(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細粒子化した注入材を地盤に注入して地盤の細粒分を増加させ、地盤密度を増大させることにより地盤を強化する地盤注入工法において、微細粒子が凝集して細粒子となっている懸濁液を、加圧下で、旋回流噴射ノズル内で旋回流を形成し水中に噴射させて旋回流の渦を崩壊させることにより、細粒子を微細粒子化することを特徴とする地盤注入工法。
【請求項２】
請求項１記載の地盤注入工法において、前記旋回流噴射ノズル内は、懸濁液の送液方向に徐々に小径をなすじょうご状に形成され、当該噴射ノズルの先端より懸濁液を水中に噴射させることを特徴とする地盤注入工法。
【請求項３】
請求項１または２記載の地盤注入工法において、前記旋回流噴射ノズルはオリフィスを有することを特徴とする地盤注入工法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、前記旋回流噴射ノズル内に、ラセン翼が内在することを特徴とする地盤注入工法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、前記旋回流噴射ノズル内に当該噴射ノズルの内周壁面の接線方向に懸濁液を流入することを特徴とする地盤注入工法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、旋回流噴射ノズルは、口径が1.0〜10ｃｍ、長さが2.0〜15ｃｍ、流量が１〜70L/ｍｍ、および加圧が0.1〜５MPaであることを特徴とする地盤注入工法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、前記細粒子の含有率を１〜20wt％とし、かつ粒径を1/2〜1/1000に微細粒子化することを特徴とする地盤注入工法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、分散剤を併用することを特徴とする地盤注入工法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、微細粒子化される懸濁液はホワイトカーボン、炭酸の多価金属塩、シリカフューム、ベントナイト、スラグ、セメント、シリカゾルのいずれかひとつ、または複数の混合液であることを特徴とする地盤注入工法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、シリカ溶液を併用することを特徴とする地盤注入工法。
【請求項１１】
請求項１〜10のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、マイクロバブルを併用することを特徴とする地盤注入工法。
【請求項１２】
請求項１〜11のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、微細粒子化した懸濁液を一次注入した上で溶液型シリカグラウトを二次注入することを特徴とする地盤注入工法
【請求項１３】
請求項１〜12のいずれかひとつに記載の地盤注入工法において、液状化しやすい地盤に微細粒子化した注入材を注入して地盤の細粒分を増加させ、かつ地盤密度を増大させることにより液状化しにくい地盤とすることを特徴する地盤注入工法。
【請求項１４】
地盤に懸濁液を注入して地盤の細粒分を増加させ、地盤密度を増大させて地盤を強化するための地盤注入材を製造するための注入材製造装置において、貯留槽と、当該貯留槽内の懸濁液を微細粒子化するための旋回流噴射ノズルと、前記貯留槽と旋回流噴射ノズルとの間で懸濁液を循環させるための循環ポンプを備えていることを特徴とする注入材製造装置。
【請求項１５】
請求項14記載の注入材製造装置において、前記旋回流噴射ノズルは、懸濁液の送液方向に徐々に小径をなすじょうご状に形成された旋回流形成部と噴射部を有することを特徴とする注入材製造装置。
【請求項１６】
請求項14記載の注入材製造装置において、前記旋回流噴射ノズルはオリフィスを有することを特徴とする注入材製造装置。
【請求項１７】
請求項14記載の注入材製造装置において、前記旋回流噴射ノズル内にラセン翼が内在することを特徴とする注入材製造装置。
【請求項１８】
請求項14記載の注入材製造装置において、前記旋回流噴射ノズルは当該噴射ノズル内の内周面の接線方向に懸濁液を流入するように構成されていることを特徴とする注入材製造装置。  
【請求項１９】
請求項14記載の注入材製造装置において、旋回流噴射ノズルの口径は1.0〜10ｃｍ、長さは2.0〜15ｃｍ、流量は１〜70L/ｍｍおよび加圧は0.1〜５MPaであることを特徴とする注入材製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤に微細粒子化した注入材を注入して地盤の細粒分を増加させ、地盤密度を増大させることにより地盤を強化する地盤注入工法および注入材製造装置に関し、固結強度が大きく、特に浸透性、耐久性および経済性にすぐれ、また地盤強化や止水目的のみならず、液状化対策工にも適用できて、細粒子懸濁グラウトの浸透性を改善し、特に地下水の流動に対する抵抗力が大きく、液状化強度にすぐれ、かつ地盤変位が生じにくく環境保全性にすぐれた注入技術を提供すものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、地盤を懸濁型グラウトで改良することは、当分野の技術者にとって永年の夢であった。しかし、懸濁型グラウトの粒子そのものの単粒子は微細粒子であるにもかかわらず、懸濁液中では単粒子どうしが電気化学的に凝集しており、撹拌混合しても実質的には大きな粒径になっているため、細粒地盤への浸透が困難であった(図4(b))。このため、溶液型薬液を使用せざるを得ず、経済性と環境上の留意が必要となっていた。
【０００３】
ところで、緩く堆積した飽和砂地盤が地震動による繰返しせん断力を受けると、過剰間隙水圧が上昇し、有効応力が減少することにより砂粒子間の構造は乱され、粒子間同士のかみ合わせが次第に外れ、その結果、砂地盤は液体状の性質を示し（液状化現象）、噴砂、構造物の不等沈下、側方流動、地震揺動、斜面の流動的破壊、支持力低下、護岸・擁壁の破壊、埋設管などの浮き上がり等の液状化に伴う被害が発生する。
【０００４】
このような液状化現象に備えて薬液注入による地盤改良工法が広く実施されているが、薬液注入は砂粒子の間隙にゲルを填充することによって間隙水圧の上昇を抑えて液状化を防ごうとするものであり、この場合当然のことながら経済性と耐久性と環境上の課題が生ずる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平3-109483号公報
【特許文献２】特許第5382561号
【特許文献３】特許第4525890号
【特許文献４】特開2010-209633号号公報（マイクロバブル  気泡発生装置）
【特許文献５】特許第4517050号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、薬液注入による地盤改良、特に液状化防止の課題は、液状化しやすい地盤に対する浸透可能性の問題と、今後予測される大規模な地震動に対する液状化強度が必要な一軸圧縮強度を得るにはシリカ溶液のシリカ濃度を十分濃くしなくてはならず、高価になる等の問題点があった。
【０００７】
また、護岸等における地下水が流動する地盤に安定した固結ゾーンを形成するには、地下水圧に抵抗して耐久性が得られなくてはならず、また、内陸部のインフラや住宅地等における液状化対策には、地下埋設物や水質等に対する環境保全性が課題となる。
【０００８】
シリカグラウトにおいては特に、長いゲル化時間で耐久性と高強度を得るにはシリカ濃度を高くした酸性領域のシリカグラウトを用いなくてはならず、そのため多くの酸を必要とするため、環境への影響に配慮が必要とされる。
【０００９】
シリカグラウトのpHとゲル化時間の特性を図１に示す。また、pHと可溶性シリカの関係を図2(a)に、シリカ粒径の比表面積と可溶性シリカの関係を図2(b)にそれぞれ示す。
【００１０】
図１によりシリカ濃度が薄いほど、また、pHが酸性なほど、ゲル化時間が長く、シリカ濃度が濃いほど、さらにpHが中性に近づくほど、ゲル化時間が短くなることがわかる。また、図2(a),(b)よりアルカリ分が少なく、pHが中性〜酸性でかつシリカの比表面積が小さくなると可溶性シリカが少なくなることがわかる。すなわち、モル比が高くてシリカの粒径が大きいと可溶性シリカが少ない。  
【００１１】
また、水ガラスの場合、ゲル化時間を長くする場合は強酸性にしなくてはならず、シリカ濃度を高くして強度を大きくするにはさらに強酸性にしなくてはならない。
【００１２】
しかし、うすいシリカ濃度ですむならば、酸の量を少なくしても長いゲル化時間で耐久性を得ることができ、そのため少ない酸ですみ、地下埋設物等に対する悪影響や水生生物に対する水質の悪影響の問題もなくなる。
【００１３】
一方、注入地盤は表１のような土粒子から形成されている。地盤改良が要求される土の粒径分布の液状化を例として図３に示す。また、注入液の粒径を図4(a)に示す。従来の懸濁液は細粒子が凝集しているため、粒子径が大きくなっており(図4(b))、土粒子間に浸透しにくい。すなわち、粒子が土粒子の間のフィルタレーションで詰まってしまい浸透性が阻害されるという問題がある。  
【００１４】
【表１】
0005598886.tif 000002
【００１５】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、固結強度が大きく、特に浸透性、耐久性および経済性にすぐれ、また地盤強化や止水目的のみならず、液状化対策工にも適し、細粒子懸濁グラウトの浸透性を改善し、特に地下水の流動に対する抵抗力が大きく、かつ液状化強度にすぐれ、地盤変位が生じにくく、環境保全性にすぐれた地盤注入工法および注入材製造装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、微細粒子化した注入材を地盤に注入して地盤の細粒分を増加させ、地盤密度を増大させることにより地盤を強化する地盤注入工法において、前記微細粒子化は、加圧した懸濁液を急激に減圧せしめることにより行うことを特徴とするものである。
【００１７】
懸濁型グラウト等の注入材の粒子そのものは、本来単粒子であるにもかかわらず、懸濁液中では単粒子どうしが電気化学的に凝集して細粒土地盤への注入が困難である。
【００１８】
そこで、本発明は、微細粒子が凝集して細粒子となっている懸濁液を、旋回流噴射ノズル内で、加圧下のもとに旋回流を形成して水中に噴射させることにより、旋回流の渦を崩壊させて細粒子を微細粒子化することで細粒土地盤への注入を可能にしたものである。
【００１９】
旋回流噴射ノズル内を懸濁液の送液方向に徐々に小径をなすじょうご状(ロート状)に形成し、当該噴射ノズルの先端より懸濁液を水中に噴射させることにより、懸濁液中では単粒子どうしが電気化学的に凝集していた細粒子を単粒子に微細粒子化することができる。旋回流噴射ノズルはオリフィスを備えていてもよく、また、送液方向にラセン状をなすラセン翼を内在していることにより旋回流を容易に形成することができる。また、前記旋回流噴射ノズル内に当該噴射ノズルの内周壁面の接線方向に懸濁液を流入する方法でも、噴射ノズル内で旋回流を形成することができる。
【００２０】
この場合の旋回流噴射ノズルの口径は1.0〜10ｃｍ、長さは2.0〜15ｃｍ、流量は１〜70L/ｍｍ、および加圧は0.1〜５MPaの範囲が最も適切である。また、細粒子の含有率は１〜20wt％とし、粒径を1/2〜1/1000に微細粒子化するのが適切である。分散剤を併用することもできる。また、必要とする流量に合わせて前記旋回流噴射ノズルを複数、束ねて用いることもできる。
【００２１】
微細粒子化される懸濁液としては、たとえばホワイトカーボン、炭酸の多価金属塩、シリカフューム、ベントナイト、スラグ、セメント、シリカゾルのいずれかひとつ、または複数の混合液などがある。
【００２２】
また、シリカ溶液やマイクロバブルを併用することもでき、さらに微細粒子化した懸濁液を一次注入した上で溶液型シリカグラウトを二次注入してもよい。
【００２３】
本発明の注入材製造装置は、地盤に懸濁液を注入して地盤の細粒分を増加させ、地盤密度を増大させて地盤を強化するための地盤注入材を製造するための注入材製造装置において、貯留槽と、当該貯留槽内の懸濁液を微細粒子化するための旋回流噴射ノズルと、前記貯留槽と旋回流噴射ノズルとの間で懸濁液を循環させるための循環ポンプを備えていることを特徴とするものである。
【００２４】
特に、前記旋回流噴射ノズルは、懸濁液の送液方向に徐々に小径をなすじょうご状（ロート状）に形成された旋回流形成部と噴射部を備えていることで、懸濁液を高圧に送り込むことにより旋回流を形成することができる。
【００２５】
なお、旋回流噴射ノズルはオリフィスを備えていることにより流量を調整することができる。また、旋回流噴射ノズル内に送液方向にラセン状に連続する複数のラセン翼を備えていることにより旋回流を容易に形成することができる。      
【００２６】
また、旋回流噴射ノズル内の内周面の接線方向に懸濁液を流入するように構成することによっても旋回流を形成することができる。
【００２７】
本出願人は、細粒子懸濁液を加圧下でノズル内で旋回流を生じせしめて、ノズル先端から溶液中急速に噴出して、急速に圧力が低下して渦が消滅するときに生ずる大きなせん断力の作用によって凝集した粒子どうしが解き放されて微細粒子化して地盤に注入することにより、微細粒子が図５に図示するように土粒子間に浸透し、図３に図示する地盤の細粒分を増やし、かつ地盤の相対密度を増加せしめて液状化しにくい地盤にしたり、透水性を低下させたり、地盤を強化したり、あるいは地盤を均等化することによりそれ自体で地盤改良が可能になることを見出した。
【００２８】
本発明に用いる細粒子としては、例えば、表２に示す粘土、ベントナイト、シリカフューム、炭酸カルシウム、ホワイトカーボン、超微粒子セメント、超微粒子スラグ、あるいはその製造時の残渣などがあげられる。また、これらの２または２以上の複数からなる混合液も用いられる。さらに、放置すればゲル化するシリカゾルも細粒子として用いることができる。
【００２９】
表２は、ホワイトカーボンやベントナイト、シリカフューム、炭酸カルシウム、微粒子スラグ、セメント等のシリカ細粒子の粒径を示したものである。
【００３０】
【表２】
0005598886.tif 000003
【００３１】
なお、粘土としてベントナイトは、地盤改良分野において一般的に使用されており、粒径が5μｍ以下である。また、シリカヒュームは主成分が非晶質のシリカであり、平均粒径は1μｍ以下である。そして、炭酸カルシウムは平均粒径30nm〜１μｍのものを挙げることができる。
【００３２】
ホワイトカーボンは、合成された微粉の無水ケイ酸、含水ケイ酸塩、含水ケイ酸カルシウム、含水ケイ酸アルミニウムなどの総称で、ゴムに配合すると、カーボンブラックに次ぐ優れた補強効果を示すことから、ホワイトカーボンとよばれる。また、製品中のシリカ（二酸化ケイ素）SiO2含有量も98％以上のものから50〜70％のものまで各種ある。製法により粒子径が異なるが、一般に5nm〜５μｍである。
【００３３】
図４(b)は、表２の細粒子の懸濁液中における凝集のイメージを示す。細粒子自体は、図4(b-1)並びに表２に示すように数ｎｍ〜数十μｍと微粒子であるが、その懸濁液は高速撹拌機により混合しても、図4(b-2),(b-3)のように細粒子が電気化学的に凝集してなり、実質的には粒径が大きくて細粒土の土粒子間に浸透しにくい。
【００３４】
ホワイトカーボンを含む水ガラスグラウトに関する発明は、本出願人によって既に出願されているが(特開平3-109483号公報)、ホワイトカーボンは図４(b)に図示するように、実質的には懸濁液中でいくつかの単粒子が電気的に凝集して大きな凝集体を形成しているため細粒土に浸透しにくい。
【００３５】
例えば、図９に図示するようなモールドに填充した豊浦砂にホワイトカーボン溶液(WC水)を注入しても、粒子が分離して最下面に詰ってしまい、ルーズな砂や大きな粒径の砂にしか浸透せず、その浸透長は数ｃｍ程度であった。
【００３６】
また、マイクロバブルを含有する注入液を製造するためのマイクロバブル製造装置は、特許第4525890号公報や特開2010-209633号公報に開示され、また、細粒子やシリカ溶液を含むマイクロバブル溶液の製造装置は特許第5382561号公報に開示されている。
【００３７】
しかし、これらの装置はいずれも、注入液中に気泡を発生させるための装置であって、本発明におけるように凝集した細粒子を微細粒子化するための装置とは異なる。
【００３８】
また、先願発明は、液体を通すじょうご状断面の上部にある円筒壁面の接線方向に空気を噴出し、ノズル部から開放することによりじょうご内に旋回流を生じさせてマイクロバブルを発生せしめる装置であり、その目的は地盤を不飽和化するものである。
【００３９】
それに対して本出願人は、図６に図示するようにじょうご状(ロート状)の断面をもち、じょうご状の先端付近を狭めて末端部が開放した形状のノズルに細粒子懸濁液を加圧下で圧入すると、ノズル内で高速旋回流が生じ、ノズル先端部から噴射し、渦流が断面拡大して崩壊する。その過程で凝集している細粒子に急激なセン断力が作用して粒子間同士の凝集力がときはなたれて、図4(b)の懸濁液の細粒子は、粒径が図4(b-3)から図4(b-2)または、さらに図4(b-1)の方向に移行して微細粒子化されることを見出した。
【００４０】
すなわち、本発明は先願発明と異なり、ノズル中に空気を導入せずに細粒子を微細粒子化することが可能であることと、その目的がマイクロバブルを形成して不飽和地盤を形成することではなく、凝集した細粒子を微細粒子化して細粒土地盤まで浸透可能限界を拡大して地盤の密度と細粒分を増やして、地盤改良を行うことにあり、先願発明とはその構成、効果とも異なるものであり、本出願人が初めて見出した発明である。
【００４１】
本出願人の研究によれば、本発明によれば数μｍ〜数百μｍ大に凝集した細粒子をその1/2〜1/1000に微細粒子化が可能であることがわかった。これにより地盤の懸濁液の注入可能限界を大幅に改善することができる。
【００４２】
凝集した細粒子を分散させる方法としては、前述した高速撹拌機を用いる方法の他、珪酸ナトリウムや苛性ソーダ等のアルカリや界面活性剤を加えて細粒子界面の電荷を増し、反発力を大きくする方法などがあるが、化学的方法は細粒子の種類や濃度などにより確実性が異なり、また時間と共に再凝集しやすい。
【００４３】
それに対して、本発明は物理的で確実に微細粒子化することがわかった。懸濁している粒子の最大径はストークスの法則によって下式から
求めることができる。
【００４４】
また、微細粒子化された粒子の注入可能限界は、種々の粒径の土を充填したモールド中に注入して確認することができる。そして、後述のモールド中の土に注入可能であった土の粒径から土の間隙径を出して、微細粒子化した粒子の粒径を推定することができる。また、実施例２に記載するようにデジタルマイクロスコープを用いることもできる。
【００４５】
【数１】
0005598886.tif 000004
【００４６】
また、注入された地盤の粒径分布は細粒子分が増大するため、図３に図示するような液状化しやすい地盤を液状化しにくい地盤へと改善することができる。
【００４７】
本発明は、上記微細粒子化細粒子の注入とシリカ溶液或はマイクロバブル液を併用することができる。
【００４８】
併用とは、微細粒子化細粒子の注入とシリカ溶液の注入或はマイクロバブルの注入を併用するか、或は微細粒子化細粒子との混合液がシリカ溶液或はマイクロバブル液、あるいはこれらの混合であってもよい。また、上述した化学的分散材を併用することができる。
【００４９】
図１は、シリカゾル並びにシリカコロイドのシリカ溶液のシリカ濃度とpHとゲル化時間を示すが、表２の細粒子の粒径は水ガラスやシリカコロイドよりもシリカの粒径が大きく、かつほとんど中性であることから薄いシリカ溶液にこれらの細粒子を加えるとシリカ溶液を中性付近にしてシリカ分を少なくしても注入液のシリカ分の濃度が高くなり、かつ酸の量を少なくしても長いゲル化時間を得ることができる。
【００５０】
すなわち、微細粒子化したシリカ分を加えると高モル比に相当するシリカ溶液となり酸性分が少なく、中性付近になり、ゲル化時間が長く、シリカの溶出量が少なくなるため、耐久性と水質保全性に優れ、強度のすぐれたシリカグラウトを得るという利点がある（図２）。
【００５１】
勿論、微細粒子化粒子を一次注入した地盤にシリカグラウトを二次注入する場合、大きな間隙は一次注入によって填充されるため、一次注入が浸透しない細い土粒子内にシリカグラウトが注入されることになる。
【００５２】
この場合も、シリカ濃度を薄くできるから中性に近いpH値で長いゲル化時間で浸透固結することができるという利点がある。
【００５３】
また、上記シリカ溶液の代わりにマイクロバブル液を併用しても良いし、或は両者を併用しても良い。この場合も一次注入で微細化粒子を注入しておけば、地下水流のある地盤でもマイクロバブルは逸出することなく不飽和化を持続させることができる。
【００５４】
また、上記において地盤状況や地下水状況に応じて表２のベントナイト、ホワイトカーボン、シリカフューム、炭酸カルシウム、スラグ、ゲル化しかかったシリカゾルを微細粒子化したシリカ等の非固結性シリカ粒子のいずれかとセメントやスラグ、石灰、石膏等の硬化性粒子と併用することができる。
【発明の効果】
【００５５】
本発明は、液状化の可能性のある粒径分布からなる地盤にベントナイトやホワイトカーボン、炭酸カルシウム、シリカフューム、スラグ、セメント等の細粒子等を旋回流噴射ノズルによって微細粒子化し、或は気体やマイクロバブル或はシリカ溶液を併用して注入しての細粒分を増やし、或いは相対密度を上げることにより、地盤注入の適用範囲を拡大しかつ地盤改良をきわめて経済的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】シリカ溶液におけるシリカ濃度とpHとゲル化時間の関係を示すグラフである。
【図２】図2(a)はpHと可溶性シリカの関係を示すグラフ、図2(b)はシリカ粒径の比表面積と可溶性シリカの関係を示すグラフである。
【図３】図3(a),(b)は、土の粒径分布と液状化との関係を示すグラフである。
【図４】図4(a)は注入材の粒径の説明図、図4(b)は細粒子の単粒子とその凝集体の説明図である。
【図５】図５は、微細粒子の注入による土の改良効果を示す説明図である。
【図６】旋回流噴射ノズルの断面図である。
【図７】細粒子を微細粒子化するための循環式微細化粒子製造装置の概略図である。
【図８】旋回流噴射ノズルの他の例を示し、図8(a)はその全体図、図8(b)は翼付き案内体の端面図である。
【図９】WCの充填量を検討するためのWC水注入実験装置の概要図である。
【図１０】WC水の注入に伴う相対密度の変化を示すグラフである。
【図１１】WCの充填量を検討するためのWC水注入実験装置の概要図である。
【図１２】WC水の注入に伴う相対密度の変化を示すグラフである。
【図１３】細粒子を微細粒子化するための循環式微細化粒子製造装置を示し、図13(a)は全体の概要図、図13(b)は旋回流噴射ノズルの断面図である。
【図１４】WCの充填量を検討するためのWC水注入実験装置の概要図である。
【図１５】微細粒子化粒子の充填量を検討するための微細粒子化粒子水注入実験装置の概要図である。
【図１６】各供試体の材令と一軸圧縮強さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
シリカ溶液を溶媒とする微細化粒子を地盤中に注入すると、シリカ粒子が土粒子間に沈積すれば、図３の土の粒径分布曲線が左側に移行し、土の密度を増大させることができる。
【００５８】
また、表１の粒径分布の地盤の粒子よりも小さな細粒子 (表２参照)を地盤に注入することにより、図３に図示するような液状化の可能性のある粒径分布からなる地盤に対しては、粒径分布曲線の細粒分を増やすことにより液状化の発生しにくい方向に粒径分布を移動させることができ、また高密度化することができて、きわめて経済的に液状化を防止することができる。
【００５９】
ここに云う細粒子は、セメントや超微粒子セメントのように硬化性がなくてもよい。また、地盤の土の粒径分布を細粒土の方向に移行させればよい。勿論、非硬化性微細化粒子に硬化性粒子が混入されても良い。しかし微細化粒子でもその粒径から、細粒土地盤には浸透不可能な場合もある。
【００６０】
このため、微細化粒子の浸透可能性を向上させるために、低濃度シリカ溶液を溶媒とする微細化粒子液を用いれば、微細化粒子が浸透不可能な細粒土地盤でも低濃度シリカ溶液分がろ過されて浸透が可能となる。また、マイクロバブル液の併用注入、マイクロバブルとシリカ溶液の併用注入も行うことができる。
【００６１】
低濃度シリカのゲル化物は、地下水流のある地盤ではゲルが押し出されやすいが、微細化粒子で地盤を密にした上で浸透させた場合は、地下水流の影響を受けにくくなり、シリカ濃度が薄くてもその耐久性が持続する。
【００６２】
マイクロバブル液を微細化粒子と併用した場合
(1) 微細化粒子はマイクロバブルよりも極めて微粒子であって、マイクロバブル液と併在する場合、マイクロバブルよりも浸透性にすぐれ、気泡を閉じ込め或は気泡の流動を妨いで持続性のある不飽和地盤を形成することができる。
【００６３】
特に、微細化ベントナイトの場合は、粘着性と水密性と膨潤性に富むことからこのような特性に優れている。このため気泡の逃げ道をふさいで気泡が浸透しやすい砂層を経済的に液状化防止することができる。
【００６４】
(2) 微細化粒子は、液状化層の土粒子間に全て充填することができなくても、シリカ溶液中に微細化粒子を含ませることにより液状化しやすい地盤の土粒子間同士を鎖状にかつ粘弾性をもって連結するため、マイクロバブル液が逸脱しやすい砂層でも永続的に液状化防止することができる。
【００６５】
(3) シリカ溶液に気泡を混入したシリカバブルでは、シリカ濃度が濃いとシリカのゲル化が優勢なため、ゲル強度が高くバブルが地震動によって収縮しにくいが、微細化粒子に拘束された気泡は地震動によって収縮し間隙水圧の上昇を防ぐ。
【００６６】
また、微細化粒子を含むシリカ溶液は、微細化粒子を含まないシリカ溶液に比べて低いシリカ濃度で安定したゲルを形成するので、微細化粒子からなる充填物は自己修復性があるので地震動による土の完全な破壊を防ぐ。
【００６７】
さらに、懸濁型グラウトの注入可能限界は、土の間隙率と間隙径と土粒子のD10，D15と懸濁液のD85，D95から得られると考えられている（島田俊介他著「最先端技術の薬液注入工法」理工図書1989年  p.157）。
【００６８】
直径Dの球の「間隙の大きさ」、すなわち間隙径αは、間隙率26％（もっとも締まった状態）で球の直径Ｄの15％の大きさであり、間隙率48％（もっとも緩い状態）で球の直径Dの41％の大きさであると考えられている。
【００６９】
砂れきの間隙率ｎは、多くの実験の結果では、実際の河床砂れきの間隙率で35〜38％程度を示すことがもっとも多いと知られている。
【００７０】
また、室内実験では、単粒子骨材の「間隙径」を実測した結果を統計的に調査してみると、α/D≒20％，すなわちα＝D×(1/5)の場合がもっとも「頻度」が大きいと考えられている。ここでα＝間隙径、D＝土粒子径である。
【００７１】
このような考えをもとに懸濁粒子が浸透しうる土粒子の粒径加積曲線の10％、15％径を求めることができると考えられている。懸濁液の粒径加積曲線の10％径、15％径をD10、D15とし、地盤の粒径加積曲線の85％径、95％径をD85、D95とすると、D10、D15とD85、D95の関係の実験的統計結果より多くの実験結果をまとめてみると、
Ｎ1＝D15/D85≧15
Ｎ2＝D10/D95≧8
の関係が満足されないとグラウト（懸濁液）はスムーズに浸透できないことが知られている。
Ｎ（ふつうはＮ1をとる）を「注入比」（Groutability Ratio）とすると、
土の15％粒径或は10％粒径が懸濁液の粒径の15倍以上又は８倍以上大きくなければ土粒子間に浸透しないことになる。
【００７２】
したがって、懸濁液の粒径が凝集していれば粒径分布の粗い地盤にしか浸透せず、懸濁粒子が単粒子に近い状態になっていれば注入可能限界は大幅に改善させることができる。
【００７３】
本出願人の研究によれば、本発明の旋回流噴射ノズル装置(図6,8)を用いて微細粒子化した細粒子の径は、1/2〜1/1000に減少するためその注入可能限界は細粒土迄可能になる。
【００７４】
しかし、地盤の間隙充填が不十分な場合、或いは地震動が大きい場合、地震による繰返しセン断力が加わると、間隙水圧が上昇して液状化を生ずる危険がある。この場合、水ガラスグラウトの併用或はマイクロバブルとの併用が効果的である。一般に、水ガラスグラウトの最適の適用対象は、微細砂あるいは粗砂である。すなわち、比表面積が100〜1000ｃｍ-1の砂に適用される(表１)。
【００７５】
透水係数からいえば、主にk＝10-1〜10-3ｃｍ/secの砂に適用されるが(表１)、  
シリカ濃度の極めて低いシリカ溶液、特に非アルカリ性のpH領域のシリカ濃度はシリカ濃度が1〜3％でも適用可能であり、シルト質砂の10-4オーダーの地盤でも可能である。
【００７６】
しかし、シリカ濃度が２％以下の場合、シリカの固結や、特に地下水面下におけるシリカのゲル化能力は極めて少なく、液状化強度改善度は低い。ところが、微細化粒子が間隙に充分填充されていればシリカ濃度が２％以下、0.5％でも十分な液状化強度が得られる。
【００７７】
また、シリカ濃度の薄いシリカ溶液では、地下水の流れがあると長期的にゲルが細かく砕かれ耐久性が不十分になる。しかし、微細化粒子によって空隙が充分充填され地下水の影響が遮断されていれば、シリカのゲルは安定化し耐久性が得られる。
【００７８】
したがって、このように微細化粒子と希薄シリカを地盤の粒度に対応して用いれば、液状化の可能性のある地盤は大部分が液状化しにくい細粒度地盤へ移向させることができる。
【００７９】
また、微細化粒子又は微細化粒子＋低濃度シリカ溶液は、注入可能限界内の地盤中に注入すれば、注入液の注入量相当の量の粘性土分が増加した地盤になるとみなせるので、液状化の起こらない粘性土地盤に改良可能なことがわかる(図３)。
【００８０】
また、経済性を考慮した場合、マイクロバブル溶液の注入を併用するのが望ましい。マイクロバブルと微細化粒子の注入を併用した場合、マイクロバブルの粒径が大きい(数μｍ〜十数μｍ)ため、地下水流がある場合の前記課題を解決するだけでなく、マイクロバブルによる液状化防止効果が薬液に比べて低くても、微細化粒子注入液による拘束効果で、マイクロバブル浸透領域において、地震時のセン断力が低減されるため、経済的な液状化防止効果が得られると共に不飽和化地盤の持続性が維持できる。
【００８１】
このため、微細化粒子と気泡または気体を共存させることにより、間隙水圧の上昇を気泡または気体の体積変化によって吸収して間隙水圧の上昇を抑えて液状化を防止することができる。
【００８２】
図６と図８は、本発明における旋回流噴射ノズルの具体例であり、また、図７、図13は旋回流噴射ノズルを用いた微細化粒子製造装置の例である。図６において、旋回流噴射ノズル４内は、図示するようにWC水の送液方向に徐々に小径となるじょうご状（ロート状または円錐形状）に形成された旋回流形成部4aと、当該旋回流形成部4aの先端部に旋回流形成部4aと連通して一定長に形成された噴射部4bを備えている。
【００８３】
そして、WC水が旋回流噴射ノズル４内を流れるとき、WC水は旋回流形成部4aで高速の旋回流を形成しながら噴射部4bに流れ込む。
【００８４】
また、噴射部4b内を高速渦流となって流れ、噴射部4bの先端より水槽１のWC水内や地盤の地下水中に噴射して断面拡大することにより渦流が崩壊する。その過程でWC水内のWC細粒子の凝集体に急激なせん断力が作用することにより、WCの細粒子間どうしの凝集力が解放されてWCの細粒子本来の単体粒子に近い粒径に粉砕されて微細粒子化する。
【００８５】
図8(a),(b)は、旋回流形成部4a内またはその入口近くに、動力によって回転するタービン翼を設置して、送液中のWC水に旋回流を強制的に形成するようにした旋回流噴射ノズルの別の例である。なお、この場合、動力によってタービン翼を回転させなくてもタービン翼を設置したままにしていても、加圧下で送液すれば旋回流を生ずる。
【００８６】
ノズル本体６は、円筒部6aと円筒部6aの水槽側の端部に先端方向に徐々に小径をなすじょうご状（ロート状）に形成された旋回流形成部6bと旋回流形成部6bの先端部に一定長小径に形成された噴射部6cとから形成され、これらはWC水を送液可能なように連通して形成されている。
【００８７】
旋回流誘導体７は円筒部6a内に設置され、旋回流形成部6aの軸方向に長い円柱状に形成された柱状部7aと、柱状部7aの外周に形成された複数の羽根部7bとから形成されている。また、柱状部7aの外径は円筒部6aの内径より小径に形成され、その循環ポンプ側の端部は半球状に形成されている。
【００８８】
羽根部7bは、柱状部7aの円周方向に一定間隔おきに形成されている。また、各羽根部7bの循環ポンプ側の端部は、半球状に形成された柱状部7aの先端部で互いに一点で突き合わされている。
【００８９】
さらに、各羽根部7bは柱状部7aの円周方に徐々に捩じれた状態に形成されている。これにより、円筒部6a内は柱状部7aと複数の羽根部7bによって旋回流形成部6aの軸方向に緩い螺旋状に連通する複数の送液路８になっている。
【実施例１】
【００９０】
(1) 以下にホワイトカーボン（以下「WC」）を例とする循環式微細化粒子製造装置を用いた微細化方法を示すが、表２の細粒子懸濁液のように、単粒子が凝集している粒子では、同様に微細化して図4(b-3)から図4(b-2)、または図4(b-1)の方向に移行せしめることができる。
【００９１】
通常状態で凝集したWC塊（一般に凝集粒子径が数μｍ〜数百μm）を分離・粉砕することを目的に、WCを含んだ水(以下「WC水」)を図６に図示する旋回流噴射ノズルと循環ポンプを備えた循環式微細化粒子製造装置によって撹拌・粉砕した（図７参照）。その結果，WCを粒子径数nm〜数μm程度まで微細粒子化できることを確認した。
【００９２】
図７、図13は、WCの細粒子を微細粒子化するための循環式微細化粒子製造装置の一例を示し、WC水を入れた水槽１とWC水を送液管2a,2bを介して循環させる循環ポンプ３とWC水中のWC細粒子を微細粒子化する旋回流噴射ノズル４を備えて構成されている。
【００９３】
水槽１内のWC水は常時所定の高圧下に管理されており、また循環ポンプ３には高揚程ポンプ等が用いられている。さらに、旋回流噴射ノズル４は、循環ポンプ３から水槽１にWC水を送液するための送液管2aの水槽1側の端部に接続され、その先端側はWC水の中に挿入されている。
【００９４】
このような構成において、循環ポンプ３が作動することにより水槽１内のWC水は送液管2a,2bを通って水槽１と循環ポンプ３との間を循環する。
【００９５】
また、水槽１内のWC水が水槽１と循環ポンプ３との間を循環し、その間旋回流噴射ノズル４内を繰返し流れることによりWC細粒子の微細粒子化が進む。
【００９６】
図8(a),(b)のように構成された旋回流噴射ノズル５は、図７、図13における旋回流噴射ノズル４と同様に、循環ポンプ３から水槽１に向かってWC水が送液される送液管2aの先端部に接続され、その先端側は水槽１のWC水の中に挿入されている。
【００９７】
そして、円筒部6a内を流れるWC水は、複数の送液路８において旋回流を形成するように旋回流形成部6bに誘導され、旋回流形成部6b内で旋回流を形成し、噴射部6d内を高速渦流となって流れ、噴射部6dの先端より水槽のWC水内に噴射される。
【００９８】
その際、高速渦流の断面が拡大し、急激に圧力が減少し、渦流が崩壊する過程でWC水内のWC細粒子の凝集体に急激なせん断力が作用して、細粒子間どうしの凝集力が解放されて細粒子本来の単体粒子に近い粒径に粉砕されて微細粒子化される。  
【００９９】
また、水槽内のWC水が水槽と循環ポンプの間を循環し、その間旋回流噴射ノズル５内を繰返し流れることによりWC細粒子の微細粒子化が進む。
【０１００】
なお、実施例１において、循環ポンプ３に高揚程渦流タービンポンプ（流量25L/min，0.5Mpa）が使用されている。そして、旋回流噴射ノズル４内で秒速200~400回転程度の旋回流回転数でWC水に旋回流を形成し、水槽１内に噴射させて旋回流の渦を崩壊させることによりWC細粒子の凝集体を粉砕して微細粒子化することができる。
【０１０１】
循環ポンプ３による加圧は、0.1MPa〜５MPaの範囲が適切であるが、今回は25L/minで0.5MPaとした。
【０１０２】
なお、微細化粒子を効率的に形成するには旋回流噴射ノズル４にもよるが，通常、流量は１〜70L/min、好ましくは、毎分20Ｌ〜50L程度の流量を有することが望ましい。また、旋回流噴射ノズル4,5の大きさは、口径が１〜10ｃｍ、流量によって様々だが、長さ2.0cm〜15cm程度が望ましい。今回は、毎分50L程度で口径が2cm，長さ3.5cmのものを使用した。
【０１０３】
また、WC水の濃度は重量比では１〜20wt％とするが、今回は3%〜11%程度とし、撹拌時間は５〜60分とするが、今回は30分程度とした。以上の範囲が微細粒子化に効果的である。
【０１０４】
以上の構成により、渦崩壊を利用した旋回流噴射ノズルは気体を導入することなく、ノズル内で細粒子液に圧力を加えてじょうご状(ロート状)の断面から細い水みちを通して大きな断面に噴出することにより微細粒子化できることがわかった。
【０１０５】
なお、ノズル内にタービン翼を設けてWC水に旋回流を強制的に発生させるか、あるいは、WC水を円筒部の側面から接線方向に加圧して流入させて旋回流を発生させることによってもWC細粒子の微細粒子化を行うことができる。
【０１０６】
また、上記においてエアを導入すれば、マイクロバブルを含有する微粒子化懸濁液となる。
【０１０７】
(2) 砂供試体へのWC注入実験
飽和した砂供試体に微細化したWC水を注入し、WC微細化粒子の注入の可能性とWC微細化粒子の充填による相対密度の増加を調べた(図９)。
試験の結果、相対密度60%の砂供試体に対し、WC水を70〜50cm程度の水頭差で注入することができ、相対密度を10%程度増加させることを確認した（図10、表３）。
【０１０８】
【表３】
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【０１０９】
砂供試体の大きさは、径と高さをそれぞれ73.5mm、高さ300mmとし、試料には豊浦砂を使用し、相対密度を60%とした。また、WC水には重量比で7.5%と11%の濃度のWC水を30分撹拌したものを使用した。
【０１１０】
(3)連続砂供試体WC混入実験
３つ連結した飽和砂供試体にWC水を注入し、浸透距離に応じた注入性能と微粒子の充填性を調べた(図11、図12)。
【０１１１】
試験の結果、３つ連結した相対密度60%の砂供試体に対し、WC水を70〜50cm程度の水頭差で注入することができ、供試体の注入順に相対密度を10%程度まで増加させることを確認した（図11、図12）。
【０１１２】
なお、砂供試体の大きさは、径と高さをそれぞれ50mm、110mmとし、試料には豊浦砂を使用し、相対密度60%とした。また、WC水には重量比で7.5%濃度のWC水を30分撹拌したものを使用した。
【実施例２】
【０１１３】
(1)以下にWCの微細粒子化およびWC微細化粒子含有薬液（シリカグラウトとWCの混合液「以下「SW」）の充填状況を示す(図16,図17)。
【０１１４】
図13（図７と同様）は、WC細粒子の凝集体を微細粒子化するための循環式微細化粒子製造装置の一例を示し、SWを入れた水槽１と水槽１内のSWを送液管2a,2bを介して循環させる循環ポンプ３とSW中のWC細粒子の凝集体を微細粒子化するための旋回流噴射ノズル４を備えて構成されている。
【０１１５】
水槽１内のSWは所定の高圧下に管理されている。また、循環ポンプ３にはカスケードポンプ（過流ポンプ）が使用され、そして、旋回流形成ノズル４には図７で説明したノズルと同じものが同じ態様で使用されている。
【０１１６】
なお、循環ポンプ３にカスケードポンプ(吐出流量:25L/min)が使用されている。また、充填状況の観察に用いる供試体は、空中落下法にて相対密度Drが60%となるように作製した。
【０１１７】
注入材にはすべてのcaseにおいてSWを用い、SWは、WCと濃度3%の溶液型シリカ薬液を混合して作製し、注入前に図13に図示する循環式微細化粒子製造装置によってシリカ溶液中のWC細粒子の凝集体を粉砕して微細粒子化した。また、WC濃度は重量比でcase1においては2%とし、case2においては7.5%とした。
【０１１８】
なお、微細粒子化の確認の際に用いるWCは粉砕直前、直後に採取し、WCの観察にはデジタルマイクロスコープを用いた。また、SW改良体の間隙中のWC充填状況の観察にはデジタルマイクロスコープを用いることとした。
【０１１９】
(2) 試験結果
粉砕前後のWC粒子の様子をデジタル顕微鏡を用いて観察すると、粉砕前ではWC微粒子が粗大な粒子を形成しているのに対し、粉砕後においては、WC微粒子の凝集体が少なく、ほとんどのWC粒子が10μm以下であることが確認できた。
【０１２０】
このことから、図13に図示する循環式微細化粒子製造装置において、WC粒子の凝集体をカスケードポンプおよび旋回流噴射ノズル４によって粉砕して微細粒子化することはきわめて有効であることが確認できる。
【０１２１】
case1(WC濃度：2%)，case2(WC濃度：7.52%)におけるWCの間隙充填の様子をデジタルマイクロスコープによって観察すると、case１の場合WC粒子の表面は滑らかであるが、case2の場合はWC粒子表面に細かい凹凸が視認できた。これは、case2の場合、供試体の試料に多くのWC粒子が付着しているためと考えられる。
【０１２２】
これにより、WCを微細粒子化して供試体に注入することにより供試体の間隙中に確実に充填することが可能であることが分かる。また、その充填量は注入材の濃度に左右されると考えられる。
【０１２３】
(3) WC充填試験
本試験は、WCと水の混合物を供試体に注入した際のWC充填量の変化の検討を目的として行った。試験条件、充填試験装置の概要をそれぞれ表４、図14に示す。供試体の寸法は、高さ29.2cm，直径7.35cmとし，試料には豊浦砂を用いた。供試体は相対密度Drを管理するため，空中落下法にて作製した。この際の供試体の間隙VVの体積は543.32cm3である。
【０１２４】
【表４】
0005598886.tif 000006
【０１２５】
供試体は作製後、CO2を透気させた後、脱気水を通水することによって完全に飽和させた。注入する注入材は、WC濃度が重量比で7.0%であるWCと水の混合物である。また、水に混合するWCは、循環式微細化粒子製造装置において、カスケードポンプおよび旋回流噴射ノズルにて微細粒子化したものを用いた。さらに、注入材の注入による充填量の変化は、注入時に供試体の重量の増加量mwcを経時的に測定することによって求めた。充填量を表す指標には相対密度Drを用いた。WCの注入による相対密度Drの変化を求めるための算定式を式２に示す。
【０１２６】
【数２】
0005598886.tif 000007
【０１２７】
(4) 試験結果
図10に注入量と相対密度Drの関係を示す。図10から注入量が増加するごとに相対密度Drが増加していることを確認できる。ただし、相対密度Drの増加率は間隙を約１回分置換する注入量である500ml付近までにおいて最大であり、その後は注入量が増加するごと増加割合は少なくなり、注入量1500ml付近で最小となる。これは、供試体間隙中における注入量の増加に伴うWCの充填がほとんど発生しないことを示している。
【０１２８】
また、間隙が注入材で１回分置換された際の理想的な相対密度Drは71.33%であるが、図10においては68%程度が上限となっている。この原因としては、注入材中のWCが沈殿し，WC濃度が薄まったことが考えられる。 
【０１２９】
(5) SW改良体および薬液改良体を用いた一軸圧縮試験
本試験は、SW改良効果を検討するために薬液(シリカグラウト)とSWにより改良された供試体の一軸圧縮試験を行った。また、SWの注入速度が改良効果に及ぼす影響について検討を行った。
【０１３０】
注入装置の概要と試験条件をそれぞれ図16と表５に示す。供試体は高さ11.0cm，直径5.0cmとし、試料には珪砂6号を用いた。また、相対密度Drを管理するため空中落下法にて作製した。注入材はSWおよび薬液(シリカグラウト)を用い、SWに用いるWCはWCの凝集性を考慮し、スクイズポンプ(吐出流量:8L/min)および粒子粉砕装置にて細粒化させた。 SWを用いたcaseをcase1、case2とした。
【０１３１】
【表５】
0005598886.tif 000008
【０１３２】
なお，case2はSWを低速注入(0.01L/min)した。また、薬液を用いたcaseをcase3とした。養生期間はそれぞれ7day，28dayとした．また，供試体は一軸圧縮試験開始直前に高さ10.0cm、直径5.0cmに整形した。 
【０１３３】
(6) 試験結果
一軸圧縮強さと材令の関係を図17に示す。図16から材齢7dayにおいてcase1の一軸圧縮強度が最も高いことがわかる。また、SW注入試験後の相対密度Drが養生期間7day、28dayにおいて、それぞれ59.12%，60.72%であり，試験前の相対密度Drよりも増加した。また、case2は全体的に一軸圧縮強さが低いことが確認できる．これは，供試体下部にWCが目詰まりし，供試体内のWC濃度を低下させたためと考えられる。このようなWCの目詰まりから、WC微粒子を一定以上に細粒化する必要があると考えられる。
【０１３４】
(7)  まとめ
1) WCの注入性は、WCを粉砕して微細粒子化することにより増加することを確認した。
【０１３５】
2) WCの充填量は、注入材の注入量およびWC濃度に寄与する。しかし、供試体内のWC充填量が一定量を超えた場合は注入量を増加させるよりも、注入材のWC濃度を増加させる必要があると考えられる。
【０１３６】
3) SWを供試体に注入することにより、WCが供試体内に残留し、相対密度Drが増加する。また、SWに混合したWCは、薬液の強度発現に対してすぐれた効果を生ずることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明は、地盤の固結強度が大きく、特に浸透性、耐久性および経済性にすぐれ、また地盤強化や止水目的のみならず、液状化対策工にも適用でき、細粒子懸濁グラウトの浸透性を改善し、特に地下水の流動に対する抵抗力が大きく、液状化強度にすぐれ、かつ地盤変位が生じにくく環境保全性にすぐれた注入技術である。
【符号の説明】
【０１３８】
１  水槽（貯留槽）
2a  送液管
2b  送液管
３  循環ポンプ
４  旋回流噴射ノズル
５  旋回流噴射ノズル
６  ノズル本体
6a  旋回流誘導部
6b  旋回流形成部
6c  噴射部
７  旋回流誘導体
7a  柱状部
7b  羽根部
【要約】
【課題】特に浸透性、耐久性および経済性等にもすぐれ、また地盤強化や止水目的のみならず、液状化対策工にも適用できる地盤注入工法、注入材製造装置および地盤注入材を提供する。
【解決手段】微細粒子化した注入材を地盤に注入して地盤の細粒分を増加させ、地盤密度を増大させることにより地盤を強化する。微細粒子化は、送液方向に徐々に小径をなすじょうご状に形成された旋回流噴射ノズル４内で、ＷＣ水に、加圧下で、旋回流を生じせしめ、旋回流噴射ノズル４の先端より水槽１のWC水内に噴射させることにより行う。
【選択図】  図７【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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