(57)【要約】【課題】複雑な工程を招くことなく、安価で環境への負荷が小さく、液状化を軽減する能力の高い地盤改質方法を提供する。【解決手段】本実施形態の地盤の液状化を軽減する地盤改質方法は、改質剤生成工程と、埋設工程とを含む。改質剤生成工程は、古紙繊維を主成分とする改質剤２２を柱状に圧縮することにより、改質剤パイル１２を生成する。埋設工程は、改質剤準備工程で生成した改質剤パイル１２を、改質の対象となる対象土壌１１に埋設する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤の液状化を軽減する地盤改質方法であって、
古紙繊維を主成分とする改質剤を柱状に圧縮することにより、改質剤パイルを生成する改質剤生成工程と、
改質剤準備工程で生成した前記改質剤パイルを、改質の対象となる対象土壌に、埋設する埋設工程と、
を含む地盤改質方法。
【請求項２】
請求項１記載の地盤改質方法に用いる改質剤パイルであって、
線状の繊維および線状の繊維が凝集した塊状の繊維を含む古紙繊維を主成分とする改質剤から形成され、前記改質剤が柱状に圧縮されている改質剤パイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の液状化を軽減する地盤改質方法およびこれに用いる改質剤パイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
全国各地における地震の頻発にともない、地盤の液状化が大きな問題となっている。特に東北地方太平洋沖地震では、震源に近い東北地方だけでなく、千葉県などの関東地方の沿岸部でも液状化が多発した。このことから、地盤の液状化は、地震が引き起こす災害として大きな社会問題となっている。液状化が発生しやすい地盤は、主に、土砂を構成する粒子間の間隙が地下水によって飽和に近い状態にあり、粒径の揃った土砂の粒子が緩く詰まって形成された層といわれている。このような地盤において地震などの強い振動が加わると、土砂の粒子間における間隙水圧が上昇する。そして、この水圧が砂粒子間の摩擦力による噛み合い力を超えると、砂粒子が地下水に浮いたような状態となり、固体状の地盤は液状化する。
【０００３】
そこで、地盤の改質による液状化対策として、例えばＳＣＰ（Sand Compaction Pile）工法が知られている（特許文献１参照）。このＳＣＰ工法は、地盤内にケーシングを打ち込み、このケーシング内に砂を補給しながら砂杭を圧入打設するものである。これにより、地盤の密度が増大し、剪断強度を高めることができる。
【０００４】
しかしながら、ＳＣＰ工法をはじめとする従来の工法は、複雑な工程を必要とし、施工工期の短縮が困難であるという問題がある。また、ＳＣＰ工法以外の工法でも、例えば薬剤や生分解性の乏しい材料を用いるため、環境への負荷が大きいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１０９１７９号公報
【特許文献２】特許第６２１６０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は、複雑な工程を招くことなく、安価で環境への負荷が小さく、液状化、およびそれにともなう地盤沈下を抑制する能力の高い地盤改質方法およびこれに用いる改質剤パイルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の地盤改質方法では、古紙繊維を主成分とする改質剤を柱状に圧縮することにより、改質剤パイルを生成している。この柱状に圧縮された改質剤パイルは、改質の対象となる対象土壌に埋設される。改質剤パイルを対象土壌に埋設することによって、古紙繊維を主成分とする改質剤パイルは対象土壌に含まれる地下水を吸収する。これにより、対象土壌は、地下水を由来とする含水率が低下し、不飽和の状態となる。また、改質剤パイルは、柱状であることから、対象土壌に加わる剪断力に対して抵抗力が生じる。これにより、改質剤パイルを埋設した対象土壌は、地震の震動にともなう剪断力に対して抵抗する力を発現する。その結果、対象土壌は、改質剤パイルによって支持され、地盤沈下が低減される。したがって、改質剤パイルの生成および埋設という、簡単な工程で地盤の改質が図られ、液状化、およびそれにともなう地盤沈下を抑制する能力を高めることができる。
【０００８】
ここで、改質剤パイルは、改質剤の主成分として古紙繊維を含んでいる。この改質剤を構成する古紙繊維は、微細な繊維状であり、繊維の一つ一つが非常に細かい。この古紙繊維を主成分とする改質剤を改質剤パイルとして対象土壌に埋設することにより、改質剤パイルは、対象土壌に含まれる地下水を吸収するとともに、対象土壌の剪断力に対する抵抗力を発揮する。
【０００９】
そして、改質剤パイルに含まれる改質剤の主成分を構成する古紙繊維は、その名の通り古紙を由来とすることから極めて安価である。これとともに、古紙繊維は、例えばパルプなどの天然の材料から形成されていることから生分解性が高い。そのため、環境への負荷は低減される。したがって、安価で環境への負荷を小さくしつつ、液状化にともなう地盤沈下を抑制する能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態による地盤改質方法を対象土壌に適用する例を示す模式図
【図２】一実施形態による地盤改質方法に適用する改質剤の外観の写真を示す図
【図３】一実施形態による地盤改質方法に適用する改質剤パイルの形成を示す模式図
【図４】一実施形態による地盤改質方法の効果を検証するための実験装置における実験準備工程を示す模式図
【図５】一実施形態による地盤改質方法の効果を検証するための実験装置を示す模式図
【図６】実験装置による振動加速度の経時的な変化を示す概略図
【図７】一実施形態による地盤改質方法の実施例および比較例について、時間の経過と過剰間隙水圧との関係を示す概略図
【図８】一実施形態による地盤改質方法の実施例および比較例について、時間の経過と振動加速度および過剰間隙水圧との関係を示す概略図
【図９】一実施形態による地盤改質方法の実施例および比較例について、地盤の沈下量を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、一実施形態による地盤改質方法を適用した改質地盤１０は、対象土壌１１と、改質剤パイル１２とを含んでいる。対象土壌１１は、改質の対象となる土砂の粒子を主成分とする一般的な土壌である。この対象土壌１１は、主成分とする土砂の粒子に加え、礫、石、岩、粘土など様々な粒径の粒子を含んでいてもよい。対象土壌１１は、地震などによって液状化を招くおそれのある土壌であれば任意に用いることができる。
【００１２】
改質剤パイル１２は、古紙繊維を主成分とし、改質の対象となる対象土壌１１に埋設される。改質剤パイル１２は、図２に示すような古紙繊維で構成されている。改質剤パイル１２は、対象土壌１１の性質を勘案して任意の割合で対象土壌１１に埋設される。古紙繊維の原料となる古紙は、例えば家庭や事業体から、それらで消費された紙をリサイクルなどの目的で回収することによって得られる。回収された古紙は、紙成分以外の不純物を除去した後、破砕される。改質剤パイル１２に用いる古紙繊維は、古紙を破砕した際に破砕機などに残留する細かな繊維状のものであり、図２に示すように埃に近似した外観を示す。
【００１３】
改質剤パイル１２に含まれる古紙繊維は、大部分がアスペクト比の大きな線状の繊維であり、一部に線状の繊維が凝集して形成された塊状の繊維を含んでいる。すなわち、古紙繊維は、線状または糸状の繊維と、この線状または糸状の繊維が凝集して形成された塊状の繊維とを含んでいる。なお、改質剤パイル１２は、主成分として古紙繊維を含んでいればよく、古紙繊維に限らず例えば新紙などを由来とする他の繊維を含んでいてもよい。
【００１４】
次に、上記の構成による改質地盤１０の液状化軽減の作用について説明する。
改質剤パイル１２を構成する古紙繊維は、微細な繊維状であり、繊維の一つ一つが非常に細かく、水を吸収する性質を有している。この古紙繊維を主成分とする改質剤パイル１２を対象土壌１１に埋設することにより、改質剤パイル１２は対象土壌１１に含まれる地下水を吸収する。改質剤パイル１２が地下水を吸収することにより、地下水で飽和された状態にあった対象土壌１１は、地下水が改質剤パイル１２に吸収され、飽和状態から不飽和状態へ移行する。また、改質剤パイル１２は、柱状に形成されて対象土壌１１に埋設される。そのため、改質剤パイル１２は、対象土壌１１を支持する支柱として機能する。その結果、対象土壌１１は、地震の振動による剪断力に対して抵抗する力が増大する。
【００１５】
一般に、地震などにより土壌に振動が加わると、土壌は非排水的な剪断を繰り返し受ける。このような非排水的な剪断が繰り返されることにより、土壌は負のダイレイタンシーによって体積の収縮を生じる。このとき、土壌を構成する土砂の粒子間に存在する間隙水は、体積の収縮にともなって圧力が上昇する。この間隙水の圧力の上昇によって、過剰な間隙水圧、いわゆる過剰間隙水圧が発生する。そして、振動にともなう体積の収縮が継続することにより、過剰間隙水圧は土壌を構成する粒子の間に徐々に蓄積する。このように過剰間隙水圧が上昇すると、土壌は剪断強度を喪失し、土壌は過剰間隙水圧を原因として液状化を生じる。
【００１６】
これに対し、本実施形態の場合、対象土壌１１に改質剤パイル１２を埋設することにより、対象土壌１１に含まれる地下水は改質剤パイル１２によって吸収される。これにより、対象土壌１１は、地下水で飽和された状態から不飽和の状態へ移行する。また、本実施形態の場合、対象土壌１１における間隙水は、改質剤パイル１２に含まれる古紙繊維に吸収される。そのため、対象土壌１１を構成する粒子間に蓄積した過剰間隙水圧は、改質剤パイル１２を構成する古紙繊維を通して解放される。その結果、改質された改質地盤１０は、対象土壌１１を構成する粒子間における間隙水圧のピーク値が大きく低下する。このように改質剤パイル１２に含まれる古紙繊維が土壌の粒子の間における間隙水圧の上昇を抑えることにより、液状化が効果的に軽減される。
【００１７】
改質剤パイル１２の主成分を構成する古紙繊維は、その名の通り古紙を由来とすることから安価である。特に、本実施形態の古紙繊維は、上述のように古紙を破砕した際に破砕機に残留するものであることから、他の用途がほとんど存在せず、極めて安価である。これとともに、古紙繊維は、例えばパルプなどの天然の材料から形成されていることから生分解性が高い。その結果、改質剤パイル１２は、環境へ与える負荷が非常に小さい。
【００１８】
次に、上記の改質剤パイル１２を用いて対象土壌１１を改質する地盤改質方法について説明する。
図１に示すように改質剤パイル１２は、古紙繊維を含む改質剤によって円柱や角柱などの任意の形状の柱状に形成される。改質剤パイル１２は、例えば図３に示すように任意の形状の筒部材２１の内側に古紙繊維からなる改質剤２２を充填し、錘２３などを用いて充填した改質剤２２を圧縮することにより柱状に生成される。
【００１９】
柱状に形成された改質剤パイル１２は、図１に示すように所望の間隔で対象土壌１１に埋設される。この場合、改質剤パイル１２は、例えば予め対象土壌１１に設けた穴部や空間に打ち込んだり、対象土壌１１に充填したりなどのように、任意の方法で対象土壌１１に埋設される。改質剤パイル１２に含まれる改質剤２２は、対象土壌１１に埋設された後、対象土壌１１に含まれる地下水を吸収する。これにより、対象土壌１１は、地下水で飽和された状態から不飽和の状態へ移行する。また、改質剤パイル１２を埋設することにより、対象土壌１１は改質剤パイル１２によって支持される。これにより、地震などによる震動が生じても、対象土壌１１は改質剤パイル１２によって剪断力に抵抗する力が増大する。対象土壌１１に埋設される改質剤パイル１２の間隔や本数は、対象土壌１１の性質、対象土壌１１に含まれる水分や地下水圧などを考慮して任意に設定することができる。また、改質剤パイル１２は、図３に示すように天地方向に沿って埋設するだけでなく、水平または任意の角度で傾けた状態で対象土壌１１に埋設してもよい。
【００２０】
以下、地盤改質方法の実施例および実験結果について詳細に説明する。
（実験条件）
上述の地盤改質方法の効果を検証するために以下のような条件で実験を行なった。実験条件について詳細に説明する。実施例では、試料として対象土壌１１を模擬する豊浦砂に改質剤パイル１２を埋設し、振動実験を行なった。豊浦砂は、有機物を含まない天然のシリカサンドであり、日本標準規格（ＪＩＳ）に規定された砂として、砂に関する種々の実験および検査に用いられる。豊浦砂を構成する粒子は、人工的な破砕が行なわれないため、自然界に存在する形状と近似する。この豊浦砂の粒度分布は、地盤工学会による規格ＪＧＳ００５１に規定されている「地盤材料の工学的分類法」において砂（Ｓ）に分類される。この豊浦砂の粒度分布は、液状化の発生の可能性が非常に高い。
【００２１】
改質剤パイル１２に用いる古紙繊維は、その性状が上述の通りであり、説明を省略する。改質剤パイル１２は、筒状の筒部材２１の内部に充填した改質剤２２を、錘２３で加圧する。これにより、改質剤２２は、柱状に圧縮された改質剤パイル１２となる。本実施形態では、改質剤パイル１２は、比較のため、その直径をφ５．６ｃｍ、φ７．１ｃｍ、φ８．４ｃｍとした３種類を用意した。
【００２２】
図４および図５に示すように振動実験を行なうための実験装置３０は、図４および図５に示すように振動台３１を用いて容器３２に収容された試料に繰り返し振動を加える。振動台３１に固定された容器３２は、底面の中央部に間隙水圧を検出するための水圧センサ３３が設置されている。本実施形態では、振動台３１に固定された容器３２には、地下水を模擬した水３４を投入する。その後、改質剤パイル１２は、筒部材２１とともに水３４が投入された容器３２に設置される。そして、対象土壌１１を模擬した豊浦砂３５の大部分が容器３２に投入される。このとき、改質剤パイル１２は、すでに投入された水３４との接触をできる限り避けるために、圧縮に用いる筒部材２１を装着したままとする。大部分の豊浦砂３５が投入されると、筒部材２１を抜き、残りの豊浦砂３５を容器３２に投入する。これにより、改質剤パイル１２は、図５に示すように対象土壌１１に模擬した豊浦砂３５に埋設される。ここで、改質剤パイル１２に含まれる改質剤２２は、改質剤パイル１２の直径によって異なるものの、容器３２に投入された豊浦砂３５の総質量に対して、概ね０．９％〜２．０％の割合で加えられる。具体的には、改質剤パイル１２の直径がφ５．６ｃｍのとき改質剤の添加割合は０．９％、φ７．１ｃｍのとき１．２％、φ８．４ｃｍのとき１．８％程度となる。
【００２３】
所定量の豊浦砂３５を投入した後、筒部材２１を抜くとともに、図５に示すように容器３２に投入された豊浦砂３５の上端に地盤の表層を覆う不透水層３６および錘３７を設置する。この不透水層３６は、例えば発泡スチロール板によって模擬される。また、錘３７は、不透水層３６に設けられている建物などの構造物を模擬している。これら不透水層３６および錘３７が設けられているとき、容器３２に投入された水３４は豊浦砂３５にほぼ均一に浸透している。すなわち、対象土壌１１を模擬する豊浦砂は、地下水を模擬する水３４によって飽和された状態となっている。
【００２４】
以上の手順で準備した試料を含む容器３２は、実験装置３０によって繰り返し振動が加えられる。本実験では、実験装置３０は、図６に示すように試料を含む容器３２に対して、振動開始から４０秒間で振動加速度を３００ｇａｌまで徐々に増加させるとともに、その後の９０秒間、振動加速度を３００ｇａｌで維持する振動を加える。
【００２５】
（実験結果）
以下、本実施形態の実験結果について説明する。
「実施例１」は、改質剤パイル１２の直径がφ５．６ｃｍである。同様に、「実施例２」は改質剤パイル１２の直径がφ７．１ｃｍであり、「実施例３」は改質剤パイル１２の直径がφ８．４ｃｍである。また、比較のために、改質剤パイル１２を埋設することなく実験した例は「比較例」としている。
【００２６】
（液状化現象について）
実施例１〜実施例３および比較例について液状化現象を目視したところ、比較例は振動の開始から２５秒を経過した後、不透水層３６の上側に水３４および豊浦砂３５が噴出することが確認された。また、実施例１は、振動の開始から３５秒を経過した後に水３４および豊浦砂３５が噴出することが確認された。この現象は、液状化にともなって発生する噴砂現象および噴水現象に相当するものと思われる。これに対し、実施例２および実施例３は、水３４および豊浦砂３５が噴出する噴砂現象および噴水現象が確認されなかった。すなわち、実施例２および実施例３は、地震を模擬する振動を加えても、噴砂現象および噴水現象を生じなかった。
【００２７】
液状化現象の発生は、過剰間隙水圧の発生に起因している。すなわち、土壌を構成する粒子間に蓄積した過剰間隙水圧が粒子間の摩擦力による噛み合いの力を超越したとき、液状化現象が生じる。図７に示す実験結果において比較例に着目すると、振動開始から２５秒を経過した頃に過剰間隙水圧は急激に増加している。これは、上述の目視における液状化にともなう噴砂現象および噴水現象の発生時期にほぼ一致している。そして、比較例の場合、急激に増加した過剰間隙水圧は、すぐに緩やかに減少をし始め、振動開始から８０秒程度で一定値に収束する。このように、液状化現象の発生と同時に過剰間隙水圧は、急激に増加することが確認された。急激に増加した過剰間隙水圧は、不透水層３６に水３４および豊浦砂３５が噴出することにより解放されたと考えられる。また、目視によって噴砂現象および噴水現象が確認された実施例１についても、液状化現象の発生と同時に過剰間隙水圧の上昇が見られた。その一方、実施例１は、過剰間隙水圧の収束値が比較例に対して大きい。これは、改質剤パイル１２によって過剰間隙水圧の解放が緩やかになり、不透水層３６への水３４および豊浦砂３５の噴出、つまり液状化にともなう噴砂現象および噴水現象が軽減されることを示している。これに対し、実施例２および実施例３は、過剰間隙水圧の最大値が比較例および実施例１に比較して大きく抑えられている。また、実施例２および実施例３は、いずれも過剰間隙水圧の急激な変化が抑えられている。これらのことから、改質剤パイル１２は、地下水を吸収することにより過剰間隙水圧を減少させる効果を有するとともに、直径が大きくなるほどその効果が大きくなることがわかる。
【００２８】
また、図８によると、改質剤パイル１２を埋設した改質地盤１０は液状化現象が軽減されていることがわかる。すなわち、改質剤パイル１２が埋設されていない比較例は、振動の開始から２５秒後、振動加速度が約１５０ｇａｌで過剰間隙水圧が大きく変化している。これに対し、実施例１は、振動の開始から３５秒後、振動加速度が約２５０ｇａｌで過剰間隙水圧が大きく変化している。このことから、改質剤パイル１２は、より大きな振動が加わるまで液状化現象の発生を抑制することができることがわかる。
【００２９】
（沈下量について）
容器３２の正面および側面から沈下量を計測した結果を図９に示している。沈下量は、容器３２における不透水層３６の位置の変化量である。図９によると、実施例１は比較例に対して沈下量が約１／２に低減されている。また、実施例２および実施例３は、いずれもほとんど沈下が生じていない。これは、改質剤パイル１２の埋設によって、液状化現象にともなう不透水層３６への噴砂現象および噴水現象が軽減されたことによると考えられる。また、改質剤パイル１２を埋設することにより、改質剤パイル１２は不透水層３６を支持する支柱としての役割を果たすことも沈下量が減少した理由と考えられる。これに加え、改質剤パイル１２が埋設されることにより、改質地盤１０の剪断強度が増加し、繰り返される剪断による改質地盤１０の変形が抑えられたことも理由と考えられる。
【００３０】
以上の実験結果から、実施例１および比較例は、目視による液状化現象が確認され、不透水層３６への噴砂現象および噴水現象が生じた。これに対し、実施例２および実施例３は、目視による液状化現象が確認されなかった。これにより、改質剤パイル１２の直径が大きくなるほど、液状化現象は抑制効果が高められることがわかる。
比較例では振動加速度が約１５０ｇａｌで過剰間隙水圧の急激な上昇が見られたものの、実施例１は振動加速度が約２５０ｇａｌで過剰間隙水圧の上昇が見られた。このことから、改質剤パイル１２は、液状化現象の抑制に寄与することがわかる。
【００３１】
実施例２および実施例３の場合、比較例と比較して、過剰間隙水圧の上昇は緩やかであるとともに、最大過剰間隙水圧も大きく低下する。このことから、改質剤パイル１２は、過剰間隙水圧の抑制に寄与することがわかる。
実施例３の過剰間隙水圧は、実施例２に比較して小さい。このことから、改質剤パイル１２は、直径が大きくなるほど、液状化現象の抑制効果が高められることがわかる。
実施例１における改質地盤１０の沈下量は、比較例に比較して、約１／２に抑制される。また、実施例２および実施例３は、液状化現象にともなう改質地盤１０の沈下が確認されなかった。これらのことから、改質剤パイル１２は、液状化現象にともなう改質地盤１０の沈下の抑制に寄与することがわかる。
目視による観察、過剰間隙水圧の推移の挙動、および改質地盤１０の沈下の抑制から、改質剤パイル１２は、その直径にかかわらず、液状化現象の軽減に寄与することがわかる。
【００３２】
以上説明した本実施形態の地盤改質方法では、古紙繊維を主成分とする改質剤２２を柱状に圧縮することにより、改質剤パイル１２を生成している。この柱状に圧縮された改質剤パイル１２は、改質の対象となる対象土壌１１に埋設される。改質剤パイル１２を対象土壌１１に埋設することによって、古紙繊維を主成分とする改質剤パイル１２は対象土壌１１に含まれる地下水を吸収する。これにより、対象土壌１１は、地下水を由来とする含水率が低下し、不飽和の状態となる。また、改質剤パイル１２は、柱状であることから、対象土壌１１に加わる剪断力に対して支持力を生じる。これにより、改質剤パイル１２を埋設した対象土壌１１は、地震の震動にともなう剪断力に対して抵抗力が増大する。そのため、改質剤パイル１２の生成および埋設という、簡単な工程で対象土壌１１の改質が図られ、液状化、および液状化にともなう地盤沈下を抑制する能力を高めることができる。
【００３３】
そして、改質剤パイル１２に含まれる改質剤２２の主成分を構成する古紙繊維は、その名の通り古紙を由来とすることから極めて安価である。これとともに、古紙繊維は、例えばパルプなどの天然の材料から形成されていることから生分解性が高い。したがって、安価で環境への負荷を小さくしつつ、液状化にともなう地盤沈下を抑制する能力を高めることができる。
【００３４】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
図面中、１０は改質地盤、１１は対象土壌、１２は改質剤パイル、２２は改質剤を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020002689.tif 000009
【図８】
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【図９】
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