JP3600892B2 - 地盤の透水性を低下させる方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
この発明は、砂地盤又は砂礫地盤の湧水防止又は軟弱地盤の改良を目的として地盤の透水性を低下させる方法の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
従来、山留め壁の不良部分からの漏水防止、或いは透水性の良い砂地盤又は砂礫地盤が地中深くまで続く場所での開削工事における掘削底部からの湧き水防止などの対策としては、薬液注入工法を実施する場合が多い。注入する薬液材料としては、水ガラスを主成分とするもの、又はセメントを主成分とするものが主に使用されている。
【0003】
水ガラス系材料の場合は粘性があるため、地盤への注入径(図1のL/2に相当する浸透半径)は最大でも2m程度である。よって広範囲に止水層を構築する場合には、注入管(ボーリング孔)を2m〜4m程度の間隔で多く設置しなければならず、施工のコストが非常に高くなる。水ガラス系でも有機系の材料は、地盤中の嫌気性微生物の影響でメタンガスを発生する場合があり、地下水を汚染するので、使用が制限される。
【0004】
セメント系の材料は、セメント粒子の大きさの故に砂地盤又は砂礫地盤への注入径が小さい。そのため上記水ガラス系材料の場合と同じく、注入管(ボーリング孔)を2m〜4m程度の間隔で多く設置しなければならず、施工のコストが非常に高くなる。
【0005】
上記したように、従来の薬液注入工法によって人工的に低透水層を構築するには、多大な労力と施工コスト及び長い工期を必要とする欠点があった。
次に、最近の研究開発の成果として、例えば
(1)特開2000−104066号公報に開示された「地盤の止水材及び地盤の止水方法」は、混合することにより不溶性の沈殿物を生成する2種以上の水溶液で構成された止水剤、及び前記の混合をすることにより不溶性の沈殿物を生成する2種以上の水溶液を別々に注入して地盤の止水を行う方法をその内容としている。
更に具体的にいえば、前記2種の水溶液は、カルシウム塩水溶液と、炭酸塩又は炭酸水素塩水溶液であり、不溶性の沈殿物は炭酸カルシウムであると説明されている。また、前記2種の水溶液は、注入する前には混合せず、別々に注入し、地盤の空隙内で互いに混合して不溶性の沈殿物を生成させること、そして、2種の水溶液の注入順序に制約はなく、同時注入であっても良く、更に同一箇所からの注入、又は1m〜10m程度離れた箇所から別々に注入しても良いとの説明も認められる。
(2) 次に、特許第2821049号公報(平成10年11月5日発行)に開示された「地盤注入工法」は、いわゆる流水地盤の止水を対象とするもので、注入材として水膨潤性繊維を水に分散させた繊維分散水溶液を使用すること、場合によっては前記水溶液に電解質を添加することが説明されている。
要するに、繊維分散水溶液を注入すると、水膨潤性繊維が、水流によって地盤中を移動する間に周囲の砂や礫に絡み付きつつ膨潤して地盤中の間隙(流水路)を遮断して止水効果を発揮する。電解質の量を増減することにより、前記水膨潤性繊維が膨潤し始めるまでの時間、即ちゲルタイムを調整できるとの説明がなされている。
【0006】
【本発明が解決しようとする課題】
上記(1)に開示された「地盤の止水材及び地盤の止水方法」の場合は、2種の水溶液、即ち、カルシウム塩水溶液と炭酸塩又は炭酸水素塩水溶液を混合すると、不溶性の炭酸カルシウム(CaCO3)が析出するが、更にその副産析出物として塩化ナトリウム(NaCl)が生成される。この塩化ナトリウム(NaCl)は水溶性であり、透水性の低下には寄与しないことに注意を要する。
総じて云えば、上記(1)の技術は、副産析出物が水溶性であり、また、地盤中の細菌類の効果を期待できないため、地盤の透水性を低下させる効果、及び耐久性の向上を期待できない。また、同(1)の実施例によれば、第1の水溶液の濃度は塩化カルシウム(CaCl2)を1リットル当たり500g混ぜたものであり、第2の水溶液の濃度は炭酸ナトリウム(Na2CO3)を0.92リットル当たり80g混ぜたものであり、いずれも比較的高濃度な水溶液の組み合わせである。つまり、2種の水溶液が比較的高濃度である為、注入材料が多く必要でコスト高になる。そのため地下水の硬度、塩分濃度が上昇する懸念がある。
【0007】
次に、上記(2)に開示された「地盤注入工法」は、いわゆる流水地盤の止水を対象とするもので、注入材として水膨潤性繊維を水に分散させた繊維分散水溶液を使用するので、流水地盤ではなく、透水性の良い砂地盤又は砂礫地盤に対しては適用性に欠ける。即ち、水膨潤性繊維が存在するが故に地盤への注入径は小さく制限される。よって広範囲に止水層を構築する場合には、注入管(ボーリング孔)を狭い間隔で多く設置しなければならず、施工の労力とコストが非常に多くかかる。
【0008】
本発明の目的は、砂地盤又は砂礫地盤中へ容易に浸透する2種以上の水溶液を同時に若しくは別々に地盤中へ注入し、地盤中で反応させることによって地盤内に微細で水に難溶性の析出物を発生させて地盤の透水性を低下させる方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決するための手段として、請求項1に記載した発明に係る地盤の透水性を低下させる方法は、
砂地盤又は砂礫地盤中へ容易に浸透する2種以上の水溶液、即ち、+2価又は+3価の鉄イオンを含む水溶液と、これを酸化させる水溶液とを同時に若しくは別々に地盤中へ注入し、地盤中で混合し反応させることによって地盤内に微細で水に難溶性の析出物を発生させることを特徴とする。
【0010】
請求項2記載の発明は、硫酸第1鉄水溶液(溶存鉄)と過マンガン酸カリウム水溶液(酸化剤)の2種の水溶液を砂地盤又は砂礫地盤中へ浸透させ、2液を地盤中で混合し反応させることにより地盤中に水に難溶性の水酸化鉄を析出させることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施形態】
以下に、本発明に係る地盤の透水性を低下させる方法の実施形態を説明する。本発明の要旨は、砂地盤又は砂礫地盤中へ容易に浸透する2種以上の水溶液、例えば+2価又は+3価の鉄イオンを含む水溶液と、これを酸化させる水溶液とを同時に若しくは別々に地盤中へ注入し、地盤中で混合し反応させることによって地盤内に微細で水に難溶性の析出物(水酸化鉄)を発生させて地盤の透水性を低下させる方法である(請求項1記載の発明)。
【0012】
更に具体的には、硫酸第1鉄水溶液(溶存鉄)と過マンガン酸カリウム水溶液(酸化剤)の2種の水溶液を砂地盤又は砂礫地盤中へ浸透させ、2液を地盤中で混合し反応させることにより地盤中に水に難溶性の水酸化鉄を析出させ地盤の透水性を低下させる方法である(請求項2記載の発明)。
【0013】
一例として、図1に地盤の透水性を低下させる方法の実施形態を示す。地盤中に間隔Lをあけて注入管3Aと揚水管3Bを設置する。注入管3Aからは第1の水溶液X(例えば上記の硫酸第1鉄水溶液)及び第2の水溶液Y(例えば上記の過マンガン酸カリウム水溶液)を注入し、他方、揚水管3Bから揚水を行うことによって地盤中の地下水に局所的な動水勾配を生じさせ、2種の水溶液の浸透と混合を促進する。因みに、図1は比重が大きい第2水溶液Yの浸透流yを上層に、比重が小さい第1水溶液Xの浸透流xを下層に、同時並行して注入し、両水溶液の境界域に混合に伴う反応領域5が形成される場合を示している。
【0014】
一般に砂地盤又は砂礫地盤の透水性は、地盤中の細粒分含有率に依存する。本発明は、この点に着目して、地盤中に細粒分(径の微細な粒子)を人工的に発生させることにより透水性を低下させる考えに立脚している。
【0015】
本発明において、+2価又は+3価の鉄イオンを含む水溶液としては、硫酸第1鉄(FeSO4)水溶液を使用でき、それを酸化して水酸化鉄(Fe(OH)2、又はFe(OH)3)を析出させる水溶液としては、過マンガン酸カリウム(KMnO4)水溶液が、析出量の多さから見て好適に使用できる。
【0016】
前記の過マンガン酸カリウム(KMnO4)は、地盤中では副産析出物として難水溶性の二酸化マンガン(MnO2)を生成する。この二酸化マンガン(MnO2)は難水溶性の性質を有し、地盤の透水性の低下に寄与する。
【0017】
なお、上記酸化剤としては、過マンガン酸カリウム(KMnO4)の他に、オゾン水溶液、過酸化水素、過酸化マグネシウム水溶液、飽和溶存酸素水(エアーレーションした水)、ガリオネラやレプトスリックスなどの鉄細菌を含む水を用いても、同様に副産析出物として難溶性の水酸化鉄を析出させることができる。
【0018】
上記した反応作用によって、自然界の地下水中に存在する鉄細菌が繁殖し、水酸化鉄を基に粘性のある鉄コロイド、鉄フロックを形成し、地盤の透水性の低下を一層促進する効果も期待できる。
【0019】
本発明の場合、水酸化鉄を析出させる酸化剤は、1種類のみではなく、2種類以上を組み合わせて使用することも出来る。また、同じ濃度の水溶液を地盤中に浸透させた場合は、水溶液の温度を上昇させることによって、より多量の水酸化鉄を短時間で析出させることが可能である。
【0020】
本発明において、地盤中に浸透させる2種の水溶液は、図1に示し、上述したように同時に並行して注入する場合と、別々に時間差をあけて同一深度へ注入する場合とを実施可能である。そのいずれであれ、2液を地盤中へ浸透させ、地盤中で混合し反応させることによって、地盤の透水性を低下させることができるのである。同時並行注入の場合、浸透半径は原地盤の透水係数にのみ依存し、およそ50m程度にもなる。別々に注入する場合、2液を混合した場合の透水係数の低下と、最終低下時の透水係数に依存する。透水係数が3時間で変化する場合の浸透係数はおよそ6m位になる。別々に地盤中へ浸透させる場合においては、いずれの種類の水溶液を先に浸透させるかの順序は特に問題にならない。
【0021】
本発明の方法で使用する水溶液は、砂地盤又は砂礫地盤中へ容易に浸透する組成であるから、上記のとおり地盤への注入径(浸透半径)は十分に大きく、広い範囲に止水層を構築する場合に、充分大きな間隔(例えば6m〜50m)で注入管(ボーリング孔)を設置すれば足り、施工のコストを低減可能である。また、使用する材料は土壌中或いは地下水中に少なからず含まれている元素(Fe、K、Mnなど)で構成されていること、及び水溶液の濃度を変えることによって土壌や地下水汚染への悪影響を制御できるので、周辺の地下水環境への影響はほとんど無いものである。例えば、硫酸第1鉄は、少量の場合、食品添加物として認められている程で、有害性はない。過マンガン酸カリウムは、濃度が0.1〜0.2%の場合、うがい薬などに用いられているように、有害性はない。また、硫酸第1鉄、過マンガン酸カリウムは共に、水溶液の粘性は水とほとんど変わらない。
【0022】
【実施例と透水試験の結果】
硫酸第1鉄水溶液の濃度は1リットル当たり5gの場合と、1リットル当たり0.5gの場合とを用意し、過マンガン酸カリウム水溶液の濃度は1リットル当たり0.1gとし、これを豊浦標準砂(透水係数は2.3×10−2cm/sec)へ10分おきに交互に浸透させ、透水性低下の確認試験を行った。透水試験は、定水位透水試験(JISA1218)に準じて実施した。その試験結果を図2と図3に示した。
【0023】
先ず図2は、硫酸第1鉄水溶液の濃度が1リットル当たり5gで、過マンガン酸カリウム水溶液の濃度は1リットル当たり0.1gである場合の試験結果を示している。約120分で、豊浦標準砂の透水係数を約1/21まで低下させることを確認できた。
【0024】
図3は、硫酸第1鉄水溶液の濃度が1リットル当たり0.5gで、過マンガン酸カリウム水溶液の濃度は前例と同じく1リットル当たり0.1gである場合の試験結果を示している。こちらは約180分で、豊浦標準砂の透水係数を約1/15まで低下させることを確認できた。
【0025】
以上の結果は、本発明の方法が、非常に低濃度の水溶液の組み合わせで、短時間に地盤の透水性を低下させる効果があることを示しているのである。
【0026】
【本発明が奏する効果】
請求項1、2に記載した発明に係る地盤の透水性を低下させる方法は、下記する効果を奏する。
1、水とほとんど同じ比重、粘性の少なくとも2種の水溶液を地盤に浸透させるので、注入径が大きく、注入孔(ボーリング孔)の設置間隔を大きく出来る。よって、地盤の広範囲な透水性低下(止水)の施工に極めて有益である。
2、浸透させる水溶液の濃度をコントロール出来るので、地盤土壌や地下水汚染への悪影響を制御でき、周辺地下水環境への影響はほとんどない。
3、遮水壁に囲まれた領域の根切り底直下の地盤へ実施し、同地盤の透水性を低下させることにより、地下工事に伴う揚水量(湧き水量)の低減、及び周辺地下水位の低減(地下水位低下工法の実施)が可能となる。
4、遮水壁、人工の難透水層などに地下水の漏水等の不良個所があった場合には、その不良個所の位置を具体的に特定出来なくても、2種の水溶液は浸透性が良く、注入径が充分大きいので、地下水の流れを利用して不良個所の止水性の補修が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の透水性を低下させる方法の実施形態を概念的に示した断面図である。
【図2】硫酸第1鉄水溶液の濃度が1リットル当たり5gで、過マンガン酸カリウム水溶液の濃度は1リットル当たり0.1gである場合の透水試験の結果を示すグラフである。
【図3】硫酸第1鉄水溶液の濃度が1リットル当たり0.5gで、過マンガン酸カリウム水溶液の濃度は1リットル当たり0.1gである場合の透水試験の結果を示すグラフである。
【符号に説明】
3A 注入管
3B 揚水管
X 第1の水溶液
Y 第2の水溶液
5 反応領域
L 間隔
Claims (2)
- 砂地盤又は砂礫地盤中へ容易に浸透する2種以上の水溶液、即ち、+2価又は+3価の鉄イオンを含む水溶液と、これを酸化させる水溶液とを同時に若しくは別々に地盤中へ注入し、地盤中で混合し反応させることによって地盤内に微細で水に難溶性の析出物を発生させることを特徴とする、地盤の透水性を低下させる方法。
- 硫酸第1鉄水溶液(溶存鉄)と過マンガン酸カリウム水溶液(酸化剤)の2種の水溶液を砂地盤又は砂礫地盤中へ浸透させ、2液を地盤中で混合し反応させることにより地盤中に水に難溶性の水酸化鉄を析出させることを特徴とする、地盤の透水性を低下させる方法。
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