雑誌名 東北学院大学工学部研究報告

カオリン粒子を含む水ガラス系注入材で改良された 土の一軸圧縮強さ

著者 山口 晶, 岡田 和成, 横井 勉, 金高 鉄次, 飛田  善雄

雑誌名 東北学院大学工学部研究報告

巻 53

号 1

ページ 3‑9

発行年 2019‑02

URL http://id.nii.ac.jp/1204/00024019/

￨

￨

 

^研究論文

^{1 1}

カオリン粒子を含む水ガラス系注入材で改良された土の 一軸圧縮強さ

Unconfined Compression S t r e n g t h  o f  Grouted S o i l  Improved with  Water G l a s s  G r o u t i n g  M a t e r i a l  I n c l u d i n g  K a o l i n  Powder 

山 口 晶 * 岡 田 和 成 付 横 井 勉

Ak i r a  YAMAGUCHI  Kazunari OKADA  Tsutomu  YOKOI 

金 高 鉄 次 付 *

T e t s u j i   KANETAKA 

飛 田 善 雄 *

Y o s h i o  TOBITA 

A b s t r a c t :   8 0 i l  specimens improved with g l a s s . t y p e   m a t e r i a l  i n c l u d i n g  k a o l i n  powder  were s u b j e c t e d  t o   u n c o n f i n e d  c o m p r e s s i o n  s t r e n g t h  t e s t s .   The  specimens wer e  made  u s i n g   a one'dimensiona l  seepage  a p p a r a t u s .   The uniqu e  r e l a t i o n s h i p   between  t h e   u n c o n f i n e d  c o m p r e s s i o n  s t r e n g t h  and c o n d i t i o n  o f  g r o u t  m a t e r i a l  was d e r i v e d  from t h e   t e s t   r e s u l t s .   I t   was confirmed t h a t  t h i s   r e l a t i o n s h i p   h e l p s   e s t i m a t e  t h e   u n c o n f i n e d   s t r e n g t h  o f   g r o u t e d  s o i l .  

Keywords:  U n c o n f i n e d   compression  d i m e n s i o n a l   s e e p a g e   t e s t  

1 はじめに

1995

年兵庫県南部地震や

20 1 1

年東北地方太 平洋沖地震では大規模な液状化被害が発生した。

これらの地震では，既設構造物直下においても液 状化が多数発生したことから，構造物の直下の地 盤改良の実施が，現在の重要な課題である。

既設構造物直下の地盤改良を考えた場合，現 状では浸透注入工法が一番適しているとされてい る。浸透注入の利点は，地盤自体がすでにもって いる土構造を破壊することなく土粒子同士の結び つきを強くすることができること，直上からの施工の みでなく側面から注入管を挿入しての地盤改良も 可能であることである。これにより，施工時に既設 構造物に与える影響を最小限に抑えつつ，地盤を 改良することが可能である。

浸透注入工法で用いられる注入材は大きく分け て二種類存在する。一つがセメント系注入材に代 表される懸濁液型注入材であり，もう一つが水ガラ

*東北学院大学

H 日:本基礎株式会社

*** ~曹産業株式会社

s t r e n g t h

， 

G r a s s . t y p e   g r o u t

， 

Kaolin

， 

One 

ス系注入材に代表される溶液型注入材である。

汎用的なセメント系注入材の化学組成は，

8i02

が

15"'25

%， 

Al 2 0 3

が

3 . 5

%以上，

CaO

が

40'"

70 

%， 

80 3

が

4 . 0

%以上で形成されている

[ 1 ]

。セ メント系注入材を地盤に注入すると，セメント自体 の水和反応により，ケイ酸カノレシウム水和物が生 成し，土粒子が接着され，土中水の一部が水和物 中に固定される。また，セメントの水和反応により 生成する水酸化カルシウムは，反応性の高い粘土 鉱物とポゾラン反応を起こし，改良土の長期強度 の向上に寄与する。改良土は短期強度と長期強 度に優れるため，恒久的な地盤改良材として一般 的に用いられている。ただ、し， セメント粒子の平均 粒径は，普通セメントで

20μm

，超微粒子セメント で

4μm

，近年開発されている極超微粒子セメント で1.

5 μm[2]

程度である。またセメント系注入材は，

対象土質や配合条件により土壌環境基準を超え る六価クロムの溶出が認められる場合がある[

2 ]

。

水ガラス系注入材は，主剤として水ガラス

(Na20 ・ n8i0 2

溶液)を用い， 硬化剤としてセメント などの懸濁液や酸あるいは酸性塩を用いる注入 材である。硬化剤としてセメントやベントナイトを用

場合の

1 1 2

程度まで抑制できる可能性がある。た だし，この注入材を実用化するには，水ガラス系注 入材へのカオリン混合が，改良土の一軸圧縮強さ に悪影響を及ぼさないことを明らかにしておく必要 がある。

そこで本研究では，水ガラス系注入材に混合し たカオリンの質量が，固結後の一軸圧縮強さにど のような影響を与えるかを調べることを目的とした。

まず，してつかの粒径のケイ砂試料を用いて供試 体を作製し，カオリン混合量や水ガラス濃度を変え た注入材の一次元浸透実験を行った。次にこの供 試体について，養生後に一軸圧縮試験を行った。

これらの一軸圧縮強さを，水ガラス濃度，カオリン 混合量，試料の粒径等をパラメータとして整理する ことにより，どのような条件ではどの程度の一軸圧 縮強さになるのか検討した。

2 . 1

実験条件

使用した試料はケイ砂

4

号，ケイ砂

5

号，ケイ砂 6号である。図

1に試料の粒径加積曲線を示す。

全て均一な粒径となっている。表

1

に各試料の物 理特性を示した。

使用した注入材は

3

号水ガラスと硫酸ナトリウム，

カオリンである。カオリンは粘土鉱物(カオリナイト) であり，工業製品として広ぐ流通している。一般に は陶土として利用されることが多い。本研究で用い たカオリンは，平均粒径 1.

5μm

と通常より細かい カオリンを用いた。

注入材の水ガラスの濃度は，重量パーセントで，

1 2 . 5  

%， 

1 5 . 0 

%， 

1 7 . 5 

%， 

2 0 . 0  

%，

2 2 . 5  

%と した。この水ガラス溶液

1 1

当たりに対して，それぞ れカオリン混合量を，

0  g

/l， 

1 5  g

/l， 

45 g / l

とした。

実験条件を表

2

に示す。供試体の相対密度は 全て

6 0 %

とした。

2 実験

いるものを懸濁型，無機系や有機系の溶液の硬化 剤を用いるものを溶液型という。特に溶液型は懸 濁物質を含まないため，浸透性に優れ砂質土にも 注入可能であるが，強度はセメント系よりも劣る。

従来は仮設に対して使用される場合が多かったが，

近年は耐久性が確認されてきたことから，大きな強 度を必要としないような液状化対策などの恒久的 対策に使用される事例が増加している。

水ガラス系注入材の利点は，懸濁液型注入材 よりも相対的に浸透性が良いことであるが，固結時 に注入材の体積収縮が発生することが場合によっ ては問題になる。土粒子のみで形成された地盤で あれば，注入材の体積収縮により土粒子同士を引 き寄せる効果が発揮され，見かけ上有効応力が増 加することになる。しかし，杭や構造物の基礎部分 を含む地盤改良となった場合，注入材の体積収縮 により， 地盤と構造物の聞に隙聞が発生してしまい，

十分な改良効果が得られない場合がある。なお，

ホモゲノレでは体積収縮が

1 5 " " 2 5

%発生すること が分かっている

[ 3

，

4 ]

。著者らは，この注入材の体 積収縮を抑制する方法として，水ガラス系注入材 にカオリンを混合する方法を考案した。現在は，カ オリンの種類と混合盆が，体積収縮盆の抑制に与 える影響を検討中であるがカオリンを混合しない

砂砂砂イイイケケケ号号号1

5 6  

↑

十一

20 

0 001  60  40 

ま)凶宵余同制M

明県 明

2 . 2実験手順

実験に使用した一次元浸透装置の写真を図

2

に示す。砂供試体をセットするアクリノレ管は，長さ

7 0 c m

，直径

5c m

である。管の内部の上下端には 直径

1mm

程度の孔を複数あけた厚さ

1 c m

のア クリノレ円盤を置き，フィルタとした。アクリノレ管の下 部は水槽および注入材 槽とつながっている。水と 注入材は，アクリル管下部から試料土に浸透させ 上部から排水した。上部からの排水量はメスシリン 試料の物理特性

試料名 ケイ砂4号 ケイ砂5号 ケイ砂6号 土粒子の密度 2.640  2.650  2.640 

(g/cm³) 

最大間隙比 0.976  1.049  1.064  en抽X

最 小間隙比 0.688  0.679  0.684 

合m m

平均粒径 1.141  0.600  0.353  品。(mm)

図

1

表

1

表

2

実験条件

実験名 書式料 水ガラス濃度 カオリン混合.

(%)  (gll) 

T4'125'O 

。

T4・125'15 12，5  15 

T4・125・45 45 

T4・150・0

。

T4・150・15 15

，

0  15 

T4'150・45 45 

T4'175・0

。

T4・175・15 ケイ砂4号 17，5  15  T4'175'45  45 

T4'200'O 

。

T4'200'15  20，0  15 

T4・200・45 45 

T4'225・0

。

T4'225'15  22，5  15  T4・225・45 <15 

T5'125'O 

。

T5・125・15 12，5  15 

T5・125・45 45 

T5'150・0

。

T5'150・15 15，0  15  T5・150・45 45 

T5・175・0

ケイ砂5号

。

T5・175・15 17，5  15  T5・175・45 45 

T5・200・0

。

T5・200・15 20，0  15  T5'200'45  45 

T5'225・0

。

T5'225・15 22.5  15 

T5・225・45 45 

T6・125'0

。

T6'125'15  12.5  15  T6・125・45 45 

T6・150，0

。

T6・150・15 15.0  15 

T6'150・45 45 

T6・175・0

。

T6'175'15  ケイ砂6号 17.5  15  T6・175'45 45 

T6・200・0

。

T6・200・15 20.0  15 

T6'200'45  45 

T6・225・0 22.5 

。

T6'225・15 15 

T6'225・45 45 

ダーにより計測した。

実験手順を以下に箇条書きで示す。図

3

に各ス テップの模式図を示す。

1

)アクリノレ管下部に下ペデスタルと孔が空いたア クリノレ円盤を設置した後，アクリル管内に土試 料を乾燥落下法で堆積させ，側面を軽くたたく ことで密度を調整する。その後，上部に孔が空

図

2

一次元浸透実験装置

いたアクリル円盤を置き

0

，

2 MPa

の垂直力を かける。

2 )

水頭差1.

2 m を保ちアク

リル管の下部から水を

通水する。上部から水が流出したことを確認し，

通水を止める。

3 )

所定の濃度の注入材をアクリル管下部から注入 圧

( 0

，

0 5 MPa) をかけて浸透させる。

4 )

計算上試料内の水が注入材に置き換わった直 後付近で，濁りが見られるものの透明に近い注 入材が上部から流出する。

5 )

さらに，継続して注入材を流し，懸濁した注入材 がアクリノレ管上部から排出してから，

3 0 0ml 流

出させる。所定量に達したら注入を止める。

6 )

注入材が流出しないようにアクリル管下部を非

排水状態とし，

注入材の注入管をアクリル管か ら取りはずす。

7 ) 上部に湿った布を被せてビ

、ニーノレで覆い，室 温

25

⁰

C

で所定の日数

( 1 4日間)養生を行う。

8 ) 所 定の 日数に達したら，アクリノレ管も含めて高

さ

1 2 cm

に切断する。アクリル管から試料を取り 出し， 一軸圧縮試験を行う。

3 実験結果と考察

3 . 1

水ガラス濃度と一軸圧縮強さ

表 2に示したそれぞれの実験条件毎に 5つの 供試体で一軸圧縮試験を行っているが，供試体の 位置により一軸圧縮強さが大きく偏るような傾向は みられなかった。そこで，これ以降は，一つの実験 条件の一軸圧強さの平均を一軸圧縮強さの実験 値

q u

，仰とし，それをもとに議論を行う。

固

1)供獄体作製 百面和 3)注入材の注入

困

4)透明な注入材の流出 5)白濁した注入材の排 水

A H 

‑ ‑ ‑ ‑ ‑

‑

ω'7)養生 8)一軸圧縮試験

図

3

実験手順模式図

図

4

にケイ砂

4

号，図

5

にケイ砂

5

号，図

6

に ケイ砂

6号の水ガラス濃度と一軸圧縮強さ q u ，

exp

の関係をカオリン混合量毎に示す。図中の直線は 近似直線である。一軸圧縮強さ俳句仰は水ガラス濃 度に対してほぼ直線的に増加しており，その近似 直線はx軸と0'"'‑'11%の範囲で、交わっている。な お，これらの近似直線の

x

軸との交点の平均を計 算したところ，

7 . 1

%であった。この物理的意味は，

砂 試 料 の 供 試 体 は 注 入 材 の 水 ガ ラ ス 濃 度 が

7 . 1  

%以下の場合は自立しないため，一軸圧縮 強さを求めることができないことを示している。そこ で，図 4'"'‑'6の実験結果について，水ガラス濃度が

7 . 1  

%で一軸圧縮強さ

q u

，expが

O k Pa

を通る近似 直線を求め，これを補正近似直線とした。図 4'"'‑'6 に対して補正近似直線に書き換えたものが図 7'"'‑'

9

である。これらのグラフを比較すると，ケイ砂

4

号 から

5

号，

6

号と試料の粒径が小さくなるに従い補 正近似直線の傾きが大きくなること，図 7'"'‑'9の全

てにおいてカオリン混合量が多くなると近似直線 の傾きが大きくなることがわかる。

3 . 2

平 均 粒 径

0

₅₀と補正近似直線の傾き ここで，図 7'"'‑'9の補正近似直線の傾きを，カオ

350  300 

~ ²⁵⁰ 

色.

~ 200 

0  

芸

150

i f  

量

100 I 50 

水ガラス濃度(%)

図

4

ケイ砂

4

号の水ガラス濃度と一軸圧 縮強さの関係

300 

3

帽 ^お

~ 200 

むr

引J

I畏 150

量

鍵 100

350 I  ̲  .. ^{0 0   .̲ .}  

一一・‑ーカオリン混合量Ogll 一企ーーカオリン混合量 15gll

‑・ー カオリン混 合 &45gll 

50 

0 

o 

5  10  15  20  25 

水ガラス濃度(%)

図

5

ケイ砂

5

号の水ガラス濃度と一軸 圧縮強さの関係

3 

一一・‑ー カオリン混合量Og/l 3Q  企ーーカオリン混合量 15g/1

: ?   I 

→・ー カ オ リ ン混合量45gll 三 2

~ 200  o‑? 

拭J 額 150 if 

量

¹⁰⁰

I  50 

。 。

5  10  15  20  水ガラス濃度(%)

25 

図

6

ケイ砂

6

号の水ガラス濃度と一軸 圧縮強さの関係

量によって異なることが示された。その補正近似直 線の傾きをカオリン混合量で整理すると，試料の 粒径毎に図

1 0

のようになることが分かった。この関 係は，地盤の粒径，カオリン混合量，水ガラス濃度 に応じて，一軸圧縮強さ

qu

が一義的に定まる可能 性があることを示している。従って，この関係を用 いることにより，カオリンを混合した水ガラス注入材 で地盤を改良した場合改良体がどの程度の一軸 圧縮強さ

q u

になるかを推定できる可能性がある。

そこで，本研究の実験結果をもとに，一軸圧縮強 さの推定値qu.estの算出方法を検討する。

ここで提案する一軸圧縮強さの推定値

qu .

削 の 算出手順は次の通りである。

まず図

1 0

の関係は

3

つの粒径の試料の実験結 果であるが，試料の粒径を平均粒径で代表させる ことにより，これをある範囲の任意の平均粒径に拡 張を試みる。

リンの混合量に対して整理する。図 7'"'‑'9の補正近 似直線の傾きを，カオリンの混合量に対して，試料 別に整理した図が図

1 0

である。この図においても， 試料の粒径が小さくなると近似直線の傾きが大きく なること，カオリン混合量が多くなると近似直線の 傾きが大きくなることが明確に示されている。カオリ ンを混合することにより一軸圧縮強さが低下しな いこと，若干ではあるが一軸圧縮強さがカオリンの 混合量に応じて大きくなることが確認できた。

一軸圧縮強さの推定

4 . 1

一軸圧縮強さ qu.estの 推 定 手 法

本実験結果から，水ガラス濃度と一軸圧縮強さ

れ.eXllの関係、は補正した近似直線で表すことが可 能で，その補正近似直線の傾きは，カオリン混合

4 

350  300  250  200  150  100  50  { 時 皇

)E

3

守山 刊怨 提出 事

￨

一一・‑ー カオリン混合量 Ogll

‑‑i. ‑.カオリン混合量 15g11 ..・‑ー・ カオリン混合最 45g11 350 

300  250  200  150  100  50 

( ￡ ﹄

) J

拘源 岨標 凶同 事￨

。 。

30  25  20  15  水ガラス濃度(%)

。 。

5 

水ガラス濃度(%)

ケイ砂

6

号の水ガラス濃度と

一軸圧

縮強さの関係、

図

9

ケイ砂4号の水ガラス濃度と一軸

圧縮強さの関係 図

7

一一・一一ケイ砂4号の実験 一企一一ケイ砂5号の実験

‑・ー ケ イ 砂6号の実験 20 

15 

10 

5  (そ

も主 )初 忌

Q索

個可 申州 市同 案 カオリン混合量 Ogll

カオリン混合量 15g11 カオリン混合量 45g11 350 

300 

. .  

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p 

~ 200 

0・

祇J

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I I   l l i   S 

250 

150  100  50 

。 。

50 

図

1 0

粒径に対する水ガラス濃度とー 軸圧縮強さの補正近似直線の傾き

カオリン混合量(凶) (%) 

ケイ砂

5

号の水ガラス濃度と一軸圧 縮強さの関係

水ガラス濃度

図

8

すことが可能となる。例としてカオリン混合量が

1 0 g / l

の場合の，水ガラス濃度と一軸圧縮強さの推定 値 qu.estの関係を図

1 4

に示す。また，試料の平均 粒径が

0 . 5 m m

だ、った場合の水ガラス濃度と一軸 圧縮強さの推定値qu.estの関係、を図

1 5

に示す。

本研究で得られた実験結果について，仮に近 似曲線等で補間できると考えた場合には，図

1 4

や図

1 5

で示したように，ある範囲における任意の 平均粒径，水ガラス濃度，カオリン混合量の注入 材で改良した試料の一軸圧縮強さ

q u .

聞を算出する ことが可能となる。

一一・一一平均粒径O.4m m

‑‑A ‑‑平均粒径 O.5m m

‑‑. ‑‑平均粒径 0.6mm 一一0一一平均粒径 07mm 一色一 平均粒径 08mm

‑ー口 ‑‑平均粒径 0.9mm

園 田. . .  一 平均粒径 10mm

圃・!o(‑‑平均粒径 1Imm 

.  . ・ .

^{.平均粒径1.2mm}

図

1 0

では，近似直線は平均粒径が小さいほど 上に位置し， 傾きも大きくなっている。そこで，試料 の平均粒径Ds

o

と図

1 0

中の近似直線の切片と傾 きを整理することとした。平均粒径に対する図

1 0

の近似直線の切片を図

1 1

に， 傾きを図

1 2

に示す。

図

1 0

は二次曲線，図

1 1

は累乗の近似曲線で結 んだ。図

1 0

を見るかぎり，近似曲線で結ぶことに 問題はないと恩われるが，例えば粒度分布が広い 範囲にあるような士に対してはこの仮定が成り立た ない可能性がある。仮に図

1 1

と図

1 2

中の近似曲 線関係が成り立つとした場合，

0 . 3 5 m m

から1.

1 4 mm

の範囲の任意の平均粒径Ds

o

で，図

1 0

に示 したような補正近似直線の傾きとカオリン混合量の 関係を示す直線を描くことができる。例として

0

.4

m m

から 1.

2m m

までの平均粒径Ds

o

で，カオリ ン混合量と補正近似直線の傾きを描いたものを図

1 3

に示す。この図より，図

7 " " ' 9

に対応する水ガラ ス濃度と一軸圧縮強さの推定値

q

叩引の関係を示

(さ

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緩回選対

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園 田C^{岡 田近似直線の切片} 20 

10  15 

文S

eS H閣 議制

カオリン混合量(g/り

図

1 3

推定した粒径に対する水ガラス濃 度と一軸圧縮強さの近似直線の傾き

1.2  5 

平均粒径 (mm)

図

1 0

の近似直線の切片と 平均粒径の関係

図

1 1

一一・一一平均粒径 O.4mm

‑ー企ーー平均粒径 O.5mm

‑‑・‑‑平均粒径 0.6mm 一一0一一平均粒径 07mm 一企 一 平均粒径 0.8mm

‑‑ローー平均粒径 0.9mm 一一手一ー平均粒径 1.0mm

・・×ー・平均粒径 1Imm 

.  . ・ .

^{.平均粒径1.2mm}

150  100  50 

( 問 主 ) E2 守初 鋲援 出薄

l

01 

0.08 

0.02  0.06 

004 

初回単Q議回挙制

1 .2  平均位径 (mm)

図

1 0

の近似直線の傾きと平均粒径 の関係

図

1 2

ケイ砂4~号カオリン Ogll ケイ砂4号 カ オ リン 15g11 ケイ砂4号 カオリン 45g11 ケイ砂5号 カオリン Ogll ケイ砂5号 カ オ リ ン 15g11 ケイ砂5号 カオリン 45g11 ケイ砂6号 カ オリンOgll ケイ砂6号 カ オ リ ン 15g11 ケイ砂6号 カ オリン45g11

‑ & ・ o A

口V

× ・

一一・‑ーカオリン量 Ogll

‑ー企ーー カオリン量 10gll . .・..カオリン量 20gl1

‑<:ト カオリン量 30gll

‑‑‑‑d.ー カオリン量‑10ダl

‑‑口ーーカオリン量50gl1

250  200 

150  100  ( 側 主

) E 2

守刷 串篠 山mQ

拘線 価婚 出窓

￨

150 

100  50  {E

4) E2守拘鋲鍵出事￨

50 

一軸圧縮強さの推定値L..(kPa) 

一次圧縮強さの推定値と実験値の比較 差が

100kPa

の範囲内に収まったことから，提案 した算出手法は妥当な実験結果を与えるものであ ったことが確認できた。

カオリンを混合した水ガラス・注入材については，

まだ開発途中であり，実地盤に注入して強度を確 認した事例がない。今後は，実際の地盤に注入し た事例について，本推定手法を適用し，その妥当 性を確認する必要がある。また，実験データも粒 径がそろったケイ砂試料による実験結果であり，粒 径が広い範囲で分布している試料にも適用できる か等を検討する必要がある。

350 

。 _。

図

1 6 4 . 2

推定手法の確認

ここでは前節

( 4 . 1 )

で提案した一軸圧縮強さの 推定値

q u .

凶の妥当性を確認することとする。ただし，

本注入材は開発途中であり実際の地盤に注入し てその効果を確認した事例がない。そこで，本研 究で行った実験について，前節

( 4 . 1 )

で示した方 法で一軸圧縮強さの推定値qu.estを算出し， 一軸 圧 縮強さの実験値qu，cxpと比較することとする。これは 近似式を求めた元データと近似式から求めた推定 データを比較することを意味し，近似の精度が高 いほど，一致した結果となる。

図

1 6

に実験値と推定値の比較を示す。直線が

1

対

1

の関係を示している。プロットは概ね推定値 の

100 kPa

以内の範囲に収まっている。結果を整 理する過程で、行なった近似における誤差の影響

は少ないと言える。

参考文献

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1

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( 2 0 1 7 )

，

pp  186 / 1 8 8  

5まとめ

本研究では、カオリンを混合した水ガラス注入 材を用いて一次元浸透実験を行い，養生後に一 軸圧縮試験を行った。カオリンを混合することによ り，一軸圧縮強さが低下するような悪い影響がない ことを確認するとともに，カオリンの混合量に応じて 一軸圧縮強さが若干ではあるが上昇することが分 かった。一軸圧縮強さ qu.expを水ガラス濃度，平均 粒径，カオリン混合量で整理することにより，任意 の平均粒径，水ガラス濃度，カオリン混合量にお ける一軸圧縮強さの推定値qu.estを算出する手法を 提案した。その手法に基づいて，本実験結果と算 出手法を用いた推定値を比較したところ，両者の