JP2022182722A

JP2022182722A - 改良土生成方法

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Publication number: JP2022182722A
Application number: JP2021090429A
Authority: JP
Inventors: 武次廣田; Takeji Hirota; 研一佐藤; Kenichi Sato; 博信宮坂; Hironobu Miyasaka; 裕二稲元; Yuji Inamoto
Original assignee: EPLUS CO Ltd; LEAFAIR CO Ltd; Fukuoka University
Current assignee: EPLUS CO Ltd; LEAFAIR CO Ltd; Fukuoka University
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-08

Abstract

【課題】改良対象土にセメント系固化材を添加する以前に、その改良対象土に対し、所定の添加剤を混合撹拌することで、セメント系固化材による固化反応を改善することができる改良土生成方法を提供する。【解決手段】前処理工程（Ｓ１）では、陽イオン交換能を有する改良対象土に対し、アルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオンを有する固体粉体状の添加剤を所定量添加し（Ｓ１１）、これを所定時間撹拌混合し（Ｓ１２，Ｓ１３：Ｎｏ）、所定時間の撹拌混合が終了すると（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、前処理土の生成が完了する（Ｓ１４）。この前処理土に対し、セメント系固化材と水との混合液であるセメントミルクを所定量添加し（Ｓ２１）、これを所定時間撹拌混合し（Ｓ２２，Ｓ２３：Ｎｏ）、所定時間の撹拌混合が終了すると（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、改良固化土の生成が完了する（Ｓ２４）。【選択図】図１

Description

本発明は、改良対象土を改良固化して改良固化土を生成する方法に関するものである。

道路工事、土木工事、及び、建築工事では、その施工対象となる地盤が軟弱である場合に、かかる軟弱地盤の土質を改良するための対策技術として地盤改良工法が用いられている。地盤改良工法は、一般的に、セメント系固化材と現地土とを撹拌混合して対象地盤の土をセメント水和物により改良固化する処理であり、この改良固化によって、対象地盤の強度特性（圧縮特性を含む。）や透水性を改善して、かかる対象地盤上の構造物の安定を図るものである。

特開２００４－９１５０１号公報

しかしながら、上記した地盤改良工法が施工される対象地盤が有機物を多く含む土で構成される場合、普通ポルトランドセメントなどの一般的なセメント系固化材を用いた地盤改良工法では、その施工後の対象地盤の強度を十分に確保することが期待できない場合が多いという問題点がある。

ここで、土壌中には多量の有機物が含まれている。この土壌中の有機物は大きくは生物と非生物とに区分される。非生物有機物については、土壌有機物と呼ばれており、生物の遺体と腐植とに区分される。この土壌有機物は更に腐植物質と非腐植物質とに分類される。腐植物質は高分子有機物の混合物で構成されており、非腐植物質は多糖類、タンパク質、アミノ酸、脂質、リグニンなどで構成されている。

腐植物質は、土中の動植物遺体が微生物の作用を受けて分解生成された、褐色又は黒褐色を呈した物質であって親水性を有するものであり、イオン吸着能（イオン交換能ともいう。）の高いコロイド状物質として、一般に土粒子に吸着して存在しており、例えば、腐植酸と、フルボ酸と、ヒューミンに分類される。なかでも特に、腐植酸は、土質改良に使用されるセメント系固化材に含まれる石灰やセメントなどの効果を著しく低下させるといわれている。

例えば、強熱減量が高く有機物含有量が高いとされる高有機質土を有する地盤では、主に植物繊維から構成されており、この植物繊維の切断による抵抗が発揮されやすく、腐植酸などの有機成分の含有量が多いことから、セメント系固化材による地盤改良の十分な処理効果が期待できないとされている。

ところで、セメント系固化材に使用されるセメントでもあるポルトランドセメントは、主に、珪酸三カルシウム（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２（エーライト（記号：Ｃ_３Ｓ）））、珪酸二カルシウム（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２（ビーライト（記号：Ｃ_２Ｓ）））という。）、間隙質であるアルミン酸三カルシウム（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３（アルミネート層（記号：Ｃ_３Ａ）））、鉄アルミン酸四カルシウム（４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３（フェライト相（記号：Ｃ_４ＡＦ）））、及び、硫酸カルシウム二水和物（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ（石膏））のクリンカー鉱物からなるものであり、セメントの水和反応はこのクリンカー鉱物の構成率に依存している。

このようなセメントは、水との接触により成分が溶解し、難溶性の水和生成物（セメント水和物）を析出して硬化する性質を有している。一般的に、クリンカー鉱物の水和反応は、発熱反応であり、その反応速度は、アルミネート層（Ｃ_３Ａ）、エーライト（Ｃ_３Ｓ）、フィライト相（Ｃ_４ＡＦ）、ビーライト（Ｃ_２Ｓ）の順に速いといわれている。

ここで、セメントと水の水和反応過程において、エーライト（Ｃ_３Ｓ）及びビーライト（Ｃ_２Ｓ）の水和反応過程は本質的に類似すると考えられており、その水和反応初期に、セメントと水とを混合したセメントミルク中でエーライト結晶からカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）が放出され、水から水酸化物イオン（ＯＨ^－）が放出され、これらのカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）と水酸化物イオン（ＯＨ^－）のイオン濃度が上昇し、水和反応過程の進行に伴って積層構造の六角板状水酸化カルシウム（記号：ＣＨ）及び珪酸カルシウム水和物（記号：ＣＳＨ）の生成される。

また、アルミネート層（Ｃ_３Ａ）と石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）との混合系の水和反応では、石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）の溶出速度が速いので、セメント系固化材と水との混合物であるセメントミルク中で石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）がすぐにカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）と硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）とに電離して放出される。

一方、アルミネート層（Ｃ_３Ａ）は、エーライト（Ｃ_３Ｓ）と同様に加水分解反応によりカルシウムイオンを放出し、粒子表面にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に富む層が形成されて、このアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いてエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ（記号：ＡＦｔ））が生成される。エトリンガイト（ＡＦｔ）は、液相反応で生成される水和物であるが、未水和のアルミネート層（Ｃ_３Ａ）の粒子表面を被覆し、アルミネート層（Ｃ_３Ａ）の水和およびセメントの凝結を制御するためのものであるといわれている。

エトリンガイト結晶層（ＡＦｔ）は、セメントミルクの溶液中の硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）が消失するまで成長するが、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）のイオン濃度が低下するとエトリンガイト（ＡＦｔ）が不安となり、エトリンガイト（ＡＦｔ）と未水和のアルミネート層（Ｃ_３Ａ）が再反応して、モノサルフェート（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ（記号：ＡＦｍ））が生成される。

この再反応によってエトリンガイト層（ＡＦｔ）が破壊されると、アルミネート層（Ｃ_３Ａ）の反応が活発となり、エトリンガイト（ＡＦｔ）の全てがモノサルフェート（ＡＦｍ）に変わっても、未水和アルミネート層（Ｃ_３Ａ）は残存する。なお、セメントペースト中の場合では、未水和アルミネート層（Ｃ_３Ａ）と水酸化カルシウム（ＣＨ）の反応によってアルミネート層（Ｃ_３Ａ）の反応は断続的に進行していると思われる。

このようにセメント系固化材は、水との接触によりカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、水酸化物イオン（ＯＨ^－）、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）などの正負の電荷を有する陽イオン及び陰イオンが解離して、難溶性の水和生成物（以下「セメント水和物」という。）を析出して硬化する訳であるが、これらの各種イオンが改良対象となる土に含まれている別の陽イオン及び陰イオンに吸着されて、セメント水和物の生成が阻害されて、地盤改良後の地盤強度が低下することがある。

このような地盤改良強度の低下現象は、その一因として、土に含まれる土壌有機物のうち正電荷又は負電荷を有した状態で存在する炭素カチオン（炭素陽イオン又はカルボカチオンともいう。）及び炭素アニオン（炭素陰イオン又はカルボアニオンともいう。）が、セメント系固化材から解離したカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、水酸化物イオン（ＯＨ^－）、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）などを吸着してしまう現象が大きな影響を及ぼしているものと考えられる。

もっとも、地盤改良強度の低下現象は、必ずしもこのような土壌有機物を多く含む土に限定されるものではなく、粘土鉱物を含む粘性土についても見られる現象であり、これは、主として、土粒子が有する負電荷が陽イオンを吸着保持するという陽イオン交換能（陽イオン交換反応ともいう。）にも起因しており、特に、セメント系固化材に含まれる主たる成分であるカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）が土粒子に吸着保持されて、セメント水和物の生成が阻害される現象が大きく影響を及ぼしているものとも考えられる。

ここで、土（土質）の工学的分類によれば、土は、主として細粒分が含まれる割合に基づいて、細粒分の量の少ない方から、礫、砂、砂質土、シルト、粘性土、有機質土、火山灰質粘性土及び、高有機質土の順に簡易的に分類されている。

例えば、有機質土には、有機質シルト、有機質シルト粘土、有機質砂質粘土及び、有機質粘土が、それぞれ分類されている。また、火山灰質粘性土には、黒ぼく、関東ローム（関東ロームのうち、細粒分を５０％以上含有し、有機成分を含み、色味が黒色又は暗色で、有機臭があり、無機成分が火山灰質粘性土であるものをいう。）、灰土及び、関東ロームなどの各地のローム（細粒分を５０％以上含有した火山灰質粘土であって液性限界が８０％以上であるものをいう。）が、それぞれ分類されている。また、高有機質土には、泥炭（繊維質の高有機質土）や黒泥（分解の進んだ高有機質土）などが分類されている。

ここで、上記した粘性土、有機質土、火山灰質粘土及び、高有機質土（以下「粘性土から高有機質土」という。）に分類される土は、その土粒子（土壌コロイドともいう。）中に含まれる粘土鉱物、腐植物質、並びに、アルミニウム及び鉄含水酸化物（結晶水を含む酸化物）が電荷を発現し、かかる電荷がこの電荷と反対符号のイオンを静電気力（クーロン力ともいう。）により吸着する。なお、このような電荷が存在する土粒表面近傍（吸着相）のイオン濃度は、その外側の土中水（外液）のそれより高くなる。

上記した粘性土から高有機質土の土粒子が持つ負電荷は、その吸着相に陽イオンを吸着した状態で別の陽イオンが近づくと、この吸着層に吸着される陽イオンが入れ替わり、別のイオンが吸着層に吸着され、吸着相から外れた陽イオンが外液（土中水）を通過して系外へ出て行くというイオン交換（陽イオン交換現象又は陽イオン交換反応ともいう。）を生じる。一方、粘性土から高有機質土の土粒子が持つ正電荷を持つ土は、陰イオンが入れ替わるイオン交換（陰イオン交換現象又は陰イオン交換反応ともいう。）を生じる。

例えば、粘土鉱物には、結晶性粘土鉱物と結晶構造が明らかでない非晶質粘土鉱物とがあるが、モンモリロナイト等の２：１型結晶性粘土鉱物は、アルミナ八面体層が珪酸四面体層に挟み込まれた構造を有しており、水素イオン濃度（ｐＨ）の影響を受けずにほぼ一定の永久電荷（一定電荷）を発現する。

このような粘土鉱物の永久電荷は、珪酸四面体層の珪素イオン（Ｓｉ^４＋）の一部がアルミニウムイオン（Ａｌ^３＋）に、アルミナ八面体層のアルミニウムイオン（Ａｌ^３＋）の一部がマグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）や二価鉄イオン（Ｆｅ^２＋）にそれぞれ置き換わる同形置換が発生し、いずれも負電荷を帯びて、陽イオン交換能を発揮する。

また、結晶性粘土鉱物の端面や、非晶質粘土鉱物の表面には、水素イオン濃度の影響を受けて増減する変異電荷（ｐＨ依存電荷ともいう。）が発現する。

この変異電荷は、粘土鉱物中の珪素原子（Ｓｉ）１個と結合している水酸基（－ＯＨ）からの水素イオン（Ｈ^＋）の解離により生じる負電荷と、粘土鉱物中のアルミニウム原子（Ａｌ）１個と結合している水酸基（－ＯＨ）への水素イオン（Ｈ^＋）の付加により生じる正電荷とがある。この粘土鉱物が生じる負の変異電荷は陽イオン交換能を、その正の変異電荷は陰イオン交換能を発揮するものとなる。

また、フミン酸（腐植酸）やフルボ酸などの腐植物質は、粘土鉱物と同様に、変異電荷を有しており、この荷電量はｐＨに依存する。例えば、腐植物質は、官能基としてカルボキシル基（－ＣＯＯＨ）やフェノール性水酸基（－ＯＨ）等の酸性基を有しており、これらがｐＨに応じて水素イオンが解離して負電荷を発現し、又は、これらからｐＨに応じて水素イオン（Ｈ^＋）が付加して正電荷を発現し、陽イオン交換能又は陰イオン交換能を発揮する。

また、アルミニウム及び鉄含水酸化物は、粘土鉱物及び腐植物質と同様に、変異電荷を有しており、この電荷量はｐＨに依存する。このアルミニウム及び鉄含水酸化物は、通常の土にはあまり多量に存在しないが、日本国内では、沖縄の赤黄色土およおび火山灰土の表層土のみに多量に存在している。

この含水酸化物中の変異電荷は、アルミニウム原子（Ａｌ）１個と結合している水酸基に水素イオン（Ｈ^＋）が付加することで生じる正電荷と、その含水酸化物中の鉄原子（Ｆｅ）１個と結合している水酸基（－ＯＨ）に水素イオン（Ｈ^＋）が付加することで生じる正電荷とがあり、いずれも陰イオン交換能を発揮するようになる。

このような陽イオン交換能を発現する土粒子が吸着する主要な陽イオンには、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、カリウムイオン（Ｋ^＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）があり、これらの陽イオンを吸着保持する能力の大きさを数値で表したものが交換容量を塩基交換容量ないし塩基置換容量である。なお、陰イオン交換能を発現する土粒子が吸着する主要な陰イオンには、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）、硝酸イオン（ＮＯ_３ ^－）、塩化物イオン（Ｃｌ^－）、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）などがある。

このように粘性土から高有機質土に含まれる粘土鉱物及び腐植物質は、正電荷及び負電荷を有しており、その負電荷に起因する陽イオン交換能がセメント系固化材に含まれる陽イオンであるカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）などを土粒子に吸着保持するとともに、その正電荷に起因する陰イオン交換能がセメント系固化材に含まれる陰イオンである水酸化物イオン（ＯＨ^－）や硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）などを土粒子に吸着保持するので、結果、セメント水和物を十分に生成することができず、改良対象土の改良固化が阻害されてしまうという問題点を生じる。

しかも、上記した粘性土から高有機質土に分類される改良対象土は、セメント系固化材を用いて改良固化が十分にできない場合があることから、その分、多くのセメント系固化材を配合する必要があるため、その改良固化後の強度不足に加えて、セメントに含まれる六価クロムが溶出してしまう懸念も高くなるという問題点もあった。

本発明は、上述した問題点を解決するため、特に、改良対象土にセメント系固化材を添加する以前に、その改良対象土に対し、所定の添加剤を混合撹拌することで、セメント系固化材による固化反応を改善することができる改良土生成方法を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、本発明の改良土生成方法は、改良対象土に対し、アルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオン及びハロゲン化物イオンを有する固体粉体状の添加剤を所定量添加して、その添加剤及び改良対象土を所定時間撹拌混合して前処理土を生成する前処理工程と、その前処理工程により生成した前処理土に対し、セメント系固化材と水との混合液であるセメントミルクを所定量添加して、そのセメントミルク及び前処理土を所定時間撹拌混合して改良固化土を生成する固化工程とを備えている。

ここで、第２族元素金属イオンとは、元素周期表の第２族元素煮属する金属イオンをいい、例えば、マグネシウムイオンやアルカリ土類金属イオンを含んでいる。また、この第２族元素金属イオンのことを、例えば、周期表第２族元素の金属イオンともいう。

本発明の改良土生成方法によれば、前処理工程によって、改良対象土に対し添加剤が所定量添加された後、この添加剤及び改良対象土が所定時間撹拌混合されて前処理土が生成される。特に、改良対象土がイオン交換能を有する土である場合に、その顕著な効果を発揮するものである。

ここで、添加剤はアルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオン及びハロゲン化物イオンを有する固体粉末であるので、この固定粉末状の添加剤が改良対象土と混ざり合うことで、例えば、改良対象土の土中水に添加剤が溶けることで、その土中水にアルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオン及びハロゲン化物イオンが解離して、これらのイオンが改良対象土の土粒子が持つ負電荷及び正電荷に吸着保持される。

この結果、改良対象土内で正負の電荷を帯びていた土粒子は、電気的に中性となるので、その陽イオン交換容量及び陰イオン交換容量が減少し、陽イオン及び陰イオンの吸着能力の一部又は全部が減殺又は阻害される。

この前処理工程の後、固化工程によって、前処理土にセメント系固化材を含んだセメントミルクを添加して所定時間撹拌混合することで、改良対象土と混合されたセメントミルク中のカルシウムイオンはセメント水和物の生成に消費されて、前処理土を十分に改良固化させて、良質な改良固化土を生成する。

特に、ハロゲン化物イオンは負電荷を帯びた陰イオン（アニオン）であるので、土粒子に含まれる土壌有機物のうち正電荷を帯びたカルボカチオンに対し、マルコフニコフ則に基づいて吸着される。

なお、マルコフニコフ則とは、有機化学において、二重結合への付加反応の主生成物を推測するための経験則である。非対称アルケン（二重結合を持つ炭化水素）の二重結合にハロゲン化水素や水が付加する際、「より水素が多くついている炭素原子にプロトン（Ｈ^＋）が付加し、より置換基が多くついている方に置換基が付加する」という法則をいう。

また、前記前処理工程は、固体粉体状の添加剤として、アルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオンのいずれか一方を有するハロゲン化物であって、ハロゲン化物イオンとして塩化物イオン（Ｃｌ^－）又は臭化物イオン（Ｂｒ^－）のいずれか一方を有するものを、１種又は２種以上を使用するものである。

また、前記前処理工程は、添加剤と改良対象土とを２～３０分間以内であって好適には５～１５分間以内で撹拌混合するものである。

また、前記固化工程は、水とセメント系固化材とを水セメント比６０重量％で撹拌混合したセメントミルクを、前処理土に対して添加して撹拌混合するものである。

本発明の改良土生成方法によれば、前処理工程によって、改良対処土をセメント系固化材により改良固化する前に、その改良対象土に添加剤を撹拌混合することで当該改良対象土中の土粒子が持つ正負の電荷に対して添加剤から解離したアルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオン及びハロゲン化物イオンを結合させた前処理土を生成したうえで、この前処理土に対して固化工程によりセメント系固化材と水との混合液であるセメントミルクを撹拌混合するので、セメント系固化材に含まれる陽イオンであるカルシウムイオンや陰イオンである水酸化物イオンや硫酸イオンが土粒子に吸着されることを減殺又は阻害でき、セメント水和物を十分に生成することができ、改良対象土の改良固化を良好に行えるという効果がある。また、改良対処土の改良固化にあたってセメント系固化材を不必要に多量配合する必要がないので、セメントに含まれる六価クロムが土中に溶出することも抑制できるという効果がある。

本発明の一実施形態である改良土生成方法の処理工程を示したフローチャートである。プレボーリング拡大根固め工法の施工状態を示した杭先端根固め部の断面図である。（ａ）は、改良対象土の物理特性を示した表であり、（ｂ）は、本実施例及び比較例１，２の実施条件を示した表である。本実施例及び比較例１，２により改良された改良固化土であるソイルセメントの性能評価を行ったクラフ図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態である改良土生成方法の処理工程を示したフローチャートである。図１に示すように、改良土生成方法は、前処理工程（Ｓ１）と、固化工程（Ｓ２）とを備えている。

前処理工程（Ｓ１）では、改良対象土（特にイオン交換能を有する改良対象土）に対し、アルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオンを有する固体粉体状の添加剤を所定量添加し（Ｓ１１）、この添加剤及び改良対象土を所定時間撹拌混合し（Ｓ１２，Ｓ１３：Ｎｏ）、所定時間の撹拌混合が終了すると（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、前処理土の生成が完了する（Ｓ１４）。

固化工程（Ｓ２）は、前処理工程（Ｓ１）の後に行われる。固化工程（Ｓ２）では、前処理工程（Ｓ１）により生成した前処理土に対し、セメント系固化材と水との混合液であるセメントミルクを所定量添加し（Ｓ２１）、そのセメントミルク及び前処理土を所定時間撹拌混合し（Ｓ２２，Ｓ２３：Ｎｏ）、所定時間の撹拌混合が終了すると（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、改良固化土の生成が完了する（Ｓ２４）。

また、前処理工程（Ｓ１）は、固体粉体状の添加剤として、改良対象土に対してアルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオン及びハロゲン化物イオンを使用する必要があるため、アルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオンのいずれか一方を有するハロゲン化物であって、ハロゲン化物イオンとして塩化物イオン（Ｃｌ^－）又は臭化物イオン（Ｂｒ^－）のいずれか一方を有するものを、１種又は２種以上まとめて使用する。

例えば、添加剤には、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、臭化マグネシウム（ＨＢｒ）のうち、１種又は２種以上が用いられる。

なお、アルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオンを有するハロゲン化物のうちフッ素化合物も、これらのイオン結合性の塩化物又は臭素化合物と同様の作用及び効果を期待することができるが、これを添加剤として対象地盤に添加した場合には、対象地盤中にフッ素が溶出することが懸念されるため、その使用をできる限り回避することが好ましい考えられる。

なお、ハロゲン化物イオンは土中の炭素化合物（有機化合物）と容易に結合する性質を有することから、添加剤には、上記したハロゲン化物イオンを有する塩化物又は臭素化合物を任意に組み合わせたものを使用することができる。

この添加剤の配合量は、セメント系固化材の質量に対する１～２０質量％の範囲で配合することが好ましく、添加剤のより好適な配合量は、セメント系固化材の質量に対する１～１２質量％の範囲となる。また、添加剤は、後述するように固体粉体状の状態で改良対象土に混合することが好適である。

ここで、従来の一般的な地盤改良工法では、対象地盤に対し、セメント系固化材と水とを混合してセメントミルクを配合量に合わせて予め製造しておき、このセメントミルクを改良対象土と撹拌混合してソイルセメントを形成することによって、かかる対象地盤に支持力を付与するものである。

これに対し、本実施形態の改良土生成方法は、まず、改良対象となる地盤にある土、即ち、改良対象土に対して上記した添加剤を所定時間撹拌混合して前処理土を生成し、この後、この前処理土に対してセメント系固化材と水とを混合したセメントミルクを添加して所定時間撹拌混合するという点に特徴がある。添加剤と改良対象土との撹拌混合時間は２～３０分間であり、より好適には５～１５分間である。

＜実施例＞
図２は、プレボーリング拡大根固め工法１の施工状態を示した断面図である。図２に示すように、本実施例の改良土生成方法は、プレボーリング拡大根固め工法１に対して適用している。このプレボーリング拡大根固め工法１は、杭２の先端２ａが設けられる根固め部空間３を拡大掘削することで高支持力を期待でき、その設計上杭本数の軽減化を図ることができ、杭材料費の削減や工期の短縮に資する工法である。

この工法１では、杭支持力の確保のため、根固め部空間３内にセメント系固化材と水とを混合したセメントミルクを注入してソイルセメント製の根固め部４を形成し、この根固め部４を介して支持層６と杭２とを一体化する。しかしながら、この工法１の適用対象となる表層面５から支持層６までの間に存在する中間地層（地盤）７が有機物を多量に含有する場合、セメント系固化材の固化反応が阻害されて、かかる根固め部４の杭支持力が所定の強度に達しないこととなってしまう。

そこで、本実施例では、このプレボーリング拡大根固め工法１における根固め部４の土を改良対象土として、上記した本実施形態の改良土生成方法を適用している。

本実施例では、まず、前処理工程において、添加剤として固体粉体状をしたイオン結合性のハロゲン化物である臭化カリウム、塩化マグネシウム及び塩化カルシウムの混合物を使用し、この添加剤と改良対象土とを５分間撹拌混合し、添加剤と改良対象土との混合土である前処理土を生成する。

そして、この前処理工程の後、固化工程を実施する。固化工程では、前処理工程で生成した前処理土に対してセメントミルクを添加して、この前処理土とセメントミルクとを更に５分間撹拌混合し、改良固化土であるソイルセメントを生成する。そのうえで、このソイルセメントを所定期間養生して固化するのである。

図３（ａ）は、改良対象土の物理特性を示した表である。図３（ａ）に示すように、改良対象土は、上記した図１に示した杭先端根固め部４内の中間地層５や支持層６となる地盤の土であり、具体的には、木節粘土と関東ロームとである。この木節粘土は、細粒含有率９０％以上の粘土であり、この関東ロームは、自然含水比１４０．２％の強熱減量が２５。７％の高有機質土である。

ただし、改良対象土が高含水比でかつ孔壁崩壊を防止する杭周固定液が充填された状態を想定するため、木節粘土と関東ロームの含水比は、いずれも液性限界（木節粘土：４５．５％、関東ローム；１６６.７％）と仮定して、以下の種々の条件の調整を行うものとする。

図３（ｂ）は、本実施例及び比較例１，２の実施条件を示した表である。図３（ｂ）に示すように、改良固化土であるソイルセメントの生成量に対する改良対象土の含有率（土砂含有量）は３０％となるように調整する。なお、改良固化土に含まれる土砂（改良対象土）の土砂含有量は、セメントミルクの質量に対する質量比（％）を用いている。

また、セメントミルクは、水とセメント系固化材とを水セメント比（Ｗ／Ｃ＝）６０％で撹拌混合したものである。ここで、セメント系固化材は、普通ポルトランドセメントである。また、添加剤の形態は、固体粉体状であり、添加剤の配合割合（添加率）は、０％、２％、４％、６％の４種類とした。なお、添加剤の配合割合は、セメント系固化材の質量に対する質量比（％）である。

また、図３に示した条件から生成される改良固化土であるソイルセメントは、その材齢が３日、７日、２８日のものについて、次の図４において、それぞれ性能評価を行っている。

なお、本実施例及び比較例１，２の強度に関する性能評価については、これらの方法により生成された改良固化土であるソイルセメントであって材齢が３日、７日、２８日のものに関する一軸圧縮強さを用いており、この値が１０×１０^６Ｎ／ｍ^２以上となることを評価基準としている。

＜比較例１＞
比較例１は、いわゆる従来工法に相当するものであり、上記した実施例に対し、前処理工程がなく、上記した改良対象土と固体粉末状の添加剤とセメントミルクとをまとめて一緒に杭先端根固め部４内に入れた状態で５分間撹拌混合したものであって、その他の処理条件及び手順については上記実施例と同一のものである。

＜比較例２＞
比較例２は、上記した実施例に対し、上記した添加剤を水と混合して液体状にしたものであり、この液体状の添加剤と改良対象土とを一緒に杭先端根固め部４内に入れて５分間攪拌混合した後、これにセメントミルクを添加して更に５分間撹拌混合したものであって、その他の処理条件及び手順については上記実施例と同一のものである。

図４は、本実施例及び比較例１，２により改良された改良固化土であるソイルセメントの性能評価を行ったクラフ図である。

具体的には、図４（ａ）は改良対象土が木節粘土である場合の比較例１の性能評価を、図４（ｂ）は改良対象土が関東ロームである場合の比較例１の性能評価を、図４（ｃ）は改良対象土が木節粘土である場合の比較例２の性能評価を、図４（ｄ）は改良対象土が関東ロームである場合の比較例２の性能評価を、図４（ｅ）は改良対象土が木節粘土である場合の本実施例の性能評価を、図４（ｆ）は改良対象土が関東ロームである場合の本実施例の性能評価を、それぞれ示したグラフ図である。

図４に示した各グラフ図では、その縦軸が一軸圧縮強さ（×１０^６Ｎ／ｍ^２）を、横軸が添加剤の配合割合（％）をそれぞれ示している。縦軸は、その下端が最小値の０×１０^６Ｎ／ｍ^２で、その上端が最大値の３０×１０^６Ｎ／ｍ^２で、目盛り幅が５×１０^６Ｎ／ｍ^２となっている。また、横軸は、その左端が最小値の０％で、その右端が最大値の６％で、目盛り幅が１％となっている。

図４（ａ）に示すように、比較例１を用いて木節粘土を改良固化した場合は、材齢２８日に関する全ての添加剤配合割合（０％、２％、４％及び６％）で一軸圧縮強さが評価基準を上回っているのに対し、材齢３日及び７日に関するものは、材齢７日の添加剤配合割合２％のものを除いて、残る全ての添加剤配合割合で一軸圧縮強さが評価基準を下回っている。

一方、図４（ｂ）に示すように、比較例１を用いて関東ロームを改良固化した場合は、その全ての材齢及び添加剤配合割合について一軸圧縮強さが評価基準を下回っている。

したがって、比較例１によれば、木節粘土などの粘土鉱物を主成分とする改良対象土に関しては、材齢が大きくなった場合において添加剤を混合することによる強度改善が図られるものの、関東ロームなどの有機成分を含む改良対象土に関しては、改良対象土とセメントミルクと添加剤とを同時に撹拌混合したことによる強度改善が見られなかった。

図４（ｃ）に示すように、比較例２を用いて木節粘土を改良固化した場合は、材齢３日であって添加剤配合割合２％、４％及び６％のものを除いた、残りの全ての材齢及び添加剤配合割合のものについて一軸圧縮強さが評価基準を上回っている。

一方、図４（ｄ）に示すように、比較例１を用いて関東ロームを改良固化した場合は、全ての材齢及び添加剤配合割合のものについて一軸圧縮強さが評価基準を下回っている。

したがって、比較例２によれば、木節粘土などの粘土鉱物を主成分とする改良対象土に関しては、材齢７日及び２８日のものについてセメントミルク添加前に改良対象土に液体状の添加剤を添加して撹拌混合したことによる強度改善が図られたものの、関東ロームなどの有機成分を含む改良対象土に関しては、液体状の添加剤の事前添加による強度改善が見られなかった。

図４（ｅ）に示すように、本実施例を用いて木節粘土を改良固化した場合は、材齢３日の全ての添加剤配合割合（０％、２％、４％及び６％）と材齢７日の添加剤配合割合０％のものとが僅かに一軸圧縮強さが評価基準に満たないものの、残りの材齢及び添加剤配合割合のものについては全て一軸圧縮強さが評価基準を上回っている。

一方、図４（ｆ）に示すように、本実施例を用いて関東ロームを改良固化した場合は、材齢２８日のものが添加剤配合割合２％、４％及び６％で、材齢７日のものが添加剤配合割合６％で、それぞれ一軸圧縮強さが評価基準を上回っている。また、材齢７日のものは添加剤配合割合２％及び４％で一軸圧縮強さが評価基準に僅かに満たないものの、比較例１，２には見られない強度改善が見受けられる。

したがって、本実施例によれば、材齢が大きくなることで、木節粘土などの粘土鉱物を主成分とする改良対象土、及び、関東ロームなどの有機成分を含む改良対象土のどちらに対しても、改良対象土にセメントミルクを添加する前に、固体粉体状の添加剤を改良対象土に添加して撹拌混合させたことによる強度改善が確認することができた。

以上のことから、本実施例の改良土生成方法によれば、粘性土から高有機質土などの粘土鉱物や土壌有機物を含むどちらの改良対象土についても、セメントミルクを添加して改良固化する前に、この改良対象土に固体粉体状の添加剤を添加することで、改良固化土であるソイルセメントの強度向上を図ることができることが判明した。

なお、この実施例と比較例２との比較検討によれば、添加剤は、それを液状体で改良対象土に添加して撹拌混合する場合よりも、それを固体粉体状で改良対象土に添加して撹拌混合した場合のほうが、固化工程により改良固化された改良固化土の強度向上を図ることができることが判明した。よって、本発明における前処理工程では、固体粉体状の添加剤を改良対象土に添加して撹拌混合する手段を採用しているものである。

以上、実施形態及び実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、本実施例では、本発明をプレボーリング拡大根固め工法に適用する場合について説明したが、本発明の改良土生成方法の適用対象は、必ずしもこの工法に限定されるものではなく、例えば、表層改良（浅層改良）工法、柱状改良（深層改良）工法その他の地盤改良工法に適用しても良い。

また、本実施例では、改良対象土として木節粘土及び関東ロームを例に説明したが、改良対象土は、必ずしもこれらに限定されるものではなく、粘性土から高有機質土に該当する土であれば良い。

また、本実施形態では、添加剤の好適な一例として幾つかの塩化物又は臭化物を用いて説明したが、かかる添加剤は必ずしも上記したものに限定されるものではなく、他の塩化物や臭化物であって、アルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオンを有するものであっても良い。

１プレボーリング拡大根固め工法
２杭
２ａ杭の先端
３根固め部空間
４根固め部
５表層面
６支持層
７中間地層
Ｓ１前処理工程
Ｓ２固化工程

Claims

改良対象土に対し、アルカリ金属イオン又は第２族元素金属イオン及びハロゲン化物イオンを有する固体粉体状の添加剤を所定量添加して、その添加剤及び改良対象土を所定時間撹拌混合して前処理土を生成する前処理工程と、
その前処理工程により生成した前処理土に対し、セメント系固化材と水との混合液であるセメントミルクを所定量添加して、そのセメントミルク及び前処理土を所定時間撹拌混合して改良固化土を生成する固化工程とを備えていることを特徴とする改良土生成方法。