JP6045054B2 - 浸透固化処理工法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤液状化防止などのため地盤内へ薬液を注入し浸透させ地盤の固化を図る浸透固化処理工法に関する。

地震による地盤の液状化は、細粒分含有率の低い砂地盤が地下水で飽和している場合、地震発生による衝撃・振動で砂地盤内の間隙水が移動できないような急激なせん断が生じ、過剰間隙水圧が発生することで砂粒子間の有効応力が減少しせん断抵抗がなくなり、砂層が液体のように流動することをいう。地盤の液状化により地盤上や地盤中の構造物の傾きや沈下や浮き上がり等の障害が生じるため、種々の液状化防止対策が提案されている。

特許文献１は、飽和状態の地盤を迅速に不飽和化することで地盤の液状化を防止する方法を提案する。特許文献２，３は、地盤内へ薬液を注入し浸透させ地盤を固結する薬液注入工法および装置を提案する。その他、地盤内に密に固められた砂の杭をつくることで地盤密度を増大させる工法などが提案されている。

上述の薬液を地盤に注入し浸透させて固結せしめる技術は、薬液を砂地盤に注入して、砂の間隙にある地下水を押し出し、薬液に置き換え、数分たつと薬液がゼリー状の物質になることで、地盤の液状化を防止するものである。この技術は、1999年に羽田空港の滑走路で使用されて以来、数百件の液状化防止工事に適用され、浸透固化処理工法として周知である（非特許文献１）。

上記浸透固化処理工法による液状化防止の原理についてさらに説明する。地下水で飽和された砂地盤の粒子間の間隙に薬液を注入すると、間隙の水が押し出され、薬液に置き換わる。飽和模型地盤で実施した試験によれば、砂の間隙の80〜90%の地下水が薬液に置き換えられ、結果として、空隙の8〜9割にゼリー状の物質が充填されるため、透水係数が小さくなり、固結した地盤は水を通しにくくなり、液状化しにくくなることが判明している。このように、地盤内に薬液を注入して、砂の間隙から水を押し出し、ゼリー状の物質で間隙を置き換えることがこの技術の本質である。

一般に液状化は、地下水で飽和した砂地盤で発生するため、多くの場合、液状化対策が施されるのは、地下水より低い深度、すなわち、地下水位以深である場合がほとんどである。

特開２００４−３６０２４３号公報 特開平１０−１２１４５７号公報 特許３１０２７８６号特許公報

「浸透固化処理技術マニュアル（2010年版）」平成２２年６月（財団法人 沿岸技術研究センター）

上述のように、飽和状態の砂地盤では、空隙の8〜9割にゼリー状の物質が充填されるため、改良効果が大きいが、以下のように例外となる場合がある。すなわち、岸壁などでは、潮位変動により、１〜４ｍ程度地下水位面が変化する。液状化の対策は、大潮時の地下水位面の最上面まで行う必要がある。潮位変動で地下水位面が高い場合を除き、一般には改良対象の上面から地下水位面までは完全飽和ではなく、不飽和状態にある。

不飽和状態の地盤へ薬液を注入した場合、地盤中の水は薬液で押し出されるが、空気は押し出されにくく、このため、地盤内に空気が残り、薬液の充填率が３〜４割程度まで低下する。充填率が低下すると、大きくて弱い改良体が形成されてしまう。すなわち、薬液の充填率が低いと、地盤の固結強度が小さくなり、止水性は改善されず、水を通し易い状態になる。したがって、飽和状態の地盤へ注入した場合に比べ、不飽和状態の地盤へ注入した場合、液状化防止効果は小さくなる。

上述のように、不飽和状態の地盤へ薬液を注入すると、土中の空気は間隙水に比べ押し出されにくいため、結果的に空隙を残したまま薬液が不完全に充填され、このため、改良後の固結強度は弱く、大きい範囲が固結してしまう。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、不飽和状態の地盤を薬液注入により固化し高品質な地盤改良が可能な浸透固化処理工法を提供することを目的とする。

参考例の浸透固化処理工法は、地盤内へ薬液を注入し浸透させ地盤の固化を図る浸透固化処理工法であって、浸透固化対象の地盤が不飽和状態であるとき、前記薬液注入の前に前記不飽和状態の地盤へ水を注入することで、前記薬液の注入範囲を不飽和状態から飽和状態とすることを特徴とする。

この浸透固化処理工法によれば、不飽和状態の地盤に対し、薬液注入に先行して水を注入することで、薬液の注入範囲を不飽和状態から飽和状態とし、これにより、地盤内の空気量が減り、地盤内への薬液の浸透性が高まり、薬液による固結強度が向上する。このため、不飽和地盤を薬液注入により固化し高品質な地盤改良をすることができる。

上記目的を達成するための浸透固化処理工法は、地盤内へ薬液を注入し浸透させ地盤の固化を図る浸透固化処理工法であって、浸透固化対象の地盤内に地下水位面があり、前記地盤の前記地下水位面よりも浅い部分が不飽和状態であるとき、前記不飽和状態の浅い部分に対して前記薬液注入の前に前記薬液注入のための手段を利用して水を注入することで、前記不飽和状態の浅い部分における薬液の注入範囲を不飽和状態から飽和状態とするか、または飽和状態に近づけることを特徴とする。

この浸透固化処理工法によれば、浸透固化対象の地盤内に地下水位面があるとき、地盤の地下水位面よりも浅い部分が不飽和状態であっても、薬液注入に先行して水を注入することで、薬液の注入範囲を不飽和状態から飽和状態とし、または飽和状態に近づけ、これにより、地盤内の空気量が減り、地盤内への薬液の浸透性が高まり、薬液による固結強度が向上する。このため、地盤の地下水位面よりも浅い部分を薬液注入により固化し高品質な地盤改良をすることができる。

上記各浸透固化処理工法において前記注入する水を、前記薬液注入範囲における間隙量の50%〜500%とすることが好ましい。また、前記注入する水として地下水または海水を利用することができる。また、前記水を注入する手段として前記薬液注入のための手段を利用することができる。

また、上記浸透固化処理工法は、地震による地盤の液状化を防止するために適用されることで、改良対象の地盤において地震による液状化の防止効果を得ることができる。

本発明の浸透固化処理工法によれば、不飽和状態の地盤を薬液注入により固化し高品質な地盤改良が可能になる。

本実施形態による浸透固化処理工法の工程（ａ）〜（ｅ）を説明するための図である。 本実験例において用いた実験土槽の縦断面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。 本実験例で用いた地盤材料の粒度分布曲線である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態による浸透固化処理工法の工程（ａ）〜（ｅ）を説明するための図である。

以下、図１を参照して本実施形態による浸透固化処理工法の工程を説明する。まず、図１（ａ）のように、地盤改良の対象域である地盤Ｇの地表面Ｓにおける所定の位置に削孔機（ドリリングマシン）５０をセットし、削孔の角度調整を行い、削孔用ケーシング５１を継ぎながら地盤Ｇの所定深度まで削孔を行う。地盤Ｇは、砂地盤または砂質土地盤である。

次に、図１（ｂ）のように、注入外管５２を孔内に建て込む。注入外管５２は、塩ビまたは鋼製の主管と特殊スリーブパッカーから構成される（特許文献３参照）。

次に、ケーシング５１の引き抜き、注入外管５２のレベル調整、薬液の逸走防止のためのスリーブパッカーの注入などを行ってから、注入ホース５３を通して薬液を地盤Ｇの地下水位面Ｈよりも深い最下段から所定の注入速度で浸透注入する

薬液は、地盤改良用のシリカ系水溶液型薬液が好ましく、所謂「水ガラス」製造用の原料である Na₂O/nSiO₂ または K₂O/nSiO₂ とその硬化剤である無機塩類、有機塩類、金属酸化物、金属水酸化物、無機酸、有機酸、酸性塩、塩基性塩等とを組み合わせて調製したものなどを用いることができるが（特許文献２参照）、これらに限定されるものではない。

地盤Ｇにおいて地下水位面Ｈよりも深く飽和状態の地盤部分Ｇ１に薬液を注入することで、薬液が砂粒子の間隙へと浸透し間隙から水を押し出し、ゼリー状の物質で間隙を置き換えることにより、砂粒子を固結させて地盤部分Ｇ１にほぼ球状の浸透固化体を形成する。

上述のようにして、図１（ｃ）のように、地盤Ｇ内で飽和状態である地盤部分Ｇ１の最下段から上段へと順にステップアップしてほぼ球状の浸透固化体Ａ１，Ａ２，Ａ３が形成される。なお、浸透固化体Ａ１，Ａ２，Ａ３は上段側から下段側へと順にステップダウンして形成してもよい。

次に、図１（ｃ）のように、地下水位面Ｈよりも浅く不飽和状態である地盤部分Ｇ２（地下水位面Ｈよりも上の部分）に対し、薬液注入の前に注入ホース５３を通して水を注入する。不飽和状態である地盤部分Ｇ２へ水を注入することで、地盤部分Ｇ２内の所定領域Ｂを飽和状態に近づけ、所定領域Ｂ内の空気量を減らすことができる。

なお、注入する水の量は、薬液注入で地盤改良する範囲の間隙量の50%〜500%、すなわち、薬液注入量の5割から5倍の範囲内が好ましい。また、注入する水として、地下水あるいは海水を利用することができる。

次に、上述のように水を注入した地盤部分Ｇ２内の領域Ｂに対し、図１（ｄ）のように、注入ホース５３を通して薬液を注入する。注入ホース５３は薬液タンク（図示省略）と水タンク（図示省略）とにバルブ（図示省略）を介して接続され、バルブ操作により薬液注入と水注入との切り替えが可能となっている。薬液は、上述と同様にして、砂粒子の間隙へと浸透し間隙から水を押し出し、ゼリー状の物質で間隙を置き換えることにより、砂粒子を固結させて地盤部分Ｇ２内にほぼ球状の浸透固化体Ａ４が形成される。

上述のようにして、地盤Ｇ内に地下水位面Ｈよりも深い飽和状態の部分Ｇ１から地下水位面Ｈよりも浅い不飽和状態の部分Ｇ２まで複数のほぼ球状の浸透固化体Ａ１〜Ａ４を形成することができる。これにより、図１（ｅ）のように、地盤Ｇ内の縦方向のエリア１１を固化することができる。エリア１１に近接した縦方向のエリア１２，１３においても、図１（ａ）〜（ｄ）と同様にして、地盤Ｇの飽和状態の地盤部分Ｇ１および不飽和状態の地盤部分Ｇ２に複数のほぼ球状の浸透固化体を形成することで、改良対象の地盤Ｇの全体を固化することができる。

以上のように、本実施形態の浸透固化処理工法によれば、地盤Ｇ内の地下水位面Ｈよりも深い飽和状態の部分Ｇ１を従来と同様にして薬液注入により浸透固化することができるとともに、地盤Ｇ内の地下水位面Ｈよりも浅い不飽和の部分Ｇ２においては薬液注入に先行して水を注入して飽和状態とする（または飽和状態に近づける）ことで空気量を減らし、その後に薬液を注入するので、注入された薬液が地盤に浸透し、飽和状態の地盤と同じように所定の領域を固化することができる。

従来のように不飽和状態の地盤へ薬液を注入すると、地盤中の水は薬液で押し出されるが、空気は押し出されにくいため、地盤内に空気が残る結果、薬液の充填率が低下し十分な固結強度が得られなかったのであるが、本実施形態のように、不飽和状態の地盤に対しては薬液注入に先行して水を注入して飽和状態にする（または飽和状態に近づける）ことで地盤内の空気量を減少させることができるので、薬液の充填率が向上し、地盤の固結強度が向上する。

以上のように、不飽和状態の地盤の固結強度を飽和状態の地盤と同様に薬液注入による浸透固化により向上させ、地盤改良効果を改善し、高品質な地盤改良を行うことができる。このため、地震による地盤の液状化を効果的に防止することができる。

また、岸壁や護岸などにおいて、例えば、中国地方では朔望平均満潮面（H.W.L）と朔望平均干潮面（L.W.L）との差が３．７ｍ程度あるように、潮位変動により、地下水位面が１〜４ｍ程度変化するため、岸壁・護岸における液状化対策は、地下水位面の最上面、例えば朔望平均満潮面まで実施することが必要である。他方、地下水位面が高い場合を除き、図１（ｃ）と同様に地表面Ｓから地下水位面Ｈまでの地盤部分Ｇ２は不飽和状態である。このように、液状化対策の必要な地盤が不飽和状態であっても、本実施形態によれば、薬液注入による浸透固化処理工法により、飽和状態の地盤と同等に薬液の充填率を向上させ、地盤の固結強度を向上させることができる。したがって、潮位変動で地下水位面が変化する岸壁・護岸において地下水位面よりも深く常に飽和状態である地盤部分から地下水位面の最上面（例えば朔望平均満潮面）まで液状化対策を施すことができる。

従来、地震による地盤液状化防止対策の１つとして、特許文献１のように飽和状態の地盤を不飽和化することが提案されているが、本実施形態の浸透固化処理工法による地盤液状化防止対策は、逆に不飽和状態の地盤を飽和状態とし、その後に地盤に対し薬液注入をして浸透固化処理を施すので、まったく反対の工程を経るものである。
（実験例）

本発明による浸透固化処理工法の効果を模型実験により確かめた。すなわち、模型地盤において不飽和地盤へ薬液注入した場合における固化体形状、充填率、一軸圧縮強度を調査し評価した。

〈実験概要〉
(1)地下水位より浅い不飽和地盤を想定した模型地盤へ固化体を薬液注入により形成するために、実験土槽として小型土槽（ドラム缶）を用いた。固化体（球状）の予定直径は30cm(r=15cm)として注入諸元を決定した。土槽に使用する砂の体積は、0.125m³、固化体の体積は、0.014m³（＝14L）である。図２（ａ）（ｂ）に示すように、実験土槽としてドラム缶を使用し、蓋としてコンクリートを打設し、実験土槽には３回に分けて砂を投入し締固め方式で模型地盤をつくった。注入管は土中に設置後、石膏水で管周囲を固定した。

(2)地盤材料として保水性の高い火山灰質砂質土を使用した。地盤材料の粒度分布を図３に示す。模型地盤は下記条件にて作製した。
Dr=55%を想定した（乾燥密度ρd＝1.2〜1.4g/cm³、間隙率ｎ＝46％〜54％を想定）。含水比wn=22%に設定した。細粒分含有率Fc=11％であった。

(3)薬液は、ライト工業株式会社が販売する液状化対策用の超微粒子シリカ系のエコシリカＩ（商品名）を使用し、基本薬液濃度を7.0%とし、１球体（球体体積：0.014m³）当たりの薬液量を0.0070m³(n=50%)とした。薬液の注入速度は、通常注入を想定し、0.3L/min.とした。

(4)土槽下部より水を注入し飽和させた模型地盤に薬液を注入する実験（比較例１）、水を注入しいったん飽和させた後、水をドレーンパイプを通して排水し不飽和にした模型地盤に薬液を注入する実験（比較例２）、比較例２の手順で不飽和の模型地盤を作成し、水を一定量注入した後、薬液を注入する実験（実施例）の３ケースについて実験を行った。

〈実験結果〉
各ケースについて、実験土槽より掘り出した土の固化体形状を示す概略図、充填率、一軸圧縮強度を表１に示す。

表１の実験結果によれば、薬液を飽和模型地盤へ注入した比較例１の固化体に比べ、不飽和模型地盤へ注入した比較例２では、充填率が1/3程度に低下し、固化体形状が球状ではなく上部が細長く延びた形状となり、体積が3倍程度大きく、かつ、一軸圧縮強度が1/2.5程度に低下した。このように、不飽和模型地盤の比較例２は、飽和模型地盤の比較例１と比べると、薬液注入による浸透固化効果が低下しており、これは、不飽和地盤の空気が薬液の浸透を阻害し、薬液が間隙へ浸透することを阻害したことが原因と考えられる。

一方、あらかじめ不飽和模型地盤に水を注入して飽和度を上げてから、薬液を注入した実験例では、充填率は60%であった。これは、飽和模型地盤の比較例１の2/3程度である一方、不飽和模型地盤へ薬液をいきなり注入した比較例２と比べると約2倍の高い充填率であった。固化体の体積は、比較例２の1/2程度と小さかった。このため、固化体形状も球体に近く、一軸圧縮強度も、比較例２の約1.6倍と大きかった。

以上の実験結果から、不飽和地盤へ薬液を注入する場合、先行して水を注入し、飽和度を上げることで、薬液の浸透性が高まることが判明し、地盤改良品質の確保・向上のために本発明の浸透固化処理工法が重要であることが分かった。

以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図１では、地下水位面よりも深い飽和状態の地盤部分Ｇ１と浅い不飽和状態の地盤部分Ｇ２との両方に対し浸透固化処理工法を適用して浸透固化処理を行ったが、不飽和状態のみである地盤に対しても本発明の浸透固化処理工法を適用できることはもちろんである。

また、図１（ｃ）における水の注入量については、改良対象とする不飽和状態の地盤をどの程度の飽和状態にまで近づけるかによって異なるので、目的とする飽和状態に応じて適宜決定することが望ましい。

また、図１（ａ）（ｂ）の注入外管５２を建て込むための削孔とは別に、この孔の近傍に削孔を行って井戸を造り、そこから水を注入することによって地盤内の地下水位を上昇させて不飽和状態の地盤を飽和状態とするようにしてもよい。

本発明の浸透固化処理工法によれば、不飽和状態の地盤を薬液注入により固化し高品質な地盤改良が可能になるので、例えば、潮位変動により地下水位面が変動するような不飽和状態の地盤において薬液注入による浸透固化によって地震による液状化防止の効果を十分に得ることができる。

５０ 削孔機（ドリリングマシン） ５１ 削孔用ケーシング ５２ 注入外管 ５３ 注入ホース Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ 浸透固化体 Ｇ 地盤 Ｇ１ 飽和状態の地盤部分 Ｇ２ 不飽和状態の地盤部分 Ｈ 地下水位面 Ｓ 地表面

Claims (5)

1. 地盤内へ薬液を注入し浸透させ地盤の固化を図る浸透固化処理工法であって、
   浸透固化対象の地盤内に地下水位面があり、前記地盤の前記地下水位面よりも浅い部分が不飽和状態であるとき、前記不飽和状態の浅い部分に対して前記薬液注入の前に前記薬液注入のための手段を利用して水を注入することで、前記不飽和状態の浅い部分における薬液の注入範囲を不飽和状態から飽和状態とするか、または飽和状態に近づけることを特徴とする浸透固化処理工法。
2. 前記注入する水を、前記薬液注入範囲における間隙量の50%〜500%とする請求項１に記載の浸透固化処理工法。
3. 前記注入する水として地下水または海水を利用する請求項１または２に記載の浸透固化処理工法。
4. 地震による地盤の液状化を防止するために適用される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の浸透固化処理工法。
5. 前記不飽和状態の地盤内に前記薬液注入によりほぼ球状の浸透固化体を形成する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の浸透固化処理工法。