JP7486461B2 - 地盤改良工法 - Google Patents
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Description
本発明は、機械攪拌式の深層混合処理工法による地盤改良工法に関する。
従来、地盤改良工法として、スラリー化したセメント系の固化材を原位置で軟弱地盤に注入し、軟弱地盤とともに攪拌混合し、化学的に固化する機械攪拌式の深層混合処理工法（CDM工法）が知られている(たとえば、特許文献１参照)。かかる工法は、陸上地盤・水底地盤において施工可能である。
深層混合処理工法では、たとえば、図１８（ａ）のように、ロッド１０１の下端部に攪拌翼１０２およびスラリー状の固化材の吐出口１０３を設けた攪拌機を用い、改良対象の地盤Ｇにおいて、ロッド１０１をモータ等により回転駆動して刃先先端１０４から地盤中に貫入し、吐出口１０３から固化材を吐出し、攪拌翼１０２の回転とロッド１０１の上下動により固化材と掘削土を攪拌混合することで、固化した改良杭１００を造成する。
上述のような深層混合処理工法により海底地盤のような飽和砂質土地盤を改良した場合、造成した改良杭の天端が下がったうえに杭上部（杭頭部から最大で10m程度）の強度も著しく低下する施工不良が生じることがある。この原因を究明するために発明者らが行った実験の結果から次のことが判明した。すなわち、図１8（ａ）のように、飽和砂質土地盤Ｇにおいて回転するロッド１０１を上方に引き抜きながらセメントスラリーと土砂を攪拌混合して改良杭１００を造成するとき、図１８（ｂ）のように、改良杭１００の上部の施工時に攪拌翼１０２による原位置攪拌動作および吐出口１０３からのセメントスラリーの吐出による過剰水圧の上昇によって改良域が局所的に流動化し、地表面に土砂混じりセメントスラリーＣＳとして流出する結果、図１８（ｃ）のように、杭１００の天端が沈んだ沈下部１００ｂが生じ、杭１００の上部１００ａに強度低下部が生じてしまう。また、この現象は砂質土や火山灰質土など液状化現象を生じやすい土質の場合に発生し易いことが明らかとなった。
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、深層混合処理工法による地盤改良において地盤改良部の天端沈下や上部の強度低下のような施工不良を防止可能な地盤改良工法を提供することを目的とする。
本発明者らは、さらなる実験・検討を行い、ロッドの回転速度、貫入速度・引抜速度を標準施工よりも緩速施工とすることで上述の施工不良を防止できるという知見を得て本発明に至った。
上記目的を達成するための地盤改良工法は、改良対象の地盤内にスラリー状の固化材を吐出しながらロッドに設けられた攪拌部を回転させて前記地盤内の土砂と前記固化材とを攪拌混合するとともに前記ロッドを前記地盤に対し貫入または引抜することにより前記地盤内に固化した地盤改良部を造成する、機械攪拌式の深層混合処理工法による地盤改良工法であって、前記地盤改良部の設計天端から下方に所定距離の範囲内の上部において前記地盤改良部を緩速施工により造成し、前記上部以外の下部において前記地盤改良部を標準施工により造成し、前記緩速施工は、前記ロッドの貫入速度または引抜速度、および、前記攪拌部の回転速度をそれぞれ、前記標準施工における前記貫入速度または前記引抜速度、および、前記回転速度よりも低くし、前記緩速施工において、前記貫入速度または前記引抜速度を0.1～0.3m/分とし、前記回転速度を10～30rpmとし、前記標準施工において、前記貫入速度または前記引抜速度を0.3～1.0m/分とし、前記回転速度を30～60rpmとするものである。
この地盤改良工法によれば、地盤改良部の設計天端から下方に所定距離の範囲内の上部において、ロッドの貫入速度または引抜速度および攪拌部の回転速度をそれぞれ、上部以外の下部における標準施工よりも遅くする緩速施工により地盤改良部を造成することで、上部において地盤改良部の固化材の局所的な流動化を抑制し、固化材と土砂が混ざったスラリーの地表面への流出による地盤改良部の天端沈下や上部の強度低下のような施工不良を防止することができる。
前記緩速施工において、前記貫入速度または前記引抜速度を0.1～0.3m/分とし、前記回転速度を10～30rpmとし、前記標準施工において、前記貫入速度または前記引抜速度を0.3～1.0m/分とし、前記回転速度を30～60rpmとし、標準施工と比較すると常識外の緩速施工とすることで、地盤改良部の上部において固化材スラリーの局所的な流動を抑制し、天端沈下や強度低下のような施工不良を防止できる。
前記固化材は、前記ロッドの刃先先端の近傍に設けられた第１吐出口と、前記第１吐出口よりも上方に設けられた第２吐出口とから吐出可能であり、前記所定距離は、前記先端と前記第２吐出口との間の前記ロッドの軸方向の長さに基づいて設定されることが好ましい。
前記所定距離は、前記軸方向の長さの２～３倍に設定されることが好ましい。所定距離を軸方向の長さの２倍以上とすることで、施工不良を防止可能であり、３倍以下とすることで緩速施工による地盤改良領域が長くなりすぎず、施工効率が低下しすぎることがない。
前記緩速施工を、前記地盤に対し前記ロッドを貫入しながら前記固化材を吐出し攪拌する貫入吐出により行うことが好ましい。
前記緩速施工を、前記地盤に対し前記ロッドを引き抜きながら前記固化材を吐出し攪拌する引抜吐出により行うようにしてもよい。
上記目的を達成するための別の地盤改良工法は、改良対象の地盤内にスラリー状の固化材を吐出しながらロッドに設けられた攪拌部を回転させて前記地盤内の土砂と前記固化材とを攪拌混合するとともに前記ロッドを前記地盤に対し貫入または引抜することにより前記地盤内に固化した地盤改良部を造成する、機械攪拌式の深層混合処理工法による地盤改良工法であって、前記地盤改良部の設計天端から下方に所定距離の範囲内の上部において前記地盤改良部を緩速施工により造成し、前記上部以外の下部において前記地盤改良部を標準施工により造成し、
前記緩速施工は、前記ロッドの貫入速度または引抜速度、および、前記攪拌部の回転速度をそれぞれ、前記標準施工における前記貫入速度または前記引抜速度、および、前記回転速度よりも低くし、
前記下部において前記標準施工により前記ロッドを引き抜きながら前記固化材を吐出し攪拌する引抜吐出を行うステップと、前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを引き抜きながら前記攪拌部により攪拌するステップと、前記引き抜き中に前記ロッドの先端が前記地盤の表面または表面近傍に達してから、前記上部において前記上部の下端近傍まで前記緩速施工により前記ロッドを貫入しながら前記固化材を吐出し攪拌する貫入吐出を行うステップと、を含む。
前記緩速施工は、前記ロッドの貫入速度または引抜速度、および、前記攪拌部の回転速度をそれぞれ、前記標準施工における前記貫入速度または前記引抜速度、および、前記回転速度よりも低くし、
前記下部において前記標準施工により前記ロッドを引き抜きながら前記固化材を吐出し攪拌する引抜吐出を行うステップと、前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを引き抜きながら前記攪拌部により攪拌するステップと、前記引き抜き中に前記ロッドの先端が前記地盤の表面または表面近傍に達してから、前記上部において前記上部の下端近傍まで前記緩速施工により前記ロッドを貫入しながら前記固化材を吐出し攪拌する貫入吐出を行うステップと、を含む。
上記目的を達成するためのさらに別の地盤改良工法は、改良対象の地盤内にスラリー状の固化材を吐出しながらロッドに設けられた攪拌部を回転させて前記地盤内の土砂と前記固化材とを攪拌混合するとともに前記ロッドを前記地盤に対し貫入または引抜することにより前記地盤内に固化した地盤改良部を造成する、機械攪拌式の深層混合処理工法による地盤改良工法であって、前記地盤改良部の設計天端から下方に所定距離の範囲内の上部において前記地盤改良部を緩速施工により造成し、前記上部以外の下部において前記地盤改良部を標準施工により造成し、
前記緩速施工は、前記ロッドの貫入速度または引抜速度、および、前記攪拌部の回転速度をそれぞれ、前記標準施工における前記貫入速度または前記引抜速度、および、前記回転速度よりも低くし、
前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを貫入しながら前記固化材を吐出し攪拌する貫入吐出を行うステップと、前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記下部において前記標準施工により前記ロッドを貫入しながら前記攪拌部により攪拌するステップと、前記下部において前記標準施工により前記上部の下端近傍まで前記ロッドを引き抜きながら前記固化材を吐出し攪拌する引抜吐出を行うステップと、前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを引き抜きながら前記攪拌部により攪拌するステップと、を含む。
前記緩速施工は、前記ロッドの貫入速度または引抜速度、および、前記攪拌部の回転速度をそれぞれ、前記標準施工における前記貫入速度または前記引抜速度、および、前記回転速度よりも低くし、
前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを貫入しながら前記固化材を吐出し攪拌する貫入吐出を行うステップと、前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記下部において前記標準施工により前記ロッドを貫入しながら前記攪拌部により攪拌するステップと、前記下部において前記標準施工により前記上部の下端近傍まで前記ロッドを引き抜きながら前記固化材を吐出し攪拌する引抜吐出を行うステップと、前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを引き抜きながら前記攪拌部により攪拌するステップと、を含む。
また、前記上部の下部領域と前記下部の上部領域とを前記地盤改良部の縦方向に少なくとも30cm重複させることが好ましい（図５（ｇ）、図６（ｇ）参照）。
前記改良対象の地盤は、液状化現象が生じる可能性のある土質からなり、この土質は、たとえば、砂質土や火山灰質土であり、かかる地盤に上述の地盤改良工法を適用して施工することが好ましい。
本発明の地盤改良工法によれば、深層混合処理工法による地盤改良において地盤改良部の天端沈下や上部の強度低下のような施工不良を防止可能である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態による地盤改良工法を実施可能な地盤改良施工システムを示す概略図である。図２は、図１の処理機のロッドの先端部を拡大して示す要部側面図である。
図１のように、地盤改良施工システム１０は、改良対象の地盤Ｇを攪拌しながらセメントスラリーを地盤Ｇ内に吐出する地盤改良処理を行う処理機１１と、セメントスラリー（スラリー状の固化材）を製造するセメントスラリープラント１２と、セメントスラリープラント１２からセメントスラリーを処理機１１に送る際にその量を計量する計量計１３と、システム全体の制御を行う制御部１４と、制御部１４による制御に基づいてセメントスラリープラント１２の制御操作を行うプラント操作部１５と、制御部１４による制御に基づいて処理機１１の操作を行う処理機操作部１６と、を備える。
セメントスラリープラント１２は、プラント操作部１５での制御操作により、水とセメントと混和剤とをそれぞれ計量し、ミキサー内で混合し、アジテーター内で攪拌したセメントスラリーを圧送ポンプにより処理機１１に送るようになっている。
処理機１１は、モータ（図示省略）等により同期して回転駆動されるとともに内部をセメントスラリーが通るように構成された二連式の一対のロッド２１，２２を備え、ロッド２１，２２を地盤Ｇに対し上下動（貫入・引抜）させるように構成されている。
一対のロッド２１，２２は、図２のように、それらの先端部が同様に構成され、ロッド２１，２２の先端部で軸直交方向に十字状に突き出た上方の攪拌翼２１ａ，２２ａと、同じく下方の攪拌翼２１ａ’，２２ａ’と、同じく先端側の攪拌翼２１ｂ，２２ｂと、刃先状に構成された刃先先端２１ｃ，２２ｃと、各刃先先端２１ｃ，２２ｃの近傍に設けられ互いに周方向に180度離れて位置する第１吐出口２１ｄ，２２ｄと、攪拌翼２１ａ，２２ａの上方でロッド２１，２２が回転可能なように上下一対の軸受２１ｅ，２２ｅを介してロッド２１，２２間に固定された固定吐出管２３と、固定吐出管２３の下方でロッド２１，２２間のほぼ中央に設けられた第２吐出口２３ａと、を備える。
ロッド２１，２２の第１吐出口２１ｄ，２２ｄ、固定吐出管２３の第２吐出口２３ａからセメントスラリーが吐出可能である。また、固定吐出管２３の第２吐出口２３ａは、その下方の刃先先端２１ｃ．２２ｃに対しロッド２１，２２の軸方向に長さＬだけ離間している。
処理機１１は、処理機操作部１６での制御操作により、ロッド２１，２２の正回転（貫入）、逆回転（引抜）を制御し、貫入速度・引抜速度、回転速度を変更し、また、第１吐出口２１ｄ，２２ｄからのセメントスラリーの吐出・非吐出の切り替え、および、第２吐出口２３ａからのセメントスラリーの吐出・非吐出の切り替えを制御し、第１吐出口２１ｄ，２２ｄと第２吐出口２３ａとを切り替えて、それぞれ単独で吐出可能である。
処理機１１は、ロッド２１，２２が正回転することで地盤Ｇ内に貫入し、また、逆回転することで地盤Ｇ内から引き抜かれ、攪拌翼２１ａ，２１ａ’，２２ａ，２２ａ’と攪拌翼２１ｂ，２２ｂの回転により地盤Ｇ内を攪拌し、第１吐出口２１ｄ，２２ｄまたは第２吐出口２３ａからセメントスラリーを吐出し、原位置において地盤Ｇ内の土砂とセメントスラリーとを攪拌混合するとともにロッド２１，２２の貫入または引抜を行うことで固化した円柱状の改良杭（地盤改良部）を地盤Ｇ内に造成する。ロッド２１，２２の貫入速度・引抜速度は、緩速施工で0.1～0.3m/分、標準施工で0.3～1.0m/分となるように制御され、ロッド２１，２２の回転速度（攪拌翼２１ａ，２２ａ，２１ａ’，２２ａ’と攪拌翼２１ｂ，２２ｂの回転速度）は、緩速施工で10～30rpm、標準施工で30～60rpmとなるように制御される。
なお、図１の地盤改良施工システム１０は、改良対象の地盤Ｇが水底地盤である場合、専用船に搭載されて水上施工を行い、また、ＧＮＳＳや光波計等から得たデータに基づいて改良杭の造成位置の位置決めや移動を船位誘導システムにより制御可能である。また、各種の計器により潮位、水深、改良杭の深度の計測、記録が可能であり、また、処理機１１の傾斜、ロッド２１，２２の貫入速度・引抜速度・回転速度・トルク・荷重およびセメントスラリーの吐出量・吐出速度の制御、計測、記録が可能である。
図１，図２の地盤改良施工システム１０による原位置での地盤改良処理の主な工程は、次のとおりである。
(1)施工開始準備：潮位計作動確認や施工管理機器作動確認を行い、改良開始前までに吐出計画数量に応じてセメントスラリーをセメントスラリープラント１２で製造する。
(2)シフト位置確認：ＧＮＳＳや光波計等により施工位置を確認する。
(3)処理機ゼロ確認：水底地盤の水深確認や深度・傾斜計ゼロの確認を行う。
(4)処理機鉛直性確認：傾斜計計測により処理機１１の鉛直性を確認する。
(5)処理機貫入開始：貫入速度を計測する。
(6)地盤処理開始：貫入速度・回転速度を計測制御し、貫入吐出の場合、セメントスラリーの吐出を開始する。
(7)中間層・互層：トルク・荷重変化により貫入速度・回転速度を管理する。
(8)着底・打ち止め・先端処理：改良杭の先端部を補強するため所定量のセメントスラリー吐出と攪拌を行う。
(9)引抜開始：引抜吐出の場合、セメントスラリーの吐出を開始し、引抜速度・回転速度を計測制御する。
(10)改良天端処理：処理機深度計確認、引抜速度確認、水底地盤水深確認等により改良杭の天端処理を行う。
(11)引揚・刃先点検：ロッド２１，２２を引き揚げ、刃先状先端２１ｃ，２２ｃを点検する。
(12)施工位置シフト：次の改良杭の施工位置に移動する。
(2)シフト位置確認：ＧＮＳＳや光波計等により施工位置を確認する。
(3)処理機ゼロ確認：水底地盤の水深確認や深度・傾斜計ゼロの確認を行う。
(4)処理機鉛直性確認：傾斜計計測により処理機１１の鉛直性を確認する。
(5)処理機貫入開始：貫入速度を計測する。
(6)地盤処理開始：貫入速度・回転速度を計測制御し、貫入吐出の場合、セメントスラリーの吐出を開始する。
(7)中間層・互層：トルク・荷重変化により貫入速度・回転速度を管理する。
(8)着底・打ち止め・先端処理：改良杭の先端部を補強するため所定量のセメントスラリー吐出と攪拌を行う。
(9)引抜開始：引抜吐出の場合、セメントスラリーの吐出を開始し、引抜速度・回転速度を計測制御する。
(10)改良天端処理：処理機深度計確認、引抜速度確認、水底地盤水深確認等により改良杭の天端処理を行う。
(11)引揚・刃先点検：ロッド２１，２２を引き揚げ、刃先状先端２１ｃ，２２ｃを点検する。
(12)施工位置シフト：次の改良杭の施工位置に移動する。
本実施形態による地盤改良処理は、貫入吐出または引抜吐出により改良杭を地盤内に造成する際に、改良杭の設計天端から下方の所定距離の範囲内の上部を緩速施工により施工し、上部以外の下部を標準施工により施工し、これら以外の施工管理を上述のように行うものである。以下、図３～図６を参照して具体的に説明する。
図３は、本実施形態による第１の地盤改良処理の各工程（ａ）～（ｈ）を説明するため地盤内の要部を縦方向に見たときの要部断面図である。
図３の第１の地盤改良処理は、図１，図２の地盤改良施工システム１０を用いて、処理機１１のロッド２１，２２を地盤Ｇ内で上方に引き抜きながらセメントスラリーを吐出して攪拌混合し固化した改良杭Ｐ（地盤改良部）を造成するものである。
図３（ａ）のように、ロッド２１，２２を水中に降下させ、正回転させ、標準施工で刃先先端２１ｃ，２２ｃから水底面Ｓ１に貫入しながらセメントスラリーを吐出せずに地盤Ｇ内を攪拌し（以下、スラリー吐出を伴わない攪拌を「空打ち」という場合がある）、図３（ｂ）のように、ロッド２１，２２の刃先先端２１ｃ，２２ｃが改良杭の設計改良深度Ｓ３に着底するまで空打ちを行う。
次に、図３（ｂ）の着底状態から杭下部の先端処理を行う。すなわち、図３（ｃ）のように、標準施工でロッド２１，２２を逆回転して空打ちしながら下端Ｓ３から上方に所定距離として長さＬ（図２）程度だけ引き抜いてから、図３（ｄ）のように、標準施工でロッド２１，２２を正回転させて貫入しながらセメントスラリーＳＲを下方の第１吐出口２１ｄ，２２ｄから吐出する貫入吐出を行い、図３（ｅ）のように、この貫入吐出をロッド２１，２２の刃先先端２１ｃ，２２ｃが下端Ｓ３に着底するまで行う。
次に、図３（ｆ）のように、標準施工でロッド２１，２２を逆回転し上方の第２吐出口２３ａからセメントスラリーＳＲを吐出し攪拌しながら下端Ｓ３から上方に引き抜く引抜吐出を行う。この標準施工は、従来の施工条件である。
次に、図３（ｇ）のように、上記標準施工による引抜吐出を上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈだけ離れた位置近傍に到達するまで行うことで改良杭の杭下部Ｐ２を形成し、次に、図１の処理機操作部１６での制御操作により緩速施工に切り替え、杭下部Ｐ２の上端近傍からロッド２１，２２を緩速施工により第２吐出口２３ａからセメントスラリーＳＲを吐出し攪拌しながら上方に引き抜く。
次に、図３（ｈ）のように、緩速施工による引抜吐出を上方の攪拌翼２１ａ，２２ａ，が設計天端Ｓ２に到達するまで行なったところでセメントスラリーの吐出を停止し、先端側の攪拌翼２１ｂ，２２ｂが設計天端Ｓ２に達したことで、設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈの範囲内に杭上部Ｐ１を形成する。距離Ｈは、刃先先端２１ｃ、２２ｃと第２吐出口２３ａとの間のロッド２１，２２の軸方向の長さＬ（図２）に基づいて設定されることが好ましく、たとえば、軸方向の長さＬの２～３倍に設定される。
以上のように、第１の地盤改良処理によれば、引抜吐出により、杭下部Ｐ２を標準施工で形成し、杭上部Ｐ１を緩速施工で形成することで、地盤内の土砂とセメントスラリーＳＲとを攪拌混合して固化した改良杭Ｐを造成できる。杭上部Ｐ１を、ロッド２１，２２の引抜速度を0.1～0.3m/分、回転速度を10～30rpmとして従来の標準施工と比較すると常識外の緩速施工とすることで、杭上部Ｐ１においてセメントスラリーの局所的な流動化を抑制し、杭上部Ｐ１の天端沈下や強度低下のような施工不良が発生しない。なお、杭下部Ｐ２を標準施工としても所定の土被り圧を確保でき、かつ杭上部Ｐ１がすでに緩速施工により安定して地盤改良されているため上述のような施工不良は生じない。
図４は、本実施形態による第２の地盤改良処理の各工程（ａ）～（ｉ）を説明するため地盤内の要部を縦方向に見たときの要部断面図である。
図４の第２の地盤改良処理は、図１，図２の地盤改良施工システム１０を用いて、処理機１１のロッド２１，２２を地盤Ｇ内で下方に貫入しながらセメントスラリーＳＲを吐出して攪拌混合し固化した改良杭Ｐ（地盤改良部）を造成するものである。
図４（ａ）のように、処理機１１の一対のロッド２１，２２を水中に降下させ、正回転させ、刃先先端２１ｃ，２２ｃから水底面Ｓ１に貫入し、攪拌翼２１ｂ，２２ｂ、攪拌翼２１ａ，２１ａ’，２２ａ，２２ａ’により地盤Ｇを攪拌しながら改良天端（設計天端）Ｓ２の近傍で第１吐出口２１ｄ，２２ｄからセメントスラリーＳＲを吐出する。この貫入吐出のとき、ロッド２１，２２の貫入速度が0.1～0.3m/分、回転速度が10～30rpmである緩速施工とする。
かかる緩速施工による貫入吐出を、ロッド２１，２２の上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈだけ離れた位置近傍に到達するまで行う。これにより、距離Ｈの長さで改良杭の杭上部Ｐ１が形成される。
次に、図４（ａ）（ｂ）のように、上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈだけ離れた位置近傍に到達すると、図１の処理機操作部１６での制御操作により標準施工に切り替える。すなわち、ロッド２１，２２の貫入速度を0.3～1.0m/分、回転速度を30～60rpmとする標準施工により第１吐出口２１ｄ，２２ｄからのセメントスラリーについて貫入吐出を攪拌しながら行う。この標準施工は、従来の施工条件である。
次に、図４（ｃ）のように、上述の標準施工による貫入吐出を、ロッド２１，２２の刃先先端２１ｃ，２２ｃが改良杭の設計改良深度（杭下部Ｐ２の下端）Ｓ３に着底するまで行うことで、杭上部Ｐ１の下端から下方に設計改良深度Ｓ３まで改良杭の杭下部Ｐ２を形成する。設計改良深度Ｓ３に着底すると貫入吐出を停止する。
次に、図４（ｃ）の着底状態から杭下部Ｐ２の先端処理を行う。すなわち、図４（ｄ）のように、セメントスラリーＳＲの吐出を停止し、ロッド２１，２２を逆回転して空打ちしながら下端Ｓ３から上方に所定距離だけ引き抜いてから、図４（ｅ）のようにロッド２１，２２を正回転させて貫入しながらセメントスラリーを第１吐出口２１ｄ，２２ｄから吐出する貫入吐出を行い、図４（ｆ）のように、この貫入吐出をロッド２１，２２の刃先先端２１ｃ，２２ｃが下端Ｓ３に着底するまで行い、着底すると貫入吐出を停止する。図４（ｄ）～（ｆ）の引抜・貫入吐出は標準施工で行う。
次に、図４（ｇ）のように、セメントスラリーＳＲの吐出を停止したまま図４（ｆ）の着底状態から標準施工でロッド２１，２２を逆回転し下端Ｓ３から上方に引き抜きながら空打ちし、図４（ｈ）のように、上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが杭上部Ｐ１の下端近傍に到達すると、図１の処理機操作部１６での制御操作により緩速施工に切り替え、図４（ｉ）のように、ロッド２１，２２を引き抜きながら空打ちし、杭上部Ｐ１から上方に引き抜く。
以上のように、第２の地盤改良処理によれば、貫入吐出により、杭上部Ｐ１を緩速施工で形成し、引き続き杭下部Ｐ２を標準施工で形成することで、地盤内の土砂とセメントスラリーＳＲとを攪拌混合して固化した改良杭Ｐを造成できる。杭上部Ｐ１を、ロッド２１，２２の貫入速度を0.1～0.3m/分、回転速度を10～30rpmとして従来の標準施工と比較すると常識外の緩速施工とすることで、杭上部Ｐ１においてセメントスラリーＳＲの局所的な流動化を抑制し、杭上部Ｐ１の天端沈下や強度低下のような施工不良が発生しない。
図５は、本実施形態による第３の地盤改良処理の各工程（ａ）～（ｉ）を説明するため地盤内の要部を縦方向に見たときの要部断面図である。
図５の第３の地盤改良処理は、図１，図２の地盤改良施工システム１０を用いて、処理機１１のロッド２１，２２による引抜吐出で杭下部を形成し、次に、貫入吐出で杭上部を形成するものである。
図５（ａ）のように、ロッド２１，２２を水中に降下させ、正回転させ、刃先先端２１ｃ，２２ｃから水底面Ｓ１に貫入し、空打ちの標準施工を、図５（ｂ）のように、ロッド２１，２２の刃先先端２１ｃ，２２ｃが改良杭の設計改良深度Ｓ３に着底するまで行う。
次に、図５（ｂ）の着底状態から杭下部の先端処理を、図３（ｃ）～（ｅ）と同様にして行う。
次に、図５（ｃ）のように、標準施工でロッド２１，２２を逆回転し上方の第２吐出口２３ａからセメントスラリーＳＲを吐出しながら下端Ｓ３から上方に引き抜く引抜吐出を行う。
次に、図５（ｄ）のように、上記標準施工による引抜吐出を上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈだけ離れた位置近傍に到達するまで行うことで改良杭の杭下部Ｐ２を形成する。
次に、図５（ｅ）のように、図１の処理機操作部１６での制御操作により緩速施工に切り替えるとともにセメントスラリーＳＲの吐出を停止し、ロッド２１，２２を緩速施工により上方に引き抜きながら空打ちし、刃先先端２１ｃ，２２ｃが水底面Ｓ１近傍に達してから、図５（ｆ）のように、ロッド２１，２２を正回転させ緩速施工により下方に貫入しながら下方の第１吐出口２１ｃ，２２ｃからセメントスラリーＳＲを吐出する。
次に、図５（ｇ）のように、上記緩速施工による貫入吐出を、上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈだけ離れた位置近傍まで行い、さらに杭下部Ｐ２の上端に対し少なくとも30cm入り込むまで行うことで、杭上部Ｐ１を形成する。これにより、杭上部Ｐ１の下部領域と杭下部Ｐ２の上部領域とを改良杭の縦方向に少なくとも30cm重複させる。
次に、図５（ｈ）のように、セメントスラリーＳＲの吐出を停止し、ロッド２１，２２を緩速施工により上方に引き抜きながら杭上部Ｐ１内を空打ちし、図５（ｉ）のように、そのままロッド２１，２２を上方に引き抜く。
以上のように、第３の地盤改良処理によれば、杭下部Ｐ２を引抜吐出による標準施工で形成し、杭上部Ｐ１を貫入吐出による緩速施工で形成することで、地盤内の土砂とセメントスラリーＳＲとを攪拌混合して固化した改良杭Ｐを造成できる。杭上部Ｐ１を、ロッド２１，２２の貫入速度を0.1～0.3m/分、回転速度を10～30rpmとして従来の標準施工と比較すると常識外の緩速施工とすることで、杭上部Ｐ１においてセメントスラリーの局所的な流動化を抑制し、杭上部Ｐ１の天端沈下や強度低下のような施工不良が発生しない。
図６は、本実施形態による第４の地盤改良処理の各工程（ａ）～（ｈ）を説明するため地盤内の要部を縦方向に見たときの要部断面図である。
図６の第４の地盤改良処理は、図１，図２の地盤改良施工システム１０を用いて、処理機１１のロッド２１，２２による貫入吐出で杭上部を形成し、次に、引抜吐出で杭下部を形成するものである。
図６（ａ）のように、ロッド２１，２２を水中に降下させ、正回転させ、減速施工で、刃先先端２１ｃ，２２ｃから水底面Ｓ１に貫入し、攪拌翼２１ｂ，２２ｂ、攪拌翼２１ａ，２１ａ’，２２ａ，２２ａ’により地盤Ｇを攪拌しながら改良天端（設計天端）Ｓ２の近傍で第１吐出口２１ｄ，２２ｄからセメントスラリーＳＲを吐出する。かかる緩速施工による貫入吐出を、上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈだけ離れた位置近傍に到達するまで行う。これにより、距離Ｈの長さで改良杭の杭上部Ｐ１が形成される。
次に、図６（ａ）（ｂ）のように、上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈだけ離れた位置近傍に到達すると、図１の処理機操作部１６での制御操作により標準施工に切り替えるとともにセメントスラリーＳＲの吐出を停止し、標準施工でロッド２１，２２を貫入しながら地盤Ｇ内を刃先先端２１ｃ，２２ｃが改良杭の設計改良深度（下端）Ｓ３に着底するまで空打ちする。
次に、図６（ｃ）～（ｅ）のように、図６（ｂ）の着底状態から杭下部の先端処理を、図３（ｃ）～（ｅ）と同様にして行う。
次に、図６（ｆ）のように、標準施工でロッド２１，２２を逆回転し上方の第２吐出口２３ａからセメントスラリーＳＲを吐出しながら下端Ｓ３から上方に引き抜く引抜吐出を行う。
次に、図６（ｆ）（ｇ）のように、上記標準施工による引抜吐出を上方の攪拌翼２１ａ，２２ａが設計天端Ｓ２から下方に距離Ｈだけ離れた杭上部Ｐ１の下端近傍に到達するまで行うことで、杭下部Ｐ２を形成する。
次に、図６（ｇ）のように、図１の処理機操作部１６での制御操作により緩速施工に切り替え、緩速施工による引抜吐出を先端側の攪拌翼２１ｂ，２２ｂが杭下部Ｐ２の上端から杭上部Ｐ１に少なくとも30cm入り込むまで行うことにより、杭下部Ｐ２の上部領域と杭上部Ｐ１の下部領域とを改良杭の縦方向に少なくとも30cm重複させる。
次に、図６（ｈ）のように、セメントスラリーＳＲの吐出を停止し、ロッド２１，２２を緩速施工により上方に引き抜きながら杭上部Ｐ１内を空打ちし、そのままロッド２１，２２を上方に引き抜く。
以上のように、第４の地盤改良処理によれば、杭上部Ｐ１を貫入吐出による緩速施工で形成し、杭下部Ｐ２を引抜吐出による標準施工で形成することで、地盤内の土砂とセメントスラリーＳＲとを攪拌混合して固化した改良杭Ｐを造成できる。杭上部Ｐ１を、ロッド２１，２２の貫入速度を0.1～0.3m/分、回転速度を10～30rpmとして従来の標準施工と比較すると常識外の緩速施工とすることで、杭上部Ｐ１においてセメントスラリーＳＲの局所的な流動化を抑制し、杭上部Ｐ１の天端沈下や強度低下のような施工不良が発生しない。
また、第１～第４の地盤改良処理において、杭上部Ｐ１の距離Ｈを、図２のロッド２１，２２の刃先先端２１ｃ，２２ｃと第２吐出口２３ａとの間のロッドの軸方向の長さＬの２倍以上に設定することで確実に施工不良を防止し、３倍以下に設定することで緩速施工による施工効率の低下を可能な限り抑えることができる。
また、第３の地盤改良処理の図５（ｇ）、第４の地盤改良処理の図６（ｇ）のように、緩速施工による杭上部Ｐ１の下部領域と標準施工による杭下部Ｐ２の上部領域とが改良杭Ｐの縦方向に少なくとも30cm重複するように施工することで、杭上部Ｐ１と杭下部Ｐ２との境界近傍における施工不良を確実に防止できる。
また、緩速施工は引抜吐出、貫入吐出のどちらの場合でも適用可能であるが、貫入吐出の方が相対的に改良品質が良いので、引抜吐出で比較的長さのある改良杭を施工する場合、上部のみ緩速施工による貫入吐出を適用することが好ましい。すなわち、第３，第４の実施形態である地盤改良処理のように、杭下部Ｐ２の標準施工による引抜吐出には杭上部Ｐ１の緩速施工による貫入吐出を組み合わせて比較的長さのある改良杭を造成可能である。
（実験例）
次に、本発明について実験例により説明する。
次に、本発明について実験例により説明する。
図７に実験条件、図８に実験に用いた模型地盤材料の物理特性、図９に実験装置・模型地盤・模型改良杭の縦断面図（ａ）、平面図（ｂ）、および、実験装置の攪拌翼の側面図（ｃ）、図１０に実験ケース１，２の標準施工による施工工程（ａ）～（ｉ）、図１１に実験ケース３～６の緩速施工による施工工程（ａ）～（ｅ）をそれぞれ示す。本実験例は、小型模型実験で、図９（ａ）～（ｃ）のように、実験装置として土槽（L100cm×W100cm×H150cm）、単管の回転ロッド、３段攪拌翼（φ262mm）を用いた1/5スケールの小型CDM改良機を使用した。模型地盤材料は、図８に物理特性を示すように、一般砂質土である東北珪砂6号（Dr≒40%）および国内で採取した火山灰質の浚渫土（Dr≒60%）を用いた。模型地盤を地盤の細粒分が多いため水中落下方式によって作製した。固化材はセメントスラリー（W/C＝60% ）を用いた。図７の標準施工による実験ケース１，２ を図１０（ａ）～（ｉ）の各工程により行い、緩速施工による実験ケース３，４，５，６を図１１（ａ）～（ｅ）の各工程により行った。図７の実験ケース１～６のいずれも吐出無しで地盤内に貫入してから、セメントスラリーの引抜吐出・攪拌を、実験ケース１，２（標準施工）で引抜速度0.5m/分、回転速度30rpm、実験ケース３，４（緩速施工１）で引抜速度0.15m/分、回転速度10rpm、実験ケース５，６（緩速施工２）で引抜速度0.1m/分、回転速度10rpmとした。また、緩速施工２と比較して、標準施工と緩速施工１ではセメントスラリー注入量が2倍であった。各実験ケース１～６で図９（ａ）（ｂ）の模型地盤の中心部に地盤改良により直径262mm×長さ600mm（目標値）の改良体を形成した。実験中の間隙水圧（水圧計）、実験中の攪拌翼の回転トルク（トルク計）、実験前後の地表面の変状（レーザー計測）を計測した。
図１２（ａ）～（ｃ）に東北珪砂6号の実験ケース１，３，５の改良体の外観写真とその概略側面図を示す。図１３（ａ）～（ｃ）に火山灰質の浚渫土の実験ケース２，４，６の改良体の外観写真とその概略側面図を示す。図１４（ａ）～（ｃ）に実験ケース１，３，５において地盤内で計測した間隙水圧の時間変化を示す。図１５（ａ）～（ｃ）に実験ケース２，４，６において地盤内で計測した間隙水圧の時間変化を示し、（ｄ）～（ｆ）に地表面の形状変化を示す。
東北珪砂6号による模型地盤の実験ケース１，３，５では、地表面には極少量のスラリー流出が認められるが、概ね所定の改良効果が得られていると推測された。標準施工の実験ケース１では、改良中に地表面の盛上りが認められたが、スラリー注入による過剰水圧が速やかに消散できないことに起因すると推測された。改良体天端には杭直径に相当する陥没穴が認められたが、改良体の最大天端沈下量は、実験ケース１（標準施工）の65mmに対し、実験ケース３（緩速施工１）で50mm、実験ケース５（緩速施工２）で30mmであった。
火山灰質の浚渫土による模型地盤の実験ケース２（標準施工）では、改良中の地表面の盛上りが認められた。スラリー流出量も東北珪砂6号の実験ケース１（標準施工）と比べると相対的に多く、ボイリングのような状況であった。改良後には、地表面の広範囲に流出したスラリーが堆積した。改良天端の陥没穴も同様に発生し、その深度は東北珪砂6号の実験ケース１（標準施工）と比較すると深かった。実験ケース４（緩速施工１）は、実験ケース２（標準施工）と概ね同様の傾向にあったが、スラリー流出量や改良中の地表面盛上りは相対的に少なかった。実験ケース６（緩速施工２）は、施工中の地表面盛上りは生じなかった。改良体の最大天端沈下量は、実験ケース２（標準施工）の120mmに対し、実験ケース４（緩速施工１）で75mm、実験ケース６（緩速施工２）で30mmであった（図１５（ｄ）～（ｆ）参照）。天端沈下量は、各模型地盤の緩速施工１，２において標準施工よりも小さく、天端沈下が改善された。
図１４（ａ）～（ｃ）、図１５（ａ）～（ｃ）のように、各間隙水圧の最大値は、各模型地盤において標準施工、緩速施工１、緩速施工２の順に小さくなった。間隙水圧が大きいと流動化し易いので、緩速施工１、緩速施工２の方が標準施工よりも流動化し難いと判定された。また、実験ケース１～４では実験後地表面に土砂混じりセメントスラリーが流出したことを確認した。一方、セメントスラリー注入量を減らした実験ケース５，６では土砂混じりセメントスラリーの流出が確認されなかった。
また、ベーンせん断試験機を用い、図１６の実験概要に示すように、緩速施工時の攪拌翼による混合強度の検証実験を行った。実験は 、攪拌翼を実験地盤内に貫入し、回転させて引抜吐出時にロッドの回転トルクを測定し、さらに、回転速度を各緩速施工１、各緩速施工２で5，20rpmとし、各標準施工で40，50rpmとして同様にロッドの回転トルクを測定した結果を図１７に示す。回転速度が30rpm以上であると、回転トルクが一定であり、攪拌混合による混合物が流動化しているのに対し、30rpm以下であると、回転トルクが増加し、混合物の強度を保持できた。
以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。たとえば、図１では二連式（２軸）の一対のロッドを用いたが、本発明は、これに限定されず、４連式（４軸）や８連式（８軸）等のさらに多連式（多軸）のロッド構成であってもよく、また、１軸ロッドであってもよい。
また、本実施形態では、水底地盤に対する水中施工を例にして説明したが、本発明はこれに限定されず、陸上地盤に対する陸上施工であってもよいことはもちろんである。
また、本実施形態において、セメントスラリーの水セメント比W/Cを混和剤等で下げることにより、添加するスラリー体積を減らすことで、スラリー吐出圧を低減し、セメントスラリーの流動化を防ぐ効果が期待される。また、混和剤等でセメントスラリーに増粘性を付与し、セメントスラリーと原地盤とを絡ませることで、セメントスラリーの流動化を防ぐ効果が期待される。
本発明によれば、深層混合処理工法による地盤改良において地盤改良部の天端沈下や上部の強度低下のような施工不良を防止できるので、施工効率の低下をできるだけ抑えつつ品質の良好な地盤改良部を造成可能である。
１０ 地盤改良施工システム
１１ 処理機
２１，２２ ロッド
２１ａ，２２ａ，２１ａ’，２２ａ’ 攪拌翼（攪拌部）
２１ｂ，２２ｂ 攪拌翼（攪拌部）
２１ｃ，２２ｃ ロッドの刃先先端
２１ｄ，２２ｄ 第１吐出口
２３ 固定吐出管
２３ａ 第２吐出口
Ｇ 地盤
ＣＳ 土砂混じりセメントスラリー
Ｈ 設計天端からの距離（所定距離）
Ｌ ロッドの刃先先端と第２吐出口との間のロッドの軸方向の長さ
Ｐ 改良杭（地盤改良部）
Ｐ１ 杭上部（上部）
Ｐ２ 杭下部（下部）
Ｓ１ 水底面
Ｓ２ 改良天端、設計天端
Ｓ３ 設計改良深度、杭下部の下端
ＳＲ セメントスラリー（固化材）
１１ 処理機
２１，２２ ロッド
２１ａ，２２ａ，２１ａ’，２２ａ’ 攪拌翼（攪拌部）
２１ｂ，２２ｂ 攪拌翼（攪拌部）
２１ｃ，２２ｃ ロッドの刃先先端
２１ｄ，２２ｄ 第１吐出口
２３ 固定吐出管
２３ａ 第２吐出口
Ｇ 地盤
ＣＳ 土砂混じりセメントスラリー
Ｈ 設計天端からの距離（所定距離）
Ｌ ロッドの刃先先端と第２吐出口との間のロッドの軸方向の長さ
Ｐ 改良杭（地盤改良部）
Ｐ１ 杭上部（上部）
Ｐ２ 杭下部（下部）
Ｓ１ 水底面
Ｓ２ 改良天端、設計天端
Ｓ３ 設計改良深度、杭下部の下端
ＳＲ セメントスラリー（固化材）
Claims (10)
- 改良対象の地盤内にスラリー状の固化材を吐出しながらロッドに設けられた攪拌部を回転させて前記地盤内の土砂と前記固化材とを攪拌混合するとともに前記ロッドを前記地盤に対し貫入または引抜することにより前記地盤内に固化した地盤改良部を造成する、機械攪拌式の深層混合処理工法による地盤改良工法であって、
前記地盤改良部の設計天端から下方に所定距離の範囲内の上部において前記地盤改良部を緩速施工により造成し、前記上部以外の下部において前記地盤改良部を標準施工により造成し、
前記緩速施工は、前記ロッドの貫入速度または引抜速度、および、前記攪拌部の回転速度をそれぞれ、前記標準施工における前記貫入速度または前記引抜速度、および、前記回転速度よりも低くし、
前記下部において前記標準施工により前記ロッドを引き抜きながら前記固化材を吐出し攪拌する引抜吐出を行うステップと、
前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを引き抜きながら前記攪拌部により攪拌するステップと、
前記引き抜き中に前記ロッドの先端が前記地盤の表面または表面近傍に達してから、前記上部において前記上部の下端近傍まで前記緩速施工により前記ロッドを貫入しながら前記固化材を吐出し攪拌する貫入吐出を行うステップと、を含む地盤改良工法。 - 改良対象の地盤内にスラリー状の固化材を吐出しながらロッドに設けられた攪拌部を回転させて前記地盤内の土砂と前記固化材とを攪拌混合するとともに前記ロッドを前記地盤に対し貫入または引抜することにより前記地盤内に固化した地盤改良部を造成する、機械攪拌式の深層混合処理工法による地盤改良工法であって、
前記地盤改良部の設計天端から下方に所定距離の範囲内の上部において前記地盤改良部を緩速施工により造成し、前記上部以外の下部において前記地盤改良部を標準施工により造成し、
前記緩速施工は、前記ロッドの貫入速度または引抜速度、および、前記攪拌部の回転速度をそれぞれ、前記標準施工における前記貫入速度または前記引抜速度、および、前記回転速度よりも低くし、
前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを貫入しながら前記固化材を吐出し攪拌する貫入吐出を行うステップと、
前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記下部において前記標準施工により前記ロッドを貫入しながら前記攪拌部により攪拌するステップと、
前記下部において前記標準施工により前記上部の下端近傍まで前記ロッドを引き抜きながら前記固化材を吐出し攪拌する引抜吐出を行うステップと、
前記上部の下端近傍において前記固化材の吐出を停止しかつ前記上部において前記緩速施工により前記ロッドを引き抜きながら前記攪拌部により攪拌するステップと、を含む地盤改良工法。 - 前記緩速施工において、前記貫入速度または前記引抜速度を0.1～0.3m/分とし、前記回転速度を10～30rpmとし、
前記標準施工において、前記貫入速度または前記引抜速度を0.3～1.0m/分とし、前記回転速度を30～60rpmとする請求項１または２に記載の地盤改良工法。 - 改良対象の地盤内にスラリー状の固化材を吐出しながらロッドに設けられた攪拌部を回転させて前記地盤内の土砂と前記固化材とを攪拌混合するとともに前記ロッドを前記地盤に対し貫入または引抜することにより前記地盤内に固化した地盤改良部を造成する、機械攪拌式の深層混合処理工法による地盤改良工法であって、
前記地盤改良部の設計天端から下方に所定距離の範囲内の上部において前記地盤改良部を緩速施工により造成し、前記上部以外の下部において前記地盤改良部を標準施工により造成し、
前記緩速施工は、前記ロッドの貫入速度または引抜速度、および、前記攪拌部の回転速度をそれぞれ、前記標準施工における前記貫入速度または前記引抜速度、および、前記回転速度よりも低くし、
前記緩速施工において、前記貫入速度または前記引抜速度を0.1～0.3m/分とし、前記回転速度を10～30rpmとし、
前記標準施工において、前記貫入速度または前記引抜速度を0.3～1.0m/分とし、前記回転速度を30～60rpmとする地盤改良工法。 - 前記緩速施工を、前記地盤に対し前記ロッドを貫入しながら前記固化材を吐出し攪拌する貫入吐出により行う請求項４に記載の地盤改良工法。
- 前記緩速施工を、前記地盤に対し前記ロッドを引き抜きながら前記固化材を吐出し攪拌する引抜吐出により行う請求項４に記載の地盤改良工法。
- 前記固化材は、前記ロッドの刃先先端の近傍に設けられた第１吐出口と、前記第１吐出口よりも上方に設けられた第２吐出口とから吐出可能であり、
前記所定距離は、前記先端と前記第２吐出口との間の前記ロッドの軸方向の長さに基づいて設定される請求項１乃至６のいずれかに記載の地盤改良工法。 - 前記所定距離は、前記軸方向の長さの２～３倍に設定される請求項７に記載の地盤改良工法。
- 前記上部の下部領域と前記下部の上部領域とを前記地盤改良部の縦方向に少なくとも30cm重複させる請求項１乃至８のいずれかに記載の地盤改良工法。
- 前記改良対象の地盤は、液状化現象が生じる可能性のある土質からなる請求項１乃至９のいずれかに記載の地盤改良工法。
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