JP2014015756A - 地下空洞部充填材及び充填材製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベントナイト、水、及び砂を適切な配合として、時間の経過と共に硬化することがなく、流動性、圧送性、及び、さらなる地盤沈下への追随性に優れると共に、地中で杭頭部等の横抵抗力材として機能させられる地下空洞部充填材を提供する。
【解決手段】ベントナイトと水と砂を適切な配合比で混合して充填材１を形成して、砂間に粘性を有するベントナイト泥水が適度に介在して砂を分散状態とし、流動性を得ると共に材料分離を生じにくい充填材１とすることにより、圧送性に優れ、空洞部への注入充填作業が行いやすいことに加え、硬化しない充填材とすることができ、充填後、構造物３０に付着することはなく、構造物３０の自重増加を招かず安全性を確保できる一方で、地中で杭３３頭部に対し横抵抗力を与えられ、適切に構造物３０の基礎を安定化できる。また、さらなる地盤沈下で新たに空洞部が生じても、問題なく充填材を再充填可能である。
【選択図】図５

Description

本発明は、軟弱地盤上に設けられた建物等の構造物の基礎下側に生じた地下空洞部に充填する充填材に関する。

臨海部の埋立地など、軟弱地盤上に建設された杭基礎を有する構造物の基礎スラブ底面下側では、時間の経過と共に地盤の圧密沈下現象などによって、基礎スラブと地盤との間に空洞部が生じることがある。このような状態が続くと、基礎スラブ等の安定性の低下、メンテナンス費用の増加が懸念される。

従来の地下空洞部対策としては、モルタルや流動化処理土（土砂を加水しセメントを加えて練り混ぜた材料）等の自硬性材料を空洞部へ流し込み、空洞部を充填する方法が一般的である。こうした充填材は、充填の後、徐々に硬化して地盤と同程度又はそれ以上の強度を発現させ、充填後は、地盤の一部として扱われるようになる。

しかしながら、こうした対策を、圧密沈下が進行中の軟弱地盤に適用した場合、構造物の杭基礎において、充填したモルタルなどが杭頭部や基礎スラブ底面に付着した状態で硬化してこれらと一体化し、構造物の自重が増加することにより、基礎杭などの支持力が増えるなど安全性が低下する、という問題があった。

また、圧密沈下が進行して再び構造物と地盤との間に空洞部が生じる際には、充填材が既に硬化していることで、充填材の地盤への追随性がなく、硬化した充填材と地盤との間にも別途空隙が生じる場合があり、さらに、こうした空隙を含め、新たな空洞部へ充填材のさらなる充填施工を行う際、既に硬化した充填材が作業の妨げになって適切な充填が行えず、空洞部による構造物の安定性低下を抑えられなくなるという問題があった。

こうした従来の自硬性のある充填材を空洞部に充填する工法に代えて、硬化しない充填材を充填するようにして、圧密沈下が進行中の地盤に充填材が追随できるようにしたものが、特開２０１１−２５６５７４号公報に開示されている。

特開２０１１−２５６５７４号公報

前記特許文献に示されるような充填材（流動化物）を空洞部へ充填する場合、空洞部に充填された後でも硬化しない性質を有することで、さらに地盤の圧密沈下が進行しても地盤に追随し、充填材部分とその下の地盤との間に空隙を生じさせないことが見込める。しかしながら、あらかじめ設定された時間が経過すると、塑性化剤の働きにより充填材の流動性が消失するため、当初計画通りに充填作業が進行しないまま時間が経過したような場合、未充填の充填材における流動性が失われることで、作業途中で空洞部への充填材の圧送ができなくなったり、空洞部全体に充填材を行渡らせられなくなるという課題を有していた。

また、充填材としての流動化物は、砂と水の他に、流動化剤と塑性化剤を所定量含んでおり、こうした合成物質である流動化剤や塑性化剤の成分が地中に残留して、周囲環境に影響を与えるおそれがあるという課題を有していた。

さらに、流動化物をなす砂と水の配合割合は、流動化物の流動性と強度とが共に実用性を有するものとなるためには、砂又は水が極端に多い場合を除くような所定の範囲に限定されるはずであるが、前記特許文献においては、流動化剤と塑性化剤の流動化物全体に対する配合割合が示されるのみで、主材料である砂と水の配合割合が、発明を実施できる程度には具体的に示されていない。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、ベントナイト、水、及び砂を適切な配合として、時間の経過と共に硬化することがなく、流動性、圧送性、及び、さらなる地盤沈下への追随性に優れるとともに、充填された地中で杭頭部等の横抵抗力材として機能させられる地下空洞部充填材、及び、この充填材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る地下空洞部充填材は、ベントナイトと水とを所定の配合比で混合して得られたベントナイト泥水を、所定配合比で砂と混合し攪拌して、少なくとも管で圧送可能な流動性を付与された混合材であり、前記ベントナイト泥水と砂との配合比が、前記混合材の状態でのブリージング率が３％未満となる材料分離抵抗性を有する割合とされるものである。

このように本発明によれば、ベントナイトと水と砂を適切な配合比で混合して充填材を形成して、砂間に粘性を有するベントナイト泥水が適度に介在して砂を分散状態とし、流動性を得ると共に材料分離を生じにくい充填材とすることにより、圧送性に優れ、空洞部への注入充填作業が行いやすいことに加え、硬化しない充填材とすることができ、充填後、構造物に付着することはなく、構造物の自重増加を招かず安全性を確保できる一方で、充填された地中で杭頭部に対し横抵抗力を与えられ、適切に構造物の基礎を安定化できる。また、ベントナイトは自然由来の鉱物であるため、使用によって周囲環境に悪影響を与えず、且つその性状を半永久的に維持でき、安全に地盤の安定化が図れる。さらに、流動性を維持できる充填材はさらなる地盤沈下の進行に確実に追随でき、沈下で新たに空洞部が生じた場合も、充填材の再充填に際して既設の充填材が障害になることはなく、充填が容易である。

また、本発明に係る充填材製造方法は、ベントナイトと水とを所定の配合比で混合し、さらに攪拌して得たベントナイト泥水を所定時間養生し、養生後のベントナイト泥水に砂を所定配合比で混合し、さらに攪拌して、少なくとも管で圧送可能な流動性を有し、且つブリージング率が３％未満となる材料分離抵抗性を有する充填材を得るものである。

このように本発明によれば、ベントナイトと水を混合し攪拌してベントナイト泥水を作り、ベントナイト泥水を所定時間養生した後、砂を所定配合比で混合し攪拌して充填材を製造することにより、混合や攪拌、養生以外の特別な製造工程を必要とせず、地下空洞部への充填を実施する作業現場で適切な充填材を効率よく得ることができると共に、適切な時間の養生を経たベントナイト泥水ではベントナイトが十分に膨潤状態となって、ベントナイト泥水としての粘性を最大限に発揮させて、砂との混合で流動性に優れた充填材を得ることができ、管での圧送及び地下空洞部への注入、充填をスムーズに行え、配管を通じた複数の注入経路への圧送、注入にも適切に対応できる。

本発明の第１の実施形態に係る地下空洞部充填材の充填対象となる地下空洞部の発生状態説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下空洞部充填材の地下空洞部への充填準備状態説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下空洞部充填材の充填を行おうとする地下空洞部上側における構造物及び周囲地盤の平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下空洞部充填材の地下空洞部への充填状態説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下空洞部充填材の地下空洞部への充填完了状態説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下空洞部充填材の充填作業前における配合確認試験のフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る地下空洞部充填材の充填作業工程のフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る地下空洞部充填材をなすベントナイト泥水の配合比修正過程説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る地下空洞部充填材の地下空洞部への充填状態説明図である。 本発明の地下空洞部充填材に用いる砂の粒径加積曲線を示すグラフである。 本発明の地下空洞部充填材の圧送距離と管内圧力との関係を示すグラフである。 本発明の地下空洞部充填材の配合比１：７：２０の配合例における打設後の土槽内各位置における充填材高さの経時変化を示すグラフである。 本発明の地下空洞部充填材の配合比１：７：３０の配合例における打設後の土槽内各位置における充填材高さの経時変化を示すグラフである。 本発明の地下空洞部充填材の配合比１：６：２０の配合例における打設後の土槽内各位置における充填材高さの経時変化を示すグラフである。 本発明の地下空洞部充填材に用いるベントナイト泥水の各攪拌時間とフロー値との関係を示すグラフである。 本発明の地下空洞部充填材に用いるベントナイトに対する水の配合割合とフロー値との関係を示すグラフである。 本発明の地下空洞部充填材に用いる三種類の砂の粒径加積曲線を示すグラフである。

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を前記図１ないし図８に基づいて説明する。
前記各図において本実施形態に係る地下空洞部充填材１は、ベントナイトと水を混合した泥水に、さらに砂を混合したものである。この充填材１は、硬化せずに流動性を維持し、且つ材料分離を起さず圧送可能であり、構造物３０の基礎下側に生じた地下空洞部５０の充填に適したものである。

軟弱地盤上に構築される構造物３０は、その多くが、地盤４０上に基礎スラブ３１と構造物本体３２を構築し、これらを地盤中に打設された多数の杭３３により支持する仕組みである。臨海部などの軟弱地盤地帯において、構造物３０は支持杭により沈下しないが、圧密沈下の進行により地盤４０が下がることで、図１に示すように、構造物３０下部と地盤４０との間に水平に浅く広がった空洞部５０が生じる。この空洞部５０は、地震時の揺れ等により加わる横方向の力に対する抵抗力が低下するなど、杭基礎の耐力低下を招く他、周囲地盤の傾斜や陥没をもたらす危険性もあることから、これを防止するため、空洞部５０を充填材１で充填するものである。

ここで、砂と水のみを混合した充填材では、圧送時に分離する可能性が高くなる。また、ベントナイトと水のみを混合した充填材では、圧送可能な流動性を持たせようとすると、地盤としての強度が得られない。ベントナイトと水を混合したベントナイト泥水に砂を混合することではじめて、施工性を高める優れた流動性を確保しつつ、地盤としての強度も得られる充填材となる。

本発明者らは、従前から軟弱地盤上の構造物における基礎下側の空洞部を、ベントナイト泥水に砂を加えて製造した充填材で充填する工事を試験的に実施して、このような充填材が、圧送性、充填性が高いといった、空洞部への充填材としての必要機能を有することを知見していた。しかしながら、作業現場毎に充填材の品質にばらつきがあったことから、充填材製造に関わる各種条件について、各種材料試験等を実施するなどして詳細に調べた結果、砂の配合量が少ないと材料分離しやすく、多いと粘性が高く圧送が困難となることがわかるなど、このような充填材は配合や作製方法によって特性が大きく変化し、圧送性、流動性、充填性の点から充填材として適した配合はごく限られた条件であることを発見した。

より詳細に説明すると、本発明者らは、適切な充填材を得るための調査研究において、埋戻しや充填用の未硬化コンクリートやモルタルの性能評価に用いられるシリンダーフロー値（以下、「フロー値」と呼称する。）及びブリージング率、また、空洞部内での充填性を評価するための流動勾配の各値を、本充填材でも評価指標として同様の手順で求めるようにすれば、充填材の特性を的確に評価できるとの知見を得た。

本実施形態のようなベントナイトと水を混合した泥水にさらに砂を混合した充填材においては、ポンプ圧送時に材料分離が発生することを避けなければならない。こうした材料分離抵抗性を、ブリージング率により評価することとする。このブリージング率は、小さいほど材料分離抵抗性が良いことを示すものであり、地下空間（空洞部）への充填の場合、一般に３％未満が好ましい。

また、充填材の流動性を評価する指標となるフロー値は、大きいほど流動性が良いことを示しており、地下空間（空洞部）への充填の場合、一般に２００ｍｍ以上が好ましい。充填材のフロー値が２００ｍｍ未満であると、圧送管において充填材の流動性が低下しポンプ圧送が円滑に行われず、圧送中に圧送管内の圧力が上昇するおそれがある。これに対し、フロー値が２００ｍｍ以上であると、流動性が確保され、構造物周辺部から長い管路を経て空洞部に充填する場合でも、ポンプ圧送が良好に行われる。

さらに、充填材の充填性を評価する指標となる流動勾配は、小さいほど充填性が良いことを示しており、地下空間（空洞部）への充填の場合、一般に２％以下が好ましい。流動勾配が極端に大きくなると、空洞部内を充填材が流れきれずに、空隙を密実に充填できないおそれがある。これに対し、流動勾配が２％以下であると、充填性が向上し、空洞部の充填が良好に行われる。

以上のように、材料分離抵抗性の評価指標としてのブリージング率を３％未満とし、流動性の評価指標としてのフロー値を２００ｍｍ以上とし、充填性の評価指標としての流動勾配を２％以下とするように、充填材を製造することで、適度の粘性を確保でき、充填材としての剛性も有する、地下空洞部用充填材とすることができる。よって、これらブリージング率３％未満、フロー値２００ｍｍ以上、流動勾配２％以下の各値を品質管理の基準値として、充填材の品質を管理するようにする。

そして、本実施形態に係る充填材１において、フロー値、ブリージング率及び流動勾配についての前記基準値の条件を満たす配合（重量比）は、ベントナイト（Ｂ）：水（Ｗ）の比が１：６〜８の範囲であり、さらに（Ｂ）：（Ｗ）＝１：６〜７のとき、砂（Ｓ）２０（ベントナイトを１とした場合の値。以降同様）の配合とするのが好ましく、また、（Ｂ）：（Ｗ）＝１：７〜８のとき、砂（Ｓ）２０〜３０の範囲となる配合とするのが好ましい点を見出した。

ただし、充填材の材料の一つであるベントナイトは、自然由来の鉱物であることから、仮に同じ採取地の同銘柄の製品を使用したとしても、採取時期等により水を吸収する能力（膨潤力）が異なり、それに伴い、充填材における流動性（フロー値）にばらつきが生じることとなる。

また、砂も、各購入単位ごとの砂の入手時期によって、粒度分布に大きな違いが出る材料であり、砂の粒径が細か過ぎると、流動性（フロー値）の悪い充填材が製造されることがわかっている。

ベントナイトや砂には上記のような特性が見られることから、ベントナイトについては、水の添加量調整による配合修正、砂については、粗めの砂（珪砂など）を混合する粒度分布の調整により、安定した充填材を製造するようにしている。

ベントナイトの配合修正は、具体的に、まず、標準的な配合（Ｂ）：（Ｗ）＝１：７のベントナイト泥水を適量作成し、そのフロー値が３６０ｍｍ±２０ｍｍの範囲にあるか否かの確認を行う。この範囲内であれば、適切な粒度分布の砂を適量混合した後の充填材においても、フロー値を２００ｍｍ以上確保できることを確認している。

一方、配合（Ｂ）：（Ｗ）＝１：７のベントナイト泥水のフロー値が、３６０ｍｍ±２０ｍｍの範囲外であれば、別途配合（Ｂ）：（Ｗ）＝１：６及び１：８のベントナイト泥水を適量作成し、それらのフロー値も測定し、得られたフロー値と配合との関係性から、適切なフロー値が得られる調整目標としての水の配合比率を求め、この配合比率に対応するベントナイト泥水を製造するようにする。

また、砂の粒度調整は、具体的には、まず、使用する購入砂又は現地発生土について、あらかじめ粒度試験を行い、粒度分布の確認を行う。粒径０．３ｍｍの通過質量百分率が４０％以下、というのが好適な粒度分布の目安である。粒度分布がこの目安の範囲から外れる場合は、粗めの砂（珪砂など）を混合し、粒度試験で得られる粒度分布が上記の目安の範囲を満たすようにする。

実際の充填材の製造工程としては、まずベントナイトと水を混合・攪拌してベントナイト泥水を製造し、所定時間（例えば、２時間以上）養生する。さらに、得られた泥水に砂を添加して攪拌すると、所定の流動性を有する充填材を得ることができる。製造された充填材は、プラントなどの製造箇所から、構造物周囲などの実際に充填作業を行う箇所までのポンプ圧送が可能である。

この充填材は、ベントナイト、すなわち一種の粘土と、水及び砂との混合材料であるため、圧密圧力や軸圧縮力の小さい条件下では粘土の性質を示し、圧密圧力や軸圧縮力が大きくなるにつれ砂質土的な性質へ移行する特性を有する。ベントナイトは、水に接触することで、「膨潤し粘性を持つ」特徴を有しており、そのベントナイト泥水に適度に砂を混ぜることで、流動性を持った充填材の製造が見込める。

また、ベントナイトは、材料自体が固化せず、自然由来の鉱物であり環境や人体にも無害であり、耐久性に優れる（数十万年の間、性能を維持する）特徴を有するため、充填材として最適な材料と言える。

こうした充填材１の空洞部５０への充填作業は、図２に示すように、構造物３０の基礎スラブ３１周辺に複数の注入孔４１を設け、注入孔４１に建て込んだ注入パイプ２０を通じて行う。構造物３０の基礎スラブ３１下部に生じる空洞部５０は、基礎スラブ３１の規模により様々と考えられることから、空洞部５０内を緻密に充填するためには、構造物３０の基礎スラブ３１周辺の複数箇所から注入することが好ましい。

なお、前記複数箇所の注入孔４１は、孔から充填材がリークすることに基づいて、充填材１が空洞部５０内を緻密に充填したことを確認するリーク確認孔として活用することもできる。

次に、前記構成に基づく地下空洞部充填材の空洞部への充填に係る事前作業工程と実際の充填作業工程について説明する。前提として、構造物３０が複数の杭３３からなる杭基礎に支持される状態で構築された軟弱地盤において、圧密沈下の進行により地盤４０が下がり、構造物３０下部と地盤４０との間に、充填対象となる空洞部５０が生じているものとする。

はじめに、充填材１の空洞部５０への充填に先立つ、事前作業工程について説明する。まず、空洞部充填の施工現場に応じて材料（ベントナイト、砂、水）、及び、圧送用ポンプ、グラウトミキサー、ベルトコンベア、砂計量器、水中ポンプ、発電機、砂ホッパー、水槽、水計量器、養生用タンク、注入パイプ、バックホウ等を準備し、空洞部充填箇所周辺にプラントを設置する。

この後、充填材を製造する前の配合確認試験を行う。まず、ベントナイトと水を所定の割合で配合し、ハンドミキサー等で所定時間（例えば、３０分〜４０分間）攪拌し、ベントナイト泥水を作製し、攪拌直後のフロー値を確認する。その際のフロー値が３６０ｍｍ±２０ｍｍの範囲以内であれば、そのベントナイト泥水を静置し、所定時間（例えば、１時間〜２時間）養生する。

一方、作製した攪拌直後のベントナイト泥水フロー値が３６０ｍｍ±２０ｍｍの範囲以外の場合は、ベントナイトに配合する水の量を調整し、前記範囲以内に入るように、ベントナイト泥水の配合を修正する。

ベントナイトや砂の材料条件等によって必要となる、このベントナイト泥水の配合修正方法としては、通常の配合比１：７のベントナイト泥水のフロー値が３４０〜３８０ｍｍの範囲以外となる場合、まず、配合比１：６と１：８の場合の各フロー値を確認し、縦軸をフロー値、横軸を配合比としてグラフにプロットし、ベントナイト泥水の配合毎のフロー値近似直線を求める。この近似直線とフロー値３６０ｍｍを示す線との交点における配合比の値（例えば、１：７．９）を、配合修正値として採用する（図８参照）。こうして、フロー値の条件を満足させるためのものとして当初想定した配合比１：７に代えて、配合修正後は、例えば配合比１：７．９となるように、ベントナイトに対する水の量を調整することとなる。

この他、砂として準備した購入土又は現地発生土の粒度試験（JIS A 1204）、土粒子密度試験（JIS A 1202）により、砂の粒度分布を事前に把握しておく。粒度分布としては、粒径０．３ｍｍの通過質量百分率が４０％以下となる砂が好ましく、仮に粒度分布がこの範囲から外れる場合は、粗めの砂を混合し、粒度分布が範囲内となるように調整するのが望ましい。

そして、所定時間養生した後のベントナイト泥水に、好ましい粒度分布の砂を所定の配合、例えば、ベントナイト１に対し２０となる配合比で混合し、ハンドミキサー等で所定時間（例えば、１０分間）攪拌し、充填材を作製する。この充填材のフロー値を計測し、フロー値が２００ｍｍ以上であれば、配合決定となり、事前作業が完了となる。ここでフロー値が２００ｍｍ未満となる場合、ベントナイト泥水に混合する砂を見直し、充填材の作製をやり直す。すなわち、砂に粗めの砂を追加する粒度調整を行った上で、ベントナイト泥水と混合して新たに充填材を作製する。

続いて、充填材１を空洞部５０に実際に充填する作業工程について説明する。まず、ベントナイトと水を先の決定した配合に基づいて混合し、グラウトミキサーで所定時間（例えば、３０分〜４０分間）攪拌し、ベントナイト泥水を製造する。
得られたベントナイト泥水を静置し、養生タンク等に移した後、所定時間（例えば、１時間〜２時間）養生する。

そして、養生したベントナイト泥水を別のグラウトミキサーに移し、砂を決定した配合に基づいて混合し、グラウトミキサーで所定時間（例えば、１０分間）攪拌し、充填材を製造する。
この充填材の品質確認試験として、フロー値が２００ｍｍ以上であることを確認する。

一方、充填箇所では、図２に示すように、構造物３０における基礎スラブ３１の縁周辺に複数の注入孔４１を設け、注入孔４１に比較的小径（例えば、直径５０ｍｍ以下）の注入パイプ２０を建て込む。その際の建て込み間隔は４ｍ程度が好ましい。

続いて、製造された充填材１を、圧送用ポンプにより配管を通して圧送する。その際、ポンプ圧力が１．０Ｍｐａの場合は、作業現場における圧送距離が１００ｍ以下であることが好ましい。

そして、圧送用ポンプで圧送した充填材１を注入パイプ２０を通じて地下空洞部５０に注入し、複数の注入孔４１のいずれかから充填材のリークを確認したら、空洞部内が充填材１で緻密に充填されたと見なせることにより、充填作業完了となる。

この充填状態では、空洞部５０に充填された充填材１が、硬化せず流動性を維持しつつも、低い圧密・圧縮性により充填材として十分な剛性を有して、基礎杭頭部に横方向の抵抗力を与えられると共に、周囲地盤の陥没等を生じさせず、構造物付近における作業者や通行者の安全を確保できる。

このように、本実施形態に係る地下空洞部充填材においては、軟弱地盤に設けた構造物３０の基礎スラブ３１下側に生じた地下空洞部５０に、適切な材料及び配合・養生の条件を設定して製造した充填材１を充填することで、充填材１は空洞部５０で硬化しないものの、十分に圧密・圧縮性が低く、杭３３に対する横方向の抵抗力を確保でき、杭基礎の耐力低下を抑えられる。

さらに、この充填材は、時間が経過しても硬化せず流動性に優れており、施工後再び圧密沈下等で空洞部が生じても、充填材が地盤４０の沈下に追随して動くこととなり、充填材と下側の地盤との間に空隙が生じない。また、新たに生じた空洞部に対しても、硬化しない充填済充填材が施工の妨げとならず、充填材の再充填施工が容易に行える。

（本発明の第２の実施形態）
前記第１の実施形態に係る地下空洞部充填材においては、品質管理の基準値としてのフロー値を２００ｍｍ以上とし、これを満たすように充填材の品質を管理して、適切な流動性を有する構成としているが、この他、第２の実施形態として、事前に地盤の圧密沈下が高い確率で予想される軟弱地盤上に構築される構造物において、あらかじめ沈下による空洞部発生への対策の用意として、図９に示すように、構造物３０の基礎スラブ３１に、この基礎スラブ３１と地盤４０との間に生じた空洞部５０に充填材を流し込むための孔や管を、基礎強度に悪影響を与えない程度に当初から設けておき、圧密沈下で空洞部が生じた際に、基礎スラブ下の空洞部各所に対し、直上のスラブ側から充填材を投入できる場合には、充填材を、管を通じた圧送が可能な範囲で、フロー値が２００ｍｍ未満となる配合、すなわち、基礎スラブ３１の横のみから充填材を注入して空洞部中央まで充填材を十分に到達させる場合に必要な流動性より、低い流動性となる配合、例えば、ベントナイト（Ｂ）：水（Ｗ）：砂（Ｓ）の配合比が１：６：２０となる配合、で製造する構成とすることもでき、投入条件によって許容範囲が変化する充填材の流動性に対応させて、施工現場での配合調整の自由度を高められる。

本発明の充填材や、その材料となるベントナイト泥水を、配合その他の条件を変えて製造し、適切な流動性その他の必要な性状を発揮するか、確認試験を行い評価した。
実際の施工では、材料や適用条件の違いにより充填材の品質や施工結果のばらつきが予想されるため、あらかじめ品質管理の基準値を定めて、それに合わせて充填材を製造するようにして、充填材として安定した性能を発揮できるようにする。

品質管理の基準値としては、埋戻しや充填用のコンクリートやモルタルの未硬化状態における評価に用いられるフロー値、ブリージング率、及び流動勾配の各値を、本充填材についても評価指標として適用し、地下空間（空洞部）への充填の場合に一般的に好ましい値とされる、ブリージング率３％未満、フロー値２００ｍｍ以上、流動勾配２％以下の各条件を採用する。

（ベントナイト泥水養生時間の影響、及び、配合による圧送性と流動勾配変化についての評価）
ベントナイト泥水養生時間と、製造された充填材のフロー値及び流動勾配との関係を調べ、設定した品質管理基準値（フロー値：２００ｍｍ以上、ブリージング率：３％未満、流動勾配：２％以下）を満足する最適な養生時間についての評価を行う。

ベントナイト（Ｂ）：水（Ｗ）：砂（Ｓ）の配合比が、それぞれ１：７：２０、１：７：３０、１：６：２０である三つの配合例について、ベントナイト泥水の養生時間をそれぞれ３０、６０、１２０分として得られた各充填材のフロー値とブリージング率を求めた。
また、製造した充填材を大型土槽に圧送打設し、流動勾配測定を行う一方、圧送の際の管内圧力測定を行った。

ベントナイトは、クニゲルＶ１（クニミネ工業株式会社製）を用いた。また、水は水道水を水温約２０℃に調整して用いている。一方、砂は、粒度分布を調整したものを用いた。砂の粒径加積曲線のグラフを図１０に示す。なお、使用した砂の土粒子密度は、２．６４９（ｇ／ｃｍ³）であった。

試験の手順は、以下の通りである。
１．グラウトミキサーに計量した水とベントナイトとを投入し、１時間攪拌する
２．攪拌後、グラウトミキサーからベントナイト泥水を排出し、養生温度を２０℃として、所定時間養生する。
３．所定時間養生後、計量したベントナイト泥水と砂とをグラウトミキサーに投入し、１０分間攪拌する。
４．攪拌後、グラウトミキサから充填材を排出し、モーノポンプに移した後、約１．０ｍ³／ｈで圧送ホース（長さ４０ｍ）を用いて圧送し、大型土槽に打設する。

充填材の土槽への圧送打設の際における管内圧力測定は、圧送ホースの０、５、１０、２０ｍ各地点で管内圧力を測定した。
流動勾配測定に用いた大型土槽は、大きさが０．３ｍ×０．４ｍ×５．０ｍの流動勾配測定用のものである。圧送ホースの吐出端を土槽の一端部に配置して充填材を投入し打設する。流動勾配測定では、打設開始から２４時間後まで、投入位置である土槽端部から０ｍ、２．５ｍ、５．０ｍの各地点で、打設した充填材の高さを測定した。ただし、圧送ホースから土槽内への充填剤投入は打設開始から３０分後に終了している。
ベントナイト、水、及び砂の配合とベントナイト泥水の養生時間を変えて製造した各充填材について、測定したフロー値とブリージング率を表１に示す。

ブリージング率はいずれの配合例の場合も、ブリージング試験においてブリージングで遊離した水（ブリージング水）が計量限界以下、すなわちブリージング率として計測不可であり、ブリージングはほとんど生じていないことがわかった。これにより、通常の圧送、充填では材料分離は生じないと考えられる。

また、フロー値は、配合比１：７：２０の各例と、配合比１：７：３０の各例では、いずれも２００ｍｍ以上を満足しているが、配合比１：６：２０の各例では２００ｍｍ未満となった。

一方、打設の際の管内圧力測定で得られた、圧送距離と管内圧力との関係を図１１のグラフに示す。ただし、各配合例における養生時間による差は小さいため、代表値として養生時間２時間の場合の値のみ示す。

図１１に示すように、吐出位置での圧力を０ＭＰａとすると、管内圧力はほぼ直線的に分布している。フロー値の大きい配合例ほど管内圧力が小さくなっていることがわかる。なお、充填材圧送時における管内圧力の経時変化は確認されなかった。

さらに、上記の各結果から圧力勾配（元圧力／圧送距離）を求め、これを用いて、圧送圧力３．５ＭＰａ程度のグラウトポンプを使用した場合の圧送限界（最大圧送圧力／圧力勾配、ただし、内径３８ｍｍの圧送管で１．０ｍ³／ｈにて算定）を推定した。各配合例ごとの圧送限界の値を表２に示す。ただし、この圧送限界の表に示した値は、直線圧送を仮定し、最大圧送圧力（ポンプ能力）の８０％で算定したものである。

これら充填材の圧送試験結果より、圧送圧力３．５ＭＰａ程度のグラウトポンプを使用した場合の圧送限界距離は、いずれの配合の場合も４００ｍ程度であり、十分な被圧送能力を有している。

この他、流動勾配測定で得られた、各配合例における土槽各点での充填材高さの経時変化を図１２、図１３、図１４に示す。打設後は、充填材の移動はほとんど確認されなかったため、充填剤投入終了（３０分後）以降の結果の図示を省略している。
この充填材高さの各結果から求めた流動勾配の値を、表３に示す。

表３から、配合比１：７：２０の例では養生時間１時間以上の場合で、流動勾配２％以下となり、品質管理基準を満たすことがわかる。また、配合比１：７：３０の例では養生時間２時間以上で、流動勾配２％以下となり、品質管理基準を満たすことがわかる。

以上から、ベントナイト泥水の養生時間を、配合比１：７：２０を採用する場合には１時間以上、配合比１：７：３０を採用する場合には２時間以上と、適切に設定すれば、流動勾配をはじめとする品質管理基準を満たし、構造物の基礎周辺のみから地下空洞部へ充填材を注入して空洞部中央まで充填材を到達させる場合に必要な性能を確保した充填材を得られることが明らかである。そして、上記二つの配合は、砂の配合割合の差異に基づき、流動性と強度に違いがあることから、より高い流動性が必要な場合には配合比１：７：２０の充填材を採用し、より高い地盤反力係数が必要な場合には配合比１：７：３０の充填材を採用するなど、配合を使い分けるのが望ましいといえる。

また、配合比１：６：２０の充填材の場合、管での圧送は問題ないものの、フロー値や流動勾配が品質管理基準を満足しない点を考慮すると、フロー値２００ｍｍ以上を要求するような充填対象箇所への充填、例えば、充填材を構造物の基礎周縁部から注入して地下空洞部各部へ到達させるような場合や、狭隘箇所への充填には不向きであるといえる。

（ベントナイト泥水攪拌時間の影響についての評価）
ベントナイト泥水の攪拌時間とフロー値との関係を調べて、問題のない最短の攪拌時間を求める。
ベントナイトと水の配合比１：７、１：６の二つの配合例について、攪拌時間を３、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０分として得られた各ベントナイト泥水に対し、養生後フロー試験を行い、フロー値を求めた。合わせて攪拌後の泥水の目視観察を行った。なお、ベントナイト泥水の養生時間は２時間とした。

上記二つの配合例での、ベントナイト泥水の各攪拌時間とフロー値との関係を図１５に示す。また、目視による各攪拌時間ごとの泥水中におけるベントナイト塊の有無を、表４に示す。

試験の結果、配合比１：７の例では攪拌時間１０分以上、配合比１：６の例では攪拌時間３０分以上で、それぞれフロー値が一定となった。一方、目視観察では、配合比１：７の例では攪拌時間２０分未満、配合比１：６の例では攪拌時間３０分未満で、それぞれ未攪拌のベントナイト塊が視認されたが、配合比１：７の例では攪拌時間３０分以上、配合比１：６の例では攪拌時間４０分以上で、未攪拌のベントナイト塊が無くなり均質な試料となっていることが確認されたことから、各例で十分に攪拌が進んでそれ以上の攪拌を要しない状態に至ったと見なせる。

以上から、フロー値が一定値を示すようになり、測定上はそれ以上攪拌しても性状が変化しないと見なせる状態となっても、未攪拌のベントナイトが残る状態で次工程に進むことは、品質保証上好ましくないことから、実際の充填施工時には泥水の攪拌時間を４０分以上とするのが望ましいといえる。

（ベントナイトの品質のばらつきとベントナイト泥水のフロー値との関係についての評価）
ベントナイトの品質のばらつきが、ベントナイト泥水に及す影響を調べた。具体的には、同銘柄のベントナイト（クニゲルＶ１（クニミネ工業株式会社製））ながら、入手時期が異なることで品質成績表に示された性状に差異のある三つのベントナイトについて、水との配合比を変えてベントナイト泥水を作り、フロー試験を行って流動性を検証した。各ベントナイトごとの、ベントナイトに対する水の割合とフロー値との関係を図１６に示す。また、各ベントナイトの品質成績表を表５に示す。ただし、各ベントナイトについてフロー試験を行った配合比は一部異なっている。

フロー試験の結果、いずれのベントナイトの場合においても、水の配合割合とフロー値との関係をほぼ直線近似できることがわかった。これにより、事前にベントナイト泥水の複数の配合割合におけるフロー値を調べて、直線的な関係（関数）を求めることで、いずれのベントナイトにおいても、最終的に製造される充填材に求める性状に基づく、調整目標となるベントナイト泥水のフロー値に対応した水の適切な配合割合を見出せることがわかる。

（砂の粒度分布と充填材のフロー値との関係についての評価）
性状の異なる砂を用いて、ベントナイトと水、砂の配合比が１：７：３０になるようにそれぞれ充填材を製造し、そのフロー値を求めた。

砂としては、粒度分布の異なる三種類の砂、すなわち、第１の砂と、この第１の砂に粗粒質（珪砂）を加えて粒度を調整した第２の砂、及び、この第２の砂にさらに粗粒質（珪砂）を加えて粒度を調整した第３の砂を用いた。各砂の粒径加積曲線を図１７に示す。
三種類の砂を用いて、配合比１：７：３０として製造した各充填材について測定したフロー値を表６に示す。

表６より、粒径の低い成分の割合が最も大きい第１の砂を用いた場合のフロー値（９０ｍｍ）、及び、粒径の低い成分の割合を増やした第２の砂を用いた場合のフロー値（１６５ｍｍ）は、いずれも品質管理基準の２００ｍｍを下回っている。これに対し、第２の砂に対しさらに粒度を調整して粒径の小さい成分の割合を減らした第３の砂を用いた場合では、高いフロー値（２１５ｍｍ）が得られている

以上から、砂における粒径の小さい成分の割合が大きいと充填材の流動性に劣るが、砂の粒度調整を行って粒度分布を変えることで、充填材の流動性を高めることができ、砂の粒度調整が、充填材の流動性を高めるのに有効であることがわかる。

１ 充填材
２０ 注入パイプ
３０ 構造物
３１ 基礎スラブ
３２ 構造物本体
３３ 杭
４０ 地盤
４１ 注入孔
５０ 空洞部

Claims (5)

1. ベントナイトと水とを所定の配合比で混合して得られたベントナイト泥水を、所定配合比で砂と混合し攪拌して、少なくとも管で圧送可能な流動性を付与された混合材であり、
   前記ベントナイト泥水と砂との配合比が、前記混合材の状態でのブリージング率が３％未満となる材料分離抵抗性を有する割合とされることを
   特徴とする地下空洞部充填材。
2. 前記請求項１に記載の地下空洞部充填材において、
   前記泥水をなすベントナイト及び水が、配合重量比でベントナイト１に対して水６ないし８となる割合で混合されることを
   特徴とする地下空洞部充填材。
3. 前記請求項２に記載の地下空洞部充填材において、
   前記砂が、前記泥水をなすベントナイト及び水の配合重量比でベントナイト１に対して水７ないし８となる割合とされる場合、ベントナイトに対する重量比をベントナイト１に対し２０又は３０として、ベントナイト泥水と混合されることを
   特徴とする地下空洞部充填材。
4. 前記請求項２に記載の地下空洞部充填材において、
   前記砂が、前記泥水をなすベントナイト及び水の配合重量比でベントナイト１に対して水６ないし７となる割合とされる場合、ベントナイトに対する重量比をベントナイト１に対し２０として、ベントナイト泥水と混合されることを
   特徴とする地下空洞部充填材。
5. ベントナイトと水とを所定の配合比で混合し、さらに攪拌して得たベントナイト泥水を所定時間養生し、
   養生後のベントナイト泥水に砂を所定配合比で混合し、さらに攪拌して、少なくとも管で圧送可能な流動性を有し、且つブリージング率が３％未満となる材料分離抵抗性を有する充填材を得ることを
   特徴とする充填材製造方法。

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