JP2014114600A - 基礎杭施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレボーリング工法で基礎杭を築造する基礎杭施工方法において、その施工中及び施工後に、上部透水層に含まれる汚染物質によって下部透水層に含まれる地下水が汚染されることを確実に防止する。
【解決手段】第１の層１０３と、その下方の止水層１０５と、更に下方の第２の層１１１と、を有する地盤に既成杭５を設置するプレボーリング工法による基礎杭施工方法であって、ベントナイト配合液９を掘削液として鉛直孔１１３を止水層まで掘削し、掘削した領域の土を掘削液で置換する置換工程と、止水層に、上端及び下端の少なくとも一方が当該止水層内に位置するとともに孔径が拡大された拡径掘削部１１５を形成しセメントミルクで拡径止水部１１７を形成する拡径止水部形成工程と、第２の層の鉛直孔の下端に根固め部１１９を形成する根固め部形成工程と、既成杭を建て込む建込み工程と、を備える基礎杭施工方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、基礎杭施工方法に関する。

従来、止水層の上下に透水層（帯水層）を有する地盤を掘削して基礎杭を施工するに際し、上部透水層に含まれる汚染物質（汚染土、汚染地下水）が、下部透水層に侵入して、下部透水層に含まれる非汚染地下水を汚染する虞があった。また、基礎杭の施工後においても、杭体周辺の間隙等を通じて汚染地下水が下部透水層に流入する虞があった。このように上部透水層における汚染物質が下部透水層に侵入すると、下部透水層に含まれる地下水の有効利用が阻害されることになる。

上記事情から、基礎杭を施工する領域における上部透水層の汚染物質が下部透水層に侵入することを防止するために、例えば、特許文献１記載のように、基礎杭施工領域における上部透水層の地盤を、特殊な置換材料を用いて置換することにより、汚染物質を遮断又は無害化する方法が提案されている。

特許第３３６７０４２号公報

基礎杭施工方法の一つであるプレボーリング工法は、鉛直孔を形成し、この鉛直孔に杭周固定液を満たして杭体を建て込む工法である。この工法では、鉛直孔を形成しているときに、上部透水層の汚染物質が下部透水層に侵入する可能性がある。また、施工後にも、硬化した杭周固定液と地盤との密着性が不十分な場合に、上部透水層の汚染地下水がその間隙を伝って下部透水層に流入する可能性がある。従って、このような汚染物質の移動を確実に防止することが望まれる。

本発明は、プレボーリング工法によって基礎杭を築造する基礎杭施工方法において、基礎杭の施工中及び施工後に、上部透水層に含まれる汚染物質によって下部透水層に含まれる地下水が汚染されることを確実に防止することができる基礎杭施工方法を提供することを目的とする。

本発明は、第１の層と、第１の層の下方に位置する止水層と、止水層の下方に位置する第２の層と、を有する地盤を掘削して第２の層に達する鉛直孔を形成し、鉛直孔に既成杭を設置するプレボーリング工法によって基礎杭を築造する基礎杭施工方法であって、ベントナイトを配合したベントナイト配合液を掘削液として鉛直孔を止水層に達するまで掘削し、掘削した領域の土を掘削液で置換する置換工程と、掘削液で置換した領域の下方に位置する止水層に、上端及び下端の少なくとも一方が当該止水層内に位置するとともに孔径が拡大された拡径掘削部を形成し、拡径掘削部にセメントミルクを注入して拡径止水部大球根部を形成する拡径止水部形成工程と、第２の層で鉛直孔を掘削し、鉛直孔の下端に根固め部を形成する根固め部形成工程と、既成杭を鉛直孔に建て込む建込み工程と、を備える、基礎杭施工方法を提供する。

本発明によれば、置換工程において、第１の層を掘削した領域の土を掘削液で置換するため、その領域の下方に位置する止水層及び第２の層を掘削するときに、第１の層から汚染物質が侵入することが防止される。そして、止水層に拡径止水部が形成されるため、拡径止水部がない場合と比べて、第１の層から第２の層へと汚染物質が侵入する経路が長くなり、また、拡径止水部のうち、径が拡大された水平方向に延びる部分は、垂直方向に延びる部分と比べて、土圧により地盤との密着性が高くなっているため、止水効果が高い。すなわち、本発明によれば、プレボーリング工法によって基礎杭を築造する基礎杭施工方法において、基礎杭の施工中及び施工後に、第１の層に含まれる汚染物質によって第２の層に含まれる地下水が汚染されることを確実に防止することができる。

この基礎杭施工方法では、拡径止水部形成工程は、根固め部形成工程の前に行うことが好ましい。これによれば、拡径止水部形成工程における拡径掘削部の形成時に生じる土を容易に排土することができる。

ここで、拡径止水部の硬化後の透水係数が、止水層の透水係数よりも小さいことが好ましい。また、拡径止水部の硬化後の透水係数が、１．０×１０^−７〜１．０×１０^−９ｃｍ／ｓｅｃであることが好ましい。この場合、第１の層に含まれる汚染地下水が第２の層へ流入しようとする場合、汚染地下水が硬化後の拡径止水部の内部を透水することがほとんどなく、止水層の地盤と硬化後の拡径止水部との間隙を通ろうとすることになるため、本発明の上記効果がより効果的に奏される。

また、セメントミルクの水セメント比が、１００％以下であることが好ましい。これによれば、上記止水効果が一層高くなる。

本発明によれば、プレボーリング工法によって基礎杭を築造する基礎杭施工方法において、基礎杭の施工中及び施工後に、上部透水層に含まれる汚染物質によって下部透水層に含まれる地下水が汚染されることを確実に防止することができる基礎杭施工方法を提供することができる。

本実施形態の施工方法を示す図である。 本実施形態の施工方法を示す図である。 施工後の止水層の概念構成図である。 図３（ｃ）の詳細図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の基礎杭施工方法は、地盤に鉛直孔を形成し、この鉛直孔に杭周固定液を満たして杭体を建て込むプレボーリング工法に基づくものである。スパイラルフライト及び撹拌翼等を付けたオーガ（以下「スパイラルオーガ」と記述する）により掘削液を噴出しながら地盤を掘削し、地盤の比較的硬い支持層まで掘削したその最下部に、セメントミルクにより根固め部を形成する。そして、鉛直孔に既成杭を設置することで基礎杭の築造が完了する。

本実施形態において杭体を施工する地盤は、図１に示されるように、粘土質で水を通しにくい止水層１０５を有し、この止水層１０５の上方及び下方に、水を通しやすい上部透水層（第１の層）１０３及び下部透水層（第２の層）１１１をそれぞれ有する地盤である。下部透水層１１１は、地盤の比較的軟らかい帯水層１０７と、後述する根固め部を形成する、地盤の比較的硬い支持層１０９とを含む。また、上部透水層１０３及び下部透水層１１１はそれぞれ地下水を含んでいる。

ここで、上部透水層１０３を構成する地盤は、重金属や揮発性有機化合物等により汚染されており、これらにより上部透水層１０３に含まれる地下水も汚染されているものとする。一方、下部透水層１１１を構成する地盤は、上部透水層１０３における汚染物質が止水層１０５により遮断されているため、汚染されておらず、下部透水層１１１に含まれる地下水は、産業用又は生活用に有効利用することができるものとする。なお、止水層１０５は、１．０×１０^−４ｃｍ／ｓｅｃ以下の透水係数を有し、且つ厚さが１．０ｍ以上である層であり、この性状の止水層１０５には、土壌汚染対策法に規定された「準不透水層」が該当する。また、止水層１０５が土壌汚染対策法に規定された「不透水層」（１．０×１０^−５ｃｍ／ｓｅｃ以下の透水係数を有し、且つ厚さが５．０ｍ以上である層）である場合にも、本施工方法は有効である。

図１及び図２を参照しながら、杭体の施工方法について説明する。なお、図１（ａ）〜（ｅ）及び図２（ａ）〜（ｅ）は、一本の杭体の施工について、以下に説明する一連の工程を横並びで連続的に示している。

地面に杭打ち機械をセットし（図示せず）、杭芯を測量し、機械を精度よく設置する。スパイラルオーガ７の先端部からベントナイト泥水（ベントナイト配合液）９を噴出しながら、スパイラルオーガ７により上部透水層１０３を掘削し、掘削が止水層１０５の上端まで到達したら、掘削した領域の土を置換する（置換工程；図１（ａ））。すなわち、上部透水層１０３の掘削により生じた土を全排土する。なお、ベントナイト泥水９は、形成する鉛直孔１１３の土壁の安定性を維持するための掘削液である。

次に、ベントナイト泥水９を注入しながら止水層１０５の途中まで掘削を進める。そして、止水層１０５の内部において、スパイラルオーガ７の先端部から掘削ビット７ａを水平方向に突出させ（図１（ｂ））、孔径が拡大された拡径掘削部１１５を形成する。このとき、拡径掘削部１１５の上端及び下端の少なくとも一方が止水層１０５内に位置するように形成する。形成した拡径掘削部１１５に、セメントミルク（水セメント比１００％以下）を注入して撹拌し、拡径止水部１１７を形成する（拡径止水部形成工程；図１（ｃ））。ここで、拡径止水部１１７の直径は、掘削の容易さ、及び、後述する汚染物質の遮断効果の観点から、杭体５の外径の１．２倍〜２．０倍であることが好ましく、拡大が可能であれば２．０倍以上がより好ましい。この拡径止水部１１７は、杭体の施工完了後に硬化して、後述するソイルセメント体１２１となるものである。

その後、掘削ビット７ａを収め、ベントナイト泥水９を注入しながら止水層１０５を越えて下部透水層１１１における帯水層１０７、更には支持層１０９へと掘削を進める（図１（ｄ））。

掘削が支持層１０９の内部まで到達したら、スパイラルオーガ７の先端部から掘削ビット７ａを水平方向に突出させて（図１（ｅ））掘削を進め、孔径を拡大する（図２（ａ））。そして、孔径を拡大した部分に根固め用のセメントミルク（水セメント比５５〜６０％）を注入して撹拌し、根固め部１１９を形成する（根固め部形成工程；図２（ｂ））。セメントミルクの注入を終了したら、掘削ビット７ａを収める。

その後、スパイラルオーガ７を引き揚げながら、鉛直孔１１３の内部に杭周固定液１１たるセメントミルク（水セメント比１００％以上）を注入し（図２（ｃ））、杭体５を鉛直孔１１３に挿入する（建込み工程；図２（ｄ））。このとき、拡径止水部１１７中のセメントミルクは、杭体５に密着する。このようにして、杭体５の施工が完了する（図２（ｅ））。

図３を参照しながら、ソイルセメント体について説明する。前述のとおり、上記拡径止水部１１７は、杭体５の施工完了後に、その形状を保持した状態で硬化してソイルセメント体１２１となる。ソイルセメント体１２１は、地盤中の鉛直方向の形成位置としては、その上端及び下端の少なくとも一方が止水層１０５内に位置している。すなわち、ソイルセメント体１２１の下端のみが止水層１０５内に位置していてもよく（図３（ａ））、上端が上部透水層１０３と止水層１０５との境界に位置し、且つ下端が止水層１０５内に位置していてもよく（図３（ｂ））、上端及び下端が止水層１０５内に位置していてもよく（図３（ｃ））、上端が止水層１０５内に位置し、且つ下端が止水層１０５と下部透水層１１１との境界に位置していてもよく（図３（ｄ））、上端のみが止水層１０５内に位置していてもよい（図３（ｅ））。これらの中で、後述するように、上部透水層１０３に含まれる汚染地下水が下部透水層に流入することを防止する観点からは、上端及び下端が止水層１０５内に位置している状態（図３（ｃ））が最も好ましい。

また、ソイルセメント体１２１は、汚染地下水を透水させないように、透水係数が少なくとも止水層１０５の透水係数よりも小さい。具体的には、１．０×１０^−７〜１．０×１０^−９ｃｍ／ｓｅｃであることが好ましく、この場合、透水係数がこの値の範囲内となるように、拡径止水部１１７を形成するセメントミルクの配合が調製される。

ここで、拡径止水部１１７の形成に用いるセメントミルクの水セメント比とソイルセメント体１２１の透水係数との関係について説明する。例えば、拡径止水部の形成に水セメント比１００％のセメントミルクを使用した場合を考える。セメントミルクを拡径掘削部１１５に注入するとき、実際にはベントナイト泥水（掘削液）中に注入するため、ベントナイト泥水により薄まり、セメントミルクの水セメント比は大きくなる。ここで、水セメント比１００％のセメントミルク１０００ｋｇには、セメント５００ｋｇが含まれており、その比重が３．１５ｇ／ｃｍ^３であるとすると、その体積は１５９Ｌであり、水の体積５００Ｌとの合計体積は、６５９Ｌである。セメントミルクがベントナイト泥水に注入されたとき、セメントミルクと同じ体積の水が付加されたとすると、セメント（Ｃ）＝５００ｋｇ、水（Ｗ）＝５００＋６５９＝１１５９ｋｇ、水セメント比（Ｗ／Ｃ）＝１１５９／５００＝２３２％となる。ここで、「改良地盤の設計及び施工指針：日本建築センター」の粘性土の強度推定式を用いると、セメントミルクの固化強度（ｑｕ）は下記式のように推定される。
ｑｕ＝１１．４（Ｃ／Ｗ）−０．４５［ＭＮ／ｍ^２］
＝１１．４（５００／１１５９）−０．４５
＝４．４７［ＭＮ／ｍ^２］
＝４４７０［ＫＮ／ｍ^２］
そして、このセメントミルクの固化強度と透水係数との間には公知の相関関係があり、その関係から、ソイルセメント体の透水係数は、１×１０^−７〜１×１０^−９ｃｍ／ｓｅｃと推定される。なお、根固め部の場合、水セメント比が６０％のセメントミルクを注入すると、プレボーリング工法の実験資料から、強度は８〜２５ＭＮ／ｍ^２程度であることがわかっている。これによれば、根固め部に形成されるソイルセメント体の透水係数は、１×１０^−９ｃｍ／ｓｅｃよりさらに小さいと考えられる。

本実施形態の杭体の施工方法の効果について説明する。一般的にプレボーリング工法にて杭体を施工する場合、鉛直孔を形成し、この鉛直孔に杭周固定液を満たして杭体を建て込む。この工法では、鉛直孔を形成しているときに、地盤の上層の汚染物質（汚染土壌、汚染地下水）が止水層を越えて下層に侵入する可能性がある。また、施工後にも、硬化した杭周固定液と地盤との密着性が不十分な場合に、上層の汚染地下水がその間隙を伝って下層に流入する可能性がある。特に、上層の地下水位が下層の地下水位よりも高い場合にその傾向が顕著である。

ここで、本実施形態の施工方法によれば、上記置換工程において、上部透水層１０３を掘削した領域の土を掘削液であるベントナイト泥水９で置換するため、その領域の下方に位置する止水層１０５及び下部透水層１１１を掘削するときに、上部透水層１０３の汚染土壌が下部透水層１１１へ落ち込むことが防止される。加えて、上部透水層１０３を掘削した領域が、汚染地下水よりもベントナイト泥水９（通常、汚染地下水よりも比重が大きい）で満たされているため、上部透水層１０３から汚染地下水が流出することが防止される。

また、本実施形態の施工方法では、止水層１０５以深の掘削を、清水ではなくベントナイト泥水９を注入しながら行うため、止水層１０５以深の掘削の最中にも上部透水層１０３から汚染土壌が鉛直孔１１３内に崩落したり汚染地下水が流出したりすることが防止される。

また、本実施形態の施工方法では、拡径止水部形成工程を、根固め部形成工程の前に行っているため、拡径止水部形成工程における拡径掘削部の形成時に生じる土を容易に排土することができる。

また、本実施形態の施工方法によれば、拡径止水部１１７が硬化してソイルセメント体１２１となった後においても、拡径止水部１１７を形成しない従来の場合と比べて、上部透水層１０３から下部透水層１１１への汚染地下水の流入が防止される。すなわち、通常、上部透水層１０３に含まれる汚染地下水が下部透水層へ流入するときの経路は止水層１０５の地盤と硬化した杭周固定液である杭周固化体１３１とが接する部分であるところ、本実施形態のように止水層１０５内に杭体５に密着したソイルセメント体１２１がある状態では、汚染地下水は、透水係数の小さい（例えば上記１×１０^−７〜１×１０^−９ｃｍ／ｓｅｃ）ソイルセメント体１２１の内部を透水することはほとんどなく、止水層１０５の地盤とソイルセメント体１２１との境界面を通ることになる。

ここで、本実施形態においては、当該境界面のうち、鉛直孔の径が拡大された水平方向に延びる部分１２１ａ及び／又は１２１ｂの長さ分（より正確には、杭周固化体１３１の厚さ分を除く）だけ、ソイルセメント体１２１を設けない従来の場合と比べて、汚染地下水が流入する経路が長くなっている。加えて、ソイルセメント体１２１のうち、鉛直孔の径が拡大された水平方向に延びる部分１２１ａ，１２１ｂは、垂直方向に延びる部分（ソイルセメント体の側周面）１２１ｃと比べて、上下方向の土圧により地盤との密着性が高くなっている。これらによれば、汚染地下水の流入に対する止水効果が、ソイルセメント体１２１を設けない従来の場合と比べて高くなっているといえる。なお、杭体５とソイルセメント体１２１とは強固に密着しており、ここに汚染地下水が浸入する可能性は極めて低いと考えられる。

図４は、図３（ｃ）について寸法を表した詳細図である。これを参照しながら、上記効果について数値を用いて説明する。各種具体的な寸法を以下のとおりに仮定する。
・杭体の直径：１００ｃｍ
・杭周固化体の直径：１１０ｃｍ
・ソイルセメント体の直径：１２０ｃｍ（杭体の直径の１．２倍）
・止水層の厚さ：１００ｃｍ
・ソイルセメント体の高さ：５０ｃｍ
・杭周固化体と準不透水層との間隙の透水係数：Ｋ＝１．０×１０^−４ｃｍ／ｓｅｃ
・ソイルセメント体の垂直方向に延びる部分と準不透水層との間隙の透水係数：Ｋ＝１．０×１０^−４ｃｍ／ｓｅｃ
・ソイルセメント体の水平方向に延びる部分と準不透水層との間隙の透水係数：Ｋ_Ｈ＝１．０×１０^−５ｃｍ／ｓｅｃ
ここで、「ソイルセメント体の水平方向に延びる部分と準不透水層との間隙の透水係数」を「杭周固化体と準不透水層との間隙の透水係数」よりも一桁小さく仮定したのは、地盤中の鉛直方向の土圧力と水平方向の土圧力が、前者は後者の約２倍と大きく、ソイルセメント体と準不透水層との密着性が良いためである。

ここで、ソイルセメント体を設けない場合の杭周固化体と準不透水層との間隙の透水係数Ｋ＝１．０×１０^−４ｃｍ／ｓｅｃに対し、ソイルセメント体を設けた場合の透水係数Ｋ’は以下のとおりとなる。

従って、ソイルセメント体を設けた場合の透水係数は、設けない場合に対して約半分の値となる。なお、本仮定条件で、拡大率(ソイルセメント体の直径／杭体の直径）を１．５、２．０にした場合の透水係数Ｋ’はそれぞれ以下のとおりである。
・拡大率１．５の場合：Ｋ’＝２．８×１０^−５ｃｍ／ｓｅｃ（ソイルセメント体を設けない場合に対して約１／４）
・拡大率２．０の場合：Ｋ’＝１．９×１０^−５ｃｍ／ｓｅｃ（ソイルセメント体を設けない場合に対して約１／５）

透水量Ｑは、透水係数に比例し、透水長さ（水道）に反比例するので、拡大率により以下の止水効果となる。
・拡大率１．０の場合：透水長さ＝１００、Ｑ∝１．０×１０^−４／１００＝１．０×１０^−６
・拡大率１．２の場合：透水長さ＝１００＋５＋５＝１１０ｃｍ、Ｑ∝５．５×１０^−５／１１０＝５．０×１０^−７、５０％
・拡大率１．５の場合：透水長さ＝１００＋２０＋２０＝１４０ｃｍ、Ｑ∝２．８×１０^−５／１４０＝２．０×１０^−７、２０％
・拡大率２．０の場合：透水長さ＝１００＋４５＋４５＝１９０ｃｍ、Ｑ∝１．９×１０^−５／１９０＝１．０×１０^−７、１０％

上記のとおり、本実施形態の施工方法によれば、プレボーリング工法における杭体の施工中及び施工後に、上部透水層１０３に含まれる汚染物質によって下部透水層１１１に含まれる地下水が汚染されることを確実に防止することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では拡径止水部を一つ形成する態様を示したが、止水層が厚い場合は拡径止水部を複数形成してもよい。この場合、上部透水層に含まれる汚染地下水が下部透水層に流入する経路が一層長くなるため、止水効果が一層高い。

また、上記実施形態では、置換工程では掘削液としてベントナイト泥水を用いたが、ベントナイト泥水と杭周固定液との混合液を用いてもよい。

また、上記実施形態では拡径止水部１１７を形成した後、ベントナイト泥水を注入しながら止水層１０５を越えて下部透水層１１１へと掘削を進めたが、このとき、ベントナイト泥水に替えて、より比重の大きい上記杭周固定液を注入しながら掘削を進めてもよい。この場合、拡径止水部１１７のセメントミルクが下方へ流れていくことが防止され、拡径止水部１１７がその位置を保ちやすい。

また、上記実施形態では拡径止水部形成工程を根固め部形成工程の前に行ったが、順序を入れ替えて、根固め部形成工程の後に拡径止水部形成工程を行ってもよい。

また、上記実施形態では上部透水層、止水層、及び下部透水層からなる地盤に杭体を施工する態様を示したが、止水層の上方又は下方の地盤の性状は限定されない。つまり、止水層が存在し、止水層の上方の地盤における汚染物質が止水層の下方の地盤へと侵入すると不都合である地盤であれば、本発明の適用対象であり得る。

５…杭体（既成杭）、９…ベントナイト泥水（ベントナイト配合液）、１０３…上部透水層（第１の層）、１０５…止水層、１１１…下部透水層（第２の層）、１１３…鉛直孔、１１５…拡径掘削部、１１７…拡径止水部、１１９…根固め部、１２１…ソイルセメント体（硬化後の拡径止水部）。

Claims (5)

1. 第１の層と、前記第１の層の下方に位置する止水層と、前記止水層の下方に位置する第２の層と、を有する地盤を掘削して前記第２の層に達する鉛直孔を形成し、前記鉛直孔に既成杭を設置するプレボーリング工法によって基礎杭を築造する基礎杭施工方法であって、
   ベントナイトを配合したベントナイト配合液を掘削液として前記鉛直孔を前記止水層に達するまで掘削し、掘削した領域の土を前記掘削液で置換する置換工程と、
   前記掘削液で置換した領域の下方に位置する前記止水層に、上端及び下端の少なくとも一方が当該止水層内に位置するとともに孔径が拡大された拡径掘削部を形成し、前記拡径掘削部にセメントミルクを注入して拡径止水部を形成する拡径止水部形成工程と、
   前記第２の層で前記鉛直孔を掘削し、前記鉛直孔の下端に根固め部を形成する根固め部形成工程と、
   前記既成杭を前記鉛直孔に建て込む建込み工程と、を備える、基礎杭施工方法。
2. 前記拡径止水部形成工程は、
   前記根固め部形成工程の前に行う、請求項１記載の基礎杭施工方法。
3. 前記拡径止水部の硬化後の透水係数が、前記止水層の透水係数よりも小さい、請求項１又は２記載の基礎杭施工方法。
4. 前記拡径止水部の硬化後の透水係数が、１．０×１０^−７〜１．０×１０^−９ｃｍ／ｓｅｃである、請求項１又は２記載の基礎杭施工方法。
5. 前記セメントミルクの水セメント比が、１００％以下である、請求項１〜４のいずれか一項記載の基礎杭施工方法。

Images