特許 6963917 浸透性評価試験方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6963917

(24)【登録日】2021年10月20日

(45)【発行日】2021年11月10日

(54)【発明の名称】浸透性評価試験方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/04 20060101AFI20211028BHJP

   E02D 1/04 20060101ALI20211028BHJP

【ＦＩ】

   E21D9/04 A

   E02D1/04

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-112258(P2017-112258)

(22)【出願日】2017年6月7日

(65)【公開番号】特開2018-204348(P2018-204348A)

(43)【公開日】2018年12月27日

【審査請求日】2020年3月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】591029921

【氏名又は名称】フジモリ産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100085556

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100115211

【弁理士】

【氏名又は名称】原田 三十義

(72)【発明者】

【氏名】平山 博靖

(72)【発明者】

【氏名】細田 優介

【審査官】 松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１２５３６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１７５９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１５６１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３１１８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−１４４２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０１９３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 韓国公開特許第１０−２０１１−００９６６２６（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｄ ９／０４

Ｅ０２Ｄ １／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地山への発泡性の注入材の浸透性を評価する試験方法であって、
内部を透視可能な細長い筒状の試験容器内に模擬地山を収容するとともに注入管を挿入配置し、
前記試験容器を立てた状態で、前記注入材を、前記注入管を経て前記注入管の開口部から前記模擬地山に注入し、発泡前の液状態の注入材を主に下方に拡散浸透させ、発泡後の注入材を主に上方へ拡散浸透させ、
前記注入管の前記開口部は、前記試験容器の高さ方向の中間部に配置されており、前記開口部から前記試験容器の下端部までの距離が、前記注入材の前記開口部から下方への浸透距離より大きく、前記開口部から前記試験容器の上端部までの距離が、前記注入材の前記開口部から上方への浸透距離より大きいことを特徴とする浸透性評価試験方法。

【請求項2】

前記注入材が着色されていることを特徴とする請求項１に記載の浸透性評価試験方法。

【請求項3】

地山への発泡性の注入材の浸透性を評価する試験装置であって、
内部を透視可能な細長い筒状に形成され、模擬地山を収容した状態で立てられる試験容器と、
前記試験容器内に挿入配置されるとともに開口部を有し、前記注入材を前記開口部から前記模擬地山に注入する注入管と、
を備え、
前記注入管の開口部から前記模擬地山に注入された注入材は、発泡前の液状態で主に下方に拡散浸透し、発泡後には主に上方へ拡散浸透するようになっており、
前記注入管の前記開口部は、前記試験容器の高さ方向の中間部に配置されており、前記開口部から前記試験容器の下端部までの距離が、前記注入材の前記開口部から下方への浸透距離より大きく、前記開口部から前記試験容器の上端部までの距離が、前記注入材の前記開口部から上方への浸透距離より大きいことを特徴とする浸透性評価試験装置。

【請求項4】

前記注入材が着色されていることを特徴とする請求項３に記載の浸透性評価試験装置。

【請求項5】

前記試験容器の内径が、５０ｍｍ〜３００ｍｍであり、
前記試験容器の高さが、前記内径より大きく、かつ３００ｍｍ〜２０００ｍｍであることを特徴とする請求項３又は４に記載の浸透性評価試験装置。

【請求項6】

前記試験容器が、透光性材料からなる細長い筒状の胴部と、前記胴部の端部を塞ぐ蓋部とを有していることを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の浸透性評価試験装置。

【請求項7】

前記蓋部には通気穴が形成され、前記通気穴には、気体及び液体の透過を許容し、固体の透過を阻止するフィルタが設けられていることを特徴とする請求項６に記載の浸透性評価試験装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地山への注入材の浸透性を評価する試験方法及び装置に関し、特に、注入材の浸透速度、浸透時間、浸透距離その他の浸透性に係る評価項目を調べるのに適した試験方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばトンネルや建物等の構造物を構築する場合、脆弱な地山や緩んだ地山に注入材を注入することで、地盤改良することが知られている。
地山の性状は施工現場ごとに違うため、現場の地山に合った注入材を選定する必要がある。そこで、次のような評価試験が行なわれている。

【0003】

まず、ドラム缶などの試験容器を用意する。試験容器の軸線に沿って注入管を配置する。注入管の上端は、試験容器の上方へ突出させておく。
次に、試験容器の内部に、地山に見立てた模擬地山を充填し、注入管を模擬地山内に埋める。模擬地山としては、例えば、適用現場の地山と同等の透水性の硅砂等を用いる。
次いで、注入管に注入材を供給する。注入材としては例えばウレタン系注入材やセメント系注入材等を用いる。注入材は、注入管の注入穴から吐出され、模擬地山の内部に浸み込んでいく。
注入材が硬化するまで養生した後、試験容器を割って、模擬地山を取り出す。そして、注入材で改良された部分の大きさ、形状、硬さ、その他の物性から所望の改良効果が得られるかどうかを評価する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平０６−２８７５５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の試験では、試験容器を解体しないと、模擬地山への注入材の浸透距離や浸透範囲を知ることができない。また、浸透速度や浸透時間については、まったく知ることができない。
本発明は、かかる事情に鑑み、地山への注入材の浸透速度、浸透時間、浸透距離、浸透範囲その他の浸透性評価項目を、試験容器を解体しなくても測定でき、注入材の浸透性を適確に評価可能な試験方法及び試験装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記課題を解決するため、本発明方法は、地山への注入材の浸透性を評価する試験方法であって、
内部を透視可能な細長い筒状の試験容器内に模擬地山を収容し、
前記試験容器内に挿入配置された注入管から前記注入材を前記模擬地山に注入することを特徴とする。
本発明装置は、地山への注入材の浸透性を評価する試験装置であって、
内部を透視可能な細長い筒状に形成され、模擬地山が収容された試験容器と、
前記試験容器内に挿入配置され、前記注入材を前記模擬地山に注入する注入管と
を備えたことを特徴とする。

【0007】

試験容器が、内部を透視可能であることで、試験容器の外部から試験容器内の模擬地山の外周部を視認できる。
また、試験容器を細長くすることで、注入工程の開始後、短時間で注入材が模擬地山の外周部に達し、透視可能な試験容器を通して、注入材の浸透状況を視認できるようになる。
試験容器が細く、かつ透視可能であるために、注入材の全体的な浸透状況を試験容器の外側から把握できる。つまり、模擬地山の中央部と外周部とで、注入材の浸透度合いにあまり違いがなく、外周部での浸透状況さえ観察できれば十分である。
更に、試験容器の軸長を長くすることで、注入材が拡散可能な限界位置まで拡散できる。すなわち、注入材が拡散エネルギーを残した状態で試験容器の端部に達して拡散を阻止されるのを回避できる。
この結果、注入材の浸透速度、浸透時間、浸透距離、浸透範囲その他の浸透性評価項目を、試験容器を解体しなくても測定でき、注入材の浸透性を適確に評価することができる。

【0008】

前記注入材が着色されていることが好ましい。これによって、注入材と模擬地山を簡単に見分けることができ、浸透性評価を一層適確に行なうことができる。

【0009】

前記試験容器の内径は、５０ｍｍ〜３００ｍｍ程度であることが好ましい。これによって、試験容器内の模擬地山の中央部における注入材の浸透度合いと、外周部における注入材の浸透度合いを確実にほぼ同程度にでき、外周部での浸透状況を、透視性の試験容器を通して目視観察すれば、注入材の全体的な浸透状況を把握することができる。
前記試験容器の高さは、前記内径より大きく、かつ３００ｍｍ〜２０００ｍｍであることが好ましい。これによって、注入材が、試験容器ひいては模擬地山の軸線に沿って拡散可能な限界位置まで確実に拡散できる。

【0010】

前記試験容器が、透光性材料からなる細長い筒状の胴部と、前記胴部の端部を塞ぐ蓋部とを有していることが好ましい。
少なくとも胴部が内部を透視可能であることで、試験容器の外部から胴部を通して、注入材の浸透状況を観察できる。
前記胴部の軸線は、好ましくは上下ないしは鉛直に向けられる。
前記蓋部は、必ずしも内部を透視可能である必要がなく、非透光性材料で構成されていてもよい。
前記蓋部は、前記胴部の少なくとも一端部（例えば下端部）に設けられていればよい。好ましくは、前記胴部の両端部が蓋部で塞がれている。

【0011】

前記蓋部には通気穴が形成され、前記通気穴には、気体及び液体の透過を許容し、固体の透過を阻止するフィルタが設けられていることが好ましい。
これによって、注入材の注入に伴って、試験容器内の空気を通気穴から排出できる。また、余剰の水分をも通気穴から押し出すことができる。これによって、注入材を円滑に注入できる。一方、通気穴にフィルタを設けることで、模擬地山が通気穴から漏れるのを防止できる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、地山への注入材の浸透性を適確に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る浸透性評価試験装置の正面断面図である。

【図2】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う、前記浸透性評価試験装置の試験容器の断面図である。

【図3】図３（ａ）は、図１のＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿う、前記試験容器の平面図である。図３（ｂ）は、図１のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿う、前記試験容器の底面図である。

【図4】図４（ａ）は、図１の円部ＩＶａの拡大断面図である。図４（ｂ）は、図１の円部ＩＶｂの拡大断面図である。

【図5】図５は、前記浸透性評価試験装置による注入材の浸透状態を、時間を追って示したものであり、図５（ａ）は、注入材の注入開始時を示す正面断面図である。図５（ｂ）は、注入材が試験装置の内周面まで拡散した段階の正面断面図である。図５（ｃ）は、注入材が発泡しながら拡散、浸透する段階の正面断面図である。図５（ｄ）は、注入材の拡散が収束した段階の正面断面図である。

【図6】図６は、実施例１における浸透性評価試験装置による注入材の浸透状況を、時間を追って撮影した写真である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
本発明形態は、例えば、トンネル施工における長尺鋼管フォアパイリングないしはフォアポーリング等の先受け工の注入材の評価に適用される。先受け工においては、トンネル前方の地山に、中空ボルト等の先受け鋼管を打ち込み、該先受け鋼管の注入孔から注入材を地山に注入することで、地山を安定させる。当該地山に適合する注入材を選定するために、事前に浸透性評価試験を行なう。

【0015】

図１は、本実施形態の浸透性評価試験装置１を示したものである。浸透性評価試験装置１は、試験容器１０と、注入管２０と、模擬地山３０を備えている。試験容器１０は、胴部１１と、蓋部１３，１２を有している。
図１及び図２に示すように、胴部１１は、細長い円筒形状に形成されている。ひいては、試験容器１０が細長い円筒状になっている。胴部１１の下端部が蓋部１３によって塞がれ、上端部が蓋部１２によって塞がれている。

【0016】

胴部１１は、透光性材料によって構成されている。これによって、試験容器１０が、胴部１１を通して、内部を透視可能になっている。前記透光性材料としては、透明な樹脂、ガラス等が挙げられる。

【0017】

図１に示すように、胴部１１の内部空間が、円柱状の試験室１０ａとなっている。胴部１１ひいては試験室１０ａの内径φ_１は、高さＨ_１より小さい（φ_１＜Ｈ_１）。好ましくは、内径φ_１は、高さＨ_１の半分以下であり（φ_１≦Ｈ_１３）、より好ましくは高さＨ_１の３分の１以下であり（φ_１≦Ｈ_１２）、一層好ましくは高さＨ_１の６分の１程度ないしはそれ以下である（φ_１≒Ｈ_１／６、φ_１≦Ｈ_１／６）。
具体的には、試験室１０ａの内径φ_１は、好ましくはφ_１＝５０ｍｍ〜３００ｍｍ程度である。試験室１０ａの高さＨ_１は、好ましくはＨ_１＝３００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度である。

【0018】

試験容器１０のうち、少なくとも胴部１１が透明ないしは透光性であればよく、蓋部１３，１２は透明ないしは透光性である必要が無い。
図３（ａ）に示すように、上側の蓋部１２は、非透光性の樹脂によって構成され、円形に形成されている。蓋部１２には、複数（図では４つ）の通気穴１２ｄが形成されている。これら通気穴１２ｄは、蓋部１２の周方向に互いに分散して配置されている。なお、通気穴１２ｄの数及び配置は適宜設定可能である。

【0019】

図４（ａ）に示すように、蓋部１２における試験室１０ａ側の面（下面）には、フィルタ１４が設けられている。フィルタ１４によって、通気穴１２ｄが覆われている。フィルタ１４は、気体及び液体の透過を許容し、固体の透過を阻止する。フィルタ１４の材質として、例えば不織布が用いられている。

【0020】

図３（ｂ）に示すように、下側の蓋部１３（底板）は、非透光性の樹脂によって構成され、円形に形成されている。
蓋部１３には、複数（図では４つ）の通気穴１３ｄが形成されている。これら通気穴１３ｄは、蓋部１３の周方向に互いに分散して配置されている。なお、通気穴１３ｄの数及び配置は適宜設定可能である。

【0021】

図４（ｂ）に示すように、蓋部１３における試験室１０ａ側の面（上面）には、フィルタ１５が設けられている。フィルタ１５によって、通気穴１３ｄが覆われている。フィルタ１５は、気体及び液体の透過を許容し、固体の透過を阻止する。フィルタ１５の材質として、例えば不織布が用いられている。

【0022】

図１に示すように、試験容器１０の内部に注入管２０が挿入配置されている。注入管２０は、鋼管によって構成され、試験容器１０の軸線に沿って上下に延びている。注入管２０の上端部は、蓋部１２を貫通し、試験容器１０の上方へ延び出ている。注入管２０の下端の開口部２０ｅは、試験容器１０の高さ方向の中間部に配置されている。好ましくは、開口部２０ｅは、試験容器１０の中間の高さ、ないしは中間の高さよりも少し下側に配置されている。

【0023】

試験容器１０の内部には、模擬地山３０が収容されている。注入管２０が、模擬地山３０内に埋まっている。
模擬地山３０としては、施工現場の地山と物性や性状が近い土砂が用いられている。好ましくは、模擬地山３０として、施工現場の地山と同等の透水性を有する硅砂が用いられている。

【0024】

図１に示すように、注入管２０の上端部には、注入材３の供給管２１Ａ，２１Ｂが接続されている。ここでは、注入材３として、ウレタン系注入材が用いられている。ウレタン系注入材の原料は、ポリオール等のＡ液と、ポリイソシアネート等のＢ液を含む。供給管２１ＡにＡ液の供給源３Ａが接続され、供給管２１ＢにＢ液の供給源３Ｂが接続されている。

【0025】

Ａ液又はＢ液の一方には、着色材４が添加されている。これによって、注入材３が、着色材４の色に着色されている。着色材４としては染料が用いられている。なお、着色材４は、染料に限られず、顔料を用いてもよい。図１では、着色材４は、Ａ液に添加されているが、Ｂ液に添加されていてもよく、Ａ液及びＢ液の両方に添加されていてもよい。
着色材４の色は、模擬地山３０の色に対して補色関係となる色であることが好ましい。
複数の試験容器１０を用意し、複数種の注入材３に対してそれぞれ浸透試験を行なう場合には、注入材３ごとに別の色を付けてもよい。

【0026】

浸透性評価試験は、次のようにして行う。
図１に示すように、試験容器１０内に模擬地山３０を充填する。
実際の地山は通常、水分を含んでいるため、模擬地山３０に水を浸み込ませることで、実際の地山の状態に近づけることが好ましい。なお、参考データ等を得るために、水分を含ませないことにしてもよい。

【0027】

図１に示すように、ウレタン原料のＡ液及びＢ液をそれぞれ供給管２１Ａ，２１Ｂから注入管２０に供給する。Ａ液又はＢ液には着色材４を添加しておく。これらＡ液及びＢ液が混合されてウレタン系注入材３となり、注入管２０の下端開口部２０ｅから模擬地山３０内に吐出される。
更に、注入材３が模擬地山３０内を上下へ拡散、浸透していく。詳しくは、図５（ａ）〜（ｂ）に示すように、注入材３は、発泡前の液状態では主に下方へ拡散し、図５（ｃ）〜（ｄ）に示すように、発泡すると主に上方へ拡散していく。

【0028】

試験容器１０の胴部１１は透明であり、内部が透視可能であるため、試験容器１０の外部から、試験容器１０内の模擬地山３０の外周部を視認できる。
かつ、試験容器１０が細長筒状であるため、図５（ｂ）に示すように、注入工程の開始後、短時間で模擬地山３０内の注入材３における最も外側の部分３ｅが、模擬地山３０の外周部に達し、透明な胴部１１を通して、該最外側部分３ｅを視認できるようになる。この最外側部分３ｅの浸透状況を観察することで、注入材３のほぼ全体の浸透状況を把握できる。つまり、試験容器１０が細いために、模擬地山３０の中央部と外周部とで、注入材３の浸透度合いにあまり違いがなく、外周部での浸透状況さえ観察できれば十分である。
しかも、注入材３が着色されているため、注入材３と模擬地山３０を容易に見分けることができ、浸透状況を容易に観察できる。
更に、試験容器１０の軸長を上下に長くすることで、図５（ｄ）に示すように、注入材３が、上下に拡散可能な限界位置まで拡散、浸透できる。すなわち、注入材３がまだ拡散エネルギーを残しているにも拘わらず試験容器１０の上端部又は下端部に達して拡散を阻止されるのを回避できる。
この結果、試験容器１０を解体しなくても、浸透速度、浸透時間、浸透範囲、浸透距離などを試験容器１０の外部から測定でき、注入材３の浸透性を適確に評価することができる。
図５（ｄ）に示すように、浸透距離Ｌは、浸透が十分に収まった後、測定する。好ましくは、注入材３の最外側部分３ｅの上端部から下端部までの距離の最大値と最小値を測定し、その平均値を浸透距離Ｌとする。

【0029】

注入材３の注入に伴って、試験容器１０内の空気が、フィルタ１４，１５を透過し、通気穴１３ｄ，１２ｄから排出される。また、模擬地山３０内の余剰の水分についても、フィルタ１４，１５を透過させて通気穴１３ｄ，１２ｄから押し出すことができる。これによって、注入材３を円滑に注入できる。
一方、模擬地山３０の硅砂は、フィルタ１４，１５によって阻まれ、通気穴１３ｄ，１２ｄから漏れるのを防止できる。

【0030】

複数の浸透性評価試験装置１を用意し、互いに組成等が異なる注入材３を注入して、それぞれ浸透性評価を行なうことで、適用対象の地山に合った注入材３を選定できる。この場合、前述したように、注入材３ごとに異なる色に着色することが好ましい。これによって、注入材３の種類を色によって容易に判別できる。

【0031】

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、注入材は、前記ウレタン系注入材に限られず、シリカレジン系注入材、セメント系注入材等を用いてもよい。シリカレジン系注入材は、特殊珪酸ソーダ（Ａ液）と変性ポリイソシアネート（Ｂ液）を原料とする変性ポリウレタンである。
セメント系注入材は、模擬地山３０内を主に下方へ拡散されるから、注入管２０の開口部２０ｅを試験室１０ａ内における上端近くの高さに配置してもよい。
試験容器１０は、細長い筒状であればよく、円筒形状に限られず、四角筒その他の多角筒形状であってもよい。
試験容器１０軸線の向きは、上下（鉛直）に限られず、水平であってもよく、鉛直又は水平に対して傾斜されていてもよい。
胴部１１だけでなく蓋部１２，１３も透光性を有していてもよい。
両端の蓋部１２，１３のうち、一方（例えば蓋部１２）を省略してもよい。
本発明は、切羽の上半アーチ外周から前方へ長尺先受け鋼管を打設する長尺先受け工法の注入材選定の他、切羽鏡部に鏡ボルトを打設する鏡ボルト工法の注入材選定などにも適用できる。
本発明は、トンネル構築時の地山への注入材の選定に限られず、他の地中構造物やビル等の建築構造物を構築する際の地盤改良材としての注入材の選定等にも適用できる。

【実施例1】

【0032】

実施例を説明する。ただし、本発明が以下の実施例に限定されるものではない。
図１と実質同等の浸透性評価試験装置１を作製した。
試験容器１０の胴部１１として、透明なポリ塩化ビニル製のパイプを用いた。
試験室１０ａの高さＨ１は、Ｈ_１＝１０００ｍｍ、内径φ_１は、φ_１＝１５５ｍｍであった。
試験容器１０の上端から下へ６００ｍｍの高さに、注入管２０の下端開口部２０ｅを位置させた。
模擬地山３０として、例えば２号硅砂（粒径２〜４ｍｍ、間隙率約３５％、透水係数１０^０〜１０^１ｃｍ／ｓ）を用いた。
模擬地山３０を５回に分けて試験容器１０内に自然落下により投入した。投入する度に締め固めた。更に、含水比２０ｗ％程度になるように、模擬地山３０に水を含ませた。
注入材３として、例えば旭有機材株式会社製ウレタン系注入材を用いた。注入材３の注入量は１３ｋｇ、発泡倍率は４倍であった。
注入材３には、着色材４として、例えば赤色の染料を混入させた。

【0033】

図６に示すように、注入材３の注入開始後２０秒弱で、模擬地山３０の中間部の外面に赤色の注入材３が現れた。また、通気穴１３ｄから盛んに排水が見られた。更に、注入材３が模擬地山３０内を上下に浸透していくのが、透明胴部１１を通して確認された。注入開始から１２０秒程度で拡散が収束した。
注入材３を着色しておくことで、浸透の様子を明瞭に観察でき、浸透時間、浸透距離等を明確に計測できることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0034】

本発明は、例えばトンネル地山の地盤改良材の選定に適用できる。

【符号の説明】

【0035】

１ 浸透性評価試験装置
３ 注入材
４ 着色材
１０ 試験容器
１０ａ 試験室
１１ 胴部
１２ 蓋部
１２ｄ 通気穴
１３ 蓋部
１３ｄ 通気穴
１４，１５ フィルタ
２０ 注入管
３０ 模擬地山

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】