JP6426418B2

JP6426418B2 - 地盤改良工法及び地盤改良システム

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Publication number: JP6426418B2
Application number: JP2014196487A
Authority: JP
Inventors: 尋士市川
Original assignee: 株式会社Ｐ・Ｖ・Ｃ
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: JP2016069793A

Description

本発明は、改良対象となる地盤に真空圧を作用させて地盤の排水を行うことで地盤改良を行う地盤改良工法及び地盤改良システムに関する。

軟弱地盤の改良工法の一つとして真空圧密工法がある。真空圧密工法では、軟弱地盤中に鉛直ドレインを打設し、それらの鉛直ドレインの頭部に水平ドレインを接続する。そして、これらの鉛直ドレイン、水平ドレインの上を気密シートで覆って空気が漏れないようにし、水平ドレインに接続された真空ポンプで吸引する。このようにして、気密シートの下の軟弱地盤の中の水（間隙水ともいう）を吸い出して軟弱地盤の強度増加を図る。

特開２０１２−１８０７３８号公報

改良対象となる地盤（改良地盤）が、比較的厚い砂質土層に覆われたシルト層を含む場合には、水平ドレイン及び鉛直ドレインを介して地盤に真空圧を加えるだけでは、十分な排水が行えない場合がある。このような不十分な排水のままだと、施設を建てた際に、施設の荷重によって地盤が沈下してしまう問題がある。

このような問題を防ぐために、真空圧密工法において、真空ポンプによる吸引と同時に改良地盤の上に盛土を盛って地盤に十分な荷重を加えることも考えられる。しかし、盛土を盛る工程及び盛土を除去する工程が必要となり、コストが増大してしまう。

そこで、盛土を盛ることなく、改良地盤の排水を確実に行うことができる地盤改良工法及び地盤改良システムを提供することを目的とする。

下記の開示の一観点によれば、砂質土層で覆われたシルト層を含む改良区の地盤改良工法であって、前記改良区の周囲を囲むように、前記砂質土層の底部にまで届く深さの止水壁を形成する工程と、前記改良区の内側に、前記シルト層の内部に到達する深さの鉛直ドレインを打設する工程と、前記改良区の内側に、前記砂質土層内の水を排水する補助排水ドレインを打設する工程と、前記鉛直ドレイン及び前記補助排水ドレインが設置された前記改良区の表面を気密性を有するシート材で覆う工程と、前記補助排水ドレインに真空ポンプを接続する工程と、前記真空ポンプを作動させて、前記補助排水ドレインを通じて前記砂質土層の排水を行うとともに、前記鉛直ドレインを通じて前記シルト層の排水を行う工程と、を有する地盤改良工法が提供される。

また、別の一観点によれば、砂質土層で覆われたシルト層を含む改良区の地盤改良システムであって、前記改良区の周囲を囲み、前記砂質土層の底部にまで届く深さまで形成された止水壁と、前記改良区の内側に、前記シルト層の内部に到達する深さまで打設された鉛直ドレインと、前記改良区の内側に打設され、前記砂質土層内の水を排水する補助排水ドレインと、前記補助排水ドレインに接続された真空ポンプと、前記鉛直ドレイン及び補助排水ドレインが設置された前記改良区の表面を覆う気密性を有するシート材と、を有する地盤改良システムが提供される。

上記観点の地盤改良工法及び地盤改良システムによれば、シルト層の表面を覆う砂質土層の底付近から補助排水ドレインを通じた排水を行うため、水位が砂質土層の底部付近まで低下する。

その結果、砂質土層の厚さに相当する盛土がシルト層の上に盛られたのと同様の状態となり、改良が必要とされるシルト層に十分な荷重が加わるため、盛土を行うことなく地盤改良を実施できる。

図１は、改良対象とする地盤の断面図である。図２は、予備的事項に係る地盤改良工法を示す平面図である。図３は、図２の地盤改良工法の問題点を示す図である。図４は、第１実施形態に係る地盤改良工法を工程順に示す断面図である（その１）。図５は、第１実施形態に係る地盤改良工法を工程順に示す断面図である（その２）。図５は、第１実施形態に係る地盤改良工法を工程順に示す断面図である（その３）。図７は、図５の補助排水ドレイン７を拡大して示す断面図である。図８は、補助排水ドレイン７の設置個所の一例を示す平面図である。図９は、図４〜図８に示す地盤改良工法の作用を示す図である。図１０は、第２実施形態に係る地盤改良工法を示す断面図である。図１１は、図１０に示す地盤改良工法の作用を示す図である。

実施形態の説明に先立って、基礎となる予備的事項について説明する。

図１は、改良対象とする地盤の断面図である。

本発明に係る地盤改良工法が対象とする改良地盤９１は、表面付近が砂質土層９１ａで覆われており、その砂質土層９１ａの下にシルト層９１ｂが含まれる。シルト層９１ｂの下には、特に限定されないが例えば砂質土層９１ｃがある。このような改良地盤９１は、海岸付近の開けた地形に多くみられる。

砂質土層９１ａ、９１ｃは、粗砂、中粒砂、細砂、極細砂を含み、透水係数が１×１０^-1〜１×１０^-4ｃｍ／ｓｅｃ程度と比較的大きく、水分が素早く移動できる層である。一方、シルト層９１ｂは、砂質土層９１ａより細かい粒子を含み、透水係数が１×１０^-4ｃｍ／ｓｅｃ未満と比較的低く、水分の移動が遅い層である。

砂質土層９１ａ、９１ｃは、骨格を構成する砂粒子の割合が８割程度あり、シルト層９１ｂよりも水分が少なく、荷重による地盤沈下を起こしにくい。これに対し、シルト層９１ｂは見かけ上の体積の８割が水分であり、砂質土層９１ａよりも多くの水分を含み、荷重を加えると水分を放出しつつ体積が減少する。そのため、シルト層９１ｂからの排水を行うことが地盤改良において重要となる。

このような改良地盤９１に、工場、発電所や高架道路等の施設を建てると、それらの施設の荷重で水分を多く含むシルト層９１ｂの圧密が進み、地盤沈下を起こすおそれがある。

そのため、シルト層９１ｂに対して、予め荷重を加えて圧密を進めることで、地盤の沈下を防ぐ地盤改良工法の適用が望まれる。

図２は、予備的事項に係る地盤改良工法を示す平面図である。

図２に示す地盤改良工法では、改良地盤９１の中に、複数の鉛直ドレイン２をシルト層９１ｂの下端部付近まで打ち込み、その鉛直ドレイン２に水平ドレイン３を介して真空ポンプ１１に接続している。さらに、鉛直ドレイン２及び水平ドレイン３が設置された改良地盤９１の上面を密性シート５で覆っている。

そして、真空ポンプ１１を作動させることで、気密シート５の上から大気圧を改良地盤９１に作用させるとともに、鉛直ドレイン２を介して改良地盤９１の砂質土層９１ａ及びシルト層９１ｂの排水を行い、地盤の圧密を進めることでシルト層９１ｂの改良を行う。

ところが、砂質土層９１ａの厚さが厚くなると、上記の地盤改良工法では、シルト層９１ｂの排水及び圧密を効率よく進めることができないという問題があることが判明した。

図３は、従来の地盤改良工法の問題点を示す図である。

図３に示すように、従来の地盤改良工法を適用すると、最初に透水係数の大きい砂質土層９１ａの水分が素早く抜け、その後、透水係数が砂質土層９１ａよりも小さいシルト層９１ｂからの水分の放出が徐々に進む。

砂質土層９１ａが薄い場合には、砂質土層９１ａの排水の終了後、鉛直ドレイン９２を通じたシルト層９１ｂの排水にスムーズに移行し、シルト層９１ｂの排水を効率よく行うことができる。

ところが、砂質土層９１ａが厚い場合には（例えば、３〜５ｍを超える場合）、砂質土層９１ａの排水が進んだ段階で、鉛直ドレイン２内の水分が砂質土層９１ａ側に拡散するようになる。そして、鉛直ドレイン２の内部に気泡が発生し、鉛直ドレイン２内の液体の連絡が分断されてしまう。

このような状態になると、鉛直ドレイン２内の水分を真空ポンプ１１の真空圧で引き上げることが困難となる。そのため、シルト層９１ｂからの水によって砂質土層９１ａ内の水位が再び上昇し、鉛直ドレイン２の液体の連絡が回復するまで、シルト層９１ｂの排水が進まなくなり、長時間の施工が必要になるという問題がある。

また、図３に示すように、従来の地盤改良工法では、シルト層９１ｂの排水が有効に行われている際の地下水位は、砂質土層９１ａの表面近くまで上がった状態となっている。このときに、シルト層９１ｂの骨格を形成する粒子に作用し、圧密の進行に寄与する荷重成分（以下、有効荷重と呼ぶ）は、真空ポンプ９４で生成される真空圧の７０ｋＮ／ｍ²程度のみであり、地盤沈下を防ぐ観点から十分ではないという問題がある。

以下、実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図４〜図６は、第１実施形態に係る地盤改良工法を工程順に示す断面図である。

図４に示すように、本実施形態の地盤改良工法では、まず改良対象となる改良地盤９１に、鉛直ドレイン２を鉛直方向に打設する。鉛直ドレイン２は、真空圧で潰れることなく水や空気などの流路を確保できる長尺な資材であればどのようなものを用いてもよい。例えば、樹脂製のパイプ内に、長尺な樹脂板で組まれた樹脂メッシュを配置し、その樹脂メッシュの間に不織布シートを詰めたものを鉛直ドレイン２として用いることができる。このような鉛直ドレイン２では、樹脂メッシュの部分が真空圧に抗して鉛直ドレイン２内に間隙を残し、その隙間の不織布シートを通じて水や空気等の流体が流れる。

この鉛直ドレイン２は、マンドレルの内部に挿入した状態で、改良地盤９１の中に打ち込むことで設置できる。鉛直ドレイン２を打ち込む深さは、改良地盤９１のシルト層９１ｂの底部付近であって、シルト層９１ｂを貫通しない程度の深さとすればよい。その後、鉛直ドレイン２を改良地盤９１内に残したままマンドレルを引き上げる。これにより地盤中に鉛直ドレイン２が残る。

次に、鉛直ドレイン２の上端部を地盤の表面から所定の長さだけ出した状態で切断する。これにより、１つの鉛直ドレイン２の設置が完了する。

さらに、上記の鉛直ドレイン２の打設を繰り返すことで、鉛直ドレイン２を改良地盤９１に縦方向及び横方向に一定の間隔を開けて複数設置する。隣接する鉛直ドレイン２の間隔は、真空圧が伝播可能な範囲で適宜設定すればよく、例えば０．７ｍ〜１ｍ間隔とすることができる。

次に、改良地盤９１の鉛直ドレイン２の上に水平ドレイン３を配置する。水平ドレイン３は、鉛直ドレイン２と同じ構造を有しており、この水平ドレイン３の不織布シートと鉛直ドレイン２の不織布シートの部分とを接触させる。これにより、鉛直方向の排水路と水平方向の排水路とが接続されたことになる。

次に、水平ドレイン３と直交する方向に有孔集水管４を配置し、この有孔集水管４を水平ドレイン３と接続する。この有孔集水管４は、例えば塩化ビニール樹脂よりなる可撓性のパイプであり、その側部に１０ｃｍ〜２０ｃｍ毎に直径８ｍｍ程度の孔が複数形成されている。有孔集水管４は、水平ドレイン３に集められた水や空気の流路となるとともに、側部の孔を通じて改良地盤９１の上面の空気を吸い出すことで、改良地盤９１に大気圧を作用させる機能を備えている。

次に、有孔集水管４の一端を、改良地盤１の外に引き出して、真空ポンプ１１に接続する。これにより、改良地盤９１から真空ポンプ１１に至る鉛直方向及び水平方向の排水路が完成する。

次に、図５に示すように、鉛直ドレイン２、水平ドレイン３及び有孔集水管４が配置された改良地盤１の上を気密シート５で覆う。気密シート５は、その周縁部を改良地盤９１の施工部分の周りに埋め込むことで気密性を確保できる。

次に、改良地盤９１の、施工部分の周囲を囲むように遮水壁６を形成する。この遮水壁６は、改良地盤９１の周囲に水ガラスを注入することで、壁状の不透水性の領域として形成される。この遮水壁６により、砂質土層９１ａの層内方向の水の移動を防ぎ、周辺地盤９２からの水や空気の流入を阻止できる。

なお、遮水壁６は、水ガラスの注入で形成されるものに限定されず、例えば、鋼矢板を壁状に打ち込んで形成したものや、コンクリートで形成したものなど、砂質土層９１ａを通じた水や空気の流入を防げるものであれば何を用いても構わない。

次に、図６に示すように、補助排水ドレイン７を砂質土層９１ａに設置し、その補助排水ドレイン７に排水管７８及び真空ポンプ７７を接続する。

以下、補助排水ドレイン７の構造と、その設置方法について説明する。

図７は、図５の補助排水ドレイン７を拡大して示す断面図である。

図７に示すように、まず、補助排水ドレイン７の設置予定箇所の気密シート５に穴をあけ、さらにその下の砂質土層９１ａを貫通する深さの下孔７１を形成する。下孔７１の直径は例えば５０ｃｍ程度である。

次に、補助排水ドレイン７の本体を構成する鋼管７２を下孔７１内に挿入する。この鋼管７２は、直径が例えば３０ｃｍ程度であり、その下部には縦長のスリット状の開口７２ａが複数設けられている。そして、それらスリット状の開口７２ａの周囲には、ワイヤーをらせん状に巻いてなる巻線型スクリーン７２ｂが設けられている。この巻線型スクリーン７２ｂは鋼管７２内に侵入する水から砂を取り除くフィルターとして機能する。

次に、鋼管７２の周囲の下孔７１内にフィルター用の砂を流し込み、フィルター砂層７３を形成する。また、フィルター砂層７３の上端には、大気中からの空気の侵入を防ぐべく、セメント及びベントナイトを詰めてなる封止部材７３ａを形成する。

鋼管７２の内部には、鋼管７２内に侵入した水をくみ上げるための揚水ポンプ７４及び揚水ポンプ７４に接続された揚水管７５を入れ、鋼管７２の上部に蓋７６を取り付ける。その後、鋼管７２の内部と連通した蓋７６の排気口に真空ポンプ７７を接続し、揚水管７５と連通した排水口に排水管７８を接続して補助排水ドレイン７の設置が完了する。

上記の方法で改良地盤９１に複数の補助排水ドレイン７の設置を行う。

図８は、補助排水ドレイン７の設置個所の一例を示す平面図である。

図８に示すように、補助排水ドレイン７が設置される砂質土層９１ａは透水性が良いため、鉛直ドレイン２よりも広いピッチに配置すればよく、例えば図中のピッチＡ、Ｂの長さは１００ｍ〜２００ｍ程度とすればよい。

以上の工程により、改良地盤９１に地盤改良システム１００の設置が完了したことになる。

次に、真空ポンプ１１及び真空ポンプ７７を作動させて、改良地盤９１の排水を行う。

図９は、本実施形態に係る地盤改良工法の作用を示す図である。

図９に示すように、鉛直ドレイン２による排水及び補助排水ドレイン７を通じた揚水が進む。改良地盤９１内では、最初に透水係数が比較的大きな砂質土層９１ａの排水が進み、数日程度で、砂質土層９１ａの底部付近にまで地下水位が低下してゆく。砂質土層９１ａの地下水位の低下に伴って、砂質土層９１ａの砂粒子に加わっていた浮力が失われ、砂質土層９１ａの砂粒子の重みが、その下のシルト層９１ｂの骨格を構成する粒子に作用する。このとき、シルト層９１ｂの粒子に作用する力は、シルト層９１ｂの間隙から水分を押し出す力（有効荷重ともいう）となり、シルト層９１ｂの圧密が進む。

すなわち、シルト層９１ｂには、砂質土層９１ａの厚さに相当する盛土を行った場合と同様の荷重が、真空圧と共に作用する。砂質土層９１ａの水位を１ｍ低下させる毎に、水の浮力に相当する１０ｋＮ／ｍ²だけ有効荷重が増加し、その有効荷重の増加分が真空ポンプ１１の真空圧による有効荷重（約７０ｋＮ／ｍ²）に加算される。したがって、砂質土層９１ａが厚いく、且つ水位の低下量が大きいほど、大きな効果が得られる。

その結果、シルト層９１ｂの排水と圧密が進む。シルト層９１ｂから排出された水は、鉛直ドレイン２に集められる。ただし、鉛直ドレイン２に集められた水分は、鉛直ドレイン２内が気泡で分断されているため鉛直ドレイン２の上端まで上がることができず、砂質土層９１ａ内に移動する。このようにして鉛直ドレイン２から砂質土層９１ａ内に移動した水は、砂質土層９１ａの中を移動して補助排水ドレイン７に集められ、揚水ポンプを通じて改良地盤９１の外に排水される。

すなわち、鉛直ドレイン２は改良地盤９１に真空圧を伝達する経路として機能し、補助排水ドレイン７がシルト層９１ｂから放出された水の排水経路として機能する。

したがって、砂質土層９１ａが厚く、鉛直ドレイン２内の液体の連絡が維持できない場合であっても、補助排水ドレイン７を通じて確実に排水することができる。

また、図２に示す予備的事項に係る地盤改良工法では、砂質土層９１ａの上端付近に地下水位がある状態でしか排水を進めることができず、シルト層９１ｂに対して砂質土層９１ａの荷重を十分に加えることができなかったのに対し、本実施形態の地盤改良工法によれば、砂質土層９１ａの重さを有効荷重として利用することができる。その結果、盛土を行うことなく、シルト層９１ｂに十分な荷重を加えて地盤改良を行うことができる。

（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態に係る地盤改良システム１０１を示す断面図である。

図１０に示すように、本実施形態の地盤改良システム１０１は、改良地盤９１に鉛直ドレイン２及び補助排水ドレイン７を打ち込むとともに、改良地盤９１の表面を気密シート５で覆い、補助排水ドレイン７には真空ポンプ７７が接続されている。

鉛直ドレイン２、補助排水ドレイン７及び気密シート５の構成は、第１実施形態の地盤改良システムと同様である。

ただし、本実施形態の地盤改良システム１０１には、鉛直ドレイン２に水平ドレイン、有孔集水管及び真空ポンプを接続しない点で相違する。

図１１は、図１０に係る地盤改良システム１０１による作用を示す図である。

図１１に示すように、地盤改良システム１０１では、補助排水ドレイン７の揚水ポンプ７４及び真空ポンプ７７を作動させて改良地盤９１の排水を行う。

まず、補助排水ドレイン７を通じて砂質土層９１ａの排水が進み、砂質土層９１ａ内の地下水が低下する。また、補助排水ドレイン７のスリットを通じて砂質土層９１ａ内に真空圧が伝播し、気密シート５の下の改良地盤９１の内圧が低下し、気密シート５の上方から大気圧が作用する。

さらに、砂質土層９１ａの排水が進むと、砂質土層９１ａの骨格を構成する砂粒子に作用する間隙水による浮力が減じ、砂質土層９１ａの荷重が有効荷重としてシルト層９１ｂに加わり、シルト層９１ｂの圧密及び排水が進む。

そして、シルト層９１ｂから放出された水は、鉛直ドレイン２を介して砂質土層９１ａに移動し、補助排水ドレイン７を通じて改良地盤９１から排水される。

これにより、本実施形態においても、砂質土層９１ａが厚い場合の改良地盤９１に対しても、シルト層９１ｂの排水を進めることができる。

また、本実施形態に係る地盤改良工法では、第１実施形態の水平ドレイン３や真空ポンプ１１が不要となり、より簡素な構成で地盤改良を行うことができる。

２…鉛直ドレイン、３…水平ドレイン、４…有孔集水管、５…気密シート、６…遮水壁、７…補助排水ドレイン、７ａ…排水管、７１…下孔、７２…鋼管、７２ａ…開口、７２ｂ…巻線型スクリーン、７３…フィルター砂層、７３ａ…封止部材、７４…揚水ポンプ、７５…揚水管、７６…蓋、１、７７…真空ポンプ、９１…改良地盤、９１ａ…砂質土層、９１ｂ…シルト層、１００、１０１…地盤改良システム。

Claims

砂質土層で覆われたシルト層を含む改良区の地盤改良工法であって、
前記改良区の周囲を囲むように、前記砂質土層の底部にまで届く深さの止水壁を形成する工程と、
前記改良区の内側に、前記シルト層の内部に到達する深さの鉛直ドレインを打設する工程と、
前記改良区の内側に、前記砂質土層内の水を排水する補助排水ドレインを打設する工程と、
前記鉛直ドレイン及び前記補助排水ドレインが設置された前記改良区の表面を気密性を有するシート材で覆う工程と、
前記補助排水ドレインに真空ポンプを接続する工程と、
前記真空ポンプを作動させて、前記補助排水ドレインを通じて前記砂質土層の排水を行うとともに、前記鉛直ドレインを通じて前記シルト層の排水を行う工程と、
を有することを特徴とする地盤改良工法。
前記シート材で改良区の表面を覆う工程に先立って、前記鉛直ドレインの上端に通水路を有する水平ドレインに接続し、該水平ドレインを真空ポンプに接続する工程を有し、
前記補助排水ドレインに接続された真空ポンプと、前記水平ドレインに接続された真空ポンプを同時に稼働させることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良工法。
前記補助排水ドレインは、揚水ポンプを内蔵することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の地盤改良工法。
砂質土層で覆われたシルト層を含む改良区の地盤改良システムであって、
前記改良区の周囲を囲み、前記砂質土層の底部にまで届く深さまで形成された止水壁と、
前記改良区の内側に、前記シルト層の内部に到達する深さまで打設された鉛直ドレインと、
前記改良区の内側に打設され、前記砂質土層内の水を排水する補助排水ドレインと、
前記補助排水ドレインに接続された真空ポンプと、
前記鉛直ドレイン及び補助排水ドレインが設置された前記改良区の表面を覆う気密性を有するシート材と、
を有する地盤改良システム。
更に、前記改良区の表面と前記シート材との間に、前記鉛直ドレインの上端に接続され、通水路を有する水平ドレインと、前記水平ドレインに接続された真空ポンプとを有することを特徴とする請求項４に記載の地盤改良システム。
前記補助排水ドレインは、揚水ポンプを内蔵することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の地盤改良システム。
前記補助排水ドレインは、フィルタで覆われることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の地盤改良システム。
前記補助排水ドレインは、前記鉛直ドレインよりも広いピッチで打設されることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の地盤改良システム。
前記補助排水ドレインは、前記砂質土層の底部にまで届く深さに打設されることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の地盤改良システム。