物の構築方法であって、
   前記対象土に注入液を注入し、前記対象土と前記注入液とを混合撹拌する工程を繰り返すことによりソイルセメントの強度を調整することを特徴とする地中構造物の構築方法。
7. 前記地中構造物を構成するソイルセメントの少なくとも一部を高強度ソイルセメントとすることを特徴とする請求項１から６何れかに記載の地中構造物の構築方法。
8. 地盤を削孔撹拌する削孔撹拌手段と、
   前記削孔撹拌手段により削孔撹拌された対象土にセメント系材料からなる注入液を供注入する注入手段と、
   前記削孔撹拌手段により削孔撹拌された対象土と前記注入液とを混合撹拌する撹拌手段と、
   前記混合撹拌された対象土と注入液の混合物をサンプリングする手段と、
   を備えることを特徴とする地盤掘削装置。
9. 前記サンプリングする手段は、
   前記混合物に空気を混入させる手段と、
   前記空気を混入させた混合物を揚泥する揚泥ポンプと、
   を備えることを特徴とする請求項８記載の地盤掘削装置。
10. 前記サンプリング手段は、
    下端が前記混合物内に到達するように設置された鉛直方向に延びる円筒状の筒状部材と、前記筒状部材内に配置された回転軸と、前記筒状部材と隙間がないように前記回転軸に螺旋状にとりつけられた回転翼と、を備え、
    前記回転軸を回転させることにより、前記回転翼が前記筒状部材下端より前記混合物を前記筒状部材内に取りこみ、上方に押し上げることによりサンプリングすることを特徴とする請求項８記載の地盤掘削装置。

Images