JP6804080B2

JP6804080B2 - 補強工法

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Publication number: JP6804080B2
Application number: JP2016176725A
Authority: JP
Inventors: 修一下村; 真和松本
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2036-09-09
Also published as: JP2017061844A

Description

本発明は、補強工法に関するものである。

従来から、粘土質等の軟弱な地盤を補強するため、地面を掘削しながらセメントミルクを注入して撹拌することで生成されるソイルセメントを、土中にて硬化させる補強工法が用いられている。例えば、特許文献１には、回転しながら地盤を掘り起こすビット部と、土中にセメントミルクを噴射するノズルとを備えた掘削機が開示されている。

特開平３−１３２５１５号公報

しかしながら、一般的に、土粒子は負に帯電し、セメント粒子は正に帯電している。このため、上述の補強工法においては、土粒子とセメント粒子が静電気力により局所的に凝集し、生成されるソイルセメントが均質とならず、硬化後のソイルセメントの強度が不均一となる場合がある。したがって、セメント粒子の表面に界面活性剤を付着させることが検討されているが、界面活性剤等を別途手配し、運搬することで負担が増すため、使用しないことが望ましい。なお、特許文献１には、土中にセメントミルクを注入する際に、同時に気泡を混合させているが、当該手法ではセメント粒子と土粒子との接触を避けることができず、セメント粒子への土粒子の付着を防止することができない。したがって、特許文献１の手法では、局所的な凝集を改善することはできない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、セメント粒子の表面に気泡を付着させることで、局所的な凝集を防ぎ、土粒子とセメント粒子とを均一に混合することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、土粒子とセメント粒子とを撹拌混合することによってソイルセメントを生成すると共に当該ソイルセメントを硬化させることにより補強領域を形成する補強工法であって、土粒子とセメント粒子とを混合する混合工程と、上記混合工程より前に行われ上記セメント粒子の表面に気泡を付着させる気泡付着工程とを有する、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、上記気泡付着工程は、上記混合工程が行われる作業現場と同一の現場にて行われる、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、上記気泡は、粒径が１００μｍ以下で好ましくは５０μｍ以下である、という手段を採用する。

本発明によれば、土粒子とセメント粒子とを混合する前に、セメント粒子の表面に気泡を付着させることができる。これにより、セメント粒子と土粒子との電気的な凝集を防ぐことができ、土粒子とセメント粒子を均一に混合することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る補強工法に用いられる掘削機及びセメントミルク供給部の概略図である。本発明の一実施形態に係る補強工法に用いられるセメントミルク供給部の概略図である。本実施形態における補強工法の流れを表すフローチャートである。実験例１における供試体の一軸圧縮強度の変動係数のグラフである。実験例１における供試体の一軸圧縮強度の平均のグラフである。実験例２における気泡径と微細気泡の体積割合との関係を示すグラフである。実験例２におけるケース毎の条件を示す表である。実験例２において用いた配合および固化材の条件を示す表である。実験例２において用いた土の粒径加積曲線を示すグラフである。実験例２におけるケース毎の一軸圧縮強度のばらつき（変動係数）を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る補強工法の一実施形態として、土壌中にてソイルセメントを硬化させ、地盤を補強する柱状体（補強領域）を形成する補強工法について説明する。なお、図面の縮尺及び形状は認識可能となるように適宜変更している。図１は、本実施形態に係る補強工法に用いられる掘削機１及びセメントミルク供給部２の概略構成図である。

本実施形態における補強工法は、掘削機１と、セメントミルク供給部２とを用いて行われる。掘削機１は、地面を掘削し、その掘削穴に気泡付着セメントミルクＸ２（微細気泡が表面に付着したセメント粒子を含むセメントミルク）を注入して撹拌する機械であり、地盤補強を行う現場（作業現場）に配置されている。このような掘削機１は、回転軸１０と、回転装置１１と、掘削部１２と、撹拌部１３と、支持機構１４とを有している。なお、この掘削機１は、車両部を備え、移動可能であるものとしてもよい。回転軸１０は、気泡付着セメントミルクＸ２が流通可能な中空構造とされており、地面に対して立直されるように支持機構１４により回転可能に支持されている。また、回転軸１０は、地面側の端部である下端近傍の周面に気泡付着セメントミルクＸ２を吐出するための吐出口１０ａを有している。

回転装置１１は、回転軸１０を回転させるための駆動装置であり、支持機構１４によって支持されている。この回転装置１１は、回転軸１０の地面と反対側の端部である上端部に接続されている。掘削部１２は、土壌に気泡付着セメントミルクＸ２を注入する穴を開けるために設けられた回転体である。このような掘削部１２は、ベース部１２ａと、突起部１２ｂとを有している。ベース部１２ａは、平面が地面と平行となるように回転軸の下端に固定された平板であり、突起部１２ｂを支持している。突起部１２ｂは、ベース部１２ａの平面から地面に対して垂直に突出している。この突起部１２ｂは、地面に当接して回転されることで、地面を掘削する。撹拌部１３は、掘削部１２が形成した穴に注入された気泡付着セメントミルクＸ２と、その周囲の土粒子とを撹拌混合するために設けられた羽根であり、回転軸１０に複数取り付けられている。

図２は、本実施形態に係る補強工法に用いられるセメントミルク供給部２の構成図である。このセメントミルク供給部２は、掘削機１と同一の作業現場に設置されている。また、セメントミルク供給部２は、微細気泡供給装置２０と、セメントミルク貯留タンク２１と、ポンプ２２を備えている。

微細気泡供給装置２０は、外部から空気を取り込むと共に取り込んだ空気を微細化して微細気泡ＢとしてセメントミルクＸ１（微細気泡が供給されていないセメントミルク）に供給する装置であり、セメントミルク貯留タンク２１の中に設置されている。この微細気泡供給装置２０によって発生する微細気泡Ｂは、例えば、粒径が１００μｍ以下で好ましくは５０μｍ以下の気泡である。このような微細気泡Ｂは、気泡径が小さいことから浮力が小さく、液中滞在時間が長い。また、微細気泡Ｂは、負に帯電しており、正を持つ物体に引き寄せられる特性を持つ。

セメントミルク貯留タンク２１は、生成したセメントミルクＸ１を貯留し、微細気泡Ｂを吹き込むためのタンクである。ポンプ２２は、セメントミルク貯留タンク２１において作製された気泡付着セメントミルクＸ２を掘削機１へと圧送する。

なお、本実施形態において用いられるセメントミルクＸ１は、セメント粒子を水で溶かしたものである。セメントミルクＸ１の状態において、セメント粒子は正に帯電しており、負に帯電する粒子を引付けやすい状態となっている。セメントミルク供給部２は、セメント粒子にマイクロバブルあるいはナノバブルからなる微細気泡Ｂ（気泡）を付着させた気泡付着セメントミルクＸ２を生成し、掘削機１へと供給するものである。

続いて、図３を参照して、本実施形態における補強工法について説明する。図３は、本実施形態における補強工法の流れを表すフローチャートである。

まず、セメントミルク作製工程（ステップＳ１）を行う。このセメントミルク作製工程（ステップＳ１）では、セメントに水を入れると共に混合してセメントミルクＸ１を作製する。このセメントミルクＸ１は、セメントミルク貯留タンク２１に貯留される。次に、気泡付着工程（ステップＳ２）を行う。この気泡付着工程（ステップＳ２）では、セメントミルク貯留タンク２１内のセメントミルクＸ１に微細気泡供給装置２０より微細気泡Ｂが供給され、セメント粒子の表面に微細気泡を付着させる。このとき、セメント粒子は正に帯電し、微細気泡Ｂは負に帯電していることから、セメント粒子と微細気泡Ｂは引き合い、セメント粒子の表面に微細気泡Ｂが付着する。これによりセメントミルクＸ１は、気泡が付着したセメント粒子を含む気泡付着セメントミルクＸ２となる。この気泡付着セメントミルクＸ２は、掘削機１へと供給される。

次に、混合工程（ステップＳ３）を行う。この混合工程（ステップＳ３）では、掘削機１で、柱状体を形成する地面に掘削穴を開け、掘削穴への気泡付着セメントミルクＸ２を注入すると共に土粒子と混合する。このとき、回転軸１０と共に撹拌部１３が回転されることで、掘削された土粒子と気泡付着セメントミルクＸ２とが混合され、ソイルセメントとなる。掘削部１２が所定の深さまで掘削を終えると、回転軸１０が持ち上げられる。このとき、撹拌部１３は上昇しながら穴中のソイルセメントを再撹拌する。

この混合工程（ステップＳ３）におけるソイルセメントは、負に帯電した微細気泡Ｂがセメント粒子に付着した状態であり、負に帯電している土粒子と微細気泡Ｂが反発しあう。このため、セメント粒子と土粒子とが凝集することがない。したがって、撹拌部１３による撹拌が十分に行われ、均一に混合される。最後に、養生工程（ステップＳ４）を行う。この養生工程（ステップＳ４）では、混合された穴中のソイルセメントが完全に硬化するまで養生する。以上の工程により、土壌中に地盤改良体が形成され、地盤の補強が完了する。

ここで、本実施形態に係る補強工法で作製されたソイルセメントの性能を検証するために行った実験について説明する。

（実験例１）
本実験では、まず、セメントと水とを混合したセメントミルクに対して、微細気泡を付着させ、カオリン粘土、珪砂及び水と当該セメントミルクとを混合した供試体αを２０本作製した。この供試体αとの比較のため、後述する条件にて供試体Ａ１〜Ａ５及び供試体βを作製した。

供試体Ａ１は、セメントミルクに何も添加しない条件で作製した。供試体Ａ２は、セメントミルクに界面活性剤（グルコン酸ナトリウム）を０．１％添加して作製した。供試体Ａ３は、セメントミルクに界面活性剤（グルコン酸ナトリウム）を０．２％添加して作製した。供試体Ａ４は、セメントミルクに界面活性剤（グルコン酸ナトリウム）を０．３％添加して作製した。供試体Ａ５は、セメントミルクに界面活性剤（グルコン酸ナトリウム）を０．６％添加して作製した。供試体βは、セメントミルクに気泡を付着させ、さらに界面活性剤を０．２％添加して作製した。なお、各供試体のセメントミルク、カオリン粘土及び珪砂の量については、全て条件を同一とした。

図４は、供試体の一軸圧縮強度の変動係数のグラフである。なお、ここで述べる変動係数は、同種の供試体における一軸圧縮強度のバラツキを示しており、セメントミルクとカオリン粘土及び珪砂とが十分に混合されていると、変動係数は減少すると考えられる。実際に補強工事に用いるソイルセメントについては、強度保持のために変動係数を３０％以下とすることが望ましい。

しかしながら、図４のグラフに示すように、界面活性剤が無添加である供試体Ａ１は、変動係数が４０％を超えており、供試体ごとの強度のバラツキが大きいことがわかる。これに対し、微細気泡を付着させた供試体αは、変動係数が２７．１％であり、要求される変動係数の上限の３０％を下回っている。これは、界面活性剤を０．３％添加した供試体Ａ４と同程度である。また、界面活性剤を添加して微細気泡を付着させた供試体βについても、供試体αと同程度の変動係数となっている。つまり、微細気泡を付着させたソイルセメントは、界面活性剤を添加したソイルセメントと同様に強度のバラツキが抑えられており、十分均質であるといえる。

図５は、供試体の一軸圧縮強度の平均のグラフである。このグラフが示すように、界面活性剤を添加した供試体Ａ２〜Ａ６と、微細気泡を付着させた供試体αとを比較しても、強度に大きな差は見られない。また、微細気泡のみを付着させた供試体αと、界面活性剤を添加して微細気泡を付着させた供試体βとを比較しても、同程度の強度であるといえる。このことから、微細気泡を付着させた供試体α及び供試体βの強度は、界面活性剤を添加した供試体Ａ２〜Ａ６の強度と同程度であるといえる。

さらに、無添加の供試体Ａ１と微細気泡を付着させた供試体αとを比較すると、微細気泡を付着させた供試体αの方が、一軸圧縮強度が大きいことがわかる。このことから、微細気泡を付着させることで、土とセメントミルクとの混合が促進され、供試体内が均質となり、一軸圧縮強度が増加したと考えられる。

（実験例２）
本実験では、撹拌剪断方式の微細気泡発生装置を用いて実験を行った。この微細気泡発生装置は、筒状の多孔板の内部にインペラを収容し、インペラの収容空間に空気を供給しつつインペラを高速回転させることにより剪断力に微細気泡を発生させると共に、多孔板の周囲に排出された微細気泡を撹拌器で撹拌して拡散させる構成とされている。本実験では、必要に応じてマスフロコントローラで微細気泡発生装置への空気の供給量を調整している。

図６は、マスフロコントローラによる空気供給量の調整を行うことない自然吸気で、インペラを水中で４０００ｒｐｍにて回転させた場合における、気泡径と微細気泡の体積割合との関係を示すグラフである。この図に示すように、本実験での微細気泡発生装置を自然吸気で４０００ｒｐｍにて回転させた場合には、２０μｍ〜２００μｍの気泡径の微細気泡が発生し、特に２５μｍ〜１００μｍの気泡径の微細気泡が発生する。また、最頻気泡径は５０μｍ程度である。

本実験では、以下の図７に示すケース１〜５の条件で供試体を作製し、それぞれの供試体の一軸圧縮強度のばらつきについて検討した。ケース１では、セメントミルクへの微細気泡の混入を行わずに供試体を作製した。ケース２では、微細気泡発生装置を自然吸気かつインペラ回転数４０００ｒｐｍとしかつ微細気泡の供給時間を５分として供試体を作製した。ケース３では、微細気泡発生装置への空気の供給量を１分につき５０ｃｃとし、インペラの回転数を４０００ｒｐｍとし、微細気泡の供給時間を５分として供試体を作製した。ケース４では、微細気泡発生装置への空気の供給量を１分につき２５ｃｃとし、インペラの回転数を４０００ｒｐｍとし、微細気泡の供給時間を５分として供試体を作製した。ケース５では、微細気泡発生装置への空気の供給量を１分につき５０ｃｃとし、インペラの回転数を４０００ｒｐｍとし、微細気泡の供給時間を２．５分として供試体を作製した。

なお、各々のケースにおいて、以下の方法で供試体を作製した。乾燥状態のカオリン粘土と珪砂５号を混合し、含水比調整水（水道水）を加えた後、ミキサーで５分間撹拌混合し試料土を作製する。固化材に固化材用水（水道水）を入れ、ハンドミキサーで撹拌混合してセメントミルクを作製する。セメントミルクに微細気泡を混入させる場合、作製したセメントミルクに微細気泡発生装置で所定の時間、微細気泡を混入させる。試料土にセメントミルクを投入した後、ミキサーで１分間撹拌混合し、ソイルセメントを作製する。ソイルセメントを直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍのモールドに３層に分けて詰め、各層タッピングを行い、供試体とする。ケース毎に供試体を２０体作製し、これらの供試体は２０℃、６０％の恒温恒湿下で７日間養生した。

また、本実験では、試料土に粘性土を用いた。図８に試料土の配合および固化材の条件を示し、図９に土の粒径加積曲線を示す。試料土はカオリン粘土（ρ_ｓ＝２．７４８、Ｉ_Ｐ＝３０．２）と珪砂５号（ρ_ｓ＝２．６６７）をそれぞれ乾燥状態の質量比７：３で混合した後、含水比調整を行った。固化材には一般軟弱土用のセメント系固化材（以下、固化材）を用い、試料土の質量に対して１０％添加した。

実験の結果、ケース１の供試体の平均強度は４４５ｋＮ／ｍ^２であった。ケース２の供試体の平均強度は５２１ｋＮ／ｍ^２であった。ケース３の供試体の平均強度は４８７ｋＮ／ｍ^２であった。ケース４の供試体の平均強度は６１２ｋＮ／ｍ^２であった。ケース５の供試体の平均強度は６１９ｋＮ／ｍ^２であった。

また、図１０は、ケース毎の一軸圧縮強度のばらつき（変動係数）を示すグラフである。微細気泡を混入していないケース１は強度のばらつきが大きいことが分かる。微細気泡を入れたケース２はケース１と比較して強度のばらつきは大きく低下し、平均強度はやや大きくなった。空気の供給量を１分につき５０ｃｃとしたケース３は、ケース２と比較して強度のばらつきはさらに小さくなる。微細気泡の総量をケース３の半分にしたケース４、５は、ケース３と比べて強度のばらつきは大きくなるものの平均強度は高く、微細気泡の量が多いほどばらつきの低減効果が高いことが分かった。ケース２〜５（特にケース３）は、ケース１と比べてばらつきの低減が小さくなることは、図１０から明らかである。つまり、図６に示すように、気泡径が１００μｍ以下の微細気泡がセメントミルクに混入されることによって、強度のばらつきを抑止できることが分かった。

以上に説明したような本実施形態に係る補強工法は、土とセメントミルクＸ１を混合する前に、気泡付着工程（ステップＳ２）が行われる。これにより、土と混合させるよりも前にセメント粒子の表面に微細気泡Ｂを付着させることができ、セメントミルクＸ１の流動性を上昇させることができる。したがって、界面活性剤を使用せずに、土粒子とセメント粒子との局所的な凝集を防ぐことができ、均一に混合することが可能である。

このような本実施形態に係る補強工法によれば、界面活性剤を使用しなくても、土粒子とセメント粒子を均一に混合できるため、界面活性剤等を別途手配し、運搬する負担がなくなる。ただし、上記実験に示すように界面活性剤を添加した場合であっても、十分な均質性及び強度が得られる。このため、本発明は、気泡付着セメントミルクＸ２に少量の界面活性剤を添加することを除外するものではない。

また、本実施形態に係る補強工法は、気泡付着工程（ステップＳ２）と混合工程（ステップＳ３）を同一の作業現場にて行っている。このため、気泡付着セメントミルクＸ２を作製してから土と混合するまでにかかる時間が短く、セメント粒子に付着した微細気泡Ｂの多くが残留した状態となっている。これにより、土粒子とセメント粒子との局所的な凝集をより効果的に防ぐことができる。したがって、土粒子とセメント粒子とを均一に混合することが可能である。

また、本実施形態に係る補強工法においては、セメントミルクＸ１に対して、微細気泡供給装置２０を用いて５０μｍ以下の微細気泡Ｂを付着させている。このため、正に帯電したセメント粒子に対して静電気的に気泡を付着させることができる。したがって、土粒子と微細気泡Ｂが反発しあうことで、微細気泡Ｂの付着したセメント粒子は土粒子と局所的に凝集することなく均一に混合することができる。

また、セメントミルクＸ１に微細気泡Ｂを吹き込むことにより作製された気泡付着セメントミルクＸ２は、微細気泡Ｂがセメント粒子間に入り込むことで、流動性が高くなり、さらに体積が増加する。したがって、本実施形態に係る補強工法において使用するセメントミルクＸ１の量を削減することが可能となる。

また、セメントミルクＸ１に界面活性剤を添加すると、ソイルセメントの硬化を阻害し、強度が発現するまでに要する時間が延びることが確認されている。これに対し、本実施形態においては、セメントミルクＸ１には界面活性剤を添加せずに、微細気泡を付着させている。したがって、ソイルセメントの硬化を阻害することがなく、界面活性剤無添加のソイルセメントと同様の硬化時間にて硬化し、強度が発現する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）本実施形態では、掘削機１によって地面を掘削し、土壌中にてソイルセメントを生成する補強工法としたが、本発明はこれに限定されない。掘削機１を用いず、コンクリートミキサ等を用いて、予め用意された土と気泡付着セメントミルクＸ２とを混合するものとしてもよい。コンクリートミキサを用いて混合する構成とすると、砂防工事や、落盤防止のための補強工事について適用可能である。

（２）また、本実施形態における混合工程（ステップＳ３）を行った後、硬化前のソイルセメント内にＨ型鋼を埋没させてから養生することで、より強固な柱状体を形成することが可能である。

（３）本実施形態では、気泡付着工程を、混合工程と同一の作業現場にて実施するものとしたが、本発明はこれに限定されない。気泡付着工程を作業現場と別の場所で行うものとしてもよい。気泡付着工程を作業現場と別の場所で行うものとすると、例えば工場等で気泡付着セメントミルクＸ２を生成できるため、気泡付着セメントミルクＸ２を大量に生成することが可能となる。

（４）本実施形態では、セメントミルクＸ１を作製後に気泡付着工程が行われるものとしたが、本発明はこれに限定されない。微細気泡を含む水とセメントとを混合して気泡付着セメントミルクＸ２を作製するものとしてもよい。セメントミルクＸ１は粘性が高いため、使用できる微細気泡供給装置は限られるが、水は粘性が低いため、使用可能な微細気泡供給装置が多くなる。

（５）本実施形態では、セメントミルクＸ１に微細気泡を付着させるものとしたが、本発明はこれに限定されない。セメントミルクＸ１に微細気泡Ｂを付着させ、さらに界面活性剤を添加するものとしてもよい。

（６）本実施形態では、微細気泡供給装置２０を用いて、粒径が５０μｍ以下の微細気泡をセメント粒子に付着させるものとしたが、本発明はこれに限定されない。セメント粒子に付着させる気泡は５０μｍ以上のものとしてもよい。

（７）本実施形態では、混合工程において、撹拌部１３が回転されることによって、気泡付着セメントミルクＸ２と土粒子を混合するものとしたが、本発明はこれに限定されない。混合工程は、例えば、土粒子に対して、回転軸１０の径方向外側に向かって気泡付着セメントミルクＸ２を高圧噴射することで、土に気泡付着セメントミルクＸ２を吐出すると共に土粒子と気泡付着セメントミルクＸ２とを混合するものとしてもよい。

１掘削機
１０回転軸
１０ａ吐出口
１１回転装置
１２掘削部
１２ａベース部
１２ｂ突起部
１３撹拌部
２セメントミルク供給部
２０微細気泡供給装置
２１セメントミルク貯留タンク
２２ポンプ
Ｘ１セメントミルク
Ｘ２気泡付着セメントミルク
Ｂ微細気泡

Claims

土粒子とセメント粒子とを撹拌混合することによってソイルセメントを生成すると共に当該ソイルセメントを硬化させることにより補強領域を形成する補強工法であって、
土粒子とセメント粒子とを混合する混合工程と、
前記混合工程より前に行われ、セメントミルクの内部にて負に帯電した気泡を発生させることによって前記セメント粒子の表面に気泡を付着させる気泡付着工程と
を有することを特徴とする補強工法。
前記気泡付着工程は、前記混合工程が行われる作業現場と同一の現場にて行われることを特徴とする請求項１記載の補強工法。
前記気泡は、粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の補強工法。