JP6225429B2 - 液状化防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、液状化の防止対象となる地盤に適用される液状化防止方法に関する。

地盤の液状化は、地震による振動が地盤に作用したとき、該地盤のせん断変形によって砂粒子間の間隙水圧が上昇し、その間隙水圧上昇に伴って有効応力がゼロになる結果、砂粒子間での応力伝達ができなくなって流動性が高くなる現象であり、緩い飽和砂質地盤で起こりやすい（以下、液状化が発生しやすい地盤を液状化地盤と言う）。

液状化が進行すると、地盤が鉛直支持力を失って建物の倒壊を招くほか、地盤の側方流動によって杭が損壊するなどの被害が生じ、我が国では、古くは新潟地震から液状化の被害が明確に認識されるようになった。

このような液状化被害に対し、従来からさまざまな対策工が研究開発されており、過剰間隙水圧を消散させるドレーン工法、ウェルポイント、ディープウェル等の地下水位低下工法、薬液注入等による固結工法、サンドコンパクションパイル、バイブロフローテーション等による締固め工法などが知られている。

特開２００１−５９２１７号公報 特開２００１−１５２１４９号公報 特開平５−１４０９２６号公報

ここで、ドレーン工法では細粒分含有率が大きいと適用が困難になる、地下水位低下工法では地盤沈下に留意する必要がある、固結工法では対策コストが割高になる、締固め工法では騒音や振動に対する配慮が不可欠となるといった諸問題がそれぞれ懸念される。

一方、生石灰などの水硬性材料を地盤内にパイル状に埋設する対策工が知られており、かかる対策工によれば、上述の諸問題を生じさせることなく、水和反応による強度向上のほか、該水和反応に伴う膨張による周辺地盤の締固めを期待することができる。

しかしながら、生石灰などの水硬性材料を地盤改良材として用いる場合、アルカリ成分が地下水系に流入する、本来溶出するはずのない物質がアルカリ環境下で溶出するといった環境上の問題が懸念される。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、地盤沈下を防止するとともに騒音や振動の発生を大幅に低減し、さらには細粒分含有率が大きい地盤にも適用が可能で、なおかつｐＨ環境にも配慮された液状化防止方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る液状化防止方法は請求項１に記載したように、液状化の防止対象となる砂質地盤に掘削孔を形成するとともに、該掘削孔に吸水性膨張材を配置する液状化防止方法において、
前記吸水性膨張材を、化学反応を伴うことなく吸水可能でかつ吸水時に周囲からの反力に抗しながら膨張可能な材料で構成することにより、前記砂質地盤を締め固めるものである。

また、本発明に係る液状化防止方法は、前記吸水性膨張材を、分子鎖が網目状に架橋されてなる高分子材料としたものである。

また、本発明に係る液状化防止方法は、前記吸水性膨張材を、砂、砂利、砕石等の土質材料及び生石灰、スラグ等の水硬性材料のうち、少なくともいずれかの材料と混合された形で前記掘削孔に配置するものである。

本発明に係る液状化防止方法においては、液状化の防止対象となる砂質地盤に掘削孔を形成し、該掘削孔に吸水性膨張材を配置するが、本発明における吸水性膨張材は、化学反応を伴うことなく吸水可能でかつ吸水時に周囲からの反力に抗しながら膨張可能な材料で構成する。

このようにすると、吸水性膨張材は、化学反応を伴うことなく吸水によって膨張するとともに、該吸水性膨張材の膨張力は、掘削孔の孔壁を介して周囲の地盤領域に作用する。

そのため、掘削孔周囲の地盤領域では、吸水性膨張材の膨張力による密度増大及びその結果としての締固めが進行することとなり、かくしてサンドコンパクションパイル工法のように騒音や振動を引き起こしたり、地下水位低下工法のように地盤沈下を生じさせたりすることなく、液状化対策を施すことができるとともに、吸水時に化学反応が発生しないため、地盤や地下水系といった周辺環境に悪影響を及ぼすおそれもない。加えて、対策工の適用範囲は、ドレーン工法とは異なり、細粒分含有率が大きい地盤にも拡がる。

吸水性膨張材を掘削孔に配置するための手段は任意であるが、例えばサンドコンパクションパイル工法を、該工法に使用される砂に代えるとともに、騒音や振動の主たる原因となる打ち戻しを行わない形で採用することが可能である。

吸水性膨張材における膨張作用の開始促進は、主として掘削孔内の地下水によって行われるが、例えば地下水位低下工法との一部併用により、地下水位が一時的に低下している場合であって締固め後に地下水を元の水位に戻すような場合であれば、吸水性膨張材を掘削孔に配置した後、該掘削孔に水を投入し、その投入水によって吸水性膨張材を膨張させるようにしてもかまわない。

吸水性膨張材は、吸水に伴い、周囲に拡がる地盤領域、特に締め固められていない砂質地盤領域を十分に締め固めることができる程度の膨張作用を発揮する材料である限り、任意に選定することができるが、例えば分子鎖が網目状に架橋されてなる高分子材料、例えばアクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物からなる高吸水性樹脂を用いた場合、水硬性材料である生石灰が４倍程度の膨張率であるのに対し、数百倍の膨張率を期待することができる。

吸水性膨張材は、単体で使用することができるほか、砂、砂利、砕石等の土質材料と混合された状態で使用することができる。

このようにすれば、掘削孔の大きさにかかわらず吸水性膨張材の使用量を調整することができるため、要求される締固め程度に応じた合理的な対策工が可能となる。

吸水性膨張材は、吸水時に化学反応を伴わない材料で構成する必要があり、生石灰などの水硬性材料は除外されるが、これは水硬性材料との併用が排除されるという意味ではなく、本発明では、吸水性膨張材を水硬性材料と併用する構成が包摂される。

すなわち、従来においては、要求される締固め程度が大きい場合、水硬性材料の使用量もそれに伴って増加するため、環境への影響懸念も大きくなり、結果として液状化防止に必要な締固めを実現することが困難となるが、上記構成によれば、環境への影響が実質的に問題がない範囲で水硬性材料による地盤強度の改善を図りつつ、締固めのための膨張作用については専ら吸水性膨張材に委ねるという役割分担が可能となる。

水硬性材料は、各種セメントのほか、生石灰、フライアッシュ、膨張材、高炉スラグ、シリカフューム等の水硬性又は潜在水硬性を持つ無機質材料から適宜選択すればよい。

なお、上述した土質材料と水硬性材料の両方を吸水性膨張材と併用する構成はもちろん可能である。

本実施形態に係る液状化防止方法の実施手順を示したフローチャート。 本実施形態に係る液状化防止方法に従って地盤に液状化防止の対策工を施している様子を示した鉛直断面図。 引き続き本実施形態に係る液状化防止方法に従って地盤に液状化防止の対策工を施している様子を示した鉛直断面図。 中詰め材４の配置パターンを示した水平断面図。

以下、本発明に係る液状化防止方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る液状化防止方法の実施手順を示したフローチャートである。本実施形態に係る液状化防止方法においては、まず図２(a)に示すように、液状化の防止対象となる地盤１にケーシングパイプ２を鉛直下方に向けて圧入することにより、同図(b)に示すように掘削孔３をその孔壁５がケーシングパイプ２で保護される形で形成する（ステップ１０１）。

ケーシングパイプ２は、下方に圧入する際には先端が閉塞され、上方に引き抜く際には開放されるように構成されたもの、例えばサンドコンパクションパイル工法に用いられるケーシングパイプを転用すればよい。

次に、同図(c)に示すようにケーシングパイプ２の内部空間に中詰め材４を投入し（ステップ１０２）、次いで、ケーシングパイプ２内に送気された空気の圧力によって中詰め材４を押さえつつ、該中詰め材の投入分だけ、ケーシングパイプ２を上方に引き抜く（ステップ１０３）。

中詰め材４は、土質材料としての砂、水硬性材料としてのスラグ及び吸水性膨張材としての高吸水性樹脂を混合して構成してある。

中詰め材４は、例えばケーシングパイプ２の内径を直径とした円筒形の紙製袋体に予め充填した形態で用いることが可能であり、かかる構成によれば、運搬時や投入時における作業性を高めることができる。

スラグは、水和反応による固化によって所定の強度が発現されるものであり、要求される強度に応じて中詰め材４における構成比率を適宜定めればよい。

高吸水性樹脂は、分子鎖が網目状に架橋されてなる高分子材料であり、例えばアクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物からなる高分子材料、具体的には三洋化成工業株式会社から「サンフレッシュ」（登録商標）や「アクアパール」（登録商標）の商品名で市販されている高吸水性樹脂を用いることができる。

高吸水性樹脂は、水硬性材料である生石灰が４倍程度の膨張率であるのに対し、吸水による膨張力が数百倍の膨張率を有するものであって、その膨張力が掘削孔３の孔壁５に作用することで該掘削孔の周囲に拡がる地盤を締め固める機能を有するものであり、要求される締固めの程度に応じて中詰め材４における構成比率を適宜定めればよい。

砂は、高吸水性樹脂の膨張力を掘削孔３の孔壁５に確実に作用させるための充填材として機能するものであり、掘削孔３の孔壁５との間に隙間が生じないように該掘削孔に中詰め材４が配置されるよう、スラグ及び高吸水性樹脂の各構成比率を考慮しつつ、中詰め材４における構成比率を適宜定めればよい。

上述したステップ１０２〜１０３は、中詰め材４が例えば掘削孔３の底面から地下水位までの深さ範囲にわたってパイル状に配置されるまで繰り返し行う（ステップ１０４）。

図３(a)は、砂、スラグ及び高吸水性樹脂からなる中詰め材４を掘削孔３にパイル状に配置し、地下水位から上方を埋め戻した様子を示したものである。

このように中詰め材４を掘削孔３に配置すると、該中詰め材の一部を構成する高吸水性樹脂は、やがて周囲に拡がる地下水を化学反応を伴うことなく吸水するとともに、該吸水によって同図(b)に示すように膨張し、その膨張力は、掘削孔３を拡径するとともに該掘削孔の孔壁５を介して周囲の地盤領域６に作用する。

そのため、掘削孔３周囲の地盤領域６では、高吸水性樹脂の膨張力による締固めが進行する。

図４は、中詰め材４の配置パターンと該中詰め材の高吸水性樹脂による膨張力で掘削孔３が拡径してその周囲の地盤領域６が締め固められる様子を示した水平断面図である。

ここで、水平２方向の配置ピッチは、地盤１に要求される締固めの程度に応じて適宜定めればよい。

以上説明したように、本実施形態に係る液状化防止方法によれば、液状化の防止対象となる地盤１に掘削孔３を形成し、該掘削孔に吸水性膨張材としての高吸水性樹脂が含まれた中詰め材４を配置するようにしたので、該高吸水性樹脂の膨張力によって掘削孔３周囲の地盤領域６の密度が増大して締め固められることとなり、かくして地下水位低下工法のように地盤沈下を生じさせることなく液状化対策を施すことができるとともに、対策工を実施する際の騒音や振動をサンドコンパクションパイル工法よりも大幅に低減することができるほか、吸水時に化学反応が発生しないため、地盤や地下水系といった周辺環境に悪影響を及ぼすおそれもない。加えて、対策工の適用範囲は、ドレーン工法とは異なり、細粒分含有率が大きい地盤にも拡がる。

また、本実施形態に係る液状化防止方法によれば、吸水性膨張材として、分子鎖が網目状に架橋されてなる高分子材料を用いるようにしたので、サンドコンパクションパイル工法はもちろん、生石灰を用いた対策工よりもはるかに高い膨張率で掘削孔３周囲の地盤領域６を締め固めることができる。

そのため、中詰め材４の水平２方向に沿った配置ピッチを大きくすることが可能となり、サンドコンパクションパイル工法や生石灰を用いた従来の対策工に比べ、対策工の費用が軽減される。

また、本実施形態に係る液状化防止方法によれば、吸水性膨張材としての高吸水性樹脂を単体ではなく、土質材料である砂及び水硬性材料であるスラグと混合された形でそれらと併用するようにしたので、高吸水性樹脂の使用量を地盤の締固めに必要十分な程度に調整しつつ、スラグの固化によって所定の強度を発現させ、なおかつ掘削孔３の孔壁５を介した膨張力の確実な伝達を砂によって担保することが可能となる。

本実施形態では、掘削孔３を形成する際、下方に圧入する際には先端が閉塞され、上方に引き抜く際には開放されるように構成されたケーシングパイプ２を用いるようにしたが、掘削孔３の形成方法は任意であり、これに代えて、先端開放型のケーシングパイプを用いるようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、ケーシングパイプ２による掘削孔３の形成を終えてから、該ケーシングパイプに中詰め材４を投入するようにしたが、中詰め材４の投入タイミングは任意であり、サンドコンパクションパイル工法と同様、ケーシングパイプ２に中詰め材４が予め充填された状態で該ケーシングパイプを圧入して掘削孔３を形成するようにしてもよい。

また、本実施形態では、掘削孔３を鉛直下方に向けて地盤１に形成したが、これに代えて斜め下方でもよいし、別途形成された立坑の側面から水平に形成するようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、ケーシングパイプ２を地盤１に圧入することで掘削孔３を形成するようにしたが、掘削孔の形成方法は任意であり、例えばボーリングロッドで掘削しつつ、掘削された土砂を地上に排土する方法でもかまわない。

また、本実施形態では特に言及しなかったが、高吸水性樹脂の吸水膨張によって地盤１の表面が隆起するおそれがある場合には、例えば盛土載荷工法を用いて地盤１の地表面を載荷するようにすればよい。

また、本実施形態では、高吸水性樹脂の吸水膨張によって掘削孔３周囲の地盤領域が締め固められるため、サンドコンパクションパイル工法のような打ち戻しによる締固めは本来不要であるが、環境に与える騒音や振動の影響が許容されるのであれば、その許容範囲内で打ち戻しによる締固めを併用するようにしてもかまわない。

このようにすれば、高吸水性樹脂の吸水膨張による締固め作用に打ち戻しによる締固め作用が加わわるため、締固め範囲が拡がり、ひいては中詰め材４の配置ピッチを大きくして対策コストを低減することも可能となる。

また、本実施形態では、吸水性膨張材を土質材料である砂と水硬性材料であるスラグとともに混合し、中詰め材４として掘削孔３に配置するようにしたが、吸水性膨張材を砂と混合したもの、あるいは吸水性膨張材をスラグと混合したものを中詰め材としてもよいし、吸水性膨張材のみを中詰め材として掘削孔に配置するようにしてもかまわない。

１ 液状化の防止対象となる地盤
３ 掘削孔
４ 中詰め材（吸水性膨張材、土質材料としての砂、水硬性材料としてのスラグ）
５ 孔壁
６ 周辺の地盤領域

Claims (3)

1. 液状化の防止対象となる砂質地盤に掘削孔を形成するとともに、該掘削孔に吸水性膨張材を配置する液状化防止方法において、
   前記吸水性膨張材を、化学反応を伴うことなく吸水可能でかつ吸水時に周囲からの反力に抗しながら膨張可能な材料で構成することにより、前記砂質地盤を締め固めることを特徴とする液状化防止方法。
2. 前記吸水性膨張材を、分子鎖が網目状に架橋されてなる高分子材料とした請求項１記載の液状化防止方法。
3. 前記吸水性膨張材を、砂、砂利、砕石等の土質材料及び生石灰、スラグ等の水硬性材料のうち、少なくともいずれかの材料と混合された形で前記掘削孔に配置する請求項１又は請求項２記載の液状化防止方法。

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