JP6979792B2

JP6979792B2 - 根固め部の強度判定方法

Info

Publication number: JP6979792B2
Application number: JP2017104764A
Authority: JP
Inventors: 侑也依田; 俊介清村; 美治浅香
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: JP2018199935A

Description

本発明は、杭の根固め部の強度判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は、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するものがある。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。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、根固め部において根固め液と掘削土砂が均一に混合されている必要がある。しかしながら、杭穴の底部において掘削土砂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。根固め部において、掘削土砂が均一に混合されていない場合、試料を採取する場所により、試料中に含まれる掘削土砂の量が変わる。試料の比重は、試料中に含まれる掘削土砂の量に応じて変わるため、比重から求められる圧縮強度も試料の採取場所により変わることとなる。そうすると、強度の推定の誤差が大きくなる。従って、このような方法で推定された強度に基づいて根固め部が必要圧縮強度を満たすかどうか判定する場合も、その正確性に疑問がある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、試料内に含まれる掘削土砂の量に関わらず、より正確に根固め部が必要圧縮強度を満たすかを判定可能な根固め部の強度判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判定方法は、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が必要圧縮強度を満たすかを判定する根固め部の強度判定方法であって、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二の工程と、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三の工程と、前記第三の工程で採取した前記第二の試料から試験体を作成し、前記試験体の含有水分量を求める第四の工程と、前記第四の工程で求めた前記水分量、前記根固め部の必要圧縮強度及び前記第二の工程で算出した前記関係式から、前記試験体が前記必要圧縮強度を満たすとした場合に前記試験体中に含まれるべきセメント量を求める第五の工程と、前記試験体中に含まれるセメント量が前記第五の工程で求めたセメント量を満たしているか判定する第六の工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る根固め部の強度判定方法においては、酸を使用して前記試験体中に含まれるセメント量が前記第五の工程で求めたセメント量を満たしているかの判定を行うとよい。

本発明に係る根固め部の強度判定方法においては、前記試験体を作成する際に粒径が１ｍｍ以上の骨材を除去する工程を含むとよい。

上述の構成によれば、固化前の根固め部から採取した第二の試料から試験体を作成し、必要圧縮強度における試験体中に含まれるべきセメント量をセメント水比と圧縮強度との関係から求め、試験体中に含まれるセメント量がその求めたセメント量を満たしているかどうかを判定することで、根固め部の強度を判定している。従って、第二の試料に入っている掘削土砂の量に関わらず、根固め部の強度を判定することができ、より正確に、根固め部の強度を判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圧縮強度とセメント水比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酸の滴下量とセメント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試験における圧縮強度とセメント水比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判定方法の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判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判定方法は、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が固化後に必要圧縮強度を満たすかを判定するものである。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３２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３２の強度を判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判定方法では、まず根固め部３２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、例えば、１２パターン（少なくとも２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）、砂混じり粘土だった場合（図３Ｂ）、砂質粘土だった場合（図３Ｃ）、砂混じり礫（図３Ｄ）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。

第三の工程：図２Ａに示すように、基礎杭の施工現場にて、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（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と掘削土砂と撹拌混合する。セメントミルクは、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、図２Ｄの状態で、ソイルセメント２１が固化する前にソイルセメント２１（掘削土砂を含んだセメントミルク）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。試料の採取量としては、100g程度でよい。尚、第二の試料を採取する前に、セメントミルクと泥水１３と掘削土砂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。

ここで、後述する酸に対する第一の試料の溶解割合や、第一の試料のpHに与える影響を把握しておくとよい（ステップＳ１０２）。第一の試料のpHに与える影響を把握しておくこととは、例えば、所定量のセメントに十分な水を加えたものを中和する量の酸を所定量のセメントと十分な水と所定量の第一の試料とからなる液体に入れた際のpHの値を求めることである。また、第一の試料のpHに与える影響を把握しておくこととは、第一の試料に十分な水を加えたもののpHを測定することであってもよい。

第四の工程：第三の工程で採取した第二の試料から試験体を作成し、試験体の含有水分量を求める。試験体を作成する際には、第二の試料を目開き1mmの篩にかけ、粒径が1mm以上の骨材を除去する（ステップＳ１０３）。篩にかけた第二の試料から、所定量、例えば5g取り出し、試験体とする。試験体の水分量を測定する（ステップＳ１０４）。試験体の水分量を測定する方法としては、例えば、赤外線水分計や電子レンジを用いて水分を逸散させる方法、フライパンにより熱して水分を逸散させる方法、有機溶媒を使用する方法等の方法が使用できる。また、水分量の測定は温度が200℃以下の状態で行うとよい。これは、粘土が熱により変性し、酸に溶解する成分となってしまう可能性があるためである。

第五の工程：第四の工程で求めた水分量、根固め部３２の必要圧縮強度及び第二の工程で算出した関係式から、必要圧縮強度における試験体中に含まれるべきセメント量（第一セメント量と記す）を求める（ステップＳ１０５）。根固め部３２の必要圧縮強度とは、根固め部３２に基礎杭３１を配設し、根固め部３２が固化した際に必要な圧縮強度であり、設計基準強度から安全率を考慮したものであるとよい。セメント量を求める際には、先ず、第二の工程で算出した関係式に必要圧縮強度を代入し、セメント水比を求める。セメント水比＝セメントの質量／水の質量であるので、求めたセメント水比と、第四の工程で求めた水分量とからセメントの質量が求まる。これが、第一セメント量である。

第六の工程：試験体中に含まれるセメント量が、第一セメント量を満たしているか判定する。これを判定する方法としては、例えば酸を使用する方法を使用すると良い。酸を使用する方法としては、例えば、次のような方法がある。第一セメント量のセメントを水に溶かしたものを中和するのに必要な量の酸を試験体と混合する（ステップＳ１０６）。その結果、中和したかもしくはアルカリ性であるか、例えば、pHが7以上であるかを判定する（ステップＳ１０７）。なお、この際、溶解速度を保つ観点から、20℃以上に溶液の温度を保つことが望ましい。中和したかもしくはアルカリ性であった場合（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）、第一セメント量のセメントが試験体に含まれていると判定し、根固め部の強度判定を終了する。この際、使用する酸は、毒劇物でない酸、例えば酒石酸を使用すると良い。また、中和しているどうかの判定は、例えば、フェノールフタレイン容液等の指示薬を使用しても良いし、pH試験紙を使用しても良い。

また、第一セメント量のセメントを水に溶かしたものを中和するのに必要な量の酸を求める方法について説明する。予め、使用する所定の濃度に調整した酸と使用するセメントを、溶解させて中和させ、図４のように単位質量の試料中に含まれるセメントの割合と中和に至った酸の滴下量との関係を求める。試料中に含まれるセメントの割合と試料に酸を加えていった際に中和に至った酸の滴下量との関係は、図４に示すように回帰式で表すことができる。従って、試験体の量と試験体中のセメント量がわかれば、試料中に含まれるセメントの割合がわかり、回帰式より、中和に必要な酸の量を求めることができる。尚、中和に必要な酸の量を求める際には、酸に対する第一の試料の溶解割合や、第一の試料のpHに与える影響を考慮に入れても良い。この際には、例えば、試験体中の骨材（第一の試料）の量を求めてもよい。骨材の量を求める方法としては、コンクリートの配合推定の方法を使用することができる。これには、例えば、塩酸を使用する方法、グルコン酸ナトリウムを使用する方法や、誘導結合プラズマ発光分光分析装置を使用する方法等がある。

また、試験体中に含まれるセメント量が、第一セメント量を満たしているかどうかの判定は、試験体中に含まれるセメント量を求めることによって行っても良い。セメント量を求める方法としては、例えば、水分を蒸発させた後の試料を所定量の塩酸に溶解させて水酸化ナトリウムで滴定を行う方法や、酸に溶解させた際の溶解熱の算出により求める方法等の方法を使用することができる。

第七の工程：酸と試験体の混合液が酸性だった場合、即ち、根固め部３２が必要圧縮強度を満たさないと判定された場合（ステップＳ１０７，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Ｓ１０８）。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Ｓ１０９）。設計基準を満たす場合、根固め部の強度判定を終了する（ステップＳ１０９，Ｙｅｓ）。一方、設計基準を満たさない場合（ステップＳ１０９，Ｎｏ）、根固め部３２の再施工を行う（ステップＳ１１０）。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判定される場合、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、固化後の根固め部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）から試料を採取し、その試料中に根固め部３２が必要圧縮強度を満たすだけのセメント量である第一セメント量が含まれているかどうかを判定している。第一セメント量は、前述した関係式から求めている。このようにして、根固め部３２が必要圧縮強度を満たすかを判定している。従って、試料に含まれる骨材（掘削土砂）の量に関係なく根固め部の強度判定を行うことができる。

また、水は、掘削土砂と比較して、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、掘削土砂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、必要圧縮強度からセメント水比を介して必要なセメント量である第一セメント量を求める本方法は、試料の比重から圧縮強度を求めて根固め部の強度を判定する場合よりも、誤差が少なく根固め部の強度を判定することができる。

また、圧縮強度の判定にかかる日数も、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。また、篩により粗大な骨材を除去してから試験体を作成しているので、試験体に粗大な骨材が混入することを防止でき、誤差を招く要因を削減できる。

（試験）
上述の根固め部の強度判定方法に関する試験を行った。実際に根固め部を形成し、必要圧縮強度を満たすか判定を行った。方法は上述の通りである。判定強度は、18N/mm²とした。試験体に酸を投入した後、指示薬を用いて判定をおこなったところ、指示薬は発色し、根固め部は必要圧縮強度を満たすと判定された。pHの実測を行ったところ、pH=8.5であった。加えて、水分を測定した乾燥試料（試験体）を分析し、根固め部の強度を推定した。分析方法は次の通りである。
（１）封かん状態の試験体を粗粉砕(1mm 程度)し、105℃乾燥炉で二時間乾燥させた。乾燥前後の質量減少を、自由水の逸散と定義した。（三試験体の平均値）
（２）105℃で乾燥させた試料を、微粉砕し、TG-DTA（分析装置）により、1000℃まで昇温させ、105℃から1000℃における強熱減量を、結合水量として定義した。(二試験体の平均値)なお、600℃〜750℃までの質量減少は、炭酸カルシウムの脱炭酸として、結合水量からは除いた。
（３）105℃で乾燥させた試料を、微粉砕し、1g 測りとり、塩酸(1+100)を用いて溶解させた。この時の不溶残分を、支持層を構成する粘土、土丹、礫、砂などの固形分と定義した。(二試験体の平均値)

結果を表１に示す。また、用いた強度の推定式を図５に示す。推定式は、実験室で砂を10%および25%で作成した未固結模擬試験体の強度試験結果より作成した。推定された圧縮強度は、19.5 N/mm²であった。また、実際に採取した未固結試料の材齢28日における圧縮強度は、22.5N/mm²であった。従って、上述の根固め部の強度判定方法でおこなった判定は、正しかったと考えられる。

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、第三の工程における酸に対する第一の試料の溶解割合の把握は、第六の工程の前であればよい。

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が必要圧縮強度を満たすかを判定する根固め部の強度判定方法であって、
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二の工程と、
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三の工程と、
前記第三の工程で採取した前記第二の試料から試験体を作成し、前記試験体の含有水分量を求める第四の工程と、
前記第四の工程で求めた前記水分量、前記根固め部の必要圧縮強度及び前記第二の工程で算出した前記関係式から、前記試験体が前記必要圧縮強度を満たすとした場合に前記試験体中に含まれるべきセメント量を求める第五の工程と、
酸を使用して計測した前記試験体中に含まれるセメント量が前記第五の工程で求めたセメント量を満たしているか判定する第六の工程と、
を有することを特徴とする根固め部の強度判定方法。
前記試験体を作成する際に粒径が１ｍｍ以上の骨材を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の根固め部の強度判定方法。