(57)【要約】【課題】圧密した状態で地盤を迅速に固定することができる地盤改良工法を提供する。【解決手段】直線状の軸部の外周に螺旋ネジ状掘削羽根を備えるアースオーガーを正回転させながら所定深さの掘削孔を形成するステップと、掘削孔に骨材と生石灰と混和剤とを投入するとともに、軸部に沿って掘削孔の奥に向かう力をアースオーガーに加えながらアースオーガーを逆回転させるステップとを含み、混和剤が、酸化アルミニウムと三酸化硫黄との両方を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状の軸部の外周に螺旋ネジ状掘削羽根を備えるアースオーガーを正回転させながら所定深さの掘削孔を形成するステップと、
前記掘削孔に骨材と生石灰と混和剤とを投入するとともに、前記軸部に沿って前記掘削孔の奥に向かう力を前記アースオーガーに加えながら前記アースオーガーを逆回転させるステップと、を含み、
前記混和剤が、酸化アルミニウムと三酸化硫黄との両方を含む、
地盤改良工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アースオーガーと生石灰とを使用して地盤を改良する地盤改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、アースオーガーを使用して地盤に掘削孔を形成し、掘削孔に骨材と生石灰を投入しながらアースオーガーを逆回転させることによって地盤を圧密する地盤改良工法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６７０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の地盤改良工法では、圧密した地盤の固定に時間がかかり、せっかく圧密した地盤が膨張してしまってから固定されるという問題がある。
【０００５】
本発明は、圧密した状態で地盤を迅速に固定することができる地盤改良工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の地盤改良工法は、直線状の軸部の外周に螺旋ネジ状掘削羽根を備えるアースオーガーを正回転させながら所定深さの掘削孔を形成するステップと、掘削孔に骨材と生石灰と混和剤とを投入するとともに、軸部に沿って掘削孔の奥に向かう力をアースオーガーに加えながらアースオーガーを逆回転させるステップとを含み、混和剤が、酸化アルミニウムと三酸化硫黄との両方を含む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の地盤改良工法によれば、混和剤を投入しない場合に比べてエトリンガイドを急速に生成することができる。従って、自然にまかせてエトリンガイドを形成する場合に比較して、地盤を構成するより多くの粒子を圧密したまま迅速に固定することができる。混和剤の量を調整することにより地盤の強度を調節することができるため、セメントに比べて地盤の強度を調節しやすい。六価クロムを生成する材料を含有しないため、セメントにより地盤を固定する場合に比べて自然に優しい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、地表に設置した掘削孔形成前における本発明の一実施形態に係る地盤改良装置の部分正面図と地盤の断面図である。
【図２】図２は、掘削孔形成後の図１の地盤改良装置の正面図と地盤の断面図である。
【図３】図３は、掘削孔に骨材と生石灰と混和剤とを投入した後の図１の地盤改良装置の正面図と地盤の断面図である。
【図４】図４は、例示的な土構造の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（地盤改良装置の構成）
まず、図１を参照して、本実施形態の地盤改良工法で使用する地盤改良装置１について説明する。
【００１０】
地盤改良装置１は、クレーン車、油圧クレーン及びバックホウなどに搭載される高所まで伸縮可能なブーム１０と、直線状の鋼材で構成されて上端２１をブーム１０の端部２２に装着されるリーダ１１と、モータを内蔵してリーダ１１の長手方向に沿って直線状に移動する駆動装置１２と、駆動装置１２のモータにより回転する螺旋ネジ状のアースオーガー１３とを備えている。なお、図１では簡潔に説明するためにブーム１０の端部２２付近のみが描かれている。
【００１１】
リーダ１１は、リーダ１１の下端２３が地盤２と接触するように地表４１に対して略垂直に立設される。なお、本実施形態では、掘削方向が地表４１に対して略垂直であるため、リーダ１１が地表４１に対して略垂直に立設されているが、掘削方向に沿っていればリーダ１１の長手方向は他の方向に向いていてもよい。本実施形態ではリーダ１１の数は１であるが複数であってもよく、アースオーガー１３の姿勢を安定に保てるのであればリーダ１１がなくてもよい。
【００１２】
アースオーガー１３は、先端３１から末端３２までの長さを有する細長い円筒状の軸部３３と、軸部３３の長手方向に略垂直な半径方向に所定幅をもち、螺旋ネジの山のような経路で軸部３３の外周に沿って軸部３３の先端３１から末端３２まで延設された板状の掘削羽根３４とを備えている。
【００１３】
アースオーガー１３の長手方向、つまり軸部３３の長手方向はリーダ１１の長手方向に平行となる。つまりアースオーガー１３の長手方向は掘削方向に向けられる。アースオーガー１３の先端３１は地盤２近くに配置される。アースオーガー１３の末端３２は先端３１よりも上方に配置され、駆動装置１２のモータに接続される。
【００１４】
モータはアースオーガー１３を正回転又は逆回転させることが可能であり、加減速及び速度調節をすることが可能である。アースオーガー１３を正回転させると掘削羽根３４上の土砂などが先端３１から末端３２に向かって搬送され、アースオーガー１３を逆回転させると掘削羽根３４上の土砂などが末端３２から先端３１に沿って搬送される。つまり、回転するアースオーガー１３はスクリューコンベアとして機能する。
【００１５】
（地盤改良工法）
次に本実施形態の地盤改良工法について説明する。
【００１６】
まず、すでに説明したように図１のように地盤改良装置１を準備する。
【００１７】
次に、駆動装置１２のモータでアースオーガー１３を正回転させながら、アースオーガー１３を下方に移動させる。これにより図２に示すように、地盤２に所定深さの掘削孔４２を形成する。
【００１８】
次に、アースオーガー１３を逆回転させながら、図３に示すように、地表４１から掘削孔４２に骨材と生石灰と混和剤とを投入して柱状の混合部４３を形成する。逆回転時にアースオーガー１３の末端３２から先端３１に向けて荷重Ｗを加える。アースオーガー１３に荷重を加えながら逆回転させることにより、骨材と生石灰と混和剤とが下方に送られ、それにより掘削孔４２から地盤２に向けて下方向及び水平方向に圧力が加わる。すなわち地盤２の圧密が行われる。駆動装置１２からアースオーガー１３に荷重を加えてもよいし、他の装置を利用してアースオーガー１３を下方に押したりアースオーガー１３を下方に引っ張ったりしてもよく、アースオーガー１３におもりを載せてもよく、アースオーガー１３に荷重が加わるのであればその他の方法であってもよい。
【００１９】
骨材としては、砂粒から直径２００ｍｍまでの材料を使用する。
【００２０】
生石灰は、粉末状のものを使用する。粉末状の生石灰を使用することにより、生石灰が水や他の物質と迅速に反応する。
【００２１】
混和剤は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と三酸化硫黄（ＳＯ３）とを含み、さらにシリカ（ＳｉＯ２）と酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とを含む。
【００２２】
（化学的な反応）
次に、本実施形態の地盤改良工法を利用する場合に、地盤中で起こる化学的な反応について説明する。
【００２３】
一連の化学反応は、（１）水和反応、（２）イオン交換、（３）エトリンガイド生成、（４）ポゾラン反応、（５）炭酸塩の生成の順に発生する。以下、それぞれの反応について詳細に説明する。
【００２４】
（１）水和反応
まず、生石灰（ＣａＯ）が土中の水分（Ｈ２Ｏ）と反応して、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）が生成される。その化学反応式は式１のとおりである。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
式１の反応により生石灰１０ｋｇが消石灰になる際、土中の約４．３ｋｇの間隙水が結晶水に変わる。さらに、式１の反応により発生する熱が間隙水の蒸発を促進する。一般に軟弱土は高含水比であるから、含水比の低下は強度発現に大きく寄与する。
【００２７】
（２）イオン交換
粘土鉱物のように細粒土は表面に電荷を有しているから、粒子表面に陽イオンが吸着される。例えば、粒子表面にＮａイオンが吸着されている場合、粒子表面のＮａイオンと石灰から溶け出たＣａイオンとが交換される。この作用は陽イオン交換と呼ばれ、土の陽イオン交換容量（Ｃａｔｉｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅ  Ｃａｐａｃｉｔｙ；ＣＥＣ）が大きい土ほどこの作用が起こりやすい。一般に、粒径が小さく活性の高い粘土になるほどＣＥＣは大きい。石灰から溶け出たＣａイオンは水と結合したり、土粒子に吸着されて粒子間の結合に寄与したりする。また、団粒化が起こる場合もある。
【００２８】
水分子は双極性であるから電荷に対して配向する。また、元来、粒子表面の負電荷によって粒子同士は反発するが、水分子を吸着した水和イオンが粒子間にあることによって粒子間に引力が働く。この引力が団粒化の原因ともなる。さらに、ＮａがＣａイオンに変換されると、粒子表面の吸着水膜は薄くなることから、圧密が起こりやすくなる。Ｃａイオンが移動することで掘削孔４２から遠い場所でもこの作用は起こり得る。Ｃａイオンの移動は水の流れが無くとも、拡散現象によって起こる。粘性土の場合には透水係数が小さいので、イオンのような溶質は拡散により移動する。ある点を移動するＣａイオンの量は、式２のようにその点での濃度勾配ΔＣ／ΔＬに比例する。
【００２９】
【数２】
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【００３０】
ここで、ＣはＣａイオン濃度、Ｄｄは拡散係数、Ｌは距離であり、Δを付記したものはその変化量を意味する。つまり、２点間におけるＣａイオンの濃度差が大きいほど、２点間のＣａイオンの移動量が多い。
【００３１】
（３）エトリンガイド生成
消石灰とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と石膏（ＣａＳＯ４）と水との反応によって、針状のエトリンガイドの結晶が生成する。エトリンガイドの結晶は土粒子を架橋する。言い換えると、エトリンガイドが接着剤のように働いて土粒子を固める。その反応は式３のように表される。コンクリート中でエトリンガイドができると強度が弱くなるが、土の場合には相対的に強度を上げる働きをする。また、アパタイト結晶化も起こる。
【００３２】
【数３】
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【００３３】
（４）ポゾラン反応
ポゾラン反応はエトリンガイドと同様、消石灰とシリカ（ＳｉＯ２）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）との反応である。この反応は式４のように表される。生成するケイ酸カルシウム水和物やアルミン酸カルシウム水和物が土粒子間を結合させる。シリカやアルミナは無機の鉱物であるから、この反応は高有機質土以外の土で普通に起こると考えられる。
【００３４】
【数４】
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【００３５】
（５）炭酸塩の生成
石灰水に二酸化炭素が反応すると炭酸カルシウムが生成する。そのとき粒子の膠着が起こる。この反応は、自然界で普通に起こりセメンテーションの原因として地盤工学の分野で最近になって重要視されるようになった。基本的にはＣａ２＋とＨＣＯ３−としてイオン化して遠くまで移動するので、イオンの拡散により広範囲に起こることが期待できる。この反応はＣＯ２を地盤内に固定するのに役立つ。ただし、石灰は炭酸カルシウム（石灰岩）を焼成して得られるため、焼成時に二酸化炭素を生成する。石灰水から炭酸カルシウムが生成する反応は式５のようにシンプルである。
【００３６】
【数５】
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【００３７】
炭酸塩の生成にはＣＯ２が必要であるから、有機物の分解によりＣＯ２が生成しているような高有機質土、地下水面付近、または地下水位が大きく変動するところで反応が起こりやすい。
【００３８】
主として以上のような一連の反応により軟弱土の強度が向上する。改良したい土と生石灰との混合を重視する従来のような生石灰を使用する工法とは異なり、本工法ではＣａ２＋の拡散が重要である。
【００３９】
技術的特徴
生石灰が軟弱地盤に接することにより、水和反応が起こる。水和反応により、軟弱地盤中の含水比が低下し、さらに、発熱による蒸発が起こる。生石灰が水と反応すると消石灰が生成する。その過程で針状のエトリンガイドが生成するため、地盤が硬化する。さらに、消石灰はポゾラン反応を起こし、粘土粒子などのセメント物質として働く。石灰から溶出するカルシウムイオンが、粘土粒子に吸着されているナトリウムイオンと交換される。この交換により吸着水膜や電気二重層が薄くなるため、密度増加（圧密促進）が起こる。さらに、消石灰が石灰水となるとともに二酸化炭素の供給があると、炭酸カルシウムが土粒子の接触部や表面に沈積する。これは土をセメンテーションするように作用する。これらの反応と生成物はほぼ無害である。炭酸カルシウムは大量には石灰岩として天然に存在し、また、すべての土が必ずといっていいほど少量又は大量に炭酸カルシウムを含んでいる。最近、これらの炭酸カルシウムやその他の炭酸塩（炭酸マグネシウムや炭酸ナトリウムなど）が土の強度に大きく寄与していることが明らかとなってきた。つまり、炭酸カルシウム含有量が増加するとせん断強さが増大する。また、自然地盤の間隙水中でカルシウムイオンと重炭酸イオンとが結晶となり粒子表面に凝集し、強度増加の大きな要素となることは地質学の分野で続成作用として扱われている。
【００４０】
（物理的な反応）
物理的には、掘削孔４２に投入された骨材がアースオーガー１３によって下方に送られることにより掘削孔４２の周囲に下方向や水平方向に向かう応力が発生する。この応力によって排水が促されることにより、地盤２が圧密される。
【００４１】
粘性土には、図４に示すような土構造５０をもつ土粒子が含まれる。この土構造５０では、複数の粒子が結合して形成されるペッド５１と呼ばれる複数の団粒部が、さらにリンク５２と呼ばれる複数の粒子によって結合されている。さらに、この土構造５０には、ペッド５１とリンク５２に囲まれたポア５３とよばれる中空部が形成される。つまり、ペッド５１とペッド５１との間に隙間が生じている。
【００４２】
アースオーガー１３を使用してこの土構造５０を含む地盤を圧密すると、この土構造５０のポア５３が縮むように変形する。そのまま放置するとこのポア５３が元の形状へと広がり、圧密の効果が薄れてしまう。これを解決するため、本実施形態ではエトリンガイドを使用して、土構造５０を圧縮された状態に固定する。具体的には、本実施形態では混和剤として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と三酸化硫黄（ＳＯ３）とを投入する。これらの二成分により、エトリンガイドの生成が促進される。エトリンガイドの生成を促進することにより、土構造５０を圧縮したままの状態で迅速に固定することができる。そうすることで、従来のように自然にまかせたままエトリンガイドを形成する場合に比べて、エトリンガイドの形成時間を著しく短縮することができ、さらに、エトリンガイドの生成量も著しく増加させることができる。つまり、多くの土構造５０を圧縮された状態のまま固定することが可能となる。
【００４３】
さらに、混和剤に含まれるシリカ（ＳｉＯ２）と酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とによって、エトリンガイドで固定された土粒子がさらにシリカ、鉄およびマグネシウムによって強固に固定される。なお、エトリンガイドの生成のためにはシリカ、酸化第二鉄及び酸化マグネシウムが含まれる必要はない。あくまでシリカ、酸化第二鉄及び酸化マグネシウムは、エトリンガイドで固定された土粒子をさらに補強するために投入される。なお、補強のためには、シリカ、酸化第二鉄及び酸化マグネシウムのいずれかが含まれていればよい。
【００４４】
本実施形態の混和剤及び生石灰の粒径は３ｍｍ未満である。混和剤に含まれる物質はいずれも水に溶けて拡散する。地盤改良後の地盤２の強度は、酸化アルミニウム、三酸化硫黄、シリカ、酸化第二鉄、及び酸化マグネシウムの各投入量により調整することが可能である。実験によれば、掘削孔４２の周囲２ｍ〜３ｍ程度の地盤を１５ｔ／ｍ２〜２０ｔ／ｍ２程度まで高めることができた。地盤２の圧密効果は施工後２日〜３日程度で現れ、その効果は長期にわたって持続した。
【００４５】
すなわち、本実施形態の地盤改良工法によれば、地盤を圧密したまま迅速かつ強固に固定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、以上説明した地盤改良工法に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  地盤改良装置
２  地盤
１０  ブーム
１１  リーダ
１２  駆動装置
１３  アースオーガー
２１  上端
２２  端部
２３  下端
３１  先端
３２  末端
３３  軸部
３４  掘削羽根
４１  地表
４２  掘削孔
４３  混合部
５０  土構造
５１  ペッド
５２  リンク
５３  ポア
【図１】
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【図２】
2014132134.tif 000009
【図３】
2014132134.tif 000010
【図４】
2014132134.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月3日(2012.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状の軸部の外周に螺旋ネジ状掘削羽根を備えるアースオーガーを正回転させながら所定深さの掘削孔を形成するステップと、
前記掘削孔に骨材と生石灰と混和剤とを投入するとともに、前記軸部に沿って前記掘削孔の奥に向かう力を前記アースオーガーに加えながら前記アースオーガーを逆回転させるステップと、を含み、
前記混和剤が、酸化アルミニウムと三酸化硫黄との両方を含む、
地盤改良工法。
【請求項２】
前記混和剤が、シリカと酸化第二鉄と酸化マグネシウムとから構成される群から選択される少なくとも１の材料を更に含む、
請求項１の地盤改良工法。