JPS5829832B2 - 地中固結体の造成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＣＣＰ工法、すなわち先端に噴射孔を有し、回
転上下動機能を備えた注入管を所定深度まで地中に挿入
し、薬液を超高圧で注入管に供給して、１００〜３００
ｋｇ／ｃｒｒｔの超高圧で噴射孔から薬液を噴射しつ
つ、注入管を回転上昇させることにより、周辺の土を切
削しながらその土と薬液とを攪拌混合し、地中固結体を
造成する工法に関する。

従来、強度が高く、経済的であり、しかも取扱いが簡単
でかつ安全な薬液として、セメントと水ガラスを主材と
するセメント系薬液を地盤内に注入する工法（以下ＬＷ
土工法いう）が主流をなしており、一般的な注入工法と
して広（普及実施されている。

そのような一般注入工法においては、水ガラス液とセメ
ント懸濁液を別個の注入ポンプで注入管まで導き、注入
管付近で水ガラス液とセメント懸濁液とを合流混合し、
注入管を通して地盤内に注入するものであった（通常１
．５シヨツト工法と呼んでいる）。

この１，５シヨツト工法で薬液を注入する場合、注入条
件として、ある程度のゲルタイムが必要であり、実用的
には少なくとも約１分間は要求される。

それよりも短い場合には、施工上程々の問題があり、極
端な場合には、注入管内で既にゲル化し、鉄管をつまら
せることもある。

ところが、従来から多く使用されている水ガラス液は、
市販３号品〔比重（２０℃）ボーメ４０以上；ＳｉＯ□
２８〜３０％；Ｎａ２０９〜１０％；５ｉ０２／Ｎａ２
Ｏモル比３．０〕であり、この市販３号品水ガラスとセ
メント（普通にはポルトランドセメントが使われる）と
の配合薬液の特性は、下記第１表に示すように、ゲルタ
イムとホモゲル（サンドゲルも包含する）の強度との間
に゛負°”の相関関係があり、セメント量を増やしてホ
モゲルの強度を上げるためには、ゲルタイムを犠牲にし
なければならず、逆にゲルタイムをある程度長く保とう
とするためには、ホモゲルの強度を犠牲にしくセメント
量を減らさ）なげればならず、ゲルタイム１分前後でホ
モゲルの一軸圧縮強度が１５〜４５ ｋｇ／ｃｙｓｔの
範囲とするのが限度であった。

また、対象地盤としての粘土層は浸透がし難く、固結体
造成地盤としては不適なものとされている。

本発明はこの粘土層に含有されている粘土鉱物を＊＊強
制攪拌により、骨材化して固結しようとするものである
。

上記の如く、従来のＬＷ土工法は、ゲルタイム１分前後
でホモゲル−軸圧縮強度がせいぜい４５Ｘ？／ｃｒＡど
まりであり、ホモゲルの一軸圧縮強度が５０ｋｇ／ｃｒ
ｌＬ以上の高強度のものを期待し得なかったのである。

しかしながら、本発明が注入方法として採用するＣＣＰ
工法においては、柱状杭や破砕帯の高被圧水の止水及び
地耐力の増強を目的としているために、できるだけ高強
度が要求され、上記の如き従来のＬＷ土工法は充分に満
足できるものではなかった。

本発明者らは種々検討を重ねた結果、従来から土木用注
入材において使用されていた市販３号品水ガラスよりも
ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏモル比の小さい水ガラスを使用すれ
ば、セメント量に関係なく、ゲルタイムを長く保つこと
ができ、高強度のホモゲルを提供し得ることが見出し、
下記の新規施工法、すなわち グラウトの全重量を基準にして、 （ＡＩ Ｓ ｉｏ ２ ／Ｎ ａ ２０モル比が１．
５〜２．２の範囲内の水ガラスをＳｉＯ２換算で少なく
とも７重量％、及び （Ｂ） セメント懸濁液を少なくとも３５重量％、を
含有するグラウトを、超高圧噴流として地盤内の粘土鉱
物含有軟弱層に噴流して、該グラウトと該粘土鉱物とを
強制的に攪拌混合せしめて、それらを固結させることを
特徴とする地中固結体の造成方法が提供される。

上記改良注入工法によれば、ホモゲルの強度を増大させ
るために、セメント量をふやしても、ゲルタイムを実用
的に充分に長時間保持することができるので、回転上下
動機能を有する注入管に高圧力で供給し、その注入管の
噴射孔から超高圧噴流とし地盤中に噴射し、破壊力を利
用して地盤及びその含有する粘土鉱物と薬液の強制攪拌
混合を行なわしめ、ノズルを緩やかに回転させながら弓
き上げ、地盤中に円柱状の固結体を連続的に造成させる
、本発明のＣＣＰ工法においては有利に使用することが
でき、どんなに軟弱な地盤でも所望の強度に固結するこ
とができる。

＊＊ この固結体造成方法の特徴は以
下の実験例により具体的に説明すれば下記の通りである
。

以下の実験に用いた水ガラスの特性は下記第２表に示す
通りである。

上記の水ガラス試料をセメント懸濁液と下記第３表に示
す割合で混合してグラウトを調製し、そのグラウトを混
抄中に注入・養生し、ゲルタイム、※※−軸圧縮強度及
び安定性につＬ・て試験した。

結果を下記第３表に要約する。

その 上記第３表から判るように、水ガラス中の無水ケイ酸（
Ｓ ｉ０２ ）及びセメント量が一定の場合、水ガラス
のモル比を２．２モルより小さくすることによりゲルタ
イムを長くすることができ、又、水ガラスの濃度（無水
ケイ酸の量）を希釈することによりゲルタイムは著しく
短くなる特性を有しており、セメント量の増減によるゲ
ルタイムの長短よりも水ガラス濃度の濃薄がゲルタイム
に与える影響は犬である。

一方、従来の市販３号水ガラスの場合は、水ガラス濃度
の差異によるゲルタイムの変化は、殆どなく、セメント
量の増減によるゲルタイムの長短が大きく左右される性
質があり、この点前記固結体造成方法の水ガラスとはつ
きりした差異が認められることがわかるであろう。

従来のＬＷ土工法ゲルタイムと強度とが、負の相関関係
を示しているため、現場では注入作業上、ゲルタイムを
基準として考えてセメント量を定める傾向があり、その
結果、強度ははからずも二次的になる場合があり一定し
た強度が得られない欠点があった。

ところが、本発明が採用するＣＣＰ工法においてはその
ような欠点は許されず、いかなる条件下でも一定した強
度を必要とするため、セメント量も一定にすべきである
が、その点、前記本発明者らが提案した固結体造成方法
に使用する水ガラスは、水ガラスの濃度、あるいはモル
比を変えることにより、施工に必要なゲルタイムを保持
することが可能であり、ここに大きな特色がある。

一方、一般注入においても一定強度を持った薬液を配合
することが可能であり、特に被圧水が高く湧水の多い所
では、注入された薬液が地下水に希釈されることにより
、ゲルタイムが短縮される特性を有しているため、不必
要な遠方まで薬液が逸走することがなく、薬液そのもの
が阻止する性質を示す。

これに反して、従来のＬＷ土工法地下水に希釈される（
セメント量が少なくなる）と、ゲルタイムが遅延化され
、多量の地下水に接すると極端な場合には、ゲル化しな
い事態を生ずることもある。

しかしながら、前記固結体造成方法の水ガラス（Ｓ ｉ
０２／ Ｎａ２０−Ｅ−／Ｌ／比１．５〜２．２程度
の範囲）についても、水ガラス濃度を希釈していくとゲ
ルタイムは早くなると同時に、ある配合（グラウト量に
含まれる無水ケイ酸量で決まるもので、例えば水ガラス
Ｄ液での５０％濃度では固結力がやや弱くなり４０％濃
度では攪拌混合中では固結までには至らない）以下では
、水ガラスとセメントとのゲル化反応は起すが、固結力
か弱く固結までには至らない。

次に、ホモゲルの強度についてみると、前記提案した固
結体造成方法では今までのセメント系薬液ではとても望
めない、非常に高い強度（１２０〜１７０ ｋｇ／ｃｒ
７ｔ、 ）を得ることが出来ると同時に、セメントと水
ガラスの相乗的作用の結果として、初期強度が極めて高
い値（材令２日で６０〜１３０ｋｇ／ｃ４）を得ること
が出来る特性を有している。

しかしながら、高い強度が得られる１つの要因は、セメ
ント量を多くしたことにもよるが、配合比と強度の関係
を見ると必らずしもセメント量が多げれば強度が高いと
いうものでなく、グラウト量中の水ガラスの無水ケイ酸
の量がある一定含有量以下の場合、例えば水ガラスＤ液
では５０〜６０％以下では極端にホモゲル強度が低下す
る。

この傾向はモル比２．２〜１．５の範囲ではグラウト中
の無水ケイ酸の含有量が７〜８％以下になると急激に強
度の低下を示す。

したがって、前記の本発明者ら提案した方法の実施にあ
たっては、グラウト量の無水ケイ酸の含有量が７〜８％
以上になるように配合比で行うべきである。

セメント量について１．５シヨツト方法で施工（ＣＣＰ
及び一般注入工法）するため、セメントミルク液のセメ
ント−水比を考慮してグラウト量１ ｏｏｏＡ当り５０
０ｋｙが限度であり、通常７３５０〜５００ｋｇの配合
で行うことが望ましい。

上述のように、本発明者らが提案した前記の固結体造成
方法では、高強度の注入Ｗ得ることができるが、第３表
に示すように、長期安定性についてみると、前記配合の
供試体を水中並びに高含水比（３００％程度の粘土）の
土中で養生した所、材令６０日後の観察した結果、供試
体のあるものにクラックが発生するものがある。

そのクラックが発生したものは前述の配合でグラウト中
の無水ケイ酸の含有量が７〜８％以上の高強度のもので
あり、７〜８％以下の強度の低い供試体については、ク
ラックの発生は認められないことが判明した。

しかしクラック発生したにもかかわらず、グラウト自体
の強度の低下はないことも判明した。

この原因は明らかでないが、強度が高く、しかも初期強
度が特に犬であることに起因しているものと思われる。

長期安定性のある地中固結体の観点から上記クラックの
発生は避けるべきであり、特に本発明が意図するＣＣＰ
工法に使用して柱状杭として支持力の強化と半永久的に
安定させることが要求される場合は特にそうである。

本発明者らは、このクラックの発生を未然に阻止して半
永久的な地中固結体として改良することを主眼として種
々の基礎実験を行った結果、グラウトに岩石が化学的風
化を受けても分子構造が壊われる程微粒になり、再び結
晶化して形成された二次鉱物（主として粘土鉱物）を加
えることにより、クラック発生が未然に阻止され、しか
も強度的にも増加させることができることを見出した。

尚、上記二次鉱物に対して比較的風化を受けない、特に
化学的風化を受けない粗粒のもの、例えば石英とか長石
とかを主成分とするレキ、砂及びシルトを原鉱物又は−
次鉱物と言っている。

従って本発明によれば、 グラウトの全重量を基準にして、 ｃＡ）ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏモル比が１．５〜２．２ ノ
範囲内の水ガラスを５ｉ０２換算で少なくとも７重量％
、及び （Ｂ） セメント懸濁液を少なくとも３５重量％、を
含有するグラウトに （Ｃ） ベントナイトを除く粘土鉱物を配合し、−次
鉱物（レキ、砂、シルト）を主体とした地盤に超高圧で
注入して、該グラウトと該−次鉱物とを攪拌せしめ、そ
してそれらを固結せしめることを特徴とする地中固結体
の造成方法が提供される。

本発明において一般に使用できる粘土鉱物は、コロイド
的性質が顕著で水と共存状態で粘性、塑性を生じ、イオ
ン交換やイオン吸着の現象を示す粉状鉱物を総称し、そ
の構造上の共通点は平面網状ケイ酸基を持っていること
で、分子構造により分類すると、次の４種のグループに
分けることができる。

（１） カオリン群（カオリナイト、ハロイサイト、
加水ハロイサイト、ディツカイト） （１＊） モンモリロナイト群（モンモリロナイト、
バイデライト、ノントロナイト） １＊ｉ） イライト群（粘土質、雲母群）（イライト
、セリサイト、加水雲母） （１ｖ）その他、クロライド群及びアロフェン上記のう
ちモンモリナイトの代表的なものとして土木用粘土とし
て多量に使用されているベントナイトは、水と共存状態
では膨潤性、コロイド的性質、粘性とチクソトロピー性
、カチオン交換性が他の粘土鉱物に比べて特に著しく、
更にセメントと一緒に混合させると膨潤性を急激に失い
、又、セメントの硬化能力も急激に減少する。

これはセメントの水和の除虫じたＣｕ＋（陽イオン）が
ベントナイト粒子（陰に帯電）表面に吸着され、電気化
学的作用（荷電置換）により、ゲル化反応を起し、急激
に粘性が増加し、流動性を失うことになる。

この特性を利用してセメントとベントナイト液を混和し
たセメント−ベントナイト液が裏込め注入材及び空洞充
填材として使用されている。

本発明工法ではセメント量を多く使用しているため、薬
液の粘性が極端に増大し、ＣＣＰ工法において、超高圧
でノズル（φ−１，２〜１．８Ｘ程度）から噴射された
薬液が均一に攪拌混合され難いため、ベントナイトの混
和は望ましくない。

したがって、本発明工法に使用する粘土鉱物はベントナ
イトを除く、酸性白土、本節粘土、蛙目粘土、クレー、
石綿、ロウ石、粘土質雲母、緑泥石、ケイソー土、沖積
粘土、関東ローム等が有用であるが、実用的でしかも安
価で一般的な粘土鉱物として、沖積粘土、関東ローム、
クレー、石綿等を使用すべきである。

次に本発明の詳細な説明するため、以下に実験例を示す
が、この実験に用いた粘土鉱物、及びその組成は下記の
通りである。

尚この実験に使用した水ガラスは前記水ガラスＤである
。

（Ａ） 沖積粘土（砂分２．０％、シルト分３３，０
％、粘土分６５．０％） （Ｂ） 関東ローム（砂分４５％、シルト、粘土分５
５％） （ｑ クレー（ＳｉＯ２７８〜８２％、Ａ１２０３１２
〜１３％、Ｍｇ０１５％、ＲＯ２２％、■ｇｉｅｓｓ４
〜７） Ｄ）酸性白土（Ｓｉｎ２７３４ Ｌ Ａ１２０３１３．
８４、Ｆｅ２Ｏ３２，９０，Ｍｇ０ ２．７３、Ｃａ０
１．２２、Ｉｇｌｏｓｓ ５．５９ ） 璋）硅ノウ士（ＳｉＯ２９０％、Ａ１２０３５．３％、
Ｆｅ２０３１．２％、ＣａＱ ｏ、 ９％、ＭｇＯ６，
８％）（Ｆ） 蛙目粘土（ｓｉＯ２７１，１３％、Ａ
１２０３１２．５０％、Ｆｅ２０３１．５０％、Ｆｉ０
２０．４５％、Ｆｅ００．４５％、Ｃａ００．５５％、
Ｍｇ００．７８％、Ｎａ２Ｏ０，１９％、Ｋ２Ｏ１，０
１％、Ｉｇｌｏｓｓ ４．６３％） （Ｇ） 石綿物（成分不明−積算資料記載の左官材料
）上記の沖積粘土は部内、関東ロームは横浜市内で採取
したものを、自然乾燥した後、粉粒化したものである。

実験は前記第３表の場合と同様にして行ない結果を第４
表にまとめる。

上記第４表に示すように、グラウト中の無水ケイ酸の含
有量が７〜８％以上の水ガラスとセメント（グラウト量
の３５〜５０重量％以上のセメント量）系溶液にベント
ナイトを除く粘土鉱物を混和することにより、−軸圧縮
強度も増大し、ホモゲルのクラック発生が阻止され、半
永久的な注入とすることができた。

水ガラス−セメント系薬液は強度が高くなるにしたがっ
て脆性的物性が犬となる傾向は従来から水ガラス系薬液
の問題点とされていたが、本発明工法で使用する薬液は
、特に強度が高いため、脆性がさらに犬となってクラッ
クが発生する原因が粘土鉱物を混和することにより、脆
性を減少せしめて、安定な注入に改良できたものと思わ
れる。

比較のため、粘土鉱物でない一次鉱物（レキ、砂、シル
ト）を混和した場合には、脆性を減少する効果はなく、
安定性においても長期養生においては、クラックの発生
を阻止することはできなかった。

以上、述べたように本発明工法はモル比が１．５〜２．
２の範囲の水ガラスでグラウト中に無水ケイ酸が７〜８
％程度以上の含有量である水ガラス水溶液（Ａ液）と、
グラウト中にセメントが３５〜５０重量％以上のセメン
ト懸濁液に粘土鉱物を混和したセメント−粘土鉱物混合
液（Ｂ液）を、回転上下動機能を有する注入管の噴射孔
から超高圧噴射により、地盤内で薬液に土を強制攪拌し
て地盤中に円柱状の団結体を連続的に造成する地中固結
体遺戒方法である。

従来のＣＣＰ工法の施工の土質をみると大別して粘性±
（粘土鉱物す含有）と砂質土（−次鉱物）に分けられる
が、本発明工法の実施にあたっては別けて施工を行う点
に特徴がある。

すなわち、ＣＣＰ施工対象地盤が軟弱沖積粘土層の場合
は地盤そのものが粘土鉱物を含有した沖積粘土層である
ため薬液の配合時には別園占土鉱物を混和することなく
ｃｃｐ施工的に地盤内の沖積粘土と強制］攪拌により混
和することにより粘土鉱物を配合時に混和したものと同
様な効果が得られるが、一方ＣＣＰ施工対象地盤として
、−次鉱＊＊物を主体とした地盤に施工する場合は、本
発明に従い、グラウトにベントナイトを除く粘土鉱物を
配合した薬液を注入することが必要である。

本発明によるＣＣＰ工法の沖積粘土層における注入後の
地中固結体の薬液と土との混合比率（薬液／土）は、注
入対象地盤の土層構成状況、施工条件、使用薬液の種類
等により若干異るが、大体１．５〜０．７程度の範囲で
あることが好適である。

本発明工法の薬液と沖積粘土との実施例を示せン ば下
記第５表の通りである。

実験に用いた沖積粘土は第４表で用いた粘土と同じで粒
度組成は、砂分２，０％、シルト分３３．０％、粘土層
６５．０％であり、含水比１００．０％、液性限界１３
４．１％、塑性限界４２．１％である。

使用した水ガラスは水ガラスＤである。

第５表に示すように、 ｃｃｐ工法の施工と同じ ような結果から判るように、 薬液に対して粘土の 混合比を多くしてもホモゲルに比べてあまり強度低下は
認もられない。

このことが本発明工法の特記すべきすぐれた特性であり
、薬液７士比が１．５〜０．７の範囲では１００〜１５
０ｋｇ／ｃｒＡと従来のセメント系溶液ではとても考え
られない値である。

又、粘土鉱物と混合することにより半永久的に安定であ
り脆性も改良できるすぐれた地中固結体の遺戒方法であ
るといえる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ グラウトの全重量を基準にして Ｃ１’Ｊ Ｓ ｉ ０２ ／ Ｎａ２Ｑモル比が１．
   ５〜２．２の範囲内の水ガラスをＳｉＯ換算で少なくと
   も７重量％、及び （Ｂ） セメント懸濁液を少なくとも３５重量％、を
   含有するグラウトに （Ｃ） ベントナイトを除く粘土鉱物を配合し、回転
   上下動機能を備えた注入管の噴射孔から超高圧噴流とし
   て一次鉱物（レキ、砂、シルト）を主体とした地盤に噴
   射しつつ回転してその噴射エネルギーにより、該グラウ
   トと該−次鉱物とを攪拌混合せしめ、そしてそれらを固
   結させることを特徴とする地中固結体の遺戒方法。