JP5767288B2 - 地盤の減容化方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤の減容化方法に関し、さらに詳しくは、従来工法に比して地盤を大幅に減容化することができる地盤の減容化方法に関するものである。

近年、浚渫工事等で発生する残土の処分地が不足している。新たな処分地や広大な処分地を確保することが困難であるため、限られた処分地を効率的に使用する必要がある。この対策の一環として、地盤の減容化が挙げられる。例えば、海面処分場を造成する際に、埋め立て地盤を真空圧密工法によって減容化して処分場の収容能力を増大させることがある（例えば、特許文献１参照）。

真空圧密工法では、対象地盤中に多数の鉛直ドレーンを打設した後、地表面を気密シート等により覆った状態にして、真空ポンプを稼働させることにより鉛直ドレーンを通じて地盤中の間隙水を外部に排出させる。これにより、対象地盤の圧密が促進されて減容化されることになる。即ち、この工法では、大気圧とのバランスによる負圧荷重を地盤に作用させるので、通常知られている圧力と圧密沈下量との関係に基づいた減容化が行なわれるだけであり、更なる減容化を実現することができない。それ故、現在要望されているような大幅な減容化を実現するには別の工法が求められている。

減容化のための他の工法として、対象地盤上に盛土をして減容化する載荷盛土工法が知られている。しかしながら、この工法では盛土の荷重によって地盤を圧密するので、対象地盤を大幅に減容化することは難しい。

特開２００９−１６７７０７号公報

本発明の目的は、従来工法に比して地盤を大幅に減容化することができる地盤の減容化方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の地盤の減容化方法は、対象地盤を所定範囲で所定深度まで撹拌することにより、この対象地盤に撹乱された領域を形成し、その際に前記対象地盤の３０％以上８０％以下の体積を前記撹乱された領域に形成し、この撹乱された領域では、撹乱される前よりも土粒子どうしの結び付きが弱い状態になって間隙水を移動し易くして、次いで、この対象地盤にドレーン材を打設し、このドレーン材を通じて対象地盤中の水分を対象地盤から排出することにより、この対象地盤の圧密量を増大させて減容化することを特徴とする。
また、本発明の別の地盤の減容化方法は、対象地盤を所定範囲で所定深度まで撹拌することにより、この対象地盤に撹乱された領域を形成し、この撹乱された領域では、撹乱される前よりも土粒子どうしの結び付きが弱い状態になって間隙水を移動し易くして、その際に前記対象地盤の５０％以上の体積を前記撹乱された領域に形成し、次いで、この対象地盤にドレーン材を打設し、このドレーン材を通じて対象地盤中の水分を対象地盤から排出することにより、この対象地盤の圧密量を増大させて減容化することを特徴とする。

ここで、前記ドレーン材を通じた対象地盤中の水分の対象地盤からの排出には、大気圧下で行なわれるドレーン工法を用いることができる。或いは、負圧下で行なわれる真空圧密工法を用いることができる。前記ドレーン材を通じて対象地盤中の水分を対象地盤から排出した後、この対象地盤に下向きの負荷を加えることもできる。例えば、前記撹乱された領域を形成した対象地盤に土砂を載置することにより、前記下向きの負荷を加える。前記撹乱された領域を形成するには、例えば、前記対象地盤の中で地盤改良機の撹拌翼を回転させる。

本発明によれば、最初の工程として対象地盤に撹乱された領域を形成して地盤の粘土粒子どうしの構造を人工的に破壊して外力（荷重）に対する耐力（抵抗力）を大幅に低減させる。次いで、この対象地盤にドレーン材を打設し、このドレーン材を通じて対象地盤中の水分を対象地盤から排出するので、通常知られている圧力と圧密沈下量との関係に基づいた減容効果の延長線上ではなく、さらに高いレベルの減容効果を得ることが可能になる。また、対象地盤中に砂層が介在している場合、最初の工程として真空圧密工法を行なうと、気密性を確保することが困難になって十分な減容効果を得られないことがあるが、本発明では、そのような問題は生じない。

陸上の対象地盤を撹拌する本発明の撹拌工程を例示する説明図である。 撹乱された領域を形成した対象地盤の水分を、大気圧下でドレーン材により対象地盤から排出する工程を例示する説明図である。 図２の対象地盤が減容した状態を例示する説明図である。 撹乱された領域を形成した対象地盤に土砂を載置して下向きの負荷を加える工程を例示する説明図である。 水底の対象地盤を撹拌する本発明の撹拌工程を例示する説明図である。 撹乱された領域を形成した水底の対象地盤の水分をドレーン材により対象地盤から排出する工程を例示する説明図である。 撹乱された領域を形成した対象地盤の水分を、真空圧密工法により地上に排出する工程を例示する説明図である。 図７の対象地盤が減容した状態を例示する説明図である。 撹乱された領域を形成した対象地盤を例示する平面図である。 撹乱された領域を形成した対象地盤の別の例を示す平面図である。 撹乱された領域を形成した対象地盤の別の例を示す平面図である。 撹乱された領域を形成した対象地盤を例示する側面図である。 撹乱された領域を形成した対象地盤の別の例を示す側面図である。 標準圧密試験におけるサンプル試料の間隙比と圧密圧力との関係を示すグラフ図である。 標準圧密試験におけるサンプル試料の体積ひずみと圧密圧力との関係を示すグラフ図である。 実際の地盤の体積ひずみと圧密圧力との関係を示すグラフ図である。 本発明と真空圧密工法とによる減容化の効果を説明するグラフ図である。

以下、本発明の地盤の減容化方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１に例示するように、本発明の地盤の減容化方法は、まず、対象地盤５を撹拌することにより、対象地盤５に撹乱された領域６を形成する。対象地盤５は主に粘性土である。この撹拌工程では、例えば、地盤改良機１を用いて予め設定されている対象地盤５を所定範囲で所定深度まで撹拌する。

地盤改良機１は、回転軸２に取り付けられた撹拌翼３を有し、回転軸２は油圧モータ４により回転駆動される。撹拌翼３は回転軸２に上下二段に取り付けられているが、撹拌翼３の段数は一段、三段等にすることもできる。各段で水平方向に延設される撹拌翼３の数は、この実施形態ではそれぞれ２本であるが、１本、３本等にすることもできる。回転軸２の数は１本に限らず、複数本にすることもできる。

この回転軸２を所定の位置まで下方移動させて対象地盤５中で撹拌翼３を回転させることにより、円柱状の撹乱された領域６を形成する。撹拌翼３（回転軸２）を回転させながら地表に引き揚げて一箇所での撹拌工程が終了した後は、別の平面位置に撹拌翼３（回転軸２）を移動させる。その別の位置で、同様に回転軸２を下方移動させて対象地盤５中で撹拌翼３を回転させることにより、撹乱された領域６を形成する。順次同様の作業を繰り返して、対象地盤５の所定範囲の所定深度まで撹乱された領域６を形成する。

撹乱された領域６を形成する撹拌工程は、地盤改良機１に限らずその他の様々な装置、方法を行なうことができる。例えば、サンドコンパクションパイル機による振動を伴なうロッドの貫入および引き抜き動作、ＰＢＤ（プラスチックボードドレーン）機によるロッドの貫入および引き抜き動作、アースオーガー機による撹拌動作、ボーリングマシンによる回転撹乱動作または削孔動作を採用することもできる。或いは、地盤改良機１を含めてこれら装置や方法を組み合わせて行なうこともできる。

撹乱された領域６とは、撹乱される前よりも土粒子どうしの結び付きが弱い状態になって間隙水が移動し易くなった領域をいう。対象地盤５の撹乱具合は撹拌翼３を上下移動させる速度や撹拌翼３の回転速度により調整できる。撹乱具合を大きくする場合は、撹拌翼３を上下移動させる速度を遅くして、或いは、一定位置で固定させて（固定時間を長くして）撹拌翼３を回転させる。または、撹拌翼３の回転速度を速くして撹拌することにより撹乱具合を大きくする。撹乱具合を小さくする場合は、撹乱具合を大きくする場合と反対の操作をする。

撹拌工程に伴ない、対象地盤５を加水することで、撹乱された領域６を形成し易くすることもできる。例えば、撹拌翼３に噴射口を設けておき、この噴射口から水を吐出して対象地盤５を加水する。

撹拌工程の後、図２に例示するように対象地盤５にドレーン材７を打設して排水工程を行なう。この実施形態では、大気圧下でドレーン材７を用いて排水工程を行なう通常のドレーン工法を用いている。ドレーン材７は周知のものを使用することができ、ドレーン材７の打設には周知の打設装置を用いることができる。ドレーン材７は適宜の間隔で、撹乱された領域６の底面近傍に達する位置まで上下方向に打設する。

大気圧下で、このドレーン材７を通じて対象地盤５中の水分（間隙水）Ｗは地上に排出される。排出された水分Ｗは、例えば、水平ドレーン材等を用いて対象地盤５とは別の場所に移送、排出する。

撹乱された領域６は、粘土粒子どうしの結び付きが人工的に破壊されて、撹乱される前よりも緩い状態になっている。そして、この緩い状態の対象地盤５にドレーン材７が打設されるので、ドレーン材７を通じて粘土粒子間の間隙水の地上への排出が促進されて圧密量が増大して下方に沈下する。即ち、図３に例示するように、撹乱された領域６は減容化されることになる。

最初に撹拌工程を行なって撹乱された領域６を形成する本発明によれば、通常知られている圧力と圧密沈下量との関係に基づいた減容効果の延長線上ではなく、後述するように、さらに高いレベルの減容効果を得ることが可能になる。それ故、従来工法に比して対象地盤５を大幅に減容化でき、海面処分場等を造成する際に収容能力を増大させるには好適である。

また、対象地盤５中に砂層が介在している場合、最初の工程として真空圧密工法を行なうと、気密性を確保することが困難になって十分な減容効果を得られないことがある。しかしながら、仮に、対象地盤５中に砂層が介在していても、本発明では最初に行なう撹拌工程によって砂層は粘性土とともに撹乱された状態になる。それ故、十分な減容効果が得られないという問題が生じることもない。

ドレーン材７を通じて対象地盤５中の水分Ｗを地上に排出した後、この対象地盤５上に下向きの負荷を加えることもできる。これにより、対象地盤５の圧密量をより増大させて減容化することができる。この負荷工程では、図４に例示するように、撹乱された領域６を形成した対象地盤５に、建設土砂、浚渫土砂等の土砂８を載置する。この載置した土砂８の重さにより対象地盤５に下向きの負荷を加える。或いは、岩石、コンクリート塊等を対象地盤５の上に載置して下向きの負荷を加えることもできる。対象地盤５上に土砂８等を載置するだけで、対象地盤５には永続的に下向きの負荷が加わるので、負荷工程の工数は極めて少なくなる。

対象地盤５に下向きの負荷を加える方法としては、この方法に限らず他の方法を用いることができる。例えば、撹乱された領域６を形成した対象地盤５を、周知の真空圧密工法により真空圧密することにより下向きの負荷を加えることもできる。

対象地盤５は陸上地盤だけでなく、水底地盤の場合もある。この場合は、図５に例示するように、作業船１３に搭載した地盤改良装置１を用いて同様に対象地盤５を撹拌することにより、撹乱された領域６を形成する。撹拌工程の後、図６に例示するように、陸上地盤の場合と同様に対象地盤５にドレーン材７を打設して大気圧下（水圧も加わる）で排水工程を行なう。その後の工程も陸上地盤の場合と同様である。

最初に撹拌工程を行なって形成された撹乱された領域６は、撹乱前よりも強度が低下している。その強度低下が大きい場合、ドレーン材７の打設作業や、その後の土砂８を対象地盤５に載置する作業をするには不安定過ぎることがある。尚、水底地盤を対象地盤５にする場合は、作業者や装置等は作業船に載ることになるので、このような問題は生じない。

そこで、撹乱された領域６の強度低下が大きい場合は、別の実施形態を適用する。ここの別の実施形態では、図１に例示したように最初に撹拌工程を行なって、対象地盤５に撹乱された領域６を形成し、次いで、図７に例示するように、攪乱された領域６を形成した対象地盤５を周知の真空圧密工法により真空圧密する。真空圧密工法では、撹乱された領域６に真空圧密用のドレーン材１１を打設し、これらドレーン材１１の上端部を、真空ポンプ９に接続された集水管１２に連結する。対象地盤５の上部は気密性に優れたシール層１０で覆う。シール層１０を形成する方法としては、真空圧密用のドレーン材１１の上端部をキャップもしくは被覆材で覆う手法が知られている。

この状態で真空ポンプ９を稼働させることにより、負圧下でドレーン材１１を通じて対象地盤５中の水分Ｗを地上に排出する。これにより、図８に例示するように、対象地盤５の圧密量を増大させて減容化する。減容化ともなって対象地盤５の強度が増大するので、以後、対象地盤５上では安全に様々な作業を行なうことができる。例えば、図４に例示したように、撹乱された領域６を形成した対象地盤５に土砂８を載置して下向きの負荷を加える。これにより、対象地盤５の圧密量をより増大させて減容化することができる。

対象地盤５を十分に減容化するには、対象地盤５の体積のうち、撹乱された領域６の割合を３０％以上、より好ましくは５０％以上にする。撹乱された領域６を１００％にすれば、最大限に減容化することができるが、３０％以上、より好ましくは５０％以上であれば十分な減容効果が得られるとともに、撹乱された領域６を形成する工数を削減することができる。対象地盤５の減容化効果と撹拌工程の作業工数を考慮すると、対象地盤５の体積のうち、撹乱された領域６の割合を３０％以上８０％以下、より好ましくは５０％以上８０％以下にする。

撹拌工程では、対象地盤５の体積のうち、撹乱された領域６が所定の体積割合になるように、様々な形態で撹乱された領域６を形成することができる。例えば図９に示すように、１本の回転軸２の撹拌翼３により形成される円柱状の撹乱された領域６が、対象地盤５の平面を縦横に隣接して並ぶように施工する。或いは、図１０に例示するように、１本の回転軸２の撹拌翼３により形成される円柱状の撹乱された領域６を一部オーバーラップさせるようにする。そして、このオーバーラップさせて形成される撹乱された領域６が対象地盤５の平面を縦横に隣接して並ぶように施工する。或いは、図１１に例示するように、１本の回転軸２の撹拌翼３により形成される円柱状の撹乱された領域６が、対象地盤５の平面で格子状に並ぶように施工する。本発明では、既述した撹乱された領域６の形態に限らず、対象地盤５の全域に渡ってランダムに撹拌して撹乱された領域６を形成することができる。

撹乱された領域６を深さ方向で言うと、図１２に例示するように、１本の回転軸２の撹拌翼３により形成される円柱状の撹乱された領域６が、すべて同じ所定深度になるように施工する。或いは、図１３に例示するように、１本の回転軸２の撹拌翼３により形成される円柱状の撹乱された領域６が、一部或いは全部、異なる深度になるように施工することもできる。例えば、図９〜図１１に例示した平面での撹乱された領域６の形成状態と図１２、図１３に例示した深さ方向での撹乱された領域６の形成状態とを適宜組み合わせることにより、対象地盤５の体積中の撹乱された領域６の体積を所定割合にする。

尚、撹乱された領域６が形成される対象地盤５の体積は予め設定されたものであるが、例えば以下のように認定してもよい。平面方向では、撹乱された領域６の最も外側の縁を結んで囲まれた領域の面積を底面積とする。即ち、図９〜図１１において、破線で囲まれる領域の面積を底面積とする。深さ方向では、撹乱された領域６の最も深い位置の深度を高さとする。そして、上記の底面積と高さとを乗じて算出した体積を対象地盤５の体積とする。

ある現場から現地盤の状態に近く、乱れの少ない、均一な地盤試料（高さ約１００ｍｍの円柱状粘性土）を採取して、標準圧密試験（ＪＩＳ Ａ １２１７：階段載荷による圧密試験）を行なった。地盤試料の特性は表１に示すとおりである。この地盤試料の高さ方向中央部の高さ３０ｍｍの部分、その上下のそれぞれ高さ３０ｍｍの部分を抜き出して３種類のサンプル試料を作製した。１種類目のサンプル試料（試料Ａ）は、抜き出した地盤試料をそのままの状態で所定サイズの圧密リングに挿入して作製した。２種類目のサンプル試料（試料Ｃ）は、含水比を変化させないように地盤試料の全量を撹拌して完全に練返すことにより撹乱した状態にして、圧密リングに挿入して作製した。３種類目のサンプル試料（試料Ｂ）は、含水比を変化させないように地盤試料の半分の量を撹拌して完全に練返すことにより撹乱した状態にし、残りの半分の量はカッタにより３ｍｍ〜５ｍｍ角の大きさのブロック状にし、その後、撹乱した状態の地盤試料と撹乱していないブロック状の地盤試料とを均一に混合して圧密リングに挿入して作製した。

試料Ａ、Ｂ、Ｃについての圧密試験結果を図１４、図１５に示す。図中の丸印が試料Ａ、三角印が試料Ｂ、ひし形印が試料Ｃを示している。図中σ'_VO（２００ｋＰａ）は有効土被り圧である。図１５は縦軸を図１４の間隙比ｅに変えてサンプル試料の体積ひずみにして表したグラフである。

図１４、図１５の結果から、サンプル試料の撹乱割合が異なると、圧密圧力−間隙比曲線（圧密圧力−体積ひずみ曲線）が大きく相違することが分かる。即ち、撹乱割合が大きくなる程、圧密圧力−間隙比曲線（圧密圧力−体積ひずみ曲線）自体が、下方移動している。同じ圧密圧力であれば、撹乱された試料ＢおよびＣは撹乱されていない試料Ａに比して間隙比ｅ（または体積ひずみ）が小さくなり、圧密量が増大して減容化するには有利なことが分かる。特に、有効土被り圧下では、一段と減容化に有利になることが分かる。また、試料Ｂは試料Ｃに対して減容化効果が若干小さい程度であり、試料Ｂ（全体積の５０％が撹乱状態）であっても、十分に減容化効果が得られることが分かる。

尚、この現地盤の実際の圧密圧力−体積ひずみ曲線は図１６に示す破線のようになる。即ち、撹乱されていない試料Ａであっても試料採取（ボーリングや応力開放など）の際の撹乱の影響が入っている。

図１７には、地盤を撹乱状態にせずに単純に真空圧密工法を用いた場合の間隙比ｅの低下具合をｅ１で示している。真空圧密工法では、一般的に７０〜８０ｋＰａ程度の負圧状態にするので、試料Ａのデータを示す曲線上において、有効土被り圧σ'_VO（２００ｋＰａ）の位置から圧密圧力を７５ｋＰａ大きくした位置まで移動した所での間隙比ｅが求める低下具合ｅ１になる。この図では、試料Ａに対する間隙比ｅの低下具合ｅ１は０．０７程度である。

一方、最初に撹拌工程を行なって体積の５０％を撹乱した状態にした場合（試料Ｂ）、間隙比ｅは試料Ａのデータを示す曲線上の有効土被り圧σ'_VO（２００ｋＰａ）の位置から試料Ｂのデータを示す曲線上まで下方移動することになる。したがって、試料Ｂの試料Ａに対する間隙比ｅの低下具合はｅ２であり、約０．３５程度になっていて大幅な減容化が期待できる。体積の５０％を撹乱した状態にした場合（試料Ｂ）は、以後、試料Ｂのデータを示す曲線上に沿って間隙比ｅが低下し、例えば、試料Ａに対する間隙比ｅの低下具合はｅ３になる。最初に撹拌工程を行なって体積の１００％を撹乱した状態にした場合（試料Ｃ）についても同様の理屈によって、より一層の減容化を期待することができる。このように本発明は、従来の真空圧密工法に比して大幅な減容化効果が得られることが分かる。

１ 地盤改良装置
２ 回転軸
３ 撹拌翼
４ 油圧モータ
５ 対象地盤
６ 撹乱された領域
７ ドレーン材
８ 土砂
９ 真空ポンプ
１０ シール層
１１ 真空圧密用ドレーン材
１２ 集水管
１３ 作業船

Claims (7)

1. 対象地盤を所定範囲で所定深度まで撹拌することにより、この対象地盤に撹乱された領域を形成し、その際に前記対象地盤の３０％以上８０％以下の体積を前記撹乱された領域に形成し、この撹乱された領域では、撹乱される前よりも土粒子どうしの結び付きが弱い状態になって間隙水を移動し易くして、次いで、この対象地盤にドレーン材を打設し、このドレーン材を通じて対象地盤中の水分を対象地盤から排出することにより、この対象地盤の圧密量を増大させて減容化することを特徴とする地盤の減容化方法。
2. 対象地盤を所定範囲で所定深度まで撹拌することにより、この対象地盤に撹乱された領域を形成し、その際に前記対象地盤の５０％以上の体積を前記撹乱された領域に形成し、この撹乱された領域では、撹乱される前よりも土粒子どうしの結び付きが弱い状態になって間隙水を移動し易くして、次いで、この対象地盤にドレーン材を打設し、このドレーン材を通じて対象地盤中の水分を対象地盤から排出することにより、この対象地盤の圧密量を増大させて減容化することを特徴とする地盤の減容化方法。
3. 前記ドレーン材を通じた対象地盤中の水分の対象地盤からの排出が、大気圧下で行なわれるドレーン工法によるものである請求項１または２に記載の地盤の減容化方法。
4. 前記ドレーン材を通じた対象地盤中の水分の対象地盤からの排出が、負圧下で行なわれる真空圧密工法によるものである請求項１または２に記載の地盤の減容化方法。
5. 前記ドレーン材を通じて対象地盤中の水分を対象地盤から排出した後、この対象地盤に下向きの負荷を加える請求項１〜４のいずれかに記載の地盤の減容化方法。
6. 前記撹乱された領域を形成した対象地盤に土砂を載置することにより、前記下向きの負荷を加える請求項５に記載の地盤の減容化方法。
7. 前記対象地盤の中で地盤改良機の撹拌翼を回転させることにより、前記撹乱された領域を形成する請求項１〜６のいずれかに記載の地盤の減容化方法。

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