JPH0637766B2 - 地盤注入工法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は非セメント系水ガラスグラウトを用いた地盤注
入工法に係り、特に地盤中で反応剤の不足分を補給して
シリカ分の溶脱を減少せしめ、これによって耐久性の向
上された固結体を得る地盤注入工法に関する。

〔公知技術とその問題点〕

アルカリ性を呈する非セメント系水ガラスグラウトは浸
透性が良好であって細い土粒子間にまで浸透するため、
地盤注入用固結剤として広く使用されている。

しかし、この種のグラウトでは浸透性を良好に保持する
ために反応剤の添加量を少なくしなければならず、した
がって未反応水ガラスが多く残存することになり高強度
の固結体が得られないのみならず、シリカ分が長期的に
溶脱して耐久性をも得られない。

また、地盤中にあらかじめ反応剤を注入しておき、その
後この注入領域に中性の水ガラスグラウトを注入する方
法も知られている。しかし、この方法では中性水ガラス
グラウトのゲル化時間が短いためグラウトが土粒子間に
浸透し難く、このため地盤中の細粒土部分で前記グラウ
トと反応剤との反応が起こり難く、細粒土地盤の改良が
不充分である。

さらに、水ガラスの注入に際してストレーナ注入管を打
ち込み、この注入管を通じて塩化カルシウムを注入しな
がら該注入管を引き上げ、地盤中で水ガラスと塩化カル
シウムを反応させる方法もまた、知られている。しか
し、この方法では塩化カルシウムの注入の際に高粘度の
水ガラスが外側に押し出され、注入管まわりの一定範囲
で水ガラスと塩化カルシウムによる固結が不均質になっ
てしまう。

〔発明の目的〕

本発明の目的は非セメント系水ガラスグラウトの固結に
際し、地盤中で前記固結用反応剤の不足分を補給してシ
リカ分の溶脱を減少せしめ、これによって耐久性の向上
された固結体を形成し、前述の公知技術に存する欠点を
改良した地盤注入工法を提供することにある。

〔発明の要点〕

前述の目的を達成するため、本発明によれば、上下の異
なる箇所に複数の吐出口を有する多重注入管を地盤中に
挿入し、次いでこの注入管を上方に移向させて注入ステ
ージを変化させながら上部吐出口から非セメント系反応
剤配合液を吐出し、下部吐出口から水ガラスを有効成分
とするＰＨ９以上の配合液を吐出することを特徴とし、
これにより前記反応剤配合液がすでに浸透している領域
に前記水ガラスを有効成分とする配合液を浸透させるこ
とを特徴とする。

〔発明の具体的説明〕

本発明を完成するに至った経緯を説明すると以下のとお
りである。

（１）アルカリ領域の非セメント系水ガラスグラウトで
固結したサンドゲルは養生水中に浸漬しておくと水ガラ
スのシリカ分が時間とともに溶脱して強度が経日的に大
幅に低下する。特にゲル化時間を長くするために反応剤
の量を少なくした場合には数十日以内で崩壊してしま
う。ところがこのようなサンドゲルでも非セメント系反
応剤配合液からなる養生水中では強度の低下が見られ
ず、むしろ強度は経日的に増大していく。

（２）セメント固結物あるいはセメント−水ガラスゲル
化物中に上記サンドルを養生しても強度の改善は得られ
ない。

（３）砂を填充した水槽中にあらかじめ非セメント系反
応剤配合液を浸透させておき、その後非セメント系中性
水ガラスグラウトおよびＰＨ９以上のアルカリ性非セメ
ント系水ガラスグラウト（これらはいずれも同一水ガラ
ス濃度で同一ゲルタイム）をそれぞれ同一注入圧力で注
入したところ、後者の方が浸透範囲が著しく大きかっ
た。

（４）砂を填充した水槽中に非セメント系反応剤配合液
をあらかじめ浸透させておき、その後水ガラス水溶液お
よびＰＨ９以上のアルカリ性非セメント系水ガラスグラ
ウトを前述（３）と同じ条件で注入したところ、後者の
方が均質で充分大きな固結強度の固結強度の固結体を得
た。

（５）砂を填充した水槽中に水ガラス水溶液およびＰＨ
９以上の非セメント系水ガラスグラウトをそれぞれ浸透
させ、次いでこれらがゲル化しないうちに反応剤水溶液
を注入したところ、注入領域によっては均質な固結体が
得られず、かつ充分な強度も得られなかった。

（６）砂を填充した水槽中に非セメント系反応剤配合液
をあらかじめ浸透させておき、その後ＰＨ９以上のアル
カリ性を呈する非セメント系水ガラスグラウトを前述と
同じ条件で注入したところ、均質でかつ経日的強度が著
しく改善された固結体を得た。

（７）砂を填充した水槽中にあらかじめセメントグラウ
トあるいはセメント−水ガラスグラウトを注入してお
き、その後ＰＨ９以上のアルカリ性を呈する非セメント
系水ガラスグラウトを前述と同様な条件で注入したとこ
ろ、固結体の経日的強度改善は達成されなかった。

（８）砂を填充した水槽中に非セメント系反応剤水溶液
をあらかじめ浸透させておき、その後セメント系グラウ
トあるいはセメント−水ガラスグラウトを前述と同様な
条件で注入したところ、脈状の固結体しか得られず、サ
ンドゲルはほとんど得られなかった。

上述（１）乃至（８）の経緯により本発明にかかる前述
の目的は、 （イ）あらかじめ一次注入として非セメント系反応剤配
合液を地盤中に注入しておき、 （ロ）次いでこの配合液の注入領域に反応剤の配合され
たＰＨ９以上のアルカリ性を呈する非セメント系水ガラ
スグラウトを二次注入として重ね合わせて注入する、 という（イ）および（ロ）工程からなる地盤注入を、上
下の異なる箇所に複数の吐出口を有する多重注入管を用
いて行うことにより達成される。

すなわち、前述の目的は前記多重注入管を地盤中に挿入
し、次いでこの注入管を上方に移向させて注入ステージ
を変化させながら上部吐出口から前記（イ）の一次注入
を行うとともに下部吐出口から二次注入を重ね合わせて
行うことにより達成される。

上述の本発明では、一次注入材と二次注入材を直接混合
した場合瞬結状態になり、土粒子間浸透が期待し得ない
にもかかわらず、一次注入材は二次注入材の注入圧によ
って外周部に押しやられて二次注入材によって置き換わ
り、二次注入材でおおわれた状態となる。これは二次注
入材がゲル化した時点でさながら反応材配合液中に二次
注入材の固結物が浸漬された状態と同様である。そして
時間の経過とともに二次注入材の固結体中に反応剤が浸
透して固結体中の未反応水ガラスと反応剤が反応し、こ
の結果、固結体中の全水ガラスが完全に反応し、かつシ
リカ分の重合が経日的に進行して固結体の強度が増強さ
れる。

したがって、本発明における一次注入材としては非セメ
ント系反応剤配合液であり、また二次注入材としてはＰ
Ｈ９以上のアルカリ性を呈する非セメント系水ガラスグ
ラウトであることが土粒子間での反応を起こさせるため
に必要であり、これによって細粒土層での一次注入材お
よび二次注入材の反応が可能となる。

本発明工法は具体的には第１図および第２図に示される
注入管を用いて施工される。

まず、第１図（ａ）に示されるように内管２の下部吐出
口４よりボーリング水を送って所定深度まで地盤を削孔
する。

次いで、第１図（ｂ）に示されるように外管１より一次
注入材を送液して上部吐出口３より地盤中に注入し、一
方、二次注入材を内管２を通して送液して下部吐出口４
より地盤中に注入しながら注入ステージを下から上に移
向することにより一次注入材を注入した領域に二次注入
材を重ねて注入する。５はメタルクラウンである。

第２図は他の注入管の例であって、まず、第２図（ａ）
に示されるように内管２から反応剤配合液を、外管１か
ら水を送液すると、バルブ７が内管２の流圧により下方
に変位して上部吐出口３を開口すると同時に下部吐出口
４を閉塞し、上部吐出口３から反応剤配合液が地盤中に
注入される。次いで、第２図（ｂ）に示されるように内
管２からの反応剤配合液の送液を中止し、かつ外管１か
らＰＨ９以上の非セメント系水ガラスグラウト（二次注
入材）を送液すると、バルブ７はバネ４の弾発力によっ
て上方に移動し、このとき上部吐出口３はバルブ７によ
って閉塞されるとともに下部吐出口４が開口され、二次
注入材が下部吐出口４から地盤に注入される。次いで、
注入ステージを下から上に移動することにより一次注入
材の注入された領域に二次注入材が重ねて注入される。
６は逆止弁である。

前述の注入管において、上下部吐出口３、４の間隔は10
cm以上、好ましくは30cm以上、４ｍ以内、好ましくは３
ｍ以内である。この間隔が10cm以下になると上下部吐出
部３、４から注入材を同時に注入する場合、常に合流さ
れる状態となって、好ましくなく、また、４ｍ以下では
後述の第３図（ａ）に示されるような初期の注入段階に
おいて上下部吐出口３、４からの注入材が注入管まわり
の間隔を通して連絡され難くなる。

さらに本発明工法を第３図（ａ）、（ｂ）および（ｃ）
を用いて具体的に説明する。Ａは多重注入管であって、
地盤中に挿入される。第３図（ａ）に示されるように上
部吐出口３からは一次注入材が、下部吐出口４からは二
次注入材が注入されると、初期の段階では下部吐出口４
からの二次注入材が間隙９を通って上部吐出口３付近ま
で流動し、両者は混合、反応して急結性グラウトを形成
する。そして、第３図（ｂ）に示されるように上部吐出
口３を中心として前記グラウトは注入管まわりの間隙９
や地盤の粗い部分、弱い部分に浸透し、ゲル化してゲル
化物Ｂによって地盤を拘束する。その後、前述の浸透が
低下したら一次注入材および二次注入材はそれぞれ独立
した浸透し、上方地盤には反応材（一次注入材）の浸透
領域Ｃが形成され、かつ下方地盤には水ガラス配合液
（二次注入材）の浸透領域Ｄが形成される。

すなわち、この段階では上部吐出口３の付近はすでに注
入管まわりの間隙９や地盤の粗い部分が急結性のグラウ
トのゲル化物Ｂで填充されているので、一次注入材はそ
れ自体粘性が低く固結性がないにもかかわらず逸脱する
ことなく粗粒土部分に浸透して土粒子間の空隙を填充
し、反応剤の浸透領域Ｃを形成する。一方、下部吐出口
４から吐出される二次注入材は上方の空隙がすでに急結
性グラウトのゲル化物Ｂで填充されているので、上方に
逸脱することなく下部吐出口４のまわりの土粒子間に浸
透し、水ガラス配合液の浸透領域Ｄを形成する。

次いで、多重注入管Ａを上方に移向して注入ステージを
変化させながら、上部吐出口３から一次注入材、下部吐
出口４から二次注入材をそれぞれ注入すると、第３図
（Ｃ）に示されるように、一次注入材が先行して浸透さ
れている反応剤の浸透領域Ｃに二次注入材である水ガラ
ス配合液が下部吐出口４から吐出され、浸透領域Ｅを形
成する。この場合、二次注入材である水ガラス配合液は
土粒子間隙中の一次注入材（反応剤配合液）を注入圧力
で外側に押し出しながら浸透するため、一部では水ガラ
ス配合液と反応剤配合液の接触によるゲル化物が生じる
ものの、次々と送り出される水ガラス配合液によって土
粒子間の空隙の多くは水ガラス配合液によって置き換え
られる。

この結果、注入管Ａのまわりには水ガラス配合液によっ
て填充された円柱状の浸透領域Ｅが形成され、その周面
は反応剤との反応によるゲル化が起こり、その外側には
反応剤配合液によって満たされている浸透領域Ｆが生じ
る。ところが、反応剤配合液は水ガラス配合液に比べて
粘性が低いため、その後長期にわたって水ガラス配合液
の浸透領域Ｅ中に外部から浸透して水ガラス配合液中の
未反応シリカ分と反応して最終的には全シリカ分が完全
にゲル化する。本発明工法は注入管まわりの水ガラス配
合液による浸透領域Ｅと、その外側に存在する反応剤配
合液Ｆとの固化反応が最終段階である。この最終段階の
現象は耐久性の向上の点からも極めて重要なものであ
る。

以下、本発明を実験例により詳述する。

実験１ ３号水ガラスと反応剤の混合液のＰＨとゲル化時間を測
定し、結果を表−１に示した。

実験２ 表−１中の配合No.６、10、13、16および23の試料を用
いて標準砂を固結し、得られた供試体（直径５cm、長さ
10cm）を水道水中で養生して養生水中のSiO₂含有量を測
定し、これにより固結薬液中のSiO₂総量に対する溶脱Si
O₂量の累計を測定し、溶脱率の経日的変化を調べた。
（表−２）表−２中の数字は溶脱率（％）／一軸圧縮強
度（kg／cm²）である。また表−２中、「−」は崩壊を
表す。

実験３ 実験２における養生水として塩化アルミニウムの20重量
％液を用いて同様の実験を行い、結果を表−３に示し
た。

実験４ 実験２と同様な方法で配合No.10を用いて固結したサン
ドゲル（固結標準砂）を種々の反応剤の20重量％液で養
生して、28日後のSiO₂の溶脱率と強度を測定し、結果を
表−４に示した。

実験５ 実験２と同様な方法で養生水中にポルトランドセメント
100gを混入してのち配合No.10のサンドゲルを養生し、
２８日後の一軸圧縮強度を測定したところ1.6 kg／cm²
を示した。このことから耐久性に関する改良効果は得ら
れないことがわかる。

実験６ 実験５と同じ方法を用いて配合No.11のゲル化物00cm³を
砕いて養生水中に混入した。また、セメント−水ガラス
ゲル化物 100cm³を砕いて養生水中に混入した。セメン
ト−水ガラスのゲル化物 100cm³当たりの配合は、 ３号水ガラス 25 cc セメント 50 ｇ 水 残り である。

これらについて28日後の一軸圧縮強度を測定したとこ
ろ、配合No.11は1.5 kg／cm²を示し、セメント−水ガラ
スのゲル化物は1.6 kg／cm²を示した。これらはいずれ
も耐久性に関する改良効果を奏し得なかった。

実験７ 水槽の砂を20％塩化カルシウム溶液で飽和させてから配
合No.15、16のグラウトを30cmの水頭差で浸透しなくな
るまで注入し、１週間後に固結体の大きさを調べたとこ
ろ、配合No.15では直径約20cm、配合No.16では直径約45
cmの固結径が得られ、配合No.16の方が著しい浸透効果
を示している。

同様な実験を配合No.19、20を用いて行ったところ、配
合No.19の直径は約15cm、配合No.20の直径は約23cmであ
った。

以上より、同一条件でありながら、ＰＨが中性では浸透
範囲が狭いのに対し、ＰＨが９以上のアルカリ性では浸
透範囲が極めて広くなることがわかった。これは注入液
がゲル化用反応剤の含まれた水ガラス配合液でかつＰＨ
がアルカリ性である場合には注入液中のアルカリの存在
のために地盤中の反応剤と注入液との反応がゆるやかに
なるためと思われる。

実験８ 実験７と同様にして、20容量％の３号水ガラス水溶液
と、配合No.21のグラウトを注入した。前者では直径10
〜25cmの不均質な固結体が得られたのに対し、後者では
直径30cmのほぼ球状の固結体が得られた。また、前者の
一軸圧縮強度は５kg／cm²であったのに対し、後者のそ
れは9.5kg／cm²であった。

以上より、注入液はＰＨが９以上でかつゲル化用反応剤
の含まれた配合液であることが均質でかつ強固に固結す
るために必要であることがわかる。

実験９ 水槽中の砂を20容量％の３号水ガラス水溶液で飽和して
30cmの水頭差で20％塩化カルシウム溶液を注入しての
ち、一週間後の注入孔まわりの固結体強度を測定したと
ころ、２kg／cm²の一軸圧縮強度を示した。また、同様
にして水槽中の砂を配合No.21の配合液で飽和しての
ち、配合液がゲル化しないうちに20％塩化カルシウム溶
液を注入し、一週間後の注入孔まわりの固結体強度を測
定したところ、2.6kg／cm²の一軸圧縮強度を示した。

これより水ガラス配合液を注入しておいてから反応剤を
注入すると、反応剤によって水ガラス配合液が外側に押
し出されて注入管まわりの水ガラス濃度がうすくなり強
度が低くなるのに対し、実験８のように逆の場合は注入
管まわりの水ガラス配合液による固結体の内部に周辺部
に位置する反応剤が経日的に徐々に浸透して反応が進行
することがわかる。

実験１０ 砂を填充した水槽中にセメントグラウト（100cc当たり
セメント50ｇ、残り水）あるいはセメント−水ガラスグ
ラウト（実験６と同じ｝を 500cc注入してのち、同一個
所に配合No.10のグラウトを１注入し、その後一週間
後に掘削し、注入してから28日後の一軸圧縮強度を測定
し、結果を表−５に示した。

表−５からセメントグラウトやセメント−水ガラスグラ
ウトを一次注入材として用いても二次注入材の経日強度
の改良はなされないことがわかる。

実験１１ 水槽中の砂を20％塩化カルシウム溶液で飽和させてから
実験１０のセメントグラウトならびにセメント−水ガラ
スグラウトを 500cc注入し、一週間後に掘削したが、脈
状に固結しているだけで土粒子間浸透による全体的な固
結体は得られなかった。すなわち、このような方法では
土粒子間浸透による固結効果の改善はなされないことが
わかった。

本発明にかかるＰＨが９以上の非セメント系水ガラス配
合液は水ガラスのモル比が１〜５までの任意の液状水ガ
ラスであり、さらに酸、塩、有機反応剤等、任意の反応
剤が含有されたものであり、あるいはアルカリや酸によ
り反応時間やＰＨの調整されたものである。

また、非セメント系反応剤配合液は酸、酸性塩、有機反
応剤、アルカリ性を呈する塩（重炭酸ソーダ等）、石灰
等であるが、特に多値金属塩が好ましい。これらは具体
的にはＣａＣｌ_２、ＭｇＣｌ_２、炭酸カルシウム、炭酸
マグネシウム、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウ
ム、硫酸カルシウム、リン酸カルシウム等のアルカリ土
金属塩、塩化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム等の
アルミニウム塩、その他鉄塩等である。

実施例 東京都内の細乃至粗砂地盤で、第１図の注入管を用い
て、一次注入材として20％濃度の塩化カルシウム配合液
を上部吐出口３から、また二次注入材として表−１の配
合No.10の配合液を下部吐出口４から、それぞれ同時
に、かつ毎分10の注入速度で注入し、かつ注入管Ａを
毎分10cmの速度で引き上げながら下方から上方に注入ス
テージを移向した。上下部吐出口３、４の間隔は１ｍと
した。注入深度はＧＬ−15〜０ｍまでとし、注入10日後
のＧＬ−10〜−５ｍ区間の浸透固結状況を調査した。

この結果、粗い部分は瞬結グラウトが脈状に填充され、
全体的にほぼ円形断面の固結体が得られ、断面積は約３
ｍ²であった。また、ＧＬ−７ｍ付近の固結体の一軸圧
縮強度は６〜７kg／ｍ₂であった。また、固結体の透水
試験は3.5×10^-5〜4.2×10^-6／cm²であった。これよ
り、本発明工法では均質で強固な固結体が一定の大きさ
で得られたことがわかる。

〔発明の効果〕

上述の本発明は次の効果を奏し得る。

（１）ゲル化時間の長いアルカリ領域の水ガラスグラウ
トの経日的強度が大幅に改善され、固結体の耐久性が向
上する。

（２）施工が極めて簡単である。

（３）二次注入材の注入範囲外への逸脱を防止し、所定
範囲で均質な固結体を得る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）および第２図（ａ）、（ｂ）はい
ずれも本発明工法を実施するための注入管の一具体例な
らびに注入状況を示す。第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
は本発明工法の浸透固結状況の説明図を示す。 １……外管、２……内管、３……上部吐出口、４……下
部吐出口、７……バルブ、８……バネ、９……間隙、Ａ
……注入管、Ｂ……急結性グラウトのゲル化物、Ｃ……
反応剤の浸透領域、Ｄ……水ガラス配合液の浸透領域、
Ｅ……円柱状の浸透領域、Ｆ……反応剤配合液

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下の異なる箇所に複数の吐出口を有する
   多重注入管を地盤中に挿入し、次いでこの注入管を上方
   に移向させて注入ステージを変化させながら上部吐出口
   から非セメント系反応剤配合液を吐出し、かつ下部吐出
   口から水ガラスを有効成分とするＰＨ９以上の配合液を
   吐出することを特徴とし、これにより前記反応剤配合液
   がすでに浸透している領域に前記水ガラスを有効成分と
   する配合液を浸透させることを特徴とする地盤注入工
   法。