JP6518969B2

JP6518969B2 - 杭の打設方法

Info

Publication number: JP6518969B2
Application number: JP2016046444A
Authority: JP
Inventors: 健夫梅崎; 晃服部; 健吾西田
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: JP2017160683A

Description

本発明は汚染地盤に対する杭の打設方法に関する。

工場、病院、ガソリンスタンド、クリーニング店などの跡地については、その地盤が重金属その他の有害物質により汚染されている場合が多い。図７に示すように、地盤は、下から岩盤（図示せず）、砂、礫などからなり地下水が流れる支持層１０、粘土などからなる遮水層１２、表面側の比較的柔らかな表面側土層１４などからなっている。水銀、鉛、ヒ素などの有害物質（汚染物質）は地表から地盤に浸透するため、表面側土層１４に拡散する。一方、遮水層１２が存在するため、有害物質はここでブロックされ、その下方には拡散しない。

ここで、大きな建物（高層）を建設する場合には、砂、礫などで構成される支持層１０に至る杭１６を打設することが必要である。この杭１６は、建造物を支持するために、表面側土層１４、遮水層１２を貫通し、支持層１０に至らなければならない。

また、仮設土留め壁などを引き抜く際に、通常の仮設土留め壁には土が付着し、引き抜き後の穴が大きくなり、地盤沈下などの問題が生じる。特許文献１、非特許文献１においては、仮設土留め壁への土付着を防止するため、仮設土留め壁の表面に摩擦を低減する吸水性高分子を塗布することが提案されている。この吸水性高分子については、「土木用摩擦軽減剤」として市販されている。

特許第３１８１５７３号公報

岡本功一、梅崎健夫、服部晃「地中埋設体の付着力及び周面摩擦力を低減する吸水性高分子材料の開発」土木学会論文集Ｃ（地圏工学）,Vol.67,No.4,407-421,2011

杭１６は支持層１０にまで至るので、遮水層１２を貫通する。このため、杭１６が遮水層１２を貫通する際に、表面側土層１４の土の一部が支持層１０内に持ち込まれる。そして、支持層１０内には地下水が流れており、この地下水が杭１６と遮水層１２の間隙から表面側土層１４の汚染された土を引き込んでしまう。このようにして、表面側土層１４に含まれる有害物質が支持層１０に至り、ここに流れる地下水が有害物質で汚染されてしまう。

また、シートパイル（矢板）などの土留め壁を打設する場合も同様に有害物質による汚染の問題がある。また、杭とは円形のもの（中実円筒）に限らず、中空円筒（鋼管）、直方体状、板状のものなども含む。

このため、地盤が汚染している場合においては、通常大きな建物は建設できず、支持層１０に至る杭１６を必要としない、低層の建物や公園などに利用されることが多かった。なお、この場合でも、表層の比較的少ない土壌を汚染されていない土壌に入れ替えることは必要である。一方、汚染された土壌をすべて汚染されていないものに入れ替えれば大きな建物を建設することができる。しかし、これには多大な労力および費用が掛かる。

本発明に係る杭の打設方法は、表面に、吸水性高分子を含む吸水性高分子層、接着性高分子を含む防護および遅延層がこの順で形成された杭を用意し、用意された杭を地表から打ち込み、先端側を遮水層を通過させて、支持層にまで至らせ、杭が遮水層を通過する際には、杭の表面に形成された吸水性高分子層が膨潤しており、遮水層と杭表面の間の止水層として機能し、防護および遅延層は、その厚みを変更することにより、吸水性高分子層の吸水による膨潤の速度を制御できることを特徴とする。また、ここでいう杭には、シートパイルなどの土留め壁も含み、支持層に至る土留め壁を打設する場合も含む。

また、接着性高分子は、アクリル酸・アクリル酸エチル・アクリル酸メチル・メタクリル酸メチル共重合体であることが好適である。

また、杭を用意する工程において、表面に、吸水性高分子層、防護および遅延層、吸水性高分子層、防護および遅延層がこの順で形成された杭を用意することが好適である。

また、杭を地表から打ち込む工程において、杭の先端が遮水層に至った段階で一旦停止し、吸水性高分子層を膨潤させることが好適である。

本発明によれば、杭の打設の際に、汚染物質が支持層に拡散することを防止することができる。このため、汚染土層をすべて入れ替えなくても、高層の建築物や支持層に至る土留め壁を建設することが可能となる。

実施形態に係る杭の打設を説明する図である。吸水性高分子の吸水状態を説明する図である。吸水性高分子層の吸水、膨潤を説明する図である。杭の打設状態に対応して吸水性高分子層の吸水、膨潤を説明する図である。打設の工程を説明するフローチャートである。セメント混合処理による不溶化層の形成を示す図である。従来の杭の打設を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「基本構成」
図１に、実施形態に係る杭の打設方法を模式的に示す。図における左側（ａ）は杭１６の先端部が表面側土層１４に打ち込まれた状態、中央（ｂ）は杭１６の先端部が遮水層１２に至った状態、右側（ｃ）は杭１６の先端部が遮水層１２を貫通し支持層１０に至った状態を示している。

本実施形態において、杭１６の表面（周面）上には、吸水性高分子層２０が形成されている。この吸水性高分子層２０は、地盤中の水分を吸い込み膨潤してゲル化する。このため、杭１６が遮水層１２を貫通する際に膨潤した吸水性高分子層２０の外側部分が遮水層１２側に残り、吸水性高分子層２０が摩擦低減材として機能する。

このため、杭１６が遮水層１２を貫通する際に、表面側土層１４の土を支持層１０に持ち込むことを防止することができる。さらに、遮水層１２と杭１６の表面との間隙には、吸水性高分子層２０が存在する。吸水性高分子層２０は、透水係数ｋが非常に小さく、従って、遮水層１２と杭１６の表面と間隙を水が通ることを防止でき、表面側土層１４内の有害物質が支持層１０内の地下水に拡散することを防止することができる。

なお、吸水性高分子層２０は、後述する吸水性高分子のみで形成してもよいが、吸水性高分子と、接着性高分子を有機溶剤に溶かしたものとを混合した後、塗布して形成することが好ましい。

「吸水性高分子」
吸水性高分子層２０に用いる吸水性高分子には、反応式（１）に示す、アクリル酸ソーダとアクリルアミドとＮ，Ｎ−メチレンビスアクリルアミドの共重合反応によって得られる、アクリル酸ソーダ・アクリルアミド・Ｎ，Ｎメチレンビスアクリルアミド架橋性共重合体が好適である。

なお、特許文献１に「吸水性樹脂（ａ）」として記載される各種の高分子材料や、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）、デンプン、などの架橋体も利用できる。また、このような吸水性高分子としては、紙おむつなどに利用されている吸水膨潤剤などが採用できる。

吸水性高分子は、図２に模式的に示すように、水分子を分子の内部に取り込んで、膨潤して、ゲル化する。この膨潤状態の吸水性高分子の透水係数ｋは、拘束圧（地表からの適当な深さに対応した圧力）下において、ｋ＝１０^−１１〜１０^−１３ｃｍ／ｓと非常に小さい。従って、遮水層１２内に位置する膨潤した吸水性高分子は、杭１６の周囲において、止水層として機能する。

なお、支持層１０を形成する、砂や礫の透水係数ｋは、１０^−２〜１０^−３ｃｍ／ｓｅｃ、遮水層１２を形成する粘土は、１０^−７〜１０^−９ｃｍ／ｓｅｃ程度であり、上記吸水性高分子が、遮水性能としては粘土を上回り、十分な遮水が行えることがわかる。なお、吸水性高分子は各種あり、膨潤した状態での透水係数ｋが１０^−５ｃｍ／ｓｅｃより小さければ、止水層として十分機能することがわかっている。従って、吸水性高分子として１０^−５ｃｍ／ｓｅｃより小さいものを選択するとよい。

また、吸水性高分子の摩擦角δ’は、土の種類や、杭１６を形成する鋼材の種類、粗度によらず、δ’＝２°未満である。従って、杭１６が遮水層１２を貫通する際に下方に移動する杭１６が汚染土壌を支持層１０内に引き込んでしまうことを有効に防止できる。

なお、吸水後の吸水性高分子は、地中において安定した物質であり、杭１６と同様の長期間、止水機能を維持できる。

「接着性高分子」
また、上述のような吸水性高分子層２０だけでは、杭１６を土層に打ち込んだ場合に吸水性高分子層２０がすぐに消耗してしまう。そこで、接着性高分子を混合することが好適である。

この接着性高分子としては、反応式（２）に示す、アクリル酸とアクリル酸エチルとアクリル酸メチルとメタクリル酸メチルの共重合反応によって得られる、アクリル酸・アクリル酸エチル・アクリル酸メチル・メタクリル酸メチル共重合体が好適である。

ここで、このアクリル酸・アクリル酸エチル・アクリル酸メチル・メタクリル酸メチル共重合体は、ガラス転移温度Ｔｇとして、１５．６℃、６１．２℃の２つを持つ。低温のガラス転移温度Ｔｇを有する高分子は粘着材に代表されるように柔らかく強度は小さいが被着体への接着性に優れる。一方、高温のガラス転移温度Ｔｇを有する高分子は被着体への接着性は劣るが強度が大きい。上記接着性高分子は、接着性がよく、強度も強い。これによって、杭１６を土中に打設するに際し、吸水性高分子層２０を有効に作用させ、遮水機能を維持しつつ、遮水層１２を貫通することができる。

なお、特許文献１に「親水性バインダー樹脂（ｂ）」として記載されている各種の高分子材料、ＰＶＡ、ＣＭＣを接着性高分子として利用することができる。

「防護および遅延層の形成」
図３（ａ）には、吸水性高分子層２０の表面側に、防護および遅延層２２を形成する例を示してある。防護および遅延層２２には、上述した接着性高分子を利用することができる。図３（ｂ）には、吸水性高分子層２０が吸水、膨潤し、防護および遅延層２２が剥がれた状態を示してある。

吸水性高分子層２０として、（吸水性高分子＋接着性高分子）を用い、防護および遅延層２２として、（接着性高分子）を用いる。粉状の吸水性高分子と、接着性高分子を有機溶剤に溶かしたものを混合することで、どろどろした液状の混合物を得て、これを杭１６の表面に塗布し、有機溶剤が揮発することで、吸水性高分子層２０を形成することができる。防護および遅延層２２は、接着性高分子を有機溶剤に溶かしたものを塗布し、有機溶剤を揮発させることで形成することができる。なお、吸水性高分子に対し、接着性高分子を混合するが、混合率は上述したような特性を基本的に維持できる範囲内とするとよい。

防護および遅延層２２を設けることで、表面側土層１４を通過する際の吸水性高分子層２０の吸水、膨潤を制御することができる。防護および遅延層２２を設けることによって、層としての強度が増すとともに、吸水性高分子層２０の膨潤を遅延することができる。そこで、適切な厚みの防護および遅延層２２を形成することで、表面側土層１４を通過する際には、ほとんど膨潤させず、遮水層１２を通過する際に膨潤させることもできる。

吸水性高分子層２０上に各種厚みの防護および遅延層２２を形成して、これを水に浸漬した場合の吸水性高分子の吸水面積（吸水膨潤した面積）を計測した。防護および遅延層２２がない場合、吸水面積は瞬時に１００％となる。防護および遅延層２２の厚さ０．１ｍｍの場合、浸漬後徐々に上昇し１日で１０％、２日で６０％、３日で９０％以上となる。０．１５ｍｍの場合、１日経過後膨潤が始まり、２日で１０％、３日で５０％、４日で８０％程度となる。０．２ｍｍの場合、３日経過後膨潤が始まり、４日で１０％、７日で２０％程度となる。０．３ｍｍの場合、４日経過後膨潤が始まり、７日で１０％程度となる。このように、防護および遅延層２２の厚みにより吸水性高分子層２０の吸水、膨潤を制御できる。

さらに、遮水層１２の深さがわかっている場合には、杭１６の先端部が遮水層１２に至った状態で杭１６の打ち込みを一旦停止する。この状態で、吸水性高分子層２０を膨潤させ、その後打ち込みを再開し、杭１６に遮水層１２を貫通させる。これによって、杭１６が遮水層１２を貫通する際に膨潤した吸水性高分子層２０を杭１６の表面に確実に維持することができる。

なお、吸水性高分子層２０は、遮水層１２を通過する際に機能させるものである。従って、遮水層１２に至らない杭１６の上部には、吸水性高分子層２０を形成しなくてもよい。

また、表面側土層１４、遮水層１２の深さ（厚み）は、ボーリング調査などによって予め把握することができるので、杭１６の先端が遮水層１２に至ったことは、杭１６の打ち込み深さによって認識できる。各層の厚みは、杭１６の打ち込みに対する反発力などの挙動の計測などによって検出してもよい。

「二重コート」
図４には、吸水性高分子層２０（吸水性高分子＋接着性高分子）と、防護および遅延層２２（接着性高分子）を交互に２層ずつ設けた二重コートの構成を示してある。この構成により、さらに効果的な杭１６の打設が可能となる。

図４（ａ）には土中に打ち込む前の状態（図１（ａ）の状態）が示してあり、杭１６の表面上に、吸水性高分子層２０、防護および遅延層２２、吸水性高分子層２０、防護および遅延層２２がこの順で形成されている。

図４（ｂ）には、遮水層１２に至る直前の状態（図１（ｂ）の状態の遮水層１２に近い位置の状態）が示してある。このように、杭１６の表面上に、吸水性高分子層２０、防護および遅延層２２、膨潤した吸水性高分子層２０が形成されている。このように、表面側の吸水性高分子層２０が膨潤することで、外側の防護および遅延層２２は土層内に溶解する。上述したように、図１（ｂ）の状態で、適切な時間打ち込みを停止することで、このような状態にすることが容易になる。

図４（ｃ）には、杭１６が遮水層１２を貫通した状態（図１（ｃ）の状態）での遮水層１２中および支持層１０中の杭１６の周りの状態を示してある。遮水層１２を貫通する際に、膨潤した吸水性高分子層２０は消耗してしまうが、吸水性高分子層２０が存在していることで摩擦力は非常に小さく、表面側土層１４の土、汚染物質を下方に引き込むことを防止できる。さらに、内側の防護および遅延層２２によって内側の膨潤していない吸水性高分子層２０が守られる。

その後地下水によって、内側の吸水性高分子層２０が膨潤するが、この膨潤した吸水性高分子層２０が杭１６の周囲に残る。そして、この膨潤した吸水性高分子層２０は、上述したように透水性が非常に低い。そこで、この層が止水層として機能し、表面側土層１４と、支持層１０との水域の分離が図れ、表面側土層１４内の汚染物質が支持層１０の地下水に流入することを効果的に防止することができる。

二重コートした場合においても、上述の場合と同様に、杭１６をその先端部が遮水層１２に至ったタイミングで、打ち込みを一旦停止し、外側の吸水性高分子層２０が膨潤した段階で、打ち込みを再開させることが好ましい。なお、吸水性高分子層２０、防護および遅延層２２を三重以上としてもよい。

「工程」
図５に基づいて、杭１６の打設方法について説明する。まず、建設場所の決定、建設場所の地層のボーリング調査などを行うとともに、資材の調達などの準備作業を実施する（Ｓ１１）。そして、使用する杭１６について、吸水性高分子層２０、防護および遅延層２２を形成する（Ｓ１２）。二重コートが好ましい。また、各層は、液状の材料を塗布して形成するのが一般的であるが、シート状の材料を用いて形成しても構わない。特に、シート材上に吸水性高分子層２０が形成されたものが市販されており、この場合には杭１６の表面に接着剤を塗り、吸水性高分子層２０が形成されていない側のシート材の裏面を接着する。また、転写によって層を形成することもできる。

次に、防水性シートなどで覆うことで、水濡れ防止処置を施す（Ｓ１３）。吸水性高分子層２０が吸水して膨潤してしまうと、その後の打設では表面側土層１４内にて膨潤した吸水性高分子層２０が消耗してしまい、所期の効果が得られなくなる。

また、打設開始前にセメント混合処理を行うことも好適である（Ｓ１４）。すなわち、図６に示すように、杭１６より大きめの範囲の土についてセメントを混合して、この部分を不溶化層３０とする。なお、このセメント混合処理は、当該部分の土を撹拌しながらセメントを混合する処理を上層から下層に向けて移動しながら行われる。これによって、このセメント混合処理を行った不溶化層３０からの汚染物質の溶出を抑制できる。

しかしながら、このセメント混合処理によって形成される不溶化層３０は、均質にすることは困難であり、また透水性は遮水層１２に比べて大きい。そこで、不溶化層３０を形成することだけによって杭１６が遮水層１２を貫通した際の汚染物質の支持層１０への拡散を防止することは困難である。

一方、この不溶化層３０を形成することと、吸水性高分子層２０を杭１６の周囲に形成すること、を組み合わせることによってより効果的な支持層１０への汚染物質の拡散防止を達成することが可能となる。

また、セメント混合処理の有無にかかわらず、杭の打設前に、杭より小さい先行削孔を行う（Ｓ１５）ことで、杭を容易に打設することができる。

現場において、吸水性高分子層２０が形成された杭１６を所定位置に打ち込む（Ｓ１６）。この例では、杭１６の先端が遮水層１２に至ったかを判定し（Ｓ１７）、先端が遮水層１２に至るまで、打設する。杭１６の先端が遮水層１２に至った場合には、打設を停止し（Ｓ１８）、所定の吸水性高分子層２０を膨潤させる。そして、吸水性高分子層２０の膨潤に適切な時間が経過した（Ｓ１９）場合に、打設を開始する（Ｓ２０）。そして、杭１６が所望の深さまで達したかを判定し（Ｓ２１）、達した場合には、打設を停止して（Ｓ２２）、杭打ちを終了する。そして、打ち込まれた杭１６を利用して、建物を建設する。

なお、表面側土層１４の表面側の所定深さまでの部分は、この打設の前または後に、汚染されていないきれいな土に入れ替える。

このように、本実施形態によれば、表面側土層１４の表面側の一部の土を入れ替えればよく、入れ替え作業が比較的簡単になり、必要なコストを低減できる。そして、杭１６を支持層１０内にまで打ち込んでも、ここを流れる地下水に汚染物質が拡散することを防止できる。従って、汚染地盤においてコストを抑えて、高層の建築物や支持層に至る土留め壁を建設することが可能となる。

１０支持層、１２遮水層、１４表面側土層、１６杭、２０吸水性高分子層、２２防護および遅延層。

Claims

表面に、吸水性高分子を含む吸水性高分子層、接着性高分子を含む防護および遅延層がこの順で形成された杭を用意し、
用意された杭を地表から打ち込み、先端側を遮水層を通過させて、支持層にまで至らせ、
杭が遮水層を通過する際には、杭の表面に形成された吸水性高分子層が膨潤しており、遮水層と杭表面の間の止水層として機能し、
防護および遅延層は、その厚みを変更することにより、吸水性高分子層の吸水による膨潤の速度を制御できる、
杭の打設方法。
請求項１に記載の杭の打設方法であって、
接着性高分子は、アクリル酸・アクリル酸エチル・アクリル酸メチル・メタクリル酸メチル共重合体である、
杭の打設方法。
請求項１に記載の杭の打設方法であって、
杭を用意する工程において、表面に、吸水性高分子層、防護および遅延層、吸水性高分子層、防護および遅延層がこの順で形成された杭を用意する、
杭の打設方法。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の杭の打設方法であって、
杭を地表から打ち込む工程において、杭の先端が遮水層に至った段階で一旦停止し、吸水性高分子層を膨潤させる、
杭の打設方法。