JPWO2007013465A1 - 軟弱土の固化処理方法 - Google Patents

Abstract

主として浚渫土などの軟弱土を固化するに際し、含水比の変動があっても、添加混合する固化材の添加量を少なくすることができ、所望範囲の目的強度を容易に得ることができる軟弱土の固化処理方法を提供する。軟弱土を固化材で固化処理するに際し、所望のフロー値を維持する割合となる添加量でクリンカアッシュ及び水砕スラグから選択される少なくとも一種の添加剤を添加混合した後、固化材を添加混合する。

Description

本発明は、主として、海域、河川、湖沼等の浚渫土などの軟弱土の固化処理方法に関する。なお、本発明において軟弱土とは、含水比が液性限界付近のものから液性限界を超えたものであり、例えば、含水比が８０％〜４００％のものをいう。

従来、軟弱地盤の改良工法として、帯状をしたドレーン材を軟弱地盤表面から地盤内に挿入し、そのドレーン材を通して軟弱地盤内の土壌間隙水を排出させる地盤改良工法が開発されている。この種の工法を浚渫土による超軟弱な地盤に対して施工する場合には、一般に、フローター式の固化処理船を浮かべ、これによってドレーン材の打込み等の地盤改良処理を行っているが、近年においては、浚渫土等の軟弱な埋立土砂に、セメントミルクなどの固化材を添加混合しておき、この固化材添加埋立土砂を使用して埋立地盤表層を形成し、これによって陸上走行式の地盤改良重機が走行できる表面固化層を形成する工法が研究されている。

この表面固化層を造成する工法は、重機のトラフィカビリティ確保を目的に行われるため、材令２０日の一軸圧縮強度ｑｕ２８＝５０〜２００ｋＮ／ｍ^２といった固化処理としては比較的低強度で行われることが多い。これは、後の地盤改良作業におけるドレーン材の打設に際し、これ以上の強度になるとマンドレルの貫入が困難になるためである。

また、埋立土砂に固化材などの添加材を混合する方法として、スラリー状の、又はスラリー状にした埋立土砂を、埋立投入位置まで搬送管内を空気圧送し、その途中で添加材を注入する方法が開発されている。

この従来の添加材管中混合方法は、スラリー状の埋立土砂を搬送管内で、空気部分に挟み、多数の塊状をしたプラグに分断して移動させ、搬送管内に設置した２つ圧力計を用いて移動するプラグ毎に、その体積、移動速度を計測し、各プラグの添加材注入器位置の通過に対応させて、添加材の注入量を制御するようにしている（特許文献１参照）。

この従来工法では、使用する土砂スラリーの性状に対応させて、事前に土砂スラリーに対する単位体積当りの添加材混合量（添加材混合比）を決定しておき、その添加材混合比に近づけた状態で各プラグに対して注入されるようにコンピュータで制御している。

上述した表面固化層の形成を、固化材を混合した埋立土砂層を軟弱地盤表層に造成する工法において、マンドレルの貫入が容易に行え、且つトラフィカビリティが確保できるｑｕ２８＝５０ｋＮ／ｍ^２程度の低強度の地盤改良層を造成しようとする場合、室内配合試験では、殆どの軟弱地盤において固化材の添加量が３０〜４０ｋｇ／ｍ^３と少なく、現場での施工工程においては、混合精度の低下を考慮し、室内配合試験の結果に安全率を乗じてこれより１．５〜２倍の量の固化材を添加することとなるが、これを前述した従来の添加材管中混合方法によって行うと、従来の実績によれば、３０〜４０ｋｇ／ｍ^３程度の固化材貧配合時の現場／室内強度比は０．１〜０．３であり、所望の品質確保には過大な安全率が必要になる。

しかし、過大な安全率を採用すると、最低強度として目標強度のｑｕ２８＝５０ｋＮ／ｍ^２を確保できるが、部分的には非常に強度の大きい個所ができてしまい、そこではドレーン材の打込みが困難になってしまう事態が生じる。

一方、室内配合試験結果をそのまま現場に適用した場合には、全体の平均強度が目標強度を達成することができるが、部分的には目標強度に達しない個所ができることとなり、地盤改良重機走行の安全性が保てなくなるという問題が生じる。

そこで、添加剤として、セメント等の固化剤に無機質粉状材からなる固化助剤を混合することにより、全域においてばらつきの少ない一定強度内の表層固化地盤を容易に造成できるという技術が開発された（特許文献２参照）。

しかしながら、所定の安全率を考慮すると、セメント量を大幅に低減することはできない点では従来技術と同様であった。

一方、上述した従来の添加材管中混合方法は、搬送管内に送り込まれる土砂スラリーの性状を、例えば搬送されてくる土運船毎に調査して添加材混合比を決定しているものであり、従って搬送管内を移動するプラグは常に一定の含水比であることが前提となっている。

このため、搬送管に送り込む土砂スラリーの含水比が各プラグ毎に一定となるよう、常に土運船内の土砂を荷降ろし用のバックホー等を用いて攪拌しており、その作業に多くの労力と経費を要するという問題がある。

また、バックホー等によって常に攪拌したとしても、荷降ろし開始時から完了まで含水比を一定に保つことができず、投入される埋立土砂の硬化後の強度にばらつきが生じ、全域に渡って必要な強度の埋立地が得難いという問題があった。

以上のように、軟弱埋立土砂に対する固化材配合量が少ない場合には、低強度で均一な固化処理地盤を形成することは困難であり、特に従来の添加材管中混合方法を採用した場合には、部分的な強度差が大きくなるという問題があった。

特開平１１−２２９４２８号公報 特開２０００−３４６０号公報

本発明は、このような従来の問題に鑑み、主として浚渫土などの軟弱土を固化するに際し、含水比の変動があっても、添加混合する固化材の添加量を少なくすることができ、所望範囲の目的強度を容易に得ることができる軟弱土の固化処理方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決する本発明の第１の態様は、軟弱土を固化材で固化処理するに際し、所望のフロー値を維持する割合となる添加量でクリンカアッシュ及び水砕スラグから選択される少なくとも一種の添加剤を添加混合した後、固化材を添加混合することを特徴とする軟弱土の固化処理方法にある。

かかる第１の態様では、クリンカアッシュや水砕スラグなどの添加剤を所望のフロー値が得られる程度に添加混合すると、クリンカアッシュや水砕スラグが軟弱土中の水分を保持し且つ圧送・搬送性を低減することなく、土質性状を安定させることができると共に固化材の添加量を低減することができ、また、クリンカアッシュや水砕スラグの添加量は軟弱土の含水比が変化しても変化する必要はない。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記添加材の添加量は、前記所望のフロー値を維持する割合を決定した後は、前記軟弱土の含水比に関係なく一定とすることを特徴とする軟弱土の固化処理方法にある。

かかる第２の態様では、添加材の添加量は、予め、所望のフロー値を維持する割合を決定した後は、一定としても、所望の配合強度を得ることができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記添加材の添加量は、重量比で１０％〜７０％となる量であることを特徴とする軟弱土の固化処理方法にある。

かかる第３の態様では、添加材を所定の重量比で添加することにより、固化材の添加量を低減することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記固化材の添加量は、前記軟弱土及び前記添加材の総量１０００ｍ^３に対して３０〜１００ｋｇであることを特徴とする軟弱土の固化処理方法にある。

かかる第４の態様では、軟弱土及び添加材の総量１０００ｍ^３に対して３０〜１００ｋｇの割合で固化材を添加することにより、所望の固化強度を得ることができる。

本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記固化材の添加量は、配合強度が２５０〜１００ｋＮ／ｍ^２となるように設定することを特徴とする軟弱土の固化処理方法にある。

かかる第５の態様では、添加材及び固化材の添加混合により、所望の固化強度を得ることができる。

本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記固化材が、セメントであることを特徴とする軟弱土の固化処理方法にある。

かかる第６の態様では、セメントにより所望の固化強度を得ることができる。

本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記固化材の他、固化助剤として、フライアッシュを、前記軟弱土及び前記添加材の総量１０００ｍ^３に対して３０〜９０ｋｇ添加することを特徴とする軟弱土の固化処理方法にある。

かかる第７の態様では、フライアッシュを所定の添加量でさらに添加することにより、所望の固化強度をさらに容易に維持できると共に長期的な強度増進を防止することができる。

本発明によると、浚渫土などの軟弱土に、多孔質で粒子内に浚渫土などの軟弱土中の水分を保持できるクリンカアッシュや水砕スラグを添加することにより、軽量で圧送・搬送性能を確保したまま、土質性状を安定させることができ、添加するセメント等の固化処理材を低減して所定の強度を安定して得ることができる。また、クリンカアッシュや水砕スラグの混合量をコントロールすることにより浚渫土の流動性を自在にコントロールすることができる。更に、セメントなどの固化材に加えて、フライアッシュを補助的に添加して活用する際には、長期的に強度増進を抑える最適な添加割合を選定することにより、埋立地の表層固化土として将来の地盤改良工事を行うことのできる低強度の均質な改良土を造成することができる。

本発明の固化処理方法を実施するための装置の一例の概略を示す図である。 図１の一部を拡大して説明する図である。 本発明の固化処理方法における添加剤の添加量とフロー値との関係を示す図である。 本発明の固化処理方法における固化材添加量と固化後の強度との関係を示す図である。 図４における目標強度を得るための固化材添加量を示す図である。 含水比変化に対応した固化材の適正混合割合を示す図である。 圧力計の検出圧力の時間的変化を示す図である。 試験例１のセメント添加量と一軸圧縮強度との関係を示す図である。 試験例１の経過日数と一軸圧縮強度との関係を示す図である。 試験例２のフライアッシュ添加量と一軸圧縮強度との関係を示す図である。 試験例２のフライアッシュ添加量と材令２８日強度／材令７日強度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 軟弱土
１０ 土運船
１１ サンドポンプ
１２ 揚土管
１３ 添加材注入器
１４ 一時貯留槽
１５ γ線密度計
１６ 搬送管
１７ 空気圧送管
１８ａ、１８ｂ 圧力計
１９ 固化材注入器
２０ 注入制御手段
２０ａ コンピュータ

以下、次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明を実施するための装置の一例の概略、図２は搬送管の内部構造の概略を示している。図面に示すように、高濃度の浚渫土等の軟弱土１を輸送してくる土運船１０には、揚土用のサンドポンプ１１が設けられており、サンドポンプ１１には揚土管１２が連結されており、揚土管１２の途中には、クリンカアッシュや水砕スラグを添加する添加剤注入器１３が設けられ、揚土管１２は一時貯留槽１４まで延設されている。一時貯留槽１４は、サンドポンプ１１により揚土され、クリンカアッシュや水砕スラグが添加された土砂スラリーを一時的に貯留するものである。一時貯留槽１４には土砂スラリーの密度を計測するγ線密度計１５が設置されているとともにその内部の低部に搬送管１６の始端が連通されている。搬送管１６には空気圧送管１７が連通され、その下流側に流れ方向に小間隔を隔てて一対の圧力計１８ａ，１８ｂが設置され、その下流側に固化材注入器１９が備えられている。

この装置を使用し、図１に示すように、軟弱土１に対し、揚土途中でクリンカアッシュや水砕スラグを添加し、また、搬送管１６内の移動中に固化材を注入し、混合させて所望の軟弱埋立地盤２１上に投入し、該軟弱埋立地盤２１の表面に層状に堆積させて表層固化地盤２２を造成する。

図２に示すように、空気圧送管１７は、間欠的に高圧空気を搬送管１６内に送り込むようにしており、これによって一時貯留槽１４から搬送管１６内に送り込まれた土砂スラリーを空気部分Ａを挟んだ多数の塊状のプラグＳとして移動させるようにしている。

両圧力計１８ａ，１８ｂは空気部分Ａ及びプラグＳが搬送管１６内を移動することによる管内圧力の変動及びその大きさをリアルタイムで計測するようにしている。

固化材注入器１９は、固化材としてのセメントと、場合によっては、固化助材としてのフライアッシュを混合し、水を加えてスラリー状とした添加材を注入する注入ノズル１９ａが搬送管１６内に挿入されており、この注入ノズル１９ａからの注入タイミング及び注入量を、コンピュータ２０ａを使用した注入制御手段２０をもってコントロールしている。

このような装置を用いた軟弱土の固化処理方法では、まず、添加剤注入器１３から添加するクリンカアッシュや水砕スラグの添加量を予め決定する。このクリンカアッシュや水砕スラグの添加量は、点火後のフロー値が所望の値になるように決定すればよい。すなわち、図３に示すように、クリンカアッシュや水砕スラグの添加量とフロー値との関係を予め調査して決定する。図３の場合には、所望のフロー値が１：４０の場合には、混合後の総重量の１０〜３０重量％となる程度、所望のフロー値が１：１５の場合には、総重量の５０重量％程度とする。

本発明では、このように予めクリンカアッシュや水砕スラグを添加してフロー値を所定の範囲に調整することにより、その後、以下に示すように添加する固化材の添加量を大幅に低減することができる。また、クリンカアッシュや水砕スラグの添加量は、軟弱土１の含水比が大幅に変動しても調整する必要がない、すなわち、添加量を一度決定した後には、含水比を測定しながら添加量を調整する必要がないという利点がある。そして、これにより、固化材の添加量を低減し且つ所望強度の地盤を安定して得ることができるという効果を奏する。

試算では、含水比が８０％〜４００％の軟弱土１に対して、配合強度が２５０〜１００ｋＮ／ｍ^２となるように固化材を添加する場合、クリンカアッシュや水砕スラグを添加しないで固化材を添加した場合の固化材の添加量が立米あたり８０〜２００ｋｇであるのに対し、クリンカアッシュや水砕スラグを添加した場合には、固化材の添加量は３０〜１００ｋｇ、好ましくは３０〜９０ｋｇ、さらに好ましくは３０〜６０ｋｇ程度まで低減することができる。

また、本発明では、軟弱土にクリンカアッシュや水砕スラグを添加することにより、フロー値を自由にコントロールすることができるので、その後の固化処理操作を容易にすることができる。

一方、固化材注入器１９にて注入する固化材は、予め定めた配合に基づき、粉体混合器を使用してセメントに、場合によってはフライアッシュを均一に混合しておき、これに水を加えて混練し、スラリー状としたものを使用する。

注入制御手段２０では、γ線密度計１５、両圧力計１８ａ，１８ｂによる計測値を元にして各プラグＳ毎の添加材注入タイミング及び注入量をコントロールしている。

注入制御手段２０では、γ線密度計１５による計測値から、次の土質公式（１）、（２）により土砂スラリーの含水比を算出する。

式（１）、（２）において、飽和度Ｓｒは１００％であり、土粒子密度Ｇｓは事前に室内土質試験によって求めておく。土粒子密度はその地域の土砂について特徴ある土質定数であり、同一地域の浚渫土であれば大きく変化することはない。そしてγ線密度計１５によって得られる密度値（湿潤単位体積重量γｔ）毎に含水比ｗを算出する。

一方、コンピュータ２０ａには、含水比ｗの変化に対応して所望の目標強度を得るための固化材混合割合を数式化して入力しておき、その添加材混合割合データに基づき、前述の計算式で得られた含水比に対応して必要な添加材混合割合を選択し、固化材注入器１９による固化材注入量をコントロールさせるようにしている。

この固化材混合割合データの作成は、図４に示すように土砂スラリーの含水比を数段階に分けて違えたサンプルＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４毎に添加材混合量を違えて混合し、各混合量毎に固化後の強度を計測してグラフを作成し、このグラフから図５に示すように、含水比の変化に対する目標強度を得るための固化材混合量のグラフを作成する。

更に、検出される含水比値が極端に少ない場合の添加材不足が生じないよう、及び含水比値が極端に大きい場合に単位時間当りの添加材注入量の過大によって装置の損傷を防止するため、予想される含水比外の部分について、図６に示すように一定の最低注入割合及び最高注入割合を設定したグラフを作成し、これを数式化してコンピュータに入力する。

また、両圧力計１８ａ，１８ｂによって得られる搬送管１６内の圧力変化値から、コンピュータ２０ａによって、プラグＳの添加材注入管位置通過時及び重量（又は長さ）を算出し、プラグＳ毎の土砂スラリー量の変化に対応させて固化材注入量及び各プラグＳに対する固化材注入時のタイミングをコントロールしている。

即ち、コンピュータ２０ａは、図７に示すように圧力計１８ａ，１８ｂにより検出される圧力曲線のピーク値ｐに基づいて搬送管１６内の各プラグＳの重量（又は長さ）を算出し、２つの圧力計１８ａ，１８ｂのピーク値ｐの検出時間差ｔに基づいて各プラグＳ（土砂スラリー）の流速を算出し、各プラグＳの重量及び流速に対応して固化材注入器１９による固化材の注入量（又は注入時間）及び注入時期を制御する。

搬送管１６内では各プラグＳが通過する際に圧力が上昇することが実験により確認されており、図７中に実線で示すように、プラグＳの先端が圧力計１８ａの設置箇所を通過する時刻ｔ０に、圧力計１８ａの計測値が上昇しはじめて、時刻ｔ０から稍遅れた時刻ｔ１に、圧力計１８ａでピーク値ｐが検出される。そして、図７中に破線で示すように、同一のプラグＳが下流側の圧力計１８ｂの設置箇所を通過する際に、上流側の検出時刻ｔ１より遅い時刻ｔ２に、圧力計１８ｂでピーク値ｐが検出される。

そして、圧力計１８ａ，１８ｂの設置間隔ｄと圧力計１８ａ，１８ｂのピーク値ｐの検出時間差ｔ（ｔ＝ｔ２−ｔ１）とから、プラグＳの流速ｖ（ｖ＝ｄ／ｔ）を算出することができ、プラグＳの流速ｖと圧力計１８ｂと注入ノズル１９ａとの距離ｌとから、このプラグＳの先端が注入ノズル１９ａの設置箇所を通過する時刻ｔ３（ｔ３＝ｌ／ｖ＋ｔ０）を算出する。

従って、多数のプラグＳ、Ｓ…の夫々の先端が注入ノズル１９ａを通過する際に、注入ノズル１９ａによる搬送管１６内への固化材の注入を開始することができ、これによって、多数のプラグＳ、Ｓ…の間隔が一定でなくても、空気部分Ａ、Ａ…固化材を供給することなく、プラグＳ、Ｓ…の夫々に固化材を確実に添加することができる。

なお、圧力計１８ａ，１８ｂの設置間隔ｄが比較的狭く、圧力計１８ａ，１８ｂの間に１つのプラグＳしか存在しない場合には、同一のプラグＳに関して上流側の圧力計１８ａにより検出された直後に下流側の圧力計１８ｂにより検出されるので、２つの圧力計１８ａ，１８ｂの検出結果を容易に対応させることができる。また、圧力計１８ａ，１８ｂにより検出されるピーク値ｐ又は波形はプラグＳ、Ｓ…毎に特徴を有するため、ピーク値ｐ又は波形に基づいて、同一のプラグＳに関する２つの圧力計１８ａ，１８ｂの検出結果を対応させてもよい。

そして、圧力計１８ｂにより検出されるピーク値ｐは、各プラグＳの重量Ｗに略比例する（Ｗ＝ａｐ＋ｂ（ａ、ｂは定数）となる）ことが、実験により確認されている。なお、各プラグＳの長さ（体積）は、その重量Ｗに比例し、従って圧力計１８ｂのピーク値ｐに比例する。

このようにして算出される各プラグＳ毎の重量Ｗに対し、前述したγ線密度計１５の計測値から算出した含水比に対応させた固化材混合割合となるように予めコンピュータ２０ａにプログラミングした計算式によって固化材注入量を算出し、固化材注入器１９からの各プラグＳに対する固化材注入量を制御する。

なお、注入ノズル１９ａによる固化材の注入速度を一定にし、注入時間を圧力計１８ｂのピーク値ｐに比例させるように制御することによって、プラグＳの後端が注入ノズル１９ａの設置位置を通過する際に添加材の注入時間が丁度終了するように固化材の注入速度を調整しておくことができ、これによって、プラグＳが長い場合でも、プラグＳの前端から後端まで添加材を偏らずに均等に添加することができる。

（試験例１）
次に、高含水比の浚渫土からなる軟弱土に対して、クリンカアッシュを添加すると共にセメントからなる固化材と、必要に応じてフライアッシュからなる固化助剤を添加混合させて固化処理した試験例を示す。

図８には、軟弱土に対して、クリンカアッシュを５０％となるように（軟弱土：クリンカアッシュ＝１：１）で添加し、その総量に対して、セメントを３０、４０、５０、６０ｋｇ／ｍ^３添加し、２０℃の恒温恒湿室にて養生した場合の、材令１４、２８日の一軸圧縮強度を示す。また、比較のため、クリンカアッシュを添加しないでセメントを５０、６０ｋｇ／ｍ^３添加した場合の材令２８日の一軸圧縮強度を示す。

また、クリンカアッシュを５０％となるように（軟弱土：クリンカアッシュ＝１：１）で添加し、その総量に対して、セメントを３０ｋｇ／ｍ^３添加し、所定日数操業したときの、材令１４、２８日の一軸圧縮強度を図９に示す。

図８に示すように、クリンカアッシュを添加（クリンカ混入）することにより、所望の強度を得るためのセメント添加量が大幅に低減できることが確認された。

また、図９に示すように、クリンカアッシュを添加することにより、セメント量を低減しても、管理幅である２５０〜１００ｋＮ／ｍ^２という強度が安定して得られることが確認された。

（試験例２）
図１０及び図１１には、軟弱土に対して、クリンカアッシュを５０％となるように（軟弱土：クリンカアッシュ＝１：１）で添加し、その総量に対して、セメントを５０ｋｇ／ｍ^３と、フライアッシュ４０〜２３０ｋｇ／ｍ^３とを添加した場合の材令７日の一軸圧縮強度及び材令７日と材令２８日の一軸圧縮強度の強度比（材令２８日強度／材令７日強度）をそれぞれ示す。

図１０及び図１１に示すように、セメントと共にフライアッシュを添加すると、若材令から強度を得ることができることは知られていたが、フライアッシュを３０〜８０ｋｇ／ｍ^３という所定の範囲内で添加した場合には、若材令から高強度を得られると共に、長期的な強度増進を抑えることができるという知見が得られた。

このようにクリンカアッシュを添加する本発明の固化処理方法において、セメントと共にフライアッシュを所定量添加することにより、さらに安定して強度を確保することができ、且つ長期的な強度増進も抑えることができるので、さらに安全性を確保しつセメント量を低減できると共にドレーン材の打込みが困難になってしまう高強度化を防止することができる。

本発明は、主として、海域、河川、湖沼等の浚渫土などの軟弱土の固化処理方法に関するが、含水比が液性限界付近のものから液性限界を超えたものである軟弱土、例えば、含水比が８０％〜４００％のものに関しては広く適用可能である。

Claims (7)

1. 軟弱土を固化材で固化処理するに際し、所望のフロー値を維持する割合となる添加量でクリンカアッシュ及び水砕スラグから選択される少なくとも一種の添加剤を添加混合した後、固化材を添加混合することを特徴とする軟弱土の固化処理方法。
2. 請求項１において、前記添加剤の添加量は、前記所望のフロー値を維持する割合を決定した後は、前記軟弱土の含水比に関係なく一定とすることを特徴とする軟弱土の固化処理方法。
3. 請求項１又は２において、前記添加材の添加量は、重量比で１０％〜７０％となる量であることを特徴とする軟弱土の固化処理方法。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記固化材の添加量は、前記軟弱土及び前記添加剤の総量１０００ｍ^３に対して３０〜１００ｋｇであることを特徴とする軟弱土の固化処理方法。
5. 請求項１〜４の何れかにおいて、前記固化材の添加量は、配合強度が２５０〜１００ｋＮ／ｍ^２となるように設定することを特徴とする軟弱土の固化処理方法。
6. 請求項１〜５の何れかにおいて、前記固化材が、セメントであることを特徴とする軟弱土の固化処理方法。
7. 請求項１〜６の何れかにおいて、前記固化材の他、固化助剤として、フライアッシュを、前記軟弱土及び前記添加材の総量１０００ｍ^３に対して３０〜９０ｋｇ添加することを特徴とする軟弱土の固化処理方法。
   
   

Images