JP4599611B2 - 地盤改良工法およびその工法に用いるグラウト - Google Patents

Description

本発明は、地盤（本発明では土および岩を含むものを意味する）、主に粘土質等の軟弱地盤、砂質土等の透水性地盤、あるいは亀裂を含む岩盤等を改良する工法およびその工法に使用する注入材（グラウト）に関するものである。

土木工学、環境工学などの分野では、粘土質等の軟弱地盤の強度改善や砂質土等の透水性地盤の透水性改善などに、あるいは岩盤中の亀裂や空隙にグラウトを注入して岩盤の透水性を改良させる場合などに、グラウト注入工法とよばれる工法が広く用いられている。

この工法において、対象となる地盤や岩盤の性質によって、異なる成分からなるグラウトが選択、利用される。グラウトの代表例としては、水ガラスを主材とする水ガラス系グラウト（例えば特許文献１）、セメントや石灰やスラグ等のカルシウム含有無機物を有効成分とするセメント系グラウト、アクリルアミド、尿素、ウレタンあるいはクロムリグニンなどの高分子物質を有効成分とする高分子系グラウトなどを挙げることができる。
特開平１０−１６８４５２号公報

これら従来のグラウトを利用したいわゆるグラウト注入工法は、その操作が簡便でかつ即効性があり、今日の土木工事でも欠かすことのできないものであるが、解決すべき課題も少なくない。その中でも重要な課題が、地下水汚染等のいわゆる環境破壊の可能性の低減である。

実際、我国でも、高分子系グラウトを使用したグラウト注入工事が原因となって、１９７３年と１９７４年にそれぞれ井戸水汚染事故が発生したことがあり、環境破壊のおそれは、現実化した問題でもある。

また、２００３年に土壌汚染対策法が施行されるようになって以来、グラウト注入工法においても、１）地下水（井戸水）の水質保全、２）施工地周辺の池や河川等の公用水域の水質保全、３）同工法施工により生じる排水の処理、切削残土および残材の適切な処理等の観点から、環境汚染を防止していくことが重要な課題となっている。

上記の様な、土壌汚染や環境破壊を防止するという観点から、グラウト注入工法に対する工夫に加え、使用されるグラウト自身についても環境に対するより高い安全性が求められるようになり、環境にやさしい地盤改良工法ならびにグラウトの開発が求められている。

本発明者らは、地盤を改良させる成分、同成分を生じさせるプロセス、このプロセスを進行させるために地盤に注入されるグラウト自身のいずれも、ほぼ天然に存在する成分ならびに自然現象を利用することによる、より環境に優しい地盤改良工法ならびにグラウトの開発を検討した結果、微生物の代謝作用を積極的に利用することでかかる課題を解決し、本発明を完成した。

すなわち請求項１に係る発明は、土壌中の微生物によって代謝分解される有機栄養源と、カルシウム塩と、ｐＨ緩衝剤を地盤中に注入し、微生物の代謝分解により地盤中に炭酸ガスを発生させ、該炭酸ガスとカルシウム塩の反応により、地盤中の空隙や不連続な境界部分に炭酸カルシウムを析出させることを特徴とする地盤改良工法である。請求項２は、特に、有機栄養源が土壌微生物によって代謝される糖類であり、また請求項３は、カルシウム塩が炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、塩化カルシウム、硝酸カルシウムよりなる群から選ばれる１種以上である、同工法に関する。また、請求項４に係る発明は、土壌中の微生物によって代謝分解されて炭酸ガスを発生させる有機栄養源と、該炭酸ガスと反応により炭酸カルシウムを析出させるカルシウム塩と、ｐＨ緩衝剤を含む上記工法に使用するためのグラウトに関する。請求項５は、特に、ｐＨが６〜１０に保持された水溶液の形態であるグラウトに関する。

本発明の工法は、土壌中の微生物によって代謝分解される有機栄養源と、カルシウム塩と、ｐＨ緩衝剤を注入することで、微生物が有機栄養源を代謝分解する際に発生する炭酸ガス、あるいは代謝によるｐＨの変動を利用して、地盤を改良させるものである。

以下に述べる説明に拘束されるものではないが、本発明の工法による地盤の改良は、概ね次のようなプロセスを経て達成されるものと推察される。

１）土壌中の微生物によって代謝分解される有機栄養源と、カルシウム塩と、ｐＨ緩衝剤をそれぞれ、あるいはそれらを含むグラウトを地盤に注入する。

２）注入された有機栄養源を微生物が代謝し、炭酸ガスを発生させる。

３）２）により生じた炭酸ガスが、地盤に注入されたカルシウム塩と反応して、地盤中の空隙や岩盤の亀裂などのマクロあるいはミクロレベルの不連続な境界部分において炭酸カルシウムを析出させる。

４）析出した炭酸カルシウムが固化して境界部分を閉塞する。

また、炭酸カルシウムを注入する場合には、微生物の代謝の結果として地盤のｐＨが変化することにより、注入された炭酸カルシウムが析出し、上記と同様の効果を奏するものと推察される。

以上により、水の流れやすさを低下させる（透水性の低減）、地盤自体の強度を向上させる（強度定数の増加）、変形に対する抵抗性を高める（変形定数の増加）、などの効果がもたらされると理解される。

ここで、注入されるｐＨ緩衝剤は、微生物による炭酸ガスの発生および炭酸カルシウムの析出に好適なｐＨ環境を提供すると共に、炭酸カルシウムの析出に伴った地盤中のｐＨの大きな変動を防止する作用を有すると解される。

この様な本発明には、次の様な特徴が認められる。

本発明の地盤改良工法および該工法に用いる本発明のグラウトにおいては、用いられる成分（有機栄養源、カルシウム塩、ｐＨ緩衝剤）、地盤中で進行するプロセス（微生物による有機物分解と炭酸カルシウムの析出）、その結果生じる物質（炭酸ガス、炭酸カルシウム、水）など、いずれも環境汚染の心配のない、また環境に対して負荷を殆ど与えないものである。そのため、本発明は、工業用用地等の他に、田畑あるいは住宅用地など、特に環境保全の要請の高い地域においても利用することができる。

本発明の工法ならびにグラウトにおいて使用される原料は、何れも調製容易かつ安価であってコスト的に有利である。特に本発明のグラウトの調製は特別な設備を要さず、現場で簡便に調製することができる。

本発明において注入される各成分の比率を変化させることで、微生物による炭酸ガス発生効率を調節して、炭酸カルシウムの析出ならびに地盤改良の速度、程度を制御することも可能である。

本発明のグラウトは極めて粘性が低く、そのため、地盤に対する浸透性が高く、低い注入圧で広範囲に注入することができる。なお、粘性物質を添加することで、粘度を自由に調節することも可能である。

本発明の工法ならびにグラウトは、地盤改良効果の耐久性が高く、注入後に地盤改良効果が低下することが知られている水ガラス系グラウトに比して有利である。

以上の通り、本発明の工法ならびにグラウトは、地盤に対して水の流れやすさを低下させる（透水性の低減）、地盤自体の強度を向上させる（強度定数の増加）、変形に対する抵抗性を高める（変形定数の増加）などの効果を奏すると共に、使用あるいは構成する成分ならびにこれを地盤中で生じる反応ならびに生成物物質はいずれも環境にとって無害物質であり、環境汚染のおそれがないということができる。

本発明の工法ならびにグラウトにおいて利用可能な有機栄養源は、好ましくは土壌中の微生物によって代謝分解される糖類であり、例えばグルコースやフラクトースなどの単糖類、スクロース、マルトースあるいはガラクトースなどの２糖類、その他のオリゴ糖、デンプンやマルトデキストリンなどの多糖類、その他の糖類を例示することができる。中でも、より幅広い微生物によって容易に代謝され易いグルコース、あるいはスクロースの利用が好ましい。

また、本発明の工法ならびにグラウトにおいて利用可能なカルシウム塩としては、中性ｐＨ付近で水に溶解可能な塩であれば特に制限はないが、硝酸カルシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、あるいは水酸化カルシウムなどを利用することができる。特に、中性ｐＨ付近での水溶性の観点から、硝酸カルシウムの利用が好ましい。

本発明の工法ならびにグラウトにおいて利用可能なｐＨ緩衝剤は、弱酸性から弱アルカリ性付近にｐＨを保持することのできるｐＨ緩衝剤であれば何れも利用可能であるが、環境に対する安全性を考慮すれば、例えばクエン酸とクエン酸ナトリウムなどの有機酸と有機酸塩との組み合わせ、生体に無毒なトリス緩衝剤などの利用が好ましい。

本発明の工法は、上記各成分、好ましくは水溶液状態の各成分を別々あるいは同時に、また上記各成分の混合液を目的とする地盤に対して注入することで行うことができる。注入は散布、注入、割裂注入、混練などのいずれであってもよい。

本発明のグラウトは、上記の各成分を固体状態で混合した要時溶解型の固形物として、あるいは上記の各成分を水に溶解した水溶液として調製することができる。

固形物として調製する場合には、例えば有機栄養源５〜３０重量％、カルシウム塩５〜３０重量％、ｐＨ調整剤４０〜９０重量％程度の比率で混合し、粉末状あるいは粒状へと加工して使用すればよい。

水溶液として調製する場合には、最終のグラウト１００ｍｌ当たり、有機栄養源３ｇ、カルシウム塩２.４ｇ、ｐＨ調整剤１００ｇ程度の比率で溶解して調製すればよい。

また、固形物、水溶液何れの場合も、本発明を構成する成分の他に環境汚染のおそれのない適当な添加物、特に微生物の代謝促進に有効な有機窒素源、ミネラル等を加えても良い。また、改良効果を促進させるために、本発明のグラウトと同時に、市販の酵母（イースト菌）などを注入しても、あるいは本発明の固形グラウトに微生物塊を加えて使用しても良い。

本発明の工法ならびにグラウトを用いて改質される地盤には格別の制限はないが、代表的には、地表付近あるいは地下深部に分布する土または岩として理解される。これらは国内外を問わず広く一般的に存在する地盤であり、例えば、粒径の小さい粘土（粒径０.００５ｍｍ以下程度）から主に構成される軟質あるいは硬質な粘性土、シルト（粒径０.００５〜０.０７５ｍｍ程度）および砂（粒径０.０７５〜２ｍｍ程度）から主に構成される砂質土、礫（粒径２ｍｍ以上）から主に構成される礫質土、岩盤などを挙げることができる。

この様な地盤としては、主に砂質土等の地震発生の際に液状化が予想される軟弱地盤、長雨や豪雨や地殻変動等によって弛み始めている堤防、岸壁、崖、土手、埋立て地、その他の軟弱地盤などが例示されるが、この様な状況となる前の地盤に対しても、本発明の工法を実施することで、軟弱化を防止することも可能である。

以下、実施例をあげてさらに本発明を説明する。

直径５ｃｍ、高さ５.１ｃｍの試料円筒に入った砂質地盤供試体（豊浦標準砂、質量約１５０ｇ）を用意した。グルコース０.７５ｇならびに硝酸カルシウム０.５９ｇを含むトリス水溶液２５ｍｌ（ｐＨ８.０）に市販酵母（日清フーズ株式会社製）０.５ｇを懸濁させ、平底容器（内径約１０ｃｍ、高さ約２ｃｍ）に加えた。上記の供試体を試料円筒のまま平底容器の中に置き、毛管作用を利用して試料円筒の下端から供試体に懸濁液を吸い上げさせて注入し、２４時間、室温に放置した。また、比較対照として、同量の蒸留水を注入した供試体を用意した。

試験は、土壌透水性測定器ＤＩＫ−４００（大起理化工業株式会社製）を使用して、変水位法による室内透水試験を行った。具体的な試験方法は、同測定器の取扱説明書に記載されている使用方法に従った。また、試験結果の再現性を確認する意味で、透水試験を１つの供試体について複数回行い、その平均値を算出した（図１）。

その結果、本発明の工法について、試験回数が５回目以降の透水係数として、約１.６×１０^−３ｃｍ／ｓの値が得られた。これに対し、比較対照の透水係数は約３.０×１０^−２ｃｍ／ｓであった。

このことから、本発明のグラウトは、砂質地盤の透水係数を優位に低下させることが確認された。

直径５ｃｍ、高さ５.１ｃｍの試料円筒に入った気乾状態の土（北海道大学農場から採取した粘土質地盤、質量約１５０ｇ）の供試体を用意した。グルコース０.７５ｇならびに硝酸カルシウム０.５９ｇを含むトリス水溶液２５ｍｌ（ｐＨ８.０）に市販酵母（日清フーズ株式会社製）０.５ｇを懸濁させ、平底容器（内径約１０ｃｍ、高さ約２ｃｍ）に加えた。上記の供試体を試料円筒のまま平底容器の中に置き、毛管作用を利用して試料円筒の下端から供試体に懸濁液を吸い上げさせて注入し、２４時間、室温に放置した。また、比較対照として、同量の蒸留水を注入した供試体を用意した。

試験は、土壌透水性測定器ＤＩＫ−４００（大起理化工業株式会社製）を使用して、変水位法による室内透水試験を行った。具体的な試験方法は、同測定器の取扱説明書に記載されている使用方法に従った。また、試験結果の再現性を確認する意味で、透水試験を１つの供試体について複数回行い、その平均値を算出した（図２）。

その結果、本発明の工法についての計２回の試験による平均の透水係数として、約１.２×１０^−５ｃｍ／ｓの値が得られた。これに対し、比較対照の透水係数は約４.０×１０^−４ｃｍ／ｓであった。

このことから、本発明のグラウトは、粘土質地盤の透水係数を優位に低下させることが確認された。

実施例１、２では、イースト菌を混入したバイオグラウトを砂質地盤（実施例１）および粘土地盤（実施例２）に対して注入した結果、注入後において両地盤の透水係数が低下することを確認した。そこで、本実施例では、イースト菌を含まないバイオグラウトを使用し、一般の土中に生息する微生物の代謝活動のみによって同様の改良効果（透水係数の低下）が見られるかどうかを確認した。実験方法および実験結果は次の通りである。

直径５ｃｍ、高さ５.１ｃｍの試料円筒に入った気乾状態の土（北海道大学農場から採取した粘土質地盤、質量約１５０ｇ）の供試体を用意した。このとき、土中の微生物を死滅させないように土を乾燥させるために、採取した土（粘土）を温度３０℃の恒温炉内に入れて気乾状態にした。上記の供試体（試料円筒）を、イースト菌を含まないバイオグラウト（トリス緩衝溶液＋硝酸カルシウム＋グルコース）が入ったプラスチック製の容器（内径約９ｃｍ、高さ約９ｃｍ）の中に静かに入れ、供試体（試料円筒）の下端から毛管作用によるバイオグラウトの吸い上げにより土の飽和度を高めた。このとき、容器内におけるバイオグラウトの水位は、容器底部から約３ｃｍの高さにした。

バイオグラウトの効果、つまり、炭酸カルシウムの析出による粘土粒子間の間隙の充填効果について確認するために、グラウトとして蒸留水およびバイオグラウト（トリス緩衝溶液＋硝酸カルシウム＋グルコース）の２種類を使用した。ただし、蒸留水では炭酸カルシウムの析出および粘土粒子間の間隙の充填効果は期待できないため、比較対照として用いた。

供試体（試料円筒）にバイオグラウトを注入した後は、温度３０℃の恒温炉内に入れ、放置時間として４週間および８週間の経過後に炉内から取り出して透水試験を実施した。したがって、試験条件、つまり、グラウトの種類としては、１）蒸留水、２）バイオグラウト（放置時間４週間）、３）バイオグラウト（放置時間８週間）の３種類であった。

試験は、土壌透水性測定器ＤＩＫ−４００（大起理化工業株式会社製）を使用して、変水位法による室内透水試験を行った。具体的な試験方法は、同測定器の取扱説明書に記載されている使用方法に従った。また、試験結果の再現性を確認する意味で、透水試験を１つの供試体について複数回行い、その平均値を算出した（図３）。

実験の結果、以下のことが明らかになった。

透水係数の値は、大きい方から順番に１）蒸留水、２）バイオグラウト（放置時間４週間）、３）バイオグラウト（放置時間８週間）となった。なお、試験条件２）と３）の透水係数の差異は小さかった。

バイオグラウトを注入してから４週間後、８週間後に相当する試験条件２）、３）において、それぞれ合計５回の透水試験による平均の透水係数として、約２.６×１０^−５ｃｍ／ｓ、約１.９×１０^−５ｃｍ／ｓの値が得られた。これに対し、グラウト注入前に相当する試験条件１）（比較対照）の透水係数の値は、約４.１×１０^−４ｃｍ／ｓであり、試験条件２）、３）の場合よりも１桁大きかった。すなわち、上記のバイオグラウトの注入効果によれば、粘土の透水係数の値が１桁小さくなることが明らかになった。

以上のことから、イースト菌を含まないバイオグラウト、つまり、一般の土中に生息する微生物の代謝活動のみを使用したバイオグラウトによる粘土質地盤の改良効果（透水係数の低下）について実験的に検討した結果、グラウト中にイースト菌を含む場合と同様に、バイオグラウトの注入効果による透水係数の低下が確認された。

なお、この結論は、必ずしも北海道大学農場の土（粘土）に限定されるものではなく、地盤（土、粘土）の種類および国内外の場所を問わずに適用することができる。すなわち、バイオグラウトによる地盤の改良効果は、対象とする地盤の種類や場所に依存しない。

本発明の一実施例として砂質地盤に対する本発明の地盤改良効果を透水係数の変化によって表したグラフ 本発明の他の実施例として粘土質地盤に対する本発明の地盤改良効果を透水係数の変化によって表したグラフ 本発明のさらに他の実施例として粘土質地盤に対する本発明の地盤改良効果を透水係数の変化によって表したグラフ

Claims (5)

1. 土壌中の微生物によって代謝分解される有機栄養源と、カルシウム塩と、ｐＨ緩衝剤を地盤中に注入し、微生物の代謝分解により地盤中に炭酸ガスを発生させ、該炭酸ガスとカルシウム塩の反応により、地盤中の空隙や不連続な境界部分に炭酸カルシウムを析出させることを特徴とする地盤改良工法。
2. 有機栄養源は、土壌微生物によって代謝分解される糖類である、請求項１記載の地盤改良工法。
3. カルシウム塩は、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、塩化カルシウム、および硝酸カルシウムよりなる群から選ばれる１種以上である、請求項１または請求項２記載の地盤改良工法。
4. 土壌中の微生物によって代謝分解されて炭酸ガスを発生させる有機栄養源と、該炭酸ガスと反応により炭酸カルシウムを析出させるカルシウム塩と、ｐＨ緩衝剤を含む、請求項１記載の工法に使用するためのグラウト。
5. ｐＨが６〜１０に保持された水溶液の形態である、請求項４記載のグラウト。

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