JP3725750B2

JP3725750B2 - 安定液組成物

Info

Publication number: JP3725750B2
Application number: JP2000013538A
Authority: JP
Inventors: 寛一赤木; 義正近藤; 金次今井
Original assignee: Waseda University; Maguma Co Ltd
Current assignee: Waseda University; Maguma Co Ltd
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2020-01-21
Also published as: JP2001207436A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、地中掘削・築造工法に用いる安定液組成物に関するものである。地中掘削・築造工法としては地下連続壁工法や場所打ち杭工法等があり、これらのいずれの工法においても、掘削溝の崩壊を防ぐために安定液が用いられている。これらの構築工法に於いて用いられている従来の安定液は製造コストが高いこと、熟練した管理が必要であること、掘削土や使用後の安定液は産業廃棄物となり最終処分場の不足や処理コストが高いこと等々の問題点があった。この出願の発明は、これらの問題点を解消した安定液組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、橋梁、高架橋の基礎や地下鉄等の駅舎構造物等の築造にはしばしば地下連続壁工法が使われている。地下連続壁工法は専用の掘削機で土中を溝状に掘削する。この掘削作業中、溝中は常に安定液で満たされた状態にある。掘削完了後、この溝中に鉄筋籠を据付、溝中にコンクリートを打設し、安定液とコンクリートを置換する。この作業を繰り返し、地下コンクリート構造物を連続的に構築する工法である。この一連の作業において、安定液が非常に重要な役割を果たしている。
【０００３】
従来、安定液としてベントナイト安定液やポリマ−安定液（表１参照）が使用されているが、これらの安定液はベントナイト、水溶性ポリマー、添加剤（増粘剤、逸泥防止剤、分散剤, PH調整剤等）などの物質の混合体である。ベントナイト系安定液の配合は例えば、水１ｍ^３当たりベントナイトを40〜120kg、ポリマーを0〜3kg、分散剤を0.5〜3kg混合したものであり、ポリマー系安定液の場合は水１ｍ^３あたり、ベントナイトを10〜40kg、ポリマーを1〜6kg、分散剤を0〜3kg混合したもので、掘削する対象の土質により配合比率が変わる。従来の安定液はこのようにベントナイト系、ポリマー系と大別されるが、実際には掘削土質は掘削深度により変化するものなので、中間的な配合で用いられることが多い。
いずれにせよ、ベントナイトが安定液の主要成分であり、安定液の機能はベントナイトの性状に依存しているところが大である。
【表１】

【０００４】
安定液の主要な作用・効果として3種があげられる。まず掘削時の安定液の作用は溝壁の崩壊を防止すること、即ち溝壁の安定作用がある。安定液は地盤内に浸透し土粒子間の空隙を埋め、溝壁の表面にはマッドフィルムを形成し、溝壁面を不透水性にすることにより安定液の液圧力を溝壁に作用させ安定を保たたせる。この作用・効果を持たせるために、安定液にはベントナイトを使用しているが、良質なマッドケーキを形成するにはベントナイトの劣化に細心の注意が必要である。
土粒子間隙の大きい砂礫土を掘削する場合は、いわゆる逸泥現象により、溝壁表面にマッドケーキ層が形成できないために繊維状のパルプ、無機鉱物繊維や粒状な綿の実絞りかす等を入れ、土粒子の間隙にプラグを生じさせる等の対策が必要である。
【０００５】
次に安定液に求められる作用・効果として、回転式機械を使用する場合は掘削土と安定液の混合物をパイプ輸送により地上部に排出することにある。排出した掘削土砂は地上部に設置したスクリーンとサイクロン装置等により粗粒分を分離し、残った泥水は粘度等を調整し安定液の特性を付与し、再び溝壁中に戻される。粗粒分にはベントナイトなどが付着しており産業廃棄物として処理せざるを得ない。また泥水は安定液として再使用するために粘度等の調整が必要である。
【０００６】
掘削が終了すると、溝壁中に鉄筋籠をつり降ろし、所定の位置に据付、次に溝底部よりコンクリートを安定液と置換する。第３点として、コンクリートと容易に置換するとともに、コンクリートの強アルカリにより劣化の少ない安定液が求められる。即ち、安定液の主要成分であるベントナイトはモンモリロナイトを主成分とする粘土鉱物であり、イオン交換性を持っており、吸着イオンがNaイオンの場合には水中で良く膨潤し、安定した懸濁状態を保つが、コンクリートを打設するとベントナイトはコンクリート中のCaイオンを吸着・劣化し、凝集反応を起こし、安定液は使用不可能となる。安定液に必須のベントナイトはコンクリートとの接触により劣化を生じる欠点がある。
【０００７】
従来の安定液は以上のほかにも掘削地盤あるいは地下水中に塩分が含まれていると、Naイオンを吸着して凝集反応を生じ、あるいは地中のバクテリアによりポリマーが腐食するなどの欠点を抱えている。
【０００８】
以上のように、従来の安定液は組成材料に起因する劣化要因があり、その管理には非常な熟練を要するものであるとともに、掘削土砂の廃棄、安定液の廃棄処分には処分場の不足とともに、高コストである欠点も抱えている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願は、上述した安定液の各種の課題を解決するために、第１の発明として、気泡および水のみを掘削地盤の掘削土と混合して、平均粒径を500ミクロン以下の気泡にするとともに混合物の気泡の体積比を10〜45％に調整することを特徴とする安定液組成物としたことを特徴とする。なお、以下においては本発明の安定液組成物を気泡土安定液と称する。
【００１０】
以上のとおり、本発明の気泡土安定液は工事現場で発生する掘削土と気泡、水のみを混合することにより得られるので、製造コストは安く、管理においては気泡混合率、即ち比重管理のみを行えばよく管理は容易である。さらに掘削残土は現地発生土そのものであるため産業廃棄物にはならず、気泡土安定液中の気泡は真空状態により容易に脱気できるので、水のみを処理すればよく、処理コストは非常に安価となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の気泡土安定液の溝壁保持特性を計測するために、内径150mm、長さ1500mmの鉄製パイプを用い、この中に飽和状態になるように砂礫土を詰め、気泡を注入圧力0.5kg/ｃｍ^２で注入し、注入前後の透水係数を計測した。すると注入前の透水係数はｋ＝4.6×10^-1cm/secであったが、注入後はk=0となり、注入後は全く水を通さなかった。同様に飽和した砂を用いて計測したところ、注入前の透水係数はｋ＝8.1×10^-2cm/secであったが、注入後はk=0〜10^-4cm/secとなり、ほとんど水を通さなかった。
また、鉄製パイプの各所に圧力計を設置し、圧力の変化より気泡の進入深さを推定すると、砂礫土では10〜20cm、砂層では0〜5cmと推定できる。
以上のように、気泡は粗い間隙を持つ地盤では間隙中に侵入し、プラグを生じ、従来の安定液におけるマッドケーキと同様な効果を生じると推定され、気泡土安定液による溝壁の液圧効果があることが判明した。
【００１２】
地下掘削時に問題を生じやすい地盤として軟弱なシルト層および砂層を想定し、この発明の気泡土安定液に関する実験結果を示す。まずシルト質土として木節粘土を、砂として豊浦砂を用い、これらの木節粘土、豊浦砂の各々と気泡、水を各種の配合で混合し、これらの分離性（土粒子、気泡と水の分離）、ベーンせん断強度（パイプによる排土抵抗）、比重、掘削壁の安定性に関する実験を行った。
【００１３】
木節粘土を用いた実験結果を表２〜表３および図１に示す。木節粘土による気泡土安定液は気泡の体積比が45%以上になると、粘土粒子が分離し沈降を始める。分離が始まる時の気泡土安定液の比重は0.8(g/cm³)である。ベーンせん断強度は気泡の体積が10%あると0.001kgf/ｃｍ^２であり、気泡の体積が多くなるにつれ減少し、気泡体積が25%を超すと0となり、時間が経過しても7日までは変化がなかった。粘土粒子は親水基を持っており、もともと水を保持する能力が高いが，気泡を添加することによってさらに良好な安定液が得られる。土粒子の分離に対する安全性や掘削溝の押さえ効果等を考えると気泡土安定液の比重が1(g/cm³)を下回らないような配合が望ましく、気泡の最大体積比は40%以下とすることが望ましい。
【表２】

【表３】

【００１４】
次ぎに砂層を想定し、豊浦砂を使用して気泡土安定液の特性を調べた。結果を表４〜表７および図２に示す。豊浦砂による気泡土安定液は気泡の体積比が45%以上になると、砂粒子が分離し沈降を始める。分離が始まる時の気泡土安定液の比重は0.9(g/cm³)である。ベーンせん断強度は気泡の体積が30%あると0.001kgf/ｃｍ²であり、気泡の体積が多くなるにつれ減少し、気泡の体積比が40%以上の場合、時間が経過しても7日まではベーンせん断強度の増加は見られなかった。土粒子の分離に対する安全性や掘削溝の押さえ効果等を考えると気泡体積量は25から45%程度が望ましい。
【００１５】
【実施例１】
この発明の気泡土安定液による連続地中壁工法を、実際に名古屋市中川区の工場内で用いた。構造物の平面形状は5,000×500mm、深さは5.0ｍの立方体である。地層条件は表層2mが砂質シルト層、それ以下は軟弱なシルト層であった。回転式掘削機の掘削ビット付近より、気泡と水を射出する射出口を取り付け、掘削とともに気泡と水を射出し掘削を行った。気泡注入量は溝中の比重が1.1を目標に、水はシルトが液性限界になる量を目標にコントロールした。なお、気泡はコンクリート起泡剤（アルキルサルフェート系界面活性剤）を用い、起泡機で発生させた。
気泡土安定液の比重を1.1でコントロールし掘削土をパイプで排出したが、問題なく排出できた。
掘削放置後3日後に掘削工の壁面の状態を見るために超音波式測定器で溝壁の状態を調べたところ、溝壁の崩れはなく、安定していた。また,溝壁の状態を調べた後に、気泡土とコンクリートの置換性を調べるためにトレミー菅を用いてコンクリートを打設し、2週間放置後に周辺を掘削しコンクリートの状態を目視したところ、何ら問題なかった。なお、起泡剤は従来使用されているセメント用起泡剤を用いるとコンクリート打設に伴う気泡の劣化は問題とならない。
【００１６】
【実施例２】
横浜市内の工場用地内において気泡土安定液による掘削試験を行った。構造物の平面形状は5,000×500mm、深さは5,000mmの立方体である。地層条件は表層1.5mが関東ローム層、それ以下は砂利混じり砂層であった。回転式掘削機の掘削ビット付近に気泡と水を射出する射出口を取り付け、掘削とともに気泡と水を射出し掘削を行った。気泡注入量は溝中の比重が1.2を目標に、水は砂の含水比が30％を目標にコントロールした。なお、気泡はコンクリート起泡剤（アルキルサルフェート系界面活性剤）を用い、起泡機で発生させた。
気泡土安定液の比重を1.15でコントロールし掘削土をパイプで排出したが、問題なく排出できた。
掘削放置後3日後に掘削工の壁面の状態を見るために超音波式測定器で溝壁の状態を調べたところ、溝壁の崩れはなく安定していた。また,溝壁の状態を調べた後に、気泡土とコンクリートの置換性を調べるためにトレミー菅を用いてコンクリートを打設し、2週間放置後に周辺を掘削しコンクリートの状態を目視したところ、何ら問題なかった。
【００１７】
気泡射出量は溝中の気泡土安定液の比重により管理し、水量は粘性土の場合液性限界を目標に、砂質土の場合は含水比が20〜40％を目標に管理するのが良い。またパイプによる排土も特段の問題はなく、排土した土の中の気泡は減圧処理により容易に消滅できた。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳しく述べたとおり、この発明により、地下連続壁工法や場所打ち杭工法等の施工が安価・容易になり、産業廃棄物発生量の減少は社会的な影響も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】木節粘土についての気泡添加率と体積率との関係を示した図である。
【図２】豊浦砂について気泡添加率と体積比との関係を示した図である。

Claims

地中にコンクリート製等の構築物を構築する工法において、
掘削、構築物築造時に掘削した溝壁の安定を保つために、気泡および水のみを掘削地盤の掘削土と混合して、平均粒径を500ミクロン以下の気泡にするとともに混合物の気泡の体積比を10〜45％に調整することを特徴とする安定液組成物。