JPS5966482A - 地盤注入工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は珪酸のコロイド溶液を用いた地盤注入工法に関
するものである。

従来、地盤注入のだめに水ガラスグラウトが用いられて
来た。水ガラスグラウトは液状の珪酸のアルカリ金属塩
であり、これに塩や酸を加えて珪酸ゲルを析出する事に
よって地盤を固結するものである。

しかるに珪酸のアルカリ金属塩は高アルカリ性を呈しそ
のゲル化もアルカリ領域で行なわれるため地下水が長期
にわたってアルカリ性を呈するという間頚があった０、
この問題を解決するために酸性液中に水ガラスを加えて
水ガラス中のアルカリを除去して得られる酸性珪酸水溶
液とアルカリを合流し２て中性領域でゲル化させる地盤
注入工法が開発されている。

このグラウトは固結物が中性を示し、地上水のＰＩ−Ｉ
も変動せずきわめてすぐれた特性を有する注入材である
が、ゲルそのものの強度が弱い事並びにゲル化が非常に
短いという欠点があった。

即ち、通常水ガラスグラウトにおける注入液中のＳｉ２
０の濃度は１５重量％以上である事が強度の点から（固
結砂の一軸圧縮強度で２に７／ｃｒＩ以−ト）必要であ
るが、５ｊＯ２の濃度が１５重量％以上ではゲル化時間
が中性領域付近（ＰＨが４〜１０）で１分以内、通常数
秒になってし壕う。もしゲル化時間を中性領域付近で３
０〜６０分程度を得ようとしたならＳｉＯ□の濃度は５
重量％以下にしなくては々らずこの濃度では固結砂強度
は１−　Ｋ４／ｃｒｌにも達せず、注入工法には実用ト
利用出来ない。又中性領域の水ガラスグラウトは酸性液
中に水ガラスを加えて水ガラス中のアルカリを中和して
注入液を得るものであるから、その注入液中には当然の
事ながら中和によって生成した中和生成物、即ちＮａイ
オンや酸根等が多く残溜するが水質保全の点からとれら
のＮａイオンや酸根も残存１−ない注入工法が確立出来
ればこれにすぐれるものは々い、３ 本発明は以上の問題を解決するために更に発展した技術
を提供するものである６、 即ち本発明は電解質物質を含むゲル化剤および珪酸のコ
ロイド溶液を混合し、との混合物を３１ｂ盤中に注入す
ることによって前記問題点を解決したものである。

前述の本発明において、電解質を含むゲル化剤と珪酸の
コロイド溶液の混合は珪酸のコロイド溶液にゲル化剤を
添加することによって行ってもよく、１だゲル化剤に珪
酸コロイド溶液を添加することによって行ってもよく、
あるいは両者を一諸に添加混合することによって行って
もよい。

本発明における珪酸のコ「フィト溶液（シリカゾル）と
は液状のアルカリ金属珪酸塩水溶液（水ガラス）からア
ルカリ金属イオンの殆んどを除去して得られるものであ
って、例えば、ゼオライト系陽イオン交換体、アンモニ
ウム系イオン交換体などのイオン交換樹脂に水ガラスを
通過させ、生成したシリカゾルを８０℃〜９０℃の温度
でさらに水ガラスに加え、再び前記イオン交換樹脂に通
過してイオン交換を行なって得られるものであり、比較
的純すいな（稀薄な）シリカゾルが得られる。さらに純
すいなシリカゾルを得るには前述の稀薄なシリカゾルを
微アルカリ性に調整し、これにさらに前述のシリカゾル
を加えながら蒸発し、安定化と濃縮を同時に行なう方法
、あるいはイオン交換後の活性シリカゾルを適当なアル
カリの下に加熱し、これにさらに活性シリカゾルを加え
て安定化する方法が用いられる。

本発明における珪酸コロイド溶液はＮａイオンが殆んど
分離除去されているだめ通常ＰＩ（が１０以下の弱アル
カリ性を呈しており、Ｎａ２Ｏは４％〜０．２％の範囲
にある。Ｎａ　２０が４％以−ヒになると珪酸コロイド
は溶けてしまい珪酸塩の水溶液と身って１−まう。一方
Ｎａ２Ｏが１％以下に彦ると珪酸コロイドは安定して存
在しえず凝集してし甘う１．即ち、Ｎａ２Ｏが４％〜０
．２％の範囲でＮａイオンが珪酸コロイドの表面に分布
１〜て安定したコロイド状に保ちうる３、この場合珪酸
コロイドの粒経はほぼ６〜５０μｍが主となる。珪酸コ
ロイドの粒経が５０μｍ以十に以上と沈澱してしまう１
、又これはモル比でほぼ４００〜８０程度を示す。又Ｓ
！０２の濃度は５０重量％である事がコロイドの安定上
必要である。、 このようにして調整された珪酸コロイドはほとんど中性
に近くかつ半永久的に安定しており、これを注入液とし
て用いる場合、工場から現場への搬入並びに注入操作の
際にゲル化する心配性がない。この珪酸のコロイド溶液
をそのｉｔ地盤中に注入してもそれ自体実用時間内にゲ
ル化する事はないので実用上の固結効果は得られない。

しかるに前記珪酸のコロイド溶液にあらかじめ電解質物
質を含むゲル化剤を加えてこれらの混合物として地盤中
に注入すると、珪酸のコロイド溶液は地盤中で前記ゲル
化剤により不安定化されコロイド粒子同志が結合し、強
固な固結体を形成して地盤を固結する。

上記において、電解質物質を含むゲル化剤とは前記電解
質物質が陽イオンを解離して珪酸のコロイド溶液を不安
定化するか或は珪酸と不溶性の塩を形成するものを言う
。

例えば酸−や、或はグリオキザールやエステルのように
それ自体は酸でないが加水分解して酸として作用するも
の或←Ｌ　ＮａＨＣＯ３やＮａＨ８Ｏ４のように加水分
解に酸として作用する塩、或ばＣａＣｌ２　、Ｍ９Ｃ１
２やＣａ（ＯＨ）ｚのように不溶性塩（珪酸のＣａ塩や
Ｍｌｉ’塩）を形成する塩、或はアルカリ等の例をあげ
る事が出来る。又、セメントばＣａｌ＋を解離するため
Ｃａ塩と同様にみ外す事が出来る。、 珪酸コロイド溶液が電解質物質によってゲル化する理由
はこれが電解質物質の解離イオンによって電気的に中和
されてコロイド同志の結合が生じるためであり、具体的
には珪酸のコロイドは通常水中において負に荷電してい
るが、この場合に前記珪酸のコロイドは例えば金属イオ
ンによって電気的に中和されてコロイド同志が結合する
ためであり、あるいはまだ珪酸のコロイド溶液は通常、
ＰＨ８以上、好１しくはＰＩ−Ｉ　９〜１０において安
定あり、ＰＨ４〜５において不安定化されゲル化が起こ
るとされているが電解質から解離される水素イオンによ
り前記珪酸のコロイド溶液がＰＨ４〜５の酸性側に移向
され、不安定化されるためであると思われる。

本発明に用いられる電解質物質としてはカルシウム等の
アルカリ土金属イオン、アルミニウム、イオン、鉄イオ
ン等の金属イオンを解離する物質、水素イオンを解離す
る物質、七メン＋、等であり、さらに前述の物質、特に
カルシウムイオンを解離する電解質物質と、石膏、スラ
グ、フライアッシュ等の少なくとも一神とを併用したも
のであってもよい。

これらのイオンのうち酸は珪酸コロイド周辺のＮａイオ
ンの作用を除いてコロイドを不安定化１〜上記金属イオ
ンは珪酸コロイドと化学的に結合して不水溶性の珪酸の
金属塩を形成するため特にすぐれた効果を発揮する。

即ち、この珪酸のコロイド液に例えばセメントやＣａ（
ＯＨ）２を作用させた場合、コロイド同志がＣａを介し
てつながり高分子の不溶性の珪酸カルシウム化合物を形
成してゲル化するものと思われる。

同様な現象はＣａ以外にも他のアルカリ土金属、アルミ
ニウム、鉄化合物が作用しても生じ、水に不溶性の高分
子の珪酸塩を形成する。父上記における酸どしてはリン
酸等或は酸性領域のそれ自体ゲル化しうる水ガラス配合
液等を用いる１、このように本発明における珪酸コロイ
ド溶液は従来用いられている水ガラス水溶液のゲル化の
ように強酸性或は強アルカリ性を呈する珪酸の溶液中に
おけるアルカリ金属塩の単分子から出発してコロイドを
経てゲル化に至る現象を呈するのとちがってはじめから
弱アルカリ性から中性を呈するコロイド液から出発して
いるだめ珪酸コロイド自身の中にはＮａイオンを含まな
いと考えられ強度にすぐれかつ耐久性にすぐれている。

すでに酸性液中に水ガラスを加えてうる酸性水ガラス液
を地盤注入工法に用いる方法も知られているが、これは
酸の中に水ガラスを加えてＱｉ分子からなる珪酸からコ
ロイド状の珪酸を経てゲル化に至る現象を利用したもの
であり、長いゲル化時間の配合をうるには酸性領域に調
整して注入する必要がある。又ゲルそのものの強度は弱
いがこれはゲルの中にも又珪酸コロイド中にもＮａイオ
ンが多数介在し、Ｎａイオンは水分をその捷わりに多く
吸着して、潤滑剤の作用をし、そのためゲルの強度が弱
いものと思われる。これに対し本発明に使用する珪酸水
溶液は液状水ガラスをイオン交換樹脂で（或は電気分解
で）水酸化アルカリと珪酸を分離してえもれた珪酸のコ
ロイド溶液を用いるものであって、この水溶液中におい
てはアルカリの微量の存在によって珪酸コロイドが凝集
しないで液中に分散しているものであり、実質的には殆
んど中性に近いものである。

しかるにあらかじめ上述したアルカリ土金属を含む化合
物、アルミニウムを含む化合物、鉄を含む化合物等のよ
うに電解質物質を含むゲル化剤と上記珪酸のコロイド液
を混合し、この混合物を地盤に注入すると、地盤中にお
いて上述した反応を生じ地盤を強固に固結せしめる事が
出来る。しかも注入作業中においてはゲル化する心配は
全くなくしかもそれ自体は殆んど中性値を呈し、かつ地
中において多量のＮａイオンや酸根を残溜する事もない
。

従来の工法のように強酸性或は強アルカリ性の水ガラス
配合液を不安定化するには多量の添加剤を必要とするが
、本発明に用いる珪酸コロイド液それ自身は殆んど中性
に近い弱アルカリ性であるため、それに微量の酸や上記
陽性の金属塩を加えるだけで容易にコロイドは不安定化
してし捷う。

このようにして本発明は従来の注入工法とは全く異った
特性を発揮する。

もちろん、実際の注入に当っては更に一次注入材として
上述した電解質物質を含むゲル化剤を注入しておくこと
が望ましい。なぜならば注入対象地盤中の粗い部分には
一次注入材が多く存在しており５、そこに前述のゲル化
剤と珪酸のコロイド溶液の混合物を二次ｎ１人材として
注入すると地盤中で反応が急速に起り、二次注入イオの
逸脱が妨げられかつ粗い部分は強固に固結される一方、
細い部分における一次注入材の量は必然的に少なくｈる
ので二次注入材との反応はゆるやかになり長いゲル化時
間で逸脱する事なく充分な浸透が行なわれる。

本発明の効果を従来工法と比較するために以４；の実験
を行なった。

実験−１ 山砂ＩＭ当り、消石灰５０に２を混合してモールド中に
填充してのち以下の注入材を加圧注入した。。

注入材−１ 表−１に示す珪酸コロイド液を用いた。

表−１実験に用いた珪酸のコロイド液 注入材−２ 硫酸水溶液に３号水ガラス水溶液を加え、ＰＨが３．０
、ＳｉＯ２の濃度が３０ｗｔ％に々るように調整した。

ゲル時間はほぼ２時間であった。

注入材−３ ３号水ガラス水溶液にリン酸水溶液を合流したもの。合
流液中の５ｉＯｚの濃度が３０ｗｔ％になるように配合
した９、合流液はＰＨが１０．５ゲル化時間が１０秒に
なった。

注入材−４ 表−１に示す珪酸コロイド溶液に００２を作用させてＰ
Ｉ（を６．５に調整しだ液を用いた。

注入材−５ 表−１に示す珪酸コロイド溶液に硫酸を微量添加してＰ
Ｈを５６０に調整した液を用いた。、注入材−６ 表−１に示す珪酸コロイド溶液にＣａ（ＯＨ）２を３ｗ
ｔ％加えだ液を用いた。

以−ヒの注入材により固結した山砂の供試体の一軸圧縮
試験は表−２の通りであった６、表−２ 実験−２ 実験−１に用いた注入材−１，２，３，４，５，６のゲ
ルそのものの一軸圧縮強度を測定し、結果を表−３に示
した。、 実験−３ 実験−１に用いた注入材−１，４，５，６を用いて消石
灰を混入しない山砂中に加圧注入し、その固結体の一軸
圧縮強度を測定し、結果を表−十に示した４、 表−４ 上述した実験−１，２，３より本発明による固結物の強
度は他の従来の工法にくらべて大巾に大きくかつ経時的
に強度が著しく増大する事が判る。

この理由は明白でないが他の注入材においてはＮａイオ
ンの存在下で反応が行なわれるのに対し、珪酸のコロイ
ド溶液においてはそれ自体はゲル化せずＣａ＋＋と会っ
てはじめて固化し、かつＮａが殆んど存在しないだめＣ
ａ＋＋と珪酸骨が直接強固に反応して、珪酸カルンウム
が形成されそれが経時的に強度な構造を形成するためと
思われる。

これに対して他の注入制ではＰＲの影響により固結が行
なわれてし１うためＣａ４＋が充分珪酸分と反応しない
か或はＮａ＋存在がＣａ＋と珪酸骨を充分に反応せしめ
ない事が原因と思われる。

以上より一次注入材としての効果が証明される。

上述したように本発明に用いるグラウトは珪酸のコロイ
ド液と電解質物質を含むゲル化剤を混合して得られるが
、地盤注入においてこれを二次注入材として注入する前
の段階において一次注入材を注入領域に注入せしめてお
く事が望ましい。

上述した一次注入材としてはカルシウムイオンを解離す
る電解質物質を含むものが特にすぐれており、これに石
灰、セメント、炭酸カルシウム、石膏、塩化カルシウム
等を一種又は複数を併用して用いられる。このうちセメ
ントを除いたものはそれ自体で単独で固結する能力はな
い６、シだがって注入対象領域に確実に固定しておく事
が重要である。勿論、セメントを用いても各注入ステー
ジに確実にセメントが固定されている事が必要である。

以上の問題を解決するには一つには一次注入材を七メン
ト注入と併用するかそれ自体に固化性を付与する方法を
とる事が望ましい。

例えば石灰を一次注入するに当って、石灰や炭酸カルシ
ウムや塩化力ルンウムにセメントをまぜて注入したり或
はあらかじめ七メン１−注入ｌ〜だあと石灰や炭酸カル
シウムや塩化力ルシウノ、を注入したり、或は石灰に石
膏やスラグやフライアノンユ等を混入してそれ自体に固
結能力を与える等の方法をとる事が出来る。或はこれら
の成分を含んだ水ガラスグラウトを用いる事も出来る。

又各注入ステージ各々に確実にこれらの一次注入材をあ
らかじめ分布せしめておくためには注入管の所定深度に
再注入可能な吐出口を有する注入管（第１図）を通して
地盤中に一次注入材を注入しておいてから二次注入材を
重ね合せて注入するか或は多重管ロッドを用いて注入ｌ
〜だ一次注入材が所定外に散逸してしまわ彦いうちに二
次注入材を重ね合せて注入する方法をとる事が出来る。

（第２図）。

３の部分をラバー４で包囲した注入管５を挿入１〜だ後
、ケーシング２と注入管５との間をスリーブグラウト６
でンールし、ケーシング２を引き１友く。

そしてパッカー７を設けたストレーす一バイブ８を注入
管５内に挿入し、注入ポンプ（図示せず）から−次グラ
ウド注入剤を注入する。次いで、この注入が終了した後
、二次グラウト注入剤を注入する６、 第２図を説明すると第２図（ａ）は二重管を用いて内管
１０の下方吐出口１２よりポーリング水を送って所定深
度迄削孔した状況を示す。

１３はメタルクラウンである。その後第２図（ｂ）に示
すように外管９より一次注入材を送り上部吐出口１１よ
り地盤中に注入し、一方二次注入材を内管１０を通して
送ね下部吐出口１２より地盤中に注入しながら注入ス゛
アージ下から上に移行する事によって一次注入材を注入
した領域に二次注入材を重ねて注入する。

これらの注入管により、たとえば表−１に示す珪酸のコ
ロイド液（二次グラウ）＃）に硫酸のような酸戎は炭酸
水や炭酸ガス（−次グラウｌ−Ｕ’）を作用し、てＰＨ
を７付近に調整したものは１［１後にはゲル化する。更
にＰＨを下げて５〜６伺近にすると数時間でゲル化する
１、或は消石灰や七メント等珪酸と反応して不溶性塩を
形成する金属塩を含む組成物を加えると同様に珪酸コロ
イドが不安定になり数時間以内にゲル化せしめる事が出
来る。

１だ、表−１に示す珪酸のコロイド液に消石灰の１％液
を同量加えると１時間でゲル化し５％液を同量加えると
１０秒でゲル化する１、このように不安定化した珪酸の
コロイド液をそのｔ　ｔ　？−ＩＥ人すれば実験例−３
に示すように充分な固結効果をうるが、これを二次グラ
ウトと１７でゲル化しないうちに上記−次グラウドを注
入した地盤に注入すれば、地盤をさらに強固に固結する
事が出来る４、実施例 東京部内の砂レキ地盤にて以下の比較注入試験を行なっ
た。

一次グラウ）（Ｇ−１）は１ｍｌ当り以下の配合を用い
た。

Ｇ−１■消石灰１．０ＯＫｒ、残り　水。

Ｇ−１■消石灰５０Ｋｇ、セメント　５０に７、残り水
、Ｇ−１■　セメント　１００Ｋｇ、残り水。

Ｇ−１■塩化カルシウム５０に７、残り水。

（、−１０塩化カルシウム２５に９、セメント　２５に
７、残り水。

Ｇ−１の消石灰５０にり、石膏５０に７、残り水。

Ｇ−１■消石灰５０Ｋｇ、スラグ５０　Ｋｇ、残り水。

二次グラウ）　（Ｇ　−２）は以下の配合を用いた。

Ｇ−２■表−１に示す珪酸のコロイド溶液。

Ｇ−２■表−１に示す珪酸のコロイド溶液をリン酸を用
いてＰＨ値を７に調整したもの。

Ｇ−３■表−１に示す珪酸のコロイド溶液にＣａ（ｏ■
Ｊ）２を一重量％加えたもの。

注入量は注入深長１ｍ当り一次注入を５０を二次注入２
５０ｔであり、２ｍ区間２５ｃＴｎピツチで注入しかつ
注入方法σ■としては以下の方法によった。

−次注入を行なわない場合は１ｍ当りの二次注入は３０
０ｔとした。

Ｈ−■第１図の注入管を用いる方法。

Ｈ−［有］第２図の注入管を用いる方法。

Ｈ−（ｃ）ロンド注入。

一次注入してのち１日経過後二次？ｌ＝人を行ない翌日
中心部にて透水試験を行なった。その結果を表−５に示
す。

注入しない場合の地盤の透水係数は に＝２．５Ｘ１−ＯＬ：ｒｎ／秒を示しだ。

表−５ （″Ｔ−２■全用いた場合の透水試験結果性人後の試験
の結果から次の事が判った０ｔｉＥ入方法別の注入効果
はｌ−１−■、Ｈ−■、Ｉ−Ｉ　−■の順になる。

又、二次注入材としては自硬性を側方した場合の方がす
ぐれている。即ち注入ステージ各に確実に一次注入物を
固定する組成物よりなる一次注入材と手法を用いる事が
効果的である事がｆＵつた〇又、二次注入材としてＧ−
２■、Ｇ　−２（Ｅ２）、　Ｇ−２０を比較すると、ｑ
−２■に比して透水係数がほぼ１００分の１〜５分の１
の小さい値を示しており、珪酸のコロイド液を不安定化
して注入すると更に注入効果が改善される事が判った。

又−次注入を行なわず二次注入のみを注入深度３００　
ｔづつ注入した場合Ｇ−２■による固結効果は殆んど得
られなかった。又Ｇ−２０、Ｇ−２０による固結効果は
みられたが透水係数は一次注入を行なった場合に比べ１
０倍から１００倍程度の大きさの透水係数を示した。

又掘削調整したところ一次注入を行なった場合は１１−
■、Ｈ−■ではほぼ直径１７？＋の範囲で円柱形の固化
物が得られたが、−次注入を行なわない場合並びにロッ
ド注入では直径が０．３　ｙ＋ｚ〜２．Ｏｍｍ圧注入深
度変化に応じて不規ＩＩＩな形状′ｆ：得た。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はいずれも本発明工法を実施するだ
めの注入管の一具体例を示し、第２図（ａ）。 （ｂ）は本発明工法の工程図を示す。 １・・・注入孔、３・・・吐出口、５・・・注入管、９
・・・外管、　１０・・・内管、１１・・・上部吐出口
、１２・・・下部吐出口。 特許出、願人　　強化上エンジニャリング株式会社代理
人　弁理士染谷　仁 ）２区 （（１）　　　　　　　　　（ｅ　） 手続補正書 昭和タフ年／Ｚ月／グ日 日゛昌粕ら叫す青　計Ｍ歩ト／り２／・２λ号２８発明
の名称　　丁ａ　盤ｙｈ　入ｒ−シ友３　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 東京都文京１．＜仝異：３−１５−１美エビル５、補正
命令の日付　包金 ７、補正の内容

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）電解質物質を含むゲル化剤および珪酸のコロイド
   溶液を混合し、この混合物を地盤中に注入することを特
   徴とする地盤注入工法。 （２、特許請求の範囲第１項に記載の地盤注入工法にお
   いて、前記ゲル化剤はアルカリ士金属イオン、アルミニ
   ウムイオン、および鉄イオンの群から選択された金属イ
   オンを解離する電解質物質を含むゲル化剤である方法。 （３）特許請求の範囲第１項に記載の地盤注入工法にお
   いて、前記ゲル化剤は水素イオンを解離する電解質物質
   を含むゲル化剤である方法。 （４）特許請求の範囲第１項に記載の地盤注入工法にお
   いて、前記ゲル化剤はカルシウムイオンを解離する電解
   質物質を含むゲル化剤である方法。 （５）特許請求の範囲第４項に記載の地盤注入工法にお
   いて、カルシウムイオンを解離する電解質物質にさらに
   石膏、スラグおよびフライアッシュのうちの少なくとも
   一種を併用してなる方法。 （６）特許請求の範囲第１項に記載の地盤注入工法にお
   いて、珪酸のコロイド溶液は液状珪酸アルカリ金属塩の
   アルカリ金属イオンをイオン交換樹脂を用いて除去して
   得られたものである方法。 （７）特許請求の範囲第１項に記載の地盤注入工法にお
   いて、珪酸のコロイド溶液はＮａ２Ｏの含有量が０２〜
   ４重量％の範囲内である方法。