JP6792117B1 - 薬液改良地盤における改良範囲および改良効果の評価手法並びにそれを用いた地盤改良工法 - Google Patents
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Abstract
【課題】薬液改良工事の施工中においては薬液の到達範囲を精度よく把握し、改良後の効果を効率的に評価することにより、均質かつ確実な改良効果を発揮させる地盤の改良評価手法及び当該手法を用いた地盤改良工法を提供する。【解決手段】薬液注入材に気泡を混合させたものを地盤に注入しながら、弾性波探査あるいは弾性波検層、音響トモグラフィ等によってＰ波速度ＶPを測定することにより、薬液の到達範囲を把握し、所定の範囲を改良する。また、あらかじめ室内配合試験により得られたＳ波速度ＶSまたはＰ波速度ＶPと一軸圧縮強さの関係より、改良効果の判断をする。さらに、改良後のサンプリング試料に対し、ベンダーエレメント試験によってＳ波速度ＶSまたはＰ波速度ＶPを測定し、室内配合試験により得られた一軸圧縮強さとの関係より改良効果を判断する。【選択図】図５
Description
本発明は、薬液改良地盤における改良範囲と改良効果を弾性波探査または弾性波検層によって把握・評価する技術並びにその手法を用いた地盤改良工法に関するものである。
既設構造物の直下や近傍では、薬液注入工法による液状化対策や耐震補強などの対策工事が実施されており、このような工事においては、薬液注入地盤における改良範囲と改良効果を明確に把握し、評価することが重要になる。
薬液注入地盤における改良範囲を把握する方法としては、弾性波探査、比抵抗探査、電磁探査、電気探査などが知られている。また、その改良効果を把握する方法としては、原位置試験として標準貫入試験、動的コーン貫入試験、静的コーン貫入試験、行内水平載荷試験。サンプリング試料を用いた室内試験としては一軸圧縮試験、三軸圧縮試験、シリカ含有量試験などが知られている。
また、例えば特許文献１には、薬液注入地盤における地盤強度推定方法の発明が開示されている。簡単に説明すると、薬液を地盤注入して改良された改良地盤内に弾性波測定手段を設置し、当該弾性波測定手段によって得られる弾性波速度から改良地盤の原位置強度を推定するものである。
また、特許文献２には、薬液注入地盤の効果確認方法の発明が開示されている。簡単に説明すると、薬液注入した地盤に発信孔と受信孔形成し、発信孔に設置した発信器から発信した弾性波を受信孔に設置した受信器で受信する工程（ａ）と、薬液注入した地盤を模した試験体について予め求めた弾性波の速度と所定の特定値との関係に基づき、工程（ａ）で受信した弾性波の速度から薬液注入した地盤について所定の特定値を求める工程（ｂ）とを具備する。
さらに、特許文献３には、溶液型シリカグラウト、特に非アルカリ性シリカグラウトを用いた薬液注入による地盤改良効果の確認方法の発明であって、薬液注入後の充填率と改良地盤の固結状況を把握し、さらに改良地盤の固結範囲と固結状況の分布を確認して地盤改良効果の確認を行う地盤改良効果の確認方法およびこの方法を用いた地盤注入工法の発明が開示されている。
具体的に説明すると、溶液型シリカグラウトの薬液注入による地盤改良効果の確認方法であって、薬液注入前の地盤から採取した砂を用いて地盤の相対密度に調整して、存在する空隙を全て注入液で充填した場合を充填率100％の供試体とし、種々のシリカ濃度のシリカ溶液を用いて地盤の相対密度に対応したシリカ含有量と強度の関係を把握し、この供試体を作成するに要した薬液から算出したシリカ含有量を(Ｃ)とし、充填率100％のシリカ含有量とみなしてシリカ含有量と強度の基準とし、薬液注入を行った改良地盤から採取した砂の単位体積当たりのシリカ含有量の測定値を(Ｄ)とし、(Ｂ−Ｄ)／Ｃ×１００から改良地盤の充填率(％)ならびに強度を求めるものである。
岡二三生、八島厚、大野康年、関口宏二、片山辰雄、「ＥＭ法を用いた薬液浸透注入改良地盤の形状確認実験について」、2003年、第38回地盤工学研究発表会、p.845-846
水野健太、飯塚真澄、岡田和成、横井勉、佐々木隆光、「比抵抗トモグラフィによる薬液注入改良地盤の改良効果確認事例」、2015年、薬液注入工法の設計・施工法および試験法に関するシンポジウム論文集、p.230-233
薬液注入地盤における改良範囲を把握する原位置調査方法として用いられる弾性波探査では、地盤が飽和状態にある場合、Ｐ波速度は間隙水の伝播速度に依存するため、未改良の状態で1,500ｍ/s程度となる。また、液状化対策として用いられる溶液型薬液注入材の物理的な特性は水とほとんど変わらないため、薬液を注入しても1,500ｍ/ｓとなり、注入前後およびゲル化前後でほとんど変わらない。
また、Ｓ波速度は注入前後でほとんど変化がなく、ゲル化後のＳ波速度はゲル化前と比較して２割程度上昇するものの、改良効果を精度よく評価できないとの指摘もある。
一方、比抵抗探査などは改良範囲を把握する手法として広く使われてきているが、ゲル中のイオンは経時的に改良範囲周辺の未改良地盤に拡散するため、試験の実施までの養生期間や得られた結果の解釈について十分に検討をする必要があるものと思われる。
サンプリングによる室内試験においては、乱れの少ない試料の採取が必要となるが、溶液型注入材による改良強度は一軸圧縮強さで数十〜数百ｋN/ｍ2と低強度であるために、サンプリングが困難な場合がある。また、外見上では乱れの少ない試料が採取できていても、低強度であるゆえに、応力開放によって改良効果が過小評価となる場合がある。
液状化対策や耐震補強を目的とした地盤改良工事では、改良範囲の把握と改良効果の評価が重要であり、さらにそれが原位置で精度が高いことが求められている。そこで、本発明は実績のある従来技術を活用しつつ、従来技術の問題を解決するとともに精度の向上を図った薬液注入地盤における改良範囲の把握と改良効果の評価手法を提供することを目的とするものである。
本発明は、薬液注入地盤における改良範囲と改良効果を明確に把握し、評価する地盤の改良評価手法の発明であり、薬液注入材に気泡を混合させたものを注入することにより、飽和地盤においては所定の飽和度まで低下させ、不飽和地盤においては所定の飽和度を維持させることを特徴とするものである。
薬液注入材に気泡を混合させたものを改良対象地盤に注入し、前記注入材の浸透によって変動するＰ波を弾性波探査あるいは弾性波速度検層、音響トモグラフィなどによって測定することにより、注入材の到達範囲を明確に把握することができる。
また、前記注入材が浸透固化することに伴うＳ波またはＰ波の増加を弾性波探査あるいは弾性波速度検層、音響トモグラフィなどによって測定することにより、室内配合試験におけるＳ波またはＰ波と一軸圧縮強さとの関係より改良強度を推定することができる。
また、前記室内配合試験におけるＳ波またはＰ波の測定は拘束圧依存性を考慮して、改良対象地盤の応力状態を再現して実施するのが望ましい。また、前記薬液注入材の注入前後の地盤にシリカ含有量の測定を併用するのが望ましい。
本発明は、Ｂ値とＰ波速度ＶPとの関係に着目してなされたものであり、図１は、Ｂ値とＳ波速度ＶSおよびＰ波速度ＶPとの関係を示したものである。
Ｂ値（間隙水圧係数）とは、非排水状態にて増減させた拘束圧（δσ）に対する間隙水圧の増減（δu）の比（δu/δσ）であり、砂の間隙が全て非圧縮性の水で満たされているとき、Ｂ値は１となり、圧縮性のある空気が水と混在する場合では、１以下となる。
このように、Ｂ値は間隙の飽和状態を示す指標の一つであるが、含水比や間隙比などから定義される飽和度Ｓrとは異なり、応力状態や弾性波速度から求められる。なお、Ｂ値とＳrには概ね相関性があり、Ｂ値が１の時、Ｓrは100%、Ｂ値が0.5の時、Ｓrは96〜99%、Ｂ値が0.2の時、Ｓrは95〜98%となる。
プロットはシリカ濃度６％の薬液で固化した供試体のものであり、実線または破線は未改良のものである。
未改良におけるＳ波速度ＶSは、120ｍ/sec程度であり、改良体のＳ波速度ＶSは130〜150ｍ/sec程度であるため、１〜３割程度の増加となっている。一方、Ｐ波速度ＶＰに関してはＢ値に依存する傾向があり、Ｂ値が0.97以上では改良の有無に関わらず、飽和地盤の特徴である水のＰ波速度ＶPと同等の1,500ｍ/sであり、Ｂ値が0.97以下では、未改良ではＢ値に依存しＰ波速度ＶＰが450〜1,000ｍ/ｓの範囲にあり、改良土ではＢ値に関わらず800ｍ/ｓ程度となる。
なお、改良土におけるＰ波速度ＶPの増加割合は、最大で４割以上となる。このように、Ｓ波速度ＶSは改良前後に大きな変化が見られないが、Ｐ波速度ＶＰではＢ値をコントロールすることにより改良前後の増減の変化を見ることができる。
これより、薬液にマイクロバブルを混入したものを注入し、現地で弾性波速度試験や音響トモグラフィ試験を実施することにより、Ｐ波速度ＶＰの分布を把握することにより、注入材の浸透状況を把握することが可能となる（図２）。
さらに、室内にてＢ値が0.95以下となるように数種類のシリカ濃度で作製したサンドゲルのＰ波速度ＶＰと一軸圧縮強さｑuとの関係（図３）を求めておくことにより、弾性波速度検層（以下「ＰＳ検層」）（図２）や音響トモグラフィの結果より、試料を採取することなく改良強度を把握することが可能となる。
なお、施工以前に飽和度が低く、Ｂ値が0.97以下の場合においても、マイクロバブルを混入した薬液を注入することにより、より改良前後のＰ波速度ＶＰのコントラストが得られる。
また、採取したコアについては、一軸圧縮試験により改良効果を確認することが望ましいが、乱れの少ない試料の採取が困難であった場合には、事前配合試験にて得られた一軸圧縮強度とＰ波速度ＶＰ、Ｓ波速度ＶSとの関係を用い現地で期待される一軸圧縮強さを算定することができる（図４）。
以上のとおり、本発明によれば、原位置において改良効果を評価できるため、試料採取を行わなくても、改良効果を評価することが可能である。ただし、現行の設計施工管理基準では、試料採取が原則であり、このような場合において乱れが生じた試料でも、改良効果を評価することは可能である。
本発明の一実施形態を図５に示す。本発明は大きく分け、三段階の工程により実施される。一つ目は室内配合試験において、設計強度に安全率を乗じた室内目標強度と満足する薬液濃度の決定と各種検量線を求める工程、二つ目に現場にて施工・管理・評価する工程、そして、三つ目に現場より採取した試料によって改良効果を評価する工程に分けられる。
以下、各工程について具体的に説明するする。
初めに、室内配合試験では、［ステップ１］で改良地盤の設計強度を決定し、設計強度に安全率を乗じた値を室内目標強度とする。
次に、［ステップ２］で３パターン以上のシリカ濃度による薬液改良体を作製する。薬液改良体の作製は、現場密度となるように詰めた試料に、マイクロバブルが含まれる薬液を注入する。なお、出来上がる薬液改良体のＢ値は0.50〜0.90が望ましい。
次に、［ステップ２］で作製した各薬液改良体のＰ波速度ＶＰとＳ波速度ＶSを、［ステップ３］でベンダーエレメント法などにより求める。なお、Ｐ波速度ＶＰおよびＳ波速度ＶSは、拘束圧に依存するため、測定は改良対象地盤の応力状態を再現し実施することが望ましい。
次に、［ステップ４］でＰ波速度ＶＰおよびＳ波速度ＶSを求めた薬液改良体の一軸圧縮強さを求め、一軸圧縮強さとＰ波速度ＶＰおよびＳ波速度ＶSとの関係として検量線(1)と検量線(2)を求める(図６)。
次に、［ステップ５］で一軸圧縮試験を実施した各薬液改良体のシリカ含有量を測定し、薬液濃度と一軸圧縮強さとの関係、薬液濃度とシリカ含有量との関係として検量線(3)、検量線(4)を求める(図７，８、特許文献３)。
以上のように、現場(原位置)における施工管理、あるいは事後品質確認に必要なデータを室内配合試験によって求める。なお、設計強度が100kN/ｍ2で、安全率が２の場合、室内目標強度は200kN/ｍ2となる。
そして、［ステップ６］で、この時の施工濃度は検量線(3)より６％となり、品質管理基準としてＰ波速度ＶPは400ｍ/sec以上、Ｓ波速度ＶSは110ｍ/sec以上、シリカ含有量は9,000ｍg/kg以上となる。
現場においては、初めに［ステップ７］で改良対象地盤のＰ波速度ＶPおよびＳ波速度ＶSをＰＳ検層や音響トモグラフィにより測定し、 次に、［ステップ８］で室内配合試験によって決定した濃度の薬液にマイクロバブルを混入し、施工する。
次に、［ステップ９］で施工中あるいは施工後に、改良対象地盤のＰ波速度ＶPおよびＳ波速度ＶSをＰＳ検層あるいは音響トモグラフィにより測定し、その分布から薬液の到達範囲を把握する(図２)。
薬液が所定範囲まで到達していない場合、［ステップ８］で再注入する。また、［ステップ10］で図２と検量線(1)より現地の改良強度を算定し、改良強度が設計強度を満足していない場合は、［ステップ８］で再注入する。そして、［ステップ11］でサンプリングを採取する。
室内評価では、初めに［ステップ12］で採取したサンプリングの品質確認を行う。乱れの少ない試料が得られた場合、［ステップ13］で一軸圧縮試験を実施する。一軸圧縮試験の結果が当初決定した設計強度を満足していれば、施工は終了する。
一方、乱れの少ない試料が得られなかった場合、あるいは一軸圧縮試験で設計強度を満足できなかった場合には、［ステップ14］でベンダーエレメント法などによりＰ波速度ＶPおよびＳ波速度ＶSを測定し、検量線(1)と検量線(2)を用いて一軸圧縮強さを算定し、設計強度を満足しているかを確認する。
ベンダーエレメント法などにより設計強度を満足していることを確認できなかった場合、シリカ含有量を測定し、検量線(4)を用い、薬液の濃度を測定し、さらに検量線(3)を用いて一軸圧縮強さを算定する(特許文献３)。
本発明は、薬液改良工事の施工中においては薬液の到達範囲を精度よく把握し、改良後の効果を効率的に評価することにより、均質かつ確実な改良効果を発揮させることができる。
ＶP Ｐ波速度
ＶS Ｓ波速度
ＶS Ｓ波速度
Claims (6)
- 固結を改良原理とする薬液注入工法による地盤改良工事において、改良強度に影響を及ぼさない範囲にて飽和度を低下させることにより、Ｐ波速度から注入材の到達範囲と改良強度を把握することを特徴とする地盤の改良評価手法。
- 薬液注入材に気泡を混入した注入材の浸透によって変動する改良対象地盤のＰ波またはＳ波と、室内配合試験によって作成された薬液改良体のＰ波またはＳ波および一軸圧縮強さとの関係から前記注入材の到達範囲と前記改良対象地盤の改良強度を把握する地盤の改良評価手法において、前記薬液改良体は、拘束圧依存性を考慮して前記改良対象地盤の応力状態と現場密度を再現して作製し、かつＢ値が0.95以下となるように数種類のシリカ濃度で作製することを特徴とする地盤の改良評価手法。
- 請求項２記載の地盤の改良評価手法において、前記注入材の浸透によって変動するＰ波を弾性波探査、弾性波速度検層または音響トモグラフィによって測定することにより、前記注入材の到達範囲を把握することを特徴とする地盤の改良評価手法。
- 請求項２または３の記載の地盤の改良評価手法において、前記注入材が浸透固化することに伴う前記Ｓ波または前記Ｐ波の増加を弾性波探査、弾性波検層または音響トモグラフィによって測定し、前記薬液改良体におけるＳ波またはＰ波と一軸圧縮強さとの関係から改良強度を推定することを特徴とする地盤の改良評価手法。
- 請求項２〜４のいずれか一つに記載の地盤改良評価手法において、前記注入材の注入前後の地盤にシリカ含有量の測定を併用することを特徴とする地盤の改良評価手法。
- 請求項２〜５のいずれか一つに記載の地盤の改良評価手法を用いた地盤改良工法。
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