砂質地盤におけるグラウト注入工法

【課題】グラウトの浸透性に優れた注入工法を提供する。
【解決手段】砂質注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入するものであって、長波の注入圧力の周期的変動に、短波の注入圧力の周期的変動を重畳した注入圧力の変動をもって前記グラウト材を注入する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砂質地盤におけるグラウト注入工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
都市の軟弱地盤における注入と異なり、岩盤でのグラウト注入は、亀裂が小さく、かつその亀裂が注入に伴って膨張するものではないので、まったく異なる注入形態が必要になる。
近年、岩盤におけるグラウト注入工法において、いわゆる「動的注入」の有効性が確認されており、その工事数が増加傾向にある。
動的注入の代表例は特許文献１に開示されたもので、グラウト材を注入ポンプにより所定の注入圧力で圧送し、末端の注入管を介して亀裂性岩盤に穿設された注入孔にグラウト材を注入するに際し、前記注入圧力に５Ｈｚ〜３０Ｈｚの周波数域から選択された特定の周波数を持つ脈動圧力を重畳的に付加し、前記グラウト材の構成粒子を励起させるものである。
しかし、その後の本発明者らは、かかる方法ではグラウト材の浸透性が充分でないことが知見し、これを解決すべく鋭意検討したところ、長波の注入圧力の周期的変動に、短波の注入圧力の周期的変動を重畳した注入圧力の変動をもってグラウト材を注入することにより、グラウトの浸透性に優れた、特に、微細な亀裂に対しても優れた浸透性を示す注入工法を開発した。
この方法は、砂質地盤にも友好であることが判明しているが、より詳細に検討すると、注入後の改良効果を確認した結果によれば、場合により、注入管の周囲に小さな脈状注入がみられ、さらなる検討が必要であることが判明した。
【特許文献１】特許第３０９６２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明は、砂質地盤において、より均質なほぼ球状の改良体を造成できるグラウト注入工法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題を解決した本発明は、次のとおりである。
〔請求項１記載の発明〕
砂質注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入するものであって、
長波の注入圧力の周期的変動に、短波の注入圧力の周期的変動を重畳した注入圧力の変動をもって前記グラウト材を注入することを特徴とする砂質地盤におけるグラウト注入工法。
なお、本発明における「砂質」とは、土の粒度試験により得られる粒度分布において、０．０７５ｍｍ以上の粒子が５０％を超える土質をいう。
【０００５】
〔請求項２記載の発明〕
前記長波の周波数が０．０４〜０．０８Ｈｚの周期である請求項１記載の砂質地盤におけるグラウト注入工法。
【０００６】
〔請求項３記載の発明〕
前記短波の周波数が１〜６Ｈｚの周期である請求項１または２記載の砂質地盤におけるグラウト注入工法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、後記の実施例のように、従来例のものの短波と言うべき圧力変動のみのものとは異なり、長波の注入圧力の周期的変動に対して短波の注入圧力の周期的変動を重畳させているので、グラウトの浸透性に優れたものとなる。特に、後述の実施例で明らかにしたように、砂質地盤において、浸透性に優れ、均質なほぼ球状の改良体を造成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明の概要及び実施の形態を示めす。
＜本発明の概要＞
図１は、本発明の概念図を示したもので、０．０５〜０．５Ｈｚ（より好適には０．０４〜０．３Ｈｚ、さらに好適には０．０４〜０．０８Ｈｚ）の長波（一次低周波）の注入圧力の周期的変動に、１〜６Ｈｚ（より好適には１．５〜３Ｈｚ）の短波（二次高周波）の注入圧力の周期的変動を重畳した複合波を示す注入圧力の変動をもって対象領域、たとえば砂質地盤にグラウト材を注入するものである。なお、０．０４Ｈｚ未満では機械的な観点から長波の制御が困難であるため、０．０４Ｈｚ以上が好ましい。
本発明において、注入開始当初から完了まですべての時間的期間において複合波による注入を必須とするものではなく、少なくとも注入の最終段階で複合波による注入を確保されればよい。したがって、注入開始段階あるいは注入最終段階では、注入圧力を一定としたり、長波（一次低周波）あるいは短波（高周波）のみによる注入圧力の周期的変動による注入などでもよい。また、注入圧力の振幅としては、ある時点の圧力Ｐに対し、±（０．１〜０．７Ｐ）の変動を生じるような振幅が好ましい、±（０．３〜０．５Ｐ）の変動を生じるような振幅が特に好ましいことを知見している。
【０００９】
＜実施の形態＞
以下、本発明における砂質注入対象領域へのグラウト注入の例を挙げて実施の形態を説明すると、図２に示すように、地盤Ｅの砂質注入対象領域に注入管装置１を設置する。この図２には注入管装置１として概略的に示しており、必ずしも限定されるものではないが、具体的には本出願人の一人が開発した装置及び注入方法を使用するのが望ましい。
すなわち、特許３３１３３５１号に開示されているように、「軸方向に間隔を置いて複数のパッカーを外面部に有し、かつ隣接するパッカー間の注入口を有する注入外管と、吐出口を有し前記注入外管内に挿入し移動可能な注入内管とを用い、対象地盤を所定深度まで掘削して挿入孔を形成するとともに、前記注入外管を前記挿入孔内に相対的に挿入し、前記隣接する両パッカーを膨出させて前記挿入孔壁面に密着させ、このとき前記隣接パッカーと挿入孔壁面と注入外管外面とで囲まれる領域を充填材が存在しない空間とした状態で、前記注入内管に薬液を圧送し、この薬液を前記吐出口から吐出させ、前記注入口から薬液を前記空間に満たしつつ砂質地盤に注入する」方法及び装置が望ましい。
【００１０】
図２において、１ａは前記の注入管装置１のパッカーを示している。
注入プラントとして、グラウト材料撹拌機２から、長波の注入圧力の周期的変動を与えながら圧送する低周波（長波）圧送手段を構成する、インバータ制御を行う注入ポンプ（一次低周波発生器）３、並びにグラウト材の流れの下流側にあって短波の注入圧力の周期的変動を重畳させる高周波（短波）重畳手段を構成する、回転盤を備えた二次高周波発生器４を通して、注入管装置１にグラウト材Ｇを圧送するようにしてある。
二次高周波発生器４を通るグラウト材Ｇの一部はリターンバルブ５によりグラウト材料撹拌機２へ流路１１を通して返送するようにしてある。
注入時の圧力は、１次圧力計６により検出し、流量は流量計７により検出し、所定の圧力を超えた時点でコントローラ８によりリターンバルブ５を操作し、グラウト材料撹拌機２へ返送するようにしてある。また、流量が過大となった時点においてもリターンバルブ５を操作し、グラウト材料撹拌機２へ返送するようにしてある。これらのリターン系は、通常のダムグラウトで行われているのと同様の方法であるので詳細の説明を省略する。
【００１１】
流量計７と注入管装置１との間には２次圧力計９が設けられ、また、グラウト材を送給する流路１０において、二次高周波発生器４の前後にバイパス路１２が設けられ、そのバイパス路１２にバイパス量調整用の調整弁１４が設けられている。２次圧力計９で圧力変動に応じて、二次高周波振幅調整器１３により、調整弁１４の開度を調整し、二次高周波の振幅の調節を行うようにしてある。
かかる設備では、注入ポンプ３、たとえばピストン型の注入ポンプ３を、これに付属のインバータ制御器により回転数制御を行い、グラウト材の送給圧力を長波（一次低周波）で周期的に変動させる。その後において、後に詳しい構造例を説明する二次高周波発生器４により、短波（二次高周波）で周期的に変動させる。その結果、長波（一次低周波）に短波（二次高周波）が重畳された、図１に示す複合波が生じ、かかる複合波の、経時的な圧力変動を示す注入圧力の周期的変動（注入流量も変動する。）をもって、注入管装置１を通してグラウト材Ｇを岩盤ＥのクラックＣに注入する。
他方、図３に示すように、二次高周波振幅調整器１３、バイパス路１２及び調整弁１４は、流量計７の後段に設けてもよい。
【００１２】
二次高周波発生器４としては、特許文献１のように油圧サーボアクチュエータとその油圧サーボアクチュエータにより駆動される容積型のポンプ、たとえばピストンポンプにより、発振器により二次高周波をもって圧力変動させることもできるが、図４に示す装置構成のほうが、装置が簡素となる。
図４に示す二次高周波発生器４は、モータ４Ａの出力軸に、同軸心回りに連続的に回転する回転盤４Ｂを設け、その回転盤４Ｂの周囲円に適宜の数で透過孔４ｂ、４ｂ…を等間隔で形成したものである。前記周囲円の一部に対して流路１０が連なるよう構成してある。
【００１３】
流路１０を通して送給されるグラウトＧは、流路１０に対して透過孔４ｂが一致したときはその透過孔４ｂを通して下流に流れ、その後、回転盤４Ｂが回転し、透過孔４ｂ、４ｂ間の位置においては流れが遮断される。このように、グラウトＧの流れと遮断とが繰り返される。そして、上流側からグラウトＧが注入ポンプ３により圧送されているので、遮断時においては、圧力が高まり、連通して下流に流れる時点で圧力が低下する。また、遮断から連通、連通から遮断の移行期においては、圧力変動があるので、図１に示す圧力変動を生じさせることができるのである。
ここで、透過孔４ｂの数は、透過孔４ｂの直径を２５ｍｍにした場合、本発明で規定する条件を得るためには、６孔では大きな振幅を得ることが困難であり、２孔では遮断時間が長すぎるので、３〜５孔、特に４孔が最適であることを知見している。また、透過孔４ｂの直径を２０ｍｍにした場合、６孔でも良好であり、図５に示す圧力振幅及び流量振幅が得られる。
【００１４】
また、二次高周波振幅調整器１３、バイパス路１２及び調整弁１４を設けない場合、図４の二次高周波発生器４自体の構造が原因となって、モータ４Ａの回転数が一定の場合には、透過孔４ｂの直径、及び透過孔４ｂ、４ｂ間の距離により、圧力振幅及び流量振幅は一定である。しかし、圧力振幅及び流量振幅が過度に大きいと、浸透性が良好でない。そこで、圧力振幅及び流量振幅を調整するために、二次高周波振幅調整器１３により調整弁１４の開度を調節し、バイパス路１２に流れる流量を高めることで、圧力振幅及び流量振幅を低減させ、砂質地盤への良好な浸透性を確保できる。
【００１５】
一方、本発明において、低周波圧送手段としては、ピストンポンプやスクイズポンプなどモータを駆動力とする場合に、そのモータの回転周波数を制御する装置（インバータ制御装置）を付加したもの、またはモータの回転数をパルス的に増加減させるもの、ピストンポンプの駆動軸に電気−油圧アクチュエータを連結し、電気−油圧アクチュエータを通す油量を電気信号に応じて増加減することによりピストンポンプの往復動速度を調整するものなどを使用できる。
また、高周波重畳手段としては、前掲例のほか、特許第２９４８８８１号公報の第２図、あるいは特開昭５２−５３５０４号公報に示されたダイヤフラムポンプを使用する形態、特開昭５１−８８８１０号公報に示された超音波振動子を使用する形態、特許第２９５２３２４号公報に示された振動媒体又は衝撃媒体を使用する形態、特開２００２−１３１３０号公報に開示されたアキュムレータを使用する形態など適宜の手段を採用できる。
本発明のグラウト材を吐出する注入管装置しては、前掲例のほか単管又は二重管のほか、適宜の流路を有する公知のものを使用できる。
グラウト材としては、砂質地盤への浸透性及び経時的に安定した強度の発現を確保する限り、適宜選択できる。
【００１６】
一方、上記例では、注入管類（注入管装置１）一つ当たり、一つの注入ポンプ（一次低周波発生器）３と一つの二次高周波（低周波）発生器４が直列に設けられている例であるが、図６に示すように、高周波重畳手段（たとえば二次高周波（低周波）発生器４）が複数直列に設けられている、図７に示すように、高周波重畳手段が複数並列に設けられている、図８に示すように、低周波圧送手段が複数直列に設けられている、図９に示すように、低周波圧送手段が複数並列に設けられている、あるいはこれらの適宜の組み合わせによる装置構成としてもよい。
ここで、高周波重畳手段として、たとえば二次高周波（低周波）発生器４を複数直列に設ける場合、二次高周波（低周波）発生器４の透過孔２ｂの大きさ（面積）、透過孔２ｂの形成間隔を異ならせると、より複雑な振幅変動又は周波数変動を示すものを構成できる。
【実施例】
【００１７】
次に実施例（実験例）を示し、本発明の効果を明らかにする。
砂質地盤においては、図１０に示すように、注入圧力と注入速度との関係グラフにおいて、直線的に圧力が上昇する領域Ｚ１では、脈の発生がなく良好な浸透注入が可能であり、目的の改良形状（たとえば球状）を得ることができる。曲線的に圧力が上昇する領域Ｚ２では脈の発生があるものの、それなりの浸透注入が可能であり、ほぼ目的の改良形状（たとえば球状）を得ることができる。注入速度が速め、直線的に圧力が上昇する領域Ｚ３では脈状の割裂注入となり、浸透注入が困難であり、目的の改良形状が得られない。
かかる一般的な知見を背景に、注入材として、１２０００以上のブレーン値を示す超微粒子セメント３５０ｋｇ、水酸化ナトリウム３０ｋｇ、分散剤１ｋｇ、残留水、１０００リットルを使用した。初期粘性は２０ｍＰａ・ｓで、ゲルタイムは数時間のものである。一軸圧縮強度１００〜４００ｋｎ／ｍ²である。かかる注入材により、前述の次の「マックスパーム工法」に使用される注入管装置を使用し、注入実験を行った。なお、いずれも注入速度は６．０リットル／分とした。
（１）実験１：長波及び短波の注入圧力の周期的変動がいずれもなし（静的な注入）。結果を図１１及び図１２に示す。
（２）実験２：長波の周波数が０．１Ｈｚ、短波の周波数が６Ｈｚ。結果を図１３及び図１４に示す。
（３）実験３：長波の周波数が０．１Ｈｚ、短波の周波数が２Ｈｚ。結果を図１５及び図１６に示す。
【００１８】
＜考察＞
実験１の結果によれば、注入孔付近に大きな４本の脈が発生しており、改良体も注入孔付近に留まり、球状のものではなかった。
実験２の結果によれば、注入孔付近に細かい無数の脈が形成され、改良体は多少いびつであるがほぼ球形であった。
実験３の結果によれば、注入孔付近に大きな脈がほとんど発生しておらず、改良体も理想的な球状のものであった。
これらを総合的にみると、本願発明に従う、長波の注入圧力の周期的変動に、短波の注入圧力の周期的変動を重畳した注入圧力の変動をもって注入する方法の有効性は顕著である。
また、岩盤に対する注入では、短波の周波数が６〜８Ｈｚが特に最適であったのに対し、砂質地盤では短波の周波数が２Ｈｚの方が良好であることが判る。
【００１９】
上記の実験及び結果に加えて、さらなる実験を行った。すなわち、注入材料の粘性が複合動的注入に及ぼす影響について検討した。
すなわち、内径７９ｍｍφ、高さ１．５ｍの一次元浸透試験用モールド内に東北６号及び８号珪砂を詰めて、０．１ＭＰａの注入圧力をもって、水（１．０ｍＰａ）及び（水＋水ガラス）（２．９８ｍＰａ）を注入し、通過量の経時的変化を観察した。この注入形態として、静的（一定圧力）注入と、長波の周波数が０．１Ｈｚ、短波の周波数が２Ｈｚの本発明に係る複合動的注入とを行った。しかし、粘性の相違、周波数による相違はいずれも観察できなかった。
【００２０】
他方で、内径７９ｍｍφ、高さ１．５ｍの一次元浸透試験用モールドとして透明塩化ビニル製のものに換え、その内部に東北６号を１．７４ｇ／ｃｍ³の量で詰めて、注入材料の到達距離を測定した。試験条件は次記のとおりである。
注入材料：１２０００以上のブレーン値を示す超微粒子セメント３５０ｋｇ、水酸化ナトリウム３０ｋｇ、分散剤１ｋｇのもの。
注入材料の粘度：すべて約３．９ｍＰａ
注入圧力：０．１ＭＰａ
注入形態：（１）静的（一定圧力）注入
（２）単動的注入：０．１Ｈｚ及び２Ｈｚ（それぞれ両振幅６０％）
（３）複合動的注入：長波の周波数が０．１Ｈｚ、短波の周波数が２Ｈｚ（それぞれ両振幅６０％）
結果を図１７に示す。この結果から、注入形態の相違により、未固結砂において、到達距離については明確に相違がみられることが確認された。
【００２１】
長波の周波数として、０Ｈｚ、０．０５Ｈｚ、０．１Ｈｚ、及び０．３Ｈｚ：短波の周波数として、０Ｈｚ、２Ｈｚ、４Ｈｚ、６Ｈｚ、及び８Ｈｚの組合せによって、前記到達距離実験を繰り返した。その結果、これらの組合せの系内では、長波の周波数が０．１Ｈｚ、短波の周波数が２Ｈｚ（それぞれ両振幅６０％）の複合動的注入が最適なものであることを確認した。次に、長波の周波数が０．０５Ｈｚ、短波の周波数が２Ｈｚの複合動的注入も遜色はないものであることを確認した。
【００２２】
上記の実験結果を踏まえて、
次に実施例（実験例）を示し、本発明の効果を明らかにする。
現実の砂質地盤を模擬的に再現させるために、図１８に示す被注入器に対して、図２に示す装置を使用して、注入材料の通過量の変化を調べる注入実験を行った。
被注入器は、上下の圧肉鉄板（肉厚５０ｍｍ）の間に狭い間隔Ｓ（３０μｍ）の流路を形成し、その流路内に邪魔板スペーサを設け、グラウト材の入口Ｐ１から出口に向かって邪魔板スペーサを巡りながら注入するようにしたものである。注入条件は次記のとおりである。
注入材料：超微粒子セメント「日鉄スーパーファイン」、分散剤０．７％配合のＷ／Ｃ：２００％のセメントミルク。
注入形態：複合動的注入：短波の周波数が６Ｈｚ、長波の周波数を変化させる（それぞれ片振幅３０％、両振幅６０％）
結果を図１９に示す。この結果から、長波の周波数としては、０．０４〜０．０８Ｈｚの場合において通過量が高く、浸透性が良好であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の概念図である。
【図２】本発明の実施の形態の概要図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の概要図である。
【図４】二次高周波発生器の説明図である。
【図５】圧力振幅及び流量振幅変動のグラフである。
【図６】注入プラントの他の例の説明図である。
【図７】注入プラントの他の例の説明図である。
【図８】注入プラントの他の例の説明図である。
【図９】注入プラントの他の例の説明図である。
【図１０】注入圧力と注入速度との関係グラフ。
【図１１】実験１の結果の写真である。
【図１２】実験１の結果の写真である。
【図１３】実験２の結果の写真である。
【図１４】実験２の結果の写真である。
【図１５】実験３の結果の写真である。
【図１６】実験３の結果の写真である。
【図１７】実験結果のグラフである。
【図１８】被注入器の形態の説明図である。
【図１９】実験結果のグラフである。
【符号の説明】
【００２４】
１…注入管、２…グラウトラウト材料撹拌機、３…注入ポンプ（一次低周波発生器）、４…二次高周波発生器、５…リターンバルブ、１０…流路、１２…バイパス路、１３…二次高周波振幅調整器、１４…調整弁。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂質注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入するものであって、
長波の注入圧力の周期的変動に、短波の注入圧力の周期的変動を重畳した注入圧力の変動をもって前記グラウト材を注入することを特徴とする砂質地盤におけるグラウト注入工法。
【請求項２】
前記長波の周波数が０．０４〜０．０８Ｈｚの周期である請求項１記載の砂質地盤におけるグラウト注入工法。
【請求項３】
前記短波の周波数が１〜６Ｈｚの周期である請求項１または２記載の砂質地盤におけるグラウト注入工法。

【図１】