(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凍結工法による凍結中の施工地盤に連接した地盤に、低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法を施工することを特徴とする地盤改良工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、地盤改良工法、詳しくは凍結工法と低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法を連接して行う地盤改良工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軟弱地盤の改良方法としては、種々の工法が実用されている。これらの中で軟弱地盤の止水や強化を目的とした凍結工法は、他の工法と比較して、改良の確実性、無公害性、低騒音性が評価され、地下鉄、上下水道、電力、ガス、橋梁、道路、ＬＮＧタンク等の基礎工事の大規模現場において、擁壁、土留め、止水の手段として好適に採用されている。
このような凍結工法は、一般に対象地盤の縦方向、または横方向から８０〜１２０ｃｍの間隔にて凍結管を埋設し、地表またはトンネル中に設置した冷凍機で−２０〜−３０℃のブラインを製造し、このブラインを該凍結管内を循環させて伝熱によって周囲地盤の温度を次第に下げていき、最終的に−１０〜−２０℃付近にて凍結を完了させることによって、地盤改良を図るものである。しかして、この凍結工法において、凍土が形成される速度は、例えば、地盤温度が１８℃で、ブライン温度が−２０℃の場合であれば、１本の凍結管当たり１ヶ月で半径約６０ｃｍの凍土柱ができる速度となる。従って、こうした条件での凍結工法においては、施工開始から壁状や塊状の凍結地盤が完成するまでには、長期の期間が必要になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、凍結工法は施工に長期の期間が必要になるため、工期が限られている場合等においては、該工法の対象地盤をそれが所望される必要最小限の区画にとどめ、その周囲の地盤は施工期間の短い他の工法を代用して所定の改良効果を得ることが期待される。
【０００４】
また、こうした凍結工法では、凍結の対象となる地盤に強い地下水流が存在する場合には、該地盤はそれが持ち込む大量の熱のために凍結し難く、凍結時間が更に遅くなったり、凍結が不十分で強度的に劣るものとなる問題があった。しかして、このように軟弱地盤中に凍結不十分な箇所が存在すると、該地盤は透水性部分を含む地盤となっているために、湧水、地盤崩落、既設構造物の変位などの工事事故が発生し、大きな問題となることがあった。
こうした背景から、本発明は、上記凍結工法の適用が所望される地盤改良において、該工法の適用箇所を最小限にとどめることができ、また、該工法による凍結地盤が外縁部まで良好な強度と止水性で短期に凍結できる工法を開発することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の問題点に鑑み鋭意研究を続けてきた。その結果、地盤改良において、凍結工法と低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法とを連接して行えば、上記課題が解決できることを見いだし本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、凍結工法による凍結中の施工地盤に連接した地盤に、低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法を施工することを特徴とする地盤改良工法である。
【０００６】
本発明において、凍結工法は如何なる方法で実施してもよい。ここで、凍結管は、通常、対象地盤の縦方向、または横方向から８０〜１２０ｃｍの間隔にて埋設されるのが一般的である。また、この凍結管に循環されるブラインの温度は、通常−２０〜−３０℃であるのが好適である。かかる凍結工法により、対象地盤は、−１０〜−２０℃付近まで冷却され凍結される。
【０００７】
本発明では、この凍結工法により地盤を改良するに際し、該工法の施工地盤に連接して、低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法を施工する。ここで、低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法とは、特に制限されるものではないが、具体的には、施工箇所を掘削して生コンクリートを打設する地中連続壁工法や、地盤中の間隙や地下水に対して地上で調合したグラウトを圧入する薬液注入工法等の他、好適には噴射攪拌工法が挙げられる。この噴射攪拌工法は、ジェットグラウト、コラムジェット等とも呼ばれ、硬化成分、分散剤等を水に懸濁させたグラウトを、地盤中に挿入した管から該地盤中に高圧噴射、強制攪拌等の手段により送入して土と置換や混合させ、地盤を短期に改良する工法である。
【０００８】
本発明では、こうした凍結工法の施工地盤に低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法を連接させることにより、該凍結工法の施工区画を、その適用が所望される必要最小限の区画にとどめることができる。また、該凍結工法の施工地盤の周囲乃至一部が低発熱性硬化材を使用した改良地盤で覆われるため、かかる凍結工法の施工地盤は、周囲の地下水等の影響を受けることなく、その外縁部まで強固に凍結し、良好な強度と止水性を有するものとなる。
その際、上記硬化材としては、硬化時に低発熱性であるものを使用することが必要である。通常、地盤改良工法において使用する硬化材は、硬化成分が発熱量の大きい普通セメントであるものを使用するのが一般的である。ところが、その場合、本発明の如く、該硬化材を使用した地盤改良工法に連接させて凍結工法を施すと、この硬化材の硬化に伴って発生する大量の水和熱によって、凍結工法の施工地盤に多くの凍結障害が現れる。
【０００９】
即ち、一般に自然状態の地盤の温度は１７℃前後であるが、この普通セメントの硬化に伴う水和熱の発生によって地盤温度は４０〜６０℃に上昇するために、かかる地盤と連接させて凍結工法が施されていると、該工法では膨大な熱エネルギ−の損失や工期延長が生ずる。また、最大の問題は、硬化材の水和熱による高温地盤と−１０℃以下の凍結地盤との境界部においては、凍結進行が不十分となり非凍結部分が発生することにある。この境界の非凍結部分においては、地盤改良効果が不十分で透水性地盤となり、湧水、地盤崩落などの危険性が高くなる。これに対して本発明では、上記硬化材として低発熱性のものを使用することにより、こうした硬化に伴って発生する熱を最小限に抑え、前記凍結工法との境界部まで、早期に良好に凍結させることを可能としたものである。
【００１０】
ここで、本発明において低発熱性硬化材とは、打ち込み温度２０.０℃での断熱温度上昇量が２５.０℃以下、好適には２３.０℃以下である材料が好適である。こうした硬化材としては特に制限されるものではなく、硬化性樹脂等を用いてもよいが、通常は、硬化成分として低発熱性セメントを使用したものを用いるのが一般的である。低発熱性セメントとしては、硬化時の水和熱の発生量が小さいものが何等の制限なく使用できるが、好ましくはＪＩＳ  Ｒ５２０３で測定した硬化時の水和熱の発生量が７０ｃａｌ／ｇ以下、より好ましくは３０〜６０ｃａｌ／ｇであるものを用いるのが好適である。具体的には、中庸熱ポルトランドセメントもしくは低熱ポルトランドセメント、または普通ポルトランドセメントや早強セメント等と、高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカ質微粉末、石灰石微粉末などの鉱物質微粉末とを適宜組み合わせた混合セメントなどが挙げられる。
【００１１】
こうした低発熱性セメントは、分散剤及び水と混合することにより硬化材として使用される。このようなセメント系硬化材において要求される熱的性質以外の性能としては圧縮強度、凝結時間、ブリージング、流動性等があり、これらは硬化材が使用される施工目的や土質等の性状、経済性によって決定される。従って、セメントの種類、鉱物質微粉末の種類、混合割合などはこうした要求性能によって工事に最適なものが任意に選択される。鉱物質微粉末の混合は工場で混合してもよいし、或いは工事現場で混合してもよい。
【００１２】
分散剤は、セメント系硬化材に一般的に用いられるものが何等制限なく使用される。即ち、ＡＥ剤、ＡＥ減水剤、流動化剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤などが要求性能によって選択されるが、とりわけ流動化剤または高性能減水剤が好適である。そのほか、水和熱抑制剤、凝結遅延剤などの使用も可能である。
セメント系硬化材を構成する各成分の組成は、特別の制約を受けるものではないが、低発熱性セメントの分散性や硬化速度、或いは得られる硬化性材料の流動性やブリージングを勘案すると、一般には低発熱性セメント１００重量部に対し、分散剤０.０４〜５重量部、水２５〜３００部が適当であり、さらには低発熱性セメント１００重量部に対し分散剤０.１〜２重量部、水５０〜１５０重量部が好適である。
【００１３】
なお、かかるセメント系硬化材を調合する場合において、調合水としては一般に水温１５〜２０℃の水道水や地下水が使用されるが、本発明においては該調合水としては低温水、好ましくは５℃以下の冷水を使用するのが好ましい。それにより、噴射攪拌工法等の各工法の所定の効果を得ながら、かつ単位期間内における水和熱の発生による地盤の温度上昇を更に抑制することが可能になる。一般に凍結工法の現場には大型冷凍機が設置されるから、このような冷水を入手することは、極めて容易に実施し得る。
【００１４】
本発明の地盤改良工法の具体的施工法は、特に制限されるものではないが、一般には以下のような方法により実施するのが好ましい。即ち、まず、改良予定地盤を凍結工法の施工区画と低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法の施工区画とに区別し、後者の区画に対しては採用するそれぞれの具体的工法に応じて低発熱性硬化材を打設する。例えば、噴射攪拌工法を行う場合であれば、前記低発熱性硬化材のグラウトを調製して、グラウトマシンの注入管を通じて噴射攪拌工法を行う。注入された該グラウトは地盤中で土砂と置換および混合され、水和反応が進行しつつ次第に硬化していく。
【００１５】
これと並行して、凍結工法の施工区画においては凍結管の埋設を行い、それが終了したら、ブラインの循環を開始する。それにより、管周辺から凍土が成長して行くが、本発明では上記グラウトの発熱量が少ないので、凍土の成長は阻害されることなく、外縁部まで早期に良好に凍結する。
【００１６】
凍結工法の施工区画と、低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法の施工区画とは隣接するが、凍結工法の施工区画の凍結管は、後者の施工区画に最も近いもので、通常低発熱性硬化材の打設位置との間が約３０〜７０ｃｍであるのが好ましい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、凍結工法の適用が所望される地盤の改良において、該工法の適用箇所を最小限にとどめ、短期に改良地盤を形成することができる。また、凍結地盤は、連接して低発熱性硬化材を使用した地盤改良工法が施工されていることに起因して、その外縁部まで良好な強度で凍結しており、湧水、地盤崩落等の被害を受けることもない。また、凍結後において、その外縁部分が周囲の地盤の地下水と接触して、凍結不十分になるようなこともない。
【００１９】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
予め２０℃付近の室温に調整しておいた普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末を４０：６０の割合で混合した低発熱性セメント（ＪＩＳ  Ｒ５２０３で測定した水和熱の発生量５４ｃａｌ／ｇ）１００重量部と分散剤（花王（株）製、高性能減水剤；商品名マイテイ１５０）１.６重量部および冷水（３℃）９７.８重量部を配合し、ミキサーを用いて混合してグラウトを作成した。このグラウトは、断熱温度上昇量が２０.５℃（（株）東京理工社製、断熱型熱量計「ＡＣＭ−１２４」で測定）であった。
【００２１】
このグラウトを用いて、砂質地盤（Ｎ値  ４５、透水係数３.１×１０-3ｃｍ／ｓｅｃ）において、縦１９ｍ×横９ｍの区画で、深さＧＬ−２１〜−２９ｍで、直径１ｍのコラム１１２本を、噴射攪拌工法により施工した。続いて、この連接地盤に、深さＧＬ−１６〜−２７ｍ、幅１ｍの凍結壁ができるように、０.８ｍの間隔で凍結管を埋設した。そして、凍結管に−３０℃のブラインを循環させ、地盤の凍結を行った。この地盤の凍結に際し、かかる凍結工法施工部分と噴射攪拌工法施工部分との境界部の任意の３か所に温度検出素子（白金抵抗体）を設置し、境界部における温度変化を測定した。その結果、この境界部の温度はいずれの箇所も、施工開始時の１７℃から４日後には３２℃に達したが、その後は温度低下し、４０日後に−１７℃に到達し、均一な凍土が形成した。
【００２２】
また、施工開始３日、７日、及び２８日後において、噴射攪拌工法施工部分における上記凍結部との境界部の近傍から直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円柱状の供試体をサンプリングし、ＪＳＦ  Ｔ−５１１に準じてそれの一軸圧縮強度を測定した。その結果を表１に示した。
【００２３】
実施例２
実施例１において、グラウトの低発熱セメントとして早強ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末を１８：８２の割合いで混合された低発熱性セメント（水和熱の発生量４３ｃａｌ／ｇ）を使用した以外は、実施例１と同様にして地盤改良を実施した。なお、使用したグラウトは、断熱温度上昇量が１８.５℃のものであった。
その結果、凍結工法施工部分と噴射攪拌工法施工部分との境界部の温度はいずれの箇所も、施工開始時から４日後には２７℃に達したが、その後、３３日後に−１７℃に低下し、均一な凍土が形成した。また、噴射攪拌工法施工部分における供試体の一軸圧縮強度を表１に示した。
【００２４】
【表１】
0003645311.tif 000002
【００２５】
比較例１
実施例１において、噴射攪拌工法を行うことなく、実施例１と同様の凍結工法を単独で実施した。凍結工法施工地盤と未凍結地盤との境界部にあたる任意の３箇所の温度変化は、２カ所については２５日後に−１７℃に到達したが、残りの１箇所は３３日後に−２℃に到達した後はそれ以上低下せず、凍結状態が不均一なものとなった。
【００２６】
比較例２
実施例１において、グラウトのセメント成分として、低発熱性セメントの代わりに普通セメント（水和熱の発生量８５ｃａｌ／ｇ）を使用した以外は、実施例１と同様にして地盤改良を実施した。なお、使用したグラウトは、断熱温度上昇量が２８.３℃のものであった。
その結果、凍結工法施工部分と噴射撹拌工法施工部分との境界部の温度は、いずれの箇所も施工当初の１７℃から施工５日後には５１℃に達し、その後除々に温度低下したものの、４０日後ではまだ７℃であり、−１７℃の均一な凍土が形成されるには６５日かかった。