(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟弱な無機質土壌からなる基礎の締固め方法であって、
坑井を掘削するステップと、
前記坑井に締固め材料を充填するステップと、
中空管状の作業ツールを用いて土壌改良杭を形成することによって前記締固め材料に締固め効果を生じさせるステップと、を含み、
これらのステップの実行に先立って、基礎領域のエンジニアリングと地質調査を行い、
軟弱な無機質土壌の変形係数値、ポアソン比、内部摩擦角、特異的接着、比重、初期間隙比を決定し、
締め固める地層の変形係数について所望の設計値を設定した後、
坑井ごとに拡張変形の値εiを0.1とし、
次式を用いて、地盤改良杭ei周辺の締固め後における軟弱な無機質土壌の間隙比を算出し、
【数１】
0006748235.tif 000018
ここで、eiは地盤改良杭周辺の締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比であり、e0は締固め前の軟弱な無機質土壌の初期間隙比であり、εiは坑井の拡張変形の許容値であって、
次に、次式を用いて、各ステップにおける軟弱な無機質土壌の液性指数の予測値を算出し、
【数２】
0006748235.tif 000019
ここで、IL1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の液性指数の値であり、IL2は締固め後の軟弱な無機質土壌の液性指数の値であり、e1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の間隙比の値であり、e2は締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比の値であり、w1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の湿度であり、wpは軟弱な無機質土壌の塑性限界であって、
次に、既知の標準値に基づいて、地盤改良杭周辺の締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比について取得した値eiと、締固め後の土壌の液性指数IL2とに応じて、地盤改良杭周辺の変形係数Ezの最も近い予備値を取得し、更に、地盤改良杭の間隔を中空管状の作業ツールの直径の3倍に等しい間隔とし、次式を用いて、基礎の等価弾性係数の実平均値を決定し、
【数３】
0006748235.tif 000020
【数４】
0006748235.tif 000021
【数５】
0006748235.tif 000022
【数６】
0006748235.tif 000023
【数７】
0006748235.tif 000024
ここで、Eaveは基礎の等価弾性係数の実平均値であり、βは土壌複合体に対して0.8に等しい側方拡張係数であり、mzは土壌の容積変化率であり、mсは地盤改良杭材料の容積変化率であり、maveは地盤改良杭とその周辺土壌からなる塊の容積変化率であり、Ezは地盤改良杭周辺の無機質土壌の変形係数であり、Есは地盤改良杭材料の変形係数であり、εは坑井の拡張中に締固められる無機質土壌の体積ひずみの値であり、aは地盤改良杭の最終的な半径であり、bは地盤改良杭と、地盤改良杭の間隔の設計値の半分に等しい範囲内の周辺土壌と、からなる塊の半径であって、
算出した基礎の等価弾性係数の実平均値を無機質土壌の変形係数の設計値と比較して、
等価弾性係数の実平均値が設計値よりも小さい場合には、坑井の拡張変形値εiを0.1ずつ増加させながら、前記設計値が基礎の等価弾性係数の実平均値に達するか、または土壌改良杭の間隔が中空管状の作業ツールの直径の1.5倍に等しくなるまで、基礎の等価弾性係数の実平均値の計算を繰り返す際に、杭打ち工事中に取得した拡張変形値に対応する坑井半径の増分を、次式を用いて算出し、
【数８】
0006748235.tif 000025
ここで、rрは拡張坑井の半径であり、Rは土壌改良杭の間隔の半分に等しい土壌改良杭ごとの影響半径であり、εは坑井の拡張中に締固められた土壌の容積変形の値であって、
土壌改良杭の長さは、締固めを要求された地層の頂部から底部までの距離に等しく、中空管状の作業ツールを挿入することによって土壌改良杭に相当する坑井を掘削し、締固め材料を中空管状の作業ツールを通して坑井へ注入し、中空管状の作業ツールを締固め材料内を挿入することによって、地盤改良杭が形成され、締固め効果を奏し、その後、更にエンジニアリングと当該基礎領域の地質調査とを行い、土壌改良杭どうしの間にある締め固めるべき無機質土壌の変形係数を決定し、締め固めた基礎の等価弾性係数の実平均値を算出し、当該実平均値を設計値と比較して、基礎の等価弾性係数の実平均値が設計値に対応しない場合には、先に設置した土壌改良杭どうしの間に更に土壌改良杭を設置する
ことを特徴とする締固め方法。
【請求項２】
中空管状の作業ツールは、基礎土壌に押入される前に、その下端がダンパーまたは使い捨ての底部によって被覆されている
ことを特徴とする請求項１に記載の締固め方法。
【請求項３】
中空管状の作業ツール内の空洞に締固め材料を充填した後、中空管状の作業ツールのダンパーを開放して締固め材料を坑井内へ流出させ、
中空管状の作業ツールを締固め層の所定の高さまで持ち上げて、
中空管状の作業ツールを締固め材料中に挿入し、
地盤改良杭の全長に亘る地層に締固め材料の押入を繰り返すことによって、軟弱な無機質土壌の所望の締固めを達成する
ことを特徴とする請求項２に記載の締固め方法。
【請求項４】
締固め材料として、砕石、砂、砂利および不活性材料のいずれか一以上を使用する
ことを特徴とする請求項１に記載の締固め方法。
【請求項５】
中空管状の作業ツールは、中心軸について対称である
ことを特徴とする請求項１に記載の締固め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設技術に関し、特に、電力産業施設などの建築物や構造物の基礎や土台となる土壌を強化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築物や構造物の基礎や土台の設計に関し、変形性と強度特性とが低い軟弱な粘土質の飽和土壌が、建設予定地として選択されることが極めて多い。このような場合、元の軟弱な土壌を締固め強化する様々な方法を用いて軟弱な土台の転換が行われる。土壌は、ロードローラーやランマーを用いたり、様々な薬剤を注入したりする他、地盤改良杭を用いた様々な技術を用いて締固められる。
【０００３】
公知の強化方法には、坑井を掘削し、当該坑井壁の土壌を緩め発破することによって、当該土壌を強化する効果を得る方法がある（特許文献1）。この方法では、坑井壁から緩め発破された土壌にしか強化効果が作用しない。土壌は一旦、締め固められると、ある程度の強化は達成されるが、それ以上は強化することができない。
【０００４】
この方法では、近代建築の基礎を所望の程度まで土壌強化することができない。
【０００５】
最も近い従来技術は、土壌の締固め方法（特許文献2）であって、この方法では構成を掘削し、坑井に締固め材料を充填することによって、地盤改良杭を形成する中空管状の作業ツールよる締固め材料の締固め効果を作り出す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ソビエト連邦発明者証第708010号、1977年9月30日
【特許文献２】ロシア連邦特許2473741号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】規則集 SP22.13330.2011 "建築物と構造物の基礎" 改訂版SNiP 2.0.2-83*. ロシア連邦地域開発省, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術の欠点は、地盤改良杭を用いて土壌の特性に応じた締固めを行うための技術的パラメーターを選択したり、締固め後に得られた値を設計値に一致させたりするために必要な計算が欠如しているために、土壌の締固め作業や必要な坑井の数の選び直しが必要なることにある。
【０００９】
本発明の目的は、土壌の締固めの生産性を向上させるとともに、材料の消費量と作業強度とを低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る軟弱な無機質土壌からなる基礎の締固め方法は、坑井を形成し、各坑井に締固め材料を充填し、地盤改良杭を形成する中空管状の作業ツールによって前記締固め材料に締固め効果を発生させる締固め方法であって、事前のエンジニアリングと基礎領域の地質調査とを行い、変形係数、ポアソン比、内部摩擦角、特異的接着、比重、軟弱な無機質土壌の初期間隙比を決定し、締め固める地層の変形係数について所望の設計値を設定した後、坑井ごとに拡張変形の値εiとして0.1を採り、次式を用いて、地盤改良杭周辺の締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比eiを算出する。
【００１１】
【数１】
0006748235.tif 000002
ここで、eiは地盤改良杭周辺の締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比であり、e0は締固め前の軟弱な無機質土壌の初期間隙比であり、εiは坑井の拡張変形の許容値である。
【００１２】
次に、次式を用いて、各ステップにおける軟弱な無機質土壌の液性指数の予測値を算出する。
【００１３】
【数２】
0006748235.tif 000003
ここで、IL1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の液性指数の値であり、IL2は締固め後の軟弱な無機質土壌の液性指数の値であり、e1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の間隙比の値であり、e2は締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比の値であり、w1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の湿度であり、wpは軟弱な無機質土壌の塑性限界である。
【００１４】
次に、既知の標準値に基づいて、地盤改良杭周辺の締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比について取得した値eiと、締固め後の土壌の液性指数IL2とに応じて、地盤改良杭周辺の変形係数Ezの最も近い予備値を取得し、更に、地盤改良杭の間隔を中空管状の作業ツールの直径の3倍に等しい間隔とし、次式を用いて、基礎の等価弾性係数の実平均値を決定する。
【００１５】
【数３】
0006748235.tif 000004
【００１６】
【数４】
0006748235.tif 000005
【００１７】
【数５】
0006748235.tif 000006
【００１８】
【数６】
0006748235.tif 000007
【００１９】
【数７】
0006748235.tif 000008
ここで、Eaveは基礎の等価弾性係数の実平均値であり、βは土壌複合体に対して0.8に等しい側方拡張係数であり、mzは土壌の容積変化率であり、mсは地盤改良杭材料の容積変化率であり、maveは地盤改良杭とその周辺土壌からなる塊の容積変化率であり、Ezは地盤改良杭周辺の無機質土壌の変形係数であり、Есは地盤改良杭材料の変形係数であり、εは坑井の拡張中に締固められる無機質土壌の体積ひずみの値であり、aは地盤改良杭の最終的な半径であり、bは地盤改良杭と、地盤改良杭の間隔の設計値の半分に等しい範囲内の周辺土壌と、からなる塊の半径である。
【００２０】
これを無機質土壌の変形係数の設計値と比較して、等価弾性係数の実平均値が設計値よりも小さい場合には、坑井の拡張変形値εiを0.1ずつ増加させ、前記設計値が基礎の等価弾性係数の実平均値に達するか、または土壌改良杭の間隔が中空管状の作業ツールの直径の1.5倍に等しくなるまで、等価弾性係数の実平均値の計算を繰り返す。ここで、杭打ち工事中に取得した拡張変形値に対応する坑井半径の増分は次式を用いて算出される。
【００２１】
【数８】
0006748235.tif 000009
ここで、rрは拡張坑井の半径であり、Rは土壌改良杭の間隔の半分に等しい土壌改良杭ごとの影響半径であり、εは坑井の拡張中に締固められた土壌の容積変形の値である。
【００２２】
土壌改良杭の長さは、締固めを要求された地層の頂部から底部までの距離に等しく、中空管状の作業ツールを挿入することによって土壌改良杭に相当する坑井を掘削し、締固め材料を中空管状の作業ツールの空洞を通して坑井へ注入する。中空管状の作業ツールを締固め材料内を挿入することによって、地盤改良杭が形成され、締固め効果が得られる。その後、更にエンジニアリングと当該基礎領域の地質調査とを行い、土壌改良杭どうしの間にある締め固めるべき無機質土壌の変形係数を決定する。次に、締め固めた基礎の等価弾性係数の実平均値を算出し、当該実平均値を設計値と比較する。基礎の等価弾性係数の実平均値が設計値に対応しない場合には、先に設置した土壌改良杭どうしの間に更に土壌改良杭を設置する。
【００２３】
また、中空管状の作業ツールを基礎の土壌内へ押入するのに先立って、その下端をダンパーまたは使い捨ての底部で被覆してもよい。中空管状の作業ツール内の空洞に締固め材料を充填した後、中空管状の作業ツールのダンパーを開放して締固め材料を坑井内へ流出させ、中空管状の作業ツールを締固め層の所定の高さまで持ち上げて、中空管状の作業ツールを締固め材料中に挿入する。地盤改良杭の全長に亘る地層に締固め材料の押入を繰り返すことによって、軟弱な無機質土壌の所望の締固めが達成される。
【００２４】
締固め材料として、砕石、砂、砂利および不活性材料の少なくとも一つを用いることができる。また、中空管状の作業ツールは、中心軸について対称であるのが望ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明が達成する技術的成果は、基礎全域に亘る地盤改良杭の最適な設計プロセスパラメーターを決定することによって、軟弱な無機質土壌からなる基礎を締め固めることにある。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の特徴は、エンジニアリングと地質調査の結果に基づいて、軟弱な無機質土壌の初期パラメーターを、基礎全体に亘って地盤改良杭の締固めの技術的パラメーター（拡張坑井の間隔と半径）を選択するための計算を実行することにって、基礎全域で決定することにある。基礎を締め固めた後、全体として基礎の締め固めた土壌のパラメーターの実測値が設計値に一致するかによって、設置した土壌改良杭の数が十分か決定することができる。中空管状の作業ツールを基礎の土壌に挿入すれば、軟弱な無機質土壌を第一段階の締固めを行うことができる。作業ツールの下端をダンバーまたは使い捨ての底部で被覆すれば、締固め材料を坑井に押入することができる。地層内の締固め材料内に作業ツールを挿入すると、坑井を著しく拡張し、地盤改良杭を形成し、地盤改良杭の周囲の土壌を（地盤完了杭を中心として）半径方向に締固めることができる。地盤改良杭の周囲の土壌を締固めると、過剰な間隙水圧が生じて固化プロセスが開始される。締固め材料として、砕石、砂、砂利および不活性材料の少なくとも一つを使用すれば、締固める土壌からの粒子が土壌改良杭の本体に浸透しないように締固めされる軟弱な無機質土壌の性質に応じて、必要な特性の土壌改良杭を形成することができる。
【００２７】
中心軸について対称な中空管状ツールを使用すれば、地盤の土壌を半径方向に一様に締固めることができる。
【００２８】
本発明は次のように実施される。
【００２９】
標準的なエンジニアリングと地質調査の結果に関する初期データとして、地盤土壌の物理的および機械的特性、特に変形係数、ポアソン比、内部摩擦角、特異的接着、比重、軟弱な無機質土壌の初期間隙比の値を決定する。
【００３０】
次に、締固める地層の変形係数の所望の設計値を設定するとともに、坑井ごとに拡張変形の値εiとして0.1を採り、次式を用いて、地盤改良杭周辺の締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比eiを算出する：
【００３１】
【数１】
0006748235.tif 000010
ここで、eiは地盤改良杭周辺の締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比であり、e0は締固め前の軟弱な無機質土壌の初期間隙比であり、εiは坑井の拡張変形の許容値である。
【００３２】
次に、次式を用いて、各ステップにおける軟弱な無機質土壌の液性指数の予測値を算出する：
【００３３】
【数２】
0006748235.tif 000011
ここで、IL1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の液性指数の値であり、IL2は締固め後の軟弱な無機質土壌の液性指数の値であり、e1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の間隙比の値であり、e2は締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比の値であり、w1は自然条件下における軟弱な無機質土壌の湿度であり、wpは軟弱な無機質土壌の塑性限界である。
【００３４】
次に、既知の標準値（例えば、非特許文献１の表B.4に記載の値）から、地盤改良杭周辺の締固め後の軟弱な無機質土壌の間隙比について取得した値eiと、締固め後の土壌の液性指数IL2とに応じて、地盤改良杭周辺の変形係数Ezの最も近い予備値を取得する。次に、地盤改良杭の間隔を中空管状の作業ツールの直径の3倍に等しい間隔とする。
【００３５】
地盤改良杭のこのような間隔は下記を仮定することによって得られる。
【００３６】
(a)地盤改良杭の間隔が中空管状の作業ツールの直径の3倍未満の場合に、水平方向に隣り合う地盤改良杭の一部を変位させるとともに（垂直位置の変動につながる）、地盤の不適切な締固めをもたらしうるため、拡張コースに隣り合う地盤改良杭が重要であると仮定する。
【００３７】
(b)地盤改良杭の間隔が中空管状の作業ツールの直径の3倍未満の場合に、地盤改良杭どうしの間に圧縮不足の領域が生じる可能性がある。
【００３８】
次に、次式を用いて、基礎の等価弾性係数の実平均値を決定する。
【００３９】
【数３】
0006748235.tif 000012
【００４０】
【数４】
0006748235.tif 000013
【００４１】
【数５】
0006748235.tif 000014
【００４２】
【数６】
0006748235.tif 000015
【００４３】
【数７】
0006748235.tif 000016
ここで、Eaveは基礎の等価弾性係数の実平均値であり、βは土壌複合体に対して0.8に等しい側方拡張係数であり、mzは土壌の容積変化率であり、mсは地盤改良杭材料の容積変化率であり、maveは地盤改良杭とその周辺土壌からなる塊の容積変化率であり、Ezは地盤改良杭周辺の無機質土壌の変形係数であり、Есは地盤改良杭材料の変形係数であり、εは坑井の拡張中に締固められる無機質土壌の体積ひずみの値であり、aは地盤改良杭の最終的な半径であり、bは地盤改良杭と、地盤改良杭の間隔の設計値の半分に等しい範囲内の周辺土壌と、からなる塊の半径である。
【００４４】
基礎の等価弾性係数の実平均値を取得して、無機質土壌の変形係数の設計値と比較して、実平均値が設計値よりも小さい場合には、坑井の拡張変形値εiを0.1ずつ繰り返し増加させて、基礎の等価弾性係数の実平均値が設計値に達するか、または土壌改良杭の間隔が中空管状の作業ツールの直径の1.5倍に等しくなるまで、基礎の等価弾性係数の実平均値の算出を繰り返す。
【００４５】
ここで、杭打ち工事中に取得した拡張変形値に対応する坑井半径の増分は次式を用いて算出される:
【００４６】
【数８】
0006748235.tif 000017
ここで、rрは拡張坑井の半径であり、Rは土壌改良杭の間隔の半分に等しい土壌改良杭ごとの影響半径であり、εは坑井の拡張中に締固められた土壌の容積変形の値である。
【００４７】
締固めに必要な土壌改良杭の長さは、少なくとも一層の頂部から底部までの距離に等しく、土壌改良杭は、変形係数が10Mpa未満の軟弱な飽和土を貫通するように打ち込まれ、必要な機械的特性が向上する。土壌改良杭の長さを決定するために、非特許文献1の標準的な手法を用いて、圧縮性層の深さを予め決定する。圧縮性層の下方の境界面が、変形係数が10MPa未満の土壌に該当する場合には、土壌改良杭をその全長に亘って打ち込むのが望ましい。可能ならば、土壌改良杭は、その下端が高い機械的特性を有する土壌に接するような長さにすべきである。地層表面の土台が水平でない場合には、土壌改良杭は、圧縮部材すべての下端の当該地層中への打ち込み長が0.5mを下回らないような長さにすべきである。
【００４８】
次に、中空の作業ツールを打ち込むことによって、土壌改良杭の長さ分だけ、坑井を掘削する。作業ツールの下端は、基礎土壌に打ち込む前に、ダンパーで被覆しておく。また、作業ツールの空洞に締固め材料を充填してから、作業ツールのダンパーを開放して、坑井中に締固め材料を流出させる。作業ツールを圧縮層の高さまで持ち上げた後、作業ツールを圧縮材料の中に押入する。地層中の土壌改良杭の全長まで圧縮材料を繰り返し押入することによって、軟弱な無機質土壌の所望の締固めを達成する。
【００４９】
なお、作業ツールの下端を使い捨ての底部で被覆してもよい。
【００５０】
締固め材料として、砕石、砂、砂利などの不活性材料を使用してもよい。この場合において、締め固めた軟弱土壌よりも著しく高い透水性を有する砂地および粗い砕屑性の土壌は、締固め土壌改良杭の材料として使用することができる。締固め土壌改良杭の材料の坑井に押入後の変形特性は、建設現場において要求される等価弾性係数から決定される。
【００５１】
土壌に土壌改良杭を打ち込む際には、機械的な充溢が発生し易いため、土壌改良杭の材料として砕石や砂を用いることを検討する必要がある。当該材料の組成としては、締め固めた土壌からの粒子が土壌改良杭の本体に浸透するのを阻止できるような組成が選択される。
【００５２】
粘土土壌に土壌改良杭を打ち込む際には、土壌改良杭の透過性が低下するプロセスの進行を遅らせるために、砕石と砂の混合物を用いるのが望ましい。
【００５３】
作業ツールとしては、通常、その中心軸について対称なものが使用される。四角い作業ツール（や断面が、辺数が4より多い正多角形のもの）を使用すると、拡径した杭の形状が円形に近くなる。すべての計算は、本方法に関する断面円形の杭モデルを用いたものである。実際には、断面四角形上の作業ツールが必要な場合は、断面円形に面積が等しいかまたは大きな断面四角形が採用される。これは、坑井に充填されて締め固められる材料の体積に等しくするために必要となる。
【００５４】
更に、地盤改良杭どうしの間の締固められた無機質土壌の変形係数を決定するために、基礎領域で追加のエンジニアリングと地質調査が行われる。締め固めた土壌の等価弾性係数の実平均値を算出し、設計値と比較する。基礎の等価弾性係数の実平均値が設計値に対応しない場合には、先に打ち込んだ土壌改良杭の間委に更に土壌改良杭を打ち込む。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本方法を使用すれば、選定した建設現場で、所望の設計値で、追加コストを要することなく、重要度の高い建築物や構造の基礎の締固めを設計し実行することができる。