土質種類の相違と信頼性の高い地盤改良工法

地盤の安定を確保するためには「土の性質」（本来持つ土の支持力や透水性）を知ることが重要です。
豪雨や台風などの自然災害、地震から耐える地盤づくりを知ることから地盤改良を考えましょう。
地盤が軟弱だと建物の沈下や傾きが生じ、窓やドアが開きづらくなったり基礎や外壁にひびが入ったりするリスクがあります。

この記事では、地盤の特徴やそれに対応した信頼性の高い地盤改良工法について解説しています。

そもそも地盤とは

地盤とは、建物を支える地下にある土、岩石などの総称です。
地盤は土または岩石から構成され、その内、軟らかく粒子の結合の弱いものを土といい、硬く鉱物粒子が固結されているものを岩石といいます。
支持層は強固な岩盤で、火成岩、変成岩および地質年代では第三紀層以前に属する堆積岩の硬い岩層で構成される地盤と、やや低い固結度の軟岩層よりなる地盤とに分けられます。

地盤の種類

地盤の種類には、下記の２つがあります。

• 支持地盤
• 軟弱地盤

支持地盤（支持層）は、建築物を支える地盤のことです。
建築物は、支持地盤の上に建つことで、沈下などが生じない安全性を確保されます。

一方、軟弱地盤とは、液状化を起こし、建築物の重さを支持できない地盤のことを言います。地盤の強さを表す値を「N値」で表現し、N値が小さい（0や1）地盤は、軟弱地盤に該当します。
地盤は、建築物の重さを支える強さが必要ですが、設計や各種施工が適切に行われず、地盤が沈下することも生じます。

地盤の沈下には、下記の２種類があります。

• 即時沈下（短時間で発生する沈下）
• 圧密沈下（時間の経過と共に土中の水分が減少して、沈下が生じる現象）

特に問題なのは、圧密沈下で、時間の経過と共にゆっくり沈下します。
建物の傾きの原因となる不同沈下の原因にもなります。

「日本の特殊土」宅地の基礎地盤の失敗例に学ぶ

地盤工学会の土質試験では、関東ロームやシラス、高有機質土、まさ土などの4土質を特殊土として扱っています。
特殊土は災害を引き起こす問題となる土壌です。

各特殊土の特徴を次のとおりです。

関東ローム

火山灰土はシラスに代表される火山灰質粗粒土と火山灰質粘性土に大別されます。この火山灰質粘性土は風成堆積物（代表的には関東ローム）と水性堆積物（代表的には凝灰質粘土）に区分されます。

関東地方では台地や丘陵地の地表を数メートルの厚さでカバーされている赤褐色の土を関東ローム層と呼んでいます。火山活動に起因する関東ローム層と同じ種類の土は、関東地方だけでなく、北海道から九州各地に広く分布しています。
赤土の表層部にあるのが黒土（くろつち）で、有機物含量が多く、土壌発達した土で「黒ボク土」とも言います。

この関東ローム層は、一般の粘土と比較して含水比（土に含まれる水の重量を、乾燥土の重量で除した値）や間隙比（土中の間隙の大小を示す指標）の値が非常に大きく、標準貫入試験のN値が小さい特徴があります。そのため、物理的性質の強度も小さいと思われがちです。
しかし自然状態では、粒子間の結合力が強いため強度は比較的大きく、小規模住宅の基礎地盤としては安定した地盤です。

しかしながら、一度乱された後に再度堆積した二次堆積地盤あるいは人工的な盛土は強度が著しく低下するなど、工学的性質に問題があります。

シラス

シラスは、九州南部一帯に分布している白色の土で、鹿児島県本土の約50％を覆っています。このシラス土壌は九州だけでなく、東北地方の丘陵台地にもシラスに類似した特殊な土壌があり、これもシラスと呼ぶことがあります。

九州南部一帯に分布しているシラスは、約2～3万年前に鹿児島県湾奥部のカルデラを噴出源とする火砕流の堆積物です。大雨時にしばしば急速に伸縮される傾向があり。土砂崩れなどの災害を引き起こす問題となる土壌です。

平野部の少ない鹿児島では、どうしても傾斜地や山地に宅地造成が行われ、シラス斜面に人工の手が加えられたため災害の危険があります。

凝灰質粘土

凝灰質粘土は、土質分類体系では広義には火山灰質粘土とされています。この凝灰質粘土は、関東ロームより下層部にあり年代的に古く、これらは色調や光学的性質が異なるため地質学的に区別しています。
関東地方に分布するローカルソイルの常総粘土に象徴される土壌です。

凝灰質粘土は、一般的に砂質土をほとんど含まず粘土化して乳灰色系の色調であり、乱さない粘土の一軸圧縮強度を「含水比を変えずに練り返した一軸圧縮強度」で割った値は、関東ロームほど高くはありません。
しかし、自然堆積した火山灰質粘性土は強度は安定しており、比較的大きな強度が期待できるので、表土部分の使用を避ければ宅地地盤として良好な場合が多い。

一方、鋭敏比の値が大きい粘土は「粘土の乱れ」による強度が低下する傾向にあります。下層部の凝灰質粘土は一部が軟弱になっていることがあるので注意が必要です。

高有機質土

有機質土は国内に広く分布し、ローカルソイルの観点からは固有の特殊土ではないが、基礎地盤の設計・施工が困難であるという視点で一般的に特殊土と言われています。
有機質土でも有機成分が50％以上のものを高有機質土（泥炭、ビート、黒泥）と言い、それ以下のものを低有機質土（黒ボク）と称しています。有機質土は一般に均一でなく、草類や大きな木の根の繊維質を含んでいるのが一般的です。

有機質土は間隙比が大きいため高い圧縮性を示す性質があり、盛土による圧密沈下や地盤の側方流動による変形と破壊が問題になります。

まさ土

まさ土は、花崗岩が風化すると岩石としての固結度を失い、最終的には粗粒から細粒なものまで広い粒度分布を示す風化土に分類されます。まさ土は長石及び石英を主成分としているため淡灰色～淡褐色の白っぽい色で、花崗岩地帯に属する中国・近畿地方に広く分布しています。

まさ土から構成される山は掘削が容易であるため、掘削した土は水はけの良い良質な土として埋め立てや盛土にも利用されています。神戸の六甲アイランドの埋め立てには六甲山のまさ土が使用されています。

しかし、まさ土の進んだ山地斜面は大雨によって地下水が集中して、飽和することにより強度が著しく低下するため、土石流や表層崩壊などの多くの被害が生じています。

 

地盤調査の重要性

なぜ「地盤調査」をするかというと、上述したように、見た目では地盤の質が分からないからということです。
そこで、地盤の状態を知るために必要なのが「地盤調査」です。

土地の地盤は固いほうが、一般的には災害時にも安心とされ、地盤が強ければ、地質改良にかかる費用も抑制できます。調査によって地盤改良が必要か否かも把握できます。

一方、もし軟弱な地盤の土地の場合には、地震による液状化や地盤沈下、家の傾きなどのリスクが考えられます。そのために地盤改良工事などの対策が必要になります。

そして、地盤調査をする理由のもうひとつは、建築物の「構造計算」に必要だからです。
安心で安全な住宅を建てるために、工事をおこなう前に、構造耐力（地震などに耐える力）を割り出すのが構造計算です。
地盤調査の結果を考慮してその地盤に適した構造やプランが明確になります。

長期にわたって家族が安全に暮らすためには、頑丈な建物にこだわるだけでなく、その住宅の基礎である地盤の状態の確認が必須になります。

地盤調査の種類

「地盤調査」には、地域地区を目標とした「地質学的調査」と、住宅・建物の建設の際に行われる「土質工学的調査」があります。
「地質学的調査」は、地域地区の土地や地盤がどのような生成過程を経て構成してきたのかを調べることです。調査結果により、「火山噴火による堆積」「河川による堆積」など、土の堆積環境を見極めます。

「土質工学的調査」は、土の物理的性質や力学的性質を調べる観点から、住宅建設をするうえで必須な調査です。
適切な地盤改良の前提となるのが、精度の高い地盤調査です。

地盤調査の方法は数種類あり、ここでは代表的な調査方法をご紹介します。

スクリューウエイト貫入試験（SWS試験、旧スウェーデン式サウンディング試験）

戸建てや小規模のビルを建てる際の一般的な地盤調査方法で、地面に垂直に鉄の棒を差して地盤の強度を調べます。
敷地の4隅（建物を建てる場所が決まっている場合はその場所）と敷地中央（建物を建てる場所が決まっている場合は建物の中央）の計5カ所で調査します。以前は「スウェーデン式サウンディング試験」と呼称されていましたが、2020年10月に国家規格である日本産業規格（JIS）が改正され、試験名称が「スウェーデン式サウンディング試験」から「スクリューウエイト貫入試験」に変更となりました。また、SWS試験やSS試験とも呼ばれています。

ボーリング調査（標準貫入試験）

中・大規模の建物を建てる際の調査として行われるボーリング調査とは、地盤へ円筒状の孔（あな）をあけて、深さ1mごとに強度の計測を実施し、土のサンプルも採取します。
そして、地質の強度および特性について詳細に把握できます。

表面波探査法

地面に人がわずかに感じ取れる程度の小さな振動（揺れ）をおこし、地面の中を伝わる表面波（レイリー波）の速さを2つの機械を使用して計測し、コンピューターの計測値を解析する工法です。その振動が伝わる速さにより、地盤の硬軟（強度）を判断し、データの変化から地層の境界を把握して、各層の支持力を判別します。建物の建築を計画している箇所の4隅と中央の5箇所の測定を行います。
調査に大きな機械がいらないため、機械が入れない狭い敷地でも効率よく調査できるのが特徴です。

地盤改良工法の種類

地盤改良工法は次に示す3つの方法があり、解説していきます。

表層改良工法

表層改良工法は、軟弱地盤層の厚さが0.5m～2m未満の場合に使用される工法で、地表面のみを固める工法で、原地盤を除去せずに改良でき、施工が効率的で短い工期で、経済的です。
表層改良の施工方法は水と固化材（土などに添加するセメント系あるいは石灰系の地盤安定材）を混合するスラリー撹拌方式と固化材そのものを適用する粉体撹拌方式の2種類があります。

適用できる土質は、粘性土や砂質土が一般的ですが、酸性土や腐植土でも、適用可能な種類のセメント系固化材を使用することで、多様な種類の土質に対処できます。
火山灰質粘性土層や腐植土などの六価クロムを含む原地盤の土壌の場合は、六価クロム低減型セメント系固化材を適用して六価クロムの溶出を低減することができます。

工事期間は建物の種類や規模により変わりますが、一戸建て住宅のほとんどの場合、1～2日の工期で完了します。
表層改良工法では、地盤改良機(重機)ではなくバックホーを使うため、狭い搬入路や狭い土地でも施工でき、また、多少の高低差がある土地でも施工することができます。

多様な種類の地盤に採用することができますが、地下水に流れがある安定していない地盤、改良面に近い場所に地下水がある地盤、地盤の下部に空洞がある場所には適していません。

柱状改良工法

柱状改良工法は、軟弱地盤が地下2m～8mに位置する小・中規模建築物に向いた地盤改良工法です。セメント系固化材と原地盤の土を混合することで、補強体となる柱を地盤内に設置します。
基本的には、柱の先端を支持層まで到達させて先端支持力の確保し、柱の周面と土との間で得られる摩擦力などによって建築物の不同沈下（建物基礎の各位置が不均一に沈下する現象）を防止する通常に採用される工法です。
なお、支持層がない地盤や深い位置にある場合でも、柱の径が大きい採用すると、周面の摩擦力が大きくなるため、地震に対しても建築物を支えることができます。

前述した表層改良工法で強度を維持するのが難しい地盤の場合によく採用されます。一戸建て住宅の建設の場合は、安定した支持層(岩盤)まで柱を打設せず、4m程度打ち込んで仕上げる場合もあります。地震の発生の際には、打ち込んだ柱とその周辺の土が一体化して摩擦力を発生させることにより、家の揺れを抑えることができます。
建物の規模により工期は変わりますが、2～3日で改良は完了します。改良する表層の厚さが2.0ｍ程度の事例では、表層地盤改良工法よりも工費が安い場合もあります。

また、比較的に小型の重機を使用して施工できるため、狭い土地や、侵入道路が狭い場所にも適用できます。
柱状改良工法は短所もあり、有機質土（有機物含量の高い土壌）など特定の地盤ではセメントが固まりにくい性質を持っており固化不良を起こすことがあります。また、施工後に地盤から柱の撤去が困難になり柱が地中に残ることで、土地の売買価格が下がる場合もあります。

小口径鋼管工法

軟弱地盤層において、小口径鋼管工法は堅固な支持層まで、小口径の鋼管を杭状に貫入させて設置を行い、鋼管により地中から建物を支持する地盤改良工事です。軟弱地盤が地下30m未満に位置する地盤が対象になります。
地盤の支持層が深いため表層改良工法や柱状改良工法では岩盤に届かない場合に適用されます。一般的には粘土質、砂質地盤に適応可能です。

工期は短く1～2日程度のため、短い工期で終わらせることが可能です。
また、小口径鋼管工法は狭小な土地や小型施工機を用いて施工できる場所での工事にも適しています。
そして、鋼管の貫入が完了した後に地盤を乱すことがないので高い支持力を維持できます。小口径鋼管工法はセメントを一切使用しないので、六価クロムの溶出することもなく、産業廃棄物の発生もありません。さらに、鋼管を貫入する際に、地上には土が排出されないので排土も発生しません。
貫入された鋼管は、後に引き抜くことが可能なので、鋼管が地中に残ることによる地価の低下を防ぐことができます。

品質が良く賢い地盤改良工法

品質の良い地盤改良の実施にあたっては、次のような観点が重要になります。

• 現場の土質状況の特性
• 正確な地盤支持力の把握
• 支持層の正確な位置の把握
• 現場に相応しい正確な固化材の選択
• 設置した改良体の必要な強度の達成

地盤調査の「スクリューウエイト貫入試験」のケースでは、鉄の棒を地面に垂直に差して地盤の強度を調べて強度（地盤支持力）は把握できます。しかしながら、正確な岩盤の位置の把握や地下水の流れは把握できません。

一方、「ボーリング調査（標準貫入試験）」では、地面に円筒状の孔により深さ1mごとに地盤強度の計測を実施し、土のサンプルも採取します。採取した土で土の種類や地盤強度、地下水位の高さなどは把握できます。

「表層改良工法」では、上記地盤調査を踏まえて、地盤改良を行いますが、実際の地盤は可視化することはできません。さらに施工過程での施工管理が十分に行われません。そして、業者による改良具合の差もあります。

ソリッドキューブ工法

以上の重要な要素を考慮して、「ソリッドキューブ工法」を紹介します。
この工法は、施工現場を可視化しながらの効率的な地盤改良工事の実施と施工管理、供試体の作製と配合試験の実施による信頼のおける地盤改良の質の確保、経済面なので優位性を持っています。

「ソリッドキューブ工法」は、スラリー系機械攪拌式ブロック状地盤改良工法で、セメント系固化材液を使用して軟弱地盤を流動化処理して、ブロック状の均質な地盤改良体を築造する工法です。

地盤改良層の地下6m未満の地盤までの改良が可能です。
適用構造物は建築物及び工作物の基礎や山留め等の仮設構造物で、一般的な適用地盤は、砂質土・粘性土及びロームです。
また、バックホウにバケットミキサーやアームに取り付けた各種センサーの情報からバケットの移動軌跡、攪拌混合回数、電気比抵抗値を運転席のモニターにリアルタイムに施工状態を表示します。

「ソリッドキューブ工法」の工法ビデオは下記から見ることができます。

「ソリッドキューブ工法」の特長は次の通りです。

• 効率的な掘削手法
• 共回り防止攪拌混合機能を持つ専用バケットミキサー
• 改良体内部を「見える化」した施工管理装置
• 未固化試料採取器による供試体作製

混合土による室内配合試験

「ソリッドキューブ工法」は、バックホーの油圧を動力源とした撹拌促進ブレード付き撹拌混合装置 （バケットミキサー）により、現地土とセメント系固化材を効率よく撹拌混合できます。バケットミキサーを使うことにより、土の裁断および流動化処理の工程を経て、均質な改良体の築造を可能としています。

「ソリッドキューブ工法」の施工管理に関する特徴は、電気比抵抗値測定センサーによる改良体の混合度、撹拌混合範囲のモニタリングによる改良体の出来具合がリアルタイムに確認できるところにあります。また、改良体の均質性を確保しつつ施工しています。
また、品質管理に関しては、施工直後に未固化試料採取器により採取した試料から作製したモールド供試体に対して一軸圧縮試験を行って正確を期しています。

ソリッドキューブ工法の適用範囲と仕様は、下表に示しています。

改良形式	ブロック状
適用範囲	建築物および工作物の基礎地盤
適用地盤	砂質土地盤・粘性土地盤（ロームを含む） ただし、地盤面は通例平坦であることとし、下記に当てはまる地盤は適用範囲外とするが、詳細な検討や実験を通して本工法の適用可と判断される場合は、この限りではない。 ・転石や木片などが多く、施工性や品質管理に問題のある地盤 ・酸性土地盤（pHi≦4.0）や化学的侵食などの恐れがある地盤 ・すくも土、泥炭土などのセメントの水和反応を阻害する地盤 ・地下水が流水状態にある地盤
改良体の寸法（1パスで築造する改良体の寸法）	幅　　：1m以上6m以下 奥行き：1.5m以上6m以下 深さ　：0.7m以上6m以下 上記の寸法は１回に施工可能な寸法であり、養生期間を考慮するなどして、改良体を隣接して築造することが可能である。また１回の施工体積の上下は50m3とする。
使用材料	セメント系固化材：改良対象土層の土質や施工条件を考慮して、室内配合試験結果に基づいて選定する。
配合	セメント系固化材配合量は180kg/㎡以上とし、水量は室内配合試験結果により決定する。
設計基準強度	300kN/㎡~2000kN/㎡を確保できる。

撹拌促進ブレード付き撹拌混合装置（バケットミキサー）の使用により、均質性のある改良体が築造できます。固化材液の供給方法はA-TYPE：セメントミルクプラントで事前に混入した固化材液を投入する方法とB-TYPE：パス内で固化材と混錬水を別々に投入する方法の二通りあります。

そして、施工管理装置により、撹拌混合回数や撹拌混合範囲、電気比抵抗値をリアルタイムに監視および把握することで、改良土の撹拌混合状態を正確に評価できます。

さらに、未固化試料採取器により、未固化試料を任意の位置で採取でき、一回の採取で複数の深度から確実な採取が可能であり、採取した未固化試料から、複数の深度の改良土の品質を評価できます。

まとめ

軟弱な地盤に家を建てた場合、地震の際に液状化現象がおきたり、家の重さに耐えられず家が傾いたり、壁や基礎にヒビが入ったりすることがあります。
これらを防止するために、可視化が可能な装置や施工管理、モールド供試体による一軸圧縮試験などを通して高品質の地盤改良ができる改良工法は高品質で信頼性の高いものです。
いろんな地層や地盤強度に対処できる地盤改良工法の採用はおすすめです。