JP2011202355A - 規格気泡安定液による地下構造物の造成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】場所打ちコンクリート杭やコンクリート地下連続壁の造成において、構造体の性能の低下をもたらす粘土による鉄筋とコンクリートとの附着性低下を防止し、場所打ちコンクリート杭の性能を低下させる孔壁面の粘土による難透水性層の形成を防止し、気泡安定液中の大粒径砂礫土の沈降による底渫いを不要とし、孔壁安定用の気泡安定液と掘削用の気泡懸濁液を使い分け、掘削土中の気泡の排泥処理を容易にする。
【解決手段】一定の物性値を持った規格気泡安定液により掘削壁面を安定に保持する。また、規格気泡安定液をその供給・回収の工程として繰り返し使用するとともに、掘削・排泥を目的として掘削土に気泡を、あるいはこれに水を加え掘進機の回転翼により混合・攪拌し懸濁状態にした掘削気泡懸濁液を使用して掘削し、前記規格気泡安定液と掘削気泡懸濁液とが混合しないように混合防止隔壁を使用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、掘削時の孔（溝）壁の安定性を保ち、鉄筋の附着性が低く、コンクリートとの置換性が良く、さらには繰り返し使用できる規格気泡安定液と、掘削、排泥及び排泥土の処理に適した掘削気泡懸濁液を用いての、場所打ちコンクリート杭やコンクリート地下連続壁等の地下構造物の造成方法に関するものである。

場所打ちコンクリート杭やコンクリート地下連続壁の造成工事においては、バケット式の掘削機や多軸回転ビットを持った回転式掘削機が一般的に使用されている。バケット式の掘削機の施工手順を図１により説明すると、第１の工程（Ａ）では、ロッドを回転させロッドの先端に取り付けたバケットに掘削土を取り込み、バケットを地上に引き上げ、排土を行い、この作業を繰り返すことにより柱状に支持層まで掘削を行う。施工時の孔の崩壊を防ぐために安定液を孔内に満たし、地表近くに液面を保つ。第２の工程（Ｂ）では、孔内に鉄筋かごとトレミー管を建て込む。第３の工程（Ｃ）では、トレミー管を使用して、コンクリートと安定液を置き換えつつ打設を行う。

これらの工程において、安定液は、孔壁の安定を保ち、鉄筋かごを容易に建て込める物性を有することと、安定液の鉄筋かごへの附着がないこと、さらにコンクリートの打設時にはコンクリートと混合することなく容易に置換わること等の物性が必要である。さらに経済性および環境面からは繰り返し使用できることが望ましい。

現在使用されている代表的な安定液としてベントナイト系安定液がある。しかしながら、ベントナイト系安定液は、透水係数の大きい砂礫質地盤の掘削においては、孔壁面に難透水性層を造成することが困難であり、孔壁の崩壊が生じる等の問題がある。また、ベントナイト系安定液の主成分であるベントナイトが電荷により鉄筋に附着して膜を作るために、鉄筋とコンクリートとの附着性を低下させて設計上の不利益を生じやすい。さらに孔壁面にベントナイトによる難透水性層を造成するためには、場所打ちコンクリート杭と地盤の摩擦抵抗を減少させるために、場所打ちコンクリート杭としての性能を低下させて評価せざるをえない等の悪い影響を与える。そして、掘削時にベントナイトは掘削土と混ざり合うので、排泥土は産業廃棄物としての処理が必要であることから、経済性、環境面での問題点があった。

近年、このような問題点を有するベントナイト系安定液に代わる安定液として気泡安定液が発明され実用に供されている。この気泡安定液は掘削時に掘削土に気泡と水を加えながら掘削・混練した懸濁液であり、これを安定液として使用するものである（特許文献１および２参照）。これらの気泡安定液を使用すると、透水性の大きい砂礫地盤においても気泡が孔（溝）壁の空隙中に入り込み難透水性の不飽和地盤を造成するので孔（溝）壁の安定が保たれる。また、気泡安定液は流動性が良いために排泥も容易である。

ただ、これらの気泡安定液は掘削土に気泡と水を加えただけであるので、掘削土の物性の影響を受けやすい。例えば、掘削土層が粘土の場合、この粘土は負に帯電しているために鉄筋の正の電荷と反応して鉄筋への附着が生じやすく、コンクリートと鉄筋の附着性を悪くする要因となる。さらには、掘削地盤が砂礫地盤の場合には大径の礫が沈降し、コンクリートの打設前には掘削底の底渫いが必要となる。また、掘削土に気泡と水を加えた気泡安定液では単位体積重量の調整に制限があるために、気泡安定液とコンクリートの置換に障害が生じることがある。すなわち、気泡安定液とコンクリートとの置換のためには気泡安定液の単位体積重量は孔（溝）の安定が保てる限界である１０．３ｋＮ／ｍ^３以上で、かつ、できるだけ軽量であることや流動性がよいことが望ましい。気泡安定液は気泡量と水量を多くすることにより単位体積重量は減少するが、深度が深くなり気泡安定液に大きな圧力が加わると気泡体積量が凡そ４０％以上の場合には気泡が圧縮され単位体積重量が大きくなり、コンクリートとの置換性に問題が生じることがある。また水量を多くすると気泡安定液の分離が生じる限界があり、加水量のみで単位体積重量を減少させるには限界があり、かつ流動性の調整にも限界がある。

以上のように、気泡安定液は、ベントナイト系安定液に比較すれば孔（溝）壁の安定性等において優れたものであるが、掘削土に適量の気泡と水を加え懸濁状態としたものだけに掘削土の物性の影響を受けるので、場所打ちコンクリート杭やコンクリート連続壁等の地下構造物の造成においては改良の余地を残すものであった。

特許第３７２５７５０号公報 特許第４３４２５５８号公報

本発明は、以上の通りの背景から、場所打ちコンクリート杭やコンクリート地下連続壁の造成において、構造体の性能の低下をもたらす粘土による鉄筋とコンクリートとの附着性低下を防止し、場所打ちコンクリート杭の性能を低下させる孔壁面の粘土による難透水性層の形成を防止し、気泡安定液中の大粒径砂礫土の沈降による底渫いを不要とし、さらには、孔壁の安定用の気泡安定液と掘削用の気泡安定液を使い分けることにより、掘削土中の気泡の排泥処理を容易にすること等により、品質の向上とともに、経済性を大きく向上させることのできる、新しい地下構造物の造成方法を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、場所打ちコンクリート杭、あるいはコンクリート地下連続壁をもっての地下構造物の造成において、一定の物性値を持った規格気泡安定液により掘削壁面を安定に保持することを特徴とする地下構造物の造成方法を提供する。

また、第２には、上記の方法において、規格気泡安定液をその供給・回収の工程として繰り返し使用するとともに、掘削・排泥を目的として掘削土に気泡を、あるいはこれに水を加え掘進機の回転翼により混合・攪拌し懸濁状態にした掘削気泡懸濁液を使用して掘削し、前記規格気泡安定液と掘削気泡懸濁液とが混合しないように混合防止隔壁を使用することを特徴とする地下構造物の造成方法を提供する。

さらに以下の方法も提供する。

第３には、規格気泡安定液は、有機物および粘土鉱物を含まない微細な土や人工無機物に適量の気泡と水とを加えた懸濁液であって、微細な土や人工無機物の平均粒径（Ｄ５０）は１ｍｍ以下であり、気泡量は気泡添加率Ｑで表すと０．７５〜２．２％の範囲内で、分離含水比以下で、かつ、表面乾燥状態以上の範囲で混練したものであることを特徴とする地下構造物の造成方法。

第４には、規格気泡安定液における気泡は、その単位体積重量が０．３２〜０．４９ｋＮ／ｍ^３の範囲で、気泡粒径の中央値は１００〜４００ミクロンの範囲であることを特徴とする上記いずれかの地下構造物の造成方法。

第５には、使用後に回収した規格気泡安定液に気泡、水、有機物や粘土鉱物を含まない微細な土、あるいは微細な土より小さい密度の人工無機物を加えて混練することにより、物性値を一定範囲に調整し、繰り返し使用することを特徴とする上記いずれかの地下構造物の造成方法。

第６には、施工完了後の規格気泡安定液について、脱水または土粒子に分離して処分することを特徴とする上記いずれかの地下構造物の造成方法。

第７には、上記いずれかの地下構造物の造成方法により構築されたものであることを特徴とする場所打ちコンクリート杭、もしくはコンクリート地下連続壁。

第８には、上記第２の方法において、規格気泡安定液と掘削気泡懸濁液とが混合しないように混合防止隔壁を使用することを特徴とする地下構造物造成のための施工装置。

以上の通りの本発明によれば、場所打ちコンクリート杭やコンクリート地下連続壁の造成において、構造体の性能の低下をもたらす粘土による鉄筋とコンクリートとの附着性低下を防止し、場所打ちコンクリート杭の性能を低下させる孔壁面の粘土による難透水性層の形成を防止し、気泡安定液中の大粒径砂礫土の沈降による底渫いを不要とし、さらには、孔壁の安定用の気泡安定液と掘削用の気泡安定液を使い分けることにより、掘削土中の気泡の排泥処理を容易にすること等により、品質の向上とともに、経済性を大きく向上させることができる。

これによって、新しい方法での地下構造物の構築が可能とされる。

バケット式の掘削機の場合の一般的な施工手順を示した図である。 規格気泡安定液の回収及び調整フローを示した図である。 規格気泡安定液及び掘削気泡懸濁液による施工フローを示した図である。 規格気泡安定液による難透水性層の形成について平均粒径と透水係数の関係を示した図である。 ベーンせん断強度と載荷圧力の関係を示した図である。

本発明では掘削杭の品質を向上させかつ、排泥量を減少させ、排泥土の有効利用を図るために、繰り返し使用可能な規格気泡安定液と掘削気泡懸濁液を使用する。

規格気泡安定液は図２に示すように、コンクリートを打設する時に回収し、物性値を調整し、繰り返し使用することができる。規格気泡安定液には掘削中に掘削土は混入しないので、物性値の調整は容易である。

すなわち、使用後に回収した気泡安定液に、気泡、水、そして有機物や粘土鉱物を含まない微細粒子としての土、あるいはこの土よりも密度の小さい人工無機物を加えて混練することで物性値を所要の一定範囲に調整することが可能である。

掘削気泡懸濁液は回転式の掘削機により掘削を行う時に、図３に示すように掘削機の先端に適量の気泡を、あるいはこれに水を加え混練し、懸濁状態とし、これを圧送ポンプ、あるいは吸引ポンプで排泥する。排泥土中の気泡は速やかに消泡するほうが望ましいので、消泡しやすい起泡剤を使用する。具体的には規格気泡安定液に使用する気泡剤の希釈倍率を大きくしたものを用いることにより、目的が達成できる。なお、図１に示すバケット式の掘削機を用いる時は掘削気泡懸濁液を使用することは必要ない。しかしながら、回転式の掘削機を使用したほうが掘進速度が速いので、施工条件により、これらの機械を使い分けることが望ましい。

また、掘削時において、図２に示すように、規格気泡安定液と掘削気泡懸濁液が混合しないように掘削部において隔離用の隔壁を設ける。

本発明の規格気泡安定液は以下のようにして製造することができる。

（ａ）規格気泡安定液の含水比は分離含水比以下が適しているが、含水比は微細な土の表面乾燥状態以上であれば、気泡と混合しても気泡が消泡しないので使用することができる。なお、微細な土には有機物や粒径が２ｍｍ以上の礫分を含まないものを使用する。

（ｂ）規格気泡安定液の単位体積重量は気泡量により調整する。

（ｃ）飽和含水状態の微細な土に気泡を加え、気泡量により単位体積重量の調節を行う。微細な土の土粒子の密度よりも小さい密度の人工無機物を微細な土と混合して使用することにより、規格気泡安定液の単位体積重量を小さくすることができる。

上記のようにして製造した規格気泡安定液を使用し、孔（溝）壁の安定性を評価した例を説明すると以下のとおりである。

すなわち、規格気泡安定液の製造に使用した微細な土として、土質実験用に使用される珪砂７号（平均粒径Ｄ５０＝０．１９ｍｍ）、珪砂６号（０．３３ｍｍ）、珪砂５号（０．５９ｍｍ）、珪砂４号（０．９４ｍｍ）、ＮＳ３０号（１．３６ｍｍ）を用い、気泡の単位体積重量は０．３９ｋＮ／ｍ^３、気泡粒径の中央値は凡そ２００ミクロンとした。各試料土を地中の掘削状態と同じくするために飽和状態にし、これに上記の気泡を加え単位体積重量１０．３ｋＮ／ｍ^３の規格気泡安定液を調製した。

ここで孔（溝）壁の安定にとって最も危険な状態を設定するために規格気泡安定液の単位体積重量は１０．３ｋＮ／ｍ^３とした。この実験の結果を図４に示した。原地盤の孔（溝）壁の透水係数ｋ（ｃｍ／ｓ）は２×１０^−２〜９×１０^−２ｃｍ／ｓであるが、珪砂７号（Ｄ５０＝０．１９ｍｍ）〜珪砂４号（Ｄ５０＝０．９４ｍｍ）を使用した規格気泡安定液の場合には透水係数ｋは５×１０^−５〜１×１０^−５ｃｍ／ｓとなり、充分な難透水性層ができることが判る。しかしながらＮＳ３０を使用した場合、透水係数ｋは５×１０^−３ｃｍ／ｓであり、難透水性層として程度が良くない。以上のように、珪砂７号〜珪砂４号を微細な土として使用すると難透水性層が形成するので、規格気泡安定液の泥水圧により、孔（溝）壁は安定する。

これらの実験の結果から、規格気泡安定液に使用するに適した微細な土の平均粒径Ｄ５０は１ｍｍ以下であることが適している。また、人工無機物を使用する場合も平均粒径Ｄ５０は１ｍｍ以下であることが適している。

人工無機物として使用でるものは微細な土より土粒子の比重より小さいシャモット（陶磁器類の破砕物）、フライアッシュ、軽量骨材が使用できる。

有機物はフミン酸等を含んでおり、気泡に悪影響を与え、また粘土鉱物は負に帯電しており鉄筋に附着しやすい。また大粒径の礫は沈降し易いので、使用に適さない。

次に、コンクリートとの置換性の面から規格気泡安定液の物性値を検討すると、孔（溝）壁の安定理論より規格気泡安定液の単位体積重量は１０．３ｋＮ／ｍ^３より大きく、これに近い値であることが望ましく、かつ流動性が大きくコンクリートとの置換性が良いことが望ましい。しかしながら、規格気泡安定液中の気泡は掘削深度が深くなると圧縮されるので、流動性が悪くなることが想定できる。

そこで、高圧下での規格気泡安定液の流動性を評価するために、飽和した珪砂４号（Ｄ５０＝０．９４ｍｍ）に気泡の添加量を変化させ（気泡添加率Ｑを０．５％〜２．２％に変化させる）、規格気泡安定液を作製し、これらに加圧し、最大５００ｋＮ／ｍ^２の加圧下でベーンせん断力を計測した。これらの実験の結果を図５に示した。図５によると加圧力が増加するとベーンせん断力も徐々に増加するが、加圧力が２００〜３００ｋＮ／ｍ^２になるとベーンせん断力は一定値に収斂する傾向がある。また、気泡添加率Ｑが０．７５％以上ではベントナイト安定液（単位体積重量＝１０．３ｋＮ／ｍ^３、ファンネル粘性＝２５秒）のベーンせん断力とほぼ同等であることがわかった。

なお、気泡添加率Ｑは次式（１）で表し、気泡は起泡剤を２５倍に発泡したものを使用した。

そこで、高圧下でのコンクリートとの置換性を調べるために、気泡添加率Ｑを０．７５％の規格気泡安定液に増粘剤（ＣＭＣ：カルボキシメチルセルロース）を加え、５００ｋＮ／ｍ^２の加圧状態に等しいベーンせん断力０．５ｋＮ／ｍ^２に増加させ、コンクリートと規格気泡安定液の置換え試験を行ったところ、置換えになんらの支障はなかった。

これらのことより気泡添加率Ｑの適用範囲は０．７５≦Ｑ≦２．２％である。なお、気泡添加率Ｑを２．２％以上添加すると、規格気泡安定液の単位体積重量が１０．３ｋＮ／ｍ^３以下となり孔（溝）壁の崩壊が生じる。

飽和含水比状態である珪砂７号〜珪砂４号に気泡添加率Ｑ＝０．７５〜２．２％添加した状態での規格気泡安定液は７２時間の放置の後にも分離をしなかった。

掘削気泡懸濁液は飽和含水状態にある掘削土に気泡添加率Ｑを０．７５〜２．２％の範囲の気泡を添加し混合した懸濁液である。掘削気泡懸濁液に使用する起泡剤は規格気泡安定液に使用する起泡剤を使用することができるが、掘削気泡懸濁液は掘削土と混合し直ちに、地上にポンプにより排泥するので、気泡の耐久性は必要なく、むしろ地上に排泥した後は消泡したほうが経済性の面より、望ましい。具体的には規格気泡安定液の起泡剤を水で２〜３倍に薄めたものを起泡剤として使用することにより、良好な結果が得られる。

なお、実験に用いた気泡の単位体積重量は０．３２〜０．４９ｋＮ／ｍ^３であり、気泡粒径の中央値は１００〜４００ミクロンであり、この条件により上記第４の発明方法となる。

規格気泡安定液は経済性及び環境の面より繰り返し使用することが望ましい。規格気泡安定液は図１、図２に示すように、掘削機をバケット式あるいは回転式を用いても、掘削土が混入する可能性は小さいので、繰り返し使用できる。しかしながら、気泡は循環使用中に消泡するために、単位体積重量やＴＦ値は変化するので、これらを一定の範囲に保つために、回収した規格気泡安定液を高速の混練機により再発泡させるとともに、気泡、水さらに必要に応じ人工軽量材を加え、単位体積重量とＴＦ値を調整し再使用することができる。

Claims (8)

1. 場所打ちコンクリート杭、あるいはコンクリート地下連続壁をもっての地下構造物の造成において、一定の物性値を持った規格気泡安定液により掘削壁面を安定に保持することを特徴とする地下構造物の造成方法。
2. 請求項１に記載の方法において、規格気泡安定液をその供給・回収の工程として繰り返し使用するとともに、掘削・排泥を目的として掘削土に気泡を、あるいはこれに水を加え掘進機の回転翼により混合・攪拌し懸濁状態にした掘削気泡懸濁液を使用して掘削し、前記規格気泡安定液と掘削気泡懸濁液とが混合しないように混合防止隔壁を使用することを特徴とする地下構造物の造成方法。
3. 規格気泡安定液は、有機物および粘土鉱物を含まない微細な土や人工無機物に適量の気泡と水とを加えた懸濁液であって、微細な土や人工無機物の平均粒径（Ｄ５０）は１ｍｍ以下であり、気泡量は気泡添加率Ｑで表すと０．７５〜２．２％の範囲内で、水量は分離含水比以下で、かつ、表面乾燥状態以上の範囲で混練したものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地下構造物の造成方法。
4. 規格気泡安定液における気泡は、その単位体積重量が０．３２〜０．４９ｋＮ／ｍ^３の範囲で、気泡粒径の中央値は１００〜４００ミクロンの範囲であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の地下構造物の造成方法。
5. 使用後に回収した規格気泡安定液に気泡、水、有機物や粘土鉱物を含まない微細な土、あるいは微細な土より小さい密度の人工無機物を加えて混練することにより、物性値を一定範囲に調整し、繰り返し使用することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の地下構造物の造成方法。
6. 施工完了後の規格気泡安定液について、脱水または土粒子に分離して処分することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の地下構造物の造成方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の地下構造物の造成方法により構築されたものであることを特徴とする場所打ちコンクリート杭、もしくはコンクリート地下連続壁。
8. 請求項２に記載の方法において、規格気泡安定液と掘削気泡懸濁液とが混合しないように混合防止隔壁を使用することを特徴とする地下構造物造成のための施工装置。