JP2017172279A - 地盤改良用高圧噴射撹拌装置および地盤改良方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改良強度および改良径のいずれについても優れた均一性を有する地盤改良体を造成することができる地盤改良用高圧噴射撹拌装置を提供する。【解決手段】鉛直方向に間隔を置いて配設された上側噴射ノズル２および下側噴射ノズル３を先端部分に備えたロッド１を有する地盤改良用高圧噴射撹拌装置であって、上側噴射ノズル２と下側噴射ノズル３の間の距離が、ロッド１の引上げステップ長の１倍以上の整数倍と一致する、地盤改良用高圧噴射撹拌装置。上側噴射ノズル２から切削液４を噴射させ、かつ、下側噴射ノズル３から固化材スラリー５を噴射させる。【選択図】図１

Description

本発明は、地盤改良用高圧噴射撹拌装置、および該高圧噴射撹拌装置を用いた地盤改良方法に関する。

従来、均質な固化土を得ることなどを目的として、種々の地盤改良方法が知られている。
例えば、特許文献１に、地盤内において回転軸に設けた固結用液噴射孔から固結用液を噴射して固結用液と原地盤の土壌とを攪拌混合して地盤に柱体を形成する方法であって、回転軸に略水平方向に固結用液を噴射する固結用液噴射孔を形成し、回転軸の回転速度を粘性土では砂質土より速く、固結用液噴射孔からの噴射圧を粘性土では砂質土より高く、回転軸の進入速度を粘性土では砂質土より遅くなるようにして固結用液と掘削土とを攪拌混合して地盤に柱体を形成することを特徴とする地盤に柱体を形成する方法が記載されている。
この方法によれば、土壌の違いに対応して、最も効率的な方法で地盤中に良好な地盤改良柱体を形成することができる。

特許文献２に、注入ロッドの先端部側壁に、２〜８ｃｍ程度の段差をもって背向して対をなす核ノズルと囲周ノズルから成る重合噴射ノズルを、１又は複数対設定した注入ロッドを対象地盤に挿入し、各重合噴射ノズルの囲周ノズルからエアーを噴出しながら、対の上段重合噴射ノズルの核ノズルから硬化材を高圧噴射し、同時に、下段重合噴射ノズルの核ノズルから、上段重合噴射ノズルの核ノズルから噴射される硬化材の１〜２倍の吐出量による硬化材を高圧噴射しつつ、注入ロッドの回動及び上昇作動を行って硬化材注入層を造成することを特徴とする地盤改良工法が記載されている。 この工法によれば、重合噴射ノズルによる硬化材噴流の地中推進距離を従来に比して飛躍的に伸長させると共に、エアーの使用により発生する過剰スライムを積極的に排出して、予期せぬ場所での地上への隆起や噴射材の無駄をなくして改良施工の効率化と低コスト化の実現を可能にすることができる。

特許文献３に、回転軸を回転させながら引き上げる際、回転軸の所定の位置に付設された２以上の固化材吐出ノズルから固化材を、複流数ジェットを形成しながら吐出させ、原位置土と攪拌混合して固化処理杭を造成する方法であって、該固化材吐出ノズルの軌跡のピッチが２．０〜５．０ｃｍの範囲から選ばれる一定値Ｐとなるよう回転軸の回転数と引き上げ速度を決定して行うことを特徴とする複流線ジェットによる固化処理杭の造成方法が記載されている。
この造成方法によれば、施工時間を短縮して、均質な固化処理杭を施工することができる。

特許文献４に、先端部側壁に噴射ノズルを設けた注入ロッドを対象地盤中に挿入し、所定深度に達したところで、同噴射ノズルから高圧で清水を噴射しつつ注入ロッドを回動させて清水噴流により周辺地盤を切削攪拌しながら、注入ロッドを所定の部位まで引き抜き移動して清水を同地盤中に回流リフトすることにより、移動範囲における対象地盤中の粘性土を排除する工程と、前記工程により注入ロッドが所定部位に達したところで、同噴射ノズルから高圧で地盤硬化材を噴射して硬化材噴流により周辺地盤を更に切削攪拌しながら、注入ロッドを回動させつつ前記工程の完了した同地盤中に推進挿入して粘性土が排除された清水攪拌域に地盤硬化材を充填する工程とからなる地盤硬化材注入工法が記載されている。
この工法によれば、硬化材が確実に充填される空隙を持つ基礎改良域を造成することができるなどの作用および効果を得ることができる。

特開平６−１４６２５９号公報 特開２０１２−４１７９４号公報 特開２００６−１２４９１５号公報 特開平６−１２３１１６号公報

護岸の河川側の軟弱地盤を改良して、地盤改良体を造成する工事を行う場合、護岸構造（例えば、鋼矢板）の近傍部分を除いた広い領域については、機械撹拌工法で工事を行って、機械撹拌による地盤改良体を造成し、また、護岸構造（例えば、鋼矢板）の近傍部分の狭い領域（機械撹拌によって地盤改良体を造成した領域以外の帯状の領域；図３中の符号２６参照）については、高圧噴射撹拌工法による工事を行って、高圧噴射撹拌による地盤改良体を造成するという方法を採ることがある。

このような方法を採る理由は、以下のとおりである。仮に、機械撹拌工法のみで工事を行った場合、未改良の地盤をなるべく残さないように護岸の非常に近くまで工事を行おうとしても、機械撹拌工法で造成される地盤改良体断面が、撹拌翼の回転軌跡のとおり円形であり、護岸構造の平面形状が例えば凹凸のある折れ線形状（図３中の符号２１参照）であるため、地盤改良体が護岸構造に密着せず未改良部分（図３中の符号２６参照）が残り、護岸側からの主働土圧を河川内の機械撹拌工法による地盤改良体（改良範囲）に確実に伝達できない。また、護岸構造になるべく密着させた改良体を造成しようとして、機械撹拌工法のロッドに装着される撹拌翼を、護岸構造に近づけていくと、撹拌翼が護岸構造（鋼矢板）とぶつかって、撹拌翼や護岸構造が破損してしまう。したがって、機械撹拌工法では、護岸構造に密着した地盤改良体は造成できない。

このため、護岸の近くまで、機械撹拌工法による工事を行って、地盤改良体を造成した後、この地盤改良体と護岸構造の間に形成された帯状の未改良の地盤の領域を対象にして、高圧噴射撹拌工法による工事（具体的には、固化材スラリーの高圧噴射による未改良の地盤の改良）を行い、機械撹拌工法による改良域と高圧噴射撹拌工法による改良域を密着させることによって、護岸側からの主働土圧が河川内の受働領域に確実に伝達できるような構造を構築して、一連の地盤改良工事を完成させている。
なお、護岸構造（例えば、鋼矢板）の近傍部分の狭い領域（帯状の領域）の施工は、間詰施工とも称される。

しかし、間詰施工で地盤改良体を造成する場合、改良強度および改良径のいずれについても優れた均一性を有する地盤改良体を造成することは、困難であった。
本発明の目的は、改良強度および改良径のいずれについても優れた均一性を有する地盤改良体を造成することができる地盤改良用高圧噴射撹拌装置、および該高圧噴射撹拌装置を用いた地盤改良方法を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、鉛直方向に間隔を置いて配設された上側噴射ノズルおよび下側噴射ノズルを先端部分に備えたロッドを有する地盤改良用高圧噴射撹拌装置であって、上記上側噴射ノズルと上記下側噴射ノズルの間の距離が、上記ロッドの引上げステップ長の１倍以上の整数倍と一致するように構成した地盤改良用高圧噴射撹拌装置によれば、改良強度および改良径のいずれについても優れた均一性を有する地盤改良体を造成することができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［８］を提供するものである。
［１］ 鉛直方向に間隔を置いて配設された上側噴射ノズルおよび下側噴射ノズルを先端部分に備えたロッドを有する地盤改良用高圧噴射撹拌装置であって、上記上側噴射ノズルと上記下側噴射ノズルの間の距離が、上記ロッドの引上げステップ長の１倍以上の整数倍と一致することを特徴とする地盤改良用高圧噴射撹拌装置。
［２］ 上記上側噴射ノズルと上記下側噴射ノズルの間の距離が、上記ロッドの引上げステップ長の１倍、２倍または３倍と一致する、上記［１］に記載の地盤改良用高圧噴射撹拌装置。
［３］ 上記下側噴射ノズルが、上記ロッドの周面上において、上記上側噴射ノズルとは反対側の位置に配設されている、上記［１］又は［２］に記載の地盤改良用高圧噴射撹拌装置。

［４］ 上記［１］〜［３］のいずれかに記載の地盤改良用高圧噴射撹拌装置を用いた地盤改良方法であって、上記上側噴射ノズルから切削液を噴射させ、かつ、上記下側噴射ノズルから固化材スラリーを噴射させることを特徴とする地盤改良方法。
［５］ 上記ロッドの引上げステップ長が４〜６ｃｍであり、上記ロッドの回転数が２０±２ｒｐｍであり、１ｍ当たりの引上げ時間が６０〜１００秒間である、上記［４］に記載の地盤改良方法。
［６］ 上記上側噴射ノズルと上記下側噴射ノズルの間の距離が、１０〜１２ｃｍでかつ上記ロッドの引上げステップ長の２倍である、上記［４］又は［５］に記載の地盤改良方法。
［７］ 上記地盤改良方法を適用する地盤が、既設の地盤改良体と、護岸構造体の間の地盤である、上記［４］〜［６］のいずれかに記載の地盤改良方法。
［８］ 上記［１］〜［３］のいずれかに記載の地盤改良用高圧噴射撹拌装置を用いた高圧噴射撹拌工法であって、上記上側噴射ノズルから噴射される切削液によって切削された地盤の領域と同じ領域が、上記下側噴射ノズルから噴射される固化材スラリーによって、再度、切削されることを特徴とする高圧噴射撹拌工法。

本発明によれば、改良強度および改良径のいずれについても優れた均一性を有する地盤改良体を造成することができる。
また、本発明によれば、以下の副次的効果を得ることができる。
第一に、固化材スラリーの過剰な量の使用が回避され、固化材を常に適正な量（無駄のない量）で用いることができる。
第二に、間詰施工等において、地盤改良体の上端付近（例えば、本発明による地盤改良体の造成領域である河床）にて、固化材スラリーが大量に噴出したり、あるいは、固化した土壌が盛り上がり土として大量に排出され、この盛り上がり土の斫（はつり）および撤去が必要になるなどの事態を回避することができる。
第三に、本発明の高圧噴射撹拌装置および地盤改良方法は、簡易でかつ低コストであるため、施工コストを増大させることがない。

第四に、上述の特許文献４に記載の技術と異なり、複数の工程（具体的には、特定の位置に停止したロッドから、切削液の噴射と固化材スラリーの噴射をこの順に別々に行うこと）を一つの工程（具体的には、特定の位置に停止したロッドから、切削液を噴射した後、固化材スラリーの噴射のために留まることなく、ロッドを引き上げることが可能なこと）で行うことができるので、施工時間の増大等を招かず、施工作業の効率が向上する。
第五に、切削液による切削の後に、固化材スラリーを噴射しているので、切削液による切削を行わずに固化材スラリーを噴射する場合に比べて、混合撹拌の効率が高く、それゆえ、ロッドの引上げ速度を増大させることができ、この場合、地盤中に噴射する固化材スラリーの量が大幅に減少し、その分、地盤の変位や隆起を抑制することができる。

本発明の地盤改良用高圧噴射撹拌装置を用いた地盤改良方法を説明するための概念図である。 本発明の地盤改良方法を用いて間詰施工を行った場合における地盤改良体およびその周辺構造を模式的に示す断面図である。 図２に示す地盤改良体の造成領域とその周辺構造の位置関係を示す平面図である。

本発明の地盤改良用高圧噴射撹拌装置（以下、本発明の装置ともいう。）は、鉛直方向に間隔を置いて配設された上側噴射ノズルおよび下側噴射ノズルを先端部分に備えたロッドを有するものであって、上側噴射ノズルと下側噴射ノズルの間の距離が、ロッドの引上げステップ長の１倍以上の整数倍（具体的には、１倍、２倍、３倍、・・・）と一致するものである。
本発明において、地盤改良用高圧噴射撹拌装置とは、固化材スラリーを地盤中に噴射することによって、当該地盤を撹拌しつつ、当該地盤を構成する土壌と固化材スラリーを混合して、土壌の固化体である地盤改良体を造成することのできる装置をいう。

本発明において、「鉛直方向に間隔を置いて配設された」とは、本発明の装置のロッドが鉛直方向に延びている状態（換言すると、本発明の装置を用いて地盤改良工事を行っている場合における、地盤中にロッドが鉛直方向に挿入されている状態）において、鉛直方向に特定の間隔（例えば、引上げステップ長が５ｃｍである場合に、引上げステップ長と同じ５ｃｍ）を置いて、配設されていることを意味する。
本発明において、「ロッドの先端部分」とは、ロッドの下端（図１の符号６参照）から上方に適宜の距離に亘る領域であって、高圧噴射のためのノズル（具体的には、上側噴射ノズルおよび下側噴射ノズル）を含む領域の部分を意味する。

本発明において、「上側噴射ノズル」および「下側噴射ノズル」とは、本発明の装置のロッドが鉛直方向に延びている状態において、これら２つの噴射ノズルの互いの相対的な位置関係として、各々、「上側」（地表に近い鉛直上方の側）または「下側」（地中に向かう鉛直下方の側）の噴射ノズルを意味する。
上側噴射ノズルは、通常、切削液を噴射するためのノズルである。
切削液としては、水や、低濃度の固化材を含むスラリー（水に少量の固化材を添加し混合してなるもの）等が挙げられる。ここで、低濃度の固化材を含むスラリーとは、下側噴射ノズルから噴射される固化材スラリーに比べて、固化材の濃度が小さいスラリーをいう。
切削液の噴射は、例えば、３０〜５０ＭＰａの加圧下で、７０〜１００リットル／分の噴射量の条件下で行われる。
下側噴射ノズルは、通常、固化材スラリーを噴射するためのノズルである。
本発明において、固化材スラリーとしては、従来の高圧噴射撹拌工法で用いる固化材スラリーと同じものを用いることができる。
固化材スラリーの噴射は、例えば、３０〜５０ＭＰａの加圧下で、１００〜１５０リットル／分の噴射量の条件下で行われる。

上側噴射ノズルと下側噴射ノズルとは、ロッドの周面上において、互いに反対側の位置に配設されていることが好ましい。
具体的には、下側噴射ノズルの位置（水平断面が円形であるロッドを下側噴射ノズルの位置にて水平方向に切断した場合における、当該円形上の下側噴射ノズルの地点）は、ロッドの周面上において、上側噴射ノズルの位置（水平断面が円形であるロッドを上側噴射ノズルの位置にて水平方向に切断した場合における、当該円形上の上側噴射ノズルの地点）を基準にして、水平断面が円形であるロッドの全周を３６０度とした場合に、好ましくは１２０〜２４０度の範囲内であり、より好ましくは１４０〜２２０度の範囲内であり、さらに好ましくは１６０〜２００度の範囲内であり、特に好ましくは１８０度である。
上側噴射ノズルに対する下側噴射ノズルの位置関係が、上述の好ましい範囲内にあれば、切削液および固化材スラリーの噴射によるロッドの水平方向へのブレ（例えば、ロッドの先端部分の下側噴射ノズルから水平方向にジェット噴射される固化材スラリーの反力が、片持ち梁的にロッドに作用することによるロッドの撓み）を、互いに反対方向に噴射される切削液噴射と固化材スラリー噴射による力の打ち消し合いにより抑制することができ、その結果、改良強度および改良径のいずれについても、均一性をより高めることができる。

上側噴射ノズルと上記下側噴射ノズルの間の距離は、ロッドの引上げステップ長に対して、好ましくは、１倍（ロッドの引上げステップ長と同じ寸法の距離）、２倍または３倍であり、より好ましくは１倍または２倍である。

本発明において、「ロッドの引上げステップ長」とは、ロッドについて、停止、上昇、停止の順に動作が繰り返される場合における、停止と、次回の停止の間にロッドが移動する距離をいう。
ロッドの引上げステップ長は、特に限定されないが、改良強度および改良径の各均一性を高める観点から、好ましくは４〜６ｃｍ、より好ましくは５ｃｍである。しかし、場合によって２．５ｃｍに設定される場合もある。
ロッドの回転数は、特に限定されないが、改良強度および改良径の各均一性を高める観点から、好ましくは２０±２ｒｐｍである。
ロッドの１ｍ当たりの引上げ時間は、改良強度および改良径の各均一性を高める観点、および固化材の十分な添加量を確保する観点から、好ましくは６０〜１００秒間である。

次に、本発明の地盤改良用高圧噴射撹拌装置を用いた地盤改良方法の一例を、図１〜図３を参照しつつ説明する。
本発明の地盤改良方法は、地盤改良用高圧噴射撹拌装置のロッド１（図１参照）の上側噴射ノズル２から切削液４を噴射させ、かつ、下側噴射ノズル３から固化材スラリー５を噴射させるものである。
図１中、左端に、機械撹拌工法によって造成された既設の地盤改良体１０の鉛直方向の位置を示す。
図１中の（ａ）において、上側噴射ノズル２と下側噴射ノズル３の間の鉛直方向の距離は、ロッド１の引上げステップ長の１倍である。上側噴射ノズル２の位置（鉛直方向の高さ）は、既設の地盤改良体１０の下端１１の位置と同じである。なお、下側噴射ノズル３は、ロッド１の下端６から上方に適宜の距離を隔てた位置に設けられている。
下側噴射ノズル３は、ロッド１の周面において、上側噴射ノズル２に対して１８０度（ロッド１に対して反対側）の地点に位置している。

ロッド１は、図１中の（ａ）の状態から、１ステップ分だけ引き上げると、図１中の（ｂ）に示す状態となる。ここで、（ｂ）中の斜めの点線で示す領域７は、上側噴射ノズル２から噴射した切削水によって切削された土壌の領域（切削土）を示したものである。
次に、ロッド１は、図１中の（ｂ）の状態から、１ステップ分だけ引き上げると、図１中の（ｃ）に示す状態となる。ここで、（ｃ）中の斜めの点線で示す領域７は、（ｂ）中の斜めの点線で示す領域と同様に、切削水によって切削された土壌の領域（切削土）を示す。また、（ｃ）中の２つの斜めの点線が交差したものとして示す領域８は、固化材スラリーが噴射されて、固化後に地盤改良体となる土壌（改良土）の領域を示す。
次に、ロッド１は、図１中の（ｃ）の状態から、１ステップ分だけ引き上げると、図１中の（ｄ）に示す状態となる。ここで、（ｄ）中、斜めの点線で示す領域、および、２つの斜めの点線が交差したものとして示す領域は、図１中の（ｃ）と同様に、各々、切削土、改良土の各領域を示す。

図１に示す例以外の一例として、上側噴射ノズルと下側噴射ノズルの間の距離が、１０〜１２ｃｍでかつロッドの引上げステップ長の２倍であるものが挙げられる。
この場合、ロッドの引上げステップ長は、５〜６ｃｍである。
例えば、ロッドの引上げステップ長が５ｃｍであり、かつ、上側噴射ノズルと下側噴射ノズルの間の距離が１０ｃｍである場合、上側噴射ノズルから噴射される切削液によって切削された地盤の領域は、この切削液による切削の時から２回の引上げステップの時間の経過後（換言すると、ロッドの断続的な２回の上昇の後）に、下側噴射ノズルから噴射される固化材スラリーによって、再度、切削されることになる。したがって、切削液による切削を行わずに固化材スラリーのみを噴射する場合に比べて、混合撹拌の効率が高くなり、それゆえ、ロッドの引上げ速度を増大させることができる。そして、地盤中に噴射する固化材スラリーの量が大幅に減少し、その分、地盤の変位や隆起が抑制される。

上述の例である、上側噴射ノズルと下側噴射ノズルの間の距離が１０〜１２ｃｍでかつロッドの引上げステップ長の２倍である場合には、上側噴射ノズルと下側噴射ノズルの間の距離がロッドの引上げステップ長の１倍である場合に比べて、上側噴射ノズルによる切削と下側噴射ノズルによる切削の時間的間隔が２倍になり、一度切削した面に対して直ちに二度目の切削を行うことができなくなるものの、上段噴射ノズルから噴射される切削液と下段噴射ノズルから噴射される固化材スラリーが幾分混じりにくくなるという効果が期待できる。

図２は、図１に示す方法で造成される地盤改良体およびその周辺構造を示す。
図２中、陸地２０の縁に、鋼矢板（護岸構造）２１が形成されている。河川の水面２４下の軟弱地盤を改良するために、まず、機械撹拌工法によって、河床（川底）２５の下方に地盤改良体１０を造成する。
次いで、この既設の地盤改良体１０と、鋼矢板（護岸構造）２１の間に、間詰施工として、本発明の地盤改良方法を用いて、地盤改良体１２（上方から見ると河床２５に帯状に形成されるもの）を造成する。
地盤改良体１２は、改良強度および改良径のいずれについても優れた均一性を有するものである。また、地盤改良体１２は、地盤の変位や隆起が抑制されたものである。
図３は、鋼矢板（護岸構造）２１と、河床２５の下方に存在する既設の地盤改良体１０（その縁辺２２を点線で示す。）の間に、複数の断面円形状の固化柱からなる地盤改良体１２（本発明の方法によって形成されたもの；その縁辺２３を実線で示す。）が造成された状態を示す。

１ ロッド
２ 上側噴射ノズル
３ 下側噴射ノズル
４ 切削液
５ 固化材スラリー
６ ロッドの下端
７ 切削土
８ 改良土
１０ 機械撹拌工法によって造成された既設の地盤改良体
１１ 既設の地盤改良体の下端
１２ 本発明の地盤改良方法によって造成された地盤改良体
２０ 陸地
２１ 鋼矢板（護岸構造）
２２ 既設の地盤改良体の縁辺
２３ 本発明の地盤改良方法によって造成された地盤改良体の縁辺
２４ 河川の水面
２５ 河床
２６ 帯状の領域

Claims (8)

1. 鉛直方向に間隔を置いて配設された上側噴射ノズルおよび下側噴射ノズルを先端部分に備えたロッドを有する地盤改良用高圧噴射撹拌装置であって、上記上側噴射ノズルと上記下側噴射ノズルの間の距離が、上記ロッドの引上げステップ長の１倍以上の整数倍と一致することを特徴とする地盤改良用高圧噴射撹拌装置。
2. 上記上側噴射ノズルと上記下側噴射ノズルの間の距離が、上記ロッドの引上げステップ長の１倍、２倍または３倍と一致する請求項１に記載の地盤改良用高圧噴射撹拌装置。
3. 上記下側噴射ノズルが、上記ロッドの周面上において、上記上側噴射ノズルとは反対側の位置に配設されている請求項１又は２に記載の地盤改良用高圧噴射撹拌装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の地盤改良用高圧噴射撹拌装置を用いた地盤改良方法であって、上記上側噴射ノズルから切削液を噴射させ、かつ、上記下側噴射ノズルから固化材スラリーを噴射させることを特徴とする地盤改良方法。
5. 上記ロッドの引上げステップ長が４〜６ｃｍであり、上記ロッドの回転数が２０±２ｒｐｍであり、１ｍ当たりの引上げ時間が６０〜１００秒間である請求項４に記載の地盤改良方法。
6. 上記上側噴射ノズルと上記下側噴射ノズルの間の距離が、１０〜１２ｃｍでかつ上記ロッドの引上げステップ長の２倍である請求項４又は５に記載の地盤改良方法。
7. 上記地盤改良方法を適用する地盤が、既設の地盤改良体と、護岸構造体の間の地盤である請求項４〜６のいずれか１項に記載の地盤改良方法。
8. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の地盤改良用高圧噴射撹拌装置を用いた高圧噴射撹拌工法であって、上記上側噴射ノズルから噴射される切削液によって切削された地盤の領域と同じ領域が、上記下側噴射ノズルから噴射される固化材スラリーによって、再度、切削されることを特徴とする高圧噴射撹拌工法。

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