JP5478386B2

JP5478386B2 - 地下空洞部を有する地盤の改良工法

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Publication number: JP5478386B2
Application number: JP2010151901A
Authority: JP
Inventors: 修二磯谷; 忠良前田; 英次渡辺; 信二櫛原
Original assignee: Fudo Tetra Corp
Current assignee: Fudo Tetra Corp
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: JP2012012878A

Description

本発明は、建物基礎等の構造物の周辺地下空洞部あるいは地山の空洞部等の地下空洞部を有する軟弱地盤の改良工法に関するものである。

建築構造物の基礎の下やコンクリート構造物の背面には、予測不可能な沈下や流出等に伴う地山の状況の変化により、地下空洞部が生じることがある。このような地下空洞部は建築構造物の沈下や傾斜等の被害をもたらす要因となり、対策が施されている。

従来、このような被害要因を解決するものとして、地下空洞部にセメントとベントナイトと水を混合したグラウト材を注入する方法が提案されている（特公平０５−２８３２０号公報）。また、地下空洞部にペーパースラッジを含むセメントベントナイトモルタルを注入する方法が提案されている（特開２００５−１３２６８４号公報）。これらのグラウト材等は、地下空洞部内で固化し、地盤の安定を図るものである。

特公昭６２−２５８０８号公報特開２００５−１３２６８４号公報特開２０１０−１３８８５号公報（請求項１）

しかしながら、固化材により地盤の安定化を図っても、地下空洞部の下方地盤が緩い砂層地盤のような場合、砂層地盤が流動化して、安定化を図った地盤が再沈下や再流出する恐れがある。

地山に再び沈下等が生じた場合、図６に示すように、固化材による固化部１０１と砂層地盤１０２との間に境界面１０３ができて、固化部１０１の直下の砂層地盤１０２のみが沈下し（符号１０２から符号１０５への沈下）、新たな空洞部１０４（図６中、実線と破線で囲まれる部分）が生じてしまう。このような新たな空洞部１０４は発見し難いと共に、再び地上から充填材を注入するには固化部１０１が注入作業の障害となり、再修復を困難なものにしている。そこで、地下空洞部の充填に際しては、安定な地盤を確保できると共に、再沈下が進行した場合であっても、地盤の動きに追随して、充填部と充填部の直下の砂層地盤との間に空洞が生じないような工法が望まれていた。

また、特開２０１０−１３８８５号公報には、砂材料と水を含有する流動化物を地盤中に圧入する砂杭造成工法が開示されている。しかし、この砂杭造成工法は、流動化物の地盤中への圧入であり、空洞部への圧力がかからない注入とは異なるものである。

従って、本発明の目的は、地下空洞部及びその下方に存在する軟弱地盤等の下方地盤を共に安定化する地盤の改良工法を提供することにある。

かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、地下空洞部の下方の軟弱地盤に砂杭を造成し、次いで砂等を主材料とする流動化物を地下空洞部に注入する工法であれば、地下空洞部の再沈下を防止できると共に、地下空洞部に注入された流動化物は自然脱水され塑性化して安定な地盤を確保できることなどを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、地下空洞部の下方地盤に砂杭を造成し、該下方地盤を改良するＩ工程と、該地下空洞部に、砂類を主材料とする充填後においても固化しない流動化物を充填するＩＩ工程を有することを特徴とする地下空洞部を有する地盤の改良工法を提供するものである。

本発明によれば、地下空洞部の再沈下を防止できると共に、地下空洞部に注入された流動化物は自然脱水され塑性化して安定な地盤を確保できる。また、例え、地下空洞部に再沈下が生じた場合であっても、塑性化した充填物は固化していないため、地盤の動きに対して追随性に優れたものとなる。

本発明における地下空洞部を示す模式図である。本発明の実施の形態の改良工法におけるＩ工程後の地盤の状況を示す模式図である。図２の工程後のＩＩ工程において、流動化物が地下空洞部に充填される状況を示す図である。図３の工程後であって、地下空洞部への流動化物の充填が完了した状況を示す模式図である。図４の状態から脱水が進み流動化物が塑性化した状況を示す模式図である。従来の地下空洞部の充填方法を説明する模式図である。

次に、本発明の実施の形態における改良工法のＩ工程を説明する。Ｉ工程は、地下空洞部の下方地盤に砂杭を造成し、該下方地盤を改良する工程である。本実施の形態例において、地下空洞部とは、建築物、トンネル、橋台、擁壁、下水道管等の構造物周り又はその基礎周りに存在する地下空洞部、あるいは地山の空洞部を意味し、地盤の沈下あるいは流出等を事前に防止して、地盤安定化の検討を要する、例えば数ｍ^３〜数十ｍ^３の空洞を言う。構造物周り又はその基礎周りに存在する地下空洞部の場合、構造物に例えば中空管の挿入が可能な径が１００〜２００ｍｍ程度の孔を適宜の個数形成し、その後下方地盤の砂杭造成を行うことができる。この場合、構造物に形成された孔は後で、修復すればよい。

砂杭造成される下方地盤は、地下空洞部の直下の地盤あるいは深度方向に直交する方向に地下空洞部の直下の地盤よりやや広がりのある地盤である。下方地盤は、特に、砂層などの液状化し易い軟弱地盤である場合、本発明のＩ工程の効果が顕著に表われる。

下方地盤に砂杭を造成する方法としては、砂杭材料流動化物を、流動状態を保持したまま下方地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させて砂杭を造成する工法など公知の工法が挙げられる。砂杭材料流動化物を、流動状態を保持したまま下方地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させて砂杭を造成する工法であれば、砂杭材料流動化物をＩＩ工程の流動化物にも使用でき、原料の一本化が図れる。

砂杭材料流動化物を、流動状態を保持したまま下方地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させて砂杭を造成する工法としては、中空管を地盤中の設計深度まで貫入した後、該中空管を通して塑性化剤を含有する砂杭材料流動化物を地表から地中に圧入し、地中に該砂杭材料を残置し、この未塑性化の残置物の上に、次のステップ分の砂杭材料流動化物を圧入し、これを繰り返して行うことにより、所定長さの砂杭を造成する工法が挙げられる。

塑性化剤は、送液時に流動性を確保すると共に、塑性化までの時間を制御するために使用される。塑性化剤としては、分子量１０^４〜１０^７のカチオン系合成高分子剤が挙げられる。これらカチオン系合成高分子剤としては、アンモニア、脂肪族アルキルモノ又はジアミン又はポリアミンとエピハロヒドリンの重縮合物が挙げられる。アルキルモノアミンとしては、モノメチルアミン、モノエチルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、トリメチルアミン、ｎ-ブチルアミン、イソブチルアミンが挙げられる。また、ジアミン又はポリアミンとしては、アミノエチル-メチルアミン、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ペンタエチレンヘキサミン、ヘキサメチレンジアミンなどが挙げられる。また、エピハロヒドリンとしては、エピクロルヒドリン、エピブロモヒドリンなどが挙げられる。

塑性化剤の配合割合は、砂杭材料の種類や量、流動化剤の種類や量、施工準備や施工の時間などにより適宜決定されるものである。原料の混合後、塑性化までの時間（以下、「塑性化時間」とも言う。）は、例えば１時間以上、好適には１．５〜２０時間となる範囲で適宜決定される。砂杭材料流動化物の各原料の配合割合は、予め実験室における塑性化時間を求める予備実験により決定することができる。塑性化時間が短過ぎると、流動化物供給配管途中で塑性化してしまい、円滑なパイプ輸送ができなくなる。

塑性化剤の配合割合は、主材料１ｋｇに対して０．１〜５ｍｌ、好適には０．２〜３ｍｌである。塑性化剤の添加が少な過ぎると、地中に置かれた流動化物は塑性化せず、設計通りの砂杭が製造できなくなる。また、塑性化剤の添加が多過ぎると、コストを上昇させてしまう。塑性化は、流動化剤が塑性化剤と触れることで分子の結合が分解され保水していた水が吐き出されるため、砂杭材料が元の粒度の性状に戻ることを言う。

塑性化の判断は、市販のテクスチャー試験器を用いて行なうことができる。具体的にはテクスチャーによる硬さの測定結果から最大応力値（ｋＰａ）に換算し、この最大応力値が１５ｋＰａ以上のものであれば塑性化されたものと判断する。最大応力値が１５ｋＰａ以上のものが塑性化物となることは、各種物性試験結果や過去の経験値から判断できる。なお、流動化剤添加前の砂杭材料単独の最大応力は、概ね１５０ｋＰａ前後である。

砂杭材料流動化物を地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させて砂杭を造成する工法の詳細は、特開２０１０−１３８８５号公報に開示されており、同公報に記載の装置を使用し、更に同公報に記載の工程を実施すればよい。

次に、ＩＩ工程を説明する。ＩＩ工程は、Ｉ工程で砂杭材料で改良された下方地盤の上方に位置する地下空洞部に、砂類を主材料とする充填後においても固化しない流動化物を充填する工程である。

砂類としては、砂、シルト及び砕石から選ばれる１種以上が挙げられる。流動化物は、砂類を主材料とする充填後においても固化しない、任意の成分である流動化剤、任意の成分である塑性化剤及び任意成分である水を含有する。主材料としては、従来の砂杭造成工法で使用されてきた公知の材料を使用すればよい。砂は、礫を含んでいてもよい。主材料の粒径としては、概ね０．０７〜２．０ｍｍが好適である。

流動化剤は、主材料を流動し易くするか、あるいはパイプ輸送できるようにするものである。流動化剤としては、吸水性ポリマー及び高分子剤等が挙げられる。流動化剤は、これらの１種類又は２種類以上を組み合わせて使用することができる。

吸水性ポリマーとしては、アクリル酸ナトリウム重合体部分架橋物、アクリル酸ナトリウム重合体架橋物が挙げられる。このうち、アクリル酸ナトリウム重合体部分架橋物が好ましい。

高分子剤としては、ノニオン系高分子剤、アニオン系高分子剤、カチオン系高分子剤及び両性高分子剤が挙げられる。ノニオン系高分子剤としては、ポリアクリルアミドが挙げられる。アニオン系高分子剤としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２−メチルプロパンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスルフォン酸などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体が挙げられる。カチオン系高分子剤としては、アクリルアミドと、Ｎ,Ｎ-ジメチルアミノエチルメタクリレート又は系Ｎ,Ｎ-ジメチルアミノエチルアクリレートモノマーとの共重合体が挙げられる。高分子剤は、粉末状及び液体状のいずれのものも使用できる。高分子剤は、天然物又は合成物いずれも使用できるが、合成物とすることが、少ない配合量で流動化物を得ることができる点で好ましい。これらの高分子剤は、特公昭３４−１０６４４号公報などに記載の公知の方法で製造することができる。

好ましい高分子剤は、分子量が１００万以上、好ましくは２００万以上、１０００万以下であり、イオン化度が０〜１００モル％のアクリル系高分子からなる粉末状と分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型エマルジョン形態のものである。

流動化剤の配合割合は、適宜決定されるが、通常、流動化物に対して、重量比配合で０〜１．０重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％である。流動化剤が水で希釈されている場合、別途の水を添加しなくとも流動化物を流動化させることができる。例えば、水で希釈された６．４％濃度の流動化剤の場合、配合割合は、流動化物に対して重量比配合で好ましくは５〜３０重量％である。流動化剤の配合割合は少な過ぎると、流動化物が流動化せず、配管内において分離したり、目詰まりし易くなる。また、流動化剤の配合割合が多過ぎても、流動化効果は変わらず、却ってコストを上昇させることになる。流動化物は、上記必須成分の他、例えば流動化促進剤などが含まれていてもよい。なお、流動化剤の配合を省略できるのは、主材料中、細粒分を多量に含むような場合である。

圧送ポンプでパイプ輸送できる流動性とは、日本工業規格で規定される「ベーンせん断試験」における安定せん断強度が３０ｋｐａ未満のものを言う。ベーンせん断試験方法とは、以下の方法を言う。すなわち、ベーンせん断試験機のベーン部を対象土に貫入し、その後、低速にて上部つまみを回転させる。その回転させた状態で下部の抵抗で上部つまみとの回転歪が生じる。その歪が指示針にて表示され、その最大値と安定値を計測する。

また、流動化物は、「ベーンせん断試験」方法以外に、手で把持し、体感で判断することもできる。すなわち、流動化物を手で把持した場合、圧密せず、分離せず、ドロドロ感があり、手に残らないものは好適な流動化物である。流動化物は、主材料又は流動化剤が保水すると共に、主材料の粒子間距離を保持することで内部摩擦を低減するため、流動性を有するものとなる。ＩＩ工程で使用される流動化物は、Ｉ工程で使用された砂杭材料流動化物と同じであってもよい。

ＩＩ工程において任意成分である塑性化剤及び塑性化の判断は、Ｉ工程で記載された塑性化剤及び塑性化の判断と同様である。なお、ＩＩ工程で使用する塑性化剤の配合割合は、主材料１ｋｇに対して０〜５ｍｌ、好適には０．２〜３ｍｌである。塑性化剤の配合が省略できるのは、流動化剤の使用を省略した場合である。

次に、本発明の実施の形態における地盤の改良工法を図１〜図５を参照して説明する。図１〜図５は地盤の改良工法における地下空洞部の変化を作業順に示したものである。すなわち、図１はＩ工程前の地下空洞部と地下空洞部の下方に軟弱地盤を有する地盤構造を示し、図２はＩ工程が終了した状態を示し、図３は地下空洞部の注入口から流動化物が充填され始めた状態を示し、図４は地下空洞部への流動化物の充填が完了した状態を示し、図５は充填された流動化物が塑性化した状態を示す。なお、図２〜図５において、符号４は砂杭を下方地盤に造成するための中空管の貫通孔の跡であり、実際には径が１００〜２００ｍｍ程度のものである。

図１に示す地下空洞部１は、地山の空洞部であり、地下空洞部１の下方には砂層２等の軟弱地盤が存在している。このような地下空洞部１や軟弱地盤は、事前地盤調査や地盤沈下等により発見でき、地下空洞部１の容積は公知の地盤調査により概ね決定できる。

Ｉ工程の実施により、地下空洞部１の直下の軟弱地盤には、多数の砂杭３が造成される。これにより、地下空洞部１の直下の軟弱地盤は改良される。なお、地下空洞部１の上方地盤には、砂杭造成工法で使用された中空管（不図示）の貫入孔の跡４が残っている。次に、ＩＩ工程を実施する。ＩＩ工程の前段階として、図３に示すように、地表には、地下空洞部１に通じる流動化物注入口１１と、地下空洞部１に通じる流動化物観察口１２がそれぞれ別個に形成されている。流動化物注入口１１及び流動化物観察口１２は新たに形成することなく、Ｉ工程で残った中空管の貫入孔を利用してもよい。

ＩＩ工程は、流動化物１３を地下空洞部１に通じる注入口１１から注入することで開始する。流動化物１３の注入は、ホース５を使用したポンプ送液により行えばよい。この場合、圧入と異なり、圧力制御は不要であり、流量のみを監視すればよい。流動化物１３の注入が進行して、地下空洞部１に流動化物１３が満杯となると、流動化物観測口１２から流し込まれた流動化物１３が溢れ出る。これを観測することでＩＩ工程は終了する（図３参照）。なお、ＩＩ工程終了の確認は、流動化物１３が溢れ出ることの観測の他、流動化物観測口１２において地下空洞部１がほぼ満杯状態であると確認できればよい。本発明において、観測口において地下空洞部の満杯状態を観測するとは、注入された流動化物が観測口から溢れ出さずとも、観測口近くまで流し込まれている状態を目視等で確認すること等を意味する。ＩＩ工程直後の流動化物は水を含んだ状態あるいは一部の水が地下空洞部１の直下の地盤に浸透し始め、含水量がやや少ない状態のものである。

ＩＩ工程後、自然放置する。これにより、流動化物中の水は地下空洞部１の直下の地盤へ吐き出され、次いで流動化物は塑性化される（図５参照）。塑性化とは流動化物中の水が吐き出されて、主材料が元の粒度の性状に戻ることを言う。これにより、地下空洞部１に充填された充填材は固化することなく、地下空洞部１周りの地盤と類似の土質となり、安定な地盤を確保できると共に、再沈下が進行した場合であっても、充填部は充填部と充填部の直下の地盤部との間に空洞が生じることがない地盤の動きに対して追随性に優れたものとなる。

本発明は、建物基礎等の構造物の周辺地下空洞部あるいは地山の空洞部等の地下空洞部と該地下空洞部の下方に存在する軟弱地盤の改良工法として簡易な方法である。また、地下空洞部の下方に存在する軟弱地盤を改良することで、地下空洞部の下方地盤の再沈下の恐れが減少する。また、例え、再沈下による空洞部が再発生しても、再空洞化の恐れが減少する。また、例え、再空洞化が起きても再度の充填が容易である。

１地下空洞部
２下方地盤（軟弱地盤）
３砂杭
４中空管挿入用孔の跡
１１流動化物注入口
１２流動化物観察口
１３流動化物
１３ａ塑性化物

Claims

地下空洞部の下方地盤に砂杭を造成し、該下方地盤を改良するＩ工程と、
該地下空洞部に、砂類を主材料とする充填後においても固化しない流動化物を充填するＩＩ工程を有することを特徴とする地下空洞部を有する地盤の改良工法。
Ｉ工程は、砂杭材料流動化物を、流動状態を保持したまま下方地盤中に圧入し、地盤中で塑性化させて砂杭を造成することを特徴とする請求項１記載の地下空洞部を有する地盤の改良工法。
該ＩＩ工程後、該地下空洞部に充填された流動化物を自然放置して塑性化することを特徴とする請求項１又は２に記載の地下空洞部を有する地盤の改良工法。