JP4500231B2 - 薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法およびこれに用いる実験装置 - Google Patents
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Description
本発明は、薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法およびこれに用いる実験装置に関し、さらに詳しくは、施工現場に適した改良層を形成して裏込砂の吸出し防止を可能とする薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法およびこれに用いる実験装置に関するものである。
ケーソン等の海上構造体の裏込砂の吸出しを防止する工法として、薬液を注入して裏込砂を改良（硬化）させることによって吸出しを防ぐ工法がある。この薬液注入工法については、薬液によって改良された裏込砂のサンプルを製造して、このサンプルを用いた実験によって、吸出しが発生しない強度を把握して、この把握した強度を得ることができる濃度の薬液を注入する工法が提案されている（特許文献１参照）。
この提案では、注入する薬液濃度を変えることによって、裏込砂の強度のみを変えて、吸出しが発生しない最適な強度を検出するようにしている。即ち、改良する裏込砂の層厚を所与として、所定層厚の下における強度を検出している。また、２４時間という一定時間に渡ってサンプルに変動水圧を与える実験によって、吸出しの有無という結果のみを検証するようにしている。
したがって、この提案では所定層厚の裏込砂の改良層において、ある所定期間において吸出しを防止する改良裏込砂を形成することしかできないという問題があった。そのため、層厚や吸出しを防止できる期間を変える場合等には適用できず、応用性に欠けるものであり、施工現場に最適な改良層を形成することができなかった。
特開２００２−３２２６３９号公報
本発明の目的は、施工現場に適した改良層を形成して裏込砂の吸出し防止を可能とする薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法およびこれに用いる実験装置を提供することにある。
上記目的を達成するため本発明の薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法は、ケーソン等の構造体の裏込砂の吸出しを防止する薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法であって、施工現場から改良対象の裏込砂を採取して注入する薬液の濃度を変えて所定拘束圧力下で改良層サンプルを製造する工程と、前記薬液濃度を変えた改良層サンプルを用いて薬液濃度と強度との関係データを取得する工程と、前記改良層サンプルを薬液濃度毎に層厚を変えて所定条件下で破壊するまで変動水圧を与えて、層厚と破壊するまでの回数または時間との関係データを取得する工程と、前記取得した両関係データに基づいて前記施工現場で要求される条件を満たす改良層の強度および層厚を選択する工程とを有することを特徴とするものである。
また、本発明の実験装置は、ケーソン等の構造体の裏込砂の吸出しを防止する薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定に用いる実験装置であって、変動水圧装置と、該変動水圧装置と水流通管を介して連結された流量測定装置とを備え、前記変動水圧装置は、裏込砂に薬液を注入して製造した改良層サンプルと水を収容する密閉容器と、該密閉容器内に上方から変動圧力を負荷する変動圧力ユニットと、該変動圧力を計測する変動圧力計測装置とを有し、前記水流通管は前記密閉容器の下方に接続され、前記変動圧力で生じる変動水圧によって改良層サンプルを透過する水を前記流量測定装置に流出入させるとともに、その水圧を計測する管路圧力計測装置を有し、前記流量測定装置は、前記水流通管から流出入する流量を測定するとともに、前記水流通管を介して前記密閉容器内を所定圧力に加圧可能な加圧ユニットを有することを特徴とするものである。
尚、本発明において裏込砂とは裏込めされる土壌を意味し、裏込土も含むものである。
本発明の薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法によれば、施工現場から改良対象の裏込砂を採取して注入する薬液の濃度を変えて所定拘束圧力下で改良層サンプルを製造する工程によって、実際に改良層が形成される施工現場と同じ条件でサンプルを製造して、現実をより再現して精度のよいデータを取得することができる。
また、薬液濃度を変えた改良層サンプルを用いて薬液濃度と強度との関係データを取得する工程では、薬液濃度と改良層の強度との相関関係を把握することができる。改良層サンプルを薬液濃度毎に層厚を変えて所定条件下で破壊するまで変動水圧を与えて、層厚と破壊するまでの回数または時間との関係データを取得する工程では、実際に施工現場で改良層に作用する条件に近似した実験によって、薬液濃度毎の改良層の層厚と強度との相関関係を把握することができる。
そして、この取得した両関係データに基づいて施工現場で要求される条件を満たす改良層の強度および層厚を選択する工程によって、条件満たす改良層の強度および層厚の組合せの中から最適な組合せを選択することができる。
以上の工程によって選択決定された改良層の強度となる濃度の薬液を注入して、決定した層厚の改良層を形成すると、施工現場の要求条件を満たして、裏込砂の吸出しを防止することが可能となる。
本発明の実験装置によれば、変動水圧装置と、この変動水圧装置と水流通管を介して連結された流量測定装置とを備え、変動水圧装置は、裏込砂に薬液を注入して製造した改良層サンプルと水を収容する密閉容器と、この密閉容器内に上方から変動圧力を負荷する変動圧力ユニットと、変動圧力を計測する変動圧力計測装置とを有し、水流通管は密閉容器の下方に接続され、変動圧力で生じる変動水圧によって改良層サンプルを透過する水を流量測定装置に流出入させるとともに、その水圧を計測する管路圧力計測装置を有し、流量測定装置は、水流通管から流出入する流量を測定するとともに、水流通管を介して密閉容器内を所定圧力に加圧可能な加圧ユニットを有するので、上記した、改良層サンプルを薬液濃度毎に層厚を変えて所定条件下で破壊するまで変動水圧を与えて、層厚と破壊するまでの回数または時間との関係データを取得する工程に用いることができる。
即ち、実際に施工現場で改良層に作用する条件に近似した変動水圧実験を実施することができ、変動圧力計測装置、管路圧力計測装置および流量測定装置による測定データに基づいて、薬液濃度毎の改良層の層厚と強度との相関関係を把握することができる。
以下、本発明の薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法およびこれに用いる実験装置を図に示した実施形態に基づいて説明する。
図９に裏込砂５に薬液を注入する施工現場の一例を断面図で例示する。この施工現場には、基礎捨石２の上にケーソン１が設置されており、ケーソン１の背面には裏込石３が敷設されている。裏込石３を被覆する防砂シート４の上に裏込砂５が埋め戻しされ、上面は舗装面７となっている。
ここで、防砂シート４が破損すると、ケーソン１の前面の海水Ｗの波動によって、裏込砂５が海側に吸出される、いわゆる、吸出しが現象が発生する。そこで、裏込砂５に薬液を注入して硬化させた改良層６を形成して、吸出しを防止する。そのためには、施工現場の要求条件を満たした最適な強度および層厚Ｈの改良層６を形成する必要がある。薬液としては、例えば、活性シリカ、超微粒子シリカ等の特殊シリカから成る恒久グラウト、水ガラス系シリカゾル系の耐久グラウト等を用いる。
そこで、図１に示す手順で改良層６の強度および層厚Ｈを決定する。まず、施工現場から改良対象の裏込砂５を採取して注入する薬液の濃度を数通りに変えて所定拘束圧力下で改良層サンプルＳを製造する（第１工程）。所定拘束圧力とは、改良層６が形成される位置で受ける圧力を想定した圧力であり、例えば、改良層６を形成する位置での代表深さ地点Ｄでの圧力とする。
モールド等の耐圧容器に裏込砂５を詰めた後、各濃度の薬液を浸透させて、この拘束圧力下で、例えば、２８日間養生して改良層サンプルＳを製造する。この改良層サンプルＳは、実際に改良層６が形成される施工現場の拘束圧力に近い圧力条件下で製造されるので、この改良層サンプルＳを実験に用いると、現実をより再現して精度のよいデータが取得可能となる。
改良層サンプルＳを製造するには、例えば、特許第３５０２０７９号公報に記載されている供試体の製造方法を用いることができる。改良層サンプルＳは、強度試験と変動水圧試験に使用するので、薬液濃度毎に数本以上製造しておく。
つぎに、薬液濃度を変えた改良層サンプルＳを用いて薬液濃度と強度との関係データを取得する（第２工程）。具体的には、改良層サンプルＳの一軸圧縮強度試験を実施して、強度ｑと薬液濃度との関係をプロットすると、図５に例示するような強度ｑと薬液濃度との比例関係データを取得することができる。これによって、注入する薬液濃度によって、施工現場で形成される改良層６の強度ｑを把握、推定することが可能となる。
つぎに、改良層サンプルＳを薬液濃度毎に層厚ｈを変えて所定条件下で破壊するまで変動水圧Ｐを与える変動水圧実験を実施して、層厚ｈと破壊するまでの回数Ｎまたは時間ｔとの関係データを取得する（第３工程）。
この変動水圧実験を概念的に示すと図３のようになり、上部に変動圧力ユニットとなる導管１１を、下部に水流通管１２を接続した密閉容器８に改良層サンプルＳを収容して実施する。密閉容器８の底部には水の流通性を確保するためにガラスビーズＧが敷設されている。
改良層サンプルＳには、上部の導管１１の水Ｗおよび下部の水流通管１２の水Ｗによって所定圧力が負荷される。この所定圧力は、改良層６が形成される位置で受ける圧力に相当する圧力であり、例えば、既述した代表深さ地点Ｄでの圧力とする。
この状態で、上部の導管１１の水Ｗを上下動させる変動圧力Ｐを与える。この変動圧力Ｐは、施工現場で発生する波の波動データを予め取得しておき、このデータに基づいて、例えば、図４に示すような最頻出の波と同じ圧力振幅および周波数に設定する。尚、変動圧力Ｐは代表深さ地点Ｄでの圧力に最頻出の波による上下動によって変化した値となる。
この変動圧力Ｐによって、導管１１の水Ｗが改良層サンプルＳを透過して水流通管１２を流出入し、水Ｗの繰返し透過によって徐々に改良層サンプルＳが破壊され、その破壊までの繰返し回数Ｎまたは時間ｔを測定する。
即ち、裏込砂５の吸出しを発生させる施工現場に近似した状態を再現して、改良層サンプルＳの耐久性について精度のよいデータを取得することができる。
変動水圧実験装置は全体概要を図２に示すように、変動水圧装置８と流量計測装置１３と両装置８、１３を連結する水流通管１２とを備えている。変動水圧装置８は、底部にガラスビーズＧを敷設した密閉容器９と、変動圧力ユニットとを有し、この変動圧力ユニットは導管１１、電空変換器２０ａおよび圧縮空気発生装置１７で構成されて制御装置１８で制御される。密閉容器９は、例えば、外径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍ程度のものを使用する。圧縮空気発生装置１７は、コンプレッサやレギュレータ等から構成される。
流量計測装置１３は、密閉容器１４内部に設置され、計測ユニット１９に接続された微小荷重計１５と、これに吊設された水収容タンク１６と、加圧ユニットとを有し、この加圧ユニットは密閉容器１４、電空変換器２０ｂ、圧力計２１ｂおよび圧縮空気発生装置１７で構成されて制御装置１８で制御される。
水流通管１２は、一端を変動水圧装置８の密閉容器９の底部に連結し、他端を流量計測装置１３の水収容タンク１６に配置し、管路水圧計測装置を構成する計測ユニット１９に接続された圧力計２１ｃを有している。
変動水圧実験は、変動水圧装置８の密閉容器９に改良層サンプルＳを金網１０で上下を挟んだ状態にして、水Ｗおよび空気Ａとともに収容して実施する。流量測定装置１３の圧縮空気発生装置１７および電空変換器２０ａで密閉容器１４内部を所定圧力に調整することによって、水流通管１２を介して密閉容器９内部が所定圧力に維持される。この所定圧力とは、既述したように改良層６が形成される位置で受ける相当圧力であり、この所定圧力は計測ユニット１９に接続された圧力計２１ｂで計測される。
そして、導管１１を通じて圧縮空気発生装置１７および電空変換器２０ａによって、密閉容器９内に空気Ａを流出入させることによって、水Ｗに既述したような施工現場で発生する波に則した変動水圧Ｐ１を与える。この変動水圧Ｐ１は、圧力計２１ａで計測される。変動水圧Ｐ１を与える方法は、これに限定されず他の方法を用いてもよい。
変動水圧Ｐ１によって、密閉容器９内の水Ｗが改良層サンプルＳを透過して、水流通管１２を通じて流量測定装置１３の水収容タンク１６に流出入し、その水Ｗの流量は、微小荷重計１５で計測され、水流通管１２における水圧Ｐ２は圧力計２１ｃで計測される。改良層サンプルＳの上下に設置された金網１０は、改良層サンプルＳが脆い場合等に保護するためのものであり、設置を省略することもできる。
流量測定装置１３で測定した流量を経時的に示すと、図６のように圧力変動による上下変位をしながら、流出流量Ｑが急増してくる。図６の縦軸の流出流量Ｑは、マイナス（下方）になる程、水流通管１２を通じて流量測定装置１３の収容タンク１６から密閉容器９内へ水Ｗが流出していることを意味している。即ち、改良層サンプルＳが破壊して流出流量Ｑが増加していることを示している。このように、流量データに基づいて、例えば、流出流量Ｑが急増した時点Ｂ１を、改良層サンプルＳが破壊したと判定する。
また、圧力計２１ａで測定した変動水圧Ｐ１と圧力計２１ｃで測定した水流通管１２の改良層サンプルＳ下面の水圧Ｐ２のデータを経時的に示すと、図７のように圧力変動による上下変位をしながら、水圧Ｐ２が増加し始め、水圧Ｐ１とＰ２とが一致するようになる。これは、改良層サンプルＳが破壊して圧力が均一化したことを示している。図７では水圧Ｐ２のデータ（実線）を明確にするため水圧Ｐ１のデータ（点線）を中途で省略して示している。
改良層サンプルＳ下面の水圧Ｐ２が増加した時点Ｂ２は、流量Ｑが急増する時点Ｂ１と一致することが確認されているので、例えば、流出流量Ｑが急増した時点Ｂ１が明確でない場合は、改良層サンプルＳ下面の水圧Ｐ２が急増した時点Ｂ２を改良層サンプルＳが破壊したと判定することもできる。尚、図６、７では横軸を時間ｔとしているが、変動水圧Ｐ１を与えた回数（繰返し回数Ｎ）としてもよい。
第２工程と第３工程を実施する順番は、どちらが先でもよく、同時に実施して実験時間を短縮することが好ましい。
そして、先に取得した薬液濃度と強度との関係データ、層厚ｈと破壊回数Ｎまたは破壊時間ｔとの関係データに基づいて、施工現場で要求される条件を満たす改良層６の強度および層厚ｈを選択する（第４工程）。具体的には、取得データを強度ｑ（即ち、薬液濃度）毎に、層厚ｈと破壊までの繰返し回数Ｎとの関係をプロットすると、図８に例示するような二次曲線の関係データを取得することができる。
破壊までの繰返し回数Ｎに、周波数（変動水圧の変動周波数）を乗じると破壊するまでの時間ｔとなるので、図８において、横軸を破壊するまでの時間ｔとしてデータをプロットすれば、同様に二次曲線の関係データを取得することができる
例えば、データを回帰分析すると、次の（１）、（２）式を得ることができる。
ｈ＝Ａ＋ＢｌｏｇＮ＋Ｃ（ｌｏｇＮ）２・・・（１）
ｈ＝Ａ＋Ｂｌｏｇｔ＋Ｃ（ｌｏｇｔ）２・・・（２）
ここに、ｈ：改良層サンプルの層厚
Ａ、Ｂ、Ｃ：係数
Ｎ：破壊までの繰返し回数
ｔ：破壊までの繰返し時間
例えば、データを回帰分析すると、次の（１）、（２）式を得ることができる。
ｈ＝Ａ＋ＢｌｏｇＮ＋Ｃ（ｌｏｇＮ）２・・・（１）
ｈ＝Ａ＋Ｂｌｏｇｔ＋Ｃ（ｌｏｇｔ）２・・・（２）
ここに、ｈ：改良層サンプルの層厚
Ａ、Ｂ、Ｃ：係数
Ｎ：破壊までの繰返し回数
ｔ：破壊までの繰返し時間
これによって、強度ｑ（即ち、薬液濃度）毎の層厚ｈと耐久性（破壊するまでの繰返し回数Ｎや時間ｔ）の相関関係を把握することができ、強度ｑおよび層厚ｈによって耐久性を推定することが可能となる。このプロットデータから、施工現場の要求条件を満たす最適な層厚Ｈ（＝ｈ）と強度ｑとの組合せを選択する。例えば、耐久年数の要求条件がある場合は、その耐久年数に対応する繰返し回数Ｎをクリアする層厚Ｈおよび強度ｑの組合せを選択する。条件を満たす組合せが複数ある場合は、コスト算出して最も低コストになる組合せや層厚Ｈに規制がある場合は、その層厚Ｈとなる組合せを選択する。
以上の工程によって、改良層６の層厚Ｈと強度ｑとの組合せを決定した後は、決定した強度ｑとなる濃度の薬液を注入して決定した層厚Ｈの改良層６を形成する。これによって、施工現場の要求条件を満たした最適な改良層６が形成され、裏込砂５の吸出しを防止することが可能となる。
１ ケーソン
２ 基礎捨石
３ 裏込石
４ 防砂シート
５ 裏込砂
６ 裏込砂の改良層
７ 舗装面
８ 変動水圧装置
９ 密閉容器
１０ 金網
１１ 導管
１２ 水流通管
１３ 流量測定装置
１４ 密閉容器
１５ 微小荷重計
１６ 水収容タンク
１７ 圧縮空気発生装置
１８ 制御装置
１９ 計測ユニット
２０ａ〜２０ｂ 電空変換器
２１ａ〜２１ｃ 圧力計
Ａ 空気 Ｇ ガラスビーズ Ｓ 改良層サンプル Ｗ 水
２ 基礎捨石
３ 裏込石
４ 防砂シート
５ 裏込砂
６ 裏込砂の改良層
７ 舗装面
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９ 密閉容器
１０ 金網
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１２ 水流通管
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１４ 密閉容器
１５ 微小荷重計
１６ 水収容タンク
１７ 圧縮空気発生装置
１８ 制御装置
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２１ａ〜２１ｃ 圧力計
Ａ 空気 Ｇ ガラスビーズ Ｓ 改良層サンプル Ｗ 水
Claims (4)
- ケーソン等の構造体の裏込砂の吸出しを防止する薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法であって、施工現場から改良対象の裏込砂を採取して注入する薬液の濃度を変えて所定拘束圧力下で改良層サンプルを製造する工程と、前記薬液濃度を変えた改良層サンプルを用いて薬液濃度と強度との関係データを取得する工程と、前記改良層サンプルを薬液濃度毎に層厚を変えて所定条件下で破壊するまで変動水圧を与えて、層厚と破壊するまでの回数または時間との関係データを取得する工程と、前記取得した両関係データに基づいて前記施工現場で要求される条件を満たす改良層の強度および層厚を選択する工程とを有する薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法。
- 前記層厚と破壊するまでの回数または時間との関係データを取得する工程において、前記変動水圧によって前記改良層サンプルを透過する水の流量を測定し、該測定した流量データに基づいて、前記破壊するまでの回数または時間を判定する請求項１に記載の薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法。
- 前記層厚と破壊するまでの回数または時間との関係データを取得する工程において、前記変動水圧によって前記改良層サンプルを透過する水の圧力を測定し、該測定した水の圧力データに基づいて、前記破壊するまでの回数または時間を判定する請求項１に記載の薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定方法。
- ケーソン等の構造体の裏込砂の吸出しを防止する薬液注入による裏込砂の改良層の強度および層厚の決定に用いる実験装置であって、変動水圧装置と、該変動水圧装置と水流通管を介して連結された流量測定装置とを備え、前記変動水圧装置は、裏込砂に薬液を注入して製造した改良層サンプルと水を収容する密閉容器と、該密閉容器内に上方から変動圧力を負荷する変動圧力ユニットと、該変動圧力を計測する変動圧力計測装置とを有し、前記水流通管は前記密閉容器の下方に接続され、前記変動圧力で生じる変動水圧によって改良層サンプルを透過する水を前記流量測定装置に流出入させるとともに、その水圧を計測する管路水圧計測装置を有し、前記流量測定装置は、前記水流通管から流出入する流量を測定するとともに、前記水流通管を介して前記密閉容器内を所定圧力に加圧可能な加圧ユニットを有する実験装置。
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