JP2013227724A - セメント系改良体の強度管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セメント系改良体の強度を高精度で予測することが可能なセメント系改良体の強度管理方法を提供する。
【解決手段】地盤Ｇに形成されるソイルセメント柱１の強度管理方法である。
そして、材齢３日の硬化状態のソイルセメント柱に孔２を形成する工程と、孔に塩化カリウム溶液２１を注入するとともに電導コーン４を挿入して比抵抗を測定する工程と、孔で測定された比抵抗に基づいてソイルセメント柱の強度を確認する工程とを備えている。
ここで、材齢３日の孔で測定された比抵抗とその時点の一軸圧縮強度と設計基準強度とから、設計基準強度に対応する比抵抗の値を算出し、電導コーンによって測定される孔の比抵抗が設計基準強度に対応する比抵抗以上となるまで測定を続ける構成とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地盤とセメントミルクなどの固化材とを原位置で混合して撹拌することによって形成されるソイルセメントなどのセメント系改良体の強度管理方法に関するものである。

地盤を掘削撹拌翼や高圧ジェットなどによって掘削しながらセメント系の固化材を混入させ、円柱状のセメント系改良体を造成する地盤改良工法が知られている（特許文献１−３など参照）。

そして、特許文献１−３には、造成されるセメント系改良体の品質を管理するために、比抵抗測定センサによって未硬化状態のセメント系改良体の比抵抗を測定することが開示されている。

また、特許文献４には、空洞の充填材などに使用される流動化処理土の品質管理を、未硬化状態のときに挿入した比抵抗測定センサの測定値に基づいて行う流動化処理土の管理システムが開示されている。

さらに、特許文献５には、液状化しそうな地盤に比抵抗測定センサを貫入し、その測定値に基づいて地盤の液状化特性を判定する地盤の調査方法が開示されている。

特開２０１０−２４６７５号公報 特開２００４−１８３４３４号公報 特開平７−１８６６０号公報 特開２００８−１０６４６７号公報 特許第３８７６３１８号公報

ここで、特許文献１−４に開示された品質管理方法は、いずれも未硬化状態のセメント系改良体に比抵抗測定センサを直接、挿入して、その時点での測定値に基づいて強度などを予測する方法である。

しかしながら、材齢が短い未硬化状態のセメント系改良体から測定される比抵抗の測定値はばらつきが大きく、その測定値から強度などを測定する方法では高い精度で強度を予測することが難しい。

そこで、本発明は、セメント系改良体の強度を高精度で予測することが可能なセメント系改良体の強度管理方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明のセメント系改良体の強度管理方法は、地盤に形成されるセメント系改良体の強度管理方法であって、所定の材齢に達した硬化状態の前記セメント系改良体に孔を形成する工程と、前記孔に測定溶液を注入するとともに比抵抗測定センサを挿入して比抵抗を測定する工程と、前記孔で測定された比抵抗に基づいて前記セメント系改良体の強度を確認する工程とを備えている。

ここで、前記セメント系改良体の強度を確認する工程では、前記所定の材齢に達した時点の孔で測定された比抵抗と同時点の材齢の強度と目標強度とから、目標強度に対応する比抵抗の値を算出し、前記比抵抗測定センサによって測定される孔の比抵抗が前記目標強度に対応する比抵抗以上となるまで測定を続ける構成とすることができる。

また、前記孔は材齢３日の時点で形成し、前記目標強度は材齢２８日強度とすることができる。さらに、前記測定溶液は、塩化カリウム溶液にすることが好ましい。

また、前記孔の直径に対する前記比抵抗測定センサの直径の比は、0.8以上であることが好ましい。

このように構成された本発明のセメント系改良体の強度管理方法は、所定の材齢に達した硬化状態のセメント系改良体に孔を設け、測定溶液を孔に注入した状態で比抵抗測定センサによって比抵抗を測定する。

このため、測定値のばらつきが少なく、高精度でセメント系改良体の強度を予測した管理を行うことができる。特に、測定溶液に塩化カリウム溶液を使用することで、測定値のばらつきを抑えることができる。

また、硬化が始まって間もない時点（例えば材齢３日）での比抵抗及び強度の測定値と、目標強度とから、目標強度に対応する比抵抗の値を算出しておくことで、比抵抗を測定するだけで目標強度を満たすか否かを確認することができる。

すなわち、目標強度を圧縮試験などで確認する場合は、試験に手間がかかって頻繁に行えないため、強度が発現している可能性が高い材齢（例えば材齢２８日）になるまで待って試験を行うことになる。これに対して比抵抗測定センサによって孔の比抵抗を測定するのであれば、簡単かつ頻繁に行うことができるので、目標強度に達することを早く確認することができる。また、何度も強度試験を行わなくてもよいため、経済的である。

さらに、孔と比抵抗測定センサとの隙間を小さくすることによって、測定誤差を少なくすることができる。

本発明の実施の形態のセメント系改良体の強度管理方法を説明する説明図である。 比抵抗測定センサの構成を示した説明図である。 孔の径と比抵抗係数との関係を示した図である。 セメント系改良体の材齢と電気比抵抗との関係を示した図である。 セメント系改良体の材齢と圧縮強度との関係を示した図である。 比抵抗の測定値と推定値との関係を示した図である。 材齢３日の比抵抗と強度の比と、材齢２８日と３日の差についての比抵抗と強度の比との関係を示した図である。 比抵抗から予測した圧縮強度の推定値と測定値との関係を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態のセメント系改良体の強度管理方法を説明するための図である。

セメント系改良体は、地盤Ｇを掘削撹拌翼や高圧ジェットなどによって掘削しながら、セメント系の固化材を掘削された地盤中に吐出させ、掘削土と固化材とを原位置で混合させることによって造成される。

本実施の形態では、掘削撹拌翼（図示省略）で掘削土とセメントミルク（セメント系固化材）とを原位置で撹拌混合することによって、円柱状に造成されるソイルセメント柱１の強度管理方法について説明する。

このソイルセメント柱１は、掘削撹拌翼で撹拌した直後（材齢０日）は、未硬化状態である。そして、セメントの添加量や水分量にもよるが、例えば材齢３日程度で硬化状態となって、孔２を掘削することができるようになる。

そこで、形状が保持可能な孔２が形成できる程度の強度が発現する材齢に達した後に、図１に示すようにソイルセメント柱１に孔２を形成する。この孔２の深度は、比抵抗を測定したい深さに合わせて任意に設定することができる。

例えば、掘削の負荷を少なくするために、ソイルセメント柱１の柱頭から１ｍ程度の深度まで孔２を形成することができる。また、地盤Ｇの弱い箇所が判明している場合は、その深度まで孔２を形成し、ソイルセメント柱１の全長の中で最も強度が低いと想定される箇所の強度を確認することもできる。この図１では、ソイルセメント柱１の長さの１／２程度の深度の孔２を形成した場合を示している。

この孔２は、例えばスウェーデン式サウンディング試験で使用する試験機（図示省略）やボーリング用の掘削ロッドや掘削ビットなどを使って形成することができる。

ここで、スウェーデン式サウンディング試験の試験機は、ロッドの先端にスクリューポイントが設けられるとともに、上端にハンドルが設けられており、人力でハンドルを回すことによってソイルセメント柱１に孔２を形成することができる。

この孔２には、ばらつきの少ない比抵抗の測定値を得るために、測定溶液を注入する。この測定溶液には、塩化カリウム溶液２１が使用できる。また、塩化カリウム溶液２１の濃度は、例えば0.1規定濃度に設定することができる。

そして、ソイルセメント柱１に形成された孔２には、比抵抗測定センサとしての電導コーン４を挿入して、比抵抗としての電気比抵抗を測定する。

この電導コーン４は、図２に示すように円錐状の先端が形成された円筒状のコーン本体４５と、そのコーン本体４５の周面に軸方向に間隔をおいて取り付けられる４つの電極４１，・・・と、その電極４１，４１間に装着される円筒状の絶縁カラー４２，・・・とによって主に構成される。

また、電導コーン４の上端には先端にネジ部４３ａが設けられた支持ロッド４３が取り付けられ、所望する深さまで挿入可能に形成されている。また、電導コーン４の各電極４１，・・・に接続されるリード線４４は、図１に示すように孔２の外まで延伸されて電圧測定装置３に接続される。

この電導コーン４を使って電気比抵抗を測定する際には、所定の電流Ｉを両端の電極４１，４１間で流し、各電極４１，４１間の電位差ΔＶを測定する。そして、印加した電流Ｉと、各電極４１，４１間の推定される電流の流れる距離ｒと、電位差ΔＶとをオームの法則に代入すると、電気比抵抗ρが算出される。

ここで、孔２の直径は、電導コーン４の直径よりも僅かに小さい程度が好ましい。すなわち孔２には、塩化カリウム溶液２１が充填されて電導コーン４とソイルセメント柱１との間は電気的に連続しているが、この孔２と電導コーン４との距離の大きさによって、測定される電気比抵抗の大きさが変わることになる。

そこで、孔の径と比抵抗係数との関係を調べる実験をおこない、その結果を図３に示した。この実験に使用した電導コーン４の直径は、19ｍｍである。また、比抵抗係数とは、孔で測定された比抵抗を、その孔に充填された塩化カリウム溶液の比抵抗で除した値である。ここで、図３の破線Ｈ１は、0.003規定濃度の塩化カリウム溶液の比抵抗係数を示す基準線である。

また、一点鎖線Ｈ２は、孔の径が0ｍｍのときの比抵抗係数である。そして、図３に示すように、比抵抗係数の実側線Ｈは、孔の径が電導コーン４の直径（19ｍｍ）と同じく19ｍｍになるまでは一点鎖線Ｈ２と一致し、孔の径が電導コーン４よりも大きくなって双方の距離が広がるに従って、破線Ｈ１に向けて比抵抗係数が増加する結果となった。

他方、この実験結果によれば、孔２の径が電導コーン４よりも大きい場合でも、大きく測定される測定値を適切に補正することによって、電導コーン４をソイルセメント柱１に密着させたときの測定結果と同等の結果を得ることが可能であるといえる。

すなわち、図３では、直径33ｍｍの孔の測定値から算定された比抵抗係数は、一点鎖線Ｈ２の比抵抗係数の約1.5倍となっているので、比抵抗の測定値を1.5で除することによって、電導コーン４がソイルセメント柱１に密着しているときの測定結果としてみることができる。

しかしながら、孔２の直径は、挿入に支障が出ない範囲内で電導コーン４の直径に近いほうが好ましく、孔２の直径φに対する電導コーン４の直径Ｄの比（Ｄ／φ）を、0.8以上に設定する。

続いて、電導コーン４によって測定される電気比抵抗からソイルセメント柱１の強度を予測する方法について説明する。図４は、両対数グラフの横軸をソイルセメント柱１の材齢（日）とし、縦軸を電気比抵抗（Ω・ｍ）として２つの関係を示した図である。

この図４からわかるように、材齢と電気比抵抗とは高い相関関係を示している。なお、図示していないが、測定溶液を水道水や純水に代えて実験した結果では、それなりの相関性は見られた（水道水R²=0.87、純水R²=0.79）が、塩化カリウム溶液を使用した場合に比べてばらつきの多い測定結果となった。

この図４を見ると、ソイルセメント柱１の電気比抵抗の増大は材齢１日から始まっていることがわかるが、材齢３日くらいまではばらつきがあり、それ以降は安定した測定結果が得られることがわかる。

一方、図５は、対数軸となる横軸をソイルセメント柱１の材齢（日）とし、縦軸を圧縮強度（N/mm²）として２つの関係を示した図である。圧縮強度は、同じ配合のソイルセメントを使って製作された該当する材齢の供試体に対して、一軸圧縮試験を行うことによって測定される。

この図５を見ると、材齢が進むにつれて、片対数グラフにおいて直線的に圧縮強度が増加していく比例関係にあるのがわかる。そして、図４，５の結果から、例えば材齢３日の電気比抵抗がわかれば、材齢２８日の圧縮強度が予測できるようになるといえる。

そこで、図６に、材齢３日の電気比抵抗から材齢２８日の電気比抵抗を推定した推定値と、材齢２８日の電気比抵抗の測定値との関係を示した。この図６から推定値と測定値との間に高い相関性があることは明らかである。

ここで、図示していないが、測定溶液を水道水や純水に代えて実験した結果を使って図６と同様のグラフを作成すると、ばらつきが大きくなり、相関係数も水道水R²=0.41、純水R²=0.56とあまり大きな値にはならない。

一方、材齢３日の電気比抵抗ρ₃及び一軸圧縮強度ｑ_u3の測定値と、材齢２８日の電気比抵抗ρ₂₈及び一軸圧縮強度ｑ_u28の測定値とを使って、図７に示すような関係のグラフを作成した。

すなわち図７は、横軸を材齢３日の電気比抵抗ρ₃に対する一軸圧縮強度ｑ_u3の比ｑ_u3／ρ₃とし、縦軸を材齢３日と材齢２８日の電気比抵抗の差Δρ＝ρ₂₈−ρ₃に対する一軸圧縮強度の差Δｑ_u＝ｑ_u28−ｑ_u3の比Δｑ_u／Δρとして、２つの比の関係を示している。

この図７から、２つの比（ｑ_u3／ρ₃，Δｑ_u／Δρ）の間に比例関係があることがわかり、以下の式を導くことができる。

ｑ_u28＝1.12・ｑ_u3・(ρ₂₈／ρ₃)−0.12・ｑ_u3 （１）
ここで、測定値と推定値の比率の平均値を求め、これを上記式（１）に補正係数として乗ずると、以下の式となる。

ｑ_u28＝1.41・(1.12・ｑ_u3・(ρ₂₈／ρ₃)−0.12・ｑ_u3)
＝1.58・ｑ_u3・(ρ₂₈／ρ₃)−0.17・ｑ_u3 （２）
ここで、1.58（＝α）と0.17（＝β）は、実験結果に基づいて算出された係数であり、上記式（２）を導くための実験結果がさらに蓄積されることによって修正されることもある。

そして、式（２）を使って算出される一軸圧縮強度ｑ_u28の推定値と、測定値との関係を図８に示した。ここで、図８の破線の両側に平行に引かれた実線は、標準偏差の３倍（３σ）を示している。

この図８を見ると、式（２）を使って材齢３日の電気比抵抗ρ₃及び一軸圧縮強度ｑ_u3並びに材齢２８日の電気比抵抗ρ₂₈から算出された、材齢２８日の一軸圧縮強度ｑ_u28の推定値は、測定値との関係で標準偏差の３倍の範囲内に収まっていることがわかる。

そこで、式（２）を変形して、目標強度となる設計基準強度Ｆcを確認することができる電気比抵抗ρcの式を導く。すなわち、材齢２８日の一軸圧縮強度ｑ_u28を設計基準強度Ｆcとすると、電気比抵抗ρ₂₈を電気比抵抗ρcに置き換えることができる。

Ｆc＝1.58・ｑ_u3・(ρc／ρ₃)−0.17・ｑ_u3 （３）
ρc＝ρ₃・(0.63・Ｆc／ｑ_u3＋0.11) （４）
上記式（４）のように書き換えることで、材齢３日の電気比抵抗ρ₃及び一軸圧縮強度ｑ_u3が測定された時点で、設計基準強度Ｆcに対応する電気比抵抗ρcの値が判明する。

そして、材齢が２８日に到達する前に、電導コーン４の測定値が電気比抵抗ρc以上となれば、ソイルセメント柱１の強度は設計基準強度Ｆcを満たすといえる。

次に、本実施の形態のセメント系改良体の強度管理方法、及びその作用について説明する。

本実施の形態のセメント系改良体の強度管理方法を行うためには、まず掘削撹拌翼を使って地盤Ｇにソイルセメント柱１を造成する。そして、例えば材齢３日に達した初期の硬化状態のソイルセメント柱１に対して、その全長の半分程度の深度まで孔２を設ける。

ここで、孔２の直径は、電導コーン４の直径よりも僅かに大きく形成する。続いて塩化カリウム溶液２１を孔２に注入し、電導コーン４を所定の深度まで挿入する。

そして、電導コーン４と電圧測定装置３とによって、孔２の中の電気比抵抗を測定する。この孔２の中で測定された電気比抵抗は、材齢３日のソイルセメント柱１の比抵抗を表している。

このように所定の材齢が経過していれば比抵抗の測定値が安定するうえに、測定溶液として塩化カリウム溶液２１が充填された孔２の中で測定される電気比抵抗の測定値には、ばらつきが少ない。

さらに、孔２と電導コーン４との隙間を小さくすることによって、測定誤差を少なくすることができる。例えば孔２の直径φを、電導コーン４の直径Ｄを0.8で除した値よりも小さく設定する。

一方、ソイルセメント柱１と同じ配合の材料、又はソイルセメント柱１から採取した材料によって作製された供試体に対して、材齢３日の時点で一軸圧縮試験を行って一軸圧縮強度ｑ_u3を測定する。

そして、上記式（４）に材齢３日の電気比抵抗ρ₃及び一軸圧縮強度ｑ_u3並びに設計基準強度Ｆcを代入して、確認すべき電気比抵抗ρcの値を算出する。その後、電導コーン４による孔２の電気比抵抗の測定を続け、測定値が電気比抵抗ρc以上となった時点で、ソイルセメント柱１が設計基準強度Ｆcを満たすことが確認できる。

すなわち、上述したように式（４）によって算出される電気比抵抗ρcは、高い精度で実際に到達する一軸圧縮強度ｑ_u28（設計基準強度Ｆc）に対応しているので、電気比抵抗ρcを確認することで設計基準強度Ｆcを確認したことになる。

ここで、設計基準強度Ｆcに達したか否かを一軸圧縮試験で確認する場合は、材齢ごとに供試体を作製して載荷試験を行うという手間がかかるので頻繁に行うことができない。よって、材齢２８日になるまで待って一軸圧縮試験を行うことになる。

これに対して電導コーン４を孔２に挿入して電気比抵抗を測定するのであれば、簡単かつ頻繁に測定を行うことができるので、設計基準強度Ｆcに達したことをより早く確認することができる。通常は、材齢２８日に到達する前に設計基準強度Ｆcを満たす強度が発現するので、２８日間待たなくても、設計基準強度Ｆcを満たすことが確認できる。

このように、硬化が始まった直後に測定された電導コーン４及び一軸圧縮強度の測定値と、その後の電導コーン４による測定値とから、２８日間待たなくても設計上必要とされる強度が発現するか否かが確認できれば、待ち時間を短縮できるようになる。

すなわち、掘削土と固化材とが充分に撹拌されなかったなどの原因でソイルセメント柱１が必要強度に到達しない場合もあるため、ソイルセメント柱１が設計基準強度Ｆcに達するか否かの確認は、施工管理上、必須である。

しかしながら、実際にソイルセメント柱１を造成した後に２８日の待ち時間（養生時間）が必要になると、次の工程に移れないなど工期が長引く原因になる。

これに対して少しでも早い時点で設計基準強度に到達するか否かが高精度で予測できれば、ソイルセメント柱１の造成後に２８日間、待機する必要がなく、工期の短縮を図ることができる。また、何度も一軸圧縮試験を行わなくてもよいため、経済的である。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、材齢３日の時点で電気比抵抗と一軸圧縮強度を測定するとともに、材齢２８日の強度を設計基準強度Ｆcとする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、孔２を形成する工程の材齢や目標強度とする材齢は、任意に設定することができる。

また、前記実施の形態では、比抵抗測定センサとして電導コーン４を使用したが、これに限定されるものではなく、比抵抗が測定可能な構成であれば別の形態の比抵抗測定センサを使用することもできる。

１ ソイルセメント柱（セメント系改良体）
２ 孔
２１ 塩化カリウム溶液（測定溶液）
４ 電導コーン（比抵抗測定センサ）
Ｇ 地盤
Ｆc 設計基準強度（目標強度）

Claims (5)

1. 地盤に形成されるセメント系改良体の強度管理方法であって、
   所定の材齢に達した硬化状態の前記セメント系改良体に孔を形成する工程と、
   前記孔に測定溶液を注入するとともに比抵抗測定センサを挿入して比抵抗を測定する工程と、
   前記孔で測定された比抵抗に基づいて前記セメント系改良体の強度を確認する工程とを備えたことを特徴とするセメント系改良体の強度管理方法。
2. 前記セメント系改良体の強度を確認する工程では、前記所定の材齢に達した時点の孔で測定された比抵抗と同時点の材齢の強度と目標強度とから、目標強度に対応する比抵抗の値を算出し、
   前記比抵抗測定センサによって測定される孔の比抵抗が前記目標強度に対応する比抵抗以上となるまで測定を続けることを特徴とする請求項１に記載のセメント系改良体の強度管理方法。
3. 前記孔は材齢３日の時点で形成し、前記目標強度は材齢２８日強度であることを特徴とする請求項２に記載のセメント系改良体の強度管理方法。
4. 前記測定溶液が塩化カリウム溶液であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセメント系改良体の強度管理方法。
5. 前記孔の直径に対する前記比抵抗測定センサの直径の比は、0.8以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセメント系改良体の強度管理方法。