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E - 04
鉄鋼スラグによる改良地盤中杭の水平抵抗−スラグの経時変化による影響−

杭の水平抵抗地盤改良載荷試験

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正会員

○本間裕介

広島大学

正会員

冨永晃司

広鉱技建非会員

永井及MSSS

１．はじめに
近年，循環型社会形成推進基本法が制定され，産業廃棄物の有効利用が推進されている．ここに，セメント原料や路盤

10040

た特長（潜在水硬性，膨張性）を生かす用途開発が期待され

20

1.00.50.000

る．すでに，実大杭で行った水平加力実験結果から，鉄鋼スがあることを報告した

1)．引き続き，本報では各養生期間（1,3,6,12 ヶ月目）に，同一杭で行った数回の水平加力実験結果から，経時的に変化する鉄鋼スラグの特性が，杭の水平抵抗

0.01

0.1
110
粒径（ｍｍ）

0100

10経過日数(日）

20

図 2 膨張試験結果
図 1 粒度分布
表 1 三軸圧縮試験結果し，杭の水平抵抗に与える改良効果について研究を行っていラグで杭周地盤を改良することで，杭の水平抵抗を高める効果

1.560

材等で再資源化されている鉄鋼スラグにおいても，その優れている．そこで，筆者らは，杭周辺地盤を鉄鋼スラグで改良

2.0MSSS80試料MSSS
MS/SS

2
内部摩擦角（度）粘着力(kN/m )
養生期間
養生期間
1ヶ月(1M) 3ヶ月(3M) 3M/1M 1ヶ月(1M) 3ヶ月(3M) 3M/1M
144.9
259.5
1.79
53.7
48.4
0.90
45.4
55.8
1.23
49.6
50.0
1.01
3.19
4.65
1.080.97-

表 2 杭の諸元に与える影響について検討した．
２．地盤改良に用いたスラグの特性
地盤改良に用いたスラグは，膨張性が大きい転炉スラグと潜在水硬性がある水杭

杭種節杭B

砕スラグを重量比で 8:2 に混合した混合スラグ（以下 MS と呼称する）と，エージング処理を施し膨張性を小さくした転炉スラグ（以下 SS と呼称する）の 2 種類である．ここに，MS は膨張性とともに水砕スラグによる潜在水硬性も期待するものである．
特性である潜在水硬性および膨張性の経時変化を調べるために，三軸圧縮「土の圧密排水(CD)三軸圧試験 2)および膨張試験を行った．三軸圧縮試験は，

杭径(mm)
肉厚
EI
節部径 軸部径 (mm) (N･mm2)500
400
65 4.20×1013

表 3 実験ケース
杭周改良
表層改良
養生
径
幅 奥行き 深さ
改良材
改良材
(月）mm
mm
Case1
1
砕石 0.75
Case2
1
単杭MS0.75
Case3
1,3,6,12
Case4
1,3,6,12SS220.75
Case5 2本 1,3,6,12SS0.75
23MS0.75
Case6 直列杭 1,3,6,12SS
1.5ケース
名杭縮試験法」(JGS 0524-2000：土質試験の方法と解説 3))に，膨張試験は，JIS A 5015「道路用鉄鋼スN値

0表層改良

0 10 20 30ラグ」に基づいて行っている．用いたスラグの粒度分布を図 1 に示す．三軸圧縮試験の円柱供試

1体は，φ100mm×200mm のモールドにスラグを 4 層に分けて入れ，2.5kg ランマーで最大乾燥密2度となるように 1 層 30 回突き固めて作製し，その後ビニール袋で密閉し養生した．三軸圧縮試験の3測定は，養生期間 1 ヶ月,3 ヶ月,6 ヶ月,12 ヶ月とした．膨張試験の供試体は，φ150mm×125mm

4原地盤N値
置換後N値のモールド内に 3 層に分けて入れ，4.5kg ランマーで最大乾燥密度となるように 1 層 42 回突き5固めて作製した．膨張を促進させるために，その後 80℃温水中に浸して膨張試験を実施し，20(m) 6

杭周改良

7日間毎日膨張量を測定した．
三軸圧縮試験および膨張試験の結果を表 1 および図 2 に示す．なお，三軸圧縮試験の結果は現段8階までに得られている 1,3 ヶ月目までである．表 1 より，粘着力は養生期間の増加に伴って増加す9る傾向があり，その傾向は SS より MS でより顕著であることがわかる．また，粘着力は SS より10MS の方が大きく，養生 1 ヶ月目で 3.19 倍，養生 3 ヶ月目で 4.65 倍大きい値である．内部摩擦角

11においては，養生期間に関わらずほぼ一定の値であり，また両スラグで有意な差は見られない．

12SS の膨張比は MS の約 25％程度であり，エージング処理の効果により膨張量が抑えられている

13シル ト

鉄筋ひずみ計単位(mm )ことが分かる．これらの試験結果から，スラグの特性が経時的に変化することが確認できる．

図 3 柱状図と３．水平加力実験概要および実験方法

試験杭の姿図実験概要および実験方法などの詳細は，文献 1)と同様である．したがって，本報ではその概要のみ示したので，詳細については文献 1)を参照されたい．
姫路市広畑区（広畑製鉄所構内）に位置する実験地盤の土質柱状図を図 3 に示す．表層部の地盤条件は杭の水平抵抗に支配的であるため，試験杭の施工後，表層付近(G.L.-1.5m まで)に堆積したスラグや鉄クズを砂地盤(N 値 4)に置換した．
これ以深 G.L.-10m までは，N 値 0〜8 程度のシルトおよびシルト混じり砂で構成されている．試験杭は，表 2 に示すような節部径 500mm，軸部径 400mm，杭長 13m の PHC 節杭であり，12 断面において対面にストレインゲージを貼付した鉄筋ひずみ計を取り付けている．一連の水平加力実験は，表 3 に示す 6 ケース実施されており，本報では，杭全長のLateral resistance of piles in ground improved by compaction method with iron and steel slag
HOMMA Yusuke(GEOTOP Corporation), TOMINAGA Koji(Hiroshima Univ.), NAGAI Oyobu(HIROKOU-GIKEN Co.,Ltd.)- 1565 -周面地盤のみ改良（以下，杭周改良と呼称）した Case2 と 3 および杭周改良と杭周地表面付近の地盤改良(以下，表層改良と呼称)を施した Case4 の結果について述べる．Case2 と 3 は同じ仕様であり，杭全長にわたり節部径の 1.5 倍大きな改良径で杭周改良を施している．Case4 は，Case2,3 に幅 2.0m×奥行き 2.0m×深さ 0.75m の表層改良を施した仕様である．なお，地表面付近に膨張性の大きなスラグを用いると，基礎スラブ等に悪影響を与える懸念があるため，実際の基礎構造物への適用を考慮して地表面から 0.75m(節部径 D0 の 1.5 倍)のみ膨張性の少ない SS を用い，それ以深は MS を用いた．試験杭の施工および杭周改良は，特殊な締固め用ケーシングを用いたプレボーリング埋込み工法 1)により同時に行い，その後，改良範囲をスラグで置換し，バイブロランマーで十分締め固めて表層改良を施した．
加力は土質工学会基準に準じて，一方向段階載荷方式で行った．Case2 は，養生１ヶ月(1M)目に杭がほぼ終局状態に至る荷重まで実施し，Case3 および 4 は，各養生期間 1 ヶ月(1M)，3 ヶ月(3M)，6ヶ月(6M)目に表層改良部に損傷が生じない程度の荷重に抑えて数回実施し，養生

60

12 ヶ月(12M)目において終局状態に至る荷重まで実施した．以降，養生期間は括50

弧内の記号で呼称する．

4030

４．スラグの経時変化が杭の水平抵抗に及ぼす影響

Case3 養生１M
Case3 養生3M
Case3 養生6M
Case3 養生12M

20

スラグの経時変化が杭の水平抵抗に及ぼす影響について検討する．各養生時に10おける Case3 と 4 の荷重-変位関係を図 4 と 5 にそれぞれ示す．なお，12M の荷重00-変位関係は荷重 50kN までの関係を示している．図 4 より，Case3 の荷重-変位関12変位(mm)34

図 4 荷重-変位関係(Case3)

係は，1M と 3M で同程度の傾向を示すが，3M 目からは養生期間の増加に伴って60水平剛性(実験終了時の荷重/変位)が増加することがわかる．また，図 5 より，Case450の水平剛性は 1M 目から養生期間の増加に伴って増加し，その増加の割合は Case34030より大きいことが確認できる．
Case3 と 4 の初期水平地盤反力係数-変位関係を図 6 と 7 にそれぞれ示す．初期水平地盤反力係数は，実験から得られた荷重-変位関係を用いて弾性支承梁法により逆算して求めた．図 6 と 7 には，初期地盤反力係数と変位の関係を累乗近似しCase4 養生1M
Case4 養生3MCase4 養生6M
Case4 養生12M

201000に示している．表 2 より Case3 と 4 ともに養生期間が増加すると水平地盤反力係数 kh4 も増加していることがわかる．1M に対する 12M の割合は，Case3 で 1.70，Case4 で 2.57 である．このことから，スラグの経時変化によって水平地盤反力係数が増加することが確認できる．また，Case3 に対する Case4 の割合は，1M で1.10，12M で 1.67 であり，1M では杭周改良に比べて表層改良を施した効果があまり見られなかったが，スラグの経時変化により，表層改良を施した効果が明確に現れる結果となった．
杭が終局状態に至るまで加力した Case2(1M)，Case3(12M)および Case4(12M) で得られた荷重-変位関係をそれぞれ比較して図 8 に示す．図 8 から，1M に実施した Case2 の荷重-変位関係は，他の 2 ケースより早い段階から非線形性を呈していること が確 認できる ．終局 状態に 至った 荷重（以 下， 最終荷重 と呼 称）はCase2(169kN)<Case3(223kN)<Case4(247kN)の順で，最終荷重時に発生した変位（以すると，Case3 は Case2 に対して最終荷重で約 1.3 倍，最終変位で約 0.9 倍の値となっており，スラグの経時変化により杭の終局耐力も向上したことが確認できる．
また，12M 目においても，Case4 の最終荷重は Case3 に対して約 1.1 倍の値であることから，杭の終局耐力の向上に与える表層改良の効果は小さいことがわかる．

4水平地盤反力係数k h41501005000123
変 位 (mm)45

図 6 地盤反力係数-変位関係(Case3)
養生1M
養生3M
養生6M
養生12M400350300250200150100500

水平地盤反力係数k h40123変位(mm)45

図 7 地盤反力係数-変位関係(Case4)
表 2 水平地盤反力係数 kh4
養生
期間1M3M6M
12M

3水平地盤反力係数kh4(MN/m )
Case3
Case4
Case4/Case3
52.4 (1.00) 57.8 (1.00) 1.10 (1.00)
55.5 (1.06) 82.5 (1.43) 1.49 (1.35)
67.7 (1.29) 123.1 (2.13) 1.82 (1.65)
89.0 (1.70) 148.3 (2.57) 1.67 (1.52)

300 荷 重 速 度 を 上 げ

５．おわりに

3

養生1M
養生3M
養生6M
養生12M

400
350
300
250200下，最終変位と呼称）は，Case4(67mm)<Case3(73mm)<Case2(78mm)の順で大きくなっている．同じ仕様であり，実験を行った養生期間が異なる Case2 と 3 を比較

2変位(mm)

図 5 荷重-変位関係(Case4)て求めた曲線も付記した．付記した累乗近似曲線から求めた変位 4.0mm(杭径の1%)時の水平地盤反力係数 kh4 を表 2 に示す．同表には，1M の値との比を括弧内

1て連続的に載荷

鉄鋼スラグにより改良された地盤中の杭の水平抵抗は，スラグの経時変化に伴250って増大することを確認した．特に，スラグの経時変化によって，杭周改良に対200して表層改良を施した効果が，水平地盤反力係数の増大として明確に現れた．最150後に，試験場所の提供など多大なご協力を頂きました新日本製鐵(株) 広畑製鉄所

100

Case2； 養 生 1M
Case3； 養 生 12M
Case4； 養 生 12M

50

設備部 道下恭博氏，他関係者各位に感謝いたします．
参考文献；1) 本間裕介他：｢鉄鋼スラグによる改良地盤中杭の水平抵抗増大効果確認実験｣ 第 49 回地盤工学シンポジウ
ム 2004.11,pp.165-172 2) 玉井智子他：｢製鋼スラグの力学的性質に関する基礎的実験(その１実験概要〜その２実験結果とその考察)｣ 日本建築学会中国支部研究報告集〔現在投稿中〕 3) 地盤工学会編：｢土質試験の方法と解説｣- 1566 -0050
水平変位(mm)

図 8 荷重‐変位関係100