JP3648656B2

JP3648656B2 - 冬季の自然冷熱を利用した粘性土の盛土施工法

Info

Publication number: JP3648656B2
Application number: JP03216097A
Authority: JP
Inventors: 吉秀境; 雄次久保田; 公利了戒; 浩一本田; 利康西岡; 浩幸大貫
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 1997-02-17
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2017-02-17
Also published as: JPH10227032A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地盤の凍結が予熱される寒冷地域での冬季の粘性土の盛土施工を自然冷熱と地山の保有熱を利用して地盤改良しながら行う工法に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
粘性土を用いた盛土の施工は「盛土材の切り出し」−「運搬」−「まきだし」−「敷きならし」の工程を盛土の上に繰返し重ねて行っている。
【０００３】
地盤の凍結が予想される北海道等の寒冷地域では、凍結地盤の締固めが困難であるという理由や、盛土地盤の凍結に伴う凍上による地盤の乱れ、融解後の泥濘化及び長期に及ぶ沈下が土構造物としての盛土等の品質を著しく劣化させる、というこれまでの経験から、盛土工事などの土工事は冬季には行われていない。この結果、寒冷地域では冬季に消化できる工事量が限定されて工事が延滞し、その反動として夏季に工事が集中し、建設就労者の労働環境や施工効率を悪化させている。
【０００４】
しかし、夏季における盛土でも粘性土の場合には、転圧管理が難しく、少しでも油断するとオーバーコンパクション（過転圧）により逆に泥ねい化する場合がある。このため高含水比の粘性土は、作業効率が低くても接地圧の小さい重機（超湿地用ブルドーザーによるまき出し、転圧、クローラダンプによる土運搬等）を使用したり、良質土や安定処理土をサンドイッチ状にはさんで盛土したり、あるいは間隙水圧消散のために排水ドレーン材を敷設したり、寒冷地域では夏季の気温が上がらないために大きな効果は期待できないものの、場合によっては天日乾燥などにより含水比を低下させるなどの対策がとれている。
【０００５】
また地盤が軟弱なため、土の運搬などで困難を伴い、運搬路の造成や補修に費用と時間を要している。さらに、盛土敷幅が広い場合には、盛土上に数本の運搬路が必要となり、盛土高が高くなるにつれて運搬路造成を繰返さなければならないので、作業効率と経済性においてかなりの低下を余儀なくされ、粘性土では降雨による休止期間が長く、稼働率の低下が大きい。
【０００６】
この発明の目的は、盛土材として扱いにくい粘性土の課題を、冬季の寒冷エネルギーを利用することによって解決し、これにより施工用重機の運行に支障なくこれまでの盛土の手法をそのまま採用して施工ができ、また盛土地盤の凍結に伴う凍上による地盤の乱れや融解後の泥濘化及び長期に及ぶ沈下も解決され、夏季には作業効率、稼働効率が低く、また高含水比対策として各種の措置を施すために経済性が低かった粘性土の盛土工事を冬季に容易に行って、寒冷地域における工事量の消化と、夏季における建設就労者の労働環境や施工効率を改善することが出来る新たな粘性土の盛土施工法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明の１つは、寒冷地域において冬季に粘性土を用いて盛土を行うにあたり、施工場所の気象条件と土質条件から盛土の凍結速度を予想し、その予想から盛土地盤が適切な厚さまで凍結する放置期間を、重機のトラフィカビリティーを得るための最小値と、解凍沈下を少なくとも工期内に終了させるための許容を決定する最大値の範囲内で設定して、盛土の施工間隔を決定する工程と、通常の手段により所定厚さの盛土を行った後、夜間の寒冷エネルギーにより盛土地盤の上部を凍結させて、凍結現象により盛土地盤のトラフィカビリティーを確保し、オーバーコンパクションを防止して盛土の安定化を図り、圧密先行荷重や強度を増加する工程と、次の盛土により寒気を遮断して解凍沈下を引き起こす凍土の成長と凍上を停止し、かつ切土部から切出した盛土材の保有熱の放出を防ぎ、これを凍土の融解促進に利用して解凍沈下の収束を早める工程とからなり、かかる工程の繰返しにより所定の高さまで盛土を行い、盛土完成後にも盛土体の品質を向上させる、というものである。
【０００８】
また、この発明の他の１つは、年末年始休暇のように長い放置期間をはさむ場合には、放置中の凍結深さに相当する部分を、凍結融解の悪影響の少ない砂質土等で盛土するか、施工再開時に天端の凍土を撤去して、解凍沈下の長期継続を防止する、というものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１の各図は第１の発明の工程を順に示すもので、先ず施工場所の気象条件と土質条件から盛土の凍結速度を予想し、その予想から盛土地盤が適切な厚さまで凍結する放置期間を考慮して、盛土の施工間隔（△ｔ）を決定する。この凍結速度の予想は、土質定数とその地域の気温を用いて、熱伝導解析により行うが、その際には、盛土材として切り出した土の保有熱容量（盛土材のまき出し時の平均温度と凍結潜熱）を加味して行う。
【００１０】
また適切な凍結厚さ（ｈ）は、重機のトラフィカビリティーを得るための最小値と、解凍沈下を早期に、少なくとも工期内に終了させるための許容を決定する最大値の範囲内で設定し、重機構施と施工土量を勘案して決定する。
含水比５３％の粘性土試験工事で確認した限りにおいては、トラフィカビリティーを得るための凍結厚さ（ｈ）の最小値は４ｃｍ、解凍沈下を早期に終了させるための許容最大値は１２ｃｍであった。
そして、最小値４ｃｍの凍土厚さは一夜の放置で確保され、最大値１２ｃｍは３日の放置で構築された。
【００１１】
施工は、まず盛土材を除雪した盛土サイト１に運搬して、盛土厚さ（Ｈ）の新規まき出しを行い、ブルドーザ等により転圧して、盛土地盤２とする（Ａ図）。
【００１２】
最初の盛土地盤２を完成したら、そのまま放置して、盛土表面を夜間の冷気に曝す。一夜の曝気により、盛土上部は深さ（ｈ₁ ）まで凍結し、盛土地盤２は未凍結部２ａと凍結部２ｂとなる。この際、凍結部２ｂは凍上するので、盛土地盤２は若干隆起する（Ｂ図）。
【００１３】
盛土地盤２の凍結が地表面から内部下方へ向けて、進行して行くと、それに伴って未凍土内に含まれる間隙水は凍結面へ向けて移動する。水が凍結面へ移動する現象は、図３の模式図に示すように、凍結面でサクション（吸水力）Ｓｆが発生することにより生じる。間隙水が凍結面に吸水されることにより未凍土２ａの含水比と転圧により発生した間隙水圧は低下するとともに、未凍土は脱水圧密作用を受け、有効応力が増加する。その結果、未凍結部２ａは盛土時に比べて過圧密状態となり、大きな先行荷重Ｐｃを有することになる（図４）。
【００１４】
この脱水圧密に伴う有効応力の増加によって、未凍土は剪断強度が増加するとともに圧縮される。すなわち、凍結時のサクションはプレロード荷重の働きをして、未凍結部を脱水圧密して地盤改良することになる。その効果は、試験工事によれば約３０ｍのプレロード盛土による改良と同程度である。
なお、凍結部２ｂもミクロ的に見れば順次未凍結部２ａと同じ作用を受けて成長したものであり、未凍結部と同程度かそれ以上に改良される。
【００１５】
また脱水圧密改良の速度は、一層の盛土厚さ（Ｈ）が、通常３０ｃｍと薄く、排水距離は２０〜２５ｃｍと、自然地盤の圧密排水距離に比べて極端に小さいので、寒冷度にもよるが凍結１〜２日で終了する。
【００１６】
凍結厚さが先に示した適切な凍結厚さ（ｈ）になったら、盛土地盤２の凍結部２ｂの上に、盛土厚さ（Ｈ）の新規まき出しを行い、転圧して盛土地盤３とする（Ｃ図）。この際、盛土材の保有熱をできるだけ下げる事のないように、切土部は盛土の都度、表土はぎを行い、必要量だけを切出し、運搬、まき出しを速やかに実施する。運搬距離が長い場合には、運搬重機上の土に断熱シートを被せて、熱の放出を押さえる。
【００１７】
この盛土材のまき出しにより寒気が遮断され、解凍沈下の元凶となる凍上は停止する。また盛土地盤３の盛土材の保有熱は、凍結部２ｂに伝わり、凍結部２ｂはわずかではあるが融解するとともに、盛土地盤３の荷重の影響も受けて、少なくとも１週間以内には凍上量に見合う沈下が発生し、粘性土で典型的な解凍沈下問題が解消される。
【００１８】
盛土地盤３の表面では曝気により凍結が始まり、前記と同様に凍結部３ｂが形成されて、未凍結部に含まれる間隙水が凍結面へ向けて移動する。このため未凍結部３ａでは有効応力が増加して、盛土地盤２、未凍結部２ａと同様に過圧密状態となり、大きな先行荷重Ｐｃを有することになる。
【００１９】
このような工程を繰返し行って最終的に所要高さの盛土地盤１０を完成する。このように、盛土間隔を適切に設定し、また地山熱を有効に利用する施工管理法により、重機のトラフィカビリティーが確保され、また凍結時の影響サクションにより、凍土、未凍土ともに強度が増加し、これらにより盛土施工時にはオーバーコンパクションや盛土の不安定化が抑制され、盛土完成後には盛土体としての強度や安定度が夏季盛土に比べて増加する。
【００２０】
また、解凍沈下を引き起こす凍土は、次の盛土材に覆われた時点で成長が停止し、凍上も停止する。そして盛土材の保有熱により融解が促進され、さらに、未凍結部は凍結時に圧縮されているので上位盛土による沈下増が少なく、盛土全体としての沈下は早期に完了する。
【００２１】
下記表１は、北海道での現場実験における含水比及び先行荷重Ｐｃの推移を示すものである。
【表１】

【００２２】
この表１から明らかなように、初期含水比５３％に対して、１〜３日の放置凍結で、１月の凍土の含水比は６６％となり１３％増加している一方で、未凍土の含水比は４８％と、５％低下している。このことは凍結により、未凍結部の間隙水が凍結部に吸水されていることを示している。融解後の含水比は凍土、未凍土ともほぼ初期値に戻っており、凍結部に吸水された未凍結部の間隙水は融解により元の未凍結部に戻っていくことを示している。これは冬期盛土では凍土が盛土の中に封じ込められるので、水の逃げ場所は法面近傍を除けば、どこにもないからである。
【００２３】
図２は、年末年始休暇などのように、２週間前後盛土工事を中断する場合の工程を示すもので、中断直前の盛土をｎ＋１とすると、ｎ＋１盛土地盤は日常の盛土と異なり、放置期間が長いために解凍沈下の収束を遅らせる比較的厚い凍土（凍土厚さｈ₂ ）が構築される。実施例では、１０月から翌年１月９日までの放置で３５ｃｍの凍土が構築された。
【００２４】
その対策としての１つの方法は、盛土中断期間に構築される凍土厚さ（ｈ₂ ）を予測し、これより若干厚い砂質土等の難凍上性材料で盛土厚さｈ₁ のｎ＋１層を盛土する。難凍上性材料であれば凍結しても凍上量が小さく、解凍沈下問題が無視できるからである（Ａ図）。
【００２５】
もう１つの方法は、前記と同様に盛土厚さｈ₁ のｎ＋１層を、それまで用いていた材料と同じ粘性土で盛土するかわりに、盛土再開時に構築された厚さｈ₂ の凍土を撤去するものである（Ｂ図）。撤去した凍土は仮置きして融解後に曝気乾燥あるいは安定処理するかして、次年度の冬期盛土時に再利用する。
【００２６】
盛土地盤３の表面を夜間の冷気に曝して予想された深さｈ₁ あたり凍結する。これにより盛土地盤３は未凍結部３ａと凍結部３ｂとなり、未凍結部３ａは未凍結部２ａと同様に圧縮されて過圧密状態となる（Ｄ図）。
【００２７】
以降は前述の盛土工程を繰返し行って最終的に所要高さの盛土地盤を完成する。またこのような場合においても、必要に応じて、最終の盛土表面に凍結深度が入らないように余盛をして、盛土表面の凍結を防止する。
【００２８】
また、冬季に夜間の寒冷エネルギーにより盛土の上部を凍結し、凍結時のサクションにより盛土の先行荷重を増加すると、表１にみられるように、凍結の影響を受けない盛土直後の土の先行荷重が２．２ｋｇｆ／ｃｍ² であるのに対し、凍結の影響を受けた土では、先行荷重が未凍土で７．１ｋｇ／ｃｍ² 、凍土で９．１ｋｇｆ／ｃｍ² 、平均で８．１ｋｇｆ／ｃｍ² となり、先行荷重は約６ｋｇｆ／ｃｍ² の増加となる。これは約３０ｍの盛土をした荷重と同等で、寒冷エネルギーによる凍結現象を利用することにより、プレロード盛土などによる先行荷重で地盤改良を行う必要もなくなる。
【００２９】
しかも冬季施工では締固めすぎがなくなるばかりか、盛土地盤の凍結により路盤としての運行性もよくなり、夏季には盛土材として扱いにくい粘性土であっても、砂質土と同様の施工用重機を使用して施工を行うことができ、盛土地盤の凍結に伴う凍上による地盤の乱れや融解後の泥濘化及び長期に及ぶ沈下も解決されるなどの効果をも発揮し、夏季に限られがちな盛土工事を冬季にも行って、寒冷地域における工事量の消化することが可能となる。
【００３０】
【実施例】

【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る粘性土の盛土施工法の工程図説明図である。
【図２】この発明の他の実施形態の工程説明図である。
【図３】盛土地盤の凍結過程における応力分布図である。
【図４】凍結現象によるｅ−ｌｏｇＰ曲線の変化図である。
【図５】凍結履歴による先行荷重と含水比の関係図である。
【符号の説明】
１盛土サイト
２最初の盛土地盤
２ａ未凍結部
２ｂ凍結部
２ｃ含水部
３次の盛土地盤
３ａ未凍結部
３ｂ凍結部
４余盛

Claims

寒冷地域において冬季に粘性土を用いて盛土を行うにあたり、施工場所の気象条件と土質条件から盛土の凍結速度を予想し、その予想から盛土地盤が適切な厚さまで凍結する放置期間を、重機のトラフィカビリティーを得るための最小値と、解凍沈下を少なくとも工期内に終了させるための許容を決定する最大値の範囲内で設定して、盛土の施工間隔を決定する工程と、通常の手段により所定厚さの盛土を行った後、夜間の寒冷エネルギーにより盛土地盤の上部を凍結させて、凍結現象により盛土地盤のトラフィカビリティーを確保し、オーバーコンパクションを防止して盛土の安定化を図り、圧密先行荷重や強度を増加する工程と、次の盛土により寒気を遮断して解凍沈下を引き起こす凍土の成長と凍上を停止し、かつ切土部から切出した盛土材の保有熱の放出を防ぎ、これを凍土の融解促進に利用して解凍沈下の収束を早める工程とからなり、かかる工程の繰返しにより所定の高さまで盛土を行い、盛土完成後にも盛土体の品質を向上させることを特徴とする冬季の自然冷熱を利用した粘性土の盛土施工法。
年末年始休暇のように長い放置期間をはさむ場合には、放置中の凍結深さに相当する部分を、凍結融解の悪影響の少ない砂質土等で盛土するか、施工再開時に天端の凍土を撤去して、解凍沈下の長期継続を防止する請求項１記載の冬季の自然冷熱を利用した粘性土の盛土施工法。