JP2010031540A - 粒状塊造成工法及び粒状塊造成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既設構造物の直下や直近など砂等の粒状材料供給手段が稼動するスペースを確保できない狭い造成区域であっても粒状塊の造成をすることができ、施工設備が小規模でよく、施工性の高い粒状塊造成工法及び粒状塊造成装置を提供すること。
【解決手段】粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物を、流動状態を保持したまま地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させる粒状塊造成工法。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に既設構造物の直下直近など狭いスペースにおいても施工可能であって、砂杭の造成、地下空間の間詰めあるいは亀裂への注入に好適な粒状塊造成工法及び粒状塊造成装置に関するものである。

締固め砂杭造成工法は、特公昭６２−２５８０８号公報などに開示されているように、中空管を地盤中の設計深度まで貫入した後、地表まで引き抜く過程で、前記中空管を所定高さ引き抜き管内に投入された砂等を排出する引き抜き工程と、前記中空管を再び貫入して排出砂等を締固める再貫入工程とを繰り返して行うことにより、所定の強度に締固めた砂杭を造成し、地盤を改良するものである。

締固め砂杭造成工法には、例えばラックとピニオンを使用した強制昇降装置による回転圧入施工により、中空管の貫入及び引き抜きを行う静的締固め砂杭造成工法（例えば特開平０８−２８４１４６号公報）、振動する中空管を使用し、貫入、引き抜き及び打ち戻しを繰り返す打ち戻し式サンドコンパクション工法などがある。

いずれの工法も地表に起立又は傾斜させた地中貫入用中空管に砂杭材料を投入するため、砂杭造成区域にはタイヤショベルなどの砂杭材料供給手段が稼動するスペースが必要であった。
特公昭６２−２５８０８号公報

しかしながら、既設構造物の直下又は直近が砂杭造成区域となる場合、タイヤショベルなどの砂杭材料供給手段が稼動するスペースを確保できず、従来の砂杭造成工法を適用することができないという問題があった。これを解決するものとして、特願２００７−１２８７９７（先願１）には地盤改良に用いる砂杭材料に流動化剤を加え、流動化させた地盤改良材を地盤中に圧入する過程で、塑性化剤を加え、塑性化した地盤改良材で砂杭を造成する粒状塊造成工法が開示されている。しかしながら、この先願は即効性の塑性化剤を使用するため、砂杭材料流動化物と塑性化剤が別々に送られて混合されるため、混合状態が不均一になり易く、また、原料供給手段が２系統必要であるため、設備費用や設備規模が大きくなるという問題があった。また、特願２００８−１７６５２９（先願２）は、先願１の２系統の原料供給手段に係る問題点を解決したものであって、地盤改良に用いる砂杭材料に遅効性塑性化剤を含有する砂杭材料流動化物を、流動状態を保持したまま地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させる砂杭造成工法が開示されている。この方法によれば、砂杭材料と遅効性塑性化剤は均一に混合できるため原料供給手段は１系統で足りるものの、遅効性塑性化剤の選定や保管管理などが必要となるなどの問題があった。

従って、本発明の目的は、既設構造物の直下や直近など砂等の粒状材料供給手段が稼動するスペースを確保できない狭い造成区域であっても粒状塊の造成をすることができ、施工設備が小規模でよく、最小の原料種で施工性の高い粒状塊造成工法及び粒状塊造成装置を提供することにある。

かかる実情において、本発明者等は鋭意検討を行った結果、粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物を、流動状態を保持したまま地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させて粒状塊を得る工程を行えば、既設構造物の直下又は直近など粒状材料供給手段が稼動するスペースを確保できない狭い造成区域であっても粒状塊の造成をすることができること、粒状材料と生分解性ポリマーは均一に混合できるため原料供給手段は１系統で足りること、地中に置かれた流動化物中の生分解性ポリマーは微生物により分解されるため、粒状材料を塑性化させることなどを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物を、流動状態を保持したまま地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させることを特徴とする粒状塊造成工法を提供するものである。

また、本発明は、中空管を地盤中の設計深度まで貫入した後、該中空管を通して粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物を地表から地中に圧入し、地中に該流動化物を残置し、残置物の上に、次ぎのステップ分の流動化物を圧入し、これを繰り返して行うことを特徴とする粒状塊造成工法を提供するものである。

また、本発明は、粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物の製造プラントと、流動化物圧送用の中空管と、該製造プラントで製造された該流動化物を該中空管に送る圧送ポンプと、該圧送ポンプと該中空管とを接続する流動化物供給配管と、を備えることを特徴とする粒状塊造成装置を提供するものである。

本発明の粒状塊造成工法及び粒状塊造成装置であれば、既設構造物の直下又は直近など粒状材料供給手段が稼動するスペースを確保できない狭い造成区域、間詰めを必要とする地下空間や亀裂部などへ粒状塊を造成することができる。また、粒状材料と生分解性ポリマーは粒状材料流動化物製造プラントで均一に混合できるため原料供給設備は１系統で足り、設備規模を小規模化できる。また、使用する原料は少なくて済む。

次ぎに、本発明の実施の形態における粒状塊造成工法及び粒状塊造成装置の一例を図１〜図３を参照して説明する。本例の粒状塊は砂杭である。すなわち、図１は砂杭造成装置の概略図、図２は砂杭造成工法の説明図、図３は砂杭造成作用の説明図である。

砂杭造成装置５０は、砂杭材料流動化プラント１０と、砂杭材料流動化物圧送用の中空管２３と、砂杭材料流動化プラント１０で製造された砂杭材料流動化物を中空管２３に送る圧送ポンプ４と、圧送ポンプ４と中空管２３とを接続する流動化物供給配管３４を備える。

砂杭材料流動化プラント１０は、砂杭造成区域２６より離れた場所にあるもので、砂杭材料流動化物を製造する装置群である。砂杭材料流動化プラント１０は、例えば砂杭材料流動化物供給手段１、砂杭材料供給手段２、生分解性ポリマー供給手段３、水供給手段５、砂杭材料移送配管３１、生分解性ポリマー移送配管３２、水移送配管３５及び砂杭材料流動化物移送配管３３からなる。なお、それぞれの供給手段には、必要に応じて、貯留タンクや供給ポンプなど設置される。また、砂杭材料移送配管３１、生分解性ポリマー移送配管３２、砂杭材料流動化物移送配管３３、水移送配管３５のそれぞれの配管途中に流量計を設置してもよい。このような粒状材料流動化プラント１０は、砂杭造成区域２６に設置しなくてもよく、既設構造物の直下や直近に砂杭を造成する際の設置スペースを確保する必要がない点で好適である。流動化物供給配管３４は、通常可撓性ホースが使用され、その長さは適宜決定されるが、概ね１０ｍ以上、２００ｍ未満である。

砂杭材料流動化物供給手段１は、砂杭材料、溶解した生分解性ポリマー及び水を混合する混合器を備えるものである。混合器としては、２軸パドルミキサー等が、各原料を短時間で均一に混合できる点で好適である。

本発明で用いる粒状材料としては、従来の砂杭造成工法で使用されてきた公知の材料でよく、砂、シルトや礫を含む砂、砕石及びスラグ等が挙げられる。粒状材料の粒径としては、概ね０．０７〜２．０ｍｍである。なお、粒状は粉末状を含む意味である。

圧送ポンプ４は、公知のものが使用でき、例えばピストンポンプ、スクイズポンプなどが挙げられる。また、圧送ポンプ４は、低圧ポンプでも高圧ポンプでもよいが、高圧ポンプを用いると、圧入砂杭造成工法が利用できる。

砂杭材料流動化物圧送用の中空管２３は、公知の地盤改良機２０に取り付けられるものである。地盤改良機２０は、従来の圧入砂杭造成工法を実施する装置が挙げられる他、例えばボーリングマシン等も可能である。圧入砂杭造成工法を実施する装置は、中空管を地盤中の設計深度まで貫入した後、該中空管を通して地表から地中に砂杭材料流動化物を圧入し、地中に該砂杭材料流動化物を残置し、この未塑性化の残置物の上に、次ぎの砂杭材料流動化物を圧入し、これを繰り返して行うことにより、所定長の拡径の粒状体を造成する工法を実施する装置である。圧入砂杭造成工法を実施する装置においては、圧送ポンプとは別途で更に高圧ポンプを設置してもよい。砂杭造成装置５０において、流動化物供給配管３４の先端は、中空管２３のいずれの部分に接続されてもよく、図１においては中空管２３の上部開口である。砂杭造成装置５０は、原料供給手段が１系統でよいため、小規模の設備とすることができる。

次ぎに、粒状塊造成工法について説明する。粒状塊造成工法としては、砂杭造成工法が挙げられる。本発明の粒状塊造成工法は、粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物を、流動状態を保持したまま地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させて粒状塊を得る工法である。

生分解性ポリマーは、粒状材料を流動し易くするか、あるいはパイプ輸送できるようにすると共に、地中に残置後は時間経過により微生物により生分解し、増粘や流動化の機能を喪失して、粒状材料を塑性化させる。生分解性ポリマーが無配合の場合、配管内で目詰まりが生じ、パイプ輸送ができない。

生分解性ポリマーとしては、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導体、キサンタンガム、グアーガム（ポリガラクトマンナン）、アルギン酸等の天然系高分子が挙げられる。生分解性ポリマーは、これらの１種類又は２種類以上を組み合わせて使用することができる。

生分解性ポリマーの配合割合は、適宜決定されるが、通常、粒状材料に対して、重量比配合で０．０５〜３．０重量％、好ましくは０．１〜２．０重量％である。生分解性ポリマーの配合割合は少な過ぎると、粒状材料が流動化せず、配管内において分離したり、目詰まりしたりして移送できなくなる。また、生分解性ポリマーの配合割合が多過ぎても、流動化効果は変わらず、却ってコストを上昇させることになる。流動化物は、上記必須成分の他、例えばベントナイト、粉末粘土、カオリナイトなどの無機珪酸塩粘土鉱物、ｐＨ調整剤、腐敗防止剤、流動化促進剤などが含まれていてもよい。

流動化物は、通常、水に生分解性ポリマーを濃度０．５〜３．０重量％で溶解し、次いで、この水溶液と粒状材料を混合する。水溶液の混合割合は粒状材料に対し重量比で１０〜４０％程度である。

圧送ポンプでパイプ輸送できる流動性とは、日本工業規格で規定される「ベーンせん断試験」における安定せん断強度が０．３ｋｇ未満のものを言う。ベーンせん断試験方法とは、以下の方法を言う。すなわち、ベーンせん断試験機のベーン部を対象土に貫入し、その後、低速にて上部つまみを回転させる。その回転させた状態で下部の抵抗で上部つまみとの回転歪が生じる。その歪が指示針にて表示され、その最大値と安定値を計測する。

また、粒状材料流動化物は、「ベーンせん断試験」方法以外に、手で把持し、体感で判断することもできる。すなわち、粒状材料流動化物を手で把持した場合、圧密せず、分離せず、ドロドロ感があり、手に残らないものは好適な流動化物である。粒状材料流動化物は、図３（Ａ）に示すように、生分解性ポリマー４２が保水すると共に、砂４１の粒子間距離を保持することで内部摩擦を低減するため、流動性が高まるものと思われる。

生分解性ポリマーを含有した流動化物は流動状態を保持したまま地盤中に圧入され残置物となる。その後、時間経過により生分解性ポリマーは生分解して、水を保持できなくなり、粒状材料は塑性化する。塑性化は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、生分解性ポリマー４２が経過時間により生分解することで分子の結合が分解され保水していた水を吐き出すため、粒状材料４１が元の粒度の性状に戻ることを言う。

塑性化の判断は、粒状塊を造成した後の粒状塊強度で判断されるが、実際には、実験室的サンドコンパクション圧密試験（以下、単に「土質試験」と言う。）を併用するか又は土質試験単独で判断する。土質試験は、突き固め試験とコーン貫入試験の２つの試験を行うものであり、流動化前の元の粒状材料（例えば原砂）の結果と比較して、コーン貫入力又はコーン指数で５０％以上の回復値、好ましくは７０％以上の回復値を示すものである。

本発明の粒状塊造成工法のひとつである砂杭造成工法を図２及び図３を参照して説明する。図２（Ａ）は中空管貫入開始状態を、（Ｂ）は１回目の圧入の終了を、（Ｃ）は２回目の圧入の終了を、（Ｄ）は３回目の圧入の終了を、（Ｅ）は１４回目の圧入の終了をそれずれ示す。先ず図２（Ｂ）の１回目の圧入終了までを、図３を用いて説明する。

中空管２４を地盤９０中の設計深度Ｘまで貫入した後、中空管２４を通して生分解性ポリマーを含有する粒状材料流動化物６１を地表から地中に圧入する。この状態を図３（Ａ）に示す。この時点では、設計深度Ｘに圧入された流動化物７１は周辺地盤の拘束力で弱く圧密化される。この流動化物（残置物）７１は、粒子４１間を結合する生分解性ポリマー４２が伸びた状態である。なお、図３は模式図であり、残置物は実際の形状を示すものではない。

次いで、周辺地盤の拘束力に勝るポンプ圧力により粒状体単位長さ当たりの設計圧入量をポンプ圧力により圧送する。この状態を図３（Ｂ）に示す。流動化物７１は粒状材料流動化物のポンプでの圧入により、排水しながら圧密される。しかも残置物７１が流動状態であるため、拡径しつつ周辺地盤への応力が効率よく伝わり、周辺地盤への改良性が高まる。このとき流動化物７１は、ポンプの圧入により、粒子間を結合する生分解性ポリマーが縮んだ状態となる。粒状材料流動化物の圧入を、塑性化された砂(残置物)に対して行なうと、該塑性化された砂の圧密により、周辺地盤への圧密力が低下し注入圧に大きな力が必要となり施工性が悪くなる。

次いで、図２（Ｃ）に示す流動化物７２は、先の流動化物７１と同様な手段で造成され、順次図２（Ｄ）と繰り返し造成され、その後、圧密された流動化砂は、時間が経過し塑性化することで、内部摩擦角が増大し、最終的に図２（Ｅ）に示す所定長の粒状体を造成する。塑性化された残置物は硬さが十分であり、そのまま砂杭（粒状塊）となる。生分解性ポリマーは時間経過により生分解されるため環境に対する影響はない。なお、所定量の粒状塊を造成する際、粒状塊体積の１．２〜１．３倍程度の流動化物が必要となる。これは圧密により体積が減少するためである。

次ぎに、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

（砂杭材料流動化物の製造）
カルボキシメチルセルロース及びグアガムを主成分とし、無機珪酸塩粘土鉱物、ｐＨ調整剤、腐敗防止剤を含有する流動化天然系高分子材料９ｋｇを水３００リットルに濃度３．０重量％で溶解させた溶液を調製した。次いで、粒径０．０７〜２．０ｍｍ、自然含水比３０％の山砂Ａ１０００ｋｇ（砂杭材料）と、上記の生分解性ポリマー溶液３００リットルを、２軸パドルミキサーを使用して均一混合して、砂杭材料流動化物Ａを製造した。得られた砂杭材料流動化物は圧密せず、分離せず、ドロドロ感があり、手に残らないという良好な流動性を示した。

（砂杭造成装置及び砂杭の造成）
砂杭造成装置として、圧入砂杭造成装置（ボーリングマシン）を使用する以外は、図１に示す砂杭造成装置と同様のものを使用し、更に下記実施条件で地中に砂杭を造成した。なお、砂杭材料流動化物は上記のものを使用した。その結果、砂杭材料流動化物は中空管へ円滑に移送でき、また、砂杭の強度は、標準貫入試験において１０回であり、十分な強度であった。

（砂杭造成装置）
・ 地盤改良機：圧入砂杭造成機（ボーリングマシン）
・ 中空管；内径５０ｍｍ
・ 砂杭材料流動化物の中空管への圧送流速；各々３０リットル/分〜１５０リットル／分
・ 砂杭径：７００ｍｍ（設計圧入量０．５ｍ^３／１ｍ当たり）
・ 圧入条件；体積０．１ｍ^３の流動化物を地中に圧入して残置し（単位長さ２０ｃｍ）、これを５回繰り返して、合計長さ１００ｃｍの流動化残置物を得た。その後、４週間程度で生分解性ポリマーが完全に分解して、流動化残置物が塑性化し、上記径の砂杭が得られた。

本発明の粒状塊造成工法及び粒状塊造成装置によれば、既設構造物の直下又は直近など粒状材料供給手段が稼動するスペースを確保できない狭い区域であっても粒状体の造成をすることができる。また、繰り返しの圧入は塑性化物ではなく、流動化物に対して行なうため、圧入ロスがなく周辺地盤への応力が効率的に伝わり周辺地盤への改良性がよくなる。

砂杭造成装置の概略図である。 砂杭造成工法の説明図である。 砂杭造成作用の説明図であり、（Ａ）は砂杭材料の流動化を説明する模式図、（Ｂ）は砂杭材料の塑性化を説明する模式図である。

符号の説明

１ 砂杭材料流動化物供給手段
２ 砂杭材料供給手段
３ 生分解性ポリマー供給手段
４ 圧送ポンプ
５ 水供給装置
１０ 砂杭材料流動化プラント
２０ 地盤改良機
２３ 砂杭造成用の中空管
２４ リーダ
２５ 砂杭
２６ 砂杭造成区域
３１ 砂杭材料移送配管
３２ 生分解性ポリマー移送配管
３３ 砂杭材料流動化物移送配管
３４ 流動化物供給配管
３５ 水供給配管
５０ 砂杭造成装置

Claims (3)

1. 粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物を、流動状態を保持したまま地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させることを特徴とする粒状塊造成工法。
2. 中空管を地盤中の設計深度まで貫入した後、該中空管を通して粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物を地表から地中に圧入し、地中に該流動化物を残置し、残置物の上に、次ぎのステップ分の流動化物を圧入し、これを繰り返して行うことを特徴とする粒状塊造成工法。
3. 粒状材料、生分解性ポリマー及び水を含有する流動化物の製造プラントと、
   流動化物圧送用の中空管と、
   該製造プラントで製造された該流動化物を該中空管に送る圧送ポンプと、
   該圧送ポンプと該中空管とを接続する流動化物供給配管と、
   を備えることを特徴とする粒状塊造成装置。

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