JP4573123B2 - 地盤改良装置および液状化防止工法 - Google Patents

Description

本発明は、既存構造物の支持地盤に対して液状化防止対策としての地盤改良を行うための地盤改良装置、およびその地盤改良装置を用いて液状化防止対策としての地盤改良を行うための液状化防止工法に関する。

浅層（表層）混合処理工法による地盤改良装置としてたとえば特許文献１に示されるものが知られている。これは各種の地盤改良材（固化材）を地盤中に供給して原位置土と攪拌混合するための攪拌混合機（トレンチャ）をバックホウ等のベースマシンの揺動アームの先端部に装着した構成のもので、ベースマシンの操作により攪拌混合機を対象地盤に挿入して地盤表層部（深度数ｍ〜１０ｍ程度）を対象として地盤改良を効率的に行い得るものである。

上記従来の地盤改良機械は液状化地盤に対する液状化防止対策を目的とする地盤改良工法に適用することも好適であると考えられ、特に近年においてはこのような地盤改良機械を既存不適格構造物の支持地盤に対する液状化防止対策としての地盤改良工法に適用したいとの要請も多い。
すなわち、過去の耐震基準で構築されたままで現存している各種の既存不適格構造物に対しては現在の耐震基準に適合させるための耐震改修を行うことが急務とされ、特に埋め立て地に立地している石油タンクはその支持地盤が液状化地盤である場合も多いことから早急な液状化防止対策が必要とされており、そのような既存構造物の支持地盤を対象とする液状化防止対策としての地盤改良を特許文献１に示されるような地盤改良装置により実施できれば効率的であり有効であると考えられる。
しかしながら、特許文献１に示されている地盤改良装置は攪拌混合機を垂直姿勢として地中に挿入して横方向に移動させる構成であるので、既存構造物の周囲に対する地盤改良は可能であるものの既存構造物の下方地盤に対してまで地盤改良を行うことは不可能であり、既存構造物の下方地盤に対する液状化防止対策としての地盤改良にはそのまま適用することはできないものであった。

そのため、従来において既存構造物の下方地盤に対する液状化防止対策としての地盤改良工法を行う場合には、たとえば特許文献２に示されている液状化防止工法のように既存構造物の周囲からその下方地盤に対して薬液注入を行うことが一般的である。
これは、既存の石油タンクの周囲からその下方の支持地盤である液状化層に対して薬液注入を行って地盤改良することを基本とするものであり、特に図１２に示すように既存のタンク１の下方地盤の全体をタンク１の外周部に沿う環状の外殻改良ゾーン２とその内側の内部改良ゾーン３とに区分して、後者の改良率を前者のそれよりも低く設定するというものである。これによれば、外殻改良ゾーン２の改良率をたとえば９０％程度と充分に高めておけば、内部改良ゾーン３の改良率はたとえば７０％程度に留めることでも全体として優れた液状化防止効果を確保できるとされ、したがってタンク１の下方地盤全体を一律に高改良率とする場合に比較して改修に要する費用と手間を軽減でき、その点では既存不適格構造物を対象とする液状化防止対策として有効であると考えられている。
特許第３０９０６３７号公報 特許第３３４２０００号公報

特許文献２に示される従来の液状化防止工法は既存構造物の周囲からその下方地盤に対する地盤改良を行うことができるものではあるが、地盤改良を単なる薬液注入により行うものであることから、たとえば特許文献１に示されるような浅層混合処理工法による地盤改良を行う場合に比較すれば地盤増強効果には自ずと限界があり、そのため原地盤の状況によっては改良後の地盤強度を必ずしも充分に高めることができず充分な液状防止効果が得られない場合も想定される。したがって、そのような場合には薬液注入による地盤改良率を可及的に高く設定する必要があり、また地盤改良範囲も充分に広く設定しなければならないから、必然的に高価な薬液を多量に必要とする。しかも、外殻改良ゾーン２と内部改良ゾーン３に区分するとはいっても、大半を高改良率の外殻改良ゾーン２として設定する必要も多く、特に外径寸法が１２〜１５ｍ程度の中小規模のタンク１の場合には実質的に内部改良ゾーン３を設定する意味が殆どなく、結果的に充分なコスト削減が望めない場合も多い。

以上のように、現時点では既存構造物の下方地盤に対する有効適切な液状化防止手法は確立されておらず、特に既存不適格構造物の耐震改修を促進するためにはより一層の工費削減を図り得る有効適切な液状化防止工法やそのための地盤改良装置の開発が急務とされているのが実状である。

上記事情に鑑み、本発明の地盤改良装置は、既存構造物の支持地盤に対して液状化防止対策としての地盤改良を行うために用いるものであって、地盤中に挿入されて固化材を供給しつつ原位置土と攪拌混合する攪拌混合機と、該攪拌混合機を水平姿勢で上下方向および水平各方向に移動可能に保持して該攪拌混合機を既存構造物の周囲地盤に挿入しかつそこから既存構造物の下方地盤に進入せしめるベースマシンとを具備してなることを特徴とする。
本発明の地盤改良装置においては、攪拌混合機には、地盤中において後方に向かって伸張することにより、後方地盤から反力をとって攪拌混合機全体を前方に押し出すための前進用ジャッキを搭載することが好ましい。
さらに、ベースマシンの揺動アームに垂直アームを設けて、該垂直アームの下端部に攪拌混合機を回動自在に支持するとともに、攪拌混合機を回動させるための回動駆動源を具備することが好ましい。

また、本発明の液状化防止工法は上記の地盤改良装置によって既存構造物の支持地盤に対して液状化防止対策としての地盤改良を行うものであって、既存構造物の周囲地盤に攪拌混合機を挿入してその先端部を既存構造物の下方地盤に進入せしめて、該攪拌混合機より既存構造物の外周部の下方地盤に対して固化材を供給するとともに原位置土と攪拌混合することにより、既存構造物の外周部の下方地盤に既存構造物の外形輪郭に沿う閉鎖環状の外殻改良ゾーンを形成することを特徴とする。
本発明の液状化防止工法においては、外殻改良ゾーンの形成に際しての固化材としてセメントないしセメント系固化材を用いることにより、外殻改良ゾーンをセメント改良ゾーンとして形成することが好ましく、さらにその場合においては外殻改良ゾーンの内側に薬液注入を行うことにより外殻改良ゾーンの内側にそれよりも相対的に低強度の内部改良ゾーンを形成することが好ましい。

本発明の地盤改良装置によれば、攪拌混合機をベースマシンによって既存構造物の下方地盤に進入させることにより、既存構造物の周囲からの作業のみでその下方地盤に対して浅層混合処理工法による高強度の外殻改良ゾーンを容易に形成することが可能である。
特に、攪拌混合機に前進用ジャッキを搭載して後方地盤から反力をとって前進させる構成とすることにより、攪拌混合機を確実かつ容易に前進させて既存構造物の下方地盤に対する地盤改良を確実に行うことが可能である。
また、攪拌混合機をベースマシンの垂直アームの下端部に回動自在に設けることにより、攪拌混合機を鉛直姿勢とすることも可能であるので、浅層混合処理工法による通常の地盤改良装置と同様に使用することも可能である。

本発明の液状化防止工法によれば、上記の地盤改良装置を用いて既存構造物の下方地盤に対して外殻改良ゾーンを形成することにより、従来の薬液注入による液状化防止工法に比べて自ずと高強度の外殻改良ゾーンを形成することができ、したがってその形成範囲を削減することもでき、大幅なコスト削減を実現することができる。
特に、固化材として自ずと高強度が得られかつ安価なセメントないしセメント系固化材を用いることにより、薬液注入による場合に比べて遙かに高強度のセメント改良ゾーンを形成できるし、固化材コストとその所要量も大幅に削減することができる。
また、外殻改良ゾーンの内部に薬液注入による内部改良ゾーンを形成することにより、既存構造物の下方地盤全体の液状化防止強度をより一層高めることが可能である。

本発明の一実施形態を図１〜図５を参照して説明する。本実施形態は図１に示すように既存のタンク１の支持地盤である液状化層を対象としてその液状化防止対策としての地盤改良を行う場合の適用例であって、基本的には特許文献２に示される従来工法による場合（図１２参照）と同様に、タンク１の外形輪郭に沿う環状の外殻改良ゾーン２を形成するものであるが、従来工法では外殻改良ゾーン２をタンク１の周囲からの薬液注入により行っていたのに対し、本実施形態では図２〜図５に示す地盤改良装置１０を用いて浅層混合処理工法により外殻改良ゾーン２を形成するものとしており、しかも本実施形態ではそのための固化材としてセメント（セメントペーストあるいはセメントミルク）ないしセメント系固化材を用いることで外殻改良ゾーン２を充分に高強度なセメント改良ゾーンとして形成するものとしている。したがって本実施形態では従来工法に比べて遙かに高強度の外殻改良ゾーン２を形成できるものであり、かつその施工を遙かに容易にしかも低コストで行うことができるものとなっている。
なお、本実施形態においても、従来と同様に外殻改良ゾーン２の内側には薬液注入による内部改良ゾーン３を形成しており、そこでの改良率を７０％程度と比較的低く設定しているが、後述するようにその内部改良ゾーン３は必ずしも形成することはなく、不要な場合には省略しても差し支えない。

本実施形態の工法に用いる地盤改良装置１０は、特許文献１に示される従来の地盤改良装置を基本とするものであって、図２に示すようにたとえばバックホウ等をベースマシン１１としてその揺動アーム１２に対して攪拌混合機（トレンチャ）１３を装着したものであるが、従来の地盤改良装置は攪拌混合機１３を鉛直姿勢で（つまり先端を下方に向けた状態として）として揺動アーム１２の先端部に直接的に装着したものであるのに対し、本実施形態の地盤改良装置１０では揺動アーム１２の先端部に鉛直アーム１４を揺動ジャッキ１５により揺動可能に連結し、その鉛直アーム１４の先端部（下端部）に、攪拌混合機１３を常にほぼ水平姿勢（つまり先端を前方に向けた状態）となるようにしてその後端部を固定したものとなっている。

本実施形態における攪拌混合機１３は、基本的には従来のものと同様に、攪拌翼（図示せず）を取り付けた無端状のチェーン１６を対のスプロケット１７間に巻回して循環駆動するとともに、図示を略した固化材供給手段によって各種の固化材を地盤中に噴出状態で供給可能なものであり、地盤中に固化材を供給しつつチェーン１６を循環駆動することによって固化材と原位置土とを効率的に攪拌混合し得るものである。
加えて、本実施形態の攪拌混合機１３には、その後部に反力板１８を備えた前進用ジャッキ１９が搭載され、その前進用ジャッキ１９を後方に伸張させることにより後方地盤から反力をとって攪拌混合機１３の全体を前方に押し出すことができるものとなっている。
なお、攪拌混合機１３の全長および前進用ジャッキ１９のストロークは、形成するべき外殻改良ゾーン２の幅寸法ｄ_１（図１、図５参照）や、後述する事前改良部２０の幅寸法ｄ_３（図２参照）を考慮して、外殻改良ゾーン２を効率的に形成し得るように設定すれば良いし、前進用ジャッキ１９の所要ストロークが特に大きいような場合には必要に応じて多段伸張式ジャッキを採用すれば良い。

上記構成の地盤改良装置１０により外殻改良ゾーン２を形成する場合の施工手順を図２〜図５を参照して説明する。まず、準備工程として、図２に示すように攪拌混合機１３を地盤に挿入するための事前改良部２０をタンクの周囲に形成する。
その事前改良部２０の形成は適宜行えば良いが、特許文献１に示される従来の地盤改良装置を用いて固化材（本実施形態ではセメントないしセメント系固化材）を原地盤に供給しつつ原位置土と攪拌混合することで行うと良く、それにより事前改良部２０の粘度を攪拌混合機１３を挿入可能な程度の充分に柔軟で半流動性を有する状態としておく。
なお、事前改良部２０は最終的には攪拌混合機１３により形成される外殻改良ゾーン２と一体となるものであり、その幅寸法ｄ_３は少なくとも攪拌混合部１３の全体を水平姿勢のままで挿入できる程度とし、その深さは少なくとも形成するべき外殻改良ゾーン２の底部に達する深度とする。

事前改良部２０を形成した後、図３に示すようにベースマシン１１の操作により攪拌混合機１３を事前改良部２０内に挿入し、タンクの基礎１ａよりも深い位置に達したら、前進用ジャッキ１９を後方に伸張させて反力板１８を事前改良部２０の後方壁に押し付け、それにより攪拌混合機１３全体を前進せしめてその先端を事前改良部２０の前方壁に押し付ける。
そして、攪拌混合機１３のチェーン１６を循環駆動するとともに固化材としてのセメント（セメントペーストあるいはセメントミルク）ないしセメント系固化材を噴出させつつ、前進用ジャッキ１９をさらに伸張させて攪拌混合機１３の先端部をタンク１の下方地盤に進入させていき、これにより固化材を原位置土と攪拌混合する。その際、チェーン１６の駆動方向は攪拌混合機１３の先端部が地盤に容易に食い込んでいく方向（図示では半時計回り）に設定すると良い。

図４に示すように前進用ジャッキ１９を充分に伸張させて攪拌混合機１３のほほぼ全長がタンク１の下方地盤中に進入したら、そのまま攪拌混合を継続しつつベースマシン１１の操作により攪拌混合機１３を徐々に降下させていく。
そして、図５に示すように攪拌混合機１３が事前改良部２０の底部（つまり形成するべき外殻改良ゾーン２の底部）まで達したら、この段階での作業が終了する。
そこで、前進用ジャッキ１９を縮退させ、攪拌混合機１３全体を事前改良部２０の上部まで引き上げ、その位置をやや側方にずらしてから以上の作業を繰り返し、さらに以上の作業をタンク１の全周にわたって繰り返して、最終的には環状の外殻改良ゾーン２を隙間なく連続的に形成し、所定期間が経過して固化材が硬化すれば外殻改良ゾーン２の完成となる。なお、外殻改良ゾーン２の内部に内部改良ゾーン３を形成する場合には、外殻改良ゾーン２の形成後に、あるいはそれに相前後して、適宜の薬液注入工法により所望の改良率となるように実施すれば良い。

本実施形態によれば、タンク１の周囲からの作業のみでその下方地盤に対して浅層混合処理工法による外殻改良ゾーン２を容易にかつ確実に形成することができるし、固化材としては自ずと充分な高強度が得られるセメントないしセメント系固化材を用いることができるから、それにより特許文献２に示されるような単なる薬液注入による従来の液状化防止工法に比べて遙かに高強度の外殻改良ゾーン２を形成することができる。したがって、本実施形態によれば外殻改良ゾーン２の形成範囲も削減することが可能であり、さらには外殻改良ゾーン２のみで充分な強度を確保できることから内部改良ゾーン３を省略することも可能であり、その結果、各種薬液に比較して安価な固化材であるセメントないしセメント系固化材の採用と、その固化材の所要量削減によるコスト削減のみならず、施工対象範囲の削減による施工軽減と工期短縮をも図ることもでき、以上のことから従来工法による場合に比べて大幅なコスト削減を実現することができる。
具体的な設計例を挙げて検討してみると、外径寸法が１２〜１５ｍ程度の中規模のタンク１を対象とする場合、薬液注入による従来工法では図１２に示したように改良率９０％とする外殻改良ゾーン２の所要幅寸法ｄ_２が５ｍ程度は必要であるのに対し、本実施形態の工法では外殻改良ゾーン２を浅層混合処置工法によるセメント改良ゾーンとして形成することにより、その外殻改良ゾーン２の強度を１０〜２０倍にも高めることができることから、その所要幅寸法ｄ_１を２．５ｍ程度と半減させることができ、しかも固化材単価は１／３〜１／５程度で済み、全体として大幅なコスト削減を実現できることが確認されている。

また、上記実施形態の液状化防止工法において使用する上記の地盤改良装置１０は、基本的には特許文献１に示されるような従来の地盤改良装置を基本として、攪拌混合機１３を鉛直アーム１４の先端部にほぼ水平姿勢として装着したものであるので、従来のものに比べて格別に複雑な構成のものでも高度の制御を必要とするものでもない。

以上で本発明の一実施形態を説明したが、以下に他の実施形態を示す。
図６〜図７は地盤改良装置１０の他の構成例を示すものである。これは、上記実施形態の装置における攪拌混合機１３を水平軸２１により鉛直アーム１４に対して鉛直面内において回動自在に軸支するとともに攪拌混合機１３を回動させるための回動駆動源としての起倒用ジャッキ２２を設けたものである。
この実施形態の地盤改良装置１０による場合には、図６に示すように攪拌混合機１３を鉛直姿勢（下向き）として事前改良部２０に挿入した後に、図７に示すように起倒用ジャッキ２２を操作して攪拌混合機１３を水平姿勢とすることができ（その際にはチェーン１６を循環駆動して図示方向に回転させることにより前方壁を掘削すれば良い）、以降は上記実施形態と同様の作業手順と全く同様である。これによれば、事前改良部２０の幅寸法ｄ_３を攪拌混合機１３の全長よりも小さくすることができるし、前進用ジャッキ１９の所要ストロークも小さくすることができる。さらに、攪拌混合機１３を鉛直姿勢とした状態では特許文献１に示される従来の地盤改良装置と同様に機能するから、事前改良部２０もこの地盤改良装置１０自体で施工することが可能であるし、換言すれば事前改良部２０を特に形成することなく、この地盤改良装置１０で外殻改良ゾーン２の全体を施工することができる。

図８〜図１１は既存建物３０の下方地盤への適用例である。
これらはいずれも既存建物３０の外周部の下方地盤にその外形輪郭に沿う閉鎖環状（図示例では矩形枠状）の外殻改良ゾーン２を上記と同様の工法により形成するものであり、いずれも既存建物３０の下方地盤の液状化を有効に防止できるばかりでなく、杭３１に対する補強効果も得られて地震時における杭３１の損傷を防止できる効果が得られるものである。
なお、これら場合も、原地盤の状況や要求される液状化強度、その他の諸条件を考慮して、必要であれば外殻改良ゾーン２の内部に薬液注入による内部改良ゾーン３を形成すれば良く、その内部改良ゾーン３の形成パターンとしては、たとえば図８に示すように外殻改良ゾーン２の内部全体に形成したり、図９に示すように杭３１の位置を中心に格子状に形成したり、図１０に示すように梯子状に形成することが考えられる。勿論、外殻改良ゾーン２のみで充分な液状化防止効果が得られる場合には、内部改良ゾーン３は不要であるので、図１１に示すように外殻改良ゾーン２を形成するのみで内部改良ゾーンを省略すれば良い。

なお、上記各実施形態のように外殻改良ゾーン２をセメントないしセメント系固化材によるセメント改良ゾーンとして形成することが強度のうえでもコストの点でも最も有利であり、そのようにすることが最適であるが、本発明はそれに限定されるべきものでもなく、所望強度の外殻改良ゾーン２を効率的に施工できる場合には他の固化材を使用することも妨げるものではない。
また、本発明は上記実施形態のように既存の石油タンクや既存建物のみならず様々な形態、規模、用途の構造物の下方地盤に対しても同様に適用できるものであるし、さらには地盤改良するべき対象地盤の上方に何らかの障害物があって直上からの作業が行えないような場合にも有効に適用可能である。

さらに、本発明の地盤改良装置１０の各部の具体的な構成、特に攪拌混合機１３やベースマシン１１の構成については上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、すなわち既存構造物の周囲からその下方地盤に攪拌混合機１３を前進させていってそこで浅層混合処理工法により地盤改良を行うように構成する限りにおいて、様々な設計的変更が可能であることはいうまでもない。
たとえば、上記実施形態のように攪拌混合機１３に前進用ジャッキ１９を搭載して後方地盤から反力をとって攪拌混合機１３を前進させる構成とすることにより、より確実かつ容易に前進させることが可能であるので、そのように構成することが好ましいが、ベースマシン１１による操作のみで攪拌混合機１３を前進させることも可能である場合には前進用ジャッキ１９は必ずしも設けることはない。
また、図６〜図７に示した実施形態では攪拌混合機１３を鉛直アームに対して鉛直面内において回動可能としたが、それに加えて、構成が若干複雑化することにはなるが、攪拌混合機１３を水平面内においても（つまり全方向に）回動可能とすることも考えられるし、さらには攪拌混合機１３をそれ自身の軸線廻りに回転可能に構成することも考えられ、そのようにすれば攪拌混合機を様々な姿勢とできるし、既存構造物の下方地盤において各方向（前後方向、上下方向、左右方向）に自由に移動させることも可能となり、より効率的な攪拌混合を行うことが可能となる。

本発明の液状化防止工法をタンクの下方地盤に適用した場合の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態である地盤改良装置によってタンクの下方地盤に外殻改良ゾーンを形成する工程を示すもので、事前改良部を施工した状態を示す図である。 同、攪拌混合機を事前改良部に挿入した状態を示す図である。 同、攪拌混合機をタンクの下方地盤に到達させた状態を示す図である。 同、攪拌混合機を事前改良部の底部まで降下させた状態を示す図である。 本発明の他の実施形態である地盤改良装置によってタンクの下方地盤に外殻改良ゾーンを形成する工程を示すもので、攪拌混合機を鉛直姿勢で事前改良部に挿入した状態を示す図である。 同、攪拌混合機を水平姿勢とした状態を示す図である。 本発明の液状化防止工法を既存建物の下方地盤に適用した場合の実施形態を示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 同、さらに他の実施形態を示す図である。 同、さらに他の実施形態を示す図である。 薬液注入によるタンクの下方地盤に対する従来の液状化防止工法の一例を示す図である。

符号の説明

１ タンク（既存構造物）
１ａ 基礎
２ 外殻改良ゾーン（セメント改良ゾーン）
３ 内部改良ゾーン（薬液改良ゾーン）
１０ 地盤改良装置
１１ ベースマシン
１２ 揺動アーム
１３ 攪拌混合機
１４ 鉛直アーム
１５ 揺動ジャッキ
１６ チェーン
１７ スプロケット
１８ 反力板
１９ 前進用ジャッキ
２０ 事前改良部
２１ 水平軸
２２ 起倒用ジャッキ（回動用ジャッキ）
３０ 既存建物（既存構造物）

Claims (6)

1. 既存構造物の支持地盤に対して液状化防止対策としての地盤改良を行うために用いる地盤改良装置であって、
   地盤中に挿入されて固化材を供給しつつ原位置土と攪拌混合する攪拌混合機と、該攪拌混合機を水平姿勢で上下方向および水平各方向に移動可能に保持して該攪拌混合機を既存構造物の周囲地盤に挿入しかつそこから既存構造物の下方地盤に進入せしめるベースマシンとを具備してなることを特徴とする地盤改良装置。
2. 攪拌混合機に搭載されて地盤中において後方に向かって伸張することにより、後方地盤から反力をとって攪拌混合機全体を前方に押し出す前進用ジャッキを具備してなることを特徴とする請求項１記載の地盤改良装置。
3. ベースマシンの揺動アームに垂直アームを設けて該垂直アームの下端部に攪拌混合機を回動自在に支持するとともに、攪拌混合機を回動させるための回動駆動源を具備してなることを特徴とする請求項１または２記載の地盤改良装置。
4. 請求項１，２または３記載の地盤改良装置によって既存構造物の支持地盤に対して液状化防止対策としての地盤改良を行うための液状化防止工法であって、
   既存構造物の周囲地盤に攪拌混合機を挿入してその先端部を既存構造物の下方地盤に進入せしめて、該攪拌混合機より既存構造物の外周部の下方地盤に対して固化材を供給するとともに原位置土と攪拌混合することにより、既存構造物の外周部の下方地盤に既存構造物の外形輪郭に沿う閉鎖環状の外殻改良ゾーンを形成することを特徴とする液状化防止工法。
5. 外殻改良ゾーンの形成に際しての固化材としてセメントないしセメント系固化材を用いることにより、外殻改良ゾーンをセメント改良ゾーンとして形成することを特徴とする請求項４記載の液状化防止工法。
6. 外殻改良ゾーンの内側に薬液注入を行うことにより、外殻改良ゾーンの内側にそれよりも相対的に低強度の内部改良ゾーンを形成することを特徴とする請求項５記載の液状化防止工法。

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