JP6905874B2

JP6905874B2 - 地山の改良評価試験装置

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Publication number: JP6905874B2
Application number: JP2017112259A
Authority: JP
Inventors: 博靖平山; 優介細田
Original assignee: Fujimori Sangyo Co Ltd
Current assignee: Fujimori Sangyo Co Ltd
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-06-07
Also published as: JP2018204349A

Description

本発明は、地山の改良評価試験装置に関し、特に注入材による地山の改良効果を評価する試験装置に関する。

例えばトンネルや建物等の構造物を構築する場合、脆弱な地山や緩んだ地山に注入材を注入することで、地盤改良することが知られている。
地山の性状は施工現場ごとに違うため、現場の地山に合った注入材を選定する必要がある。そこで、次のような評価試験が行なわれている。

まず、ドラム缶などの試験容器を用意する。試験容器の軸線に沿って注入管を配置する。注入管の上端は、試験容器の上方へ突出させておく。
次に、試験容器の内部に、地山に見立てた模擬地山を充填し、注入管を模擬地山内に埋める。模擬地山としては、例えば、適用現場の地山と同等の透水性の硅砂等を用いる。
次いで、注入管に注入材を供給する。注入材としては例えばウレタン系注入材やセメント系注入材等を用いる。注入材は、注入管の注入穴から吐出され、模擬地山の内部に浸み込んでいく。
注入材が硬化するまで養生した後、試験容器を割って、模擬地山を取り出す。そして、注入材で改良された部分の大きさ、形状、硬さ、その他の物性から所望の改良効果が得られるかどうかを評価する。

特開平０６−２８７５５７号公報

前記注入材の注入工程において、模擬地山の下端まで注入材が達すると、試験容器の底板と模擬地山との間の界面に沿って注入材が急速に拡散する。また、注入材としてウレタン等の発泡性注入材を用いた場合は、上方へ向かって発泡が進み、それが模擬地山の上端まで達すると、試験容器の蓋板と模擬地山との間の界面に沿って発泡性注入材が急速に拡散される。このため、注入材が模擬地山の中間部分にはあまり浸み込まなくなり、適確な評価が困難になる。
本発明は、かかる事情に鑑み、模擬地山の中間部分に注入材が十分に拡散されるようにして、改良効果を適確に評価可能とすることを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明装置は、注入材による地山の改良効果を評価する試験装置であって、
試験容器と、
前記試験容器内に配置され、前記注入材を吐出する注入管と、
前記注入管を埋めるようにして、前記試験容器内に収容された模擬地山と、
前記模擬地山の下側又は上側に前記模擬地山と接するように積層され、前記注入材の拡散抵抗が前記模擬地山よりも高い緩衝層と、
を備えたことを特徴とする。

前記模擬地山としては、改良対象の地山と同様の透水性その他の物性ないしは性状を有する土砂を用いることが好ましい。
前記注入管から吐出された注入材が模擬地山に浸み込み、硬化することで改良体が得られる。該改良体の大きさ、形状、硬さ等から、前記注入材によって所望の改良効果が得られるかどうかを確認する。これによって、適用対象の地山に対する注入材の適合性を評価できる。
模擬地山の下側又は上側に緩衝層を設けておくことによって、注入材が模擬地山の下端部又は上端部まで拡散して緩衝層と接した後、模擬地山と緩衝層の界面に沿って注入材が急速に拡散するのを抑制できる。この結果、模擬地山の中間部にも注入材が十分に浸透するようにでき、評価に適した改良体を得ることができる。

前記緩衝層が、前記模擬地山より粒度が小さい硅砂又は粘土を含むことが好ましい。これによって、注入材の拡散抵抗を十分に高くできる。

前記試験容器の周壁には通気穴が形成され、前記通気穴には、気体及び液体の透過を許容し、固体の透過を阻止するフィルタが設けられていることが好ましい。
これによって、注入材の注入に伴って、試験容器内の空気を通気穴から排出できる。また、余剰の水分をも通気穴から押し出すことができる。これによって、注入材を円滑に注入できる。一方、通気穴にフィルタを設けることで、模擬地山が通気穴から漏れるのを防止できる。

本発明によれば、模擬地山の中間部分に注入材が拡散されるようにでき、改良効果を適確に評価することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る改良評価試験装置の正面断面図である。図２は、前記改良評価試験装置における注入材の注入、発泡段階を仮想線にして示す正面断面図である。図３は、図２の円部ＩＩＩを拡大して示す正面図である。図４は、前記改良評価試験装置によって得られた改良体の正面断面図である。図５は、実施例１によって得られた改良体の写真である。図６は、比較例１によって得られた改良体の写真である。

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
本発明形態は、例えば、トンネル施工における長尺鋼管フォアパイリングないしはフォアポーリング等の先受け工の注入材選定に適用される。先受け工においては、トンネル前方の地山に、中空ボルト等の先受け鋼管を打ち込み、該先受け鋼管の注入孔から注入材を地山に注入することで、地山を安定させる。当該地山に適合する注入材を選定するために、事前に改良評価試験を行なう。

図１は、本実施形態の改良評価試験装置１を示したものである。改良評価試験装置１は、試験容器１０と、注入管２０と、模擬地山３０を備えている。
試験容器１０は、例えば鋼製のドラム缶によって構成され、円筒状の周壁１１と、底板１２と、蓋板１３を有している。周壁１１には、複数の通気穴１１ｄが形成されている。これら通気穴１１ｄは、周壁１１の周方向及び軸方向（上下）に互いに分散して配置されている。通気穴１１ｄの数には特に限定が無く、１つだけであってもよい。

周壁１１の内周面には、フィルタ１６が設けられている。フィルタ１６によって、通気穴１１ｄが覆われている。フィルタ１６は、気体及び液体の透過を許容し、固体の透過を阻止する。フィルタ１６として、例えば不織布が用いられている。フィルタ１６の試験容器１０への貼り付け手段としては、粘着テープや接着剤が用いられている。

試験容器１０の内部に注入管２０が挿入配置されている。注入管２０は、鋼管によって構成され、試験容器１０の軸線に沿って上下に延びている。好ましくは、注入管２０は、前記先受け工の先受け鋼管そのものか、それと同等の構造の管によって構成されている。注入管２０の上端部は、試験容器１０の上方へ延び出ている。注入管２０の下端部は、試験容器１０の底部まで達し、かつ塞がっている。
注入管２０の管壁には複数の注入穴２０ｃが形成されている。各注入穴２０ｃは、注入管２０の内周面から外周面に貫通している。複数の注入穴２０ｃは、注入管２０の周方向及び軸方向（上下）に互いに分散して配置されている。

図２に示すように、注入管２０の上端部には、注入材３の供給管２１Ａ，２１Ｂが接続されている。ここでは、注入材３として、ウレタン系注入材が用いられている。ウレタン系注入材の原料は、ポリオール等のＡ液と、ポリイソシアネート等のＢ液を含む。供給管２１ＡにＡ液の供給源３Ａが接続され、供給管２１ＢにＢ液の供給源３Ｂが接続されている。

注入管２０における、試験容器１０内の部分の外周には、拡散空間画成部材２２が設けられている。拡散空間画成部材２２は、注入管２０を囲む長い筒状になっている。拡散空間画成部材２２の上端部は、試験容器１０内の上側部分に配置されている。拡散空間画成部材２２の下端部は、注入管２０の下端部付近まで達し、ひいては試験容器１０の底部まで達している。
図１及び図３に示すように、拡散空間画成部材２２は、多数の網目２２ｃ（透孔）を有する網によって構成されている。拡散空間画成部材２２と注入管２０の外周面との間には、環状の拡散空間２５が形成されている。拡散空間２５が、網目２２ｃを通して、拡散空間画成部材２２の外部と連通している。網目２２ｃ（透孔）は、注入材３の透過を許容する一方、模擬地山３０の通過を阻む。
拡散空間画成部材２２を構成する網の材質は、金属であってもよく、樹脂であってもよい。好ましくは、拡散空間画成部材２２は、模擬地山３０の土圧を受けても拡散空間２５を確保し得る強度を有している。

図１に示すように、拡散空間画成部材２２の上端部と注入管２０の外周面との間には、環状のシール部材２３が設けられている。シール部材２３の材質は、例えば発泡樹脂であるが、これに限定されるものではなく、ゴムや非発泡樹脂であってもよい。
拡散空間画成部材２２の上端部と注入管２０との間が、シール部材２３によって液密に封止されている。

試験容器１０の内部には、下側から緩衝層３１、模擬地山３０、緩衝層３２、押し蓋層３３の順に積層されている。
模擬地山３０は、地山を模したものであり、好ましくは施工現場の地山と物性や性状が近い土砂が用いられている。より好ましくは、模擬地山３０として、施工現場の地山と同等の透水性を有する硅砂が用いられている。模擬地山３０の厚さは、他の層３１，３２，３３の厚さよりも十分に大きい。試験容器１０内の大部分が模擬地山３０によって占められている。
注入管２０及び拡散空間画成部材２２が、模擬地山３０を上下に貫通している。更に、拡散空間２５が、模擬地山３０内を上下に貫通するように形成されている。

模擬地山３０の下側及び上側にそれぞれ緩衝層３１，３２が設けられている。
緩衝層３１，３２の材料としては、注入材３の拡散抵抗が模擬地山３０よりも高い土砂が用いられており、好ましくは注入材３の浸透度が十分に低い極低浸透性土砂が用いられている。より好ましくは、緩衝層３１，３２は、模擬地山３０より粒度が小さい硅砂又は粘土によって構成されている。
下側緩衝層３１は、試験容器１０の底板１２（底部）と模擬地山３０との間に介在されている。下側緩衝層３１の上面が模擬地山３０の下端部と接している。模擬地山３０と下側緩衝層３１の境においては、模擬地山３０の下端部を構成する硅砂と、下側緩衝層３１を構成する微細硅砂又は粘土とが混ざり合っていてもよい。模擬地山３０と下側緩衝層３１の界面が凸凹ないしは三次元状に入り組んでいてもよい。

上側緩衝層３２の下面が模擬地山３０の上端部と接している。模擬地山３０と上側緩衝層３２の境においては、模擬地山３０の上端部を構成する硅砂と、上側緩衝層３２を構成する微細硅砂又は粘土とが混ざり合っていてもよい。模擬地山３０と上側緩衝層３２の界面が凸凹ないしは三次元状に入り組んでいてもよい。

模擬地山３０の上方には、緩衝層３２を介してモルタルからなる押し蓋層３３が設けられている。押し蓋層３３の上側に試験容器１０の蓋板１３が被さっている。

注入管２０が、蓋板１３、押し蓋層３３、及び緩衝層３２を貫通して、模擬地山３０の内部に埋まっている。
シール部材２３は、模擬地山３０から緩衝層３２を挟んで押し蓋層３３へ跨っている。

改良評価試験は、次のようにして行う。
＜改良評価試験装置１の作製工程＞
図２に示すように、試験容器１０には、通気穴１１ｄを形成し、かつフィルタ１６を貼り付けて通気穴１１ｄを塞いでおく。
試験容器１０の底部に緩衝層３１を設ける。
緩衝層３１の上側に模擬地山３０を積層する。
これに先立ち、注入管２０を試験容器１０の軸線に沿って配置しておくことで、模擬地山３０内に注入管２０を埋め込む。注入管２０の周りには、拡散空間画成部材２２を設けておく。拡散空間画成部材２２によって模擬地山３０が拡散空間２５に入り込むのが阻止され、拡散空間２５が空間として残される。
実際の地山は通常、水分を含んでいるため、模擬地山３０に水を浸み込ませることで、実際の地山の状態に近づけることが好ましい。
模擬地山３０の上側には、緩衝層３２を積層する。
さらに緩衝層３２の上側に押し蓋層３３を積層する。
さらに、蓋板１３を設置する。

＜注入材３の注入工程＞
図２に示すように、ウレタン原料のＡ液及びＢ液をそれぞれ供給管２１Ａ，２１Ｂから注入管２０に供給する。
これらＡ液及びＢ液が混合されてウレタン系注入材３となり、各注入穴２０ｃから吐出される。
図３において太線矢印にて示すように、注入材３は、一旦、拡散空間２５の全域に充填される。シール部材２３（図２）によって、注入材３が、拡散空間２５の上端部から漏れるのを防止できる。
その後、注入材３は、拡散空間２５から網目２２ｃを通して、模擬地山３０の内部に浸み込んでいく。これによって、注入材３を模擬地山３０の上下方向に偏りなく均等に浸み込ませることができる。つまり、注入材３が注入穴２０ｃの近くの模擬地山３０だけに浸み込むのを防止できる。したがって、実際のトンネル施工現場での地山への注入形態に近づけることができる。
すなわち、実際のトンネル施工現場では、先受け鋼管よりも少し大径の掘削孔が形成され、先受け鋼管から吐出された注入材が、一旦、先受け鋼管の外周面と前記掘削孔の内周面との間に充填された後、地山の内部に浸み込む。

ウレタン系注入材３は、注入穴２０ｃから吐出された後、しばらくは液状になっている。図２において三点鎖線にて示すように、液状（未発泡）の注入材３’は、模擬地山３０内を下方へ拡散していく。その一部は、模擬地山３０の下端部に達し、下側緩衝層３１と接し得る。該液状注入材３’は、僅かではあるが下側緩衝層３１に浸み込み得る。また、模擬地山３０と下側緩衝層３１との境は少なからず凸凹に入り組んでいる。これによって、模擬地山３０の下端面における液状注入材３’の拡散抵抗が高まり、注入材３’が模擬地山３０の下端面に沿って急速に拡散するのを抑制できる。

ウレタン系注入材３は、吐出後しばらくして発泡を開始する。
図２において二点鎖線にて示すように、発泡中の注入材３”は、模擬地山３０内を上方へ向けて拡散していく。その一部は、模擬地山３０の上端部に達し、上側緩衝層３２と接し得る。該発泡中の注入材３”は、僅かではあるが上側緩衝層３２に浸み込み得る。また、模擬地山３０と上側緩衝層３２との境は少なからず凸凹に入り組んでいる。これによって、模擬地山３０の上端面における注入材３”の拡散抵抗が高まり、注入材３”が模擬地山３０の上端面に沿って急速に拡散するのを抑制できる。
この結果、模擬地山３０の下端部及び上端部において注入材３の注入圧力が逃げるのを防止でき、模擬地山３０の中間部に注入材３が十分に浸透するようにできる。

注入材３の注入に伴って、試験容器１０内の空気が、フィルタ１６を透過し、通気穴１１ｄから排出される。また、模擬地山３０内の余剰の水分についても、フィルタ１６を透過させて通気穴１１ｄから押し出すことができる。これによって、注入材３を円滑に注入できる。
一方、模擬地山３０の硅砂は、フィルタ１６によって阻まれ、通気穴１１ｄから漏れるのを防止できる。

＜養生工程＞
注入工程後、注入材３が硬化するまで養生する。これによって、模擬地山３０における注入材３の浸透部分が硬化し、改良体３０Ｘ（図４）となる。模擬地山３０の中間部に注入材３を十分に浸透させることで、評価に適した改良体３０Ｘを得ることができる。
＜取り出し工程＞
その後、図４に示すように、試験容器１０を解体して、改良体３０Ｘを取り出す。
模擬地山３０の上下に緩衝層３１，３２を設けることによって、試験容器１０から改良体３０Ｘをきれいな状態で取り出すことができる。

＜評価工程＞
そして、改良体３０Ｘの大きさ、形状、硬さ、その他の物性から、注入材３によって所望の改良効果が得られるかどうかを評価する。すなわち、適用対象の地山に対する注入材３の適合性を評価する。
改良評価試験装置１によれば、評価に適した改良体３０Ｘが得られるために、評価を容易に行なうことができる。
複数の改良評価試験装置１を用意し、互いに組成等が異なる注入材３を注入して、各改良体３０Ｘを評価することで、適用対象の地山に合った注入材３を選定できる。

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、注入材は、前記ウレタン系注入材に限られず、シリカレジン系注入材、セメント系注入材等を用いてもよい。シリカレジン系注入材は、特殊珪酸ソーダ（Ａ液）と変性ポリイソシアネート（Ｂ液）を原料とする変性ポリウレタンである。
下側緩衝層３１と上側緩衝層３２との組成や成分（硅砂の粒径等）が互いに異なっていてもよい。
セメント系注入材は、模擬地山３０内を主に下方へ拡散されるから、模擬地山３０の少なくとも下側に緩衝層３１を設けるとよい。上側の緩衝層３２を省略してもよい。
前記ウレタン系注入材やシリカレジン系注入材等の発泡性注入材が、注入管２０から吐出後、すぐに発泡して上方へ拡散される等の場合は、上側の緩衝層３２だけを設け、下側の緩衝層３１を省略してもよい。
拡散空間画成部材２２は、網に限られず、筒状の多孔板などによって構成してもよい。拡散空間画成部材２２を省略してもよい。
本発明は、切羽の上半アーチ外周から前方へ長尺先受け鋼管を打設する長尺先受け工法の注入材選定の他、切羽鏡部に鏡ボルトを打設する鏡ボルト工法の注入材選定などにも適用できる。
本発明は、トンネル構築時の地山への注入材の選定に限られず、他の地中構造物やビル等の建築構造物を構築する際の地盤改良材としての注入材の選定等にも適用できる。

実施例を説明する。ただし、本発明が以下の実施例に限定されるものではない。
図１と実質同等の改良評価試験装置１を作製した。
試験容器１０としてドラム缶を用いた。試験容器１０の高さは８５０ｍｍ、内径は５７０ｍｍであった。
注入管２０として、直径２７．２ｍｍの中空ボルトを用いた。
模擬地山３０として、２号硅砂（粒径２〜４ｍｍ、透水係数１０^０〜１０^１ｃｍ／ｓ）を用いた。模擬地山３０の高さ（厚み）は、６５０ｍｍであった。
下側緩衝層３１として、８号硅砂（粘土）を用いた。下側緩衝層３１の厚みは、３０ｍｍであった。
上側緩衝層３２として、８号硅砂（粘土）を用いた。上側緩衝層３２の厚みは、３０ｍｍであった。
押し蓋層３３は、モルタルであり、その厚みは、１４０ｍｍであった。
注入材３として、旭有機材株式会社製ウレタン系注入材を用いた。注入材３の注入量は６．６ｋｇ、注入圧力は１〜２ｋｇ／ｍｉｎ、想定発泡倍率は３．６倍であった。

注入材３の硬化度、試験容器１０を解体して、改良体３０Ｘを取り出した。該改良体３０Ｘの写真を図５に示す。
改良長（改良体３０Ｘの高さ）は、約６００ｍｍであった。改良幅（改良体３０Ｘの直径）は平均して３３４．５ｍｍであった。
改良体３０Ｘの中央部が上下端部より太くなり、良好な改良体が得られることが確認された。

［比較例１］
比較例として、緩衝層３１，３２を省いて試験を行った。得られた改良体の写真を図６に示す。
改良体の下端部が大きく広がっており、試験容器１０の底板１２に沿って注入材３が急速に拡散したことが推察される。

本発明は、例えばトンネル地山の地盤改良材の選定に適用できる。

１改良評価試験装置
３注入材
３ＡＡ液供給源
３ＢＢ液供給源
１０試験容器
１１周壁
１１ｄ通気穴
１２底板
１３蓋板
１６フィルタ
２０注入管
２０ｃ注入穴
２１Ａ供給管
２１Ｂ供給管
２２拡散空間画成部材
２２ｃ網目２２ｃ（透孔）
２３シール部材
２５拡散空間
３０模擬地山
３０Ｘ改良体
３１緩衝層
３２緩衝層
３３押し蓋層

Claims

注入材による地山の改良効果を評価する試験装置であって、
試験容器と、
前記試験容器内に配置され、前記注入材を吐出する注入管と、
前記注入管を埋めるようにして、前記試験容器内に収容された模擬地山と、
前記模擬地山の下側又は上側に前記模擬地山と接するように積層され、前記注入材の拡散抵抗が前記模擬地山よりも高い緩衝層と、
を備え、
前記試験容器の前記模擬地山に臨む周壁には、その周方向および軸方向に分散して通気穴が形成され、
前記周壁の内周面には、前記通気穴毎に、気体及び液体の透過を許容し固体の透過を阻止するフィルタが、前記通気穴を覆うようにして設けられていることを特徴とする改良評価試験装置。
前記緩衝層が、前記模擬地山より粒度が小さい硅砂又は粘土を含むことを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の改良評価試験装置。