JP3916091B2 - 建築物の基礎土壌の支持力を増大させるための方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は建築物の基礎土壌の支持力を増大させるための方法に関する。
背景技術
どのような建築物であっても、それを支持するのに十分な支持力を有する基礎土壌が必要である。さもなくば、基礎土壌の沈下が、最上部で起こるのか深層部で起こるのかに拘わらず、上にある建築物の破損をまねく。
したがって、どのような建築物でも建てる前に、必要ならば、例えば地質学調査や地質工学調査のような適当な土壌調査を使用してまでも、建築物が土壌に与える重量すなわち負荷によって土壌の支持力が評価される。
構造物の安定性を確保するために、基礎の最適な寸法と基礎の剛性とが計算され、基礎の深さも決定され、土壌の支持力に対してそれらの重量を十分に均衡させて、良好な安全マージン（安全余裕）を常に維持している。誤った場合には、建築物は実際に破損する。
しかしながら、埋立地、固められていない土地、腐敗有機物層のある土地、泥炭質の土地、湿原地、含水量がかなり変化する土地、湛水または洗い流された土地であって空洞や非均一あるいは不充分な団粒のある土地、空隙のある土地等の場合のように、土壌が圧縮できるために、または、建築物が非常に重く、基礎土壌の実際の支持力よりも大きな支持力を必要とするために、しばしば基礎土壌の支持力は十分でない。
いずれの場合においても、様々な従来型の装置が、建築物の安定性を確保している。一般に、これらの装置は、より深く十分に硬い土壌層に建築物の重量を直接移行させるか、或いは広範な地盤表面に負荷を分散させる傾向にある。例えば、その方法は杭（パイル）あるいは小杭（ミクロパイル）等を基礎土壌に打ち込むことにある。この方法は、建築前および建築後の双方に使用され得る。
勿論、建築物を構築した後の杭や小杭等の打ち込みは、非常に複雑であり費用がかかる。
従来の方法は、また、例えば米国特許第４，５６７，７０８号に記載されている方法または他の持ち上げ法のように、建築物の構築後に建築物の降下を処理している。上記米国特許の方法は、降下を形成かつ引き起こす隙間を充填すべく、建築物の下に膨張可能な物質を注入して、建築物の沈下を埋め合わせている。
しかしながら、上記引用特許に開示されている方法では、他の持ち上げ装置におけるのと同様、基礎土壌は処理されない。この方法は精々土壌の表面層にのみ作用するので、下にある土壌が十分に沈下していない場合、時間の経過とともにさらに次の上記建築物の降下が起こる。
膨張時間が遅くなるように或いは極めて遅くなるように制御された膨張物質を使用する地盤強化方法は、文書ＤＥ-Ａ-３３ ３２ ２５６によって既知である。
発明の開示
本発明の主な目標は、基礎土壌を適切に処理して基礎土壌の支持力を増大させ建築物の安定性を確保することができる方法を提供して上記問題を解決することにある。
この目標の範囲内で、本発明の目的は、地盤内に打ち込まれる例えば杭や小杭やセメント注入物や超深度基礎等のセメントやコンクリートや金属構造物を使用する必要がない方法を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、建築物の構築前と構築後の双方において、実施するのに簡単かつ容易な方法であって、基礎土壌の支持力を増大するのに採用され得る方法を提供することにある。
この目標と、これらの目的と、これら以外の以下に明かにされる目的は、請求項１に記載されたステップを備えた本発明による建築物に対する基礎土壌の支持力を増大させる方法によって達成される。
【図面の簡単な説明】
本発明の更なる特徴と利点は、本発明による方法の好ましい、しかし排他的でない、添付の図面において非制限的例としてのみ示されている実施例の下記の詳細な説明から明らかになる。
図１は、土壌中に形成された穴を通じての膨張可能物質の注入の概略図である。
図２と図３は、注入に使用される管が、それぞれ中間深さレベルでの停止または連続的な移動によって、次第に上方に引き上げながら物質が注入されるときの膨張可能物質の膨張の結果の図である。
図４は、異なる穴に挿入された異なる管を用いて、異なる深さで互いに間隔の空いた地点で行なわれた一連の注入の場合における注入物質の膨張の結果の図である。
図５は、建築物基礎の沈降の埋め合わせを常時監視しながらの本発明による注入作業の概略図である。
図６〜図８は、本発明によって処理された土壌域で実施された動的針入度試験の比較図である。
図９は、本発明によって処理された土壌域の断面図である。
発明を実施するための方法
本発明による方法は、土壌内で複数の穴１を実質的に形成することにあり、これらの複数の穴１は、その方法が現存建築物に作用しなければならないならば、異なる深さで、基礎を突き通してもよいし突き通さなくてもよく、好ましくは２つの隣接する穴１の間の距離は０．５ｍと３ｍとの間で変化できる。
穴１は、要求によって変更できる寸法を有し、略鉛直に或いは鉛直に対して或る角度をもって設けられる。
穴の深さは、以下に明かになるように、要求によっても変化し得る。
次に、管２が穴１の中に挿入すなわち打ち込まれ、成分間の化学反応の結果として膨張する物質３が、上記管を通じて土壌中に注入される。潜在的容積増加は膨張前の物質容積の少なくとも５倍である。この「潜在的容積増加」という表現は、大気圧下で妨げられることなく生じる膨張の結果としての物質の容積の増加に関する。
初期容積の２０〜２５倍の高膨張係数、或いはそれ以上例えば３０〜３３倍の高膨張係数が好ましい。
膨張可能な物質は、好都合にも、膨張可能なポリウレタンフォームの混合物、好ましくは独立気泡のポリウレタンフォームによって構成されている。この物質は、例えば、注入管２に接続された混合装置４の中で混合される２成分のフォーム（泡）によって構成され得る。第１の成分は、ポリエーテルポリオールおよび／またはポリエステルポリオール、触媒および水を含んだポリオールの混合物であり、上記触媒は、例えばオランダの会社レシナケミエ（Resina chemie）によって生産されているレシノール（RESINOL）ＡＬ６４３である。この合成物の水分は３．４４重量％である。第２の成分は、上記と同一の会社で製造されているユレスティル（URESTYL）１０のようなイソシアン酸塩のＭＤＩである。これらの２成分の混合によって、膨張可能なポリエチレンフォームが生じる。膨張終焉時の上記ポリエチレンフォームの密度は、注入域に隣接する土壌が抗する抵抗によって変化する。
この混合物は初期容積の約３３倍まで膨張する。そして、反応時間は、製造者の技術仕様から明かなように、約３〜６秒である。
勿論、同様な性質を持つ他の膨張物質を、本発明の保護範囲を放棄することなく、使用することも可能である。
要求に応じて、膨張可能な物質は、図１，図２，図３に示すように、土壌の中に予め形成された管１を通じて、単一の注入ステップで、注入され得る。底から始めて、注入管を次第に上方に引き上げながら、或いは、図２に示すように、任意に途中で止めて、膨張かつ硬化した物質の異なるコラム（柱）を得る。或いは、任意に、特に図４に示されているように、確定した異なる深さで、３次元的に互いに均一に間隔が空けられた地点において、連続的な注入を行なうことによって、上記物質は注入され得て、要求に従って、また、土壌の地質学的特徴に従って、基礎土壌内に膨張かつ硬化した物質の領域を得る。この最後の場合、注入に使用される管は、土壌内に残される。
物質３の流動性のために物質３は土壌のあらゆる空洞や割れ目にも浸透するので、一旦、物質３が注入されると、大きな力と速度で全方向に広がり、それによって辺り一面の土壌を緻密にし圧縮する力が生じる。そして、圧縮や充填によって全ての空隙や微小空隙を消滅させ、さらに極めて小さな空隙まで消滅させる。また、土壌に染込んでいる殆どの水を排水し、場合によっては固まっていない要素（細粒、非凝集性要素）を塊状にして、土壌塊が得られる。土壌塊は、最早、処理された層の全体に渡って、支持しなければならない重量に対し圧縮されることがない。
注目すべきことは、異なる深さで、適切に計算され互いに特定の距離を持つ地点において、或いは上昇線に沿って、注入された拡張可能物質は、膨張中に、より圧縮性ある地点に自動的に流れる。この圧縮性ある地点は、膨張可能物質にとって抵抗が少ないのである。このようにして、処理を最も要する領域は、処理されない領域を残すことがなく、自動的により強力に処理される。
また、注入された物質の膨張の即時性は、かなり正確に膨張領域を限定し得る。したがって、意図された地点に非常に首尾よく集中して効果が生じる。注入された物質によって周囲の土壌に印加される強力な圧力は、事際、化学反応によって生じる膨張に起因し、液圧によって生じるものではない。しかしながら、膨張可能な物質は液圧によって注入され、液圧は選択された地点に物質を導くという目的を有するのみである。
注入された物質の即時反応は、膨張と硬化によってそれが遠隔領域に移動するのを防ぐ。遠隔領域では、代わりにゆっくり反応する物質が到達する。事実、膨張反応が遅ければ遅い程、物質が遠くに到達し、膨張効果の正確な限界が損なわれ、結果的に注入物質の消費が増加する。
本発明の条件では、好都合にも、強化（圧密）が、少ない物質消費で集中的な効果を有しているので、十分な注入物質流速を与える例えば１０ｍｍの注入管を使用できて、注入管を簡単に土壌に挿入でき、土壌から引き上げることのできる。数ミリだけ小さい或いは大きい管径も使用され得る。とにかく、速い物質の流速を得るために、２ｃｍ以上の大きな直径の管を使用するのは、土壌に打ち込むのが困難であり、不必要である。強化の影響を有効に集中させるために、中間で停止して、注入が実施され得る。例えば、１５秒間の注入期間と１〜２秒間或いはそれ以上の停止とが交互され得る。動的注入の持続期間とそれぞれ交互する休止期間は、注入深さ、注入物質の成分、注入管の長さ、注入管の断面といった要因をより適切に考慮して選択される。
必要な場合には、他の物質に切換えることなく注入物質の膨張のより速い反応を得るために、加熱によって注入作業の直前に物質の温度を上昇させることが可能である。
穴の深さに関して、２つの異なる方法が実施され得る。
第１の方法は、層の深さに拘わらず、十分な支持力を持つ層の硬い層位まで層の強化を行なうべく、圧縮可能な土壌層または低支持力の土壌層の全厚を処理する。硬い層位は土壌で行なわれる地質工学調査によって検出され得る。
第２の方法は、代わりに、技術的および／または経済的な都合により、識別された硬い層位まで到達することのない土壌の層を処理する。上記硬い層位は、極端に深い所に位置し得るが、如何なる場合においても十分に厚く、上に横たわる重量をより広範な表面上に広げる。本発明によるこの方法で処理された土壌の層は、十分に緻密で硬く、そして何れの場合でも軽い層によって構成することによって、これらの層がたとえ他の方法で十分な支持力を有しなくとも、土壌の下にある層によって有効且つ広範に支持され得る。
今までに、６ｍまでの注入深さが成功裏に実験されている。適合された管の断面と正確に制御された物質注入速度によって、より大きな注入深さが達成され得る。
注入された物質成分の化学反応後に起こる注入物質の膨張は、非常に早く、１平方メータ当たり約４０トン或いはそれ以上に達する非常に高い膨張力となる。
注入中に、上に横たわる建物または表面土壌のレベルは、レーザーレベル器５または他の装置（図５を参照）によって絶えず監視される。この装置５は建物または土壌表面が隆起し始めるのを示し、このことは一般に土壌の圧密が、注入地点の周り全て、３次元的に、要求された最小値よりも一般に高い非常に高いレベルに到達したことを意味する。
不断の監視作業を通じて、土壌が正確な地点で隆起し始める正確な瞬間および正確な持ち上げ量は、狭小に集中された膨張力のために、正確に検出され、リアルタイムで制御され得る。
実際、化学的に反応させることによって、注入された物質の大部分は、非常な力で全方向に膨張する。そして、装置が表面に小さな隆起をも検知するときは、膨張可能な物質が、全方向に対する垂直方向の膨張においてより小さな抵抗に遭遇したことを意味する。したがって、注入された物質の下あるいは周りにある土壌は、その上に静的に載置している土壌（および建築物）の全部の塊りの全質量のみならず、周囲の全塊りの全重量（動的でそれ故倍増される）に逆らい「拒絶」していることを意味している。上記周囲の全塊りは、通常、約３０度で計算されて簡単に転化される負荷拡散角で（摩擦や凝集によって）置換される。持ち上げられた土壌も圧縮を受ける。
異なる深さレベルで（土壌の種類や得るべき支持力によって変化するが、互いに約１メートル程間隔を空けて）この作業を繰り返すことによって、各レベルで要求されたものよりも大きな支持力が得られる。この最後の方法で、上昇するコラム（柱）に沿って連続的に注入を行なうことによって、樹木状の形状が、非常に不規則な形状で形成される。樹木状の形状は、かなりの大きさの突出部、隆起部、突起部を有し、圧密や土壌内の隙間や割れ目の存在に対する土壌の異なる抵抗によって作られる。いずれの場合においても、土壌の全塊りと土壌の処理された層は圧縮され、詰め込まれ、固められる。水分はかなり減少する。この土壌は有効な基礎土壌となって、上にある建物或いは建築される建物を安定に支持する。
膨張可能物質は、その膨張に対して周囲の土壌が抗する抵抗によって全く変化する密度を有する。殆どの場合、密度は１００ｋｇ／ｍ³と３００ｋｇ／ｍ³の間で変化し得る。膨張された物質の密度は、物質の膨張に対して受ける抵抗に直接比例しているので、より高い密度が存在し得る。膨張された物質自体の圧縮抵抗は、密度の関数である。
１００ｋｇ／ｍ³の密度をもつ物質は、約１４ｋｇ／ｃｍ²の抵抗を示す一方、３００ｋｇ／ｍ³の密度では、圧縮抵抗は約４０ｋｇ／ｃｍ²である。これらの値は、通常、基礎土壌に要求される値よりもずっと高い。如何なる場合でも、より高い圧縮抵抗が要求される場合には、同一土壌の異なる深さにおいても、より大きな重量が存在し、したがって、膨張に対するより高い抵抗が存在する。このため、密度の高いより強い材料が自動的にできる。
いずれの場合においても、一時的に土壌表面または建物に重量を加えることは可能である。
実際、注入され硬化された膨張物質は、横たわる建物を支持するという目的を達成するのには役立つが、それ自体で建物を支持しない。建物の重量は、本発明による方法で処理された基礎土壌によって有効に支持される。
実際、本発明による方法は意図された目標と目的を十分に達成できるということがわかる。何故なら、その方法は、非常に簡単、迅速、有効かつ決定的に基礎土壌の支持力を増大させ、建築要求事項に十分に一致させることができるからである。
典型的には、地盤強化技術における一般的な傾向と思われるものでは、例えば、文書ＤＥ-Ａ-３３ ３２ ２５６を参照すると、非常に高い膨張係数での非常に高速の膨張は、処理される土壌において急激に増大する圧力を生み、処理された塊状地盤での不本意な主として垂直の亀裂を誘発することが示されているので、故意に回避される。
しかしながら、本発明の条件においては、驚くべきこととして注目されたことは、土壌塊の間で生じる亀裂が土壌の圧密に影響を及ぼさないばかりでなく実際有利に利用され得るということである。
技術的な試験と研究が、本発明の強化方法が使用されている建築区画で実施され、注入材料の膨張は、まず土壌の抵抗が少ない方向で限定的な程度においてのみ生じることが示された。建築場所の場合において、膨張は建物の重量が作用する基礎に対して、垂直方向ではなく横方向にまず起こる。
地盤の圧密度が、建築物によって及ぼされる重さに十分に勝る横方向膨張力に対して、抵抗を与えるものとなった後にのみ、垂直力が得られて基礎と建物を持ち上げる。実際、埋め合わせねばならないのは建物の重量であるのみならず、他の抵抗力、例えば、隣接する建物の重量の一部や横方向の摩擦力や建設された構造物自体の曲げ強さである。
膨張および固体化について、注入された材料の即時的な反応が、急激に増大する強力な力によって土壌塊間の亀裂をまさに引き起こして互いに移動させる一方、或る量の注入された物質は、実際、注入現場にすぐ近くの建築された構造物の基礎の下にある少なくとも強化された領域においては、亀裂に充填して土壌塊を十分に「接合」しているようである。例として、図９を参照すると、溶接された亀裂がはっきりとわかる。
針入度試験の結果は、図６〜８の図表に示されている。針入度試験は、本発明による強化方法で処理された建築地点の下で、土壌の持ち上げが水準装置によって検出された後に実施され、そしてそれに対して横方向近傍において基礎から約２０ｃｍの所で実施された。
強化前（柄のない角柱）と強化後（柄のある角柱）の土壌支持力を比較して示している。これらの図から、約１２０ｃｍと３００ｃｍとの間の深さで（図６）、基礎の下で主要な強化が生じることが明かに現れている一方、基礎から横方向にわずか２０ｃｍのところで、強化が以前と同じ深さにおいてかなり減少して現れている（図７）。
これは、本発明によって実施された強化の集中された影響をはっきりと示しおり、実際に本発明は主として基礎の下の土壌を顕著に増強すると信じられる。
図８の図表は、建築基礎の下の土壌が検出可能な持ち上げ反応を引き起こさない量の膨張可能物質が注入されたという条件の下に書かれたものであって、実際、基礎から横方向にわずか２０ｃｍの所では実質的に有効な土壌の圧密が起こっていない。
本発明による方法は、首尾良く地盤を強化するのに適用され、空港や商工業用構造物の重負荷された基礎の下の沈降を埋め合わせるために、また、非常に古い歴史的な建築物の下の沈降や、考古学的な遺跡にも適用される。
最近、処理された敷地の調査がなされ、全て満足な結果となっている。検査はフランス制御協会（French Control Institute）のソコテック（SOCOTEC）によって承認された手続きに従って実施された。この手続きは、処理された地帯において検査官によって無作為に選択された場所で少量の注入物質（初めに注入された量の約２０％）を実質的に注入することにある。その注入が少なくとも土壌表面の最小持ち上げ効果を引き起こすなら、結果は有効（Positive）とみなされる。このようにして考え出された方法は、数々の修正と変形とが可能であるが、それらの全ては本発明の概念の範囲内にあり、さらに、全ての上記詳細は他の技術的に相当する要素と置き換わることができる。

Claims (14)

1. 土壌中深くに互いに間隔の空けられた複数の穴（１）を設け、化学反応の結果として膨張する物質（３）を上記穴を通じて上記土壌の中に注入し、上記土壌中に注入された上記物質の膨張によって注入地帯に隣接する土壌の圧密を生じさせる建築物のための基礎土壌の支持力を増大するための方法において、
   さらに上記方法は、上記土壌の圧密が一般に要求される最小値よりも高いレベルに到達した瞬間であって、上記注入地帯の上に横たわる上記建築物および／または上記土壌の表面が持ち上がり始める瞬間を検知するために、注入地帯の上に横たわる上記土壌および／または上記建築物のレベルを絶えず監視するステップを備え、且つ、上記注入された物質の膨張が非常に速く、上記膨張した物質の体積の潜在的な増加は膨張前の物質の体積の少なくとも５倍であることを特徴とする建築物のための基礎土壌の支持力を増大するための方法。
2. 請求項１に記載の方法において、処理される土壌の塊または層の圧密を生じさせるために、注入ステップは異なる深さレベルで繰り返されることを特徴とする特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、上記異なる深さレベルは互いに約１メートルほど間隔が空けられ、各レベルでは要求される支持力よりも大きな支持力を得られることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法において、上記監視ステップは、レーザレベル装置（５）を用いて行なわれることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の方法において、上記穴（１）は垂直に設けられ、上記注入ステップは直立するコラムに沿って連続的に行なわれ、そこでは、上記土壌の圧密に対する異なる抵抗によって、且つ、上記土壌内の隙間または割れ目の存在によって生じるかなりの大きさの突起と隆起と突出を有する非常に不均一な輪郭で樹木状の形状が形成されることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の方法において、十分な支持力を有する硬い層位が存在する深さに拘わらず、圧縮可能な或いは低い支持力を有する土壌層の全厚は、上記硬い層位まで強化するように処理されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の方法において、上記膨張可能な物質は、ポリオールの混合物およびイソシアン酸塩ＭＤＩとを備えた物質のような即時性の膨張を生じるように形成させられた物質から選択されることを特徴する方法。
8. 請求項７に記載の方法において、上記膨張可能な物質は２つの成分の混合物を備え、上記第１の成分はポリエーテルポリオールおよび／またはポリエステルポリオールと触媒と水であり、第２の成分はイソシアン酸塩ＭＤＩであることを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の方法において、２つの隣接する穴の間の距離は０．５ｍと３ｍとの間にあることを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至４または請求項６乃至９のいずれかに記載の方法において、上記穴（１）は垂直に対して或る角度で設けられることを特徴とする方法。
11. 請求項１に記載の方法において、注入ステップは適切な停止を伴って数個の活発な注入段階を備えることを特徴とする方法。
12. 請求項１乃至１１の１つまたは複数に記載の方法において、注入物質は注入ステップの直前に加熱されることを特徴する方法。
13. 請求項８に記載の方法において、上記水分は３．４４重量％であることを特徴とする方法。
14. 請求項１乃至１３の１つまたは複数に記載の方法において、注入ステップにおいて管（２）が使用され、上記管を通じて膨張可能な物質が土壌の中に注入され、上記管は約１０ｍｍの内径を有することを特徴とする方法。

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