JPS5993787A - 地盤固結法 - 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、地盤注入のた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
よつ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
そのゲル化もアリカリ領域で行なわれるため地下水が長
期にわたつてアルカリ性を呈するという問題があつた。

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、地下水のＰＨ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、
強度が弱い事、ゲル化が非常に短いという欠点があつた
。

即ち、通常水ガラスグラウトにおける注入液中にＳｉＯ
２の濃度は１０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１ｋｇ／ｃｍ２以上）必要である
が、ＳｉＯ２の濃度が１０重量％以上ではゲル化時間が
中性領域付近（ＰＨが４〜８）で１分以内、通常数秒は
なつてしまう。浸透性がよく、かつ地盤中で分散せずに
固結するのに適したゲル化時間は３０〜１２０分である
事が経験的に判つているが、もしゲル化時間を中性領域
付近で３０〜１２０分程度を得ようとしたならＳｉＯ２
の濃度は５重量％以下にしなくてはならずこの濃度では
固結砂強度は０．５ｋｇ／ｃｍ２にも達せず、注入工法
には実用上利用出来ない。また、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つて生成した中和生成
物、即ち、Ｎａイオンや酸根等が多く残留するが水質保
全の点からこれらのＮａイオンや酸根も残存しない注入
工法が確立出来れば これにすぐれるものはない。

又、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単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到る現象を利用したものであ
り、ＳｉＯ２を１０ｗｔ％以上にしてかつゲル化時間を
３０分以上の長いゲル化時間の配合をうるにはＰＨが３
付近の酸性領域に調整して注入する必要がある。

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。

即ち、本発明は珪酸のコロイド溶液と、アルカリ金属塩
、アルカリ金属塩およびアルミニウム塩から選定した塩
とを混合してゲル化時間を２０時間以内に調整した注入
液を地盤に注入する事によつて前記問題を解決したもの
である。

本発明における珪酸のコロイド溶液（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つて、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つて得られる
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のが用いられる。

本発明における珪酸コロイド溶液はＮａイオンが殆んど
分離除去して通常ＰＨが８〜１０以下の弱アルカリ性に
調達し、ＳｉＯ２は１０〜６０ｗｔ％、Ｎａ２Ｏは４ｗ
ｔ％〜０．０１ｗｔ％の範囲に調整したものを用いる。

Ｎａ２Ｏが４％以上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なつてしまう。一方Ｎａ２Ｏが０．
０１％以下になると珪酸コロイドは安定して存在しえず
凝集してしまう。即ちＮａ２Ｏが４ｗｔ％〜０．０１ｗ
ｔ％の範囲でＮａイオンが珪酸コロイドの表面に分布し
て安定したコロイド状に保ちうる。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以上になると沈殿してしまう。又、以
上の珪酸コロイドはモル比（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ）でほ
ぼ１０００〜１０とし、ＰＨは８〜１０がコロイドの安
定上望ましい。

又、ＳｉＯ２の濃度は６０〜１０重量％である事が注入
液として固結強度の点から望ましい。

このようにして調整された珪酸コロイドは半永久的に安
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まま地盤中に
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。

第１図は本発明者の実験によるＰＨとゲル化時間の関係
を示したものである。

曲線１は表−２に示す３０ｗｔ％を含有する珪酸コロイ
ドの場合を示し、曲線２はモル比が３．４の水ガラスを
硫酸水溶液に添加混合してＳｉＯ２濃度を３０ｗｔ％に
なるようにして得たものである。

これから判るように、通常の液状水ガラスのＰＨ値を調
整する場合、ＰＨとゲル化時間の関係はＰＨが８付近で
最も短いため中性付近では固結強度をうるに充分なＳｉ
Ｏ２濃度を保持したまゝ土粒子への浸透に充分な長いゲ
ル化時間を得る事が出来ないのに対し、珪酸コロイドの
ＰＨ値を調整する場合はＰＨが５〜６付近でゲル化時間
が最も短かくなり、しかも中性領域でＳｉＯ２濃度を充
分に保持しながら、長いゲル化時間を得る事が判る。

しかるに、前記珪酸のコロイド液と前記塩を加えて、ゲ
ル化時間を２０時間 以内に調整したものを地盤中に注入すると珪酸コロイド
は地盤中に浸透している過程において不安定化し、ゲル
化が促進して、分散、散逸する事なく固結する。

しかも、充分な固結強度をうるＳｉＯ２の濃度を保持し
て殆んど中性領域でゲル化時間を数秒〜２０時間迄容易
に調整する事が出来る。

以下、本発明による実験結果を表−１に示す。

なお、使用した珪酸コロイドを表−２に示す。

表−１ 表−２ 実験に用いた珪酸のコロイド液 表−２より珪酸コロイド液とアルカリ金属塩、アルカリ
土金属塩およびアルミニウム塩から選定された塩とを混
合して弱アルカリ性が弱酸性の領域（ＰＨ　４〜８）で
ゲル化せしめる事が出来る事が判る。

これらの塩のうちアルカリ金属塩を用いた場合そのうち
でも特にアルカリ金属中性塩を用いた場合非常にスムー
スにゲル化時間を調整出来かつ、均質なゲル化をうる事
が出来る。

アルカリ土金属の場合は一部沈殿或いは部分ゲルを生じ
やすいが全体的にゲル化する。アルミニウム塩は沈殿し
て均質なゲルをつくる事が困難であるが酸と微量のアル
ミニウム塩を併用すると非常に効果的にゲル化時間の調
整が可能でかつ均質なゲル化をうる事が出来る。

また酸と塩を併用する事によつて弱酸 性〜中性領域（ＰＨが４〜８付近）でゲル化時間を数十
分〜数秒に到る迄自由に調整出来る事が判る。酸だけを
用いてゲル化時間を調整しようとしてもゲル化時間は４
時間以内に短縮する事は困難である。

なお、本発明に用いるグラウトは地盤中において、上述
したようにゲル化が促進され、逸脱しにくい特性を有し
ているが、特に地盤の土層の構成が複雑に変化している
場合はこのグラウトを二次注入材として用いることがで
き、あらかじめ、一次注入材を注入領域に注入した後に
これを注入する。

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。したがつ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セメン
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つて、石灰や炭酸カルシ
ウムや塩化カルシウムにセメントをまぜて注入したり或
はあらかじめセメント注入したあと石灰や炭酸カルシウ
ムや塩化カルシウムを注入したり、或は石灰に石膏やス
ラグやフライアツシ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２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ツドを用いて注入し
た一次注入材が所定外に散逸してしまわないうちに二次
注入材を重ね合せて注入する方法をとる事が出来る。（
第３図）。

第２図を説明するとまず所定地盤に注入孔１を穿孔して
ケーシング２を挿入する。次いで吐出孔３の部分をラバ
ー４で包囲した注入管５を挿入した後、ケーシング２と
注入管５との間をスリープグラウト６でシールし、ケー
シング２を引き抜く。

そしてパツカー７を設けたストレーナーパイプ８を注入
管５内に挿入し、注入ポンプ（図示せず）から一次グラ
ウト注入剤を注入する。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。

第３図を説明すると第３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つて所定深
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３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
送り下部吐出口１２より地盤中に注入しながら注入ステ
ージ下から上に移行する事によつ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。

なお、本発明はＰＨが８〜１０を呈する珪酸コロイドを
用いるのが普通であるがＰＨが４よりも酸性側の珪酸コ
ロイドを用いてそれに上記塩を加えてもよい。

以下の記述において、地盤中に注入した注入液のゲル化
時間が通常２時間以内が望ましいという根拠は以下の通
りである。

注入管先端部から地盤中に注入し、注入孔より直径１ｍ
の範囲を固結すると、固結土量は４／３×π×１≒４ｍ
３である。

１ｍ３の砂の間隙率を０．４とし、経験的に間隙の８０
％が注入液で填充されて砂が固結するとすれば４ｍ３当
りに必要な注入量は ４×０．４×０．８＝１．２８ｍ３＝１２８０ｌとなり
、毎分注入量を１０ｌとすると半径１ｍの球状に注入液
を浸透させるための注入時間は１２８０÷１０＝１２８
分となる。

従つて、最初に注入された注入液がほぼ２時間以内に流
動性を失えば注入液が分散、逸散する事なく直径ほぼ２
ｍの一定範囲を均質に固結する事になる。

以上は、通常の注入対象となる地盤における例であつて
そこで直径２ｍが固結出来れば充分満足しうる効果を上
げる事が出来るから以上の条件は注入工事一般において
注入効果をみたす充分な条件とみてよい。

このような考え方に基づいて以下の実験を行つた。

実験−１ 断面積が１０ｃｍ２のビニール管の最下端を栓でつめ下
部１ｍ長に千葉県内の砂を填充した。砂の間隙率を４０
％注入液の間隙填充率を８０％として３２０ｃｃ （１０×１００×０．４×０．８＝３２０ｃｍ３間隙率
＝０．４、間隙填充率０．８） の配合液を注ぎ込んだ。

配合液は表−１に基づき以下のゲル化時間の配合液を調
整した。

表−３ 上述したビニール管に砂をつめた試料を１０本用意し、
上記配合液を流し込み１２０分後にビニール管最下端の
栓をはずし、注入液が流下するか否かを調べた。

Ｎｏ．３２，５，６，および１０の配合液を用いたもの
は流下せず上部はゲル化していないものの最下部はゲル
化している事が判明した。また、Ｎｏ．１、４、２４、
１８の配合液を用いたものは流下せず又上部もゲル化し
ていた。又Ｎｏ．３０、３１の配合液を用いたものは砂
と共にゲル化しないまま配合液は流下してしまつた。

この結果、ゲル化時間を２０時間以内に調整したものを
地盤中に注入した場合、注入過程中にゲル化が促進し、
ほぼ２０時間以内に流動性が失われる事が判つた。

本発明においてアルカリ土金属塩はセメントは含まない
、なぜならばセメントはＣａイオンを含有するが大きな
粒径を有しており、珪酸コロイドとセメント粒子が混合
と結合してフロツク状になつてしまい浸透しにくい豆腐
をくずしたような状態になつて注入に適さないからであ
る。また石灰のようなアルカリや石膏薬は難溶性ではあ
るが量の調整によつて均質なゲルを形成出来る。そこで
本発明ではアルカリ土金属の水酸化物もアルカリ土金属
に含ますものとする。同様にアルミニウムの水酸化物も
アルミニウム塩に含ますものとする。

又、本発明は珪酸コロイドに対してアルカリ金属塩、ア
ルカリ土金属塩、アルミウム塩のいずれか一種或いは複
数種を有効成分とする反応剤を加える事を必須条件とす
るが、更に任意の塩や酸やその他の化合物を加えてもよ
いのは勿論である。酸としては無機酸、有機酸、或いは
グリオキザールやエステルのように加水分解して酸とし
て作用するものも含むものとする。

前述した固結砂のつまつたビニール管をそのまま１０ｃ
ｍ長に切断して、ビニール袋中に養生し、一週間後にビ
ニール管内から固結体を引き出して水中に養生し、経時
的強度を測定した結果を表−４に示す。

以上よりゲル化時間が２０時間以内のものは殆んど強度
増大し、かつＰＨが７〜４の領域のものは強度の増加が
著しい。又、ゲル化時間が２０時間以上のものは強度に
経日的にやや低下する傾向がある事が判つた。これより
ゲル化時間が２０時間以内のものは恒久性に優れている
事が判つた。

表−４　水中養生後の固結砂の強度 以下、本発明の実施例を示す。

〔実施例〕

東京都内の砂地盤に珪酸コロイドを用いた配合液を１２
００ｌ注入して、透水試験を行なつての方掘削して固結
状況と供試体の一軸圧縮強度を調べた。

その結果を表−５に示す。

表−５ 以上よりゲル化時間が２０時間以内の配合液の場合比較
的球状の固結体が得られかつ強度も高く透水係数も大巾
に改善される事が判る。

それに対しゲル化時間が２０時間よりも長くなると注入
液が分散、散逸して所定の領域に注入液がとどまつてい
なかつたり或いは逸出しながら固結したりして土粒子間
に充分填充しないため強度が低かつたり或いは透水性の
改善が不充分であつたりして充分な注入効果が得られに
くい事が判る。

【図面の簡単な説明】

第１図はＰＨとゲル化時間の関係のグラフを示し第２図
および第３図はいずれも本発明工法を実施するための注
入管の一具体例を示し、第３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　強化土エンジニヤリング株式会社代理人　
弁理士　染谷　仁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 珪酸のコロイド溶液とアルカリ金属塩、アルカリ土金属
   塩およびアルミニウム塩から選ばれた塩とを混合してゲ
   ル化時間を２０時間以内に調整した注入液を地盤に注入
   する事を特徴とする地盤固結方法。