JPH10331149A - 軟弱粘性土の改良工法 - Google Patents

軟弱粘性土の改良工法

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JPH10331149A
JPH10331149A JP14185997A JP14185997A JPH10331149A JP H10331149 A JPH10331149 A JP H10331149A JP 14185997 A JP14185997 A JP 14185997A JP 14185997 A JP14185997 A JP 14185997A JP H10331149 A JPH10331149 A JP H10331149A
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Takashi Mitsunari
高志 光成
Masao Shimoda
正雄 下田
Mitsuo Hanada
光雄 花田
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Onoda Chemico Co Ltd
Yoshizawa Sekkai Kogyo KK
Toda Corp
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Onoda Chemico Co Ltd
Yoshizawa Sekkai Kogyo KK
Toda Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 硬焼生石灰を主材料とするパイルを軟弱粘性
土中に形成し、粘性土の圧密を促進してパイル間の粘性
土を改良し、かつパイル材料にポゾラン反応を起こさせ
て硬化したパイルとし、地盤全体では硬いパイルとよく
圧密された粘性土の複合地盤とする地盤改良工法を提供
すること。 【解決手段】 石灰石を1,200〜1,500℃で焼成して得ら
れた硬焼生石灰であって、その粒径が5mm以上のもの
と、透水性材料、水砕、石膏を混合したパイル材料を、
軟弱な粘性土中に挿入したケーシングに投入してパイル
を形成した後、該ケーシングを除去し、該パイルを構成
する硬焼生石灰と周囲の粘性土の間隙水との反応による
粘性土の脱水及びパイル方向への浸透圧密による粘性土
の脱水並びにパイルを硬化することからなる軟弱粘性土
の改良工法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、軟弱粘性土の改良
工法に関するものであって、詳しくは飽和した正規圧密
粘性土の間隙水と硬焼生石灰との水和反応と、その後に
続いて起こる粘性土層のパイル方向への浸透圧密、パイ
ル中に混合された砂などの透水性材料並びに水砕や石膏
によるポゾラン反応によって膨張、圧縮、硬化を起こさ
せる軟弱粘性土の改良工法に関するものであ。
【0002】
【従来の技術】一般に粘土あるいはシルトを多量に含む
沖積粘性土地盤や埋め立て地のような水分含有量の多い
若令地盤は軟弱であって、支持力が小さく、かつ圧縮性
が大きい。従って、土木工事あるいは建築工事におい
て、盛土造成などの土構造物や共同溝などの線状構造物
を施工する場合、あるいは建物などを地下に構築する際
の根切り工事の場合に、施工中の作業性が困難であるば
かりでなく、構造物の支持力が不足して地盤が破壊する
危険性が大である。
【0003】また、長期にわたる沈下に起因する不等沈
下や、根切り時の山止め構造物に過大な応力を発生せし
めたり、過大な変形を起こして工事を進めるのに危険な
状態になることがある。特に、埋め立て地のような若令
地盤で、そのシルト含有量の大きい浚渫されて埋め立て
られた地盤では、軟弱であり、支持力、沈下とも何らか
の対策が必要になっている。そこでこれらの対策とし
て、従来は、砂杭や袋詰め砂杭などのバーチカルドレー
ン工法、生石灰パイル工法などによる地盤改良工法が実
施されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】バーチカルドレーン工
法のような物理的地盤改良工法では、パイル自体は強度
を持たず、粘性土の改良には地表に高い盛土が必要であ
る。また、生石灰パイル工法のような化学的地盤改良工
法では、盛土は必要ではない。従来の地盤改良に用いら
れた生石灰は、石灰石を比較的低温で焼成して得られる
軟焼生石灰であって、活性度が高いことと、その密度が
小さいのが特徴であるが、これを微粉も含めて使用して
いるため、生石灰の反応が急激に起こりその膨張率は高
々1である。
【0005】従来の生石灰パイル工法は、生石灰の消化
吸水により周辺粘性土から脱水することが、改良原理と
考えられるので、パイルを透水性にするという観点はな
かったが、仮に透水性を増大させるための砂などの透水
性材料の混合は、その水分を完全に取り除く必要がある
ので、手間と経費がかかるため、これを行わず、膨張率
を落とさないためにも、単味で使用されていた。また、
施工時には、土中水との反応が急激に起こるため、パイ
ル上部からあたかも温泉が沸くように噴泥が起こり危険
である。そして材料は、乾燥状態でコンテナによって搬
入されるが、ケーシング上部に吊り下げて移動し、ケー
シングに投入する時、風などにより微粒粉が飛散し、市
街地での工事では問題となる場合があった。
【0006】本発明は上記の種々の問題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、粘性土の圧密を促進してパ
イル間の粘性土を改良し、かつパイル材料にポゾラン反
応を起こさせて硬化したパイルとし、地盤全体では硬い
パイルとよく圧密された粘性土の複合地盤として、支持
力の増加した沈下の起こりにくい地盤に改良する軟弱粘
性土の改良工法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らの研究によれ
ば、粘性土中にケーシングを圧入するとか振動を与えて
打設する場合に、粘性土は砂に比べると不透水性のよう
に挙動するから、ケーシングが強制的に進入するような
粘性土にとり急激な破壊に対して、間隙水の逃げ場がな
く、排水されない状態では、間隙水圧が上昇して、その
深さに応じた土被り圧すなわち全応力を上限として上昇
することを見出した。このことは、粘性土に比べ透水性
の大きい砂の場合でも、地震のような短時間のせん断応
力を受ければ、一気に間隙水が排水されるのではなく、
その水圧が上昇して全応力に達し、砂粒子同士が受けて
いる有効応力が零になり、いわゆる液状化現象が起こる
のと同じ現象である。
【0008】粘性土の場合に、非排水状態で破壊されて
上昇した間隙水圧(これを過剰水圧という)は、パイル
状に存在する石灰パイルに向かって減少していく。これ
は粘性土の圧密現象として理解されているものである
が、これが従来の生石灰パイル工法の改良の重要な一翼
を担っていることが判った。この現象はケーシングによ
り粘性土が円筒状に拡幅されて起こるので、ここでは円
筒拡幅効果と呼ぶこととする。円筒拡幅効果は、最初粘
性土の破壊によって発生する過剰水圧の消散によって発
揮されるので、過剰水圧の消散が十分でない圧密の初期
の段階では、元の強度より小さい。しかしながら、この
効果が十分発揮される時間と土被り圧が減少しない条件
のもとでは、圧密が進み、元の強度よりも大きい強度に
なる。即ち、一旦強度低下を起こした粘性土が、蘇って
元の強度を凌駕することが判った。
【0009】そこで本発明者らは、従来の生石灰パイル
工法では、円筒拡幅後の過剰水圧の消散がいつまでも続
くような、いわば排水出来る透水性の境界になり難い点
に着目し、砂のような透水性の材料を添加し、パイルの
透水性を増加し、パイルの内部まで生石灰が消化するよ
うに、生石灰を塊状にして、その廻りを砂などの透水性
材料、水砕、石膏で囲み、透水性とパイル自体の硬化も
起こるように、ポゾラン反応が起こるのに必要な材料を
添加することにした。
【0010】本発明は、上記の着想に基づくものであ
り、その課題を達成する具体的な手段として、石灰石を
1,200〜1,500℃で焼成して得られる硬焼生石灰
であって、その粒径が5mm以上のものと、透水性材
料、水砕(高炉水砕、転炉水砕など)、石膏を混合した
パイル材料を、軟弱な粘性土中に挿入したケーシングに
投入してパイルを形成した後、該ケーシングを除去し、
該パイルを構成する硬焼生石灰と周囲の粘性土の間隙水
との反応による粘性土の脱水及びパイル方向への浸透圧
密による粘性土の脱水並びにパイルを硬化することを特
徴とする軟弱粘性土の改良工法としたものである。
【0011】生石灰としては、石灰石を1,200〜1,
500℃で焼成して得られる硬焼生石灰を用いる。この
生石灰は、微粒分は水和速度が速く、取り扱いが難しい
ので取り除き、粒径が5mm以上のものを使用する。上
記のような、粒径が5mm以上の硬焼生石灰を使用すれ
ば、反応速度が遅く、湿潤状態の砂などを混合しても水
和反応がしばらく進まないので、取り扱いが容易とな
る。また、この生石灰は単味で使用しないので、膨張率
の大きい硬焼生石灰を用いるが、硬焼生石灰は焼き締め
られており、軟焼生石灰に比べて比重が大きいため、膨
張率が大きい。
【0012】一般に、生石灰が水によって消石灰になる
水和反応は、生石灰の体積の約2倍の体積になる反応で
ある。これは、消石灰が乾燥状態で生石灰の2倍の体積
になることであり、その反応後、その間隙に吸水した消
石灰の塊としては、消石灰と間隙水をもった消石灰の塊
になっている。軟焼生石灰は、生石灰とほぼ等量の間隙
を持っているので、それぞれ1ずつの体積を持ち、全体
で2の体積を持っている。そして、水和反応により消石
灰の塊となっても、拘束圧が大きくない場合は、その間
隙率は変わらないことを実験により確かめた。従って、
消石灰が2の体積、その間隙も2となり、消石灰塊とし
ては、4の体積になり、元の体積の2倍に膨張してい
る。一方、硬焼生石灰は殆ど間隙がない生石灰の塊に近
い。従って、生石灰分として1の体積を持つ生石灰が、
消石灰の塊になると、消石灰分は2の体積になり、等量
の間隙2に水分を飽和さた消石灰の塊となる。従って、
この消石灰塊は4の体積になっており、元の体積1に対
して4倍に膨張することになるから、軟焼生石灰の2倍
に膨張することになる。上記の説明を図解すれば図1の
ようになる。
【0013】上記の性質を利用して、硬焼生石灰単味で
はなく、パイルの透水性と硬化の特性を損なわないよう
に、また、膨張率もある程度得られるように、硬焼生石
灰に砂などの透水性材料、高炉水砕、転炉水砕、高炉セ
メントなどの硬化材料並びにポゾラン反応に必要な石膏
分を混合してパイル材料とする。生石灰以外の材料は、
透水性と硬化という目的のために、できるだけ安価な材
料を選択し、産業廃棄物の有効利用の観点から、上記の
ような水砕や、石膏としては排煙脱硫石膏を有り姿のま
ま使用する。砂についても、灰溶融スラグのような砂状
の材料を用いることができる。そして、透水性と硬化及
び膨張の三つの要件を満足する各材料の混合割合は、硬
焼生石灰25〜35重量部、透水性材料35〜65重量
部、有り姿の水砕と石膏を10〜30重量部とすること
が望ましい。
【0014】上記のような配合材料を、予め地上にて用
意し、ケーシングを粘性土層に圧力または振動により挿
入すると、粘性土は円筒状に強制的に破壊され、粘性土
の間隙に満たされている間隙水は排水されずに、その深
さの土の重さまで水圧が増加して不安定な状態になる。
次に、ケーシング内にパイル材料が投入されて、ケーシ
ングが引き抜かれ、パイル状に土と材料が置換される
と、硬焼生石灰と粘性土の間隙水との水和反応が始ま
り、生石灰は消石灰に変化する。ひき続き、消石灰塊の
間隙への吸水、さらにパイルの間隙を浸透して内部にあ
る生石灰の消化が起こる。
【0015】この消石灰塊の間隙への吸水とパイル間隙
への水の浸透は、円筒拡幅によって増加した水圧がパイ
ル方向へ消散していくもので、いわゆる圧密現象と見る
ことができる。このような圧密が、粘性土の透水特性に
応じて徐々に起こり、過剰な水圧が殆ど消散するまで続
く。この現象は、生石灰の水和反応による水和熱により
スムースに進む。パイル内の硬焼生石灰塊が水和する
と、パイル内はこの膨張により締め固められ、パイルを
取り囲んでいる粘性土の拘束圧力に打ち勝ち、パイルは
膨張し、粘性土の水平土圧を上昇させ、ひいては水圧も
上昇させる。
【0016】生石灰が水和する化学反応は、硬焼生石灰
といえども、土中に入ってから数週間で終了するから、
その後は過剰水圧の消散という圧密が続く。また、パイ
ル内では、消石灰によってアルカリ状態になっており、
高炉水砕や石膏と砂粒子が相互に作用して、ポゾラン反
応が起こり、水硬性化合物が生成し、パイルは硬化して
いく。パイル体の硬化は従来の生石灰パイル工法による
地盤改良と変わらないが、その改良原理を、パイル周辺
の過剰水圧の消散が進みやすいように、パイル体を透水
性パイルにした点並びに粘性土の改良に硬焼生石灰を使
用した点が本発明の特徴である。
【0017】本発明に用いる地盤改良材を粘性土地盤に
適用する場合は、図2に示す(a)〜(b)の順序に従って
行われる。 (a)先ず杭打機1を目的の位置に垂直に立て、円筒状の
ケーシング2の先端のシュー3を閉じた状態でケーシン
グ2を回転し、螺旋翼4により徐々に土中に進入させ
る。工事周辺の状況によっては、ケーシング2は振動に
よって土中に打ち込まれる。このように、強制的に粘性
土中にケーシングを挿入することにより、粘性土層を破
壊し、間隙水圧を上昇させる。 (b)ケーシング2の先端が所定のL2 まで到達したら、
ケーシング2の回転を止め、上部のサイドホッパー5か
らケーシング2の内部へ、予め混合調製しておいた地盤
改良材を、杭頭レベルがL1 に達するまで投入する。 (c)シュー3を開き、コンプレッサー6から圧搾空気を
送り、ケーシング2の内部を所定の圧力P1に加圧しな
がら、ケーシング2とパイル材料との摩擦を切りケーシ
ング2を回転して引き抜く。 (d)地中に地盤改良材のパイル7が造成される。このよ
うにして、硬焼生石灰を主材料とする地盤改良材のパイ
ル7が所定の間隔で打設される。 (e)打設された地盤改良材のパイルの杭頭L1 までは、
現場の土を詰めるとか盛り土をして地表面が浮き上がら
ないように対策を講じる。打設された地盤改良材のパイ
ル7は、外周の増大している間隙水圧を持つ粘性土の間
隙水を吸収し、かつ膨張する際にパイル間を圧密し、さ
らに硬化することによって、地盤の構成が元の地盤より
改良されたパイル間地盤と硬化した柱状体の複合地盤が
形成される。
【0018】上記のように、本発明に基づく工法による
と、粘性土地盤に対して強制的にパイル体を造成するこ
とにより、パイル間の地盤を一旦破壊するが、間隙水圧
が上昇し、これが生石灰の水和を促進し、その結果パイ
ルの膨張や間隙水圧の上昇により水和が進むと共に、パ
イル間の粘性土の圧密が進み、元の地盤より改良され
る。さらに、パイル材料はポゾラン反応により、長期的
には硬化し、強度のあるパイルと圧密された粘性土との
複合地盤として剛性の高い地盤が形成される。このよう
な地盤は、支持力が増加し、沈下しにくい地盤となって
いる。以下本発明の実施例について説明し、改良効果を
具体的に示す。
【0019】
【発明の実施の形態】実施例1 沖積粘性土層が厚く堆
積している敷地面積6,700m2のうち、3,300m2
にわたる部分に、深さ13〜15.5mの長さの硬焼生
石灰を主材料とするパイルを919本打設した。このパ
イルを構成する各材料の配合は、硬焼生石灰25重量
部、砂62重量部、有り姿の水砕10重量部、排煙脱硫
石膏3重量部とした。そして、このパイルの間隔は正三
角形配置で、そのピッチは1.6m である。このピッチ
で919本のパイル本数であると、2,000m2 分に
しかならないが、1,300m2 分は建物の基礎杭に当
たるので、パイルは打設しなかった。
【0020】次に、パイル打設部でのパイル間地盤の調
査とパイル体の強度調査をパイル打設後時間をおいて実
施した。その結果、図3に示すように、パイル間地盤
は、パイル打設後2ヶ月では元の地盤の強度より低下し
ているが、7ヶ月では強度が回復して元の地盤の強度よ
り大きくなっている。そして、パイル打設後8ヶ月でパ
イル体を掘り出し、強度試験をしたところ、一軸圧縮強
度は100kPa 以上であった。また、その透水係数は1
-3 cm/secのオーダーを示し、パイル間粘性土の透水
係数10-7 cm/sec の 10,000倍もあり、円筒拡幅効果
に対し十分排水境界になる値であった。また、パイルの
飽和度は95%を示し、これから計算で求めれらる消石
灰塊の間隙比は0.98 となり、硬焼生石灰は100%
消化していることが判った。
【0021】実施例2 軟弱な沖積粘性土が厚く堆積し
ている4,500m2の敷地の全面に、硬焼生石灰を主材
料とする実施例1と同一配合割合のパイル材料からなる
パイルを1,126本打設した。パイルピッチは、敷地
外周10mについては1.6mの正三角形配置、パイル
の長さ20mであり、外周部より中側は2mピッチの正
三角形配置、パイルの長さ10.5m である。パイル打
設前後にパイル間地盤の調査を実施し、改良効果とパイ
ル体の強度試験を実施した。
【0022】試験の結果は、図4に示すように、パイル
打設後7ヶ月ではパイル間地盤は元の強度よりも大きい
強度を示した。パイル打設後1年のパイル体の強度は、
一軸圧縮強度で300kPa 以上を示した。パイル体の透
水係数は実施例1と同様のオーダーの値を示し、円筒拡
幅効果が発揮されていることが判った。沖積粘性土地盤
の静止土圧係数は、0.5 近辺の値を示すが、硬焼生石
灰を主材料とする本発明に係るパイルが打設されると、
円筒拡幅とパイルの膨張により土圧並びに水圧が増加す
る結果、土圧係数が増加することが理論的に想定されて
いる。そこで、以上の二つの実施例につき、パイル打設
後のパイル間地盤の土圧と水圧を測定して、土圧係数の
増加を確認した。その結果は、図5に示すように、改良
前の静止土圧K0(=0.2〜0.8)は、パイル打設後
K1(=0.5〜1.4)に増加していることが確かめら
れた。このことから、円筒拡幅効果に叶うようなパイル
材料と配合が適切であることを確認した。
【0023】ここで、従来の生石灰パイル工法と本発明
の工法のパイル特性等について、比較して表1に示す。
【表1】 生石灰パイルの消化率と透水性は二律背反特性をもつ。
従来法は透水性と消化率を犠牲にして、石灰単味にした
パイルを使用し、改良原理を石灰の消化、吸水と考えた
ものである。本発明による工法は、改良原理に合うよう
に、上記の二律背反特性を合理的にバランスさせた材料
の種類と配合を決めたものである。つまり、硬焼生石灰
と透水性材料、水砕、石膏を混合した材料を使用するこ
とで、二律背反特性を解決したものである。
【0024】
【発明の効果】本発明に係る硬焼生石灰パイルによる軟
弱粘性土の改良工法によれば、硬焼生石灰を主材料とす
る経済的な地盤改良材のパイルを粘性土地盤に打設する
ことにより、粘性土地盤全体をよく圧密された剛性の高
い地盤に改良することができて、支持力は増加し、沈下
を起こしにくい地盤にすることができる。従って、この
ような改良地盤では、軽微な建物は直接支持できるよう
になり、通常の建物でもパイルピッチを小さくすること
により支持可能になることなどが期待され、さらに、道
路盛土の支持地盤や共同溝の支持地盤の改良並びに山止
め前面地盤の改良などにも用いることができるので、実
用上の価値はは極めて高いものがある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、硬焼生石灰塊と軟焼生石灰塊の膨張率
を比較した模式図である。
【図2】図2(a)〜(e)は、本発明に係る地盤改良工法
の施工順序を示す、一部断面を含む側面図である。
【図3】図3は、実施例1によるパイル間地盤の改良効
果を表すグラフである。
【図4】図4は、実施例2によるパイル間地盤の改良効
果を表すグラフである。
【図5】図5は、実施例1と2から得られた改良前後の
土圧係数の増加を示すグラフである。
【符号の説明】
1 杭打機 2 ケーシング 3 シュー 4 螺旋翼 5 サイドホッパー 6 コンプレッ
サー 7 パイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 光成 高志 東京都中央区京橋1−7−1 戸田建設株 式会社内 (72)発明者 下田 正雄 東京都台東区柳橋2−17−4 小野田ケミ コ株式会社内 (72)発明者 花田 光雄 神奈川県鎌倉市梶原2−5−7

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 石灰石を1,200〜1,500℃で焼成
    して得られる硬焼生石灰であって、その粒径が5mm以
    上のものと、透水性材料、水砕、石膏を混合したパイル
    材料を、軟弱な粘性土中に挿入したケーシングに投入し
    てパイルを形成した後、該ケーシングを除去し、該パイ
    ルを構成する硬焼生石灰と周囲の粘性土の間隙水との反
    応による粘性土の脱水及びパイル方向への浸透圧密によ
    る粘性土の脱水並びにパイルを硬化することを特徴とす
    る軟弱粘性土の改良工法。
  2. 【請求項2】 各材料の混合割合は、硬焼生石灰25〜
    35重量部、透水性材料35〜65重量部、水砕と石膏
    が10〜30重量部である請求項1に記載の軟弱粘性土
    の改良工法。
JP14185997A 1997-05-30 1997-05-30 軟弱粘性土の改良工法 Pending JPH10331149A (ja)

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