JPH035514A - 砂質地盤の液状化防止方法及びこれに用いられる気泡注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、完全飽和状態またはそれに近い状態の砂質
地盤の液状化防止方法及びこれに用いられる気泡注入装
置に関するものである。

「従来の技術およびその課題」 一般に、飽和した砂質地盤は地震時に液状化する恐れが
あるため、このような砂質地盤上に建築物を構築する場
合には、各種の地盤改良方法で地盤を改良する必要があ
る。ところが、このような地盤改良を行なうためには極
めて高いコストがかかるため、低コストで液状化を防止
する方法の開発が望まれている。また、既に建築物が構
築されている砂質地盤に対して前記のような地盤改良を
行なった場合１こは周囲の建築物に悪影響を与える恐れ
があるため、既に建築物が構築されている砂質地盤にお
いては、前記のような地盤改良工法で液状化を防止する
ことは不可能と考えられる。

この発明は前記事情に鑑みてなされたもので、完全飽和
に近い砂質地盤内に液体と共に微少な気泡を圧入して地
盤改良を行うことで、低コストで地盤改良を行え、かつ
、既に建築物が構築されている砂質地盤への適用も可能
な砂質地盤の液状化防止方法及び空気注入装置の提供を
目的としている。

「課題を解決するための手段」 最近の弾性波探査に関する研究により、地下水位以下の
地盤においても、その地盤の間隙水中に微少な気泡が存
在する場合には、地盤のＰ波速度が１５００ｉ＋／ｓｅ
ｃ　（水のＰ波速度）以下に低下することが明らかにさ
れた。

一方、完全飽和状態に近い砂質地盤において、飽和度の
わずかな低下が強度の増加をもたらすことは既に研究さ
れており、上述したようなＰ波速度の低下した不飽和層
を砂質地盤中に人工的に作成することができれば、新た
な液状化防止方法として有望と考えられる。

そこで、この発明のうち第１の請求項に係る発明は、完
全飽和状態に近い砂質地盤中に注入パイプを貫入し、気
泡混入装置により気泡が混入された液体を作製してこれ
を前記注入パイプの上端からその内部に圧入することで
、この注入パイプから前記砂質地盤中に微少な気泡を注
入するような砂質地盤の液状化防止方法を構成すること
で、前記課題を解決せんとしている。

また、第２の請求項に係る発明は、前記第１の請求項に
係る砂質地盤の液状化防止装置に用いられる気泡注入装
置を、圧力容器−と、該圧力容器内に空気を圧入してこ
の圧入容器内部の圧力を大気圧以上となす圧縮機と、圧
力容器内に液体を供給する供給手段と、圧力容器内部を
撹拌する撹拌手段と、切換手段を介して圧力容器内部に
連通して設けられ、圧力容器内部より低圧に保持された
減圧容器と、この減圧容器に連結され、地盤中に貫入さ
れた注入パイプからなるものとしたことを特徴としてい
る。

「作用」 この発明の砂質地盤の液状化防止方法においては、完全
飽和状態に近い砂質地盤上に建築物を構築する際、ある
いは既に建築物が構築されている砂質地盤が完全飽和に
近い場合に、その砂質地盤中に注入パイプを貫入すると
共に、気泡混入装置により気泡が混入された液体を予め
作製しておく。

そして、このようにした後、気泡が混入された液体を前
記注入パイプの上端からその内部に圧入することによっ
て、そのパイプ内の水圧を周囲の砂質地盤の地下水圧よ
りも高めて、このパイプから液体と共に前記砂質地盤中
に微少な気泡を注入する。このようにすると、砂質地盤
の飽和度を低下させることができ、地震時における間隙
水圧の上昇が抑制されることとなる。

「実施例」 以下、この発明の実施例について第１図を参照して説明
する。

この実施例は、完全飽和に近い砂質地盤１において、そ
の砂質地盤１上に建築物２を構築する際に実施される液
状化防止方法であって、前記砂質地盤１中に多数の微少
な透気孔を有する注入パイプ３を垂直に貫入し、気泡混
入装置４により気泡が混入された液体を作製してこれを
前記注入パイプ３の上端から内部に圧入することで、前
記砂質地盤１の液状化を防止するようにしている。

前記注入パイプ３は、ステンレスまたは合成樹脂などか
らなる管の先端を閉止板で閉塞し、かつその側壁および
閉止板に無数の微少な透気孔（図示路）を形成したもの
であって、その先端を下方に向けた状態で前記砂質地盤
１中に貫入されるものである。但し、注入パイプの構成
はこれに限定されることな（、例えば単に下端部のみ開
口して側壁に透気孔が設けられていないような注入パイ
プであってもよいことは勿論である。

前記気泡混入装置４は、各注入パイプ３、・・・毎ある
いは一箇所に集中して設けられ、第２図に示すように、
大気圧以上の圧力に耐えうる構造の密閉型圧力容器ｌＯ
と、圧力容器１０内に空気を圧入することでこの圧力容
器１０内部の圧力を大気圧以上とするコンプレッサー（
圧縮機）１１と、圧力容器１０内へ水１２を供給する図
示されない供給手段と、圧力容器１０内部を撹拌する撹
拌装置１３とから概略構成されている。撹拌装置１３は
、圧力容器１０の上部から突設された撹拌軸１４と、こ
の撹拌軸１４の側面に植設された撹拌翼１５、・・・と
、前記撹拌軸１４を回転駆動させるモータ１６とから構
成されている。

また、圧力容器１０には耐圧ホース１７を介して密閉型
減圧容器１８が連結され、これら圧力容器１０及び減圧
容器１８手前の耐圧ホース１７にはそれぞれ切換弁１９
．１９が取り付けられている。この減圧容器１８には大
気に連通する減圧弁２０が設けられている。

減圧容器１８と各注入パイプ３、・・・の上端はホース
２Ｌ・・・により連結され、かつ、ホース２１には吐出
圧調整可能なポンプ２２が介在されている。

このような液状化防止方法によって砂質地盤１の液状化
を防止する場合には、まず、建築物２を構築する予定の
砂質地盤１中に、多数の注入ノ（イブ３．３、・・・を
それぞれ所定位置に垂直に貫入する。

次に、気泡混入装置４を注入パイプ３の上端に接続した
後、気泡混入装置４の圧力容器１０内に図示されない供
給手段を介して水１２を注入する。

そして、所定量の水を圧力容器１０内に貯留した後、圧
縮機１１により圧力容器１０内に空気を圧入することで
この圧力容器ＩＯ内部の圧力を大気圧以上の所定圧にま
で加圧しつつ、モータ１６を駆動して撹拌翼１５、・・
・ごと撹拌軸１４を回転させることで、圧力容器ＩＯ内
の水１２を撹拌する。

これにより、圧力容器１０内の水１２には、大気圧にお
ける飽和量以上の空気が溶は込む。なお、圧力容器１０
内の圧力は必要とする気泡の量やその時の大気圧に依存
して適宜決定すればよい。

この状態で暫（撹拌を継続した後、圧縮機１１による加
圧及び撹拌翼１５、・・・等による撹拌を停止し、切換
弁１９．１９を開状態とすることで圧力容器１０内の水
１２を減圧容器１８内に導入する。次に、切換弁１９．
１９を閉状態としてから、減圧容器１８の減圧弁２０を
開状態とすることでその内部を大気に連通させる。これ
により、減圧容器１８内の水１２に溶は込んでいた空気
のうち、大気圧下における飽和量以上の空気が溶出して
微少な気泡となり、気泡が混入された水１２を得ること
ができる。

そして、この水１２をポンプ２２により圧送して、注入
パイプ３、・・・上端から内部に圧入することにより、
これら注入パイプ３、・・・内の水圧を周囲の砂質地盤
１の地下水圧より高め、これによって、注入パイプ３、
・・・内の水１２をその注入パイプ３、・・・の無数の
透気孔から放出して、砂質地盤１内に水１２とともに微
少な気泡を注入する。

このようにして砂質地盤１中に無数の微少な気泡を注入
すると、その砂質地盤１の飽和度が低下することとなる
が、その場合、砂質地盤１中にその砂質地盤１の飽和度
を検出するセンサを設けるか、または砂質地盤１上に適
当な測定機器等を設けるなどして、その砂質地盤１の飽
和度（液状化強度）およびその時間的変化を把握してお
くようにする。この飽和度の検出は、前述の如く地盤の
Ｐ波速度の低下と飽和度との関係に基づき、弾性波探査
等によりＰ波速度を計測することで行えばよい。

そして、前記砂質地盤１の改良範囲および改良効果をモ
ニタリングしながらその砂質地盤１の飽和度を低下させ
ることによって、ぞの砂質地盤１の液状化強度を所望の
強度まで高める。このようにすると、前記砂質地盤１中
における地震時の間隙水圧の上昇が低減して適正なレベ
ルに抑えられることとなり、これによって、完全飽和に
近い状態の砂質地盤１においても地震時の液状化が防止
されることになる。

特に、この実施例の液状化防止方法においては、砂質地
盤１に微少な気泡を注入する際に、気泡混入装置４によ
り気泡が混入された水１２を作製し、これを注入パイプ
３を介して地盤１内に圧入することで気泡を地盤１内に
注入しているので、砂質地盤ｌへの水１２の注入量及び
注入圧を適宜制御することで地盤１内への気泡注入量を
容易に制御することができ、しかも単に注入パイプ３内
に圧縮空気を送出することで注入パイプ３の透気孔から
気泡を注入するような場合に比較して、砂質地盤１への
気泡注入が確実かつ容易に行える。

すなわち、従来の研究に依れば、砂の透気係数は飽和度
の増加に伴い減少し、飽和度５０％程度で閉塞すること
が報告されている。これは、単純に気泡のみを砂に注入
する場合には、砂の飽和度は５０％以下に至らないこと
を意味する。従って、土の骨格構造を乱さずに、飽和地
盤中に空気を送り込むのは困難とされていた。しかし、
本実施例の如く水１２中に微少な気泡を混入し、この水
１２とともに微少な気泡を地盤中に注入すれば、閉塞を
生じずに砂の中に空気を送り込むことができ、砂質地盤
を所望の飽和度となすことができる。

また、圧力容器１０及び減圧容器１８を備えた気泡混入
装置４を用いれば、これら容器ｌ０１１８間における圧
力差によって、粒子径が均一かつ微少で水１２内におけ
る分布も均一な気泡を容易にしかも迅速に作製すること
ができる。

なお、この発明では、完全飽和状態に近い砂質地盤上に
建築物を構築する際に実施する液状化防止方法について
説明したが、この発明の液状化防止方法は、既に建築物
が構築されている砂質地盤に対しても適用することがで
きる。その場合、第１図に示すように、砂質地盤１上の
各建築物２の周囲に前記注入パイプ３を打ち込み、その
注入パイプ３の上端、例えば各建築物２の四隅にそれぞ
れ気泡混入装置４等を設置すればよい。これにより、液
状化防止のための地盤改良がなされていない砂質地盤１
上に構築された既設の建築物２に対しても、各建築物２
周辺の砂質地盤１の飽和度を低下させることによって、
地震時の液状化を有効に防止することができる。

「実験例」 この実験例は、微気泡を飽和砂地盤中に注入して地盤の
飽和度を下げ、地震時に発生する間隙水圧を低減させる
液状化対策ついて進められた研究の中で、特に、飽和過
程による供試体の弾性波速度の測定結果により、飽和度
、すなわちＢ値と弾性波速度との関係について考察を加
え、対策効果のモニタリングを目的とした、弾性波速度
による地盤飽和状態の推定法の可能性を検討したもので
ある。

■　試料および試験方法 用いた試料は豊浦砂および砂礫の２種類である。

試料の物理的性質を表１に示す。

表１ ■　飽和度、Ｂ値と弾性波速度について多孔質弾性体理
論を用い、さらに気泡を含んだ間隙水の体積弾性定数を
考慮すると、飽和度（Ｓｒ）とＰ波速度（Ｖｐ）との関
係は次式で与えられる。

＊　：　直径１５０ｘｘ、高さ　１５０ｉｘのモールド
での測定結果。

試験は大型三軸試験装置（供試体、直径３００■、高さ
６００＊ｚ）を用いて行ない、弾性波の測定は、有効拘
束圧を４９ｋＰａに保ち、供試体を飽和させる過程で実
施した。飽和度は、バックプレッシャー載荷に伴う間隙
水の体積変化を耐圧ビユレット（容！１１０００ｃｍ’
）で測定し、ボイルの法則から求めた。

ここに、ρ　：密度（湿潤密度） ρｄ：土骨格の密度（乾燥密度） Ｖｐｄ　：土骨格のＰ波速度 Ｋｗ：気泡を全く含まない水の体積 弾性定数（２，２Ｘ　１ｏｋＰａ） Ｋａ：空気の体積弾性定数（絶対圧 で表した間隙水圧） ｎ　：間隙率 第３図は、式（１）を用いて推定した飽和度によるＶｐ
の変化を示している。間隙水中に占める気泡の割合（１
−Ｓｒ）が、１０−５〜１Ｏ−３（飽和度にして、９９
．９９９〜９９．９％）に変化する領域のＶｐの変化は
極めて大きい。

一方、土粒子の圧縮性を無視すれば、Ｂ値は次式で表さ
れる。

第４図は、式（２）から求めた飽和度によるＢ値の変化
を示している。Ｂ値の場合も飽和度の影響を顕著に受け
、特に（１−Ｓｒ）が１０−’　〜１０−’に変化する
領域での変化が大きいことがわかる。

■　測定結果と考察 第５図は、飽和過程で測定した弾性速度と飽和度との関
係を示している。Ｖｐは飽和度の影響を顕著に受け、第
３図に示した推定値と良く対応した変化を示すのに対し
、せん析液速度（Ｖｓ）の変化は極めて小さい。計算に
よれば、飽和度増加に伴う密度の増加を考慮しても、せ
ん断弾性定数は飽和過程でほとんど一定値を示した。実
測したＶｐｄ（乾燥供試体で測定したＶｐ）およびＶｐ
を用い、式（１）から求めた（１−Ｓｒ）ｃａｌ、　　
と間隙水の体積変化測定から求めた（　１−５ｒ）　ｍ
ｅａｓ、の比較結果を第６図に示す。（ｉｓｒ）の小さ
な領域において、測定精度に起因すると思われるばらつ
きはあるが、全体的には良い相関があると判断できる。

第７図に、各飽和段階において、弾性波速度から求めた
体積弾性定数（Ｋ）と実測したＢ値との関係を示した。

第７図中の曲線は、式（２）に多孔質弾性体理論を適用
して得られる次式を表している。

Ｂ＝ｌ−Ｋｄ／Ｋ （３） 計算曲線は測定データを良く近似していることがわかる
。第８図は、乾燥供試体で測定した弾性波速度からＫｄ
を求め、式（３）を用いて計算したＢ値（Ｂｃａｌ’、
）と実測したＢ値（Ｂｍｅａｓ、　）の比較結果である
。両者の間には広い範囲にわたって良い相関関係が認め
られる。

■　結論 砂および砂礫供試体の飽和過程における弾性波速度の変
化を測定し、完全飽和の状態かられずかに飽和度が低下
するだけでＰ波速度は著しく低減することを示した。ま
た、これは、気泡を多く含んだ間隙水の体積弾性定数を
考慮すれば、多孔質弾性体の理論で説明することができ
、弾性波速度から飽和度、すなわちＢ値を推定すること
ができることを明らかにした。

以上の結果より、気泡注入による液状化対策において、
地盤の弾性波速度を測定し対策効果をモニタリングする
手法の有効性が示唆された。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、この発明によれば、完全飽
和状態に近い砂質地盤中に注入パイプを貫入し、気泡混
入装置により気泡が混入された液体を作製してこれを前
記注入パイプの上端からその内部に圧入することで、こ
の注入パイプから前記砂質地盤中に微少な気泡を注入し
、それによって地震時における間隙水圧の上昇を抑制す
ることができる。このため、完全飽和に近い状態の砂質
地盤においても地震時の液状化を防止することがで。

きる。しかも、この発明の液状化防止方法においては、
気泡が混入された液体を地盤内に圧入することで気泡を
地盤内に注入しているので、砂質地盤への液体の注入量
及び注入圧を適宜制御することで地盤内への気泡注入量
を容易に制御することができ、しかも単にパイプ内に圧
縮空気を送出することでパイプの透気孔から気泡を注入
するような場合に比較して、砂質地盤への注入が確実か
つ容易に行える。

また、圧力容器及び減圧容器を備えた気泡注入装置を用
いれば、これら容器間における圧力差によって、粒子径
が均一かつ微少で液体内における分布も均一な気泡を容
易にしかも迅速に作製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第２図は、この発明の一実施例を示す図で
あって、第１図は砂質地盤の液状化防止方法を説明する
ための図、第２図は気泡注入装置の例を示す概略図、第
３図は飽和度とＰ波速度との関係を表すグラフ、第４図
は飽和度とＢ値との関係を表すグラフ、第５図は飽和度
による弾性波速度の変化を表すグラフ、第６図は飽和度
の実測値と推定値との関係を表すグラフ、第７図は体積
弾性定数とＢ値との関係を表すグラフ、第８図はＢ値の
計算値と実測値との関係を表すグラフである。 １・・・・・・砂質地盤、２・・・・・・建築物、３・
・・・・・パイプ、４・・・・・・気泡混入装置、１２
・・・水（液体）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）完全飽和状態に近い砂質地盤中に注入パイプを貫
   入し、気泡混入装置により気泡が混入された液体を作製
   してこれを前記注入パイプの上端からその内部に圧入す
   ることで、この注入パイプから前記砂質地盤中に微少な
   気泡を注入することを特徴とする砂質地盤の液状化防止
   方法。
2. （２）圧力容器と、該圧力容器内に空気を圧入してこの
   圧入容器内部の圧力を大気圧以上となす圧縮機と、圧力
   容器内に液体を供給する供給手段と、圧力容器内部を撹
   拌する撹拌手段と、切換手段を介して圧力容器内部に連
   通して設けられ、圧力容器内部より低圧に保持された減
   圧容器と、この減圧容器に連結され、地盤中に貫入され
   た注入パイプとからなる気泡注入装置。