JP4709201B2

JP4709201B2 - 地盤改良方法

Info

Publication number: JP4709201B2
Application number: JP2007333512A
Authority: JP
Inventors: 俊介島田; 忠雄小山; 麗寺島
Original assignee: 強化土エンジニヤリング株式会社
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: JP2009155855A

Description

本発明は地盤中で微生物による代謝によって二酸化炭素を発生させ、この二酸化炭素によりシリカ化合物を硬化させる地盤改良方法に関するものである。地盤改良に際して有害物質が発生せず、そのため環境へ悪影響を与えることがなく、しかも大掛かりな装置や有害な薬品を必要とせず、液状化対策工事、構造物基礎下の耐震補強、土砂や岩盤の止水等に適する。

注入材により地盤を固結して地盤改良を図る方法として、従来、地盤中に水ガラスや、セメントを注入して地盤を固結する方法が採用されていた。

しかし、従来の方法では、注入材が強アルカリであったり、あるいは強酸を使用したり等、環境に悪影響を与える恐れがあり、取り扱いにも注意が必要であり、また、使用できる地盤が限定されていた。

このほか、背景技術として、特許文献１には、水ガラスと炭酸ガスとを一定比率で加圧して供給し、炭酸ガスの吸収された水ガラス水溶液を吐出して地盤注入薬液を得る製造方法が記載されている。

また、特許文献２には、環境汚染の恐れのない地盤改良方法として、イースト菌や一般の土中に生息する微生物等を利用して有機物を代謝分解させ、その際に発生する炭酸ガスや代謝によるｐＨの変動を利用して地盤改良を図る方法が記載されている。

特公平０７−０５７８７０号公報特開２００６−１６９９４０号公報

通常、一般の土壌には１ｇ当り１０⁷〜１０⁹個程度の微生物が存在しており、そのような微生物の代表例として細菌、真菌、藻類、原生動物、藻が挙げられる。

特許文献２では、イースト菌など食品に利用されている微生物の他、一般の土中に生息する微生物も地盤改良に利用できることが示されている。しかし、そのような微生物の代謝作用を利用するためには、地盤改良に有効に作用する微生物を選び出し、それを培養して使用する必要がある。

しかしながら、微生物は、水ガラスやセメント等と異なり、生き物であるため、それに適した生息環境が必要であり、気候や土壌等の生息環境が合わなければ死滅してしまい、目的の効果が得られない恐れがある。もともと、土中には多種の微生物が混棲しているが、長い年月の間に適合した環境から異なる環境に移された場合には、新しい環境に適合できない恐れがある。ある特定の種類でみた場合も、同種の微生物が生息していても適合できない場合がある。

また、逆に、特定の微生物が新しい環境下で異常に増殖し、他の微生物を圧迫し、生息環境のバランスを崩す恐れもある。さらには、不用意な外来種の導入は、微生物の生息環境だけでなく、自然環境全体に影響を及ぼす危険性も高まる。

本発明は、微生物を利用する地盤改良における上述のような課題の解決を図ったものであり、有害物質の発生がないだけでなく、環境への影響を最小限に抑えることができる地盤改良方法を提供することを目的としている。

本願の請求項１に係る発明は、地盤中にシリカ化合物および微生物を投入し、微生物による有機物の代謝作用によって二酸化炭素を発生させ、発生した二酸化炭素によりシリカ化合物を硬化させる地盤改良方法であって、前記微生物として、地盤改良の対象地盤の土中に存在する微生物を培養したものを用いることを特徴とする。

投入された微生物は地盤中に存在する有機物等の栄養源を代謝作用によって分解し、二酸化炭素を発生する。シリカ化合物はこの発生した二酸化炭素により硬化し、地盤を改良する。

対象地盤の土中に存在する微生物を培養したもののみ用いるのであれば、使用される場所がその微生物がもともと生息していた環境であるため、環境に適合できないという問題はなく、有効に機能させることができる。また、培養して投入するため、一時的に密度が高まるが代謝作用を利用した後は、通常はそのままでも徐々にもとの状態に収束して行くことになる。

なお、本発明は対象地盤の土中に存在する微生物を利用することが前提ではあるが、例えばそれ以外の乳酸菌やイースト菌等も、本発明の地盤改良方法に適合させることができるものであれば、それらを併用することはかまわない。

請求項２は請求項１に係る地盤改良方法において、前記微生物として、培養した微生物を乾燥させて休眠状態としたものを用いることを特徴とする。

微生物菌体は、乾燥または凍結乾燥することで、代謝反応を停止させて休眠状態となり、低温あるいは常温で長期の保存が可能であるので、あらかじめ培養したものを、乾燥した粉状体の状態で保存し、必要時に必要な量だけ使用することができる。

請求項３は請求項１または２に係る地盤改良方法において、前記シリカ化合物および微生物に加え、地盤中に微生物の栄養源となる栄養分を投入することを特徴とする。

請求項４は、請求項３に係る地盤改良方法において、前記微生物栄養源が単糖類、二糖類および多糖類の群から選ばれる１種以上であることを特徴とする。

単糖類としてはグルコースやフラクトース、二糖類としてはスクロース、マルトース、ガラクトース、多糖類としてはオリゴ塘、でんぷん、マルトデキストリン等が挙げられる。

請求項５は、請求項１〜４に係る地盤改良方法において、二酸化炭素、炭酸水、または酸素を併用して前記有機物の代謝作用の調整、およびシリカ化合物のゲル化時間の調整を行うことを特徴とする。

請求項６は、請求項１〜５に係る地盤改良方法において、さらに、多価金属化合物を併用することを特徴とする。

多価金属化合物と二酸化炭素の反応により、不溶性の多価金属炭酸塩を生成し、シリカ化合物のゲル化時間を調整し、かつ固結物の強度を増強することができる。

請求項７は、請求項６に係る地盤改良方法において、前記多価金属化合物がカルシウム塩、多価金属塩、カルシウム水酸化物、微粒子石灰、微粒子セメント、微粒子スラグ、石膏、および炭酸カルシウムの群から選ばれる１種以上である場合を限定したものである。

請求項８は、請求項１〜７に係る地盤改良方法において、さらにゲル化調整剤を併用することを特徴とする。

請求項９は、請求項８に係る地盤改良方法において、前記ゲル化調整剤が塩化カルシウムおよび／または塩化ナトリウムからなる無機塩、微量の酸、有機塩およびシリカ化合物の群から選ばれる１種以上である場合を限定したものである。

本発明で使用される土中微生物は、もともと地盤改良の対象地盤の土中に存在する微生物を培養したものであるため、生息環境への不適合や生息環境への悪影響の問題がなく、確実かつ有効にその機能を発揮させることができる。

また、併用される他の物質も自然界に一般的に存在するものであり、地盤改良後も周辺の地盤に影響を与えにくく、地下水や土壌を汚染することも少ないため、環境保全上デリケートな場所での利用にも適している。

また、大掛かりな装置や、有害な薬品を使う必要がないため、地盤改良の工事現場にて容易に調合することができる。特に液状化対策工事等、構造物基礎下のガス、電気、水道管等の地下埋設が多い条件での耐震補強にも適している。

さらにカルシウム化合物、栄養分（栄養源）、二酸化炭素、ゲル化調整剤の一種または複数を注入することで、ゲル化時間の調整や改良地盤の強度を増加することができる。

本発明は上述のとおり、シリカ化合物および微生物を注入等によって地盤中に投入する。ここで使用する微生物の全部またはある程度の割合は地盤改良の対象となる地盤の土中にもともと存在する微生物を培養したものとする。

投入された微生物は地盤中に存在する有機物等の栄養源を代謝作用によって分解し、二酸化炭素を発生する。シリカ化合物はこの発生した二酸化炭素により硬化し、地盤を固結して地盤改良する。

本発明に用いられるシリカ化合物としては、水ガラス、活性シリカ、シリカコロイド等が挙げられる。また、微生物は、できるだけ人体や環境に影響を与えにくいものを選択することが望ましいが、好気性ないしは嫌気性条件下で炭酸ガスを発生する微生物であって、地盤中に多く存在するものであればよい。また、土中微生物に限らず、必要に応じ、乳酸菌やイースト菌等、従来から食品に利用されているものを併用してもよい。

通常、一般の土壌には１ｇ当り１０⁷〜１０⁹個の微生物が存在しており、細菌、真菌、藻類、原生動物、藻等が挙げられる。そのうち本発明に有効に働く微生物としては糖、脂肪族、乳酸のエーテル結合やエステル結合を加水分解する酵素をもつセルロース分解菌が特に有効である。

地中で活性化する微生物としては爆気、攪拌による空気を送る必要のない通性嫌気性菌である醗酵菌、腐敗菌を用いることもできる。酵母菌、乳酸菌等はアンモニア、メタン等の有毒物質を生成せず、同時に注入する堆肥中の有機物を用いて増殖し代謝を促進する働きを持つ。

また、ラクトバチルス（乳酸菌）のような嫌気性菌は全て無胞子の嫌気性菌であって、酵素を消耗しない状態でアルコールや有機酸を生成する。好気性担子菌や、糸状菌は地表面から１〜１０ｃｍ位にある土中の草木を腐らす。また、ラクトバチルス菌群は表層、中層、下層に分布される。

また、本発明では使用する微生物が活性化するｐＨに調整するよう少量のｐＨ調整剤を用いても良い。シリカコロイドはコロイド化しており、Ｎａ含有量が少ないことにより中性付近のｐＨで長時間安定し、また少ない硬化剤によってゲル化することから、本発明に適している。また、シリカ化合物に微量の酸を加え、コロイド化したものを使用することで、ゲル化時間を調整することもできる。

本発明に用いられるシリカ化合物は水ガラス、活性シリカ、コロイダルシリカ、中性ないしは酸性シリカゾル等である。ここで、水ガラスとしては水ガラス水溶液、これに酸、塩あるいは有機系反応剤、例えば、グリオキザール等のアルデヒド化合物、酢酸エステル、ジエステル、トリエステル、炭酸エステル等のエステル類を加えた水ガラス水溶液、あるいは水ガラスのアルカリを酸で中和して得られる中性〜酸性シリカ溶液、活性シリカ、シリカコロイド、ホワイトカーボン水溶液等が挙げられる。

活性シリカは水ガラスをイオン交換樹脂、またはイオン交換膜で処理して水ガラス中のアルカリの一部または全部を除去して得られる。また、水ガラスと酸を混合してなる水ガラスをイオン交換樹脂、またはイオン交換膜に通過させ、水ガラス中の塩の一部または全部を脱塩して得られたものであってもよい。

なお、活性シリカのシリカ濃度が低い場合には、加熱濃縮したり、コロイダルシリカ、水ガラス等を適宜に添加してシリカ濃度を上げることもできる。活性シリカのシリカ濃度は１〜８重量％、ｐＨは２〜４である。

このような活性シリカはシリカリ粒径が１〜５ｎｍに成長して数日後にはゲル化するが、苛性アルカリや水ガラス等のアルカリを加えてアルカリ側のｐＨにすることにより安定化される。この安定化した活性１シリカに現場で酸や塩を加えてアルカリｐＨやゲル化時間を調格し、使用に供される。

また、活性シリカに酸を加え、可使時間を長くしてゲル化時間を調整することもできる。この種の活性シリカはゲル化時間を長く調整できるのみならず、低濃度でもゲル化し、かつ固結後の耐久性にも優れている。粘度は水とほとんど変わらず、２ｃｐｓ以下である。

コロイダルシリカは上述の活性シリカを加熱することにより濃縮増粒し、ｐＨを９〜１０に調整して安定化して得られるが、ｐＨが酸性〜中性であってもよい。このようにして得られたコロイダルシリカはシリカ濃度が５％以上、通常は３０％程度であり、また粒径が５〜２０ｎｍであるが、それ以上、例えば、１００ｎｍ程度まで大きくすることができる。

酸性〜中性シリカゾルは水ガラスを過剰またはほぼ当量の酸と混合し、水ガラス中のアルカリ分を中和除去して得られるｐＨが酸性ないしは５〜９程度の中性シリカ水溶液である。これは通常、注入現場で調整され、通常の地盤注入ではシリカ濃度では３〜１０％で使用される。このシリカゾルもまたアルカリが除去されているため、耐久性に優れ、シリカ濃度が１％以下でもゲル化する。粘度は水とほとんど同じであり、２ｃｐｓ以下である。

微生物の栄養源を用いる場合、栄養源はシリカ化合物や微生物とともに地盤中に投入してもよい。栄養源の具体例としては、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二糖類、その他オリゴ粧、でんぷん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。なかでも、幅広い、微生物によって容易に代謝されるグルコース、あるいはスクロースの利用が好ましい。

さらに、本発明は多価金属化合物を併用することもできる。この多価金属化合物は二酸化炭素と反応して不溶性の多価金属炭酸塩を生成し、シリカ化合物のゲル化反応を調整し、かつ、固結物の強度を増強する。上述の多価金属化合物としては、塩化カルシウム等のカルシウム塩や塩化マグネシウム等の多価金属塩、カルシウム水酸化物、微粒子石灰や、微粒子セメント、微粒子スラグ、石膏、炭酸カルシウム等が挙げられる。また、地盤中に含まれる貝殻等のカルシウムや石灰等も反応に影響する。

さらに本発明はシリカ化合物のゲル化調整剤を併用することもできる。ゲル化調整剤としては、塩化カルシウム、塩化ナトリウム等の無機塩、微量の酸、有機塩等が挙げられる。

次に、本発明において、地盤改良の対象地盤の土中に存在する微生物を培養する方法等について、詳述する。

(1) 採取した地盤中の微生物の培養
採取した対象地盤土の微生物の培養法は、固体培養と液体培養のどちらでもよく、使用される地盤の微生物の種類によって使い分けることができる。

用いられる培地は、ブイヨン培地や、麦芽エキス培地、バレイショ・ブドウ糖培地等、各種微生物の分離、選択、増殖等に用いられているものを使用することができる。

(2) 微生物の保存方法
培養した微生物の保存方法としては、植菌操作を一定期間後ごとに行う植え継ぎ法による保存、寒天培地により培養した微生物の寒天上に滅菌した流動パラフィンを重層して培地の乾燥を防ぐ流動パラフィン重層法が挙げられる。これらの方法は保管期間が短く、少量の微生物を用いる施工現場に適している。

長期間の保存方法としては、培養液を−２０〜−８０℃で凍結する凍結保存方法が挙げられる。また、数年〜数十年の長期保存方法として凍結乾燥法が挙げられる。これは濾過除菌した牛血清、スキムミルク、グルタミン酸含有溶液等で保存する微生物の濃厚懸濁液を−４０〜−５０℃の凍結槽につけて凍結し、直ちに真空乾燥させる。ほぼ乾燥した後、室温で３０〜６０分間感想させ、容器を密封し、低温で保存する。

この保存方法では大量の微生物を保存することができ、また施工現場に持ち運びしやすく、使用しやすい点から、本発明により大量のグラウトを施工する場合に適している。

地盤改良現場で採取した土に、糖水溶液を加えて懸濁液を作成し、ｐＨを測定することで微生物の代謝を確認した。結果を表１に示す。これにより、地盤改良現場で採取した土に含まれる微生物の代謝作用により、シリカ化合物のｐＨを低下させ、ゲル化させることができる。

実施例１で作成した微生物の懸濁液から白金耳で微生物を麦芽エキス培地の入った三角フラスコに植え、３０℃で培養した。また、長期保存用に凍結保存した。

培養した微生物と冷凍保存した微生物を使用し、ｐＨの低下を確認した。それぞれ、ブドウ糖液１００ｍｌに培養液１０ｍｌ、凍結保存粉末３ｇを加え攪拌した液のｐＨを測定した。結果を表２に示す。

培養した微生物と凍結保存した微生物の両方とも、ｐＨの低下が見られ、シリカのゲル化に利用することができる。

〔微生物とシリカコロイドのゲル化〕
コロイダルシリカに微生物を加えた時のゲル化の有無を調べた。

コロイダルシリカ１０ｍｌに、微生物として現地採取微生物の培養液（実施例１で作製したもの）５ｍｌ、栄養源としてグルコースＣ₆Ｈ₁₂Ｏ₆０．３ｇを表１の配合にて、ねじ口試験管に加えよく混合し、室温、大気下で２４時間静置した。２４時間後に試験管を上下倒置してゲル化の有無を確認した。

また、組成物として炭酸カルシウムを１ｇ加えたもののゲル化実験を行った。

微生物無添加の比較例１〜３ではゲル生成物は認められなかったが、微生物を含む本発明１、３では試験管を倒置しても内容物が落下せず微生物によるコロイダルシリカのゲル化が確認された。

また、本発明２のコロイダルシリカに微生物のみを加えた試験管では一部にゲル化が見られたのに対し、本発明１のコロイダルシリカに微生物と栄養源を加えた試験管ではコロイダルシリカ溶液全体がゲル化したことから、微生物の代謝によってゲル化し、特に栄養源によってゲル化を促進できることがわかった。

シリカ化合物に微生物を加え、さらに多価金属化合物、組成物を加えた時のゲル化の有無を調べた。

微生物として現地採取微生物の培養液（実施例１で作製したもの）にシリカ化合物液を混合しゲル化の有無を確認した。配合（全量２００ｍｌ）を表２に示す。

シリカ化合物として、ＪＩＳ３号水ガラス、コロイダルシリカを用いた。

多価金属化合物としては、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、微粒子セメントを用いた。

組成物としては、７５％リン酸、重曹を用いた。

図１は本発明において実際の地盤で炭酸ガスを混合する方法を説明したフロー図であって、主にＡ、Ｂ液送液管路13、複数系統（図１では２系統）の炭酸ガス圧送管路、すなわち、高圧炭酸ガス圧送管路20および低圧炭酸ガス圧送管路22、および地盤14中に挿入された注入管15を含んで構成される。
Ａ、Ｂ液送液管路13はＡ液貯槽４、Ｂ液貯層５から地盤14中に挿入された注入管15に配管され、図１に示されるように上流側からそれぞれ、混合槽８、注入ポンプ６および流量計７が送液管路13に配置される。

高圧炭酸ガス圧送管路20は高圧炭酸ガス容器16−2と連結管17−2を介して連結され、注入管15まで配管される。管路20内には電磁弁18−2、減圧弁19−2および炭酸ガス吹出ノズル21がそれぞれ配置される。この炭酸ガス吹出ノズル21は図示しないが注入管15に備えることもできる。

低圧炭酸ガス圧送管路22は上述の高圧炭酸ガス圧送管路20と同様、圧力の低下された炭酸ガス容器16−１と連結管17−1を介して連結され、水溶液貯槽４，５、または水溶液送液管路13の混合槽８よりも上流側まで配管される。管路22内には上述と同様、電磁弁18−1、減圧弁19−1および上記と同様な炭酸ガス吹出ノズル23がそれぞれ配置される。

上述構成からなる本装置によれば、溶液送液管路13の上流側、または水溶液貯槽４、５中に、低圧炭酸ガス圧送管路22を介し、低圧炭酸ガス容器16−1から電磁弁18−1、減圧弁19−1および炭酸ガス吹出ノズル23を経て水溶液に炭酸ガスを噴射し、次いで混合槽８で水溶液と炭酸ガスを充分混合して炭酸ガスの水溶液への吸収率を高め、かつ注入ポンプ６により炭酸ガスの吸収されたシリカ化合物水溶液を液送液管路13介して注入管15に送液する。

さらに、高圧炭酸ガス圧送管路20を介し、高圧炭酸ガス容器16−2から電磁弁18−2、減圧弁19−１および炭酸ガス吹出ノズル21を経て注入管15中に炭酸ガスを噴射する。

本発明において実際の地盤で炭酸ガスを混合する方法を説明したフロー図である。

符号の説明

４Ａ液貯槽
５Ｂ液貯槽
６注入ポンプ
７流量計
８混合槽
13 水溶液送液管路
14 地盤
15 注入管
16 高圧炭酸ガス容器
17 連結管
18 電磁弁
19 減圧弁
20 高圧炭酸ガス圧送管路
21 炭酸ガス吹出ノズル
22 低圧炭酸ガス圧送管路
23 炭酸ガス吹出ノズル

Claims

地盤中にシリカ化合物および微生物を投入し、微生物による有機物の代謝作用によって二酸化炭素を発生させ、発生した二酸化炭素によりシリカ化合物を硬化させる地盤改良方法であって、前記微生物として、地盤改良の対象地盤の土中に存在する微生物を培養したものを用いることを特徴とする地盤改良方法。
前記微生物として、培養した微生物を乾燥させて休眠状態としたものを用いることを特徴とする請求項１記載の地盤改良方法。
前記シリカ化合物および微生物に加え、地盤中に微生物栄養源を投入することを特徴とする請求項１または２記載の地盤改良方法。
前記微生物栄養源が単糖類、二糖類および多糖類の群から選ばれる１種以上である請求項３記載の地盤改良方法。
二酸化炭素、炭酸水、または酸素を併用して前記有機物の代謝作用の調整、およびシリカ化合物のゲル化時間の調整を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の地盤改良方法。
さらに、多価金属化合物を併用することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の地盤改良方法。
前記多価金属化合物がカルシウム塩、多価金属塩、カルシウム水酸化物、微粒子石灰、微粒子セメント、微粒子スラグ、石膏、および炭酸カルシウムの群から選ばれる１種以上である請求項６記載の地盤改良方法。
さらにゲル化調整剤を併用することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の地盤改良方法。
記載の地盤改良方法。
前記ゲル化調整剤が塩化カルシウムおよび／または塩化ナトリウムからなる無機塩、微量の酸、有機塩およびシリカ化合物の群から選ばれる１種以上である請求項８記載の地盤改良方法。