JP7128794B2

JP7128794B2 - 杭施工方法、及び、杭

Info

Publication number: JP7128794B2
Application number: JP2019210531A
Authority: JP
Inventors: 健之藤井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2022-08-31
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: JP2021080776A

Description

この発明は、建設現場に杭を施工するための杭施工方法、その杭施工方法に使用される気泡含有セメントミルクの生成方法、及び、その杭施工方法によって施工された杭に関する。

建設工事等の工事現場においては、地盤の掘削作業時に工事現場の隣接地側から工事現場側へ土砂が崩壊するのを防止する土留め壁を構築するための柱列杭や、建物を支持するための支持杭が形成される。この杭の施工方法として、例えば下記特許文献１に示す方法がある。この施工方法においては、地盤に掘削した掘削穴の中に、セメント、水、及び、ベントナイトを主成分とするセメントミルクを注入し、掘削に伴って生じた掘削土とセメントミルクを撹拌混合したソイルセメントからなる柱状体を形成する。そして、このソイルセメントが固化する前に掘削穴にＨ形鋼などの芯材を挿入して、芯材が埋設された柱状体を構築している（特許文献１の段落００１７～００３７、図１～図３など参照）。

特開２０１２－１０７４４４号公報

特許文献１に係る土留め壁の構築方法においては、セメントミルク中の水分が掘削穴の内壁に吸収されることによってその内壁が緩みやすく、その一部が柱状体側に崩壊することがある。この崩壊が生じると、ソイルセメントが固化した後の柱状体の強度が不足したり、掘削穴の底部に崩壊した土砂が堆積して、掘削穴への芯材の挿入が困難となったりする等の問題が生じ得る。

そこで、この発明は、掘削穴の内壁が柱状体側に崩壊するのを防止することを課題とする。

上記の課題を解決するため、この発明は、地盤に所定深さの掘削穴を形成する掘削工程と、起泡剤によって生成した気泡を含む気泡含有セメントミルクを前記掘削穴に注入しながら前記掘削工程に伴って生じた掘削土と撹拌混合して、前記気泡を含むソイルセメントからなる柱状体を形成する柱状体形成工程と、を有し、前記気泡の内圧を前記掘削穴の内壁に作用させて、該掘削穴の内壁の前記柱状体側への崩壊を防止した杭施工方法を構成した。

ソイルセメント中に導入された気泡は、その直径が小さいほど、この気泡の周囲の圧力に対する内圧（ゲージ圧）が高い状態で安定的に保持することができる性質を有している。掘削穴の内壁は、この内壁と接触する気泡の内圧によって径方向外向きに押圧されている。このため、この押圧によって掘削穴の内壁が柱状体側に崩壊するのを防止することができる。

前記構成においては、前記気泡の直径が、２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲であるのが好ましい。

このようにすると、掘削穴の内壁の崩壊防止に必要な押圧力を気泡からその内壁に向かって作用させることができる。

また、この発明においては、大気圧よりも高圧の圧縮気体と起泡剤によって気泡を生成する気泡生成工程と、前記気泡を微細化手段に通して微細化する第一微細化工程と、微細化された前記気泡をその内圧で破裂させてさらに微細な気泡とする第二微細化工程と、前記第二微細化工程によって微細化された気泡とセメントミルクとを混合する混合工程と、を有する気泡含有セメントミルクの生成方法を構成した。

上記の杭施工方法においては、既述の通り、気泡の直径を小さくするほど気泡の内圧が高い状態で安定的に保持することができるが、微細な気泡を形成するのは容易ではない。そこで、第一微細化工程と第二微細化工程の２工程を順次行った後にセメントミルクを混合することによって、微細な気泡が混合されたセメントミルクを容易に形成することができる。

前記構成においては、前記第二微細化工程後の気泡の直径が、２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲であるのが好ましい。

このようにすると、既述の通り、掘削穴の内壁の崩壊防止に必要な押圧力を気泡からその内壁に向かって作用させることができる。

また、この発明においては、起泡剤によって生成した気泡を含む気泡含有セメントミルクと、地盤の掘削によって生じた掘削土とを撹拌混合した柱状体を有し、前記気泡の直径が、２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲である杭を構成した。

このようにすると、この杭の施工の際に掘削穴の内壁の崩壊が生じず、掘削穴の底まで均質なソイルセメントからなる柱状体を構築することができるため、この杭の十分な強度を確保することができる。

この発明は、杭施工方法を、地盤に所定深さの掘削穴を形成する掘削工程と、起泡剤によって生成した気泡を含む気泡含有セメントミルクを前記掘削穴に注入しながら前記掘削工程に伴って生じた掘削土と撹拌混合して、前記気泡を含むソイルセメントからなる柱状体を形成する柱状体形成工程と、を有し、前記気泡の内圧を前記掘削穴の内壁に作用させて、該掘削穴の内壁の前記柱状体側への崩壊を防止するようにしたので、ソイルセメント中に導入された気泡による径方向外向きの押圧によって、掘削穴の内壁が柱状体側に崩壊するのを防止することができる。

この発明に係る杭施工方法の工程を示す断面図であって、（ａ）は掘削穴を形成した状態、（ｂ）は気泡含有セメントミルクを注入しつつ撹拌混合を行い、ソイルセメントからなる柱状体を形成している状態、（ｃ）は柱状体が完成した状態図１（ｃ）中のＡ部の拡大図杭施工方法の工程を示す断面図であって、（ａ）は柱状体に１枚目の鋼矢板を挿入しつつある状態、（ｂ）は１枚目の鋼矢板の挿入が完了した状態、（ｃ）は１枚目の鋼矢板の隣に新たに柱状体を形成した状態、（ｄ）は新たに形成した柱状体に、２枚目の鋼矢板を挿入しつつある状態、（ｅ）は２枚目の鋼矢板の挿入が完了した状態この発明に係る気泡含有セメントミルクの生成方法に用いる気泡含有セメントミルクの生成装置を示す概略図

この発明に係る杭施工方法の各工程を図１（ａ）～（ｃ）を用いて説明する。この杭施工方法は、掘削工程と柱状体形成工程を主要な構成要素としている。

掘削工程は、図１（ａ）に示すように、地盤Ｇに所定深さの掘削穴１０を形成する工程である。オーガ１１の下端側には掘削刃１２が取り付けられており、このオーガ１１を回転駆動すると掘削刃１２によって地盤Ｇが掘削される。

柱状体形成工程は、図１（ｂ）に示すように、気泡１３を含む気泡含有セメントミルク１４を掘削刃１２の下端に設けられたノズルから噴射するとともに、掘削刃１２を回転しながら複数回上下動することにより、掘削穴１０内の掘削土１５と気泡含有セメントミルク１４を撹拌混合して、気泡１３を含むソイルセメントからなる柱状体１６を形成する工程である。

気泡含有セメントミルク１４の生成に用いられるセメントミルク１７（図４参照）は、セメントと水を主成分とする。この主成分の配合割合（配合量）は、例えば、セメント：水＝２００ｋｇ：３００ｋｇとされる。この配合割合のとき、水セメント比（水／セメント×１００）は１５０となる。このセメントミルク１７に、起泡剤によって生成した気泡１３が、例えば約２００Ｌ導入され、上記の配合量の場合、気泡１３を含む気泡含有セメントミルク１４の総体積は約５５０～６００Ｌとなる。このとき、気泡含有セメントミルク１４の総体積に占める気泡１３の割合（気泡注入率）は約０．３５となり、その比重は約０．９１となる。この実施形態においては、起泡剤として界面活性剤（商品名：エマール（花王株式会社製））を使用した。

この実施形態に用いられる気泡含有セメントミルク１４は、気泡１３の発生に伴う体積増加に対応して、通常のセメントミルク（例えば、水セメント比が２５０）よりも水分量を少なめに調整されている。このため、この気泡含有セメントミルク１４を用いて生成されたソイルセメントは、通常のソイルセメントよりも高い粘度を有している。このように、気泡含有セメントミルク１４の水分量を減らすことにより、気泡含有セメントミルク１４から地盤Ｇへの水分の吸収量が減少する。このため、地盤Ｇが水分の吸収によって緩み、掘削穴１０の内壁がソイルセメントからなる柱状体１６側に向かって崩壊するのを防止する効果が一層高まる。

起泡剤には、生成した気泡１３を安定化させるための添加剤を適宜添加することが許容される。この添加剤として、例えば、気泡含有セメントミルク１４の粘性を高める高分子化合物を採用することができる。

なお、石や砂が多く内壁が崩壊しやすい土質の場合は、セメントミルク１７に若干量のベントナイト（例えば、セメント２００ｋｇに対してベントナイト２５ｋｇ）を添加することも許容される。このように、ベントナイトを添加するとその粘土質成分が内壁に浸透してこの内壁を保護するため、この内壁の崩壊をより確実に防止することができる。

柱状体形成工程が完了すると、図１（ｃ）に示すように、掘削穴１０の中に、気泡含有セメントミルク１４と掘削土１５が撹拌混合され、気泡１３が均等に導入されたたソイルセメントからなる柱状体１６が形成される。

図１（ｃ）中のＡ部の拡大図を図２に示す。柱状体１６の内部には、高密度に気泡１３が導入されている。気泡１３の平均直径は、例えば、約５００μｍとすることができる。この気泡１３の一部は、掘削穴１０の内壁と接している。なお、図２においては、各気泡１３を独立気泡のように図示したが、実際には、多数の気泡１３が連結した連続気泡となっていることが多く、この連続気泡が掘削穴１０の内壁の広い範囲に亘って接触している。

この気泡１３は、後述する気泡含有セメントミルクの生成装置１８（図４参照）に接続された圧縮気体の送出装置（図示せず）から送出される高圧気体（例えば０．７ＭＰａ（約７気圧））によって生成される。この高圧気体の体積と、気泡含有セメントミルク１４の体積増加分（気泡含有セメントミルク１４と元のセメントミルク１７との体積差。図４中のΔＶ参照。）は、ほぼ同じであり、かつ、気泡含有セメントミルクの生成装置１８からの高圧気体の漏れはないことから、気泡１３の内圧は、元の高圧気体の圧力と同程度であると推定できる。このように、高い内圧の気泡１３を掘削穴１０の内壁に作用させることにより（図２参照）、その内壁が柱状体１６側に崩壊するのを防止することができる。

一般的に、気泡１３の内外の圧力差Δｐは、次に示すＹｏｕｎｇ－Ｌａｐｌａｃｅの式から導出される。
Δｐ＝ｐ－ｐ’＝２γ／Ｒ
ここで、ｐは気泡内部の圧力、ｐ’は気泡外部の圧力、γは表面張力、Ｒは気泡半径である。

Ｙｏｕｎｇ－Ｌａｐｌａｃｅの式は、表面張力γが大きいほど、あるいは、気泡半径Ｒが小さいほど、気泡１３の内外の圧力差Δｐが高くなることを示している。例えば、起泡剤（界面活性剤）の表面張力γが５０ｍＮ／ｍとすると、気泡半径Ｒが２５０μｍ（直径が５００μｍ）のとき圧力差Δｐは約４００Ｐａ（０．００４気圧）となる。この圧力差Δｐは、圧縮気体の送出装置から送出される高圧気体の圧力（例えば０．７ＭＰａ）と比較すると非常に小さい。この理由は明らかではないが、例えば、セメントミルク１７の見かけ上の表面張力が、起泡剤の表面張力よりも非常に大きく、高い内圧の気泡１３を維持し得るようになっていること等が考えられる。

気泡１３の直径は特に限定されないが、２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲とするのが好ましい。直径が２０μｍより小さい気泡１３を生成するのは難しく、作業コストの上昇の虞があるため好ましくない。また、直径が５００μｍより大きい気泡１３は、掘削穴１０の内壁の崩壊を防止し得る十分な内圧ｐを維持することが難しいため好ましくない。気泡１３の直径は、１００μｍ以上５００μｍ以下の範囲とするのがより好ましい。

ソイルセメントからなる柱状体１６には、図３（ａ）～（ｅ）に示すように芯材１９が埋設される。この実施形態では、芯材１９として鋼矢板を採用した。まず、未固化状態の柱状体１６に、掘削穴１０ａの底部に至るまで１枚目の鋼矢板１９ａを挿入する（図３（ａ）（ｂ）参照）。１枚目の鋼矢板１９ａを挿入し終えたら、その鋼矢板１９ａに隣接する掘削穴１０ｂを形成し、その掘削穴１０ｂに新たに柱状体１６を形成する（図３（ｃ）参照）。そして、その新たに形成した柱状体１６に２枚目の鋼矢板１９ｂを挿入する。１枚目の鋼矢板１９ａと２枚目の鋼矢板１９ｂは、各鋼矢板１９ａ、１９ｂの横幅方向両端部に形成されたジョイントによって互いに連結される（図３（ｄ）（ｅ）参照）。図３（ｃ）～（ｅ）に示す作業を繰り返すことによって、必要枚数の鋼矢板（芯材１９）を連結した土留め壁２０が構築される。

このようにして構築された杭（土留め壁２０）は、柱状体１６の内部に直径が、２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲の直径の気泡１３を含んでおり、この気泡１３の高い内圧ｐが掘削穴１０（１０ａ、１０ｂ）の内壁を径方向外向きに押圧する。このため、杭の施工の際に掘削穴１０（１０ａ、１０ｂ）の内壁の崩壊が生じず、掘削穴１０（１０ａ、１０ｂ）の底まで均質な柱状体１６を構築することができ、この杭の十分な強度を確保することができる。

ここでは、鋼矢板１９ａ、１９ｂを用いた土留め壁２０を例示して説明したが、この発明は、建物の地盤改良杭などにも適用することができる。また、芯材１９は鋼矢板１９ａ、１９ｂに限定されず、Ｈ形鋼などの他形状のものも採用することができる。

このように、ソイルセメントに気泡１３を導入することにより、柱状体１６とこの柱状体１６に挿入される芯材１９との間の摩擦力が低下する。このため、柱状体１６への芯材１９の挿入、及び、土留め壁２０の用済み後における柱状体１６からの芯材１９の引き抜きをスムーズに行うことができるというメリットもある。

気泡含有セメントミルク１４は、以下において説明する気泡含有セメントミルクの生成方法によって生成される。この気泡含有セメントミルクの生成方法は、気泡生成工程、第一微細化工程、第二微細化工程、及び、混合工程を有する。

気泡生成工程は、大気圧よりも高圧の圧縮気体と起泡剤によって気泡１３を生成する工程である。この気泡生成工程においては、高圧の圧縮気体と気泡１３の総体積がほぼ同じとなるように工程管理されており、気泡１３の内圧は、圧縮気体の圧力とほぼ同じと推定される。圧縮気体の圧力は、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下の範囲内とするのが好ましく、０．３ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下の範囲内とするのがさらに好ましく、０．５ＭＰａ以上０．８ＭＰａ以下の範囲内とするのがさらに好ましい。この圧縮気体として、圧縮空気、圧縮窒素などの種々の気体を採用することができる。

第一微細化工程は、起泡剤によって生成した気泡１３を微細化手段に通して微細化する工程である。混合工程によって生じた気泡１３の中には、直径が数ｍｍ以上の大きなものも混在している。このように大きな気泡１３は、その内圧をあまり高くすることができないため、掘削穴１０の内壁を押圧する効果は低い。そこで、大きな気泡１３を第一微細化工程で微細化することにより、高い内圧の気泡１３が高密度に形成され、掘削穴１０の内壁を効果的に押圧することができる。

第二微細化工程は、第一微細化工程によって微細化された気泡１３を自己破裂させてさらに微細な気泡１３とする工程である。第一微細化工程によって大部分の気泡１３は微細化されているが、一部の気泡１３は十分に微細化されていないことがある。このとき、十分に微細化されていない気泡１３の内圧は、その直径からすると過大で不安定な状態となっている。この微細化されていない気泡１３は、しばらく放置しておくとその内圧で自己破裂し、これにより微細な気泡１３が高密度に生成される。第二微細化工程によって得られた気泡１３の総体積は、気泡生成工程で使用された高圧の圧縮気体の体積とほぼ同じである。このため、この気泡１３の内圧も、圧縮気体の圧力とほぼ同じと推定される。

混合工程は、起泡剤によって生成した気泡１３とセメントミルク１７を混合する工程である。この混合工程によって、内部に気泡１３が取り込まれた気泡含有セメントミルク１４が生成される。この気泡含有セメントミルク１４の体積は、セメントミルク１７と第二微細化工程で得られた気泡１３の体積の合計とほぼ同じである。このため、気泡含有セメントミルク１４中の気泡１３の内圧も、圧縮気体の圧力とほぼ同じと推定される。

上記の一連の気泡含有セメントミルクの生成方法を実現する気泡含有セメントミルクの生成装置１８の一例を図４に示す。この気泡含有セメントミルクの生成装置１８は、複数の気泡生成部２１と、気泡生成部２１同士を接続する接続管２２と、最上流側の気泡生成部２１の上流側に接続された気体導入管２３及び起泡剤導入管２４と、最下流側の気泡生成部２１の下流側に接続された排出管２５と、排出管２５の下流側に設けられたミキサー２６とを有している。

気泡生成部２１は一方向に向かって流体を流動させることが可能な管状となっている。この気泡生成部２１の内部には、球状（ビーズ状）の撹拌部材２７が充填されており、さらに、流体の流動方向に対して垂直に、複数のフィルタ２８が互いに離間して設置されている。この撹拌部材２７とフィルタ２８が既述の微細化手段に対応する。気体導入管２３には、圧縮気体の送出装置（図示せず）が、起泡剤導入管２４には、起泡剤タンク（図示せず）がそれぞれ接続されており、この気体導入管２３を通って高圧の圧縮気体（この実施形態では圧縮空気）が、起泡剤導入管２４を通って起泡剤がそれぞれ最上流側の気泡生成部２１に送り込まれる。

圧縮気体と起泡剤の混合に伴って気泡１３が生成し、その気泡１３は、撹拌部材２７の間の隙間、及び、フィルタ２８を通過する際に微細化される（第一微細化工程）。複数の気泡生成部２１を直列配置することにより、気泡１３を所定の直径までスムーズに微細化することができる。撹拌部材２７のサイズや充填量、フィルタ２８の目の粗さや枚数等は、微細化後の気泡１３の直径に対応して適宜変更される。また、気泡生成部２１の連結数も適宜変更することが可能である。第一微細化工程によって微細化された気泡１３は、最下流側の気泡生成部２１の下流側から排出管２５に送られる。

なお、図４に示した気泡含有セメントミルクの生成装置１８の気泡生成部２１は、撹拌部材２７とフィルタ２８の両方を併用したが、いずれか一方のみを採用した構成とできる場合もある。また、撹拌部材２７やフィルタ２８の代わりに、他の微細化手段を採用できる場合もある。また、この構成においては、４台の気泡生成部２１を直列配置したが、この台数は適宜増減することもできる。

排出管２５は、その長さが数メートルから２０メートル程度の可撓性ホースである。気泡生成部２１から送出された気泡含有セメントミルク１４が排出管２５を通過するには、数秒から数十秒程度を要する。そして、その通過の間に、気泡生成部２１を通過する間に十分に微細化されなかった気泡１３をその内圧で自己破裂させて微細な気泡１３を生成する（第二微細化工程）。これにより、ほとんどの気泡１３が十分微細化され、この気泡１３の高い内圧ｐによって径方向外向きに掘削穴１０の内壁を押圧することによって、この内壁の崩壊を防止することができる。

ミキサー２６は、気泡含有セメントミルク１４を生成し一時的に貯めておくための容器である。このミキサー２６には、予め少量のセメントミルク１７が充填されており、このセメントミルク１７中に排出管２５の先端が挿入されている。排出管２５から気泡１３を供給すると、この気泡１３がセメントミルク１７中に取り込まれてその体積が増加し（図４中の白抜き矢印参照）、気泡含有セメントミルク１４が生成される。

上記の実施形態において示した杭施工方法、気泡含有セメントミルクの生成方法、及び、杭はあくまでも例示であって、掘削穴１０の内壁が柱状体１６側に崩壊するのを防止する、というこの発明の課題を解決し得る限りにおいて、杭施工方法及び気泡含有セメントミルクの生成方法の工程の一部や、杭の構成の一部に変更を加えることができる。

１０（１０ａ、１０ｂ）掘削穴
１１オーガ
１２掘削刃
１３気泡
１４気泡含有セメントミルク
１５掘削土
１６柱状体
１７セメントミルク
１８気泡含有セメントミルクの生成装置
１９芯材
１９ａ、１９ｂ鋼矢板
２０土留め壁
２１気泡生成部
２２接続管
２３気体導入管
２４起泡剤導入管
２５排出管
２６ミキサー
２７撹拌部材
２８フィルタ
Ｇ地盤

Claims

地盤（Ｇ）に所定深さの掘削穴（１０）を形成する掘削工程と、
起泡剤によって生成した気泡（１３）を含む気泡含有セメントミルク（１４）を前記掘削穴（１０）に注入しながら前記掘削工程に伴って生じた掘削土（１５）と撹拌混合して、前記気泡（１３）を含むソイルセメントからなる柱状体（１６）を形成する柱状体形成工程と、
前記柱状体（１６）に芯材（１９）を埋設する工程と、
用済み後に前記柱状体（１６）から前記芯材（１９）を引き抜く工程と、
を有し、前記気泡（１３）の内圧を前記掘削穴（１０）の内壁に作用させて、該掘削穴（１０）の内壁の前記柱状体（１６）側への崩壊を防止した、前記気泡（１３）の直径が、１００μｍ以上５００μｍ以下の範囲である杭施工方法。