JP3046540B2 - 地盤の改良方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は地盤の改良方法に関
し、特に、砂質地盤を締め固めることによって地盤を改
良する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】原地盤の土より透水係数の大きいドレー
ン材を用いて複数のドレーン柱を原地盤に形成し、水圧
入用のパイプを前記ドレーン柱から間隔をおいて配置
し、脈動する水を前記パイプから地盤に圧入する地盤の
締め固め方法が提案されている（特開平2-308007号公
報）。

【０００３】前記締め固め方法では、水圧入用パイプか
ら流れが脈動する水を地盤中に圧入すると、間隙水圧が
上がり、各土粒子間に働く有効応力が減るため、土粒子
の相互移動が容易になる。さらに、水の流れの脈動は、
移動容易となった土粒子にさらに振動を与える。その結
果、砂質地盤は液状化を起こし、間隙水をドレーン柱か
ら排水し、下向きの浸透圧を利用することにより砂質地
盤を締め固める（公報２頁上右欄１５行〜下左欄３
行）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記締め固
め方法ばかりでなく、たとえば、本出願人により別途出
願されている（特願平6-277192号）、圧力水の地盤への
流出と地盤からの吸水とを繰り返すことによって地盤を
締め固める方法においても、地盤に流出する水の圧力が
高いほどより優れた効果を奏することができる。しか
し、地盤に流出する水の圧力は、地上に設置するポンプ
その他の圧力源の容量によって定まり、この圧力源の容
量に基づいて設備の配管その他の耐圧構造が定まってい
るため、地盤に流出する水の圧力を高くすることは、設
備費の高騰の原因となっている。主としてこの理由によ
り、地盤に流出すべき水の圧力を高くすることが制限さ
れている。

【０００５】本発明は、水撃作用を利用することによっ
て地盤に噴出する水の圧力を高めることができ、設備費
への影響を抑えることができる、地盤の改良方法を提供
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】本発明に
係る地盤の改良方法は、水の循環通路と、この循環通路
に配置した遮断弁と、この遮断弁を閉じたとき前記循環
通路の水を外部に噴出させる開放手段とを備えるパイプ
を地盤に挿入する。次いで、前記循環通路に水を循環さ
せ、水の循環中に前記遮断弁を瞬時に閉じて前記循環通
路に水撃作用を起こさせる。この水撃作用によって前記
開放手段を開放し、前記循環通路の水を前記地盤に噴出
させる。

【０００７】循環通路の遮断弁を瞬時に閉じると、遮断
弁より上流側の循環通路では圧力が急激に上昇する水撃
作用が発生する。この水撃作用の圧力上昇よって開放手
段が開放されるため、循環通路の水は地盤に噴出する。
これによって、地盤の締め固めその他の地盤改良を行
う。

【０００８】循環通路を循環する水は加圧され、圧力を
持っているが、その圧力は循環通路に水の適当な循環を
起こさせる大きさであればよく、地盤に噴出させるべき
水の圧力と比べて低い圧力である。したがって、循環通
路に連なる圧力源の容量や、この容量に基づく循環通路
その他の耐圧構造は、水撃作用の影響が及ぼされる範囲
を除いて、低い圧力に基づいて定めることができること
と、循環通路と遮断弁と開放手段とを備える簡単な構造
のパイプを使用して本発明に係る地盤の改良方法を実施
できることから、設備費を抑えることができる。また、
循環通路の水の流速を変えることにより、水撃作用によ
って発生する水撃力を広い範囲で調整できるため、地盤
に噴出させるべき水の圧力調整を簡単に行うことができ
る。また、水撃作用によって上昇する高い圧力を有する
水を短い時間噴出するだけであるため、少ない水で地盤
の締め固め効果を高めることができる。

【０００９】地盤に地下水の流れがある場合など、地盤
に噴出された水は地下水によって排出されると考えられ
る。しかし、地下水の流れがない場合、地盤から吸水す
ることが必要である。このような地盤において、本発明
は、第１の態様では、水の循環通路と、この循環通路に
配置した遮断弁と、この遮断弁を閉じたとき前記循環通
路の水を外部に噴出させる開放手段と、吸水通路とを備
えるパイプを地盤に挿入することにより実施される。第
２の態様では、水の循環通路と、この循環通路に配置し
た遮断弁と、この遮断弁を閉じたとき前記循環通路の水
を外部に噴出させる開放手段とを備える第１のパイプを
地盤に挿入し、この第１のパイプの挿入に先だって、又
は挿入と並行して吸水通路を備える第２のパイプを地盤
に挿入することにより実施される。いずれの態様でも、
前記循環通路に水を循環させ、水の循環中に前記遮断弁
を瞬時に閉じて水撃作用を起こさせる。この水撃作用に
よって開放手段を開放し、循環通路の水を前記地盤に噴
出させる一方、前記吸水通路を経て地盤から水を吸い上
げる。

【００１０】第１の態様によれば、水の地盤への噴出
と、地盤からの吸水とを単一のパイプによって行うこと
ができることから、簡便な地盤改良方法を提供する。こ
れに対し、第２の態様によれば、第２のパイプを第１の
パイプから適切な間隔をおいて挿入することができるた
め、吸水を効率よく行うことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】パイプは二重チューブの形態で形
成することが好ましく、この場合、外側のチューブを保
護用として使用し、内側のチューブを循環通路として使
用する。内側のチューブは、外側のチューブの下端に対
応する部分で180 °折り曲げ、外側のチューブの実質的
に２倍の長さを持つように形成する。内側のチューブに
開と閉との２つの位置をとる電磁作動弁を取り付け、遮
断弁とする。遮断弁の上流側で水撃作用の及ぶ範囲内に
補助管と、弁とからなる開放手段を取り付ける。補助管
は内側のチューブから外側のチューブに伸び、循環通路
と地盤とを連通する。一方、弁は安全弁と同じ構造とす
ることができる。すなわち、水が循環通路内を循環して
いる圧力では閉じているが、水撃作用が起こったとき、
それによって発生する圧力では開き、水を循環通路から
補助管を経て地盤に向けて噴出させる。遮断弁と開放手
段との組合せを循環通路に沿って複数設けておく。

【００１２】水の噴出だけでなく、吸水をもパイプによ
って行う場合、前記二重チューブの内側のチューブと外
側のチューブとの間の空間を吸水通路として使用するこ
とができる。さらに、パイプを三重チューブの形態と
し、最も内側のチューブ及びこの内側のチューブと中間
のチューブとの間の空間を循環通路として使用し、中間
のチューブと外側のチューブとの間の空間を吸水通路と
して使用することができる。

【００１３】改良すべき地盤にパイプを振動、圧入その
他のそれ自体公知の方法で挿入する。そして、循環通路
の一方の端部を水槽に浸けると共に、循環通路の他方の
端部をポンプに接続し、ポンプを駆動して水を循環通路
に循環させる。循環する水の流れが定常となったとき、
たとえば、一番下の遮断弁である電磁作動弁を瞬時に閉
じて流れを遮断し、水撃作用を起こさせる。そうする
と、循環通路の水の圧力が高くなるため、前記遮断弁に
関連する開放手段の弁が開いて循環通路の水は高い圧力
状態で地盤に噴出し、地盤を締め固める。水撃作用がわ
ずかの時間経過後に解消すると、循環通路の水の圧力が
低くなるため、開放手段の弁が閉じ、循環通路の水は再
び循環を開始する。この循環流れが定常となったとき、
下から二番目にある遮断弁を瞬時に閉じて水撃作用を起
こさせる。その後、循環通路の上流側にある遮断弁につ
いて順次同じ操作を繰り返す。

【００１４】

【実施例】本発明に係る地盤の改良方法では、特殊な形
態のパイプ２０を使用する。パイプ２０は、断面状態を
示す図２の実施例では、水の循環通路２２と、循環通路
２２に配置した遮断弁２４と、遮断弁２４を閉じたとき
循環通路２２の水を外部に噴出させる開放手段２６と、
保護チューブ２８とを備える。

【００１５】図示の実施例では、循環通路２２は、鋼管
を中央で180 °折り曲げて形成したものである。鋼管
は、その２つの端部が、図１に示すように、パイプ２０
を地盤３０に挿入したとき、地盤３０から上方へ突出す
る長さを有する。遮断弁２４は、電磁作動の開閉タイプ
の弁であり、通常時には開の状態に保つ。そして、水撃
作用を起こすべきとき通電すると閉の状態となって循環
通路２２を遮断する。

【００１６】一方、開放手段２６は水撃作用が及ぼされ
る範囲で循環通路２２に関連して設けるもので、図示の
実施例では、循環通路２２と地盤３０とを連通する補助
管３２と、補助管３２に配置した自動的に作動する開閉
タイプの弁３４とからなる。弁３４は、通常時には閉の
状態にあり、水撃作用によって水の圧力が上昇したとき
開の状態となる。すなわち、循環通路２２に水が循環し
ているとき、弁３４は循環流れの圧力によっては開かな
いが、循環流れの圧力と比べてはるかに高い、水撃作用
により上昇する圧力では開く。遮断弁２４と開放手段２
６とは、循環通路２２である鋼管に沿って複数箇所に設
ける。

【００１７】遮断弁２４の上流の水撃作用が及ぼされる
範囲にある開放手段２６や、循環通路２２となる鋼管の
部分は、十分な強度を確保するために、補強管２３を圧
入したり、板の厚みをその他の部分と比べて大きくした
りすることによって補強する。

【００１８】保護チューブ２８は鋼管で形成したもの
で、その先端には先細状の掘削ビット２９が設けられて
いる。保護チューブ２８は、開放手段２６の補助管３２
を貫通させる穴を補助管３２に対応する位置に有し、前
記穴を貫通している補助管３２を溶接付けしている。循
環通路２２用の鋼管と保護チューブ２８用の鋼管とは、
軸線方向へ間隔をおいて配置する複数のスペーサ３５に
よって所定の間隔を維持し、かつ、固定されている。

【００１９】地盤を改良すべき箇所においてパイプ２０
を地盤３０に挿入し、循環通路２２の一方の端部を水槽
３６内に浸け、循環通路２２の他方の端部をポンプ３８
に接続する。ポンプ３８を駆動すると、ポンプ３８は水
槽３６の水を吸い込んで循環通路２２に供給し、循環通
路２２に入った水は水槽３６に戻る。このように、水が
循環通路２２を循環する。

【００２０】水が循環通路２２を矢印Ａのように定常流
れで循環しているとき、図２の（ｂ）に示すように、遮
断弁２４を瞬時に閉じて循環通路２２を遮断すると、水
撃作用が起こり、水の圧力が急激に上昇する。その結
果、開放手段２６の弁３４が開くため、循環通路２２の
水は高い圧力状態で補助管３２を通って地盤３０に噴出
し、地盤の締め固めをする。水撃作用はわずかの時間経
過後に自然消滅するため、循環通路２２の水の圧力は循
環していたときの圧力まで下がり、開放手段２６の弁３
４が閉じる。その後、遮断弁２４を開くと、水は循環通
路２２を再び循環する。

【００２１】図３に示す実施例では、パイプ４０は、水
の循環通路４２と、循環通路４２に配置した遮断弁４４
と、遮断弁４４を閉じたとき循環通路４２の水を外部に
噴出させる開放手段４６と、吸水通路４８と、保護チュ
ーブ５０とを備える。

【００２２】パイプ４０は三重チューブの形態であり、
最も細いチューブ５２と、チューブ５２と中間の同心状
の、底部にふたをしたチューブ５３との間の空間とによ
って循環通路４２が形成されている。遮断弁４４はチュ
ーブ５２の下端部に配置した電磁作動の開閉タイプの弁
である。開放手段４６の補助管５４及び弁５６は、前記
実施例の開放手段２６の補助管３２及び弁３４とそれぞ
れ同様な構造である。補助管５４はチューブ５２からチ
ューブ５３を貫通し、さらに保護チューブ５０を貫通
し、循環通路４２と地盤３０とを連通している。図示の
実施例では、２つの開放手段４６をチューブ５２の同じ
レベル位置に放射状に設けてあるため、水は矢印Ｂのよ
うに放射状に噴出する。

【００２３】チューブ５３と、外側の同心状の、底部に
先細状のビット５１を有する保護チューブ５０との空間
が吸水通路４８となっている。吸水通路４８は地上の真
空ポンプ（図示せず）に接続され、保護チューブ５０に
設けた複数の吸い込み穴６０を経て矢印Ｃのように地盤
から水を吸い上げる。

【００２４】パイプ４０を地盤に挿入した後、循環通路
４２に水を循環させる。水の循環中に遮断弁４４を瞬時
に閉じて循環通路４２を遮断すると、水撃作用が起こ
る。その結果、開放手段４６の弁５６が開き、循環通路
４２の水は補助管５４を通って地盤３０に噴出し、地盤
を締め固める。水撃作用が消滅した後、吸水通路４８に
連なる真空ポンプを作動して地盤３０から水を吸い上げ
る。このように、水を地盤３０に噴出することと、水を
地盤３０から吸い上げることとは、同時に行うよりも、
時間差をおいて行う方がよい。

【００２５】図２に示したパイプ２０と、単管からなる
吸水パイプであって複数の吸い込み穴を有し、内部を吸
水通路とした吸水パイプ（図示せず）とによって地盤の
改良方法を実施する場合、パイプ２０と吸水パイプとを
適切な間隔をおいて地盤に挿入する。その後の操作は前
述したものと実質的に同じである。

【００２６】水撃作用に伴って発生する水撃力は、流れ
の閉塞時間を最適に制御するとき、 ｈ＝ｃＶ／ｇ で与えらえるジューコフスキーの公式によって理論的に
求めることができる。ここで、ｈは水撃圧水頭、ｃは圧
力伝播速度、Ｖは定常流れの流速、ｇは重力の加速度で
ある。圧力伝播速度は、通常の水圧鉄管では、ｃ≒1000
m/s である。循環通路の直径が3cm である場合、前記式
から求めた水頭を単位面積当りの力に換算したものを水
撃力とすると、水撃力と流速とは図４に示す関係とな
る。したがって、循環通路の流速を10m/s にすると、約
140kgf/cm²の水撃力、すなわち圧力が得られる。

【００２７】一方、流れの閉塞時間Ｔが、 Ｔ≦２Ｌ／ｃ を満たすとき、閉塞時間は最適に制御されることとな
る。ここで、Ｌは圧力源から水撃作用が起こる場所まで
の距離である。たとえば、水撃作用を地下10m で起こさ
せるとき、最適の閉塞時間Ｔは0.02s 以下となる。電磁
作動の開閉弁の応答時間は数msより短いため、前記実施
例のように電磁作動の開閉弁を使用すれば、十分な水撃
作用を起こさせることができる。

【００２８】図４から分るように、水撃力は流速に比例
する。したがって、循環通路６２の水撃作用を発生させ
る個所６４の上流に、図５に示すように、縮小部６３を
設けておき、この下流の流速を増加させるようにすれ
ば、圧力源であるポンプの圧力を低く保つ一方で、地盤
に噴出する水の圧力を高めることができる。水撃作用を
発生させる箇所６４の下流では、循環通路を拡大するこ
とができる。

【００２９】本発明による地盤の改良方法の効果を確認
するため、実験室において予備実験を行った。実験装置
として図６に示す土槽７０と、注水パイプ７２と、吸水
パイプ７４とを使用し、土槽７０に珪砂５号をつめて実
験した。この実験では、注水パイプ７２に加える水の圧
力を3.0 〜5.0kgf/cm²、注水時間を1.2 〜0.1sとして約
１分間注水し、吸水時間を0.5s〜引きっぱなしと変え、
図６の（ｂ）に丸で示した各点において深さ方向に10cm
間隔でコーン貫入抵抗を測定した。これによって次の効
果が判明した。 注水圧力が大きい方が効果が高い。 注水と吸水との周期は、注水が0.1 秒、吸水が0.5 秒
のサイクルを繰り返したものが最も効果が高い。これ
は、瞬間的な水圧をかけることによる水の衝撃力によっ
て、振動棒による締め固めと同様な作用が行われるため
であると考えられる。この点が本発明の効果を推定する
上で重要である。 吸水については、連続的に吸水するよりも断続的に吸
水する方が効果がやや良い。 初期地盤がある程度締まったものについても、地盤を
緩めることなくさらに締め固めることができる。 測定位置による効果の違いは実質的に生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る地盤の改良方法を示す模式図であ
る。

【図２】図１の２部分を示すもので、（ａ）は拡大断面
図、（ｂ）は循環している水を遮断した状態を示す模式
図である。

【図３】別の実施例の、図１の２部分と同様な模式図で
ある。

【図４】水撃力と流速との関係を示すグラフである。

【図５】流速を増す方法を示す模式図である。

【図６】予備実験に用いた装置を示すもので、（ａ）は
側面図、（ｂ）は測定位置を示す平面図である。

【符号の説明】

２０、４０ パイプ ２２、４２ 循環通路 ２４、４４ 遮断弁 ２６、４６ 開放手段 ３２、５４ 補助管 ３４、５６ 弁 ４８ 吸水通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E02D 3/00 - 3/12

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水の循環通路と、この循環通路に配置し
   た遮断弁と、この遮断弁を閉じたとき前記循環通路の水
   を外部に噴出させる開放手段とを備えるパイプを地盤に
   挿入すること、 前記循環通路に水を循環させること、 前記遮断弁を瞬時に閉じて前記循環通路に水撃作用を起
   こさせること、 水撃作用によって前記開放手段を開放し、前記循環通路
   の水を前記地盤に噴出させることを含む、地盤の改良方
   法。
2. 【請求項２】 水の循環通路と、この循環通路に配置し
   た遮断弁と、この遮断弁を閉じたとき前記循環通路の水
   を外部に噴出させる開放手段と、吸水通路とを備えるパ
   イプを地盤に挿入すること、 前記循環通路に水を循環させること、 前記遮断弁を瞬時に閉じて前記循環通路に水撃作用を起
   こさせること、 水撃作用によって前記開放手段を開放し、前記循環通路
   の水を前記地盤に噴出させること、 前記吸水通路を経て地盤から水を吸い上げることを含
   む、地盤の改良方法。
3. 【請求項３】 水の循環通路と、この循環通路に配置し
   た遮断弁と、この遮断弁を閉じたとき前記循環通路の水
   を外部に噴出させる開放手段とを備える第１のパイプを
   地盤に挿入すること、 吸水通路を備える第２のパイプを地盤に挿入すること、 前記循環通路に水を循環させること、 前記遮断弁を瞬時に閉じて前記循環通路に水撃作用を起
   こさせること、 水撃作用によって前記開放手段を開放し、前記循環通路
   の水を前記地盤に噴出させること、 前記吸水通路を経て地盤から水を吸い上げることを含
   む、地盤の改良方法。