JP2015059325A - ソイルセメントの圧縮強度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ソイルセメント造成現場の施工条件に応じた、ソイルセメントの所定材令の圧縮強度を推定することができる方法を提供する。
【解決手段】ソイルセメントに含まれる土粒子の物理的性質、当該ソイルセメントに含まれるセメントミルクの配合割合及び当該ソイルセメントに含まれるセメントミルクの構成材料によって規定される施工条件を設定し、当該施工条件下でのソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu と所定材令のソイルセメントの圧縮強度 qu28 との関係式を算出し、計測したソイルセメントの密度γscu から当該ソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu を算出し、この算出したセメント水比Ｃ／Ｗscu（＝Ｙａ）を前記関係式に代入して、所定材令のソイルセメントの圧縮強度 qu28 (＝Ｚａ）を推定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、ソイルセメントの圧縮強度推定方法に関し、より詳細には、例えば地盤中に造成されたソイルセメントを採取して、その所定材令における圧縮強度を推定する方法に関する。

通常、地盤改良工法や杭工法で地盤中に造成するソイルセメントは、造成から 28 日後の一軸圧縮強度 qu28 (「qu 」に続く数値は材令（日）を示す、以下同様。）で管理されるため、造成から 28 日経過しなければ造成したソイルセメントが所定の強度を満足するか否かが判らない。実工事においては、着工から連続して作業ができれば工期の面で望ましい。このようなことから、一般には強度が大きくなるように過大にセメントを投入してソイルセメントを造成しているが、この場合コスト的には不利になることが多い。

造成したソイルセメントの一軸圧縮強度 qu28 を早期に判定できれば、適切なセメント量すなわち適正なコストでの施工が可能となる。

ソイルセメントの一軸圧縮強度 qu28 を早期に判定する方法として、ソイルセメント造成後のまだ固まらないソイルセメントを採取し、促進養生を行って強度試験を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、地盤のＮ値や地盤性状によって区分けした施工現場ごとに、現場実験により計測したまだ固まらないソイルセメントの比重とその固化強度との関係データ「比重−圧縮強度」を利用して、ソイルセメントの強度を推定する方法も提案されている（特許文献２参照）。

特開２００２ー９７６３０号公報 特開２０１０ー２２２７９９号公報

しかしながら、特許文献１記載の促進養生試験による方法では、養生期間７日でも強度のバラツキが多く、一軸圧縮強度 qu28 の推定値としては不十分なのが現状である。また、特許文献２記載の方法は、限られた施工条件下（地盤のＮ値、地盤性状）での「比重−圧縮強度」の関係が実験定数を含む式で示されているにすぎず、多くのソイルセメント造成現場に適用することはできない。すなわち、ソイルセメント造成工においては、施工現場に応じて適切なセメント配合を適宜選択し、施工条件を決定するのであるが、同文献記載の方法ではこのような施工現場によって変化する施工条件に対応することができない。

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、ソイルセメント造成現場の施工条件に応じた、ソイルセメントの所定材令の圧縮強度を推定することができる方法を提供することにある。

本発明は、ソイルセメントの所定材令における圧縮強度を推定する方法において、
前記ソイルセメントに含まれる土粒子の物理的性質、当該ソイルセメントに含まれるセメントミルクの配合割合及び当該ソイルセメントに含まれるセメントミルクの構成材料によって規定される施工条件を設定し、
当該施工条件下でのソイルセメントのセメント水比と前記所定材令のソイルセメントの圧縮強度との関係式を算出し、
計測したソイルセメントの密度から当該ソイルセメントのセメント水比を算出し、
この算出したセメント水比を前記関係式に代入して前記所定材令のソイルセメントの圧縮強度を推定することを特徴とする。

上記推定方法において、施工条件を規定する土粒子の物理的性質には、土粒子の密度や粒度分布の違いなども含まれる。したがって、砂、礫、粘土などの同一の土質区分に属する土であっても、その物理的性質が異なれば施工条件が異なることになる。また、同様に施工条件を規定するセメントミルクの構成材料には、セメントの種類、セメント水比、ベントナイトの添加の有無、さらには当該ベントナイトが添加される場合にはその種類及び添加量が含まれる。

上記推定方法において、前記セメント水比は次式から算出することができる。
Ｃ／Ｗscu＝(Ｇs−１)／[ｄ−{(１＋λ)・γscu−Ｇs}／Ｇc・ｂ／λ] ・・・式（１）
ただし、Ｃ／Ｗscu：ソイルセメントのセメント水比
Ｇs：土粒子密度
Ｇc：セメント密度
λ：セメントミルク注入率（セメントミルク注入体積／対象土体積）
ｄ：１＋α・Ｇs＋β
ｂ：１＋α・Ｇc＋β・Ｇc／Ｇb
α：セメントミルクの水セメント比（練り水重量／セメント重量）
β：ベントナイトの添加率（ベントナイト重量／セメント重量）
Ｇb：ベントナイト密度

上記（１）式は次のようにして導出することができる。
ソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu は、当該ソイルセメントに含まれるセメント量と当該ソイルセメントに含まれる水量との比であるから、前者をＷc,scu 、後者をＷw,scu とすると、
Ｃ／Ｗscu ＝Ｗc,scu／Ｗw,scu ・・・式（２）
と表すことができる。ここで、
Ｗc,scu ＝Ｇc／b・λ・Ｖt,s ・・・式（３）
Ｗw,scu ＝{(Ｇs−γs)／(Ｇs−１)＋Ｇc・α／ｂ・λ}・Ｖt,s ・・・式（４）
ただし、Ｖt,s：対象土の体積、γs：対象土の密度
であるから、式（２）に式（３）及び式（４）を代入して変換すると、
Ｃ／Ｗscu ＝１／{(Ｇs−γs)／(Ｇs−１)／Ｇc・ｂ／λ＋α｝ ・・・式（５）
が得られる。

ソイルセメントの密度γscu は、当該ソイルセメントの質量と当該ソイルセメントの体積との比であるから、前者をＷt,scu 、後者をＶt,scu とすると、
γscu ＝Ｗt,scu／Ｖt,scu ・・・式（６）
と表すことができる。ここで、ａ：１＋α＋βとおくと、
Ｗt,scu ＝(γs＋Ｇc・ａ／ｂ・λ)・Ｖt,s ・・・式（７）
Ｖt,scu ＝(１＋λ)・Ｖt,s ・・・式（８）
であるから、式（６）に式（７）及び式（８）を代入して変換すると、
γs ＝(１＋λ)・γscu−Ｇc・ａ／ｂ・λ ・・・式（９）
が得られる。
さらに、ｄ：１＋α・Ｇs＋βとおき、式（５）に式（９）を代入して変換すると、
γscu ＝[Ｇs＋{ｄ−(Ｇs−1)／(Ｃ／Ｗscu)}・Ｇc／ｂ・λ]／(１＋λ) ・・・式（１０）
が得られる。そして、この式（１０）をＣ／Ｗscu とγscu との関係式に変換すると、式（１）が導出される。

また、上記推定方法において、ソイルセメントのセメント水比と所定材令のソイルセメントの圧縮強度との関係式は次のようにして算出することができる。
すなわち、密度が異なる複数の試料土を作製し、
前記施工条件に基づいて前記試料土ごとにソイルセメントを作製し、
前記各ソイルセメントのセメント水比を算出するとともに、前記所定材令における圧縮強度を測定して、前記関係式を算出する。

また、上記推定方法において、前記施工条件に基づいて作製されたソイルセメントに関する、既存のセメント水比データ及び圧縮強度データが取得されている場合には、当該セメント水比データ及び圧縮強度データを用いて前記関係式を算出することもできる。

この発明によれば、ソイルセメント造成現場の施工条件に応じた、ソイルセメントの所定材令における圧縮強度を推定することができる。

この発明を実施するためのフローチャートである。 作製直後のソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu と一軸圧縮強度 qu28 との関係を示すグラフである。 材令28日のソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗsch と一軸圧縮強度 qu28 との関係を示すグラフである。 ソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu と密度γscu との関係を、異なった値のセメントミルク注入率ごとに示すグラフである。

この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、この発明を実施するためのフローチャートである。以下、このフローチャートにしたがって実施形態を説明する。

Ａ．現地土採取（ステップＳ1）
ソイルセメントの造成対象となる現地土をボーリングなどによって採取する。その際、造成ソイルセメントが例えば埋込み杭工法で造成される根固め部などである場合には、当該深度の現地土を採取する。

Ｂ．ソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu と一軸圧縮強度 qu28 との関係を示す関係式の算出（ステップＳ2）
採取した現地土の物理的性質を計測するとともに、現地土に加水あるいは減水して密度γs が異なる複数の試料土を室内で作製する。続いて、各試料土と混合するセメントミルクの構成材料の種類及び当該構成材料の配合割合を設定する。そして、セメントミルク注入率λ（セメントミルク注入体積／対象土体積）を種々変化させ（例えば、λ＝ 0.5,1.0,1.5,2.0）、各試料土についてソイルセメントを作製する。
また、作製した各ソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu を上述の式（５）を用いて算出する。

また、作製した各ソイルセメントについて所定材令（例えば、材令Ｙ＝ 28 日）まで養生した後、圧縮試験を行って一軸圧縮強度 qu28 を求める。
なお、上述した試料土の作製から一軸圧縮強度qu28の測定までを現場ではなく、現場作業が開始する前に室内で行う。

図２は、作製直後のソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu と一軸圧縮強度 qu28 との関係（以下、Ｃ／Ｗscu−qu28関係ともいう。）を示すグラフである。
図２に示すように、作製直後のソイルセメント、即ち流動性の高いソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu と一軸圧縮強度 qu28 との関係は、セメントミルク注入率λやセメントミルク注入前の試料土の密度γs に依存することなく、ほぼ 1:1 に対応している（近似式の寄与率Ｒ²＝0.956 ）。ここで、作製直後のソイルセメントとは、例えば、０＜材令Ｘ≦３（日）までのものをいう。
上述した対応関係は、作製直後のソイルセメントに限って成立するのではなく、ある程度固まったソイルセメント、即ち流動性の低いソイルセメントについても成立する。ある程度固まったソイルセメントを用いた場合について以下で説明する。

図３は、材令28日のソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗsch と一軸圧縮強度 qu28 との関係（以下、Ｃ／Ｗsch−qu28 関係ともいう。）を示すグラフである。
図３に示すように、材令28日のソイルセメント、即ち流動性の低いソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗsch と一軸圧縮強度 qu28 との関係も、セメントミルク注入率λやセメントミルク注入前の試料土の密度γs に依存することなく、ほぼ 1:1 に対応している（近似式の寄与率Ｒ²＝0.961 ）。
なお、Ｃ／Ｗscu−qu28 関係、Ｃ／Ｗsch−qu28 関係を示す各関係式は、それぞれのグラフに示すように直線近似でも相関性は十分大きいが、累乗近似式等の曲線で近似することもできる。

図２、図３のＣ／Ｗscu−qu28 関係、Ｃ／Ｗsch−qu28 関係を求めるのに使用した対象土、セメントミルクの構成材料及びそれらの物性値は次のとおりである。ただし、これらの対象土、セメントミルクの構成材料、物性値は１例である。
対象土：珪砂（密度Ｇs＝2.62t/m³）
セメントミルクの構成材料：高炉セメント（密度Ｇc＝3.05t/m³）
ベントナイト（密度Ｇb＝2.60t/m³）
水セメント比 α＝0.65
ベントナイト添加率 β＝0.05

Ｃ．セメントミルク注入率λを設定してソイルセメント造成施工（ステップＳ3）
例えば、埋込み杭工法の場合は、攪拌羽根を有するスパイラルオーガーなどで地盤に杭穴を掘削した後、杭穴にオーガーから設定した注入率λとなるまでセメントミルクを注入する。そして、掘削土砂とセメントミルクとを攪拌混合してソイルセメントを造成する。

Ｄ．ソイルセメントの密度γscu の計測（ステップＳ4）
杭穴内のまだ固まらないソイルセメントを試料採取器を用いて採取し、その密度γscu を計測する。このソイルセメントの密度計測は、上述した材令Ｘの範囲内で行うことが望ましい。

Ｅ．ソイルセメントの密度γscu とセメント水比Ｃ／Ｗscu との関係式よりセメント水比Ｃ／Ｗscu を算出（ステップＳ5）
ソイルセメントの密度γscu とセメント水比Ｃ／Ｗscuとの関係（以下、γscu−Ｃ／Ｗscu 関係ともいう。）を表す上述の式（１）に、計測したソイルセメントの密度γscu を代入し、ソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu を算出する。セメントミルク注入率λを変化させて（例えばλ＝0.5,1.0,1.5,2.0）、式（１）をセメント注入率λごとにグラフで示すと例えば図４のようになる。したがって、例えば、セメントミルク注入率λをλ＝1.0 と設定し、採取したソイルセメントの密度γscu の計測値がＸａであった場合、セメント水比Ｃ／Ｗscu の値はＹａとなる。なお、図４のγscu−Ｃ／Ｗscu 関係を求めるのに用いた対象土、セメントミルクの構成材料及びそれらの物性値は、図２、図３のＣ／Ｗscu−qu28 関係、Ｃ／Ｗsch−qu28 関係を求めるのに用いたものと同じであることは言うまでもないが（Ｇs＝2.62t/m³、Ｇc＝3.05t/m³、Ｇb＝2.60t/m³、α＝0.65、β＝0.05）、γscu−Ｃ／Ｗscu 関係を表す関係式（１）は、Ｃ／Ｗscu−qu28 関係、Ｃ／Ｗsch−qu28 関係とは無関係に成立する。

Ｆ．算出したセメント水比Ｃ／Ｗscu をステップＳ2で求めた関係式に代入（ステップＳ6）
式（１）を用いて算出したセメント水比Ｃ／Ｗscu を、図２に示したＣ／Ｗscu−qu28 関係を示す関係式に代入する。

Ｇ．一軸圧縮強度 qu28 の推定（ステップＳ7）
例えば、セメント水比Ｃ／Ｗscu が前述のように値Ｙａであった場合、この値Ｙａを図２に示したＣ／Ｗscu−qu28 関係を示す関係式に代入すると、そのソイルセメントの材令 28 日における一軸圧縮強度qu28 の値はＺａと推定される。

上記実施形態ではソイルセメントの圧縮強度として一軸圧縮強度を採用したが、三軸圧縮強度を採用してもよい。この発明は、埋込み杭工法に限らず、ソイルセメント固結体を造成する工法であれば、地盤改良工法、地中連続壁工法等他の工法を実施する場合にも適用できる。

上述したように、同一の施工条件（ソイルセメントに含まれる土粒子の物理的性質（例えば、土粒子密度等）、当該ソイルセメントに含まれるセメントミルクの配合割合、当該セメントミルクの構成材料の種類及び当該構成材料の配合割合）の下では、ソイルセメントの所定材令における圧縮強度（例えば、28日後の一軸圧縮強度qu28 ）は、当該ソイルセメント中に含まれるセメントの質量と、水の質量との比であるセメント水比Ｃ／Ｗscu とほぼ 1:1 で対応し、且つ、セメント水比Ｃ／Ｗscu はソイルセメントの密度γscu の関数として表すことができる。
したがって、上記の実施形態によれば、施工条件ごとにソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu とそのソイルセメントの所定材令における圧縮強度（例えば、28日後の一軸圧縮強度qu28 ）との関係を予め求めておけば、任意の施工条件下でのソイルセメント圧縮強度をソイルセメントの密度γscu から推定できる。
即ち、ソイルセメント造成現場の施工条件に応じた、ソイルセメントの所定材令における圧縮強度を推定することができる。
また、ソイルセメントのセメント水比Ｃ／Ｗscu と圧縮強度との関係を示す関係式は、採取した現地土を用いて室内試験の結果から取得されるので、低コストでのデータ取得が可能となる。

上記実施形態では現地土を採取して異なる密度の試料土を作製したが、現地土と同様の物理的性質を持つ人工土を作製し、これを用いて密度調整した試料土を作製してもよい。

また、適用予定の施工条件に基づいて作製されたソイルセメントに関する、既存のセメント水比データ及び圧縮強度データが取得されている場合には、試料土やソイルセメントを必ずしも作製する必要がない。すなわち、これらの既存のセメント水比データ及び圧縮強度データを用いて関係式を算出してもよい。

上記実施形態では、地盤中に造成されたソイルセメントを採取して密度を測定したが、これに限らず、地盤中のソイルセメント中にセンサを挿入して密度を測定してもよい。また、実施工に伴って地盤中に造成されたソイルセメントを採取するのではなく、現地土（例えば地盤中の掘削土砂）を採取し、この現地土を用いて密度を測定するためのソイルセメントを作製するようにしてもよい。

Claims (4)

1. ソイルセメントの所定材令における圧縮強度を推定する方法において、
   前記ソイルセメントに含まれる土粒子の物理的性質、当該ソイルセメントに含まれるセメントミルクの配合割合及び当該ソイルセメントに含まれるセメントミルクの構成材料によって規定される施工条件を設定し、
   当該施工条件下でのソイルセメントのセメント水比と前記所定材令のソイルセメントの圧縮強度との関係式を算出し、
   計測したソイルセメントの密度から当該ソイルセメントのセメント水比を算出し、
   この算出したセメント水比を前記関係式に代入して前記所定材令のソイルセメントの圧縮強度を推定することを特徴とするソイルセメントの圧縮強度推定方法。
2. 前記セメント水比は、前記計測したソイルセメントの密度から次式を用いて算出することを特徴とする請求項１記載のソイルセメントの圧縮強度推定方法。
   Ｃ／Ｗscu＝(Ｇs−１)／[ｄ−{(１＋λ)・γscu−Ｇs}／Ｇc・ｂ／λ]
   ただし、Ｃ／Ｗscu：ソイルセメントのセメント水比
   Ｇs：土粒子密度
   Ｇc：セメント密度
   λ：セメントミルク注入率
   ｄ：１＋α・Ｇs＋β
   ｂ：１＋α・Ｇc＋β・Ｇc／Ｇb
   α：セメントミルクの水セメント比
   β：ベントナイトの添加率
   Ｇb：ベントナイト密度
3. 密度が異なる複数の試料土を作製し、
   前記施工条件に基づいて前記試料土ごとにソイルセメントを作製し、
   前記各ソイルセメントのセメント水比を算出するとともに、前記所定材令における圧縮強度を測定して、前記関係式を算出することを特徴とする請求項１又は２記載のソイルセメントの圧縮強度推定方法。
4. 前記施工条件に基づいて作製されたソイルセメントに関する、既存のセメント水比データ及び圧縮強度データが取得されている場合には、当該セメント水比データ及び圧縮強度データを用いて前記関係式を算出することを特徴とする請求項１又は２記載のソイルセメントの圧縮強度推定方法。

Images