JP2011106843A - 薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 活性シリカ系薬剤を用いた薬液注入改良地盤において、改良後の早期材齢から、精度良く対象改良地盤の強度を推定する。
【解決手段】 活性シリカ系薬剤を地盤注入して改良される改良地盤内に粗密波およびせん断波を発振受振可能な振動子センサを設置する。この振動子センサで得られた粗密波速度を用いて、あらかじめ室内試験により得られた粗密波速度と一軸圧縮強度との関係を示した回帰曲線への当てはめを行って改良地盤の一軸圧縮強度を推定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法に係り、活性シリカ系薬剤を用いた薬液注入改良地盤において、粗密波速度を用いて改良当初からの強度推定を可能にした地盤強度推定方法に関する。

軟弱地盤液状化防止の対策工としての各種の地盤改良が実施されてきている。その対策工法の一つとして、従来の水ガラスに代わり、活性複合シリカをベースとした液体状の薬剤（以下、活性シリカ系薬剤と記す。）を、液状化対象地盤に注入する薬液注入による対策工の施工数が増加している。

しかし、液体状の活性シリカ系薬剤を用いた薬液注入では、その改良強度は地盤の土質条件や施工段階の経時変化によって短時間で大きく変化することが知られている。改良地盤の地盤強度を把握する推定方法として、改良地盤位置から試料をサンプリングし、その試料を試験するサンプリング方式が一般に行われている。また、出願人が提案したせん断波速度Ｖ_sによる推定法等もある。これら各強度推定法を簡単に説明する。

サンプリング方式では、地盤改良後に養生を行い、改良地盤強度が十分に発現した時期を見計らってボーリング機械を使用してサンプリングを行い、所定深度の試料を採取する。この試料を利用して一軸圧縮強度試験等を行い、当該深度での地盤強度を推定する。せん断波速度Ｖ_sによる推定方法は、出願人がすでに特許文献１，２で提案しているものであるが、その概要は現場採取土に地盤改良剤(主としてセメント)を混合し、試料を作成する。十分な養生後にせん断波速度Ｖ_sの測定と一軸圧縮強度試験を行い、両者の関係をグラフ化する一方、地盤改良現場で、せん断波速度Ｖ_sを測定し、せん断波速度Ｖ_sと一軸圧縮強度試験の関係グラフから現場強度を推定するものである。なお、本明細書では、改良現場の地中地盤強度を求めるのに、せん断波強度あるいは粗密波強度を求め、複数のデータをもとに回帰式を求め、その回帰式に測定した粗密波速度を当てはめて原位置強度や液状化強度を把握するため、これら一連の作業を地盤強度推定と呼んでいる。

特開２００４−５３５８６号公報 特開２００５−２４１２６２号公報

ところで、上述のサンプリング方式では、問題点として、
(1)ボーリング機械を設置し、ボーリング作業を行うため、試験費用が高い。
(2)ボーリング機械の設置できる場所以外のサンプリングができない。
(3)礫が混入している地盤ではボーリング機械による削孔が困難なため、所望の深度での試料採取ができない場合がある。
(4)低強度の試料や弱材令で強度発現が未熟な試料の採取が困難である。
(5)強度の発現過程を経過時間毎に算定することができない。
等の指摘がある。

また、せん断波速度Ｖ_sによる推定法に関しては、地盤注入された液体の活性シリカ系薬剤は、地盤中で経時的に固化が進行する。このため、薬液注入作業直後の早期において、液体分が多い地盤ではせん断波が伝播できないため、せん断波速度Ｖ_sによる測定は誤差が大きい。

このように、活性シリカ系薬剤等を用いた薬液注入による地盤改良工事の現地で、早期から改良強度を精度よく計測あるいは推定する手法は確立されていない。また、崩壊性地盤を薬液注入により固結させて掘削するような場合においては、改良地盤強度を早急に把握する必要がある。このため、現場試験法において、低コスト、簡便かつ精度のよい強度推定方法が求められている。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、薬液注入時の早期から、地盤強度を把握できるようにした薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法を提供することにある。

この課題を解決するにあたり、出願人は、実験により、弾性波速度としての粗密波速度Ｖ_pがせん断波速度Ｖ_sに対して、図３に示したように、早期材齢（〜５日）において、明確な変化率が得られる上、材齢１５日以後では粗密波速度値がせん断波速度値の約３．５倍となり、同材齢での感度として３．５倍程度の値が得られることを確認した。これにより、粗密波速度Ｖ_pを指標として用いることで、より精度の高い強度推定、たとえば活性シリカ系薬剤による早期から改良地盤の推定と、その後の材齢における強度（原位置強度、液状化強度）の推定が可能になるとの知見を得た。

そこで、本発明は、薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法として、薬液を地盤注入して改良される改良地盤内に弾性波測定手段を設置し、該弾性波測定手段で得られた弾性波速度から前記改良地盤の原位置強度を推定するようにしたことを特徴とする。

このとき、前記弾性波測定手段は、粗密波およびせん断波を発振受振可能な振動子センサとすることが好ましい。

前記弾性波測定手段で得られた粗密波速度から、前記改良地盤の一軸圧縮強度を推定することが好ましい。

また、前記弾性波測定手段で得られた粗密波速度から、前記改良地盤の液状化強度を推定することが好ましい。

前記強度推定は、あらかじめ室内試験により得られた粗密波速度と一軸圧縮強度との関係を示した回帰曲線へ原位置の粗密波速度の当てはめを行って得ることが好ましい。

さらに、前記一軸圧縮強度は、原位置で測定された粗密波速度に対する上載圧の影響を除いて得られた無拘束圧時粗密波速度を用いて得ることが好ましい。

以上に述べたように、本発明によれば、薬液注入地盤における改良地盤強度を、簡易かつ精度よく推定でき、さらに当該地盤の液状化強度まで推定できるため、薬液注入による地盤改良後の強度（原位置強度、液状化強度）を、簡易かつ精度よく推定でき、薬液注入効果を的確に把握できるという効果を奏する。

本発明に使用する振動子センサを地盤改良範囲への設置例を示した説明図。 振動子センサユニットの設置手順を示した施工順序図。 粗密波速度Ｖ_pとせん断波速度Ｖ_s（弾性波速度）の経時変化の差を示したグラフ。 粗密波速度Ｖ_pと一軸圧縮強度ｑ_uとの関係と回帰曲線とを示したグラフ。 粗密波速度Ｖ_pと上載圧γ（kN/m²）との関係から傾きａを求めたグラフ。 一軸圧縮強度ｑ_uと液状化強度（液状化抵抗性）Ｒ_L20との関係と回帰直線とを示したグラフ。 既設タンク基礎の液状化発生地盤に地盤改良を行った状態を示した状態説明図。

以下、本発明の薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法の実施するための形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。
以下、本発明の薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本発明の薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法では、活性シリカ系薬剤等の地盤改良材を用いて改良された改良地盤の地盤強度の推定を、以下の手順に従って行う。本実施の形態では、特に、図７に示したタンク基礎地盤における地盤改良後の地盤強度の推定について述べる。

まず、ベンダーエレメントの設置例について、図７に例示した液状化地盤の改良工事を想定して、図１，２を参照して簡単に説明する。
図７は、既設の地上式貯蔵タンク（以下、タンク５０と記す。）のタンク基礎５１を支持する基礎地盤５２に薬液注入を行い、液状化対策を行った状態を模式的に示した地盤断面図である。このタンク５０の例では、同図に示したように、タンク基礎５１より所定深度（約１．５m）に地下水位５３が位置し、それ以深に飽和砂質地盤５４が位置している。この飽和砂質地盤５４は、間隙率が４５％以上あり、ゆるい飽和砂質地盤として、地震時に液状化のおそれがある。そこで、本発明では、タンク５０直下の飽和砂質地盤位置に、図示したような、直径３m程度の連続した略球体状の改良体（改良範囲、改良地盤）１を造成し、この改良範囲１における地震時の液状化防止を図ることとしている。

図１は、図７に示した改良地盤１を部分的に示している。図１には、薬液注入された改良地盤１内の所定位置において、一対の計測パイプ１０が対向した状態で埋設された状態が示されている。図１に示したように、各計測パイプ１０の下端からは、後述する支持ロッド１２下端に固着された振動子センサユニット１１が突出している。

この弾性波測定手段としての振動子センサユニット１１は、粗密波およびせん断波を発振受振可能な振動子センサで、本体となるドーナッツ板状の圧電素子センサ１５と、その本体中心部の両側面に、それぞれ計測方向に向けて取り付けられた片持ち切片（短冊）状のベンダーエレメント１６とで構成されている。ドーナッツ板状の圧電素子センサ１５が、粗密波（縦波）発振体と受振体として、本体の両側面に取り付けられた短冊状のベンダーエレメント１６がせん断波（横波）発振体と受振体として機能する。なお、本発明に関しては、粗密波速度を計測可能な圧電素子センサ１５のみからなる振動子センサユニットを用いてもよい。

図１の計測パイプ１０の機器構成について説明する。各計測パイプ１０は、あらかじめ削孔されていたボーリング孔（φ１００mm程度）を利用して、孔壁保護用のケーシングパイプ４を挿入した計測孔３を設け、その中に、圧電素子センサ１５とベンダーエレメント１６とからなる振動子センサユニット１１を埋設し、振動子センサユニット１１の信号線ケーブル５を地上の計測ユニット６に接続することで、図１に示したような発振側１０Ｓ、受振側１０Ｒの一対から構成されるようになっている。なお、本明細書で、振動子センサユニット１１及び圧電素子センサ１５の各側面および各側面に取り付けられたベンダーエレメント１６を示す場合において、発振（Send）側、受振(Receive)側を特定する場合には、これらの符号に添え字として発振側「Ｓ」、受振側「Ｒ」を付し、それ以外では単に各符号１０，１１，１５，１６を付して示す。本実施例では、一対の計測パイプ１０Ｓ，１０Ｒ（振動子センサユニット１１Ｓ，１１Ｒ）間の距離は約３０cmを基準としている。なお、振動子センサユニット１１は、図１に示したように、ケーシングパイプ４の下端から露出した状態で、その周囲に原地盤と同様の相対密度となるように埋戻し砂を充填して位置保持させる。

一方、発振体かつ受振体として機能する振動子センサユニット１１を操作する計測ユニット６は、地上に設置されている。振動子センサユニット１１の圧電素子センサ１５とその側面のベンダーエレメント１６から導出された各信号線ケーブル５（各センサの送受信分の配線が確保されている）はケーシングパイプ４内を地上まで引き出され、この計測ユニット６に接続され、複数個の振動子センサユニット１１の発振、受振を逐次制御することができるようになっている。図１では、一対の振動子センサユニット１１の信号線ケーブル５のみが計測ユニット６に接続された状態が示されている。この状態では、計測ユニット６は、これら振動子センサユニット１１のうち、発振側振動子センサユニット１１Ｓへ印加して振動させ、弾性波としての粗密波（縦波：Ｖ_p）と、せん断波（横波：Ｖｓ）とを、所定間隔あるいは連続発振させ、対向位置にある受振側振動子センサユニット１１Ｒで受振し、その受振情報を内部の記憶手段（図示せず）に記憶させることができる。なお、弾性波のうち、媒質を伝播させる粗密波あるいはせん断波のいずれを卓越させるかは、媒質を伝播させる波形に応じて振動子センサユニット１１の振動子センサを適宜配置して決定すればよい。

図２各図は、上述した計測パイプ１０（振動子センサユニット１１）の設置手順を示した施工順序図である。以下、（ａ）〜（ｄ）で施工順序を説明する。まず、（ａ）に示したように、振動子センサユニット１１を設置する深さまで、ボーリング機械等で計測孔３を削孔する。この計測孔３に代えて、注入に先だって行われた土質調査用のボーリング調査孔を再利用しても良い。次いで、孔壁保護を目的として、計測孔３の孔径に応じたケーシングパイプ４を孔内に挿入する。このケーシングパイプ４は振動子センサユニット１１を設置する底部空間の直上まで挿入し、振動子センサユニット１１の設置箇所は素掘り状態として残しておく（図２（ｂ））。なお、崩れやすい地盤ではケーシングパイプ４を押し込みながら、中掘り方式により、パイプ内部を削孔しながらパイプを圧入することも有効である。支持ロッド１２の下端に固着された振動子センサユニット１１をケーシングパイプ４内に挿入し、振動子センサユニット１１を底部の所定深さに設置する。このとき、支持ロッド１２上端のハンドル（図示せず）を利用して、一対の振動子センサユニット１１に装着されたベンダエレメント１６同士が精度良く対向できるように、振動子センサユニット１１の向きを調整する（図２（ｃ））。その後、振動子センサユニット１１を固定した状態で、振動子センサユニット１１の圧電素子センサ１５と表面に突出したベンダーエレメント１６の周囲から空間全体を砂で埋め戻す。この時、特に振動子センサユニット１１の周囲において、埋め戻した砂の相対密度が周囲地盤と同等になるように埋め戻すことが重要である。支持ロッド１２に沿って地上まで導出された信号線ケーブル５を図示しない計測ユニット６に接続し、薬液注入前に計測区間でのキャリブレーションを行っておく。その後、薬液注入開始後、連続的に、固化が進行するまで振動子センサユニット１１により弾性波速度の計測を行う。

［粗密波速度からの一軸圧縮強度の推定］
まず、現場土試料を採取し、この試料をもとに実際に改良に用いられる地盤改良材（活性シリカ系薬剤）と同一仕様での供試体を用いた、改良土室内配合実験として粗密波速度測定を行う。本実施の形態では供試体として、従来の土試料の一軸圧縮試験の供試体用円筒形モールドを利用し、モールドの上下面間での粗密波の伝播を測定する。なお、十分なデータ数となるように複数個の供試体を利用した試験を行う。また、図３から明らかなように、粗密波速度Ｖ_pは変化率の大きい早期材齢から安定する材齢の間において、高い感度で強度推定が可能である。たとえば早期材齢（３日程度）における粗密波速度Ｖ_pから、あるいは粗密波速度Ｖ_pが安定した後の材齢（１５日経過後）において、高い精度で一軸圧縮強度を推定することができる。

さらに後述する回帰曲線を得るために、粗密波速度測定を行った供試体に対して一軸圧縮試験を行い、粗密波速度Ｖ_pを求めた供試体の一軸圧縮強さｑ_uを求める。

次いで、改良土室内試験による改良地盤の粗密波速度Ｖ_pと一軸圧縮強さｑ_uの関係を示す所定の回帰曲線を、回帰分析によって求め、定式化する。具体的には後述する実施例（図４）に示したように、横軸を粗密波速度Ｖ_p、縦軸を一軸圧縮強さｑ_uとしてデータをプロットする。これらデータをもとに、改良状態（薬剤量、材齢）に応じて得られたな粗密波速度Ｖ_pと一軸圧縮強さｑ_uの相関関係を示す回帰曲線を求める。この回帰曲線の定式化については、上述したように、粗密波速度Ｖ_pを横軸とし、一軸圧縮強さｑ_uを縦軸で示した各データをプロットし、各データから回帰分析を行い、所定の相関係数を示す回帰曲線を求めればよい。この場合、たとえば、本実施の形態では下式（式１）を得る。

ｑ_u＝ａ×｛ｅｘｐ（ｂ×Ｖ_p）｝ …（式１）
ここに、ａ，ｂ：回帰分析によって求まる定数

このとき、回帰曲線式（式１）の定数ａ、ｂに関しては、対象となる改良レベルによって異なり、それぞれに設定された改良レベルでの定式化を行うことが好ましい。これにより、対象する改良地盤において、活性シリカ系薬剤等を用いて強度増加を図った改良地盤を造成した場合、活性シリカ系薬剤の添加量を種々、増減させた場合、材齢の因子を除外して整理した場合でも、粗密波速度Ｖ_pと一軸圧縮強さｑ_uの相関関係が一意に定まる。

さらに、実際の地盤改良工事が行われる段階では、現地での改良効果の確認のために、地盤強度の計測を行う。このとき、図１に示したように、改良地盤の表面あるいは改良地盤において、ベンダーエレメントを用いた改良地盤の粗密波速度Ｖ_pと、加えて、出願人が提案しているせん断波速度Ｖ_sの両データの測定を行うことが好ましい。

このとき、粗密波速度Ｖ_pは地中の拘束圧の影響を受けて変化することが分かっている。また、地上での粗密波速度Ｖ_pと、改良現場の地中で測定された粗密波速度Ｖ_pとの関係は、その地点での上載圧γと粗密波速度Ｖ_pとが所定の傾きａで直線的に変化することから、粗密波速度Ｖ_pは
Ｖ_p=Ｖ_p0＋（上載圧γ／傾きａ）…（式２）
で求められる（図５参照）。
ここで、Ｖ_p0：無拘束圧時粗密波速度
すなわち、実際の現場の地中で測定した粗密波速度Ｖ_pであるとき、地上での無拘束圧時粗密波速度Ｖ_p0は、上記（式２）によって求めることができる。さらに、無拘束粗密波速度Ｖ_p0を用い、粗密波速度Ｖ_pと一軸圧縮強度ｑ_uの関係曲線を求め、無拘束圧時の一軸圧縮強度を精度よく推定できる。

対象となる地盤に、活性シリカ系薬剤を用いて地盤改良を行う際、あらかじめ供試体を用いた室内配合試験を行った。その結果を図４、図５に示す。

粗密波速度Ｖ_pと上載圧γ（kN/m²）との関係を、活性シリカ系薬剤の濃度（４％、６％）で求めたところ、ａ＝０．０１２８なる傾きを得た（図５）。これをもとに、（式２）から無拘束圧時粗密波速度Ｖ_p0を求めた。同図にプロットした各データは改良後経過時間を異ならせて得たデータで、無拘束圧時粗密波速度Ｖ_p0を用いたデータ群から粗密波速度Ｖ_pと一軸圧縮強さｑ_uとの関係を表す回帰曲線を決定できる。図４で得られた回帰曲線は下式の通りである。

ｑ_u＝４．７２５８×｛ｅｘｐ（０．０１２５×Ｖ_p）｝ …（式３）

この回帰曲線（式３）を利用して、粗密波速度Ｖ_pから、無拘束圧時の一軸圧縮強度ｑ_uを求める。図４に示したように、粗密波速度Ｖ_pがＶ_p＝３００m/sのとき、一軸圧縮強さｑ_uはｑ_u＝２００kN/m²となる。

[液状化強度の推定]
地震時に液状化の発生が予想される軟弱地盤に対して活性シリカ系薬剤による地盤改良を行った際、その試料の一軸圧縮強度と繰返し非排水三軸試験で求めた液状化強度（液状化抵抗性）Ｒ_L20（両振幅ひずみＤＡ＝５％））との相関関係が得られる（図６参照）。そこで、上述の推定方法で得られた一軸圧縮強度とこの回帰直線を利用して、試料の液状化強度を推定することができる。これにより、煩雑な三軸試験を行うことなく、当該改良地盤の液状化強度を把握することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 改良体（改良範囲、改良地盤）
５ 信号線ケーブル
６ 計測ユニット
１０ 計測パイプ
１０Ｓ 発振側計測パイプ
１０Ｒ 受振側計測パイプ
１１ 振動子センサユニット
１１Ｓ 発振側振動子センサユニット
１１Ｒ 受振側振動子センサユニット
１２ 支持ロッド
１５ 圧電素子センサ
１５Ｓ 発振側圧電素子センサ
１５Ｒ 受振側圧電素子センサ
１６ ベンダエレメント
１６Ｓ 発振側ベンダエレメント
１６Ｒ 受振側ベンダエレメント

Claims (6)

1. 薬液を地盤注入して改良される改良地盤内に弾性波測定手段を設置し、該弾性波測定手段で得られた弾性波速度から前記改良地盤の原位置強度を推定するようにしたことを特徴とする薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法。
2. 前記弾性波測定手段は、粗密波およびせん断波を発振受振可能な振動子センサであることを特徴とする請求項１に記載の薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法。
3. 前記弾性波測定手段で得られた粗密波速度から、前記改良地盤の一軸圧縮強度を推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法。
4. 前記弾性波測定手段で得られた粗密波速度から、前記改良地盤の液状化強度を推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法。
5. 前記強度推定は、あらかじめ室内試験により得られた粗密波速度と一軸圧縮強度との関係を示した回帰曲線への原位置での粗密波速度の当てはめを行って得られたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法。
6. 前記一軸圧縮強度は、原位置で測定された粗密波速度に対する上載圧の影響を除いて得られた無拘束圧時粗密波速度を用いて得られたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の薬液注入改良地盤における地盤強度推定方法。

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