JP2016176275A

JP2016176275A - サンドコンパクションパイル用材料、サンドコンパクションパイルおよびサンドコンパクションパイルの造成方法

Info

Publication number: JP2016176275A
Application number: JP2015058129A
Authority: JP
Inventors: 恩田　邦彦; Kunihiko Onda; 邦彦恩田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: JP6287914B2

Abstract

【課題】周辺地盤を締め固める効果を維持しつつ、周辺環境への悪影響を抑えることができるサンドコンパクションパイル用材料、サンドコンパクションパイルおよびサンドコンパクションパイルの造成方法を提供する。【解決手段】本発明に係るサンドコンパクションパイル用材料は、サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイル用の材料であって、粒径が５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の鉄鋼スラグまたは再生コンクリートからなる。本発明に係るサンドコンパクションパイル１０は、サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイル１０であって、２層またはそれ以上に上下に積層した粒子状の材料で構成され、下層を製鋼スラグで構成するとともに、上層を前記サンドコンパクションパイル用材料で構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、陸上の緩い砂地盤の液状化対策として、あるいは海上の軟弱粘土地盤を改良するために適用されるサンドコンパクションパイル工法に使用されるサンドコンパクションパイル用材料、およびそれらを用いたサンドコンパクションパイルならびにそのサンドコンパクションパイルの造成方法に関するものである。

従来の地盤改良工法の一方法としてサンドコンパクションパイル工法（以下、ＳＣＰ工法ともいう）が知られている。ＳＣＰ工法における砂杭の使用材料としては、これまで良質な天然砂が用いられてきたが、近年、港湾工事を中心として多数箇所に砂杭を造成する事例が増えつつあり、天然資源の保護の観点から、天然砂の代替材料として、再生コンクリート骨材や製鋼スラグ、高炉徐冷スラグ、高炉水砕スラグなどの鉄鋼スラグといったリサイクル材料の有効活用が推進されている。

例えば、砂地盤の液状化対策あるいは軟弱粘土地盤を改良する目的で、サンドコンパクションパイル工法における天然砂に代わる中詰材用の材料として、製鋼スラグ１００％を用いることが知られている（例えば、非特許文献１を参照）。

また、２０ｍｍ以下の粒径に調整した転炉スラグに、高炉スラグ、石灰またはセメントあるいはセメントクリンカを重量比で、それぞれ転炉スラグを１００、高炉水砕スラグを１０〜２０、石灰またはセメントあるいはセメントクリンカを１０：２０の割合で混合した材料が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

また、膨張性固化杭に関連する従来の技術としては、例えば特許文献２〜４に記載のものが知られている。特許文献２には、硬焼生石灰粉粒体（１０〜６０％）と、硫酸アミニュウム系化合物（０．１〜５％）と、細骨材・砂・スクリーニングス・石膏・水砕スラグまたは転炉スラグあるいは石灰灰等の珪酸成分含有物とを用いた地盤改良材料および地盤改良工法が示されている。

特許文献３には、地盤中の水分と反応することにより、膨張・硬化をして地盤を改良する地盤改良材料として、硬焼生石灰粉粒体、硫酸カルシウム系硬化粉粒体、および、珪化変性明礬石系粉粒体を含み、硬焼生石灰粉粒体（１０〜６０％）と、硫酸アルミニュウム系化合物（０．１〜５％）と、細骨材・砂・スクリーニングス・石膏・水砕スラグまたは転炉スラグあるいは石灰灰等の珪酸成分含有物とを用いた材料および工法が示されている。

特許文献４には、砂質地盤に所定のピッチで多数の締固め杭を造成し、杭造成用ケーシングの打戻しによる杭径の拡大（物理的締固め）と杭材料の水和・膨張による杭径の拡大（化学的締固め）とにより杭間地盤を所定強度に締固める技術の砂質地盤締固め工法において、硬焼生石灰と、硫酸アルミニウム系化合物と、コンクリート砂・砂利・水砕スラグ・転炉スラグ等の骨材とからなる地盤改良材料を用いることが示されている。

「港湾工事用製鋼スラグ利用手引書」、（財）沿岸開発技術研究センター鐵鋼スラグ協会発行、２００４．９、Ｐ３１〜Ｐ３３

特開昭５６−４１９１４号公報特開２００１−１５２１４９号公報特開２００１−５９２１７号公報特開２００２−３２２６３８号公報

上述した再生コンクリート骨材、鉄鋼スラグは、一般にアルカリ特性を有することから、サンドコンパクションパイル用の材料として用いた際、周辺地盤にアルカリが溶出し、環境に影響を及ぼすことが懸念される。したがって、こうした材料を用いた際に、周辺地盤へのアルカリ溶出による環境影響を抑えることが求められる。

また、上記の従来の特許文献２〜４等に記載の技術は、その膨張性および固化性を利用して、周辺地盤を締め固め改良するものである。しかし、主に陸域において、既設構造物に近接してサンドコンパクションパイルを造成する場合や、またはサンドコンパクションパイルを造成した後に、その直上に構造物や道路などを建設する場合には、サンドコンパクションパイル材料の膨張特性により、構造物や道路などに対して長期的にひび割れや、盛り上がり、沈下など悪影響を及ぼすことが懸念される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、周辺地盤を締め固める効果を維持しつつ、周辺環境への悪影響を抑えることができるサンドコンパクションパイル用材料、サンドコンパクションパイルおよびサンドコンパクションパイルの造成方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るサンドコンパクションパイル用材料は、サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイル用の材料であって、粒径が５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の鉄鋼スラグまたは再生コンクリートからなることを特徴とする。

また、本発明に係る他のサンドコンパクションパイル用材料は、サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイル用の材料であって、粒径が１０ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の鉄鋼スラグまたは再生コンクリートからなることを特徴とする。

また、本発明に係る他のサンドコンパクションパイル用材料は、サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイル用の材料であって、粒径が１５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の鉄鋼スラグまたは再生コンクリートからなることを特徴とする。

また、本発明に係るサンドコンパクションパイルは、サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイルであって、２層またはそれ以上に上下に積層した粒子状の材料で構成され、下層を製鋼スラグで構成するとともに、上層を上述したサンドコンパクションパイル用材料で構成したことを特徴とする。

また、本発明に係るサンドコンパクションパイルは、上述した発明において、上端から深度方向に２．５／ρ×Ｄ^１／２（ｍ）以上の部分を前記サンドコンパクションパイル用材料で構成するとともに、それ以深の部分を製鋼スラグで構成したことを特徴とする。ここで、ρは鉄鋼スラグの粒子密度（ｔ／ｍ^３）であり、Ｄはサンドコンパクションパイルの径（ｍ）である。

また、本発明に係る他のサンドコンパクションパイルの造成方法は、上述したサンドコンパクションパイルを造成することを特徴とする。

本発明によれば、サンドコンパクションパイル用の材料として所定の粒径範囲に粒度調整した鉄鋼スラグまたは再生コンクリートを用い、その膨張性を利用することで、周辺地盤へのアルカリ溶出のおそれを低減することができるとともに、雨天時における施工性が向上する。また、周辺および直上の構造物や道路などに長期的にひび割れや、盛り上がり、沈下などが生じる可能性を排除することができる。したがって、周辺地盤を締め固める効果を維持しつつ、周辺環境への悪影響を抑えることができる。

図１は、本発明に係るサンドコンパクションパイルの実施の形態１を示す側断面図である。図２は、本発明に係るサンドコンパクションパイルの実施の形態２を示す側断面図である。図３は、本発明に係るサンドコンパクションパイルの実施の形態３を示す側断面図である。図４は、本発明に係るサンドコンパクションパイルの実施の形態４を示す側断面図である。図５は、本発明に係るサンドコンパクションパイルの実施の形態５を示す側断面図である。図６は、本発明の実施例１の試験装置を示す図である。図７は、本発明の実施例１の評価項目の説明図である。図８は、本発明の実施例２の実験モデルを示す図である。図９は、本発明の実施例２の実験結果を示す図である。

以下に、本発明に係るサンドコンパクションパイル用材料、サンドコンパクションパイルおよびサンドコンパクションパイルの造成方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

ここで、鉄鋼スラグには、製鋼スラグと高炉スラグとがある。高炉スラグには、高炉徐冷スラグと高炉水砕スラグとがある。

製鋼スラグとは、製鋼工程で生じる石灰分を主体とした粉粒状の副産物であり、転炉スラグ、溶銑予備処理スラグ、２次製錬スラグ、電気炉スラグなどをいう。

また、高炉徐冷スラグとは、溶融状態の高炉スラグをヤードに流し込み、空気と適度な散水により冷却して生成される結晶質で岩石状のものをいう。

また、高炉水砕スラグとは、溶融状態の高炉スラグを加圧水で急冷することにより生成されるガラス質（非結晶）で粒状のものをいう。高炉水砕スラグには、炉前水砕スラグと炉外水砕スラグとがある。なお、以下の説明では、高炉徐冷スラグと高炉水砕スラグとを合せて、高炉スラグということもある。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は、本実施の形態１に係るサンドコンパクションパイルを説明する図である。
この図に示すように、地表面ＧＬ以下の地盤Ｇ中に造成するサンドコンパクションパイル１０の材料として用いる地盤改良材（本発明のサンドコンパクションパイル用材料）として、以下の（１）〜（３）のいずれかの粒度分布を有する鉄鋼スラグを適用することで、周辺地盤へのアルカリ溶出による環境影響を低減することが可能となる。

（１）粒径が５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下で構成されている鉄鋼スラグ
（２）粒径が１０ｍｍ以上、４０ｍｍ以下で構成されている鉄鋼スラグ
（３）粒径が１５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下で構成されている鉄鋼スラグ

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
図２は、本実施の形態２に係るサンドコンパクションパイルを説明する図である。
この図に示すように、サンドコンパクションパイル２０は上層の透水層Ｇ１と下層の非透水層Ｇ２とに跨って造成されている。透水層Ｇ１は非透水層Ｇ２に比べて地下水流Ｗが卓越している。本実施の形態のサンドコンパクションパイル２０では、この地下水流Ｗが卓越する深度箇所２２（透水層Ｇ１の部分）でのみ、以下の（１）〜（３）のいずれかの粒度分布を有する鉄鋼スラグを適用することで、周辺地盤へのアルカリ溶出による環境影響を低減することが可能となる。なお、サンドコンパクションパイル２０の非透水層Ｇ２に位置する深度箇所２４については、従来使用されている周知のサンドコンパクションパイル用の材料を用いて構成することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。
図３は、本実施の形態３に係るサンドコンパクションパイルを説明する図である。
この図に示すように、サンドコンパクションパイル３０は地表面ＧＬ付近において水の流れＷが卓越している地盤Ｇに造成されている。本実施の形態のサンドコンパクションパイル３０では、水の流れＷが卓越する地表面ＧＬ付近の深度箇所３２のみ、以下の（１）〜（３）のいずれかの粒度分布を有する鉄鋼スラグを適用することで、周辺地盤へのアルカリ溶出による環境影響を低減することが可能となる。なお、深度箇所３２よりも下側の深度箇所３４については、従来使用されている周知のサンドコンパクションパイル用の材料を用いて構成することができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。
図４は、本実施の形態４に係るサンドコンパクションパイルを説明する図である。
この図に示すように、サンドコンパクションパイル４０を上層４２と中間層４４と下層４６の３層からなる積層構造とし、下層４６には製鋼スラグを、上層４２には以下の（１）、（２）のいずれかの粒度分布を有する鉄鋼スラグを用いて、サンドコンパクションパイル４０を造成する。なお、その間の中間層４４の構成材料は特に限定するものではなく、従来使用されている周知のサンドコンパクションパイル用の材料を用いて構成することができる。

（１）粒径が５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下で構成されている鉄鋼スラグ
（２）粒径が１０ｍｍ以上、４０ｍｍ以下で構成されている鉄鋼スラグ

なお、本実施の形態のサンドコンパクションパイル４０は粒子状の材料からなる３層の上下積層構造に限るものではなく、２層の上下積層構造であってもよいし、４層以上の上下積層構造であってもよい。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。
図５は、本実施の形態５に係るサンドコンパクションパイルを説明する図である。
この図に示すように、サンドコンパクションパイル５０の上端５０ａから深度方向に２．５／ρ×Ｄ^１／２（ｍ）以上の部分５２を、以下の（１）、（２）のいずれかの粒度分布を有する鉄鋼スラグを用いて造成するとともに、それ以深から下端５０ｂまでの部分５４を製鋼スラグで造成する。ここで、ρは鉄鋼スラグの粒子密度（ｔ／ｍ^３）であり、Ｄはサンドコンパクションパイルの径（ｍ）である。

これらのサンドコンパクションパイルの構造により、サンドコンパクションパイル下部において製鋼スラグの膨張性により地盤が締め固まると同時に、経年的にも膨張しない材料を上部に配置することにより上方への膨張を拘束でき、周辺地盤へのアルカリ溶出を抑えることが可能となるとともに、雨天時における施工性が向上する。また、周辺および直上の構造物や道路などに長期的にひび割れや、盛り上がり、沈下などが生じる可能性を排除することができる。したがって、周辺地盤を締め固める効果を維持しつつ、周辺環境への悪影響を抑えることができる。

なお、サンドコンパクションパイル工法の従来の施工方法には、例えば以下の（Ａ）〜（Ｅ）の方法があるが、本発明はいずれの施工方法にも適用可能である。

（Ａ）バイブロハンマーを用いてケーシングパイプに振動を与え、また打戻し式に締め固める締固め砂杭の造成方法。
（Ｂ）ケーシングパイプを回転圧入させ、また強制昇降装置を用いてケーシングパイプを打戻し式に締め固める締固め砂杭の造成方法。
（Ｃ）ケーシングパイプを引き上げながらケーシングパイプに内装の振動機・突き固め装置により砂を側方へ広げて砂杭を締め固め造成する方法。
（Ｄ）内管ケーシングおよび外管ケーシングを備えた二重管構造のケーシングパイプを回転圧入して所定の深度に達した後に、ケーシングパイプの引き上げとともに材料を排出しながら内管ケーシングを上下する締め固め砂杭の造成方法。
（Ｅ）先端に偏心した掘削・拡径ヘッドを装着したケーシングパイプを回転圧入させ、ケーシングパイプを打戻し式に締め固める砂杭の造成方法。

また、サンドコンパクションパイル用材料として従来用いられている再生コンクリート骨材などの再生コンクリートについても、本発明における鉄鋼スラグと同様の粒度分布に調整することによって、周辺地盤へのアルカリ溶出による環境影響を低減することが可能である。

（実施例１）
まず、本発明の実施例１について説明する。
ここでは、本発明の効果検証のため、図６に示すような試験装置６０を用いて、粒度調整した鉄鋼スラグに対する通水試験を行い、通水後のアルカリ溶出の影響を調べた。サンドコンパクションパイルを模擬した試験用コラムとしては、内径１５０ｍｍ×長さ４５０ｍｍのアクリル円筒６２を用い、この内部の上流側に１５０ｍｍの鉄鋼スラグ層６４を、その下流側に３００ｍｍの土壌層６６を配置した。そして、このアクリル円筒６２をタイロッド６８、押え板７０、Ｏリング７２、ネジ７４等を用いて水密に固定し、コック７６を開けて試験用コラムに水を供給して通水させ、試験用コラムから出てくる水に対してｐＨを計測した。計測したｐＨと通水量との関係から各種評価を行って、本発明の効果を検証する。評価項目は以下の（１）〜（３）の３項目とした。各評価項目については、図７に例示する通水量とｐＨとの関係から取得することができる。

（１）通水後にアルカリ影響が現出する通水量比（粒度調整なしの場合を基準とする）
（２）十分な通水後のｐＨ上昇量（粒度調整なしの場合を基準とする）
（３）一旦上昇したｐＨが低下開始する通水量比（粒度調整なしの場合を基準とする）

表１に、実験条件および結果概要を示す。

表１に示すように、粒度調整なしの場合（ケース：Ａ−０、最大４０ｍｍ−最小０ｍｍ）に比べて、粒径が５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下で構成されている鉄鋼スラグを適用した場合（ケース：Ａ−５）は、上記（１）「通水後にアルカリ影響が現出する通水量比」が大きくなり、アルカリ影響の現出が遅れる効果が確認できた。

また、粒径が１０ｍｍ以上、４０ｍｍ以下で構成されている鉄鋼スラグを適用した場合（ケース：Ａ−１０）は、上記（１）「通水後にアルカリ影響が現出する通水量比」に加えて、（２）「通水後のｐＨ上昇量（最大値）」が抑制できる効果も確認できた。

粒径が１５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下で構成されている鉄鋼スラグを適用した場合（ケース：Ａ−１５）は、上記（１）「通水後にアルカリ影響が現出する通水量比」、（２）「通水後のｐＨ上昇量（最大値）」、に加えて、（３）「一旦上昇したｐＨが低下開始する通水量比」が小さくなり、トータルのアルカリ溶出量が著しく小さくなる効果が確認できた。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。
本発明に係るサンドコンパクションパイルの上層の上下方向長さに関する実験として、図８に示すような上部材Ｐ１（高炉徐冷スラグ、高炉水砕スラグ、粉砕コンクリート、砂のいずれかで構成）および下部材Ｐ２（製鋼スラグで構成）からなるサンドコンパクションパイルＰを、地盤に見立てた土槽Ｇ０（土槽地盤は豊浦標準砂を用いて相対密度Ｄｒ＝７０％程度の均一地盤とした）に作成し、地盤をアルカリ雰囲気として下部材Ｐ２の製鋼スラグの膨張反応を促進させ、サンドコンパクションパイル上端Ｐａにおける表面浮き上り量を計測した。実験パラメータは上部材Ｐ１の材料、上部材Ｐ１の長さＬ１とし、合計１６ケースの実験を実施した。いずれのケースも下部材Ｐ２の材料は製鋼スラグとし、下部材Ｐ２の長さはＬ２とした。表２に、実験条件および実験結果概要（表面浮き上り量）を示す。

また、上部材の長さＬ１に関する指標をλ（＝Ｌ１×ρ／Ｄ^１／２）とし、反応促進実験結果による上端Ｐａの表面浮き上り量とλの関係を図９に示す。この図に示すように、λ＝２．５を境として、それより大きければ、表面浮き上り量は大きく低減していることがわかる。

したがって、下部材Ｐ２の製鋼スラグの膨張反応に伴うサンドコンパクション上端Ｐａの表面浮き上りを抑止するために必要な上部材Ｐ１の長さＬ１は、以下のように設定することが望ましい。

Ｌ１≧２．５／ρ×Ｄ^１／２（ｍ）
ここで、ρは鉄鋼スラグの粒子密度（ｔ／ｍ^３）であり、Ｄはサンドコンパクションパイルの径（ｍ）である。

以上説明したように、本発明によれば、サンドコンパクションパイル用の材料として所定の粒径範囲に粒度調整した鉄鋼スラグを用い、その膨張性を利用することで、周辺地盤へのアルカリ溶出のおそれを低減することができるとともに、雨天時における施工性が向上する。また、周辺および直上の構造物や道路などに長期的にひび割れや、盛り上がり、沈下などが生じる可能性を排除することができる。したがって、周辺地盤を締め固める効果を維持しつつ、周辺環境への悪影響を抑えることができる。

以上のように、本発明に係るサンドコンパクションパイル用材料、サンドコンパクションパイルおよびサンドコンパクションパイルの造成方法は、陸上の緩い砂地盤の液状化対策として地盤を改良する場合、あるいは海上の軟弱粘土地盤を改良する場合に有用であり、特に、周辺地盤を締め固める効果を維持しつつ、周辺環境への悪影響を抑えるのに適している。

１０，２０，３０，４０，５０サンドコンパクションパイル
２２，２４，３２，３４深度箇所
４２上層
４４中間層
４６下層
５２，５４部分
Ｇ地盤
Ｇ１透水層
Ｇ２非透水層
ＧＬ地表面

Claims

サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイル用の材料であって、
粒径が５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の鉄鋼スラグまたは再生コンクリートからなることを特徴とするサンドコンパクションパイル用材料。
サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイル用の材料であって、
粒径が１０ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の鉄鋼スラグまたは再生コンクリートからなることを特徴とするサンドコンパクションパイル用材料。
サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイル用の材料であって、
粒径が１５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の鉄鋼スラグまたは再生コンクリートからなることを特徴とするサンドコンパクションパイル用材料。
サンドコンパクションパイル工法により地中に造成されるサンドコンパクションパイルであって、
２層またはそれ以上に上下に積層した粒子状の材料で構成され、
下層を製鋼スラグで構成するとともに、上層を請求項１〜３のいずれか一つに記載のサンドコンパクションパイル用材料で構成したことを特徴とするサンドコンパクションパイル。
上端から深度方向に２．５／ρ×Ｄ^１／２（ｍ）以上の部分を前記サンドコンパクションパイル用材料で構成するとともに、それ以深の部分を製鋼スラグで構成したことを特徴とする請求項４に記載のサンドコンパクションパイル。
ここで、ρは鉄鋼スラグの粒子密度（ｔ／ｍ^３）であり、Ｄはサンドコンパクションパイルの径（ｍ）である。
請求項４または５に記載のサンドコンパクションパイルを造成することを特徴とするサンドコンパクションパイルの造成方法。