JP2013174073A - 圧密地盤改良工法 - Google Patents

Abstract

【課題】透水係数が小さい浚渫粘性土などを処分するに際し、地盤の安定性を向上させ、従来のようなドレーンの打設を不要にするか、または、少なくできるようにした圧密地盤改良工法を提供する。
【解決手段】この圧密地盤改良工法は、透水係数が10^-4〜10^-8cm/secの範囲にある粘性土に、面内透水係数が粘性土の透水係数よりも大きい短繊維材を均一に混合することによって、透水係数が粘性土よりも大きい短繊維混合土を作製し、短繊維混合土が打設された地盤において圧密処理を行う。ただし、面内透水係数は短繊維材の断面内を通過する水の透水係数である。
【選択図】図１

Description

本発明は、浚渫粘性土などの粘性土地盤の圧密地盤改良工法に関する。

浚渫工事などで発生する浚渫粘性土は、シルト・粘土分が多く、その透水係数は10^-4〜10^-8cm/secであり、砂に比べると透水係数は非常に小さい。そのため、浚渫粘性土の処分場においては、浚渫粘性土の地盤上に覆土を施工した後、鉛直ドレーンを打設し盛土による圧密沈下の促進を図ってから、土地として利用することが多い。

特許文献１は、繊維状物質を均一に分散させる繊維混合土の製造方法を開示する。すなわち、繊維状物質を土砂に分散させて土砂に粘着力を付与し、この繊維混合土を盛土の法面などに使用した際に、風雨などによる表層部の浸食を防止して、地山全体のすべりを防止するなどの補強効果を得ることができ、また、繊維状物質を塊状形態で混合する際に混合機の攪拌翼への絡み付きが防止され、十分な混合を円滑に行うことができることを開示する。

特許文献２は、土砂と補強用繊維材料とを均一に混合して繊維混合土を形成する土砂と繊維材料との混合方法を開示する。すなわち、補強用繊維材料が混合されて補強された繊維混合土を用いて、通常の土砂によっては不可能な急勾配の法面を有する盛土構造物等を安定に、しかも短工期で構築することができることを開示する。

特開平０８−３３７７７６号公報 特開平０５−１１２９４１号公報

上述のように、浚渫粘性土の地盤上に覆土を施工した後、鉛直ドレーンを打設し圧密を行う場合には、次の課題がある。

(1)浚渫粘性土はせん断強度が小さいため、覆土施工時に、地盤の安定性（支持力）が確保できないことがあり、ジオテキスタイルを補助工法として、地盤上に敷き拡げることがあり、余分な施工・コストを要するという問題がある。

(2)覆土後には、盛土時の沈下促進を図るために、ドレーンの打設が不可欠であり、また、処分した浚渫粘性土層の厚さが3〜5ｍ程度の場合には、ドレーン単位長さ（1m）当たりの打設費用が高くなるという問題がある。

特許文献１，２は、繊維状物質を土砂に均一に分散させる繊維混合土の製造方法を開示するが、繊維混合土自体を補強するもので、浚渫粘性土の地盤上に覆土を施工した後、鉛直ドレーンを打設し圧密を行う際の上記課題を解決するものではない。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、透水係数が小さい浚渫粘性土などを処分するに際し、地盤の安定性を向上させ、従来のようなドレーンの打設を不要にするか、または、少なくできるようにした圧密地盤改良工法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態による圧密地盤改良工法は、透水係数が10^-4〜10^-8cm/secの範囲にある粘性土に、面内透水係数が前記粘性土の透水係数よりも大きい短繊維材を均一に混合することによって、透水係数が粘性土よりも大きい短繊維混合土を作製し、前記短繊維混合土が打設された地盤において圧密処理を行うことを特徴とする。ただし、前記面内透水係数は短繊維材の断面内を通過する水の透水係数である。

この圧密地盤改良工法によれば、透水係数が10^-4〜10^-8cm/secの範囲にある浚渫粘性土などの粘性土に、透水係数よりも大きい面内透水係数を有する短繊維材を均一に混合することで、短繊維材によるせん断強度の増加効果と吸水による含水比の低下効果とにより、短繊維混合土のせん断強度が増加するので、地盤の安定性を向上させることができる。また、この短繊維混合土は、透水係数が粘性土よりも大きいので、この短繊維混合土をたとえば処分場に打設してから行う圧密処理において、その圧密時間を短縮できるとともに、従来のように打設すべきドレーンを不要にするか、または少なくできる。この結果、ドレーン改良に関する費用をなくすかまたは低減できる。

上記圧密地盤改良工法において、前記短繊維材は、内部に透水性を有する管路を保有する植物繊維であることが好ましい。かかる短繊維材として、たとえば、わら、木材チップ、ピートモス等を用いることができる。

前記短繊維材は、前記短繊維材は、繊維長が２ｍｍ以上、１０ｃｍ以下であることが好ましい。短繊維材の繊維長が２ｍｍ以上であると、短繊維混合土の圧密係数Ｃｖが増加し、圧密時間の短縮化がさらに向上する。繊維長が１０ｃｍ以下であると、粘性土における短繊維材の分散性が良好である。

本発明の圧密地盤改良工法によれば、透水係数が小さい浚渫粘性土などを処分するに際し、処分場などにおいて地盤の安定性を向上させ、従来のようなドレーンの打設を不要にするか、または、少なくできる。

本実施形態による地盤圧密改良工法の工程を説明するためのフローチャートである。 本実施形態における浚渫土と短繊維材との混合による短繊維混合土の作製システムの一例を模式的に示す図である。 実施例１において短繊維材として用いた園芸用のピートモスを粘性土に混合した混合土について標準圧密試験を実施した結果を示す図で、平均圧密圧力と透水係数との関係を示すグラフである。 図３と同じく平均圧密圧力と圧密係数との関係を示すグラフである。 実施例１の混合土（改質土）における短繊維混合量と圧密度80%（U=80%）になるまでの時間との関係を示すグラフである。 実施例２で繊維長を変えた短繊維材を海成粘土に混合した混合土（改質土）について標準圧密試験を実施して得られた圧密圧力と間隙比との関係を示すグラフである。 図６と同じく平均圧密圧力と透水係数との関係を示すグラフである。 図６と同じく平均圧密圧力と圧密係数との関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態による地盤圧密改良工法の工程を説明するためのフローチャートである。

図１のように、本実施形態による地盤圧密改良工法は、港湾や河川や運河などにおいて浚渫工事を行い（Ｓ０１）、その浚渫土を運搬し、多量の短繊維材と均一に混合することで（Ｓ０２）、短繊維混合土を作製する（Ｓ０３）。この短繊維混合土を処分場に打設し（Ｓ０４）、その上に盛土をすることで行われる載荷重工法等によって圧密処理を行う（Ｓ０５）ものである。

次に、浚渫土と短繊維材との混合により短繊維混合土を作製する工程について図２を参照して説明する。図２は本実施形態における浚渫土と短繊維材との混合による短繊維混合土の作製システムの一例を模式的に示す図である。

図２のように、浚渫工事により生じた浚渫土１１を運搬船ＳＰで運搬し、バックホーＢＣによりスクリーンＳＣを通して貯蔵部ＳＴに移す。また、短繊維材１２を添加材自動供給装置ＳＹにより貯蔵部ＳＴに移す。これらの混合物を貯蔵部ＳＴから落下させてベルトコンベアＶＣによりパドルミキサＭＸへと送る。パドルミキサＭＸで、パドルの付いた２本の軸を回転させながら浚渫土１１と短繊維材１２とを混合し排出口へと送る。

短繊維材１２としては、たとえば、わら、木材チップ、ピートモス等の植物由来のものを用いることができ、これらは、内部に透水性を有する管路を保有する繊維であり、その繊維長は１０ｃｍ以下、２ｍｍ以上であることが好ましい。短繊維材１２は、10^-4〜10^-8cm/secの範囲にある浚渫粘性土の透水係数よりも大きい面内透水係数（短繊維材の断面内を通過する水の透水係数）を有し、浚渫粘性土の透水係数の100倍以上の面内透水係数を有することが好ましい。

なお、面内透水係数に関し、たとえば、地盤中に打設するドレーンの場合、ドレーンが中空の芯材内部を持っていても透水係数といい、ドレーンを地盤内に打設した後では鉛直透水係数というが、ここでは、短繊維材における管路の方向性を問わないので、面内透水係数という。

上述のようにして浚渫土１１と短繊維材１２を均一に混合して短繊維混合土１３を作製する。この短繊維混合土１３を、クレーンＣＲの操作によりクラムシェルＣＳによって処分場に打設する。なお、図２の短繊維混合土の作製システムは、処分場の近くに設置することが好ましい。

本実施形態によれば、処分場に打設された改質土（短繊維混合土）地盤の上に盛土をすることで、載荷重工法による圧密処理を行うが、短繊維混合土は、面内透水係数が浚渫粘性土の透水係数よりも大きい短繊維材を多数、均一に混合することによって、透水係数が浚渫粘性土の10倍以上大きくなっているので、載荷重工法により短期間で充分な圧密処理を行うことができる。このため、ドレーン工法による圧密処理は不要となり、ドレーン打設によるコストがかからない。

上述のような処分場を後に土地として利用する場合には、土地利用可能となるまでの期間を短縮でき、効率化を図ることができ、しかも、従来よりも経済的に実現できる。さらに、短繊維材として利用可能である、わら、木材チップなどは、廃棄物とされる場合が多いことから、廃棄物の有効利用につながる。

また、浚渫粘性土に短繊維材を多数、均一に混合することで、短繊維材によるせん断強度の増加効果と吸水による含水比の低下効果により、短繊維混合土のせん断強度が増加するので、地盤の安定性を向上させることができる。このため、地盤の安定性（支持力）の確保のために必要であった従来のようなジオテキスタイル等の補助工法は不要となる。

また、混合する短繊維材の混合量を変えることで圧密度のコントロールが可能であり、ドレーン工法においてドレーンピッチを変えることと同様の効果を得ることができる。また、大量に一定強度の地盤を改良することが可能であり、この場合、固化材を用いないので、経済的な地盤改良工法となる。

また、圧密工法は地盤内の水が土粒子間を流れて排水され密度が高くなる原理を利用した地盤改良工法である。これまでどのようにして排水を促すかの方法として、鉛直ドレーン工法、水平ドレーン工法などのドレーン工法が開発されてきたが、本実施形態では、軟弱な浚渫粘性土に透水性のある短繊維材を混合させることで、従来のドレーン工法と同等の圧密特性を得ることができる。

次に、次の条件で、粘性土地盤にドレーンを打設して圧密処理を行うケースと、上述のように短繊維材を混合して作製した改質土地盤に載荷重工法により圧密処理を行うケースとについて、両者の圧密時間を比較する。
条件：層厚H=5m、平均圧密度U=80%まで沈下させる。

(1)ドレーン材(換算直径5cm)を0.6ｍの正方形配置で打設した場合の圧密時間（Barronの近似解で算定）
平均圧密係数=10cm²/day → U=80%の時間ｔ₈₀＝174日

(2)改質土30（後述の実施例１参照）の場合の圧密時間（Terzaghi理論で算定）
平均圧密係数=250cm²/day → U=80%の時間ｔ₈₀＝142日

以上のように、両条件において、ほぼ同じ圧密時間で、地盤を改良することができることがわかる。したがって、本実施形態によれば、ドレーン打設の場合と同等な圧密特性を載荷重工法により実現可能な地盤改良工法を提供可能である。

次に、浚渫粘性土（海成粘土）と短繊維材とを混合した短繊維混合土の実施例１，２について説明する。なお、本発明は、本実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、短繊維材として園芸用のピートモスを用い、この短繊維材を海成粘土に混合した短繊維混合土（改質土）について標準圧密試験を実施した。本実施例では、海成粘土に加える短繊維材（ピートモス）の配合割合を変え、次の式のように短繊維材の混合量を定義した改質土20（短繊維材の混合量20%），改質土30（短繊維材の混合量30%），改質土40（短繊維材の混合量40%）を作製した。なお、短繊維材の繊維長は１０ｃｍ以下とした。なお、ピートは、北海道などでよく見られる有機質土の総称で、ピートモスは、ピートを洗浄して、土分を取り除き、乾燥させたもので、１０ｃｍ以下に切断した。

改質土30の混合量の例：ピートモスの乾燥重量×100／（海成粘土の乾燥重量＋ピートモスの乾燥重量）＝30%

上述の改質土20，改質土30，改質土40および海成粘土（短繊維材の混合なし）について、「土の段階載荷による圧密試験方法」（JIS A 1217:2009）に基づいて標準圧密試験を実施した結果を図３，図４に示す。図３に、本実施例で短繊維材（園芸用のピートモス）を海成粘土に混合した短繊維混合土（改質土）について標準圧密試験を実施して得られた平均圧密圧力と透水係数との関係を示し、図４に同じく平均圧密圧力と圧密係数との関係を示す。なお、図で、１０のべき乗数（例えば１．０×１０^-05）を、Ｅ（例えば１．０Ｅ−０５）を用いて表す場合がある（以下も同じ）。

なお、圧密係数Ｃｖは次の式で定義され、粘土の圧密速度を支配する土質定数である。
Ｃｖ=ｋ×γ_w／ｍ_V
ここで、ｍ_V：体積圧縮係数（圧縮ひずみと圧密圧力との関係より求められる）
ｋ：透水係数
γ_w：水の単位体積重量

図３によると、ピートモスの混合量を増加させると、短繊維混合土の透水係数ｋが大きく増加することがわかる。また、図４によると、ピートモスの添加量を増加させると、短繊維混合土の圧密係数Ｃｖも大きく増加することがわかる。

図３の透水係数ｋについて、短繊維を混合しない海成粘土と改質土20（短繊維材の混合量20%）とを比べると、平均圧密圧力が小さい場合、改質土20の方が１０倍程度大きくなっていることがわかる。また、図４の圧密係数Ｃｖについて、短繊維を混合しない海成粘土と改質土20（短繊維材の混合量20%）とを比べると、平均圧密圧力が小さい場合、改質土20の方が１０倍以上大きくなっていることがわかる。

また、本実施例の混合土（改質土）について圧密度が80%になるまでの時間（U=80%の時間）を測定し、その時間と短繊維材混合量との関係を図５に示す。短繊維材の混合量が増えるほど、圧密度が80%になるまでの時間が短くなることがわかる。

（実施例２）
次に、短繊維材の混合量を一定にし（短繊維材の混合量30%）、繊維長を1mm以下、1〜2mm、2〜5mmの三通りに変えて同様の標準圧密試験を行った。短繊維材としてピートモス内の短繊維材を長さにより分別したものを海成粘土に混合した改質土30を使用した。

本実施例の試験結果を図６〜図８に示す。図６に、本実施例で繊維長を変えた短繊維材を海成粘土に混合した混合土（改質土）について標準圧密試験を実施して得られた圧密圧力と間隙比との関係を示し、図７に同じく平均圧密圧力と透水係数との関係を示し、図８に同じく平均圧密圧力と圧密係数との関係を示す。なお、各図に実施例１の海成粘土（短繊維材の混合なし）の結果をあわせて示している。

図６から、間隙比ｅと圧密圧力ｐの関係は繊維長にほとんど依存しないことがわかる。また、図７から、短繊維材の繊維長が2mm以下の場合、透水係数ｋは平均圧密応力ｐの増加とともに大きく減少するが、繊維長が2〜5mmの場合、平均圧密応力ｐが増加しても透水係数ｋの低下がほとんど認められない。また、図８から、短繊維材の繊維長が2mm以下の場合、圧密係数Ｃｖは平均圧密応力ｐが増加してもさほど変化しないが、繊維長が2〜5mmの場合、圧密係数Ｃｖは平均圧密応力ｐの増加とともに増加することが認められる。

以上のように、平均圧密応力ｐの増加とともに圧密係数Ｃｖが増加することから、繊維長を2〜5mmとしたピートモス（混合量30%）を海成粘土に混合した混合土（改質土）の圧密沈下がより短い期間で終了するといえる。

この理由として、改質土の中に、透水性のよい長い繊維が多数混入していると、長い繊維同士が絡み合い、圧密により、排水される間隙水の受け渡しが生じているため（排水パイプのように機能するため）、圧密係数Ｃｖが大きくなると考えられる。

上述のように、繊維長を2〜5mmとした短繊維材と、繊維長を2mm以下とした短繊維材の場合とを比べると明らかなように、繊維長は2mm以上が好ましい。また、短繊維材の繊維長が10cm以下であると、粘性土に混合したとき分散しやすいので、短繊維材の繊維長は10cm以下が好ましい。

以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本実施形態では、短繊維混合土地盤の圧密処理を載荷重工法により行い、ドレーン打設は不要としたが、本発明は、これに限定されるものではなく、水平ドレーンや鉛直ドレーンやサンドドレーンなどによるドレーン工法を併用して行うか、または、単独で行ってもよく、この場合でも、そのドレーンピッチなどを減少でき、圧密時間も短縮でき、効率的な圧密処理が可能である。

また、本発明は、透水係数が10^-4〜10^-8cm/secの範囲にある粘性土に、面内透水係数が粘性土の透水係数よりも大きい短繊維材を多数、均一に混合することによって、透水係数が粘性土の10倍以上大きい短繊維混合土（改質土）を作製し、圧密地盤改良に利用可能な圧密地盤改良工法であるが、別の見方をすると、浚渫粘性土等を処分する処分場において上述のように改質土としてから打設し、圧密処理を行うことで、効率的に浚渫粘性土等を処分し、その処分場の土地利用を効率的に図るようにした粘性土処分方法や地盤造成を行う地盤造成方法として把握することも可能である。また、短繊維材を混合して土質を改良することから土質改良工法や改質土の製造方法とすることもできる。

１１ 浚渫土（浚渫粘性土）
１２ 短繊維材
１３ 短繊維混合土

Claims (3)

1. 透水係数が10^-4〜10^-8cm/secの範囲にある粘性土に、面内透水係数が前記粘性土の透水係数よりも大きい短繊維材を均一に混合することによって、透水係数が粘性土よりも大きい短繊維混合土を作製し、
   前記短繊維混合土が打設された地盤において圧密処理を行うことを特徴とする圧密地盤改良工法。ただし、前記面内透水係数は短繊維材の断面内を通過する水の透水係数である。
2. 前記短繊維材は、内部に透水性を有する管路を保有する植物繊維である請求項１に記載の圧密地盤改良工法。
3. 前記短繊維材は、繊維長が２ｍｍ以上、１０ｃｍ以下である請求項１または２に記載の圧密地盤改良工法。

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