JP6969899B2

JP6969899B2 - 根固め部の強度推定方法

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Publication number: JP6969899B2
Application number: JP2017096794A
Authority: JP
Inventors: 侑也依田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-05-15
Also published as: JP2018193729A

Description

本発明は、杭の根固め部の強度推定方法に関するものである。

従来、基礎杭を構築する方法として、支持層まで杭穴を掘削して、杭穴内に既製杭や鉄筋篭を設置して基礎杭を構築する方法がある。この方法においては、杭穴内の底部に根固め液を注入し、固化させて根固め部を形成する。根固め部の形成は、地中深くにおいて行うため、強度の測定が難しい。そこで、根固め部の強度を推定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この強度推定方法では、予め、施工現場のＮ値、地盤性状を計測し、比重−圧縮強度の対応表を作成しておく。そして、固化する前の根固め部から試料を採取して、比重を測定する。そして、この比重と対応表とから根固め部の固化後の圧縮強度を求める。

特開２０１０−２２２７９９号公報

比重から圧縮強度を求める場合には、試料中に地盤材料が均一に混合されている必要がある。即ち、試料中に含まれる地盤材料の量に応じて試料の比重が変わるため、対応表から求める圧縮強度にも影響が及ぶ。しかしながら、杭穴の底部において地盤材料が均一に混合されているか否かを確認することは困難である。しかも、試料内に含まれる地盤材料の量が試料採取の場所により変化してしまう恐れがあり、安定した強度の推定が難しいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、試料内に含まれる地盤材料の量に関わらず安定した根固め部の強度推定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る根固め部の強度推定方法は、地盤を掘削した杭穴の底部にセメントミルクを含む液体を注入、固化することによって形成される根固め部の強度を推定する方法であって、前記地盤の前記根固め部が形成される層から前記層の構成物を第一の試料として採取する第一の工程と、前記第一の試料の密度を求める第二の工程と、前記第一の試料を骨材として含むセメントミルクを複数種類生成して固化させ、それら前記セメントミルクのセメント水比と固化後の圧縮強度とから、前記第一の試料を骨材として含むセメントミルクのセメント水比と圧縮強度との関係式を求める第三の工程と、掘削した杭穴の底部にセメントミルクを注入し、注入後の前記セメントミルクと掘削土砂との混合物を第二の試料として採取する第四の工程と、前記第四の工程で採取した前記第二の試料から試験体を作成し、前記試験体の体積及び質量を求める第五の工程と、前記第二の試料の電気伝導度を測定する第六の工程と、前記第五の工程で求めた前記試験体の前記質量及び前記第六の工程で求めた前記第二の試料の前記電気伝導度から、前記試験体に含まれる水の質量を求め、前記水の質量、前記第五の工程で求めた前記試験体の前記質量、前記体積、及び前記第二の工程で求めた前記第一の試料の前記密度から、前記第二の試料のセメント水比を求める第七の工程と、前記第二の試料の前記セメント水比及び前記第三の工程で算出した関係式から、前記根固め部の圧縮強度を推定する第八の工程と、を有することを特徴とする。

上述の構成によれば、セメント水比と圧縮強度との関係から、根固め部の圧縮強度を推定するので、第二の試料に入っている地盤材料の量に関わらず、根固め部の圧縮強度を推定することができ、より正確に、根固め部の圧縮強度を推定することができる。

図１は、本発明の実施形態における基礎杭を示した縦断面図である。図２は、本発明の実施形態における施工手順を示した縦断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る各種地盤材料によるセメント水比と圧縮強度との関係を示す図である。図４は、本発明の実施形態に係る電気伝導度と水量との関係を示す図である。図５は、本発明の実施形態に係る砂に粘土分を置換していった場合の電気伝導度と水量との関係を示す図である。図６は、本発明の実施形態に係る根固め部の強度推定方法の施工手順の一部を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る根固め部の強度推定方法の好適な実施形態について図１〜図６に基づいて詳細に説明する。この根固め部の強度推定方法は、基礎杭の施工の際に、掘削した杭穴の底部にセメントミルクを含む液体を注入して形成する根固め部の強度推定方法である。本実施形態においては、図１に示すように、地盤１１において、地表から支持層１２にかけて掘削した杭穴１の底部に根固め部を構築した後、杭穴１に基礎杭３１を配設する場合において、基礎杭３１を配設する以前に根固め部の強度を推定する方法について例示する。杭穴１を掘削する際に使用する掘削機は、図２Ａに示すように、掘削ロッド２の先端に掘削ヘッド３を備えたものである。掘削ヘッド３は、順方向に回転させた場合に掘削歯が閉じた状態となる。一方、逆方向に回転させると掘削歯が広がり、拡大掘りができるようになっている。

第一の工程：この根固め部の強度推定方法では、まず根固め部が形成される支持層１２からその構成物を試料（第一の試料）として採取する。試料を採取する場合には、例えば、ボーリングによって行えば良い。

第二の工程：第一の工程で採取した第一の試料の密度を求める。この時の密度は、１０５℃乾燥（絶対乾燥）時の密度でよい。密度の測定は、密度測定装置を使用すると良い。

第三の工程：第一の工程で採取した第一の試料を骨材として含むセメントミルクを複数種類生成し、そのセメント水比とそれを固化させたものの圧縮強度とを測定することにより、第一の試料を骨材として含むセメントミルクのセメント水比と圧縮強度の関係式を算出する。より具体的には、第一の試料を骨材として含む試験体としてのセメントミルクを、骨材の量と、セメントの量と、水の量とをそれぞれ変えて、複数パターン生成し、それらのセメント水比を算出するとともに、それらを固化させ、材齢２８日の圧縮強度を測定する。その結果から、図３に示すように、セメント水比と圧縮強度の関係式（回帰式）を算出する。尚、回帰式は直線となる。Ｒの２乗は、決定係数を表す。図３は、第一の試料が、礫質砂だった場合（図３Ａ）、砂混じり礫（図３Ｂ）だった場合の第一の試料を骨材として含むセメントミルクのセメント水比と圧縮強度の関係の一例を示している。図３に示すように、第一の試料の材質によって、セメント水比と圧縮強度の関係式は異なる。

第四の工程：図２Ａに示すように、基礎杭３１の施工現場にて、水（掘削液）を注入しながら掘削ロッド２によって杭穴１を掘削する。杭穴１を掘削する際には、図２Ｂで示すように、練付ドラム４で杭穴１の側壁を均しながら掘削することが好ましい。掘削された杭穴１は、注入した水と掘削土砂等の地盤材料とが混合した泥水１３で満たされることになる。支持層１２に到達するまで掘削したら、掘削ロッド２を逆転させ、掘削ロッド２の先端部である掘削ヘッド３を拡開させる。その状態で、図２Ｂに示すように、掘削ロッド２によって、杭穴１の他の部分より大きな径で支持層１２を拡大掘削を行い、拡大部１Ａを形成する。その後、図２Ｃに示すように、拡大部１Ａにセメントミルク（根固め液）を注入し、泥水１３と掘削土砂等の地盤材料、主に支持層１２の構成物と撹拌混合する。セメントミルクは、主に支持層１２の構成物を骨材として含むソイルセメント２１となる。セメントミルクを充填した後、掘削ロッド２を杭穴１から引き上げる。図２Ｄの状態で、ソイルセメント２１が固化する前に支持層１２の構成物を骨材として含んだソイルセメント２１（セメントミルクと掘削土砂との混合物）から試料（第二の試料）を採取する（ステップＳ１０１）。試料の採取方法としては、例えば、掘削ロッド２の先端に試料採取器を取り付け、これにより、試料を採取する。尚、第二の試料を採取する前に、セメントミルクと泥水１３と地盤材料とを掘削機の掘削ロッド２によって撹拌混合したが、撹拌しなくともよい。

第五の工程：第二の試料から試験体を作成し、その質量と体積を求める（ステップＳ１０２）。その方法としては、例えば、容積がわかっている容器に、容器が満たされるまで第二の試料を注入し、試験体を作成する。そして、その試験体の質量を求める。容器の容積は、試験体の体積であるので、この体積と求めた試験体の質量から、第二の試料の密度を算出することができる。

第六の工程：第二の試料の電気伝導度を測定する（ステップＳ１０３）。電気伝導度は、電気伝導度計を使用して測定する。電気伝導度は、試験体の電気伝導度を測定すればよい。

第七の工程：第二の試料のセメント水比を求める（ステップＳ１０４）。測定した第二の試料の電気伝導度と、試験体の質量から、試験体に含まれる水の質量を求める。図４に示すように、試験体の電気伝導度と試験体に含まれる水量との間には相関関係があり、例えば、図中に示した回帰式より、試験体の水量を求めることができる。尚、この方法は、図５に示すように、粘土分の含有量が２０％以下の場合に使用されるとよい。水の質量、試験体の質量、試験体の体積及び第一の試料の密度を使用し、下記質量の方程式及び体積の方程式から、試験体中のセメントの質量及び骨材の質量を求める。試験体に含まれる水の量とセメントの量より、第二の試料のセメント水比を求める。
W_C+W_W+W_S=W₀ （１）質量の方程式
W_C/ρ_C+ W_W/ρ_W + W_S/ρ_S=V₀（２）体積の方程式
ここで、W_C：セメントの質量、W_W：水の質量、W_S：骨材の質量、W₀：試験体の質量、
ρ_C：セメントの密度(≒3.15)、ρ_W：水の密度(≒1.0)、ρ_S：骨材の密度（第一の試料の密度）、V₀：試験体の体積

第八の工程：第二の試料のセメント水比と前述の関係式（強度評価式）とから、根固め部３２の圧縮強度を推定する（ステップＳ１０５）。

第九の工程：推定された強度が設計基準を満たすかを判定する（ステップＳ１０６）。設計基準を満たす場合、根固め部の強度推定を終了する（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）。一方、設計基準を満たさない場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、第二の試料の材齢Ｘ日強度もしくは、根固め部３２のコア強度を測定する（ステップＳ１０７）。第二の試料の材齢Ｘ日強度もしくは、根固め部３２のコア強度が設計基準を満たしているか判定する（ステップＳ１０８）。設計基準を満たす場合、根固め部の強度推定を終了する（ステップＳ１０８，Ｙｅｓ）。一方、設計基準を満たさない場合（ステップＳ１０８，Ｎｏ）、根固め部３２の再施工を行う（ステップＳ１０９）。その後、ステップＳ１０１に戻る。根固め部３２の圧縮強度が十分であると推定される場合、図２Ｅに示すように、杭穴１内の拡大部１Ａより上部の部分１Ｂに杭周固定液２２を地表付近にまで注入する。その際に、地上に溢れ出す泥水１３は、例えば、セメント系の固化材を添加して固化し、トラックで搬送可能な程度の粘度として産業廃棄物として処分してもよい。その後に、図２Ｆに示すように、基礎杭３１を拡大部１Ａに達するまで沈設する。拡大部１Ａのソイルセメント２１が固まると、根固め部３２となる。

上述のように、予め、基礎杭３１の支持層１２となる個所から試料を採取し、その試料を骨材として含むセメントミルクのセメント水比と、それを固化させたものの圧縮強度との関係式を求める。そして、根固め部３２を施工する際に拡大部１Ａに注入した固化する前のセメントミルク（ソイルセメント２１）から試料を採取し、その試料のセメント水比を求め、前述の関係式から圧縮強度を求めるようにしている。セメント水比は、セメントの量と水の量のみから決まる量である。従って、試料に含まれる骨材（地盤材料）の量に関係なく圧縮強度を推定することができる。

また、セメント水比を求める際に、電気伝導度を測定し、水の量を算出しているので、計算でセメントの量を算出することができ、容易にセメント水比を求めることができる。

また、水は、地盤材料と比較して、セメントミルクと均一に混ざりやすく、試料採取場所によるセメント水比の変化は、地盤材料の試料採取場所による量の変化と比較して、小さいものと考えられる。従って、セメント水比から圧縮強度を求める本方法は、試料の比重から圧縮強度を求める場合よりも、誤差が少なく圧縮強度を推定することができる。

また、圧縮強度の推定にかかる日数も、拡大部１Ａにセメントミルクを打設してから１日以内で可能なので、早期に根固め部３２の補修が可能となる。

（確認実験）
・使用材料
セメントは普通ポルトランドセメント（以下C）を使用し、水は水道水（以下W）を使用した。また、土質サンプルとして、東京都近郊で採取した成田層砂（以下、砂／S）および東京礫層（以下、礫／R）を支持層の骨材を模擬して使用した。材料の材料特性を表１に示す。作製した試験体の調合を表２、表３に示す。表２、表３に示す通り、様々な組成の根固液を模擬した試験体を作製した。

重量および電気伝導度の測定
材料の練混ぜはJIS R 5201に準じた。練混ぜた材料を、直径50mm・高さ100mm(容積196.3cm³)のブリキ製円柱型枠に気泡が極力入らないように打ち込んだ後、打込み面を平滑にし、重量を測定した。

重量を測定した後、同じ容器に電気伝導度計の測定部位を差し込み、電気伝導度を測定した。電気伝導度（mS/cm ミリジーメンス/センチメートル）と、試験体の水量の間には、図４に示す通り、相関関係があり、回帰式より簡易的に試験体の水量（W_W）を求める事が出来る。なお、支持層材料中の粘土分の含有量を、砂/Sに5,10,15,20,100％置換することで変えた場合について、別途電気伝導度と水量の関係を取った結果を図５に示す。図５に示す通り、粘土分の含有量は、20%以下がデータのバラつきの観点から望ましい。

尚、上述の実施形態では、杭穴１の底部を拡大掘りして、拡大部１Ａを形成したが、拡大部１Ａを形成せず、他の部分と同じ径とした杭穴１の底部にセメントミルクを注入して根固め部を形成してもよい。上述の実施形態ではセメント水比を使用しているが水セメント比を使用しても良い。セメントの量と水の量との比であればよい。上述の実施の形態における工程の順序は、記載されている順序に限られない。例えば、第二の工程は、第七の工程の前であればよいし、第七の工程と同時であってもよい。

１杭穴
１Ａ拡大部
１１地盤
１２支持層
２１ソイルセメント
３１基礎杭
３２根固め部

Claims

地盤を掘削した杭穴の底部にセメントミルクを含む液体を注入、固化することによって形成される根固め部の強度を推定する方法であって、
前記地盤の前記根固め部が形成される層から前記層の構成物を第一の試料として採取する第一の工程と、
前記第一の試料の密度を求める第二の工程と、
前記第一の試料を骨材として含むセメントミルクを複数種類生成して固化させ、それら前記セメントミルクのセメント水比と固化後の圧縮強度とから、前記第一の試料を骨材として含むセメントミルクのセメント水比と圧縮強度との関係式を求める第三の工程と、
掘削した杭穴の底部にセメントミルクを注入し、注入後の前記セメントミルクと掘削土砂との混合物を第二の試料として採取する第四の工程と、
前記第四の工程で採取した前記第二の試料から試験体を作成し、前記試験体の体積及び質量を求める第五の工程と、
前記第二の試料の電気伝導度を測定する第六の工程と、
前記第五の工程で求めた前記試験体の前記質量及び前記第六の工程で求めた前記第二の試料の前記電気伝導度から、前記試験体に含まれる水の質量を求め、前記水の質量、前記第五の工程で求めた前記試験体の前記質量、前記体積、及び前記第二の工程で求めた前記第一の試料の前記密度と、既知のセメントの密度及び既知の水の密度とを用いた前記試験体の質量の方程式と前記試験体の体積の方程式とから未知の前記試験体のセメントの質量と前記試験体の骨材の質量とを求め、前記試験体のセメントの質量及び前記試験体の水の質量から、前記第二の試料のセメント水比を求める第七の工程と、
前記第二の試料の前記セメント水比及び前記第三の工程で算出した関係式から、前記根固め部の圧縮強度を推定する第八の工程と、
を有することを特徴とする根固め部の強度推定方法。