JP4026739B2 - 気体溶解水注入による地盤改良工法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤の間隙流体に着目した液状化防止地盤改良工法、地盤の間隙水の圧力減少と透水抵抗の増加に着目した地盤改良工法、これらの品質管理手法、さらに湖沼などの水質に関して含有酸素量を増加させる等の水質環境の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地下水面下で地震時に発生する砂地盤等の液状化防止のための主な地盤改良工法には、地盤の締まり、密度を大きくする工法、地下水低下工法、地震時に発生する過剰間隙水圧を排水するドレーン工法、この他に固化工法、置換工法などがある。
【０００３】
上記の他に、液状化対象地盤の地下水（間隙水）内に空気を混入、或は空気で一部置換する工法がある。例えば、特開平８-3975「地盤の液状化防止工法」、特開平10-102473「砂質地盤の液状化防止工法」、特開平10-338939「地盤の地震時液状化防止工法及び、この工法を用いる送排気管構造」等がある。特開平８-3975「地盤の液状化防止工法」は、揚水により地下水位を低下させ地盤の間隙に一旦空気を入れ、その後に上部から注水することにより空隙内に気泡を混在させて地下水を不飽和状態にして液状化を防止する工法である。
【０００４】
２番目の特開平10-102473「砂質地盤の液状化防止工法」は、地盤中に高圧で空気を噴出して局所的な流動化状態を引き起こして地盤改良をする方法である、３番目の特開平10-338939「地盤の地震時液状化防止工法及び、この工法を用いる送排気管構造」は、地盤中に圧縮空気を吹き込み微細な気泡を混入させることで液状化を防止しようとするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来から最も良く用いられてきた液状化防止工法は、地盤を締め固める工法で、何らかの地盤変状（沈下や水平移動など）を伴うこと、既設構造物の直下の改良を共用しながら支障なく改良工事を行うことは、原理的に困難である。
【０００６】
地震時に発生する過剰間隙水圧を速やかに排出させて液状化を防止しようとするドレーン工法は、工事中の地盤の変状は抑止できるが、ドレーンの設置間隔を理論的に広げることができないことと排水溝設置の必要性から共用しながら既設構造物直下の地盤を改良することは原理的に困難である。
【０００７】
一方、地下水(間隙水)に空気を混入させることで、地震時の間隙水圧の上昇を抑止する液状化防止工法は、地下水を揚水して空気を入れてから上部から注水する工法は、排水による地盤変動（沈下)、止水工事の必要性などの課題がある。改良対象地盤に空気を吹き込む方法は直裁的であるが、間隙水を押出しながら気泡を混入させようとするもので、間隙水より軽い空気の注入では不透気性遮断壁の設置工事等の付帯工事が必要とされていること、均質な気泡の混入は容易ではない等の課題がある。
【０００８】
地下工事などで地下水面以下の地盤を掘削する場合、排水工事が必要であり、抗土圧構造物（土留壁など）に作用する圧力のうち、水圧の大きさは重要な設計要因となる。従来から水圧は地下水位面から静水圧分布で外力として作用するものとする場合がほとんどである。地盤の透水性を低下させることができれば排水施設の規模の縮小や、排水工事による近隣に対する影響の減少が可能であり、更に水圧を軽減できれば抗土圧構造物の設計を容易にすることが可能になる。
【０００９】
海上などでの埋立工事で、山砂等を船で輸送し、所定の場所で船底を開けて土砂を放出することで土地を造成する場合、土地造成後の間隙水の空気混入量に関しては全く問題にされてこなかった。土地造成中に間隙水に十分な気泡を混入させておけば液状化防止に役立つことになる。
湖沼などの水質を改良するため、空気を噴射する工法は既に実用化されているが、気泡となって水面上に直ちに消出するため効率的ではなく、空気、酸素を水中に効率的に溶存させることが課題である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
透水性が比較的良い砂、礫地盤の間隙水の中に微細な気泡を混入させることで、地震時に発生する静水圧より大きい過剰間隙水の発生を混入気泡の圧縮・圧壊により抑止して液状化を防止することが本発明の第一の課題に対する解決手段である。この場合、改良対象地盤の改良後の均質性、遮水壁等の付帯工事を必要としないこと、改良工事範囲の外側で工事ができるようにすることで共用しながらでも工事ができるようにするため、工事範囲外側の一方に排水井を設け、反対側の注水井から空気溶解水を圧入する手法で問題を解決する。
【００１１】
本発明はまた水中に土砂を放出して土地を造成する場合、造成した地盤の間隙水内に気泡を混入させることで、液状化防止を行うもので、土砂の放出時、その下方に導管から空気溶解水、または圧縮空気を下向きに放出し土砂を急速に沈降させて気泡まじりの水中に堆積させることで、自然沈降堆積法よりも密で間隙に気泡を内包する地盤を造成することで課題を解決しようとするものである。
【００１２】
また本発明によれば前記の2手段同様、空気溶解高圧水を注入し圧力開放により気泡を発生させることで、透水性を小さくさせ、間隙水圧を低減させることができる。
【００１３】
更に本発明は空気溶解高圧水を湖沼等の底付近から噴出させることで空気でほぼ飽和状態の水に置換し、過飽和になった余剰の空気は気泡となって排出されることを手段とする。この手法では、高圧水を噴出することで攪拌による改良後の水質の均質化も可能である
【００１４】
地盤の間隙水の気泡混入量は、地下水の流動その他の原因で気泡の一部が長期間では消滅する可能性が危惧される。そこで気泡混入率(飽和度)をモニターする必要があり、原位置で疎密波(P波)速度や比抵抗等を高精度で測定して管理する手法が必要になる。
【００１５】
【作用】
室内での各種の実験の結果、間隙水中に気泡を混入させて飽和度を低下させると確実に液状化強度は大きくなること、地盤空隙の飽和度と疎密波速度の関係は飽和度が低下するほど(空気含有率が高いほど）疎密波速度が遅くなることは立証されている（文献例：1999地盤工学会シンポジウム Ｐ波速度を用いた不飽和砂の液状化抵抗の評価 黄ほか）。また、地盤の空隙に空気が混入して(間隙水中の空気含有)飽和度が低下すると透水係数が減少することも実験的に立証されている(文献例：1996地盤工学会シンポジウム 不飽和砂質土の浸透特性吐水分保持特性 榎本ほか）。以上のように、原理は既に立証されているが、空気などの気体を原位置の水圧より高圧下で水に溶解させてから注入することで、微細な気泡、空気を混入した水質、間隙流体に変化させることが可能になった。その結果、液状化強度の増加をはじめとする前述の課題を解決することが可能になる。
【００１６】
飽和度が低くなると比抵抗が大きくなることも既に確認されている(文献例：1996地盤工学会 不飽和地盤における透水性評価に関する現状分析 ）。この原理を利用することで目的の達成度を管理できることになる。
【００１７】
【実施例】
空気溶解高圧水を発生させる装置は既に実用化されている。例えば、(株)ニクニ渦流ポンプ資料：渦流タービンポンプを用いて、溶けにくい液体同士、液体と気体を混合融解し、タンク等に放出して、廃液を分離したりミルキーバス等に利用されている。
【００１８】
図1は、液状化防止対象地盤に空気溶解高圧水を注入して、自然地下水と置換することで地盤の間隙に微細な気泡を発生させて液状化強度の増加を図る実証モデルの概要を示したものである。建屋構造物(1)は第一地層(2)に直接基礎で支持されており、第二地層(3)は中位の締まりを有する飽和砂層で地下水位(5)は建屋基礎下面付近にある。第三地層(4)は強固な地盤からなる。建屋側面に沿って第一地層を貫通する排水パイプ(10)とその下部に接続された第二地層下面に達する排水ストレーナーパイプ(11)を設置して排水ポンプ(6)で揚水し、タンク(7)で一旦貯留し、連結ホース(8)を介して、空気溶解高圧水発生装置(9)で出力水の圧力調節を行い、第一地層を貫通する注水パイプ(12)の頭部から注水する。注水パイプ下端部に接続された第二地層下端部に達する注水ストレーナーパイプ(13)から高圧水を注入する。
【００１９】
自然地下水は、排水ストレーナーパイプ(11)に向かって建屋下と外側の第二地層から流入する。一方、注水ストレーナー(13)からは建屋周辺にも空気溶解高圧水が流出されるが、建屋の反対側に設置してある排水ストレーナーからの排水により自然水圧が低下するため、より多くの空気溶解水が流れ建屋直下の第二地層内の間隙は自然水が空気溶解水で置換され、自然水圧に減圧した定常状態では微細気泡が発生する。図示の矢印は、建屋外側からの流入自然地下水(14)、建屋直下流入地下水(15)、建屋外側注入空気溶解水(17)、建屋直下注入空気溶解水(16)を示す
【００２０】
建屋直下の自然間隙水が空気溶解水により置換された状態で、排水パイプ(10)からも空気溶解高圧水を注入して建屋周辺の第二地層の間隙にも微細気泡を発生させることで建屋直下とその周辺地盤を改良することが可能となる。
【００２１】
また、図1において、注水ストレーナーパイプ(13)を、例えば千鳥状に近接して設置し、空気溶解高圧水を注入して気泡帯を壁状に造成することで透水性を１桁程度低下させることができ、掘削工事などに適用することで排水量を低減し、かつ抗土圧構造物に作用する外力を小さくすることができる。本工法では地盤間隙内にほぼ連続した気泡群を造成する必要があるので、注入水圧をより高圧にして静水圧に戻したときの過飽和空気量を多くしてより多くの気泡を発生させるようにする。
【００２２】
図2は、図1モデルの間隙水圧の分布を示すもので、排水・注水を行う前の静水圧分布(18、自然間隙水圧分布)から排水後の定常状態を想定した排水後低下水圧分布(19)状態になった時点で、空気溶解高圧水発生装置(9)の出力ゲージ圧(20)で注水すると、注水時水圧分布(21)になり、静水圧と注水圧との差圧(23)、排水後水圧と注水圧との差圧(22)は共に深度方向に夫々ほぼ同じ水圧差となり、この水圧差で注水されることになる。
【００２３】
以上の水圧分布は、地盤の透水性、排水や注水量、経過時間等により異なるが、おおむね同じ差圧で注水され、注水ストレーナーパイプからの距離が大きくなるに連れて流体抵抗により注水圧は低下し、その低下水圧に応じて過飽和空気が微細な泡となる。排水・注水を停止すると静止水圧分布になり、注水ストレーナー付近も微細な泡で間隙が充填されることになる。
【００２４】
図3は、水中に土砂を放出して埋立てる作業時に、水中に圧縮空気あるいは空気を溶解した高圧水を噴射して空気混入水にした状態で埋立てを行う工法の検証モデルに関するものである。運搬船等から懸架した射出ホース(25)の先端部付近には水噴射口とその噴射反力に抗するためのウェイト・噴射口(26)を有し、この先端を地盤面(30)近くまで降し、圧縮空気あるいは空気溶解高圧水を下方に噴射させながら土砂を運搬船(24)等から水中に放出する。射出ホースは船上などで巻き取り、先端部が常に新規埋立地盤の上方近くに位置するようにする。
【００２５】
放出土砂(2９)は、上昇気泡(28)を巻き込みながら沈降し、新規埋立地盤の上方近くでは噴射口からの下向きの噴射流(27)により沈降を促進し、静水圧になった時点では微細気泡を混入した間隙流体を有するより密な埋立地盤を造成することが可能ととなる。
【００２６】
図4は、湖沼等の水質を改良するため、空気溶解高圧水を水中に吐出させて溶存酸素量の適正化、水質の均質化を目的とする工法の検証モデルに関するものである。水質が悪化している湖沼などは、成層状態が進行し、浅部の暖かい表層(31)とその下の冷たい底層(32)に別れ底層は無酸素状態となる。このような状態を解消するため、湖底相当地盤に注水ホースを敷設、あるいは更に効率を高めるため底層の冷水を湖面近くに導き周囲の温度で暖めながら注水できるように注水・サクションホース(33）の２系統のホースを敷設する。
【００２７】
ホースの複数カ所に伸縮性(張力が働くと伸びる)の吐出ホース(34)を接続する。この吐出ホースの上端部にはフロート兼射水ノズル(35)があり、射水方向と射水量を設定できるようになっている。また、吐出ホースの根元近くにはサクションホースの給水口(36)が取り付けてある。サクションホースは湖面に設置した受水プール(38)の底に接続され、この受水プールに貯めた深層冷水は暖められ、空気溶解高圧水発生装置(9)により吸い込み、高圧下で空気を溶解し注水ホースに送り込まれ、吐出ホースの噴射ノズルから射水して湖水を攪拌し、微細な気泡(37)となって水中を浮遊しながら上昇する。
【００２８】
注水圧力を高くすると噴射ノズル部の抵抗で吐出ホース(34)は伸びて浅部で射水できるようになっているので送水圧を適宜変動させて攪拌することにより水質の均質化の促進を図れるようになっている。
【００２９】
この工法は、水に空気を溶解させるものであるが、空気の他に動植物に必要な栄養素等や環境劣化要因の中和剤等を溶解して注水することで湖沼、河川、海水、養殖場等の環境改善を行うことが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
水質を改良しようとする原位置の水圧より高圧下で空気を溶解させた飽和状態の水を注入し、原位置の静水圧になると微細な気泡を有する流体となり、気泡は土粒子の骨格により自由な移動ができないため、気泡を含有した圧縮性の高い間隙流体とすることができるため、液状化抵抗を効率的に増加させることができる。
【００３１】
この工法の間隙中の気泡の含有率を多くすることで地盤の透水性を小さくし水圧を軽減できる。また、粒状体土砂で埋立造成を行う過程で、間隙水に気泡を混入させることで上記同様の液状化強度の増加を図ることができること、これらの工法の信頼性のチェックを疎密波速度や地盤の比抵抗から行うことができることが判った。
【００３２】
同様な手法で湖沼等の水質の改善を効果的に図ることができ、かつ積極的に水質を好環境に変換することで動植物の生育促進などに役立てられる。
【００３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】液状化防止対象地盤に空気溶解高圧水を注入して、自然地下水と置換することで地盤の間隙に微細な気泡を発生させて液状化強度の増加を図る実証モデルの概要を示したものである。
【図２】図1モデルの間隙水圧の分布を示すものである。
【図３】水中に土砂を放出して埋立てる作業時に、水中に圧縮空気あるいは空気を溶解した高圧水を噴射して空気混入水にした状態で埋立てを行う工法の検証モデルに関するものである。
【図４】湖沼等の水質を改良するため、空気溶解高圧水を水中に吐出させて溶存酸素量の適正化、水質の均質化を目的とする工法の検証モデルに関するものである。
【符号の説明】
１ 建屋構造物
２ 第一地層
３ 第二地層
４ 第三地層
５ 地下水位
６ 排水ポンプ
７ タンク
８ 連結ホース
９ 空気溶解高圧水発生装置
10 排水パイプ
11 排水ストレーナーパイプ
12 注水パイプ
13 注水ストレーナーパイプ
14 流入自然地下水
15 建屋直下流入地下水
16 建屋直下注入空気溶解水
17 建屋外側注入空気溶解水
18 静水圧分布
19 排水後低下水圧分布
20 出力ゲージ圧
21 注水時水圧分布
22 排水後水圧と注水圧との差圧
23 静水圧と注水圧との差圧
24 運搬鉛
25 射出ホース
26 ウエイト・噴射口
27 噴射流
28 上昇気泡
29 放出土砂
30 地盤面
31 表層
32 底層
33 注水・サクションホース
34 吐出ホース
35 フロート兼射水ノズル
36 給水口
37 気泡
38 受水プール

Claims (2)

1. 地下水面下の粒状体地盤に、渦流タービンポンプを用いて地下水圧より高い圧力で空気を溶解した水を注入して地下水と置換し、水圧が静水圧に低下して溶解空気が過飽和状態になり微細な気泡が発生することで、空隙流体の体積圧縮率を大きくすることを特徴とする液状化防止工法。
2. 渦流タービンポンプを用いて空気溶解高圧水を発生させると共にこの発生した空気溶解高圧水を地下水面下の粒状体地盤に注入して地下水と置換する請求項１記載の液状化防止工法。

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