JP5121683B2

JP5121683B2 - 地盤改良工法

Info

Publication number: JP5121683B2
Application number: JP2008315023A
Authority: JP
Inventors: 一行水島; 克明入内島; 秀弘田中
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: JP2010138588A

Description

本発明は、地盤改良工法に関する。例えば、地盤中に０．５〜５ｍ程度の円柱状の硬化体を造成して地盤改良する際に用いるジェットグラウト工法に関する。

従来、軟弱地盤改良工事において、地盤の崩落を防止するために、地盤を硬化させる、強度を増加させる、透水性を減少させる等の地盤の安定化を図っている。地盤改良工法として、セメントミルクを地中深く高圧噴射し、土と混合する高圧噴流注入工法が採用されている。この工法はジェットグラウト工法と呼ばれ、地中に多重管を挿入し、管を回転させながら、これらの管先端付近からセメントミルクを地中に高圧噴射し、地中の土を切削すると同時に、切削された土とセメントミルクが混合されたソイルセメントスラリー（以下、スライムという）を地上に排出しながら、地中をスライムで置換して硬化させ、地盤を安定化させる工法である〔日本ジェットグラウト工法技術資料（第５版）、日本ジェットグラウト協会発行（平成７年）〕。

このジェットグラウト工法は、大きく２種類の工法に分類される。一つは、超高圧で圧縮空気とセメントミルクを地盤中に回転しながら噴射して、短時間で地盤を切削すると同時に、掘削に伴って生じる掘削土やセメントミルク等が混合されたスライムを地表に排出し、円柱状の硬化体を造成するＪＳＧ工法（Ｊｕｍｂｏ−ＪｅｔＳｐｅｃｉａｌＧｒｏｕｔＭｅｔｈｏｄ）である。一つは、圧縮空気と超高圧水を地盤中で回転しながら噴射して地盤を切削し、そのスライムを地表に排出するとともにセメントミルクを同時に充填させ、円柱状の硬化体を造成するコラムジェットグラウト工法である。

かかる工法では、スライムの排出のしやすさ等から各種混和剤が提供されているが、凝結が遅れる等の問題があった。かかる工法では、セメントミルクと急結剤を地盤中に高圧噴射して、粘土質を多く含む粘性土や土砂と混合した際に、土粒子、セメントミルク及び急結剤が凝結して流動性を失い、注入が不完全となり、地盤改良工事に支障を来すおそれがあるという問題があった。

本発明はかかる要求に応えることができるジェットグラウト工法に関する。

特開平５−３３９９３４号公報特開２００４−１４３０４１号公報特開平０８−３０２６６２号公報

本発明者は、上記課題を解決すべく種々検討した結果、特定の工法で施工することにより、従来、問題の多かったセメントミルクと急硬材スラリーの注入を可能とし、短時間に強固な地盤改良をすることができる知見を得て本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、セメントミルクを地盤中に注入した後、１５〜１２０分以内に、急硬材スラリーを注入してなる地盤改良工法であり、急硬材スラリーが、急硬材及び凝結調整剤を含有してなる該地盤改良工法であり、急硬材が、カルシウムアルミネート及び石膏を含有してなる該地盤改良工法であり、セメントミルクが減水剤を含有してなる該地盤改良工法であり、急硬材スラリーが、カルシウムアルミネート１００質量部、石膏５０〜２００質量部、凝結調整剤を急硬材１００質量部に対して０．３〜５質量部、スラリー水を急硬材１００質量部に対して６０〜４００質量部である該地盤改良工法であり、地盤改良する場所の削孔の深さが１５〜５０ｍであり、セメントミルクの圧送圧力が５〜７０ＭＰａであり、セメントミルクの送液量が３０〜２００リットル／ｍｉｎであり、急硬材スラリーの圧送圧力が５〜７０ＭＰａであり、急硬材スラリーの送液量が３０〜２００リットル／ｍｉｎである該地盤改良工法である。

本発明の地盤改良工法を行うことにより、例えば、地盤改良を実現でき、短・長期耐久性の優れた地盤改良を得ることができる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明は、セメントミルクが注入された後、好ましくは１５〜１２０分以内に、より好ましくは３０〜９０分以内に、急硬材スラリーを、セメントミルクと土砂が混合されている位置に圧送し、噴射する。この範囲外だと流動性が悪い場合がある。

セメントミルクは、セメントと水を含有する。

セメントとしては、普通、早強、超早強及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、高炉スラグやフライアッシュを混合した各種混合セメント、セメントを粉砕又は分級により微粒子にした微粒子セメント等が挙げられる。取り扱いやすさ等の点で、普通ポルトランドセメント、高炉ポルトランドセメント及び早強ポルトランドセメントからなる群のうちの１種又は２種以上が好ましい。

セメントミルク中の水の使用量は、セメント１００質量部に対して、５０〜３００質量部が好ましく、７０〜２００質量部がより好ましい。５０質量部未満では、セメントミルクと土砂の混合が不十分となる場合があり、３００質量部を超えると、セメントミルク自体の強度が弱く、地盤改良域の改善が不良となる場合がある。

本発明では、土質等の状態によりベントナイトや減水剤等のセメント混和剤を使用することが可能である。特に、減水剤の使用は効果的である。

本発明では、流動性を向上するために、減水剤を使用する。

減水剤としては、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系、ポリアルキルアリルスルホン酸塩系、メラミンホルマリン樹脂スルホン酸塩系、リグニンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系、メラミンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系等が挙げられる。

減水剤の使用量は、セメント１００質量部に対し、０．２〜１．８質量部が好ましく、０．４〜１．５質量部がより好ましい。０．２質量部未満では、流動性や強度が低下する場合があり、２．０質量部を超えると、強度が低下する場合がある。

本発明の混合条件、撹拌条件は特に限定されるものではないが、セメントと水を予め回転数１０〜１，０００ｒｐｍ程度で回転するグラウトミキサーにより混合することが好ましい。

カルシウムアルミネート（以下、ＣＡという）は、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２を含有するものであり、石膏との併用により主として短期強度の発現に寄与するものである。
ＣＡの組成は、ＣａＯ含有率２０〜６０％、Ａｌ_２Ｏ_３含有率２０〜７０％が好ましく、ＣａＯ含有率３０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３含有率３０〜６０％及びＳｉＯ_２含有率０〜２０％がより好ましい。この範囲外では短期強度が小さくなる場合がある。

ＣＡは、石灰石等のカルシア原料、アルミナ、ボーキサイト、長石及び粘土等のアルミナ原料に、例えば、ケイ石、ケイ砂、石英及びケイ藻土等のシリカ原料等を配合した後、ロータリーキルン等で焼成、又は、電気炉や高周波炉等で溶融することにより製造される。

ＣＡとしては、Ｃ_１２Ａ_７、ＣＡ、Ｃ_３Ａ、２ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２やＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２等の結晶性化合物を使用することも可能であるが、短期強度が大きい点で、溶融物を急冷して得られるガラス質のものが好ましい。

ＣＡのガラス化率は、８０％以上が好ましく、９０％以上がより好ましい。８０％未満では短期強度が小さい場合がある。ガラス化率の測定方法は、ＣＡを１，０００℃で２時間加熱後、５℃／分の冷却速度で徐冷し、粉末Ｘ線回折法により結晶鉱物のＣ_３Ａ、Ｃ_１２Ａ_７、及びＣＡのメインピーク面積の合計Ｓ_０を求める。一方、加熱しないサンプルも同様に粉末Ｘ線回折法により結晶鉱物Ｃ_３Ａ、Ｃ_１２Ａ_７、及びＣＡのメインピーク面積の合計Ｓを求める。以上の値を、ガラス化率Ｘ（％）＝１００ ×（１−Ｓ／Ｓ_０）の式を用いてガラス化率Ｘを求める。

ＣＡの粉末度（ブレーン比表面積の値をいう）は、３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、４０００〜７０００ｍ^２／ｇがより好ましい。３０００ｃｍ^２／ｇ未満では、初期の強度発現性の向上を十分に示さない場合がある。

石膏としては、無水石膏、半水石膏及び二水石膏が挙げられる。石膏としては、天然石膏や、リン酸副生石膏、排脱石膏、及びフッ酸副生石膏等の化学石膏、又はこれらを熱処理して得られる石膏等が含まれる。これらの中で強度発現性が大きい点で無水石膏が好ましい。

石膏の粉末度（ブレーン比表面積の値をいう）は、３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、４０００〜７０００ｍ^２／ｇがよりこ好ましい。３０００ｃｍ^２／ｇ未満では、初期の強度発現性の向上を十分に示さない場合がある。

石膏の使用量は、ＣＡ１００質量部に対して、５０〜２００質量部が好ましく、７０〜１５０質量部がより好ましい。５０質量部未満では短期強度が小さい場合があり、２００部を超えると短期強度が小さい場合がある。

ＣＡと石膏の混合品（以下急硬材という）の使用量は、セメント１００質量部に対して、７〜３０質量部が好ましく、１０〜２０質量部がより好ましい。７質量部未満では、短期強度発現が不良の場合が有り、３０質量部を超えると硬化時間の制御が難しく、ミキサやポンプを固めてしまい、長期強度発現に問題が生ずる可能性があり、経済的で無い場合がある。

本発明では、所要の硬化時間が得られるように、凝結調整剤を使用する。

凝結調整剤としては、アルミン酸ナトリウムやアルミン酸カリウム等のアルミン酸塩、炭酸ナトリウムや炭酸カリウム等の炭酸塩、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等の水酸化物、硫酸アルミニウム、硫酸鉄及びミョウバン等の硫酸塩、ケイ酸ナトリウムやケイ酸カリウム等のケイ酸塩、リン酸ナトリウム、リン酸カルシウム及びリン酸マグネシウム等のリン酸塩、並びに、ホウ酸リチウムやホウ酸ナトリウム等のホウ酸塩等の無機塩類、クエン酸グルコン酸、酒石酸及びリンゴ酸又はこれらのナトリウム塩、カリウム塩およびカルシウム塩等の有機酸類、並びに、糖類等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上を併用することが可能である。これらの中では、所要の硬化時間を確保する点で、炭酸塩と有機酸類を併用することが好ましい。

炭酸塩と有機酸類を併用した場合、有機酸類の使用量は、炭酸塩１００質量部に対して０．５〜１００質量部が好ましく、１〜５０質量部がより好ましい。０．５質量部未満では、硬化時間が短い場合があり、１００質量部を超えると強度発現性を阻害する場合がある。

凝結調整剤の使用量は、硬化時間に応じて調整するため特に限定されるものではないが、急硬材１００質量部に対して０．３〜５質量部が好ましく、１〜３質量部がより好ましい。０．３質量部未満では、硬化時間が短く、セメントミルクと土砂の混合物が地盤中に十分に行き渡らない場合があり、５質量部を超えると硬化時間が異常に長くなり、不均一な固化状態となる場合がある。

急硬材スラリー中の水の量は特に限定されるものではないが、例えば、急硬材組成物１００質量部に対して、６０〜４００質量部が好ましく、８０〜３００質量部がより好ましい。６０質量部未満では、セメントミルクと土砂の混合が不十分となる場合があり、４００質量部を超えると急硬材スラリー混合後のセメントミルク自体の強度が弱く、地盤改良域の改善が不良となる場合がある。

次に、本発明の地盤改良工法について説明する。

本発明の地盤改良工法としては、例えば、ジェットグラウト工法が挙げられる。ジェットグラウト工法としては、例えば、ＪＳＧ工法やコラムジェットグラウト工法等が挙げられる。

まず、地盤改良が必要な場所を削孔する。削孔の深さは、特に制限されるものではないが、１５〜５０ｍが好ましく、２０〜４０ｍ程度が通常である。削孔径は、特に制限されるものではないが、ロッドが挿入できる大きさであればよい。次に、単管、二重又は三重のロッドを挿入し、前記セメントミルクをグラウトポンプ、超高圧ポンプ、又はコンプレッサー等を用いて圧送し噴射する。セメントミルクの圧送圧力は、高い方が好ましいが、ノズルの摩耗等を考慮して５〜７０ＭＰａ程度で通常行われる。

セメントミルクの送液量は、特に限定されるものではないが、３０〜２００リットル／ｍｉｎ程度が好ましい。

土砂等に含まれる水分が少ない場合は、スライムの排出が不十分となり、閉塞等のトラブルが起こる可能性がある。対策として、セメントミルク圧送前に予め、適量の水を、前記方法で圧送噴射するか、若しくはセメントミルクの水比を上げることも可能である。

セメントミルクが充填される円柱状の直径は、その充填深度（深さ）によって大きく変化するが、例えば、充填深度が１５〜４０ｍの時は、０．５〜５ｍが好ましく、１〜３ｍがより好ましい。

急硬材スラリーの圧送圧力は、高い方が好ましいが、ノズルの摩耗等を考慮して５〜７０ＭＰａ程度で通常行われる。

急硬材スラリーの送液量は、特に限定されるものではないが、３０〜２００リットル／ｍｉｎ程度が好ましい。

急硬材スラリーが噴射された後、地盤改良区域は、好ましくは１８０分以内、より好ましくは３０〜１２０分で硬化し、改良された安定な地盤となる。

以下実験例により本発明を詳細に説明する。

実験例１
セメント１００質量部、水１２０質量部、減水剤１質量部からなるセメントミルクを調合した。これとは別に急硬材１００質量部、凝結遅延剤２質量部、水２００質量部からなる急硬材スラリーを調合した。急硬材はＣＡ１００質量部と石膏１００質量部からなる。回転速度２８０ｒｐｍ／分のモルタルミキサーを使用し、前記セメントミルクと砂質土を容積比で、セメントミルク：砂質土＝１：２の割合で１分間混合して混合物を作製した。更に１時間混合した後、混合物中のセメント１００質量部に対して表１に示す量の急硬材になるように、急硬材スラリーを、セメントミルクと砂質土の混合物に添加し、１０秒間混合した。その後、物性を測定した。結果を表１に併記した。

＜使用材料＞
セメント：電気化学工業社製、普通ポルトランドセメント
ＣＡ：ＣａＯ４５％、Ａｌ_２Ｏ_３４０％、及びＳｉＯ_２１５％の組成のガラス質、ガラス化率９５％、粉末度５５００ｍ^２／ｇ
石膏：天然無水石膏、粉末度５５００ｍ^２／ｇ
減水剤：ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系
凝結調整剤：クエン酸と炭酸カリウムの質量比１：３の混合品
砂質土：石灰砂、含水比２５％
水：水道水

＜試験方法＞
硬化時間：指触により混合物が凹まない状態。
圧縮強度：ＪＩＳＲ５２０１に準拠した。
粉末度：ＪＩＳＲ５２０１に準拠した。

実験例１より以下確認された。急硬材を適量使用することにより、短期強度や長期強度の発現が良くなり、硬化時間の制御が容易になる。

実験例２
急硬材をセメント１００質量部に対して１５質量部とし、急硬材１００質量部に対して表２に示す量の凝結調整剤としたこと以外は、実験例１と同様に試験を実施した。結果を表２に示した。

実験例２より以下確認された。凝結調整剤を適量使用することにより、硬化時間を適切に確保できるので、セメントミルクと土砂の混合物が地盤中に十分に行き渡り、均一な固化状態となる。凝結調整剤を適量使用することにより、硬化時間が短いという効果を示した。

実験例３
実験例１、表１の実験Ｎｏ．１−４の配合を使用し、深さ２０ｍでＪＳＧ工法による施工を実施した。

土壌の硬さを示すＮ値が０の粘性土で施工した。ボーリング機を設置し、ボーリング機のロッド（直径６０．５ｃｍ）を使用して、地中２０ｍの深さに削孔し、貫入した。注入圧力２０ＰＭａ、送液量１００リットル／ｍｉｎのセメントミルクを、ロッド内に注入し、ロッド先端から地中に噴射した。セメントミルクを噴射しながら、ロッドを回転し、地上に引き上げた。セメントミルク注入１時間後に、ロッドを地中２０ｍの深さに再度貫入した。注入圧力２０ＰＭａ、送液量１００リットル／ｍｉｎの急硬材スラリーを注入した。セメントミルクを噴射しながら、ロッドを回転し、地上に引き上げた。
硬化時間は約５０分であった。硬化後に施工箇所を掘削した所、直径２．０ｍのパイル状硬化体が確認された。パイル状硬化体について、３時間圧縮強度は０．１Ｎ／ｍｍ^２、１日圧縮強度は１．２Ｎ／ｍｍ^２、２８日圧縮強度は６．１Ｎ／ｍｍ^２であった。

実験例１、表１の実験Ｎｏ．１−１の配合を使用した所、施工１日後に掘削を行ったが、直径２．０ｍのパイル状硬化体が確認された。パイル状硬化体について、１日圧縮強度は０Ｎ／ｍｍ^２、２８日圧縮強度は１．２Ｎ／ｍｍ^２であった。急硬材スラリーを使用しない場合、強度は小さかった。

セメントミルク注入０時間後に急硬材スラリーを注入した場合（セメントミルクと急硬材スラリーを同時に注入）、セメントミルクと急硬材スラリーが注入孔付近で徐々に硬化し、注入してから５分後に注入が不可となった。注入孔付近が硬化したため、粘性土中に注入できなかった。パイル状硬化体も形成しなかった。

本発明の工法を使用することにより、地盤改良をむらなく確実に実現でき、機械のトラブルが無く、短時間の硬化が可能となり、処理径が大きく、安定して形成される等の効果がある。本発明の工法を使用することにより、造成された硬化物の強度が強い等の効果がある。本発明の工法を使用することにより、杭の支持力が大きい、セメント使用量やセメントペースト注入量が減少する、施工速度を速めることが可能となる等の効果を奏する。

各種土木工事におけるトンネル工事、地盤改良工事や止水工事、空港等の耐震化や緊急を有する地盤の改善に有効であるばかりか長期耐久性に優れる。

Claims

セメントミルクを地盤中に注入した後、１５〜１２０分以内に、急硬材スラリーを注入してなる地盤改良工法。
急硬材スラリーが、急硬材及び凝結調整剤を含有してなる請求項１に記載の地盤改良工法。
急硬材が、カルシウムアルミネート及び石膏を含有してなる請求項１又は２に記載の地盤改良工法。
セメントミルクが減水剤を含有してなる請求項１〜３のうちの１項に記載の地盤改良工法。
急硬材スラリーが、カルシウムアルミネート１００質量部、石膏５０〜２００質量部、凝結調整剤を急硬材１００質量部に対して０．３〜５質量部、スラリー水を急硬材１００質量部に対して６０〜４００質量部である請求項２に記載の地盤改良工法。
地盤改良する場所の削孔の深さが１５〜５０ｍであり、セメントミルクの圧送圧力が５〜７０ＭＰａであり、セメントミルクの送液量が３０〜２００リットル／ｍｉｎであり、急硬材スラリーの圧送圧力が５〜７０ＭＰａであり、急硬材スラリーの送液量が３０〜２００リットル／ｍｉｎである請求項２又は請求項５に記載の地盤改良工法。