JP4841610B2

JP4841610B2 - 薬液注入供試体の作製装置および作製方法

Info

Publication number: JP4841610B2
Application number: JP2008309675A
Authority: JP
Inventors: 俊介島田; 忠雄小山; 隆光佐々木
Original assignee: 強化土エンジニヤリング株式会社
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2028-12-04
Also published as: JP2010133816A

Description

本発明は、薬液注入工法の室内配合試験において改良強度や浸透性の検討を行うための薬液注入供試体を作製する薬液注入供試体の作製装置および作製方法に関し、土の安定処理工法の一つである薬液注入工法の分野で行なわれる室内配合試験において、現地の応力状態や施工方法を再現しながら改良強度や浸透性の検討を行うための薬液注入供試体を作製することができる。

薬液注入工法は、土の間隙中に注入材が浸透し、間隙水を注入材で置き換えた状態で注入が生じる浸透注入を前提として行なう地盤改良工法である。
しかし、実際の注入では必ずしも浸透注入状態にはならず、特に細粒分を含む地盤では割裂注入が生じて注入材が地盤に不均一に入る場合が多い。

このため、薬液注入工法の分野では、注入材が地盤中に均等に浸透し、薬液注入による地盤改良が確実に行われるように室内配合試験を行い、地盤に適した注入材の種類や注入量を決定している。

室内配合試験は、試料に薬液を注入して作製した供試体について改良強度や浸透性などの検討を行い、供試体は様々な装置、作製方法によって作製される。

例えば、図８に図示する供試体の作製方法は、薬液を溜めた供試体作製用モールド内にロート等で乾燥砂を所定の密度になるように落下投入して供試体を作製する水中落下方法を示したものである。

また、図９に図示する供試体の作製方法は、プラスチック容器内の底に珪砂を敷き詰め、その上に供試体作製用モールドを並べ、その周囲に砂を敷き詰め、さらに注入圧によって供試体が膨張するのを防ぐ目的で供試体作製用モールドの上にポーラスストーンや鉛散弾により上載圧を加え、そして、プラスチック容器を真空槽に入れ、炭酸ガスを用いて脱気した薬液を供試体の下部から浸透させて供試体を作製する方法を示し、密度調整が容易で、また脱気した注入材を使用するため土の間隙を薬液と完全に置き換えることができるという特徴がある。そして、図１０に図示する供試体の作製方法は、密度調整や水を注入した後、供試体の下側から薬液を注入して供試体を作製する方法法を示したものである。

特開平０５−３４６０１７号公報特開２００７−０５１４９７号公報

図８に図示する供試体の作製方法は簡易であるが、密度の調整が難しく、また細粒分を含む場合に細粒分が供試体作製用モールド上部から流出したりすることがある。また、酸性注入材の場合、試料に含まれる炭酸カルシウム等との反応により炭酸ガスが発生し供試体が膨張する可能性がある。

図９に図示する供試体の作製方法は、地下水がある場合、砂の吸着水による見かけのシリカ濃度の低下を考慮できないだけでなく、拘束圧をある程度しかかけられないため、前述のような反応に伴なう伴試体の体積膨張の可能性があり、また細粒分を多く含む場合には注入が困難となる場合がある。

そして、図１０に図示する供試体の作製方法は、密度調整や水を注入した後、薬液を注入していることより前述の希釈問題はある程度考慮されているが、現地での施工は速度制御で行っているのに対し、室内注入方法は圧力制御で行なっている。

また、いずれの供試体の作製方法も、比例吐出による２ショット型の注入材や瞬結型の注入材を使用する供試体の作製には適用できないという課題がある。

また、現地では拘束圧が加えられた状態で改良や養生が行われるのに対し、いずれもこの影響を無視して作製されている。また,薬液注入工法は地下水以深に施工されることが多いが、地下水あるいは砂の吸着水による注入材の浸透希釈問題が全く考慮されていない。

さらに、現場での施工は速度制御により注入材を注入するのに対しいずれも圧力制御によるものであり、注入形態が全く異なっている。この結果、室内配合試験結果と現地での改良効果が大きく異なるため、現行の設計法では安全率を高めに設定しなくてはならないという課題もある。

本発明は、以上の課題を解決すべくなされたもので、供試体の作製および養生を一定の拘束圧を付与し、密度調整を容易に行うことができ、かつ地下水を考慮した飽和試料に一定の速度で注入を行うことにより、改良強度や浸透性の検討が可能なバラツキの少ない薬液注入供試体の作製装置および作製方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の薬液供試体の作製装置は、試料を供試体に形成する供試体作製用モールドと、当該供試体作製用モールド内に拘束圧を付与する圧力管理装置と、前記供試体作製用モールド内に当該供試体作製用モールドの底部から炭酸ガス、脱気水および薬液をそれぞれ注入する炭酸ガス注入装置、脱気水注入装置および薬液注入装置と、前記供試体作製用モールド内の空気と水を供試体作製用モールドの上部から抜く中空ロッドをそれぞれ備え、前記薬液注入装置は薬液タンクと当該薬液タンク内の薬液を加圧することにより前記供試体作成用モールド内に注入して、当該モールド内の供試体に薬液を浸透注入させる載荷板と当該載荷板をロッドを介して前記薬液タンク内を進退移動させるスクリュージャッキと当該スクリュージャッキをコントロールするインバーターそれぞれ備えて構成され、前記圧力管理装置は、一台のコンプレッサーを分岐し、数種類のレギュレータによってモールド内の供試体に載荷板を介して様々な拘束圧を与えるように構成され、かつ前記供試体作製用モールド内の上部と底部に前記炭酸ガス、脱気水および薬液が前記供試体に一様に浸透するように多孔質の透水層をそれぞれ備えて構成されてなることを特徴とするものである。

本発明は、供試体作成用モールド内に投入した試料を所定の密度にあらかじめ締め固めて供試体を形成し、これに一定の拘束圧を付与した状態で注入速度を一定に保持しつつ注入材を浸透注入させることにより、実際の施工状況に近い状態での薬液注入を可能にして薬液注入供試体を作製できるようにしたものである。

本発明によれば、特に薬液注入装置の駆動源としてスクリュージャッキを使用することにより、薬液の注入速度一定に保持することができ、また薬液の注入を供試体に一定の拘束圧を付与した状態で行なうことにより、酸性注入材のように反応生成物として炭酸ガス等が発生する場合でも所定の密度を有する供試体を作製することができるので、実際の施工状況に近い状態で薬液注入供試体を作製することができる。

本発明は、特にスクリュージャッキをインバーターでコントロールすることにより、注入材の注入速度を間接的にコントロールできるようにしたものである。なお、注入材の注入量と注入速度はロッドに設置した変位計により、また注入材の注入圧は注入装置とモールド間に設置した圧力計により計測することができる。

本発明は、供試体作製用モールド内の供試体に炭酸ガスを注入し、続いて脱気水を注入することにより、供試体を脱気水で完全な飽和状態にすることができ、これによりモールド内に薬液を注入することにより供試体に薬液を均等に浸透させることができる。

請求項２記載の薬液供試体の作製装置は、請求項１記載の薬液供試体の作製装置において、薬液注入装置に注入材の注入圧を計測する圧力計と、注入材の注入速度と注入量を管理する変位計をそれぞれ備えて構成されてなることを特徴とするものである。

請求項３記載の薬液供試体の作製装置は、請求項１または２記載の薬液供試体の作製装置において、薬液タンク内に撹拌用翼が取り付けられていることを特徴とするものである。

本発明は、薬液タンク内に薬液を撹拌するための撹拌用翼を取り付けることにより、溶液型の注入材だけでなく懸濁型の注入材を使用した薬液注入供試体も作製できるようにしたものである。

請求項４記載の薬液供試体の作製装置は、請求項１〜３のいずれか１に記載の薬液供試体の作製装置において、複数台の薬液注入装置を備えていることを特徴とするものである。

本発明は、注入速度の異なる比例吐出による注入を可能にして、瞬結型注入材を使用した薬液注入供試体の作製を可能にしたものである。

請求項５記載の薬液供試体の作製方法は、請求項１〜４のいずれかひとつに記載された薬液注入供試体の作製装置による薬液注入供試体の作製方法において、供試体作製用モールド内に投入した試料を締め固めて供試体を形成し、次に当該供試体の上面に載荷板を介して拘束圧を付与した状態で、当該供試体作製用モールド内の空気と水を前記供試体作製用モールドの上部から抜きながら、前記供試体作製用モールド内に炭酸ガスと脱気水を前記供試体作製用モールドの底部から順に注入して前記供試体内を飽和状態とし、次に、注入速度、注入量および注入圧を管理しながら前記供試体作製用モールド内に当該供試体作製用モールドの底部から薬液を注入することを特徴とするものである。

本発明によれば、試料を所定の密度にあらかじめ締め固めて形成した供試体に薬液を一定速度で浸透注入することにより、注入材の注入にバラツキの少ない薬液注入供試体を作製することができ、また酸性注入材のように反応生成物として炭酸ガス等が発生する場合でも所定の密度を保持することができる。

炭酸ガス、脱気水、脱気薬液を使用することにより完全飽和状態の薬液注入供試体を作製することができ、しかも従来法では得られない砂の吸着水の影響を見ることができる。

また、一度に様々な拘束圧を付与することができると共に、同時作製や養生を行うことができる。

注入装置は速度管理をすることができ、実際の注入形態を再現することができ、特に比例吐出や２ショット配合の注入を行うことができると共に、注入に伴う圧力変化を圧力計により観察することができる。

また、供試体作製用モールドを長尺にすることにより、注入材の浸透性や浸透距離と改良強度との関係や、注入に伴う圧力変化を観察することにより、地盤の特性が注入材の浸透性に与える影響をあらかじめ把握することができ、これを設計に反映させることができる。

図１−図５は、本発明の一実施形態を示し、図において、符号１は供試体作製用モールド(以下「モールド」)、２は圧力管理装置、３は薬液注入装置、４は炭酸ガス注入装置、そして、符号５は脱気水注入装置である。

モールド１は、砂などの試料を円柱状の供試体に形作るための型であり、図２に図示するようなアクリルを素材に円筒状に形成され、上端部と下端部がそれぞれ支持体の上部フランジ６ａと下部フランジ６ｂに固定されている。

モールド１の上部には圧力管理装置２から送られてくる空圧をモールド１内に設置された載荷板７に伝えるバルブ８と、モールド１内の空気や水を抜く中空ロッド９が接続されている。中空ロッド９は上部フランジ６ａにベアリング１０を介して取り付けられ、下端部は上部フランジ６ａを貫通し、載荷板７に接続されている。

そして、圧力管理装置２から送られてくる空圧をバルブ８によって調整(正・負圧)することにより、載荷板７と中空ロッド９は空圧によってモールド１内を昇降し、特にモールド１内の空圧を正圧としたときモールド１内に投入されて供試体となる試料に必要な拘束圧を与える。

そして、これと同時に試料内の残留空気や水は中空ロッド９を介してモールド１の外に排出され、廃水槽１１に放出される。

また、モールド１の下部には薬液注入装置３、炭酸ガス注入装置、脱気水注入装置４からそれぞれ送られてくる薬液、炭酸ガスおよび脱気水を注入するバルブ１２が接続され、さらに、モールド１内の底部と天井部にはモールド１内の試料に薬液と脱気水が一様に浸透するように多孔質の通水層１３がそれぞれ設置されている。

圧力管理装置２は、モールド１内の試料に積荷板７を介し、空圧によって必要な拘束圧を与える装置であって、図３に図示するように一台のコンプレッサー１４を分岐し、数種類のレギュレータ１５によりモールド１内の供試体にさまざまな拘束圧を一度に与えることができるように構成されている。

また、圧力管理装置２は、数種類の試験条件の下であっても一度に供試体の作製と養生を行なえるように構成されている。

薬液注入装置３は、モールド１内に薬液を送り、モールド１内の供試体に薬液を浸透注入させるための装置であり、図４に図示するようにスクリュージャッキ１６によってロッド１５が駆動し、ロッド１５の先端に取り付けられ載荷板１７が薬液タンク１８内の注入材を押すことにより注入材をモールド１内に送り、モールド１内の供試体に薬液を一定の速度で浸透注入させるように構成されている。

なお、スクリュージャッキ１６はインバーターの働きによりその速度をコントロールすることができ、これにより注入材の注入速度、注入量および注入圧を調整できるようになっている。

また、薬液注入装置３には注入材の注入圧を計測する圧力計１９と、注入速度と注入量を管理するための変位計２０がそれぞれ取り付けられ、変位計２０はスクリュージャッキ１６によって上下するロッド１５に取り付けられている。

さらに、薬液注入装置３の薬液タンク１８内に攪拌翼２１が取り付けられ、これにより溶液型注入材のみならず、沈降のおそれのある懸濁型注入材の注入も行えるようになっている。

さらに、図５に図示するように、薬液注入装置３を複数台接続することにより、比例吐出で注入を行う注入材や瞬結型注入材による薬液注入供試体の作製も行えるようになっている。

炭酸ガス注入装置４は、供試体作製用モールド１内に炭酸ガスを注入するための装置である。この場合、モールド１内に炭酸ガスを注入することで、その後、脱気水注入装置５から脱気水を注入してモールド１内の試料を完全な飽和状態にすることができ、これによりモールド１内の供試体に薬液を均等に浸透させることができる。

また、脱気水注入装置５の水槽内と薬液注入装置３の薬液タンク１８内は、真空ポンプにより事前に水と薬液の脱気処理を行なうことにより高品質の薬液注入供試体を作製することができる。

次に、本発明の装置及び方法による薬液注入供試体の作製方法を説明する。

最初に、モールド１の内周に作製後の供試体の脱型を容易にすべくグリスを塗り、モールド１の底部には多孔質の通水層を設置する。また、モールド１内に試料を投入し、所定密度になるように締め固め、その上に通水層を設置する。そして、モールド１の上端部を上フランジに固定する。

なお、試料の密度は、原地盤より採取した不攪乱試料の湿潤密度と含水比を用いるか、不攪乱試料が得られない場合には, Meyerhofの提案する標準間入試験のN値と最大最少密度試験より予測を行う。

次に、こうしてモールド１内の試料を所定の密度に締め固めて供試体を作製したら、図１に図示するようにモールド１を圧力管理装置２、薬液注入装置３、炭酸ガス注入装置４、脱気水注入装置５にそれぞれ接続する。

次に、圧力管理装置２からモールド１内に空圧を送り込むことにより供試体の上面に積載板７を介して拘束圧を付与する。また、供試体に拘束圧を付与した状態で、炭酸ガス注入装置４からモールド１内に炭酸ガスを注入する。

こうして、供試体の間隙に炭酸ガスを注入して水で完全に飽和しやすい状態にした後、脱気水注入装置５からモールド１内に脱気水を注入する。

なお、脱気水には現地より採取した地下水や海水を使用することができる。また、供試体の拘束圧は事前調査から得られる密度測定結果やＮ値より算定する。深度における有効拘束圧を付加する場合や、三軸試験を行う場合にはそれぞれ所定の応力状態となるように設定することができる。

こうして、供試体の間隙を完全に飽和した後、モールド１内に薬液を注入するが、薬液はあらかじめ脱気することにより薬液の置換率を高めることができる。

脱気した薬液は、スクリュージャッキ１６のインバーターにより設定された一定速度の下、定吐出で注入する。このときの注入材の注入速度と注入量は変位計１５により管理し、注入に伴う圧力変化は薬液注入装置３の下部の圧力計１９により測定することができる。

なお、モールド１の径や長さは試験目的により異なり、一軸圧縮強度や三軸圧縮強度試験に用いる供試体の作製では、φ３５ｍｍ〜５０ｍｍ、高さ７０ｍ〜１００ｍｍを標準とし、ねじりせん断試験を行う場合にはその試験法に対応した改良体を作製し、浸透性を検討する浸透試験ではφ３５〜１００ｍｍ、高さ５００ｍｍ〜２０００ｍｍなど様々な試験を実施することができる。

表１は、砂の物理特性に特徴がある試料として貝殻が多く混入されている場合、あるいは細粒分が多く含まれる場合にそれぞれ酸性系注入材を混合法と本装置により作成した場合の改良効果の違いを示している。

細粒分含有率が多い場合、細粒分の流出により過大評価となり、貝殻を含む試料では過小評価となる傾向が得られた。

図６に図示するグラフは、浸透試験を実施した結果、注入材の特性として、溶液型注入材と懸濁型注入材を硅砂に同一速度にて注入した場合の注入量と注入圧の関係を示したものである。懸濁型注入材は溶液型注入材と比較して初期段階で注入圧が高い傾向を示し、その後注入に伴い、注入圧が増加する傾向を示すことより注入材の特性が表れた。

浸透試験の結果、懸濁型注入材の特性として、前述のように注入に伴い、圧力の上昇がみられたほか、図７に図示するように懸濁型注入材は浸透方向に対し改良強度が低下する傾向を示すが、これは懸濁粒子が砂によってフィルタリング作用を受けたと考えられると共に、混合法による供試体の強度と比較すると８０ｃｍ程度までであれば浸透可能と判断することができる結果が得られる。

本発明は、現地の応力状態や施工方法を再現しながら試料に薬液を注入して改良強度や浸透性の検討を行うための供試体を作製することができる。

薬液注入供試体の作製装置の一実施形態を示す概略図である。供試体作製用モールドの構造を示す概略図である。圧力管理装置の構造を示す概略図である。薬液注入装置の構造を示す概略図である。供試体作製用モールドに複数台の薬液注入装置が接続された構造を示す概略図である。溶液型注入材と懸濁型注入材を硅砂に同一速度にて注入した場合の注入量と注入圧の関係を示すグラフである。懸濁型注入材の浸透試験の結果を示すグラフである。供試体作製装置の従来例を示す概略図である。供試体作製装置の従来例を示す概略図である。供試体作製装置の従来例を示す概略図である。

符号の説明

１モールド (供試体作製用モールド)
２圧力管理装置
３薬液注入装置
４炭酸ガス注入装置
５脱気水注入装置
６ａ支持体の上部フランジ
６ｂ支持体の下部フランジ
７載荷板
８バルブ
９中空ロッド
１０ベアリング
１１廃水槽
１２バルブ
１３多孔質の通水層
１４コンプレッサー
１５レギュレータ
１６スクリュージャッキ
１７載荷板
１８薬液タンク
１９圧力計
２０変位計
２１攪拌翼

Claims

試料を供試体に形成する供試体作製用モールドと、当該供試体作製用モールド内に拘束圧を付与する圧力管理装置と、前記供試体作製用モールド内に当該供試体作製用モールドの底部から炭酸ガス、脱気水および薬液をそれぞれ注入する炭酸ガス注入装置、脱気水注入装置および薬液注入装置と、前記供試体作製用モールド内の空気と水を供試体作製用モールドの上部から抜く中空ロッドをそれぞれ備え、前記薬液注入装置は薬液タンクと当該薬液タンク内の薬液を加圧することにより前記供試体作成用モールド内に注入して、当該モールド内の供試体に薬液を浸透注入させる載荷板と当該載荷板をロッドを介して前記薬液タンク内を進退移動させるスクリュージャッキと当該スクリュージャッキをコントロールするインバーターそれぞれ備えて構成され、前記圧力管理装置は、一台のコンプレッサーを分岐し、数種類のレギュレータによってモールド内の供試体に載荷板を介して様々な拘束圧を与えるように構成され、かつ前記供試体作製用モールド内の上部と底部に前記炭酸ガス、脱気水および薬液が前記供試体に一様に浸透するように多孔質の透水層をそれぞれ備えて構成されてなることを特徴とする薬液注入供試体の作製装置。
薬液注入装置に注入材の注入圧を計測する圧力計と、注入材の注入速度と注入量を管理する変位計をそれぞれ備えて構成されてなることを特徴とする請求項１記載の薬液注入供試体の作製装置。
薬液タンク内に撹拌用翼が取り付けられていることを特徴とする請求項１または２記載の薬液注入供試体の作製装置。
複数台の薬液注入装置を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の薬液注入供試体の作製装置。
請求項１〜４のいずれかひとつに記載された薬液注入供試体の作製装置による薬液注入供試体の作製方法において、供試体作製用モールド内に投入した試料を締め固めて供試体を形成し、次に当該供試体の上面に載荷板を介して拘束圧を付与した状態で、当該供試体作製用モールド内の空気と水を前記供試体作製用モールドの上部から抜きながら、前記供試体作製用モールド内に炭酸ガスと脱気水を前記供試体作製用モールドの底部から順に注入して前記供試体内を飽和状態とし、次に、注入速度、注入量および注入圧を管理しながら前記供試体作製用モールド内に当該供試体作製用モールドの底部から薬液を注入することを特徴とする薬液注入供試体の作製方法。