JP4327309B2 - 薬液注入による砂質土地盤の液状化対策工法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は薬液注入による砂質土地盤の液状化対策工法に関する。より詳しくは、砂質土地盤に対してシリカ粒子を含む薬液を注入する液状化対策工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
砂質土地盤が地震により液状化するのを防止する方法の一つとして、砂質土にセメントなどの固結剤を添加し混合する固結工法が知られている。この固結工法による既往の試験では、セメント量を５％程度にすれば液状化を防止できるという結果が得られている。ここで、液状化抵抗を表す指標としては一軸圧縮強さが採用され、液状化防止のための一軸圧縮強さの基準値は、実用上０.５kgf/cm２〜１.０kgf/cm２程度であるとされている。
【０００３】
上記セメントを用いた固結工法は、新たに地盤を造成する場合には好適なものであるが、既設構造物直下の砂質土地盤を対象とし、直上から実施できない場合には、地盤中へのセメントの浸透距離が比較的短いことから不向きである。このため、既設構造物直下の砂質土地盤の液状化を防止するためには、砂質土地盤に対して超微粒子シリカを含む薬液を注入する工法が採用されている。その薬液は、超微粒子シリカを水に分散してなるコロイド溶液（主剤）に、中性塩からなる硬化剤を添加して調製されている。この薬液には、ｉ）主剤に硬化剤を添加することによりゲル化する。ii）ゲルタイム（硬化時間）は数秒〜数日程度の範囲で調整でき、主として硬化剤の濃度により決定される。iii）ゲルタイムを調整してもゲル化物質の物性は影響を受けない、という基本的性質がある。
【０００４】
従来は、この薬液注入による工法においても、セメントを用いた場合の液状化防止のための一軸圧縮強さ（液状化抵抗と正の相関を有する）の基準値（０.５kgf/cm２〜１.０kgf/cm２）をそのまま適用して、その基準値を満たすように主剤中のシリカ粒子の濃度を１０重量％程度に設定していた。一軸圧縮強さが０.５kgf/cm２未満となるシリカ粒子の濃度のものは、液状化を防止できないものとして、従来においては使用あるいは考慮の対象とされていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、主剤中のシリカ粒子の濃度を１０重量％と比較的高く設定した場合、地盤中への浸透距離が短くなる（硬化剤の量にもよるが１点からの球状の注入では半径２〜３ｍまでの浸透距離となる）という問題がある。また、超微粒子シリカの使用量も多くなるため、コストが高くつくという問題がある。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、シリカ粒子を含む薬液の地盤中への浸透距離を長くでき、しかもコストを低減できる砂質土地盤の液状化対策工法を提供することにある。特に、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法で使用されていたシリカのコロイド溶液で得られる一軸圧縮強度と同等の性能を、更に低シリカ濃度で得られ、コストを更に低減できる砂質土地盤の液状化対策工法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、砂質土地盤に対してシリカ粒子を含む薬液を注入した場合の液状化抵抗が必ずしも一軸圧縮強さと正の相関をもたないという、本発明者による発見に基づいて創作されたものである。
【０００８】
すなわち、図６に示すように、主剤中のシリカ粒子濃度ｗが０．２８重量％〜２．２５重量％の範囲において、主剤中のシリカ粒子濃度ｗと改良砂（薬液注入後）の一軸圧縮強さｑｕとの間には、予想された通り正の相関がある。したがって、従来の一軸圧縮強さの基準値（０.５kgf/cm２〜１.０kgf/cm２）によれば、主剤中のシリカ粒子濃度ｗが２．２５重量％以下のものは、一軸圧縮強さｑｕが０.５kgf/cm２よりも低いことから、液状化抵抗が低く、使用に耐えないはずである。
【０００９】
しかしながら、本発明者の実験により、主剤中のシリカ粒子濃度ｗを０．２８重量％〜２．２５重量％の範囲に設定した場合、改良砂の実際の液状化抵抗は、シリカ粒子濃度ｗに殆ど依存せずほぼ一定であり、かつ要求品質（液状化を防止する）を満たしていることが判明した。この場合の液状化防止のメカニズムは、セメントのような固結によるものではなく、砂の粒子間に存在する水がゲル化物質（薬液が硬化したもの）によって置換され、このゲル化物質が砂の粒子同士を繋ぎ止めるものである、と考えられる。
【００１０】
そこで、上記目的を達成するため、請求項１に記載の液状化対策工法は、シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、上記薬液中の硬化剤として中性塩を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.０１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の液状化対策工法は、シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、上記薬液中の硬化剤として酸性塩を用いるとともに、上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０．１重量パーセント乃至１．０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の液状化対策工法は、シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、上記薬液中の硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至５.０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする。
これらの請求項１乃至３の液状化対策工法では、主剤中のシリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定しているので、従来（シリカ粒子濃度を１０重量％程度に設定）に比して、薬液の地盤中への浸透距離が長くなる。また、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法で使用されていたシリカ濃度１．９重量パーセント乃至６．０重量パーセントに比較して超微粒子シリカの使用量が少なくなるため、コストダウンが可能となる。これは、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法ではコロイド溶液のシリカ平均粒径が１５ナノメートルであるのに対して、本工法のコロイド溶液のシリカ平均粒径が３ナノメートル乃至６ナノメートルと小さく設定されているためである。
【００１３】
また、請求項１の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として中性塩を用いるとともに、上記薬液中のその中性塩の濃度を０.０１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定している。請求項２の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として酸性塩を用いるとともに、上記薬液中のその酸性塩の濃度を０．１重量パーセント乃至１．０重量パーセントの範囲内に設定している。また、請求項３の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至５.０重量パーセントの範囲内に設定している。これにより、硬化剤としてのそれらの中性塩、酸性塩の濃度に応じて、上記薬液のゲルタイムを数秒から数日の範囲内で調整することができる。
【００１４】
また、既設構造物直下の砂質土地盤を対象とし、直上から実施できない場合には、地盤中への薬液の浸透距離を１０メートル以上確保するのが望ましい。
【００１５】
請求項１乃至３の液状化対策工法では、硬化剤の量にもよるが、直線状の浸透の場合、実際的な条件下で地盤中への薬液の浸透距離を１０メートル以上にすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の液状化対策工法の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
（１）まず、本発明者は、この発明の試験を行うために、次のような主剤と硬化剤とからなる薬液を用意した。
【００１８】
▲１▼主剤は、超微粒子シリカを水に分散してなるコロイド溶液である。
【００１９】
この例では、主剤として、市販の超微粒子シリカグラウト（シリカ（ＳｉＯ２）濃度３．７〜７．０重量％、旭電化工業（株）製、商品名パーマロックＡＳＦ）と水とを割合を変えて混合して、図６に示すように、シリカ粒子濃度ｗが０．２８重量％、０．３８重量％、０．４５重量％、０．５６重量％、０．７５重量％、１．１３重量％、２．２５重量％のものを作製した。
【００２０】
この主剤は、水ガラス中の塩分をイオン交換樹脂により除去した後に、弱アルカリ領域で安定化させたものである。通常の水ガラス系注入薬液や酸性シリカゾルと比較すると、ゲル中に塩分が殆ど無く、ゲル化領域がほぼ中性であるので、環境に対する影響が殆ど無い。また、ゲルより溶脱する成分が無いので、恒久性、高耐久性に優れているという特長をもつ。
【００２１】
また、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法ではコロイド溶液のシリカ平均粒径が１５ｎｍであるのに対して、この主剤のシリカ平均粒径は３〜６ｎｍ（典型的には５ｎｍ）と小さい。したがって、要求される一軸圧縮強度を達成せしめるシリカ濃度が少なく、コスト削減に優れているという特徴を持つ。
【００２２】
▲２▼硬化剤としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム又は塩化アルミニウム等の中性塩を用いることができる。また、クエン酸塩、リン酸塩等の弱酸性塩を用いることもできる。さらに、これらの中性塩、酸性塩をそれぞれ複数種類混合して使用することもできるし、中性塩と酸性塩との混合物を使用することもできる。
【００２３】
この例では、硬化剤として中性塩である塩化ナトリウムを採用し、薬液中の硬化剤の濃度が２.０重量％となるように設定した。
【００２４】
この中性塩は主剤中に溶解してイオンとなり、超微粒子シリカのコロイド粒子の表面に形成されている拡散二重層を破壊する。これにより、コロイド粒子同士の衝突（ブラウン運動）による結合が始まり、ゲル化が始まる。この中性塩の添加量が多いほど拡散二重層の破壊も大きく、その分だけゲル化も促進される。また酸性塩は主剤中のアルカリ成分を中和させ、超微粒子シリカのコロイド粒子の結合を更に促進する。またゲル化後のシリカ重合を破壊するアルカリ成分を除去することにより耐久性に好影響をもたらす。
【００２５】
硬化剤の濃度が薄すぎる場合には、ゲルタイムが長くなり過ぎる。一方、硬化剤の濃度が濃すぎる場合には、薬液が早く固まるため浸透距離が短くなり過ぎる。実用レベルでは、硬化剤として中性塩を用いる場合は、上記薬液中のその中性塩の濃度を０.０１重量％〜１０.０重量％の範囲内に設定する。硬化剤として酸性塩を用いる場合は、上記薬液中のその酸性塩の濃度を０．１重量％〜１．０重量％の範囲内に設定する。硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いる場合は、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量％〜１０.０重量％の範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量％〜５.０重量％の範囲内に設定する。
【００２６】
（２）次に、上述のシリカ粒子濃度が異なる複数の薬液をそれぞれ豊浦砂（標準砂）に浸透注入して、円柱状の形状をもつ供試体を作製した。
【００２７】
具体的には、空中落下法を用いて相対密度約６０％の豊浦砂を円筒形の型枠内に堆積し、飽和度を高めるために−０.９５kgf/cm２の負圧を作用させた状態で上記各薬液を浸透注入させた。これにより、シリカ粒子濃度が異なる薬液ごとに供試体を作製した。また、比較のために、薬液を浸透させない未改良砂からなる供試体も併せて作製した。
【００２８】
なお、次に述べる一軸圧縮強さ測定用の供試体の寸法は直径φ＝３ｃｍ、高さＨ＝６ｃｍとした。また、その後に述べる液状化試験用の供試体の寸法は直径φ＝６ｃｍ、高さＨ＝２ｃｍとした。
【００２９】
（３）各供試体の一軸圧縮強さｑｕは図６に示すようなものとなった。
【００３０】
すなわち、シリカ粒子濃度ｗが０．２８重量％の主剤を浸透させた供試体の一軸圧縮強さｑｕは０.１０kgf/cm２となった。以下それぞれ、ｗ＝０．３８重量％のものはｑｕ＝０．１３kgf/cm２、ｗ＝０．４５重量％のものはｑｕ＝０．１４kgf/cm２、ｗ＝０．５６重量％のものはｑｕ＝０．１４kgf/cm２、ｗ＝０．７５重量％のものはｑｕ＝０．１６kgf/cm２、ｗ＝１．１３重量％のものはｑｕ＝０．３９kgf/cm２、ｗ＝２．２５重量％のものはｑｕ＝０．５０kgf/cm２となった。既に述べたように、これ自体は、従来の技術常識から予想された結果である。
【００３１】
（４）次に、上記供試体の液状化抵抗を把握するために、液状化試験として、単純せん断装置を用いた応力振幅一定試験とひずみ振幅漸増試験を行った。
【００３２】
応力振幅一定試験では、上述のｗ＝０．２８重量％〜２．２５重量％に相当する供試体はいずれも、せん断応力τが繰り返し載荷された結果±５％程度のせん断ひずみγを受けたとしても、流動的な液状化に至らないという結果が得られた。図１(b)，(c)に、それぞれｗ＝０．３８重量％の主剤を用いて得られたｑｕ＝０．１３kgf/cm２の供試体、ｗ＝１．１３重量％の主剤を用いて得られたｑｕ＝０．３９kgf/cm２の供試体についての測定結果を例示している。図１(b)，(c)から分かるように、この２つの供試体は、せん断応力τの繰り返し載荷によって図中に矢印で示す向きに±５％程度まで次第にひずみγが増加するけれども、依然としてせん断抵抗力を維持している。これに対して未改良砂の供試体は、図１(a)に示すように、せん断応力τの７回目の載荷でせん断抵抗力が激減してほぼゼロとなり（図中にＡで示す）、液状化が生じている。
【００３３】
ひずみ振幅漸増試験でも同様に、上述のｗ＝０．２８重量％〜２．２５重量％に相当する供試体はいずれも、漸増するせん断ひずみが繰り返し載荷された結果±５％程度のせん断ひずみγを受けたとしても、流動的な液状化に至らないという結果が得られた。図２(b)，(c)に、それぞれｗ＝０．３８重量％の主剤を用いて得られたｑｕ＝０．１３kgf/cm２の供試体、ｗ＝１．１３重量％の主剤を用いて得られたｑｕ＝０．３９kgf/cm２の供試体についての測定結果を例示している。これに対して未改良砂の供試体は、図２(a)に示すように、せん断ひずみが約±１％に達するとせん断抵抗力が激減してほぼ０となり（図中にＢで示す）、液状化が生じている。
【００３４】
図３、図４および図５は、それぞれ上記試験によって得られた、漸増するせん断ひずみの繰返しによる剛性低下率Ｇ／Ｇ１とせん断ひずみγとの関係、正規化累積損失エネルギーΣΔＷ／σ′ｍｃとせん断ひずみγとの関係、漸増するせん断ひずみの繰返しによる剛性低下率Ｇ／Ｇ１と正規化累積損失エネルギーΣΔＷ／σ′ｍｃとの関係を示している。これらの図中、〇印は未改良砂からなる供試体、◇印はｑｕ＝０．１３kgf/cm２の供試体、▽印はｑｕ＝０．１６kgf/cm２の供試体、△印はｑｕ＝０．３９kgf/cm２の供試体、●印はｑｕ＝０．５０kgf/cm２の供試体のデータをそれぞれ表している。分かるように、ｑｕ＝０．１３kgf/cm２〜０．５０kgf/cm２の供試体（改良砂の供試体）のデータは、いずれの図においても同一の曲線上に乗り、本質的に同じ挙動を示している。したがって、これらの供試体は、一軸圧縮強さｑｕが互いに異なるにもかかわらず、同じ様な液状化抵抗を示しているということが言える。これに対して未改良砂の供試体のデータは、改良砂のデータ曲線とは異なる曲線上に乗っている。
【００３５】
このように主剤中のシリカ粒子濃度ｗを０．２８重量％〜２．２５重量％の範囲に設定した場合、改良砂の実際の液状化抵抗は、シリカ粒子濃度ｗに殆ど依存せずほぼ一定であり、かつ要求品質（液状化を防止する）を満たしている。
【００３６】
（５）また、上述のｑｕ＝０．１３kgf/cm２〜０．５０kgf/cm２の供試体（改良砂の供試体）と未改良砂の供試体とについて、実際の地震に近い状態で液状化を防止できるか否かを確認するために、最大加速度１５０gal入力のオンライン地震応答実験を行った。このオンライン地震応答実験においても、ｑｕ＝０．１３kgf/cm２〜０．５０kgf/cm２の供試体（改良砂の供試体）は液状化せず、かつそれぞれ同様の挙動を示した。一方、未改良砂の供試体だけが液状化を示した。
【００３７】
（６）各試供体と同じシリカ粒子濃度ｗの主剤および硬化剤濃度２.０重量％とした薬液が１０.０ｍ浸透可能であるかを測定したところ、すべての場合において、浸透距離が１０.０ｍ以上となることがわかった。
【００３８】
（７）このように、超微粒子シリカを水に濃度ｗ＝０．２８重量％〜２．２５重量％の範囲内で分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に中性塩からなる硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入することにより、その砂質土地盤の液状化を有効に防止することができる。そして、この液状化対策工法の場合、従来（シリカ粒子濃度を１０重量％程度に設定）に比して、薬液の地盤中への浸透距離を長くすることができる。また、超微粒子シリカの使用量が比較的少なくなるため、コストダウンが可能となる。また、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法で使用されている薬液中のシリカ濃度（１．９重量％〜６．０重量％）よりも低いシリカ濃度で目的強度を達成できるため、さらなるコストダウンが可能となる。
【００３９】
さらに、上述のように主剤中のシリカ粒子濃度ｗを０．２８重量％≦ｗ＜２．２５重量％の範囲内に設定するとともに、硬化剤として中性塩を用いる場合は、上記薬液中のその中性塩の濃度を０.０１重量％〜１０.０重量％の範囲内で、硬化剤として酸性塩を用いる場合は、上記薬液中のその酸性塩の濃度を０．１重量％〜１．０重量％の範囲内で、硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いる場合は、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量％〜１０.０重量％の範囲内、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量％〜５.０重量％の範囲内で適切に選択すれば、直線状の浸透の場合、実際的な条件下で地盤中への薬液の浸透距離を１０メートル以上にすることができる。したがって、この液状化対策工法は、既設構造物直下の砂質土地盤を対象とし、直上から実施できない場合に好ましく適用することができる。
【００４０】
なお、既設構造物直下の砂質土地盤に対して実際に上記薬液を注入する場合は、薬液の注入圧をその地盤の間隙水圧の３〜５倍に設定するのが望ましい。
【００４１】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１乃至３の液状化対策工法では、主剤中のシリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定しているので、従来（シリカ粒子濃度を１０重量パーセント程度に設定）に比して、薬液の地盤中への浸透距離を長くすることができる。また、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法で使用されていた薬液よりも超微粒子シリカの使用量が少なくなるため、さらなるコストダウンが可能となる。
【００４２】
また、請求項１の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として中性塩を用いるとともに、上記薬液中のその中性塩の濃度を０.０１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントに設定し、請求項２の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として酸性塩を用いるとともに、上記薬液中のその酸性塩の濃度を０．１重量パーセント乃至１．０重量パーセントの範囲内に設定している。また、請求項３の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至５.０重量パーセントの範囲内に設定している。これにより、硬化剤としてのそれらの中性塩、酸性塩の濃度に応じて、上記薬液のゲルタイムを数秒から数日の範囲内で調整することができる。したがって、直線状の浸透の場合、実際的な条件下で地盤中への薬液の浸透距離を１０メートル以上にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明を適用して作製した供試体の応力振幅一定方式の液状化試験の結果を未改良のものと比較して示す図である。
【図２】 この発明を適用して作製した供試体のひずみ振幅漸増方式の液状化試験の結果を未改良のものと比較して示す図である。
【図３】 この発明を適用して作製した供試体の、漸増するせん断ひずみの繰返しによる剛性低下率Ｇ／Ｇ１とせん断ひずみγとの関係を示す図である。
【図４】 この発明を適用して作製した供試体の、正規化累積損失エネルギーΣΔＷ／σ′ｍｃとせん断ひずみγとの関係を示す図である。
【図５】 この発明を適用して作製した供試体の、漸増するせん断ひずみの繰返しによる剛性低下率Ｇ／Ｇ１と正規化累積損失エネルギーΣΔＷ／σ′ｍｃとの関係を示す図である。
【図６】 主剤中のシリカ粒子濃度ｗと作製した供試体の一軸圧縮強さｑｕとの対応を示す図である。
【符号の説明】
Ａ 液状化を示す部分
【発明の属する技術分野】
この発明は薬液注入による砂質土地盤の液状化対策工法に関する。より詳しくは、砂質土地盤に対してシリカ粒子を含む薬液を注入する液状化対策工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
砂質土地盤が地震により液状化するのを防止する方法の一つとして、砂質土にセメントなどの固結剤を添加し混合する固結工法が知られている。この固結工法による既往の試験では、セメント量を５％程度にすれば液状化を防止できるという結果が得られている。ここで、液状化抵抗を表す指標としては一軸圧縮強さが採用され、液状化防止のための一軸圧縮強さの基準値は、実用上０.５kgf/cm２〜１.０kgf/cm２程度であるとされている。
【０００３】
上記セメントを用いた固結工法は、新たに地盤を造成する場合には好適なものであるが、既設構造物直下の砂質土地盤を対象とし、直上から実施できない場合には、地盤中へのセメントの浸透距離が比較的短いことから不向きである。このため、既設構造物直下の砂質土地盤の液状化を防止するためには、砂質土地盤に対して超微粒子シリカを含む薬液を注入する工法が採用されている。その薬液は、超微粒子シリカを水に分散してなるコロイド溶液（主剤）に、中性塩からなる硬化剤を添加して調製されている。この薬液には、ｉ）主剤に硬化剤を添加することによりゲル化する。ii）ゲルタイム（硬化時間）は数秒〜数日程度の範囲で調整でき、主として硬化剤の濃度により決定される。iii）ゲルタイムを調整してもゲル化物質の物性は影響を受けない、という基本的性質がある。
【０００４】
従来は、この薬液注入による工法においても、セメントを用いた場合の液状化防止のための一軸圧縮強さ（液状化抵抗と正の相関を有する）の基準値（０.５kgf/cm２〜１.０kgf/cm２）をそのまま適用して、その基準値を満たすように主剤中のシリカ粒子の濃度を１０重量％程度に設定していた。一軸圧縮強さが０.５kgf/cm２未満となるシリカ粒子の濃度のものは、液状化を防止できないものとして、従来においては使用あるいは考慮の対象とされていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、主剤中のシリカ粒子の濃度を１０重量％と比較的高く設定した場合、地盤中への浸透距離が短くなる（硬化剤の量にもよるが１点からの球状の注入では半径２〜３ｍまでの浸透距離となる）という問題がある。また、超微粒子シリカの使用量も多くなるため、コストが高くつくという問題がある。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、シリカ粒子を含む薬液の地盤中への浸透距離を長くでき、しかもコストを低減できる砂質土地盤の液状化対策工法を提供することにある。特に、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法で使用されていたシリカのコロイド溶液で得られる一軸圧縮強度と同等の性能を、更に低シリカ濃度で得られ、コストを更に低減できる砂質土地盤の液状化対策工法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、砂質土地盤に対してシリカ粒子を含む薬液を注入した場合の液状化抵抗が必ずしも一軸圧縮強さと正の相関をもたないという、本発明者による発見に基づいて創作されたものである。
【０００８】
すなわち、図６に示すように、主剤中のシリカ粒子濃度ｗが０．２８重量％〜２．２５重量％の範囲において、主剤中のシリカ粒子濃度ｗと改良砂（薬液注入後）の一軸圧縮強さｑｕとの間には、予想された通り正の相関がある。したがって、従来の一軸圧縮強さの基準値（０.５kgf/cm２〜１.０kgf/cm２）によれば、主剤中のシリカ粒子濃度ｗが２．２５重量％以下のものは、一軸圧縮強さｑｕが０.５kgf/cm２よりも低いことから、液状化抵抗が低く、使用に耐えないはずである。
【０００９】
しかしながら、本発明者の実験により、主剤中のシリカ粒子濃度ｗを０．２８重量％〜２．２５重量％の範囲に設定した場合、改良砂の実際の液状化抵抗は、シリカ粒子濃度ｗに殆ど依存せずほぼ一定であり、かつ要求品質（液状化を防止する）を満たしていることが判明した。この場合の液状化防止のメカニズムは、セメントのような固結によるものではなく、砂の粒子間に存在する水がゲル化物質（薬液が硬化したもの）によって置換され、このゲル化物質が砂の粒子同士を繋ぎ止めるものである、と考えられる。
【００１０】
そこで、上記目的を達成するため、請求項１に記載の液状化対策工法は、シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、上記薬液中の硬化剤として中性塩を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.０１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の液状化対策工法は、シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、上記薬液中の硬化剤として酸性塩を用いるとともに、上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０．１重量パーセント乃至１．０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の液状化対策工法は、シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、上記薬液中の硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至５.０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする。
これらの請求項１乃至３の液状化対策工法では、主剤中のシリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定しているので、従来（シリカ粒子濃度を１０重量％程度に設定）に比して、薬液の地盤中への浸透距離が長くなる。また、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法で使用されていたシリカ濃度１．９重量パーセント乃至６．０重量パーセントに比較して超微粒子シリカの使用量が少なくなるため、コストダウンが可能となる。これは、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法ではコロイド溶液のシリカ平均粒径が１５ナノメートルであるのに対して、本工法のコロイド溶液のシリカ平均粒径が３ナノメートル乃至６ナノメートルと小さく設定されているためである。
【００１３】
また、請求項１の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として中性塩を用いるとともに、上記薬液中のその中性塩の濃度を０.０１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定している。請求項２の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として酸性塩を用いるとともに、上記薬液中のその酸性塩の濃度を０．１重量パーセント乃至１．０重量パーセントの範囲内に設定している。また、請求項３の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至５.０重量パーセントの範囲内に設定している。これにより、硬化剤としてのそれらの中性塩、酸性塩の濃度に応じて、上記薬液のゲルタイムを数秒から数日の範囲内で調整することができる。
【００１４】
また、既設構造物直下の砂質土地盤を対象とし、直上から実施できない場合には、地盤中への薬液の浸透距離を１０メートル以上確保するのが望ましい。
【００１５】
請求項１乃至３の液状化対策工法では、硬化剤の量にもよるが、直線状の浸透の場合、実際的な条件下で地盤中への薬液の浸透距離を１０メートル以上にすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の液状化対策工法の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
（１）まず、本発明者は、この発明の試験を行うために、次のような主剤と硬化剤とからなる薬液を用意した。
【００１８】
▲１▼主剤は、超微粒子シリカを水に分散してなるコロイド溶液である。
【００１９】
この例では、主剤として、市販の超微粒子シリカグラウト（シリカ（ＳｉＯ２）濃度３．７〜７．０重量％、旭電化工業（株）製、商品名パーマロックＡＳＦ）と水とを割合を変えて混合して、図６に示すように、シリカ粒子濃度ｗが０．２８重量％、０．３８重量％、０．４５重量％、０．５６重量％、０．７５重量％、１．１３重量％、２．２５重量％のものを作製した。
【００２０】
この主剤は、水ガラス中の塩分をイオン交換樹脂により除去した後に、弱アルカリ領域で安定化させたものである。通常の水ガラス系注入薬液や酸性シリカゾルと比較すると、ゲル中に塩分が殆ど無く、ゲル化領域がほぼ中性であるので、環境に対する影響が殆ど無い。また、ゲルより溶脱する成分が無いので、恒久性、高耐久性に優れているという特長をもつ。
【００２１】
また、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法ではコロイド溶液のシリカ平均粒径が１５ｎｍであるのに対して、この主剤のシリカ平均粒径は３〜６ｎｍ（典型的には５ｎｍ）と小さい。したがって、要求される一軸圧縮強度を達成せしめるシリカ濃度が少なく、コスト削減に優れているという特徴を持つ。
【００２２】
▲２▼硬化剤としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム又は塩化アルミニウム等の中性塩を用いることができる。また、クエン酸塩、リン酸塩等の弱酸性塩を用いることもできる。さらに、これらの中性塩、酸性塩をそれぞれ複数種類混合して使用することもできるし、中性塩と酸性塩との混合物を使用することもできる。
【００２３】
この例では、硬化剤として中性塩である塩化ナトリウムを採用し、薬液中の硬化剤の濃度が２.０重量％となるように設定した。
【００２４】
この中性塩は主剤中に溶解してイオンとなり、超微粒子シリカのコロイド粒子の表面に形成されている拡散二重層を破壊する。これにより、コロイド粒子同士の衝突（ブラウン運動）による結合が始まり、ゲル化が始まる。この中性塩の添加量が多いほど拡散二重層の破壊も大きく、その分だけゲル化も促進される。また酸性塩は主剤中のアルカリ成分を中和させ、超微粒子シリカのコロイド粒子の結合を更に促進する。またゲル化後のシリカ重合を破壊するアルカリ成分を除去することにより耐久性に好影響をもたらす。
【００２５】
硬化剤の濃度が薄すぎる場合には、ゲルタイムが長くなり過ぎる。一方、硬化剤の濃度が濃すぎる場合には、薬液が早く固まるため浸透距離が短くなり過ぎる。実用レベルでは、硬化剤として中性塩を用いる場合は、上記薬液中のその中性塩の濃度を０.０１重量％〜１０.０重量％の範囲内に設定する。硬化剤として酸性塩を用いる場合は、上記薬液中のその酸性塩の濃度を０．１重量％〜１．０重量％の範囲内に設定する。硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いる場合は、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量％〜１０.０重量％の範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量％〜５.０重量％の範囲内に設定する。
【００２６】
（２）次に、上述のシリカ粒子濃度が異なる複数の薬液をそれぞれ豊浦砂（標準砂）に浸透注入して、円柱状の形状をもつ供試体を作製した。
【００２７】
具体的には、空中落下法を用いて相対密度約６０％の豊浦砂を円筒形の型枠内に堆積し、飽和度を高めるために−０.９５kgf/cm２の負圧を作用させた状態で上記各薬液を浸透注入させた。これにより、シリカ粒子濃度が異なる薬液ごとに供試体を作製した。また、比較のために、薬液を浸透させない未改良砂からなる供試体も併せて作製した。
【００２８】
なお、次に述べる一軸圧縮強さ測定用の供試体の寸法は直径φ＝３ｃｍ、高さＨ＝６ｃｍとした。また、その後に述べる液状化試験用の供試体の寸法は直径φ＝６ｃｍ、高さＨ＝２ｃｍとした。
【００２９】
（３）各供試体の一軸圧縮強さｑｕは図６に示すようなものとなった。
【００３０】
すなわち、シリカ粒子濃度ｗが０．２８重量％の主剤を浸透させた供試体の一軸圧縮強さｑｕは０.１０kgf/cm２となった。以下それぞれ、ｗ＝０．３８重量％のものはｑｕ＝０．１３kgf/cm２、ｗ＝０．４５重量％のものはｑｕ＝０．１４kgf/cm２、ｗ＝０．５６重量％のものはｑｕ＝０．１４kgf/cm２、ｗ＝０．７５重量％のものはｑｕ＝０．１６kgf/cm２、ｗ＝１．１３重量％のものはｑｕ＝０．３９kgf/cm２、ｗ＝２．２５重量％のものはｑｕ＝０．５０kgf/cm２となった。既に述べたように、これ自体は、従来の技術常識から予想された結果である。
【００３１】
（４）次に、上記供試体の液状化抵抗を把握するために、液状化試験として、単純せん断装置を用いた応力振幅一定試験とひずみ振幅漸増試験を行った。
【００３２】
応力振幅一定試験では、上述のｗ＝０．２８重量％〜２．２５重量％に相当する供試体はいずれも、せん断応力τが繰り返し載荷された結果±５％程度のせん断ひずみγを受けたとしても、流動的な液状化に至らないという結果が得られた。図１(b)，(c)に、それぞれｗ＝０．３８重量％の主剤を用いて得られたｑｕ＝０．１３kgf/cm２の供試体、ｗ＝１．１３重量％の主剤を用いて得られたｑｕ＝０．３９kgf/cm２の供試体についての測定結果を例示している。図１(b)，(c)から分かるように、この２つの供試体は、せん断応力τの繰り返し載荷によって図中に矢印で示す向きに±５％程度まで次第にひずみγが増加するけれども、依然としてせん断抵抗力を維持している。これに対して未改良砂の供試体は、図１(a)に示すように、せん断応力τの７回目の載荷でせん断抵抗力が激減してほぼゼロとなり（図中にＡで示す）、液状化が生じている。
【００３３】
ひずみ振幅漸増試験でも同様に、上述のｗ＝０．２８重量％〜２．２５重量％に相当する供試体はいずれも、漸増するせん断ひずみが繰り返し載荷された結果±５％程度のせん断ひずみγを受けたとしても、流動的な液状化に至らないという結果が得られた。図２(b)，(c)に、それぞれｗ＝０．３８重量％の主剤を用いて得られたｑｕ＝０．１３kgf/cm２の供試体、ｗ＝１．１３重量％の主剤を用いて得られたｑｕ＝０．３９kgf/cm２の供試体についての測定結果を例示している。これに対して未改良砂の供試体は、図２(a)に示すように、せん断ひずみが約±１％に達するとせん断抵抗力が激減してほぼ０となり（図中にＢで示す）、液状化が生じている。
【００３４】
図３、図４および図５は、それぞれ上記試験によって得られた、漸増するせん断ひずみの繰返しによる剛性低下率Ｇ／Ｇ１とせん断ひずみγとの関係、正規化累積損失エネルギーΣΔＷ／σ′ｍｃとせん断ひずみγとの関係、漸増するせん断ひずみの繰返しによる剛性低下率Ｇ／Ｇ１と正規化累積損失エネルギーΣΔＷ／σ′ｍｃとの関係を示している。これらの図中、〇印は未改良砂からなる供試体、◇印はｑｕ＝０．１３kgf/cm２の供試体、▽印はｑｕ＝０．１６kgf/cm２の供試体、△印はｑｕ＝０．３９kgf/cm２の供試体、●印はｑｕ＝０．５０kgf/cm２の供試体のデータをそれぞれ表している。分かるように、ｑｕ＝０．１３kgf/cm２〜０．５０kgf/cm２の供試体（改良砂の供試体）のデータは、いずれの図においても同一の曲線上に乗り、本質的に同じ挙動を示している。したがって、これらの供試体は、一軸圧縮強さｑｕが互いに異なるにもかかわらず、同じ様な液状化抵抗を示しているということが言える。これに対して未改良砂の供試体のデータは、改良砂のデータ曲線とは異なる曲線上に乗っている。
【００３５】
このように主剤中のシリカ粒子濃度ｗを０．２８重量％〜２．２５重量％の範囲に設定した場合、改良砂の実際の液状化抵抗は、シリカ粒子濃度ｗに殆ど依存せずほぼ一定であり、かつ要求品質（液状化を防止する）を満たしている。
【００３６】
（５）また、上述のｑｕ＝０．１３kgf/cm２〜０．５０kgf/cm２の供試体（改良砂の供試体）と未改良砂の供試体とについて、実際の地震に近い状態で液状化を防止できるか否かを確認するために、最大加速度１５０gal入力のオンライン地震応答実験を行った。このオンライン地震応答実験においても、ｑｕ＝０．１３kgf/cm２〜０．５０kgf/cm２の供試体（改良砂の供試体）は液状化せず、かつそれぞれ同様の挙動を示した。一方、未改良砂の供試体だけが液状化を示した。
【００３７】
（６）各試供体と同じシリカ粒子濃度ｗの主剤および硬化剤濃度２.０重量％とした薬液が１０.０ｍ浸透可能であるかを測定したところ、すべての場合において、浸透距離が１０.０ｍ以上となることがわかった。
【００３８】
（７）このように、超微粒子シリカを水に濃度ｗ＝０．２８重量％〜２．２５重量％の範囲内で分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に中性塩からなる硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入することにより、その砂質土地盤の液状化を有効に防止することができる。そして、この液状化対策工法の場合、従来（シリカ粒子濃度を１０重量％程度に設定）に比して、薬液の地盤中への浸透距離を長くすることができる。また、超微粒子シリカの使用量が比較的少なくなるため、コストダウンが可能となる。また、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法で使用されている薬液中のシリカ濃度（１．９重量％〜６．０重量％）よりも低いシリカ濃度で目的強度を達成できるため、さらなるコストダウンが可能となる。
【００３９】
さらに、上述のように主剤中のシリカ粒子濃度ｗを０．２８重量％≦ｗ＜２．２５重量％の範囲内に設定するとともに、硬化剤として中性塩を用いる場合は、上記薬液中のその中性塩の濃度を０.０１重量％〜１０.０重量％の範囲内で、硬化剤として酸性塩を用いる場合は、上記薬液中のその酸性塩の濃度を０．１重量％〜１．０重量％の範囲内で、硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いる場合は、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量％〜１０.０重量％の範囲内、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量％〜５.０重量％の範囲内で適切に選択すれば、直線状の浸透の場合、実際的な条件下で地盤中への薬液の浸透距離を１０メートル以上にすることができる。したがって、この液状化対策工法は、既設構造物直下の砂質土地盤を対象とし、直上から実施できない場合に好ましく適用することができる。
【００４０】
なお、既設構造物直下の砂質土地盤に対して実際に上記薬液を注入する場合は、薬液の注入圧をその地盤の間隙水圧の３〜５倍に設定するのが望ましい。
【００４１】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１乃至３の液状化対策工法では、主剤中のシリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定しているので、従来（シリカ粒子濃度を１０重量パーセント程度に設定）に比して、薬液の地盤中への浸透距離を長くすることができる。また、特願平１０−１４０９７３号に記載の工法で使用されていた薬液よりも超微粒子シリカの使用量が少なくなるため、さらなるコストダウンが可能となる。
【００４２】
また、請求項１の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として中性塩を用いるとともに、上記薬液中のその中性塩の濃度を０.０１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントに設定し、請求項２の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として酸性塩を用いるとともに、上記薬液中のその酸性塩の濃度を０．１重量パーセント乃至１．０重量パーセントの範囲内に設定している。また、請求項３の液状化対策工法では、上記薬液中の硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至５.０重量パーセントの範囲内に設定している。これにより、硬化剤としてのそれらの中性塩、酸性塩の濃度に応じて、上記薬液のゲルタイムを数秒から数日の範囲内で調整することができる。したがって、直線状の浸透の場合、実際的な条件下で地盤中への薬液の浸透距離を１０メートル以上にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明を適用して作製した供試体の応力振幅一定方式の液状化試験の結果を未改良のものと比較して示す図である。
【図２】 この発明を適用して作製した供試体のひずみ振幅漸増方式の液状化試験の結果を未改良のものと比較して示す図である。
【図３】 この発明を適用して作製した供試体の、漸増するせん断ひずみの繰返しによる剛性低下率Ｇ／Ｇ１とせん断ひずみγとの関係を示す図である。
【図４】 この発明を適用して作製した供試体の、正規化累積損失エネルギーΣΔＷ／σ′ｍｃとせん断ひずみγとの関係を示す図である。
【図５】 この発明を適用して作製した供試体の、漸増するせん断ひずみの繰返しによる剛性低下率Ｇ／Ｇ１と正規化累積損失エネルギーΣΔＷ／σ′ｍｃとの関係を示す図である。
【図６】 主剤中のシリカ粒子濃度ｗと作製した供試体の一軸圧縮強さｑｕとの対応を示す図である。
【符号の説明】
Ａ 液状化を示す部分
Claims (3)
- シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、
上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、
上記薬液中の硬化剤として中性塩を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.０１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする液状化対策工法。 - シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、
上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、
上記薬液中の硬化剤として酸性塩を用いるとともに、上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０．１重量パーセント乃至１．０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする液状化対策工法。 - シリカ粒子を水に分散してなるコロイド溶液を主剤とし、この主剤に硬化剤を添加して調製された薬液を、砂質土地盤に対して注入する液状化対策工法において、
上記主剤中のシリカ粒子の平均粒径を３ナノメートル乃至６ナノメートルの範囲内に設定するとともに、上記主剤中の上記シリカ粒子の濃度を０．２８重量パーセント乃至０．５６重量パーセントの範囲内に設定し、
上記薬液中の硬化剤として中性塩と酸性塩との混合物を用いるとともに、上記薬液中の上記中性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至１０.０重量パーセントの範囲内に設定し、かつ上記薬液中の上記酸性塩の濃度を０.１重量パーセント乃至５.０重量パーセントの範囲内に設定することを特徴とする液状化対策工法。
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