JP4052987B2 - 軽量固化処理土の造成工法 - Google Patents

Description

本発明は、微細気泡入りの軽量固化処理土の造成工法に関するものである。

地盤改良工法のひとつに固化処理土造成工法がある。この固化処理土造成工法は、例えば回転軸の下方に放射状に設けた１以上の攪拌翼の回転域の地盤中に、回転軸の所定の位置に付設された固化材吐出管口からセメント系固化材含有スラリーを吐出させ、原位置土と攪拌混合して固化処理土を得るものである。この固化処理土は固化処理杭と呼ばれることもある。また、流動化処理工法で得られる流動化処理土は、地下空洞や狭い空間の埋め戻し、充填物あるいは構造物の基礎を直接支持する地盤として使用される（特開２００２−３７１５８８号公報）。

固化処理土や流動化処理土は、通常強度が問題となるところでは一軸圧縮強度などにより物性値が管理され、これは例えば原位置土とセメント系固化材含有スラリーの混合割合などで制御していた。一方、これらの固化処理土や流動化処理土の用途として、例えばトンネル構造物を覆うように造成される比重の軽い軽量盛土などがある。固化処理土や流動化処理土を軽量盛土として用いる場合、発泡材や軽量ビーズなどを配合させていた。
特開２００２−３７１５８８号公報（請求項１） 特開平２００２−２３５３２１号公報（請求項２）

しかしながら、発泡材や軽量ビーズなどを配合して軽量盛土を造成する場合、発泡材や軽量ビーズなどの別途の原料を必要とする。また、軽量ビーズなどはそれ自身極めて軽量であるため、原位置土や泥土に均一に混合するには厳密な混合条件や特殊な混合装置等を使用する必要があり、工期が長引いたり、所望の軽量土が得られないといった問題があった。

従って、本発明の目的は、発泡材や軽量ビーズを用いることなく、且つ比重の制御がし易い均質な軽量固化処理土の造成工法を提供することにある。

かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、微細気泡供給手段により微細気泡が供給された微細気泡入り流動化処理土を地中に充填して微細気泡が混入した固化処理土を得れば、発泡材や軽量ビーズを用いることなく、且つ比重の制御がし易い均質な軽量固化処理土が得られること等を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明（１）は、微細気泡供給手段により微細気泡が供給された微細気泡入り流動化処理土を地中に充填して微細気泡が混入した固化処理土を得る造成工法であって、該微細気泡供給手段が、該微細気泡供給手段が、起泡剤の使用を伴わないマイクロバブル発生装置又は超音波発振装置であり、該流動化処理土中の微細気泡は最大気泡直径が５０μｍであり、最頻値における気泡の直径が１０〜５０μｍである軽量固化処理土の造成工法を提供するものである。本発明によれば、地上において、公知の微細気泡供給手段を用いて、流動化処理土中に微細気泡を均一に混入させることができる。流動化処理土中に混入された例えば直径１５μｍの微細気泡は、その浮上速度が理論式によれば直径３００μｍの通常の気泡の浮上速度の約１０^−３であり、該流動化処理土が地中に充填され、固化に至るまで均一且つ安定して存在する。このため、発泡材や軽量ビーズを用いることなく、且つ比重の制御がし易い均質な軽量固化処理土を地中に造成することができる。

また、本発明（２）は、前記微細気泡入り流動化処理土は、泥土に微細気泡を供給し、該微細気泡入り泥土とセメント系固化材又はセメント系固化材含有スラリーを混合し攪拌して得られる前記（１）記載の軽量固化処理土の造成工法を提供することにある。また、本発明（３）は、前記微細気泡入り流動化処理土は、セメント系固化材含有スラリーに微細気泡を供給し、該微細気泡入りセメント系固化材と泥土を混合し攪拌して得られる前記（１）記載の軽量固化処理土の造成工法を提供することにある。また、本発明（４）は、前記微細気泡入り流動化処理土は、泥土とセメント系固化材含有スラリーの混合物に微細気泡を供給して得られる前記軽量固化処理土の造成工法を提供するものである。本発明（２）〜（４）によれば、前記発明と同様の効果を奏する他、微細気泡入り流動化処理土の製造方法の選択の余地が広まる。

また、本発明（５）は、微細気泡供給手段により微細気泡が供給されたセメント系固化材含有スラリーを予め製造し、次いで回転軸の下方に放射状に設けた１以上の攪拌翼の回転域の地盤中に、回転軸の所定の位置に付設された固化材吐出管口から当該微細気泡入りセメント系固化材含有スラリーを吐出させ、原位置土と攪拌混合して軽量固化処理土を得る造成工法であって、該微細気泡供給手段が、起泡剤の使用を伴わないマイクロバブル発生装置又は超音波発振装置であり、該流動化処理土中の微細気泡は最大気泡直径が５０μｍであり、最頻値における気泡の直径が１０〜５０μｍである軽量固化処理土の造成工法を提供するものである。本発明によれば、地上において、公知の微細気泡供給手段を用いて、セメント系固化材含有スラリー中に微細気泡を均一に混入させることができる。セメント系固化材含有スラリー中に混入された微細気泡は、前記同様、該セメント系固化材含有スラリーが地盤中に供給され、原位置土と攪拌混合されて固化に至るまで固化処理土中に均一且つ安定して存在する。このため、発泡材や軽量ビーズを用いることなく、且つ比重の制御がし易い均質な軽量固化処理土を地中に造成することができる。

本発明によれば、発泡材や軽量ビーズを用いることなく、且つ比重の制御がし易い均質な軽量固化処理土を造成することができる。また、比較的容易で精度よく比重の制御ができるため、この軽量固化処理土を支持する基盤の強度の設計が容易となると共に、この支持基盤の強度を低減させることもできる。

本発明の第１の実施の形態における軽量固化処理土の造成工法において、微細気泡入り流動化処理土は、流動化処理土に対して微細気泡供給手段により微細気泡が供給されることで得られる。微細気泡発生手段としては、特に制限されないが、例えば、公知のマイクロバブル発生装置及び超音波発振装置が挙げられる。マイクロバブル発生装置は、キャビテーションポンプの一次側で気体を吸い込ませ、ポンプ吐出口に取り付けた旋回加速器で安定した混合比率で送り出し配管先端に付けた分散器のせん断力で微細気泡を発生させる装置、あるいは特開２００１−５８１４２号公報に記載されたマイクロバブル吐出ノズル等が挙げられる。微細気泡発生手段は、エアーコンプレッサーを必要とするものであってもよいし、不要とするものであってもよい。このうち、エアーコンプレッサーが不要なタイプのものであると装置の運転を低コスト化できるため好ましい。また、マイクロバブル発生装置は、水中ポンプ型、陸上ポンプ型等のいずれのものであってもよい。

微細気泡供給手段により発生する微細気泡としては、例えば最頻値における気泡の直径が通常１０〜５０μm、好ましくは１０〜２０μmのものであり、最大気泡直径が８０μm、好ましくは５０μmのものである。なお、微細気泡の直径や分布は、例えば攪拌槽の壁面にガラス窓を設け、ここからビデオカメラによる約２００倍の接写撮影によって確認することができる。

微細気泡入り流動化処理土としては、泥土に微細気泡を供給し、該微細気泡入り泥土とセメント系固化材を混合し攪拌して得る第１の方法、セメント系固化材含有スラリーに微細気泡を供給し、該微細気泡入りセメント系固化材と泥土を混合し攪拌して得る第２の方法、泥土とセメント系固化材含有スラリーの混合物に微細気泡を供給して得る第３の方法が挙げられる。このうち、泥土とセメント系固化材含有スラリーの混合物に微細気泡を供給して得る第３の方法が、地中に充填される流動化処理土中の微細気泡の混入量を正確に制御したり、またその混入状況を直接把握できる点で好適である。

泥土としては、例えば中礫、細礫、粗砂、中砂、細砂、シルト、粘土及び水を適宜の割合で混合した混合物、現場建設発生土等の自然土から得られる泥水と砂質土の混合物、あるいは浚渫土が挙げられる。これらの泥土の密度は例えば１．４０〜１．５５トン／ｍ^３である。

セメント系固化材含有スラリーは、水とセメント系固化材の混合物であり、セメント系固化材配合量は、造成される軽量固化処理土の強度や目標比重などにより適宜決定される。セメント系固化材含有スラリーはいわゆるセメントミルクと称されるものである。

泥土、セメント系固化材含有スラリー又は泥土とセメント系固化材含有スラリーの混合物（以下、被気泡供給物とも言う）に微細気泡を供給する方法としては、例えば、タンクと、タンク底部に付設される微細気泡発生手段及び攪拌装置に所定量の被気泡供給物を供給し、攪拌装置を稼動しつつ又は稼動させないで、該微細気泡発生手段を稼動させ、被気泡供給物に微細気泡を均一に混入させる。被気泡供給物の量及び微細気泡発生量は、軽量固化処理土の目標比重により適宜決定される。微細気泡発生手段及び攪拌装置を装着した装置は、地上固定式装置であっても、流動化処理土運搬車であってもよい。

被気泡供給物に均一に分散された微細気泡は、通常の直径３００μｍの気泡と比べて遥かに微細であるため、被気泡供給物中の微細気泡は、被気泡供給物が流動化処理土として、あるいはその後、例えばセメント系固化材含有スラリーが混合された流動化処理土として、地中に充填され、固化するまでに、容易には浮上せず、ほとんど当初の均一分散状態で固化処理土中に存在することになる。

微細気泡の浮上速度は、浮力と粘性力のつりあいの式を立て、粘性力にストークスの式を当てはめて求められるものであり、微細気泡の半径をｒとしたとき、浮上速度ｕはｒ^２に比例する関係にある。具体的な浮上速度は、気泡径が１０μmのときは略３．３cm/分であり、２０μmではこの４倍の略１３．２cm/分であり、５０μmでは１０μmの場合の２５倍の略８２．５cm/分である。

該微細気泡入り泥土とセメント系固化材を混合し攪拌する方法、微細気泡入りセメント系固化材と泥土を混合し攪拌する方法としては、特に制限されず、微細気泡を発生させた装置で混合し攪拌する方法、及び別途に設置された攪拌槽で混合し攪拌する方法が挙げられる。該微細気泡入り泥土とセメント系固化材を混合し攪拌しても、あるいは微細気泡入りセメント系固化材と泥土を混合し攪拌しても、得られた流動化処理土中には当初の微細気泡がほとんどそのまま均一に分散されている。

次いで、微細気泡入り流動化処理土を地中に充填する。この充填方法としては、特に制限されず、地上固定装置から配管を通して地中に充填する方法、及び流動化処理土運搬車からシュートを通して地中に充填する方法が挙げられる。地中の充填場所としては、地下空洞部、狭い空間の埋め戻し部、構造物の基礎を直接支持する地盤部及びトンネルなどの構造体の覆い部などが挙げられる。このような場所に充填された充填物はやがて固化し、微細気泡が均一に混入した均質な軽量固化処置土を得ることができる。軽量化処理土の比重は、微細気泡の混入がない固化処理土と比べて約３０％程度軽い均質物を得ることができる。

本第１の実施の形態例の方法によれば、地上において、公知の微細気泡供給手段を用いて、流動化処理土中に微細気泡を均一に混入させることができる。流動化処理土中に混入された例えば直径１５μｍの微細気泡は、その浮上速度が理論式によれば直径３００μｍの通常の気泡の浮上速度の約１０^−３であり、該流動化処理土が地中に充填され、固化に至るまで均一且つ安定して存在する。このため、発泡材や軽量ビーズを用いることなく、且つ比重の制御がし易い均質な軽量固化処理土を地中に造成することができる。

本発明の第２の実施の形態における軽量固化処理土の造成方法は、先ず、地上で微細気泡供給手段により微細気泡が供給されたセメント系固化材含有スラリーを製造する。この微細気泡入りスラリーの製造方法は第１の実施の形態例の造成方法における微細気泡入りセメント系固化材含有スラリーを製造する方法と同じである。該スラリー中に含まれる微細気泡量及びセメント系固化材濃度などは、軽量固化処置土の大きさや目標強度などにより適宜決定される。

次いで回転軸の下方に放射状に設けた１以上の攪拌翼の回転域の地盤中に、回転軸の所定の位置に付設された固化材吐出管口から当該微細気泡入りセメント系固化材含有スラリーを吐出させ、原位置土と攪拌混合して軽量固化処理土を得る。この軽量固化処理土を得る方法は、セメント系固化材含有スラリーとして、微細気泡入りのセメント系固化材含有スラリー固化材を使用する以外、例えば特開平２００２−２３５３２１号公報記載の公知の固化処理杭造成方法と同様の方法で行なわれる。

例えば、上下２組の攪拌翼を有し、固化材吐出管口がその攪拌翼の裏側の回転軸に付設された固化処理装置を使用して、軽量固化処理土を造成する方法を説明する。先ず、回転駆動機により回転軸を正転方向に回転させながら地盤をほぐしつつ貫入させる。この際、固化材吐出管口からはセメント系固化材含有スラリーを吐出させない。所定の深度まで到達すると、回転軸貫入工程は終了する。次に、回転軸を正転方向又は逆転方向に回転させながら地盤中を引き抜く際、地上の微細気泡入りセメント系固化材含有スラリー供給設備から微細気泡入りセメント系固化材含有スラリーを固化材管口から吐出し、原位置土と攪拌混合させて軽量固化処理土を造成する。なお、回転軸を地盤に貫入する際、あるいは貫入及び引抜き双方の際、固化材吐出管口から微細気泡入りセメント系固化材含有スラリーを吐出させ、地盤中で攪拌混合させてもよい。

本実施の形態例において、セメント系固化材含有スラリーに均一に分散された微細気泡は、通常の直径３００μｍの気泡と比べて例えば直径１０〜５０μmと遥かに微細であるため、セメント系固化材含有スラリー中の微細気泡は、原位置土と攪拌混合された固化処理処理土として固化するまでに、容易には浮上せず、ほとんど当初の均一分散状態で固化処理土中に存在することになる。

本実施の形態例によれば、地上において、公知の微細気泡供給手段を用いて、セメント系固化材含有スラリー中に微細気泡を均一に混入させることができる。セメント系固化材含有スラリー中に混入された微細気泡は、前記同様、該セメント系固化材含有スラリーが地盤中に供給され、原位置土と攪拌混合されて固化に至るまで固化処理土中に均一且つ安定して存在する。このため、発泡材や軽量ビーズを用いることなく、且つ比重の制御がし易い均質な軽量固化処理土を地中に造成することができる。

次に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。

浚渫土（含水比Ｗｎ＝１２５％、湿潤密度ρ＝１．４０トン／ｍ^３）に旋回加速器と分散器を使用するマイクロバブル発生装置（協和エンジニアリング社製）を用いて、浚渫土中、体積混合率１０％で微細気泡を均一分散させた。この浚渫土１．４０ｋｇと水固化材比１００％のセメント系固化材含有スラリー０．１０ｋｇを枠体内で混合して攪拌し、その後静置して直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円柱状の固化体を得た。微細気泡の分散完了後、混合攪拌後までの所用時間が１０分、微細気泡の分散完了後、固化体の凝結が終結するまでの所用時間が１０時間であった。固化体の比重を測定したところ、１．２９トン／ｍ^３であった。

微細気泡の混合率１０％に代えて、２０％とした以外は実施例１と同様の方法で行った。その固化体の比重を測定したところ、１．１８トン／ｍ^３であった。
比較例１

微細気泡の混合率１０％に代えて、０％とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。すなわち、微細気泡は混入させず、浚渫土とセメントミルクから固化体を得たものである。その固化体の比重を測定したところ、１．４１トン／ｍ^３であった。

Claims (5)

1. 微細気泡供給手段により微細気泡が供給された微細気泡入り流動化処理土を地中に充填して微細気泡が混入した固化処理土を得る造成工法であって、該微細気泡供給手段が、起泡剤の使用を伴わないマイクロバブル発生装置又は超音波発振装置であり、該流動化処理土中の微細気泡は最大気泡直径が５０μｍであり、最頻値における気泡の直径が１０〜５０μｍであることを特徴とする軽量固化処理土の造成工法。
2. 前記微細気泡入り流動化処理土は、泥土に微細気泡を供給し、該微細気泡入り泥土とセメント系固化材又はセメント系固化材含有スラリーを混合し攪拌して得られることを特徴とする請求項１記載の軽量固化処理土の造成工法。
3. 前記微細気泡入り流動化処理土は、セメント系固化材含有スラリーに微細気泡を供給し、該微細気泡入りセメント系固化材と泥土を混合し攪拌して得られることを特徴とする請求項１記載の軽量固化処理土の造成工法。
4. 前記微細気泡入り流動化処理土は、泥土とセメント系固化材含有スラリーの混合物に微細気泡を供給して得られることを特徴とする請求項１記載の軽量固化処理土の造成工法。
5. 微細気泡供給手段により微細気泡が供給されたセメント系固化材含有スラリーを予め製造し、次いで回転軸の下方に放射状に設けた１以上の攪拌翼の回転域の地盤中に、回転軸の所定の位置に付設された固化材吐出管口から当該微細気泡入りセメント系固化材含有スラリーを吐出させ、原位置土と攪拌混合して軽量固化処理土を得る造成工法であって、該微細気泡供給手段が、該微細気泡供給手段が、起泡剤の使用を伴わないマイクロバブル発生装置又は超音波発振装置であり、該セメント系固化材含有スラリー中の微細気泡は最大気泡直径が５０μｍであり、最頻値における気泡の直径が１０〜５０μｍであることを特徴とする軽量固化処理土の造成工法。