JP2019167784A - スラグコンパクションパイル工法用材料、スラグコンパクションパイル工法用材料の製造方法及びスラグコンパクションパイルの造成方法。 - Google Patents
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Abstract
Description
0質量%≦α・FCBF+β・FCLD≦10質量% 式(1)
α:前記高炉水砕スラグの混合率(質量%)
β:前記製鋼スラグの混合率(質量%)
FCBF:前記高炉水砕スラグの細粒分混合率(質量%)
FCLD:前記製鋼スラグの細粒分混合率(質量%)
緩い砂や軟弱な粘性土からなる地盤上に構造物を築造する場合には、地震時の緩い砂の液状化防止、構造物の荷重等による軟弱粘性土のすべり破壊防止や沈下低減対策として、サンドコンパクションパイル等の地盤改良が行われる場合が多い。サンドコンパクションパイル工法とは、強固に締固めたサンドコンパクションパイルを改良すべき地盤中に造成する地盤改良方法の一種である。
ここまで、本発明者らが本発明をするに至った経緯に説明した。続いて、本実施形態に係るスラグコンパクションパイル用材料について説明する。本実施形態に係るスラグコンパクションパイル工法材料は、スラグの種類として高炉水砕スラグ及び製鋼スラグを含有し、高炉水砕スラグと製鋼スラグの混合材料を95%以上の締固め度Dcで締固めた後、28日間養生することにより作製される供試体の一軸圧縮強さquが300kN/m2以上であるスラグコンパクションパイル工法材料である。
まず、スラグコンパクションパイル材料の締固め度Dcについて説明する。締固め度Dcは、材料の締固めの程度を表す指標である。締固め度Dcは、具体的には、最大乾燥密度に対する材料の締固め時の乾燥密度の比であり、締固め度Dcが高い材料であるほど、粒子の集合体としての供試体のせん断強度(せん断抵抗角φ)が大きく、荷重作用時の変形が小さい(剛性が大きい)という特性を有する。上記最大乾燥密度は、「JIS A 1210:土の突固めによる土の締固め試験」に規定された方法に基づいて測定する。最大乾燥密度は、具体的には、直径15cm、高さ12.5cm、容積2209cm3の鋼製モールドにスラグコンパクションパイル材料を高さ方向に3層に分けて突き固め充填する。各層の突き固めは、質量が4.5kgのランマーを高さ45cmの位置から92回落下させて行う。そして、突き固め後の材料の密度を測定する。この試験では、含水比を変えた数種類の材料に対して上記の方法で締固め試験を行い、その締固め試料を炉乾燥して得られた数種類の乾燥密度の最大値を最大乾燥密度、最大乾燥密度が得られるときの締固め時の試料の含水比を最適含水比として評価する。
先だって説明したように、港湾基準により、耐震性評価の基準として、レベル2地震動に対する地盤の残留水平変位量が、例えば、100cm程度以下であることが一つの指標となっている。一軸圧縮強さは、残留水平変位を抑制するための、スラグコンパクションパイルならびにその改良地盤におけるせん断抵抗角φ0や初期せん断剛性率G0とも後述するような相関性をもっており、材料品質管理の上から最も望ましい指標である。
本実施形態に係る高炉水砕スラグと製鋼スラグを含むスラグコンパクションパイル材料は、締め固めることで拘束圧依存性を有するせん断抵抗(粒子の摩擦抵抗成分であるφ成分)が発現し、また、スラグコンパクションパイル材料が水和反応により固化することで、拘束圧に依存しないせん断抵抗(粘着成分)が発現する。その結果、本実施形態に係るスラグコンパクションパイル材料は、天然砂にはない強固なスラグコンパクションパイルを形成する。中でも、スラグコンパクションパイル材料の固化に起因するせん断抵抗は、高炉水砕スラグがアルカリによる刺激を受けて硬化するアルカリ刺激作用によって発現する。高炉水砕スラグは、スラグ成分の合計質量に対して5質量%以上含まれると、特にアルカリ作用の大きい製鋼スラグによるアルカリ刺激が高炉水砕スラグに与えられることで固化が促進され、スラグコンパクションパイルの強度を向上させることができる。一方で、高炉水砕スラグは、製鋼スラグと比較して粒度分布が単粒度に近く、締固めにくい。そのため、高炉水砕スラグの混合率αが30質量%以上となると、高炉水砕スラグと製鋼スラグが混合されたスラグコンパクションパイル材料の締固め性が低下し、スラグコンパクションパイルの強度向上の効果は低減する。よって、高炉水砕スラグの混合率αは、5質量%以上30質量%以下であることが好ましく、製鋼スラグの混合率βは、70質量%以上95質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、高炉水砕スラグの混合率αは10質量%以上20質量%以下であり、製鋼スラグの混合率βは、80質量%以上90質量%以下である。
<2.4.1.高炉水砕スラグ>
本実施形態に係る高炉水砕スラグは、一般的なセメント原料として用いられる成分を有していることが好ましい。そのため、高炉水砕スラグの含有化学成分は、一般的に用いられるセメント原料の組成範囲である、35〜44質量%のCaOと、31〜35質量%のSiO2と、10〜15質量%のAl2O3と、5〜8質量%のMgOと、を合計で100質量%以下となるように含有することが好ましい。
高炉水砕スラグのアルカリ刺激効果は、製鋼スラグに含まれるf−CaOの多寡により、増減する可能性があるため、製鋼スラグは、1.0質量%以上のf‐CaOを少なくとも含有することが好ましい。より好ましくは、f−CaOの含有率は2.0質量%以上である。また、製鋼スラグは、35質量%以上50質量%未満のCaOと、7質量%以上20質量%未満のSiO2とを含むことが好ましい。
スラグの含有化学成分については、スラグから代表性良く分析試料を採取し、微粉砕した後、粉体ブリケットあるいはガラスビード化して蛍光X線装置により分析する方法、あるいは微粉砕した試料を酸やアルカリ等を用いて分解して溶液化し、ICP−OES法、原子吸光光度法、吸光光度法などで分析する方法が挙げられる。製鋼スラグに含まれるf−CaOについては、採取した分析試料を75μm以下に粉砕し、80℃程度に加熱したエチレングリコールに浸漬させることによって試料中のf−CaOを選択的に抽出した後、エチレングリコール中のCa濃度をICP−OES法、原子吸光光度法、吸光光度法などで分析することによって求めることができる。
高炉水砕スラグの最大粒径は、固化促進の観点から9.5mm以下であることが好ましい。より好ましくは、高炉水砕スラグの最大粒径は、4.75mm以下である。また、製鋼スラグの最大粒径は、高炉水砕スラグのアルカリ刺激による固化促進の観点から、40mm以下であることが好ましい。より好ましくは、製鋼スラグの最大粒径は26.5mm以下である。
細粒分混合率FCは、粒径75mm未満の地盤材料に含まれる粒径75μm未満の粒子である細粒分の割合を示す値であり、その地盤材料が粗粒材料か否かの判別や地震時の地盤の液状化判定などに利用される。この細粒分混合率FCは、「JIS A 1204:土の粒度試験方法」に規定された方法で測定される。
0質量%≦α・FCBF+β・FCLD≦10質量% (1)
ただし、αは高炉水砕スラグの混合率(質量%)であり、βは製鋼スラグの混合率(質量%)である。
地盤を形成する土のせん断抵抗角φは、地盤の支持力、地盤の沈下、地盤の変形等の、構造物を支持する地盤の安定性に影響を及ぼす重要な因子の一つである。地盤にスラグコンパクションパイルを造成する際には、改良地盤の仕様を決定するための安定計算の際に、スラグコンパクションパイル材料のせん断抵抗角φが用いられ、かかるせん断抵抗角φは、必要に応じて実際に測定して設定される場合が多い。ここで、材料を所要の密度に充填して作製した集合体である供試体のせん断抵抗角φ0を算出する方法を、図1及び図2を参照しながら説明する。まず、スラグコンパクションパイル材料を用いた供試体に三軸圧縮試験を実施して、応力―ひずみ曲線Lsを作成する。図1は、三軸圧縮試験の供試体(D=150mm、H=300mmの円柱供試体)に作用する応力σと、供試体に発生する軸ひずみεaを説明するための説明図である。図2は、三軸圧縮試験における軸差応力qと軸ひずみεaとの関係を示すグラフ図である。三軸圧縮試験では、供試体を試験機にセットした後、水平2方向及び鉛直1方向の三軸の各方向に、等方圧密圧力σ3を作用させる。所定の時間経過後、鉛直軸方向の1軸方向のみ圧力を増加させると、最大主応力σ1が作用する。この最大主応力σ1と最小主応力である圧密圧力σ3との軸差応力q(=σ1―σ3)により、供試体には軸ひずみεaが生じる。軸ひずみεaは、供試体の高さHに対する、軸差応力qによる変形量ΔHの比であるΔH/H(=εa)で示される。
sinφ0=(σ1res−σ3)/(σ1res+σ3) (2)
φ0=sin−1(qres/(qres+2σ3)) (3)
ここで、φ0は供試体のせん断抵抗角である。qresは、供試体の三軸圧縮試験により得られる応力―ひずみ曲線Lsにおいて、軸ひずみεaが5%となるときの軸差応力である。σ3は、三軸圧縮試験における圧密圧力である。かかる供試体のせん断抵抗角φ0は、本実施形態にかかる地震応答解析に用いられる。
φ0=0.0292×qu+44.456(決定係数R2=0.8194) (4)
地盤のせん断剛性率Gは、先だって説明した地盤を形成する土のせん断抵抗角φと同様に、地盤の変形に影響を与える因子の一つである。そのため、造成されるスラグコンパクションパイルのせん断剛性率Gは、地盤改良の際に検討されることが多い。従って、地盤の変形は、その地盤の形成する土のせん断抵抗角φ及びせん断剛性率Gの影響を受ける。例えば、図4に示すように、地盤に対して垂直応力σとせん断応力τが作用し、地盤にせん断ひずみγが生じた場合を考える。せん断剛性率Gは、厳密には地盤のせん断応力とせん断ひずみの関係が非線形(曲線)であるため、せん断ひずみの増加とともに曲線の勾配であるせん断剛性率Gが低下する。この関係において、非常に小さいせん断ひずみにおいては、せん断剛性率Gは最大値をとって一定と判断できる。この微小ひずみの等価せん断剛性率Geqを初期せん断剛性率G0と定義する。
τy=σ・tanφ (5)
G0=92.315Ln(qu)+192.03(決定係数R2=0.8562) (7)
ここまで、本実施形態に係るスラグコンパクションパイル工法用材料の製造方法を詳細に説明した。続いて、本実施形態に係るスラグコンパクションパイルの造成方法について説明する。
図10は、本実施形態に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の一例を説明するための説明図である。本実施形態に係るスラグコンパクションパイルは、例えば、ケーシングパイプ1にホッパー2からスラグコンパクションパイル材料6を装入し、バイブロハンマ等の振動機3により振動を与えるとともに、ケーシングパイプ1の貫入、引抜き、及びケーシングパイプ1の先端部1aによる打戻しを繰り返す打戻し式により造成される。詳細には、無限軌道式走行車体に支持されたリーダー(図示せず)を介して支承され、ホッパー2及び振動機3を備えたケーシングパイプ支承ホルダー4により、ケーシングパイプ1の上端部が支承される。ケーシングパイプ1が支承された状態で、図10に示した、(1)〜(6)の手順でスラグコンパクションパイルは造成されてもよい。
次に、図11を参照しながら、本発明に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の他の一例を説明する。図11は、本実施形態に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の一例を説明するための説明図である。本造成方法は、例えば、ケーシングパイプ1を保持しながら回転駆動する回転駆動装置(図示せず)と、ホッパー2及びリーダー側のラックにかみ合う歯車を内蔵した強制昇降装置5とが、無限軌道式走行車体に支持されたリーダーを介してケーシングパイプ1の上端部で支承される。ケーシングパイプ1の上端部が支承された状態で、図11に示した(1)〜(6)の手順でスラグコンパクションパイルは造成されてもよい。
次に、図12を参照しながら、本発明に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の他の一例を説明する。図12は、本実施形態に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の一例を説明するための説明図である。本造成方法によるスラグコンパクションパイル7の造成は、外管1b及び内管1cを備えるケーシングパイプ1の先端に掘削・拡径ヘッド8が設けられた設備を用いて行われる。掘削・拡径ヘッド8は、ケーシングパイプ1に対して傾斜した状態で設けられる。本方法を適用したスラグコンパクションパイルの造成は、例えば、図12に示した(1)〜(7)の手順で行われてもよい。掘削・拡径ヘッド8が設けられたケーシングパイプ1を地中に回転貫入すると、掘削・拡径ヘッド8が傾斜しているため、掘削・拡径ヘッド8に空隙部分が生じる。この空隙部分に掘削土が運ばれ、この掘削土が地盤の側面に押し付けられることで貫入孔が造成される。そして、連続的にスラグコンパクションパイル材料6の締固め、拡径を連続的に行うことでスラグコンパクションパイル中間体6aが形成し、最終的にスラグコンパクションパイル7が造成される。本方法では、ケーシングパイプ1の先端部が例えばT3のような軌跡を描くようにスラグコンパクションパイル材料6を締固めることで、造成過程で生じる振動や騒音を低減することが可能である。
次に、図13を参照しながら、本発明に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の他の一例を説明する。図13は、本実施形態に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の一例を説明するための説明図である。本造成方法は、内管1cと外管1bを備える二重管構造のケーシングパイプ1が使用される。詳細には、スラグコンパクションパイルは、二重管構造のケーシングパイプ1を所定深度まで回転貫入した後ケーシングパイプ1の引き上げとともに、本実施形態に係るスラグコンパクションパイル材料6を内管1cから排出しながら、内管1cを上下に動作させることで造成される。本実施形態に係るスラグコンパクションパイルは、例えば、図13に示した(1)〜(5)の手順でスラグコンパクションパイルは造成されてもよい。
次に、図14を参照しながら、本発明に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の他の一例を説明する。図14は、本実施形態に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の一例を説明するための説明図である。本造成方法には、ケーシングパイプ1内に設けられたインナースクリュー9が使用される。インナースクリュー9によりスラグコンパクションパイル材料6が強制吐出され、インナースクリュー9の底面における捻りせん断によって、スラグコンパクションパイル材料6が締固め拡径されて、スラグコンパクションパイル7は、造成される。例えば、図14に示した、(1)〜(6)の手順でスラグコンパクションパイルは造成されてもよい。
次に、図15を参照しながら、本発明に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の他の一例を説明する。図15は、本実施形態に係るスラグコンパクションパイルの造成方法の一例を説明するための説明図である。本造成方法は、ケーシングパイプ1を引き上げながら本実施形態に係るスラグコンパクションパイル材料6を排出し、ケーシングパイプ1に内装される締固め装置10により材料を締固め、拡径する方法である。例えば、図15に示した(1)〜(5)の手順でスラグコンパクションパイルは造成されてもよい。
<4.1.第1の実施例>
供試体を以下の方法で作製した。まず、高炉水砕スラグと製鋼スラグの混合材料を、直径が15cmであり、高さが30cmである鋼製の容器に、締固め度Dcが95%となるように装入した。次いで容器内に水道水を加えて容器の上面を覆った後、水温が20℃の水槽に28日間浸漬して養生した。その後、容器から成形されたスラグコンパクションパイル材料を取出して供試体を得た。作製したスラグコンパクションパイル材料の最大乾燥密度は、先だって説明した「JIS A 1210:土の突固めによる土の締固め試験」に基づいて測定した。
続いて、表3に示すように、高炉水砕スラグ、製鋼スラグ、及び高炉徐冷スラグの混合率を変えて第1の実施例と同様の方法で供試体を作製した。供試体B1として、スラグコンパクションパイル材料に製鋼スラグのみを使用して供試体を作製し、供試体B2及び供試体B3として、製鋼スラグと高炉水砕スラグと高炉徐冷スラグとを混合して供試体を作製し、供試体B4〜24として、製鋼スラグと高炉徐冷スラグとを混合して供試体を作製した。
続いて、細粒分含有率FCが異なるスラグコンパクションパイル材料を使用して、施工時のケーシングパイプの詰まりを検証した。表4に各スラグコンパクションパイル材料の細粒分含有率FC及びケーシングパイプの詰まりの有無を示す。
1a 先端部
1b 外管
1c 内管
2 ホッパー
3 振動機
4 ケーシングパイプ支承ホルダー
5 強制昇降装置
6 スラグコンパクションパイル材料
6a スラグコンパクションパイル中間体
7 スラグコンパクションパイル
8 掘削・拡径ヘッド
9 インナースクリュー
Claims (6)
- 鉄鋼スラグの種類として高炉水砕スラグ及び製鋼スラグを含有し、
前記高炉水砕スラグと前記製鋼スラグの混合材料を95%以上の締固め度Dcで締め固めた後、28日間養生することにより作製される供試体の一軸圧縮強さが、300kN/m2以上である、スラグコンパクションパイル工法用材料。 - 前記高炉水砕スラグの混合率は、前記鉄鋼スラグの合計質量に対して、5〜80質量%であり、
前記製鋼スラグの混合率は、前記鉄鋼スラグの合計質量に対して、20〜95質量%であり、
前記高炉水砕スラグの混合率及び前記製鋼スラグの混合率の合計が100質量%以下である、請求項1に記載のスラグコンパクションパイル工法用材料。 - 前記鉄鋼スラグの種類として、更に高炉徐冷スラグを含有し、
前記高炉徐冷スラグの混合率は、前記鉄鋼スラグの合計質量に対して、10質量%以下であり、
前記製鋼スラグの混合率と、前記高炉水砕スラグの混合率と、前記高炉徐冷スラグの混合率とが合計で100質量%である、請求項1または2に記載のスラグコンパクションパイル工法用材料。 - JIS A 1204で規定された細粒分混合率FCに関し、前記高炉水砕スラグの細粒分混合率FCBFと、前記製鋼スラグの細粒分混合率FCLDとが、下記式(1)を満たす、請求項1〜3のいずれか1項に記載のスラグコンパクションパイル工法用材料。
0質量%≦α・FCBF+β・FCLD≦10質量% (1)
α:前記高炉水砕スラグの混合率(質量%)
β:前記製鋼スラグの混合率(質量%)
FCBF:前記高炉水砕スラグの細粒分混合率(質量%)
FCLD:前記製鋼スラグの細粒分混合率(質量%) - 鉄鋼スラグの種類として高炉水砕スラグ及び製鋼スラグを含有する混合材料を95%以上の締固め度Dcで締め固めた後、28日間養生することにより作製される供試体の一軸圧縮強さが、300kN/m2以上となるように、
前記鉄鋼スラグの合計質量に対して5〜80質量%の前記高炉水砕スラグと、前記鉄鋼スラグの合計質量に対して20〜95質量%の前記製鋼スラグと、を混合し、前記高炉水砕スラグ及び前記製鋼スラグの合計質量を前記鉄鋼スラグの合計質量に対して100質量%以下とする混合工程を含む、サンドコンパクションパイル工法用材料の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のスラグコンパクションパイル工法用材料を、ケーシングパイプ内に投入して、スラグコンパクションパイルを造成する、スラグコンパクションパイルの造成方法。
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