(57)【要約】【課題】地盤の広範囲な対象領域を均等的に飽和度を低下させて地盤の改良を行う。【解決手段】直径が１０μｍ未満の超微細気泡を多数有する注入水Ｗを、地盤強度の改善を図る対象領域に注入する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が１００μｍ未満の超微細気泡を多数有する注入水を、地盤強度の改善を図る対象領域に注入することを特徴とする地盤の改良工法。
【請求項２】
容器内の水中に気泡発生ノズルを臨ませ、かつ、容器内を加圧状態に保持した状態で、前記気泡発生ノズルから気泡を発生させて得た、直径が１００μｍ未満の多数の超微細気泡が水中に分散した水を、地盤強度の改善を図る対象領域に注入することを特徴とする地盤の改良工法。
【請求項３】
対象地盤に設けた揚水井戸によって地下水を揚水し地下水位を低下させ過圧密を生じさせた後、前記注入水を注入する請求項１または２記載の地盤の改良工法。
【請求項４】
前記気泡発生ノズルが、ノズル中心軸回りの旋回水流の縮流の中心に沿って圧力空気を噴出させる構成である請求項１〜３のいずれか１項に記載の地盤の改良工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の改良工法に係り、好適には液状化対策が必要な地盤の改良工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地盤の液状化は、含水率の高い地盤が地震により衝撃や振動を受けて変形することに伴い、土粒子間に飽和状態で存在している間隙水の水圧が急激に上昇し、その結果、土粒子間の摩擦抵抗が消失して地盤があたかも液体のように挙動して耐力を失ってしまう現象である。
液状化を防止するためには、地盤強度を高める、あるいは地盤に細粒分を注入するといった手法が知られているが、最近においては地下水の揚水による液状化防止方法も有効であることが判明している。しかし、地下水位を常に低く維持するために地下水を常時連続的にしかも恒久的に揚水し続けなければならないから、それに要する運転費と維持管理費が嵩む問題がある。
そこで、本出願人は、地下水を揚水し続けて地下水位を常に低く維持するのではなく、地下水位を一時的な低下により砂地盤に過圧密履歴（プレローディング）を与えるとともに、地盤の飽和度（地盤中の地下水の体積／地盤の間隙体積）を低下させ、それによって液状化に対する地盤強度を高めるという液状化防止方法を提案した（特許文献１）。
他方、特許文献２には、液状化防止対策地盤に圧縮気体を注入する方法が開示されている。
【特許文献１】特許第３６７８８２８号公報
【特許文献２】特許第３７５７２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献２のものは、液状化防止対策地盤に圧縮気体を注入することで飽和度を低下させるものであるが、単に圧縮気体を注入するのでは、飽和度を低下させるのに限界があり、しかも、地盤を隆起させる虞れが当然に予想される。
したがって、本発明が解決しようとする主たる課題は、地盤の広範囲な対象領域を均等的に飽和度を低下させて地盤の改良を行うことができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題を解決した本発明は、次のとおりである。
〔請求項１記載の発明〕
直径が１００μｍ未満の超微細気泡を多数有する水を、地盤強度の改善を図る対象領域に注入することを特徴とする地盤の改良工法。
【０００５】
（作用効果）
本発明では、直径が１００μｍ未満の超微細気泡を多数有する水を、地盤強度の改善を図る対象領域に注入する。
注入によって、注入した水は地盤、たとえば液状化層中の間隙を流動する過程で、砂粒子に超微細気泡が吸着され、残存するようになる。この現象は、次の要因であると考えられる。すなわち、超微細気泡は高圧力下において水の表面張力によって小さくなっているが、圧力を解放された超微細気泡が地下水中で漂っている過程で砂粒子表面に付着することで、気泡の曲率半径が小さくなり、気泡内圧が減少し、気泡同士が結合することにより、気泡が析出するものと考えられる。
この超微細気泡の砂粒子表面への付着及び気泡同士の結合によって、液状化地盤の飽和度が低下する。その結果、液状化に対する地盤強度を高めることができる。
特許文献２のものは、液状化地盤に対し空気を注入することで、液状化地盤の飽和度を低下させるものである。しかし、空気の注入では、注入領域が注入管の出口近傍にとどまりがちであり、遠方までの改良は困難であり、地盤を乱したり、あるいは不透気層に空気が溜り、気泡の径が大きくなり地表側に上昇してしまい、均質的な改良は難しい。
これに対し、本発明では、超微細気泡を多数有する注入水を注入するので、注入水が超微細気泡を伴って砂粒子間を抜けながら遠方まで到達する。そして、気泡は超微細であるために、その到達距離が長いものとなるので、たとえば大直径のタンク下部の改良などの場合に特に有効なものとなる。
【０００６】
〔請求項２記載の発明〕
容器内の水中に気泡発生ノズルを臨ませ、かつ、容器内を加圧状態に保持した状態で、前記気泡発生ノズルから気泡を発生させて得た、多数の超微細気泡が水中に分散注入水を、地盤強度の改善を図る対象領域に注入することを特徴とする地盤の改良工法。
【０００７】
（作用効果）
容器内を加圧状態に保持した状態で、気泡発生ノズルから気泡を発生させると、微細気泡よりさらに細かい超微細気泡を容易に得ることが知見された。実際、透明容器内で気泡径がおよそ２０〜１００μｍの微細気泡を発生させた場合には、白濁状態であるのに対し、容器内を加圧状態に保持した状態で、気泡発生ノズルから気泡を発生させて得た、超微細気泡の場合には白濁はせず、透明である。
【０００８】
〔請求項３記載の発明〕
対象地盤に設けた揚水井戸によって地下水を揚水し地下水位を低下させ過圧密を生じさせた後、前記注入水を注入する請求項１または２記載の地盤の改良工法。
【０００９】
（作用効果）
本出願人は、地下水を揚水し続けて地下水位を常に低く維持するのではなく、地下水位を一時的に低下させて地盤の飽和度を低下させ、それによって液状化に対する地盤強度を高めるという液状化防止方法を提案した（特許文献１）。この方法は、地下水位を常に低く維持するために地下水を常時連続的にしかも恒久的に揚水し続けなければならないために伴う、運転費と維持管理費が嵩む問題を解消できる利点がある。
請求項３の発明に従って、対象地盤に設けた揚水井戸によって地下水を揚水し地下水位を低下させ過圧密を生じさせ、その後に、地下水位を元の地下水位状態に自然復旧させた時点で、あるいは復旧過程で、本発明の注入水を注入すると、超微細気泡を対象領域に均質的に分散させることができる。その結果、過圧密履歴による液状化に対する地盤強度を高める効果と、超微細気泡の分散に伴う飽和度の低下効果とが相俟って、高い液状化に対する地盤強度を得ることができる。
【００１０】
〔請求項４記載の発明〕
前記気泡発生ノズルが、ノズル中心軸回りの旋回水流の縮流の中心に沿って圧力空気を噴出させる構成である請求項１〜３のいずれか１項に記載の地盤の改良工法。
【００１１】
（作用効果）
ノズル中心軸回りの旋回水流の縮流の中心に沿って圧力空気を噴出させる構成であると、高速旋回水流の縮流部位において渦が崩壊するようになり、そこに圧力空気の噴出に伴う気泡を混入すると、その気泡が破壊し、小さい気泡となる。この場合、容器内を加圧状態に保持しておくと、気泡はさらに微細となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、地盤の広範囲な対象領域を均等的に飽和度を低下させて地盤の改良を行うことができる。特に液状化対策地盤の改良に適したものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態を、液状化対策地盤の改良を例に採って説明する。
＜工法の概要＞
本発明は、対象地盤に設けた揚水井戸によって地下水を揚水し地下水位を低下させ過圧密を生じさせた後、注入水を注入する方法を採るのが最適である（但し、過圧密が不要としても本発明の効果は十分に発揮する。）。
【００１４】
したがって、地盤強度の改善を図る対象領域として、たとえば図１のように、タンク１の下方（あるいは周辺地盤も含めて）領域を対象とする場合において、まず、適宜数の揚水井２、２…をタンク１周辺に設置し、液状化層Ｌの揚水を行う。
【００１５】
この揚水によって、初期状態の水位に対して、図２に示すように、地下水位の低下を生じさせる。これによって、液状化層Ｌに対して過圧密（地盤が現在受けている以上の圧密応力を過去に受けたこと）履歴を与えることができる。かくして、地下水位を一時的に低下させて地盤の飽和度を低下させ、それによって液状化に対する地盤強度を高めることができるのである。たとえば、過圧密比を２程度加えると、４０〜５０％の強度の増加があることが知見されている。
【００１６】
その後に、地下水位を元の地下水位状態に自然復旧させた時点で、あるいは復旧過程で、本発明の注入水を注入する。注入に際しては、新設の注入管を設置するよりも、揚水井２を利用するのが望ましい。たとえば、図４に示すように、予め揚水井２の深さ方向に間隔を置いて、複数の注出孔２Ａ、２Ａ…を形成しておき、その注出孔２Ａを可撓性スリーブ２Ｂで包被しておき、注入水の注入段階で、先端部にパッカー３Ａ、３Ａを有し、それらの間に注入口３Ｂを有する注入内管３を揚水井２中に挿入し、注入内管３を軸方向に移動させる過程で、注出孔２Ａの位置を選択しながら、注入水を注入することができる。
【００１７】
注入口３Ｂから出た注入水は、注出孔２Ａからスリーブ２Ｂを拡開しながら周辺地盤に注入される。これらの作業を続けることで、液状化層Ｌの深さ方向全体に注入することができる。
【００１８】
一方、注入に際しては、移動車１０に循環ポンプ１１、貯留槽１２、コンプレッサー１３及び気泡発生装置１４を搭載させ、貯留槽１２内において、コンプレッサー１３による加圧下で、気泡発生装置１４により超微細気泡を発生させて得た注入水Ｗを注入することができる。この場合、好ましくは、タンク１を挟む他の揚水井２から揚水すると、注入揚水２から注入した注入水を他の揚水井２に向かう流れを生成でき、改良範囲の拡大に有効なものとなる。揚水は、循環ポンプ１１の入り側に循環させて、注入水の生成に再利用するのが望ましい。揚水中には不純物があるので、フィルター（図示せず）などの不純物除去手段により除去することができる。
【００１９】
＜気泡発生ノズル（装置）の例示＞
図５〜図７は気泡発生ノズル（装置）２０を例示したもので、筒体２１内に翼付案内体２２を内装してある。筒体２１は、円筒形の本体２１Ａと、先窄まりの円錐状の縮流部２１Ｂと、小円筒形の噴出部２１Ｃとを備える。円筒形の本体２１Ａ内には、案内体２２が内装されている。
【００２０】
案内体２２は、円柱状の本体部２２Ａとその後端（図５の左側）がほぼ半球状の入口部２２Ｂとを有し、入口部２２Ｂから本体部２２Ａ先端までの外周に翼体２２Ｃ、２２Ｃ…が一体化されている。ここで、各翼体２２Ｃ、２２Ｃ…の先端部は順次角度を曲げるように形成され、翼状をなしている。翼体２２Ｃ、２２Ｃ間と筒体２１とで囲まれる溝空間は、筒体２１内にその後方から循環ポンプ１１からの水Ｗ０が導入されるようになっている。また、本体部２２Ａの外周面から内部に入り、先端（図５の右側）の中央から抜ける圧力空気Ａの導入孔２２Ｄが形成されている。
【００２１】
かかる気泡発生ノズル２０においては、筒体２１内にその後方から循環ポンプ１１からの導入された水Ｗ０は、入口部２２Ｂから各溝空間内に入り込む。溝空間内に入り込んだ水は、その空間を先端側に流れ、先端部においては、各翼体２２Ｃ、２２Ｃ…が捩れている関係で、周方向に向きを変えながら、本体部２２Ａの先端から本体２１Ａ内に流出する。その結果、本体部２２Ａの先端から前方の本体２１Ａ内においては、旋回流Ｆ１が生じる。この旋回流Ｆ１は、縮流部２１Ｂにおいては、順次小さい渦流Ｆ２となって先端に向かい、特に縮流部２１Ｂの先端部分において、渦流Ｆ２が崩壊し、気泡が発生する。
【００２２】
他方で、導入孔２２Ｄの先端から圧力空気Ａが噴出され、そのエネルギーは、渦流Ｆ２またはその崩壊部に与えられる。その結果、発生した気泡が微細化され、噴出部２１Ｃから噴出される。
【００２３】
かくして、微細化された超微細気泡が貯留槽１２内の水中に形成される。この水は、注入水Ｗとして、地盤強度の改善を図る対象領域に注入する。
【００２４】
図８は他の気泡発生ノズル２０ａの例を示したもので、噴出部２１Ｃａの先端側に拡大径部を形成したものである。
【００２５】
気泡発生方式としては、超音波方式、超高速旋回方式、気液二層対流混合・せん断方式などもできるが、容器内を加圧状態に維持することで超微細気泡を発生させることができる。しかし、本発明者らの研究によれば、上記例のものが超微細気泡の発生率及び安定性において最適であることを知見している。
【００２６】
＜施工条件等＞
本発明では、直径が１０μｍ未満の超微細気泡を多数有する注入水を使用する。好ましい超微細気泡の直径は、平均で０．５〜５μｍ、特に１〜３μｍである。本発明において規定する気泡の直径は、７０％以上、特に８０％以上が上記に規定する直径のものを有すればよく、すべての気泡が上記に規定する直径である必要はない。
【００２７】
気泡生成容器（たとえば貯留槽１２）内の加圧力は、１００ｋＰａ〜１．０ＭＰａが望ましい。注入時の圧力としては、５０ｋＰａ〜１．０ＭＰａとすることができる。
【００２８】
地盤強度の改善を図る対象領域としては、前述のタンク下部領域のほか、改良が必要な地盤であれば限定されない。注入水の注入量は、超微細気泡で置換できるだけの注入量であるのが望ましい。通常は、飽和度が９０％以下となることを目標とし、その目標の飽和度になったか否かはたとえば地盤の比抵抗測定により判定が可能である。
【００２９】
超微細気泡で置換した地盤は、前述のように地盤を構成する粒子、たとえば地盤の間隙に残存するので、長期間その置換状態を維持できる。仮に、激しい地下水流が予想される場合には、２〜３年程度の時間間隔で飽和度の測定を行い、必要により注入水の再注入を行うことができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
注入水の注入による地盤の飽和度の低下を調査した。図５〜図７に示したとおりの気泡発生ノズル２０を、直径３００ｍｍ、高さ５００ｍｍのアクリル円筒容器内の底部に縦向きに設置し、循環ポンプに接続した送給路と繋げた。容器の底部は返送路を接続し、他端は循環ポンプに繋げ、循環量を制御しながら、円筒容器内に超微細気泡を包含する注入水を生成させた。このとき、円筒容器内は２０〜２００ｋＰａに加圧した。他方、円筒容器には注入路を接続し、その他端は、内径５９．４ｍｍ、高さ６００ｍｍのアクリル円筒容器内に豊浦砂を１００％充填した縦向きカラムの下端に連結した。このカラム内に、前記の注入水を連続的に約１００分注入した。上端から流出する注入水は廃棄した。
他方で、同じカラムに対し、圧力空気のみの圧送も行った。
その結果、図９に示すように、圧力空気のみの圧送の場合には、飽和度が約９０％程度までしか低下しなかったのに対し、直径が１０μｍ未満の超微細気泡を包含する注入水の注入の場合には、ほぼ経時的に順次飽和度は低下し、飽和度が約６５％程度まで低下することが確認できた。
【００３１】
（実施例２）
超微細気泡を包含する注入水の通水による地盤の液状化強度を調べるために、不飽和地盤の繰り返し三軸試験を行った。すなわち、空中落下法により直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍ、相対密度６０％程度の円筒供試体を飽和させ、前記の注入水を０．２Ｈｚのｓｉｎ波で繰り返し載荷試験を行った。なお、供試体の初期有効応力σｃ´は９８ｋＰａである。
試験は、飽和度１００％（通水なし）の場合と９０％（通水あり）の場合との２通りとした。結果を図１０に示した。
１００％の飽和砂（豊浦砂）では過剰間隙水圧比０．５付近に達した時点から急激にひずみが増加し液状化に至るのに対し、飽和度９０％では過剰間隙が１００％の場合に比較して緩やかに増加し、ひずみは塑性的な変形（残留ひずみ）がみられ、有効応力（強度）の回復が大きく液状化抵抗が大きいことが判明した。また、本発明の超微細気泡を包含する注入水の通水した飽和度９０％の供試体は、飽和度１００％の供試体と比較して、液状化強度が約１．５倍程度増加することを知見した。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る施工の第１段階概要説明図である。
【図２】本発明に係る施工の第２段階概要説明図である。
【図３】本発明に係る施工の第３段階概要説明図である。
【図４】注入管の一部破断正面図である。
【図５】気泡発生装置例の概要斜視図である。
【図６】案内体の縦断面図である。
【図７】その側面図である。
【図８】他の気泡発生装置例の縦断面図である。
【図９】実験結果のグラフである。
【図１０】他の実験結果のグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１…タンク、２…揚水井、２Ａ…注出孔、２Ｂ…スリーブ、３…注入内管、３Ａ…パッカー、３Ｂ…注入口、１０…移動車、１１…循環ポンプ、１２…貯留槽、１３…コンプレッサー、１４…気泡発生装置、２０…気泡発生ノズル（装置）、２１…筒体、２２…タービン翼付案内体、Ｗ０…導入水、Ｗ…注入水。
【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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