(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
土中水との水和反応によりその体積が膨張する物質を含む改良材を地中にパイル状に打設し、前記パイル状改良材の頭部近傍に温度センサを設置するとともに該パイル状改良材の頭部に上載圧作用手段により上載圧を加え、前記温度センサの計測値から前記水和反応が終了したことを確認した後に、前記上載圧を除荷して軟弱地盤を改良することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項２】
請求項１記載の地盤改良工法において、
前記上載圧作用手段は、膨張性袋体であり、
前記パイル状改良材の頭部と地表面との間に空打ち部分を形成して前記膨張性袋体を設置し、流体圧を作用させて前記膨張性袋体を膨張させることにより、前記地中に打設されたパイル状改良材に上載圧を加えることを特徴とする地盤改良工法。
【請求項３】
請求項２記載の地盤改良工法において、
前記膨張性袋体は、上部において水平方向に膨張して周囲の地盤に圧力を加える上部膨張部と、下部において下方に膨張して前記パイル状改良材の頭部に圧力を加える下部膨張部と、を有することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項４】
請求項１記載の地盤改良工法において、
前記上載圧作用手段は、金属製重錘であることを特徴とする地盤改良工法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の地盤改良工法において、
前記上載圧を０．１５ｋｇｆ／ｃｍ2 以上とすることを特徴とする地盤改良工法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の地盤改良工法において、
前記水和反応によって膨張する物質は、石灰石を１２００〜１５００℃の高温で焼成して得られる硬焼生石灰であることを特徴とする地盤改良工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水和反応によって体積が膨張する材料（例えば生石灰）をパイル状に打設して軟弱地盤を改良する地盤改良工法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来より、軟弱な地盤を改良する工法として生石灰杭工法が知られている。この工法は、生石灰を主成分とする地盤改良材をケーシングを用いて地盤中に杭状に打設し、生石灰の水和反応による吸水効果と膨張作用による圧密効果によって地盤を改良するものである。
【０００３】
詳しくは、特開平４−８３０１２号公報の第１図に示されるように、杭打機によりケーシングを軟弱地盤に打ち込み、生石灰を含む地盤改良材をケーシング内に充填し、このケーシングを引き抜くことでパイル（杭）を打設する。そして、パイルの生石灰が膨張することで地盤を締め固めるようにしている。
【０００４】
ここで、パイルは、地表面まで打設されるのではなく所定深度まで打設して、パイルの頭部から地表面までを空打ち部としていた。そして、この空打ち部に土を埋め戻して上載圧を作用させることで、パイルが膨張するときに、その膨張力が地表面へ逃げないようにしていた。
【０００５】
しかし、空打ち部が地表面から浅い領域に形成される場合（例えば深度２ｍ未満）には、生石灰の膨張圧に対して空打ち部の上載圧が小さいので、地表面が盛り上がってしまい膨張圧が逃げてしまう。そうすると、地盤を締め固める効果が劣ることとなる。
【０００６】
要するに、水和反応によって膨張する物質を用いた軟弱地盤改良工法においては、浅い空打ち部では十分な効果が得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、この問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、浅い空打ち部でも膨張による締め固め効果を十分に得られる地盤改良工法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、土中水との水和反応によりその体積が膨張する物質を含む改良材を地中にパイル状に打設し、前記パイル状改良材の頭部近傍に温度センサを設置するとともに該パイル状改良材の頭部に上載圧作用手段により上載圧を加え、前記温度センサの計測値から前記水和反応が終了したことを確認した後に、前記上載圧を除荷して軟弱地盤を改良することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、膨張性の改良材を地盤内にパイル状に打設した後に、その上部に上載圧作用手段を載置することにより、その重量もしくは加圧力に相当する荷重が改良材に上載圧として作用し、低密度・圧縮性の埋め戻し土に比べて非圧縮性で信頼性の高い押さえ効果が得られるので、改良材の膨張作用による水平方向の圧密効果・締め固め効果が著しくなる。
【００１０】
また、本発明では、温度センサをパイル状改良材の頭部近傍に設置する。したがって、温度変化を見て水和反応の終了を確認することができ、この確認を行ってから上載圧作用手段を除荷するので、パイル状改良材の締め固め効果を確実に得ることができるとともに、上載圧作用手段を効率的に転用することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の地盤改良工法において、
前記上載圧作用手段は、膨張性袋体であり、
前記パイル状改良材の頭部と地表面との間に空打ち部分を形成して前記膨張性袋体を設置し、流体圧を作用させて前記膨張性袋体を膨張させることにより、前記地中に打設されたパイル状改良材に上載圧を加えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、空打ち部分に設置された膨張性袋体を流体圧にて膨張させることで、パイル状の地盤改良材に上載圧を加えることとしている。そして、上載圧が加えられることで、地盤改良材に含まれる生石灰等の水和反応によって膨張する物質は、載荷重の大きさに対応してパイル強度が大きくなるとともに、鉛直方向よりも水平方向への体積膨張が卓越して、杭周辺地盤への静的な締め固め効果が向上する。こうして、強度の大きなパイルを形成して、軟弱地盤を改良させることできる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の地盤改良工法において、前記膨張性袋体は、上部において水平方向に膨張して周囲の地盤に圧力を加える上部膨張部と、下部において下方に膨張して前記パイル状改良材の頭部に圧力を加える下部膨張部と、を有することを特徴とする。
【００１４】
この膨張性袋体によれば、下部膨張部が下方に膨張するのでパイルの頭部に上載圧が加えられる。そして、上部膨張部は、水平方向に膨張して周囲の地盤に圧力を加えるので、地盤との間の摩擦により上方に移動しようとする力に対抗できるようになっている。そうすると、上部膨張部によって改良材の膨張力が上方に逃げないようにして、下部膨張部により上載圧を加えることができる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の地盤改良工法において、前記上載圧作用手段は、金属製重錘であることを特徴とする。
【００１６】
本発明のように、金属製重錘を使用すれば、例えば円柱状に形成することが容易であり、パイル状改良材の空打ち部分に容易に遊挿可能であり、空打ち部分が僅少であっても確実にパイル状改良材に載置することができる。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の地盤改良工法において、前記上載圧を０．１５ｋｇｆ／ｃｍ2 以上とすることを特徴とする。このような大きさの上載圧を作用させることによって、パイル状改良材そのものの強度を向上させることができる。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の地盤改良工法において、前記水和反応によって膨張する物質は、石灰石を１２００〜１５００℃の高温で焼成して得られる硬焼生石灰であることを特徴とする。
【００１９】
このような高温で焼成された硬焼生石灰は水和速度が遅いことが知られており（特開平４−８３０１２号公報参照）、地下水が豊富で透水性の砂質土地盤の改良に適用しても、適度な速度で水和反応が生じるようになる。
【００２０】
この点、従来の生石灰によれば、水和速度が速すぎるので、砂質土地盤においては、ケーシングを抜き取る前に地下水と反応して膨張してしまって地盤改良材をパイル状に打設できないという問題があったので、請求項６記載の発明はこの問題を解決できるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本実施の形態に係る地盤改良工法は、水和反応によって膨張する地盤改良材を杭状に打設して軟弱地盤を改良するものである。
【００２３】
図１は、実施の形態に係る地盤改良工法の工程を説明する図であり、（ａ）〜（ｇ）の順で地盤改良が行われる。
【００２４】
すなわち、まず、（ａ）に示すように地盤改良をしようとする軟弱地盤５２にケーシング１０を立てて、（ｂ）に示すようにこれを回転させて徐々に土中に貫入させる。そして、（ｃ）に示すようにケーシング１０が所定の深さに達すると、この回転を止めて、サイドホッパー１２からケーシング１０内に所定量の地盤改良材を投入する。次に、（ｄ）に示すようにシュー１４を開いてコンプレッサ１６からケーシング１０内に圧気を送りながら、このケーシング１０を回転させて引き抜いていく（同図（ｅ））。こうして、（ｆ）に示すように、土中に杭２０の打設が完了する。
【００２５】
そして、本実施の形態では、（ｇ）に示すように、膨張性袋体３０を杭２０の頭部上の空打ち部２２に設置して、杭２０に上載圧を加える。
【００２６】
図２は、膨張性袋体３０の拡大側面図である。同図に示すように、この膨張性袋体３０は、上部膨張部３２と下部膨張部３４とを有する。
【００２７】
上部膨張部３２は、上述したケーシング１０によって形成される穴に入れられる大きさの円柱状をなし、上面に設けられた吹込口３６から空気を入れると、破線で示すように周面３２ａが膨らむようになっている。そして、杭２０の頭部上の空打ち部２２（図１参照）に、周面３２ａが穴の内面を向くように膨張性袋体３０を設置し、上部膨張部３２を膨らませると、その周面３２ａは周囲の地盤に圧力を加えることができる。なお、空気の替わりに水を用いることにより、水の重量分も載荷重として作用するので都合がよい。
【００２８】
こうして、上部膨張部３２が空打ち部２２内で膨張すると、その周面３２ａと地盤との摩擦によって、膨張性袋体３０は地表方向に抜けにくくなる。逆に言うと、膨張性袋体３０が抜けにくくなる程度の摩擦力が得られるように、周面３２ａの大きさ、材質を設計しておく必要がある。
【００２９】
次に、下部膨張部３４は、じゃばら状をなして上部膨張部３２の下面に設けられるもので、吹込口３８から空気を吹き込むと、図２において矢印で示す方向に伸びるようになっている。なお、その伸長距離は、伸び制限バンド３４ｂによって制限されて、伸びすぎによる破損が防止されている。
【００３０】
そして、空打ち部分２２（図１参照）に膨張性袋体３０を配置して、上部膨張部３２によって反力をとって、下部膨張部３４を膨らませると、その下面３４ａは杭２０の頭部を押しつけるように作用する。
【００３１】
以上のようにして、本実施の形態によれば、膨張性袋体３０によって杭２０に上載圧を加えられるようになっている。
【００３２】
ここで、上載圧として杭２０に対して０．１５kgf/cm2 以上が好ましい。そして、杭２０の径を５０cmとすると、必要な押しつけ力は、
０．１５kgf/cm2×（５０cm×５０cm×π／４）＝２９４kgf
となる。このような押しつけ力を得るためには、上部膨張部３２によって２９４kgf 以上の摩擦力（反力）がとれるようにする必要がある。そこで、このような摩擦力を得るための条件を計算すると、次のようになる。
【００３３】
膨張性袋体３０の上部膨張部３２の形状を、半径５０cmで高さ３５cmの円柱状のものとすると、その周面の面積は、
５０×π×３５＝５４９５ cm2
となり、その材質をゴムであるとし、地盤との摩擦係数を０．２とし、空気圧を０．３kgf/cm2 とすると、摩擦力（反力）は、
０．３×５４９５×０．２＝３３０kgf
となり、２９４kgf 以上の摩擦力をとれることが分かる。
【００３４】
そして、下部膨張部３４については、その径を４０cmとし、空気圧を０．３kgf/cm2 とすれば、４０×４０×π×１／４×０．３＝３７７kgf
となるので、２９４kgf 以上の押しつけ力が得られることとなる。したがって、膨張性袋体の全長としては約４０cm程度でよいことになり、空打ち部分２２が１ｍ程度あれば十分な反力がとれることになる。
【００３５】
こうして、地盤改良材によって所定間隔で複数の杭２０を打設すると、杭２０がその周囲の土中の水分を吸収するとともに、杭２０が膨張して杭２０間の地盤を圧縮し、さらに杭２０自体も硬化することで、地盤を改良することができる。しかも、地盤改良材からなる杭２０には、上載圧が加えられているので、一層大きな強度のパイルとなって地盤を改良することとなる。
【００３６】
なお、膨張性袋体３０は、必要な上載圧を加える期間が経過すると空気を抜いて引き上げられ、空打ち部分２２には、現場の土を詰めるなどしておく。
【００３７】
次に、本実施の形態で用いられる地盤改良材について説明する。前記改良材は、地盤５２の性質によって適宜その成分を変更することができる。例えば、粘性土地盤の場合には、脱水による改良効果が顕著であるため、軟焼生石灰が主成分（重量比：６０％以上）となり、改良材の密度を高めて膨張圧を高くするため砂を３０重量％程度まで混合する事があり、また、パイル強度を強化し複合地盤改良効果を発揮するため、セメント系の固化材を１０〜２０重量％添加することもある。
【００３８】
一方、地盤５２が、地下水位以深の緩い砂質土地盤の場合には、硬焼生石灰を主成分として用いる。該硬焼生石灰は、石灰石を１０００℃以上の高温で加熱して焼成したものである。
【００３９】
日本石灰協会の定めた活性度判定法による塩酸滴定１０分値が３００ｃｃ以下のものを用いる。日本石灰協会法に基づく試験方法（生石灰を１〜５ｍｍに整粒し、これを一定の温度の水に投入した後に、４Ｎ−Ｈｃ１で中和する時の４Ｎ−Ｈｃｌの消費量）をもって活性度を判定する。
【００４０】
前記軟焼生石灰と硬焼生石灰の物理特性の一例を表にして示す。
【００４１】
0003820302.tif 000002
そして、前記硬焼生石灰に、主として地盤を水平方向に押圧して締め固める膨張効果を期待する場合には、硬焼生石灰を２５重量％〜７０重量％、ドレーン材としての作用をさせるため砂等の透水性材料を２０重量％〜６５重量％、固化材を１０重量％〜３０重量％とし、更に、この硬焼生石灰の粒径を２ｍｍ以上の粗粒とすることが好ましい。
【００４２】
他方、前記硬焼生石灰に、主としてパイル強度を確保したい場合には、硬焼生石灰を２０重量％〜３０重量％、骨材を４０重量％〜６０重量％、固化材を１０重量％〜３０重量％とし、更に、この硬焼生石灰の粒径を５ｍｍ以下の細粒とすることが好ましい。
【００４３】
このような改良材を前記サイドホッパー１２に投入し、ケーシング１０を引き抜きながらその先端開口部からコンプレッサー１６による圧気でパイル状に充填する。これによりケーシング引き抜き後の孔内に外径約５０ｃｍのパイルが低振動・低騒音で造成される。
【００４４】
前記改良材が土中に充填されると、土中水と主成分の生石灰とが短時間に消化反応を生じ、（Ｃａｏ＋Ｈ2Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）2＋１５．６ｋｃａｌ／モル）、重量比で１．３２倍、体積比で１．９９倍の消石灰となる。そして、パイル体積の増加にともなって、パイル周辺士とのサクションが平衡するまで、消石灰の空隙部に土中水が吸収される。
【００４５】
このような生石灰の作用により、軟弱な粘性度地盤は脱水され、強度が増加するという改良効果となってあらわれる。
【００４６】
一方、砂質土地盤を改良するために用いる前記硬焼生石灰を主成分とした改良材では、硬焼生石灰が土中水と直ちに水和反応することはなく、例えば、３０分程度時間経過した後に反応するので、地下水以深の砂質土地盤にパイル状に打ち込んで柱状体を造成できる余裕がある。
【００４７】
よって、前記硬焼生石灰を主成分とした改良材であれば、砂質土地盤に対しても適用が可能であり、砂質土地盤に適用できない軟焼生石灰を主成分とする改良材に対して、互層の地盤や砂分を多く含む粘性土地盤にも有効な地盤改良工法となる。
【００４８】
次に、このような地盤改良材を用いた場合のパイル強度について、実験データに基づいて説明する。
【００４９】
図３は、セメント添加率とパイル強度との関係を示すグラフである。この実験データは、ｐ＝０．０５kgf/cm2 の上載圧を加えて材令２８日間とした場合の杭のパイル強度が、セメント系固化材の添加率によってどう変化するかを示すものである。そして、グラフから明らかなように、セメント系固化材の添加率が上がるに従って、パイル強度は大きくなる。
【００５０】
次に、図４は、遅延性生石灰の粒径とパイル強度との関係を示すグラフである。この実験データは、ｐ＝０．２５kgf/cm2 の上載圧を加えた場合の杭のパイル強度が、遅延性生石灰の粒径によってどう変化するかを示すものである。そして、グラフから明らかなように、遅延性生石灰の粒径が大きくなるに従って、パイル強度は小さくなる。つまり、遅延性生石灰の粒径は小さい方がパイル強度が大きくなる。特に、遅延性生石灰の粒径が２ｍｍ以下の場合に大きなパイル強度を得られるという結果になっている。
【００５１】
次に、図５は、上載圧とパイル強度との関係を示すグラフである。この実験データは、セメント添加率ｓ＝２０％で材令１４日とした場合の杭のパイル強度が、上載圧によってどう変化するかを示すものである。そして、グラフから明らかなように、上載圧が大きくなるに従って、パイル強度は大きくなり、好ましい上載圧として０．１５kgf/cm2 以上であることが分かる。
【００５２】
次に、図６は、地盤改良材の消化反応について説明するグラフである。具体的には、地盤改良材を打設してからの経過時間と温度との関係、及びその経過時間と膨張圧力との関係を示している。
【００５３】
このグラフから明らかなように、地盤改良材を打設してから、約３０〜６０時間程度経過すると消化反応が終了することが分かる。
【００５４】
したがって、本実施の形態では、地盤改良材を打設して約３０〜６０時間程度は、上記膨張性袋体３０によって上載圧を加えたままにしておき、かかる時間が経過して消化反応が終了してから膨張性袋体３０を除去する。
【００５５】
こうすることで、消化反応中は、継続して地盤改良材に圧力を加えられるので、パイル強度を向上させるうえで最大の効果を達成することができる。
【００５６】
消化反応が終了したことは、上記膨張性袋体３０に温度センサを設けておき、温度変化をみることで確認することができる。温度センサについては、第２の施形態において説明する。
【００５７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について図面を参照して説明する。本発明の第２の実施形態では、図７に示すように、予め重錘５１が用意される。
【００５８】
この重錘５１は、金属製で円柱状であり、例えば、その直径が約４０ｃｍで高さが約６０ｃｍ程度で、重量が約６００ｋｇｆである。
【００５９】
そして、前記重錘５１の円柱状体の側面には、長手方向に沿って切欠き部５１ａが設けられ、この切欠き部５１ａには、重錘５１の下部に温度センサ５１ｂが配設され、該温度センサ５１ｂの一端にリード線５１ｃが電気的に接続され、更に、このリード線５１ｃは切欠き部５１ａに沿って敷設され、その端部が制御装置に接続されている。
【００６０】
切欠き部５１ａには、前記温度センサ５１ｂとリード線５１ｃとを保護すべく、金属製，合成樹脂製若しくはゴム製の保護カバー５１ｄが全長に亘って被覆されている。この保護カバー５１ｄは、耐熱性でかつ着脱自在であることが好ましい。
【００６１】
また、前記重錘５１の上部には、この重錘５１を揚重機、例えば、トラッククレーン５４のフックに懸吊するための係止部５５が設けられている。
【００６２】
本実施形態における地盤改良工法では、第１の実施形態において説明したような施工手順（図１参照）で、改良材を改良対象の地盤５２中に杭状に打設する。
【００６３】
そして、地盤５２への改良材の充填が終了したら、図１（ｇ）における膨張性袋体３０の代替として、クレーン等で吊り上げて運搬した金属製の重錘５１を静かに空打ち部２２に遊挿して載せる。
【００６４】
このとき、改良材が地表面近くまで充填されていても、円柱状の金属製重錘であるために、改良材の上部に載置することができる。
【００６５】
この重錘５１を改良材（硬焼生石灰を主成分とした改良材）の上載圧として作用させるものであるが、この実施形態の重錘５１は、その重量が約６００ｋｇｆで、０．３ｋｇｆ／ｃｍ2 の鉛直荷重となる。
【００６６】
この上載圧により、改良材の主成分である硬焼生石灰が消化反応して、体積が約２倍の消石灰になって、水平方向への膨張圧（静的な締め固め力）が、鉛直方向に逃げることなく効率的に地盤５２に作用する。
【００６７】
よって、改良材を地中に多数のパイル状に打設したことで周辺地盤が締め固められ、打設時に生じた過剰間隙水圧が消石灰の水和反応によって消散され、重錘５１の上載圧によって水平万向の膨張圧による静的締め固めの効果が更に発揮される。
【００６８】
そして、地盤５２の密度が増大すると共に、剪断強さも増加して液状化抵抗が増大するものである。
【００６９】
図８及び図５に、地盤改良された地盤５２のＮ値が増大している様子、及びパイル強度の増大の様子を示す。パイル強度は、上載圧が増加すると大きくなる。
【００７０】
その効果は、０．１５ｋｇｆ／ｃｍ2 以上の上載圧が作用するときに特に顕著である。
【００７１】
また、前記重錘５１には、温度センサー５１ｂが設けられており、これと電気的に接続された制御装置のモニターを見て、改良材の水和反応による温度上昇を監視する。
【００７２】
そして、図６に示すように、前記水和反応による温度上昇が急激に高まるとともに膨張圧も急激に上昇し、その後、緩やかに温度及び膨張圧が下降していくようになったら、水和反応が終了したとみなすことができる。
【００７３】
そこで、例えば、温度が下降してある設定温度になるとアラーム手段で警報やアラーム表示をするようにしても良く、重錘５１を再びクレーン等で吊り上げて、この童錘５１を後工程で打設されたパイルに転用する。
【００７４】
こうして、水和反応の終了を定量的に把握できる。なお、好ましい例として、水和反応終了後も１日以上載置しておく。
【００７５】
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る地盤改良工法の工程を説明する図である。
【図２】膨張性袋体の拡大側面図である。
【図３】セメント添加率とパイル強度との関係を示す図である。
【図４】生石灰の粒径とパイル強度との関係を示す図である。
【図５】上載圧とパイル強度との関係を示す図である。
【図６】地盤改良材の消化反応について説明する図である。
【図７】本発明の地盤改良工法に使用する重錘の斜視図である。
【図８】地盤が改良される前後のＮ値の変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１０  ケーシング
２０  杭（パイル状改良材）
２２  空打ち部分
３０  膨張性袋体（上載圧作用手段）
３２  上部膨張部
３４  下部膨張部
５１  重錘
５１ｂ  温度センサ
５２  地盤
【図１】
0003820302.tif 000003
【図２】
0003820302.tif 000004
【図３】
0003820302.tif 000005
【図４】
0003820302.tif 000006
【図５】
0003820302.tif 000007
【図６】
0003820302.tif 000008
【図７】
0003820302.tif 000009
【図８】
0003820302.tif 000010