JP4678496B2

JP4678496B2 - 廃棄物処分場の遮水構造

Info

Publication number: JP4678496B2
Application number: JP2005149748A
Authority: JP
Inventors: 望小竹; 昌史平田; 正人山本; 雅英石川; 智幸赤井; 雅史嘉門
Original assignee: OSAKAPREFECTURAL GOVERNMENT; Taiyo Kogyo Co Ltd; Toyo Construction Co Ltd
Current assignee: OSAKAPREFECTURAL GOVERNMENT; Taiyo Kogyo Co Ltd; Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006326392A

Description

本発明は、産業廃棄物、一般廃棄物等を最終処分するための廃棄物処分場の遮水構造に関する。

近年、産業廃棄物の排出量は益々増大する傾向にあり、これに伴い最終処分場の建設も、海面、陸上を問わず数多く推し進められている。ところで、この種の最終処分場においては、有害物質の周辺への漏出をいかに抑えるかが重要な課題となっており、このため、従来一般には、処分場の周囲の法面や底面に遮水シートを敷設して有害物質の漏出を抑えるようにしていた。しかし、遮水シートは、敷設面の不陸や原地盤の不等沈下などの影響で局部的に破損することがあり、有害物質の漏出対策としては不十分である、という問題があった。

このため、最近では、例えば、海面処分場においては、埋立処分域を囲む二重矢板式護岸の内部や処分域の底面に固化処理土やコンクリートを打設して遮水層を形成することが多く実施され、一方、陸上処分場においては、処分域を囲む地中にコンクリートを打設して連続地中壁（遮水層）を形成し、あるいは処分域の底面に固化処理土やコンクリートを打設して遮水層を形成することが多く実施されるようになってきている。しかるに、前記した固化処理土やコンクリートを打設してなる遮水層は、一般的に剛性は高いが靭性が不足するため、廃棄物の載荷重による地盤沈下や地震による地盤変動を受けた場合に脆性破壊を起こす虞れがあり、遮水層としていま一つ信頼性に欠けるという問題があった。

そこで、特許文献１には、海面処分場の遮水構造物に用いる遮水材として、含水比１００〜３００％の海成粘土懸濁液に粘土鉱物（ベントナイト）と、繊維状物質（強化材）と固化材とを添加混合してゲル状物質に改質してなるものが記載されており、これによって変形追従性の高い遮水層が得られるとしている。
特開２００２−３３６８１１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の遮水構造によれば、遮水材がゲル状を維持して強度発現が小さいため、施工時の層厚および形状の確保が困難であることに加え、処分場として廃棄物の載荷重を受けた際の層厚および形状の維持が困難で、施工性並びに安定性の面で問題が残る。また、遮水材が人工の粘土鉱物を含んでいるため、遮水材そのものが高価となり、廃棄物処分場の建設コストが増大する、という問題もある。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、粘性土に加える強化材および固化材の量を適当に設定することにより、遮水性を低下させることなく所望の強度および靭性を確保すると共に、高価な粘土鉱物の添加を不要とし、もって施工性および安定性の向上と建設コストの低減とに大きく寄与する廃棄物処分場の遮水構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る廃棄物処分場の遮水構造は、含水比が１００〜２５０％である粘性土に、繊維状強化材を体積比で０.２〜２.０％、固化材を５０〜１５０ｋｇ／ｍ³それぞれ添加し、前記繊維状強化材として、繊維径が１０〜４００μｍで、かつ繊維長が１０〜５０ｍｍの短繊維を用いてなる遮水材により造成した遮水層を有することを特徴とする。

本発明において、上記繊維状強化材は土粒子と絡み合って靭性を向上させる効果があるが、含水比が１００〜２５０％である粘性土に対する強化材の添加量が体積比で０.２％未満では、その効果が小さく、逆に２.０％超では、いたずらに強化材の使用量が増して遮水材のコストを上昇させるので、粘性土に対する該強化材の添加量は体積比で上記範囲０.２〜２.０％とした。一方、上記固化材は、材料分離を抑制すると共に、水和反応による固結化を促進して強度および遮水性を向上させる効果があるが、含水比が１００〜２５０％である粘性土に対する固化材の添加量が５０ｋｇ／ｍ³未満ではその効果が小さく、逆に１５０ｋｇ／ｍ³超では靭性を低下させるので、粘性土に対する該固化材の添加量は単位体積当りで前記範囲５０〜１５０ｋｇ／ｍ³とした。

上記した繊維状強化材は、繊維径が１０〜４００μｍで、かつ繊維長が１０〜５０ｍｍの短繊維を用いる。粘性土に対する短繊維の添加量が同じ場合、繊維が細くかつ長いほど土粒子との絡みが良好となって、靭性向上効果が大きくなるが、繊維があまり細くかつあまり長いと、粘性土中に繊維を均一に分散させるのが困難となるので、前記したように繊維径の下限は１０μｍに、繊維長の上限は５０ｍｍにそれぞれ限定するのが望ましい。

本発明において、上記粘性土の種類は任意であるが、利用価値の低い浚渫土または建設発生残土を選択する場合は、遮水材のコスト低減を図る上で有利となる。

本発明の遮水構造を適用する廃棄物処分場は、海面処分場であっても陸上処分場であってもよい。海面処分場に適用する場合は、上記遮水層が護岸に配置される構成としてもよいことはもちろん、護岸の、処分域側斜面および処分域の底面に連続して配置される構成としてもよい。遮水層が、護岸の、処分域側斜面および処分域の底面に連続して配置される構成とする場合は、遮水層が、その下側および／または上側に重ねた遮水シートと共に配置されるようにしてもよく、この場合は、遮水シートによって遮水性がさらに高まるので、その分、遮水層の厚さを薄くすることができる。

一方、陸上処分場に適用する場合は、上記遮水層が処分域を囲む連続地中壁を構成するようにしても、あるいは処分域の底面に配置されるようにしてもよい。処分域の底面に配置される場合は、上記海面処分場におけると同様に遮水層が、その下側および／または上側に重ねた遮水シートと共に配置されるようにしてもよい。

本発明に係る廃棄物処分場の遮水構造によれば、遮水性を低下させることなく所望の強度および靭性を確保できることに加え、高価な粘土鉱物の添加を不要とするので、施工性および安定性の向上はもとより建設コストの低減を達成できる。

また、遮水層を遮水シートと共に設置する場合は、遮水シートによって遮水性がさらに高まるので、遮水層の薄肉化が可能になり、廃棄物の処分容量すなわち埋立処分効率の向上を達成できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は，本発明の第１の実施形態としての遮水構造を適用した海面処分場を示したものである。本海面処分場における処分域（埋立処分域）１は、護岸２により外水域（外海）Ａから締切られた内水域Ｂ内に設定されている。護岸２は、ここではケーソン式護岸からなっており、海底地盤（ここでは、透水性地盤）Ｇに造成した捨石マウンド３上に据付けられたケーソン４と、ケーソン４の背後に裏込石を投入して造成された裏込層５とからなっている。前記裏込層５の、内水域Ｂ側の背面は法面となっており、この裏込層５の法面と埋立処分域１の底面上には、本発明に係る遮水層６が連続して造成されている。遮水層６は、ここでは裏込層５の法面上での厚さｔ１が埋立処分域１の底面上での厚さｔ２よりも厚くなるように造成されている。これは、捨石マウンド３および裏込層５の透水性が、埋立処分域１の底面を構成する海底地盤Ｇの透水性よりも大きいためである。なお、前記ｔ１、ｔ２は、一例としてｔ１＝３ｍ程度、ｔ２＝２ｍ程度に設定される。また、所望により前記裏込層５の法面に予め防砂シートを敷設し、該防砂シート上に遮水層６を造成してもよい。

本遮水層６は、所定の含水比の浚渫土（粘性土）に、高分子短繊維（強化材）を体積比で０.２〜２.０％、固化材を５０〜１５０ｋｇ／ｍ³それぞれ添加してなる遮水材により造成されている。浚渫土の含水比は、一例として１００〜２５０％に設定されるが、浚渫した状態で水分が不足する場合は、適当量の海水または清水を配合して前記した含水比となるように調節する。

本実施形態において、前記遮水材に用いる高分子短繊維の種類は任意であり、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）繊維、ポリアミド（ＰＡ）繊維等の汎用の合成繊維を用いることができる。また、この高分子短繊維としては、繊維径が１０〜４００μｍで、かつ繊維長が１０〜５０ｍｍの大きさのものを用いるのが望ましい。これは、繊維があまり太くかつあまり短いと靭性向上効果が小さく、逆に繊維があまり細くかつあまり長いと、粘性土中に繊維を均一に分散させるのが困難となるためである。一方、固化材の種類も任意であり、普通ポルトランドセメントはもちろん、高炉セメント等を用いることができる。

本遮水材は、ミキサーを用いて必要な材料を撹拌混合して得られるが、この撹拌混合された状態では、適度の流動性を有している。したがって、例えば、陸上で撹拌混合して、これを台船上に輸送管を経てポンプ圧送し、台船上でクレーン操作される打設管を通じて前記裏込層５の法面上および埋立処分域１の底面上に効率よく堆積させることができる。前記裏込層５の法面上および埋立処分域１の底面上に堆積させた遮水材は、そのまま適宜の時間（一例として、１週間程度）養生することで固化し、これにより所定の強度が発現する。しかして、このように固化した遮水層６の透水係数ｋは、ｋ＝１.０×１０^-6〜１.０×１０^-7ｃｍ／ｓ以下となり、十分なる遮水性を有するものとなる。また、高分子短繊維と固化材との相乗効果で、強度および靭性も十分となり、埋立荷重（載荷重）の作用や地震による大きな揺れを受けても破壊を起こすことはなく、耐久性は十分となる。しかも、遮水層６を構成する遮水材は、利用価値の低い浚渫土を原土とするばかりか、ベントナイトのような高価な人工粘土を含まないので、コスト的に割安となり、その分、海面処分場の建設に要するコストは低減する。

図２は，本発明の第２の実施形態としての遮水構造を適用した海面処分場を示したものである。本第２の実施形態の特徴とするところは、第１の実施形態において裏込層５の法面と埋立処分域１の底面上に連続して造成した遮水層６の上面に、遮水シート７を敷設し、さらにこの遮水シート７の上に、石材等を投入して造成した被覆層８を積層配置した点にある。被覆層８は、遮水シート７を押える役割をなすもので、ここでは薄い厚さ（一例として、０.５ｍ程度）に形成されている。

本第２の実施形態においては、透水係数の小さい遮水層６の上に遮水シート７を配置した遮水構造となっているため、遮水シート７が破断しても遮水性が確保され、海面処分場に対する信頼性は著しく向上する。また、遮水シート７によって遮水性が高まることから、遮水層６の厚さを第１実施形態における場合よりも薄くすることができ、その分、埋立処分域１の内容積が増加して廃棄物の埋立処分容量（埋立処分効率）が向上する。

図３は，本発明の第３の実施形態としての遮水構造を適用した海面処分場を示したものである。本第３の実施形態の特徴とするところは、第２の実施形態の構成に加え、裏込層５の法面にも遮水シート７´を配置し、遮水層６を遮水シート７と７´との間にサンドイッチ状に配置した点にある。

本第３の実施形態においては、透水係数の小さい遮水層６の上・下に遮水シート７、７´を配置しているので、遮水性はより一層高まり、海面処分場に対する信頼性は著しく向上する。また、上・下の遮水シート７、７´によって遮水性が高まることから、遮水層６の厚さを第２実施形態における場合よりもさらに薄くすることができ、その分、埋立処分域１の内容積が増加して廃棄物の埋立処分容量（埋立処分効率）がさらに向上する。

図４は，本発明の第４の実施形態としての遮水構造を適用した海面処分場を示したものである。本第４の実施形態において、埋立処分域１０を囲む護岸１１は、二重矢板式護岸からなっており、ここでは不透水性地盤Ｇ１上の透水性地盤Ｇ２を地盤改良した改良地盤Ｇ３上に設置されている。より詳しくは、護岸１１は、前記改良地盤Ｇ３を貫通して不透水性地盤Ｇ１に到達する状態で鋼管矢板を連続に打設して構築した内壁１２と、この内壁１２に対して所定の間隙を開けて、前記同様に鋼管矢板を連続に打設して構築した外壁１３と、前記内壁１２および外壁１３との間の空隙に前記した遮水材を充填して造成した遮水層１４とからなっている。本第４の実施形態において、前記内壁１２および外壁１３を構成する鋼管矢板の継手部１５は、本遮水材（セメント系固化材でもよい）を充填することで止水されており、したがって、本遮水構造は、前記遮水層１４および止水継手部１５を含んだ構造となっている。遮水層１４を造成する遮水材は、第１の実施形態で用いたものと同じものであり、上記充填時には流動性を有し、充填後の養生により所定の強度を発現する。なお、図４中、１６は遮水層１４の上面を覆う蓋板である。

本第４の実施形態における埋立処分域１０は、上記二重矢板式護岸１１により外水域Ａから仕切られた内水域Ｂ内に設定されるが、ここでは、護岸１１の内壁１２および外壁１３の構築に用いられた鋼管矢板が深部の不透水性地盤Ｇ１まで根入れされているので、埋立処分域１０の底面に対する遮水構造の設置は不要となる。しかして、本遮水層１４は、上記各実施形態における遮水層６と同様に、強度および靭性が十分であるので、載荷重による地盤沈下や地震による地盤変形を受けても破壊を起こすことはない。また、本遮水層１４は、十分なる遮水性を有しているので、万一継手部１５に亀裂が発生しても、内水域Ｂの有害物質が外水域Ａへ漏出することはない。

なお、上記各実施形態においては、遮水材を構成する強化材として高分子短繊維を用いたが、この高分子短繊維は、ガラス繊維、炭素繊維などの無機短繊維に代えることができる。さらに、該強化材は、必ずしも繊維状である必要はなく、帯状であってもよい。この場合、繊維状の強化材と帯状の強化材とは、それぞれ単独で添加しても複合して添加してもよい。また、この遮水材は、新規に製造されたものであっても、廃プラスチック等の廃材を再生処理して得られたものであってもよい。

また、上記各実施形態においては、海面処分場に適用した例を示したが、本発明の遮水構造は、陸上処分場にも適用できることはもちろんである。陸上処分場に適用する場合は、処分域を囲む連続地中壁を本遮水材により構築するようにしても、あるいは処分域の底面に、上記海面処分場におけると同様の形態（図１）で本遮水材による遮水層を配置してもよい。また、処分域の底面に遮水層を配置する場合は、図２または図３に示した場合と同様の形態で遮水シートと共に配置してもよい。

東京湾内で採取した粘性土を原土とし、表１に示すように、該原土の含水比を調整した後、これに、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）の短繊維と普通ポルトランドセメントとを種々の割合で添加し、ミキサーにてよく撹拌混合した後、内径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの容器に充填して供試体を作製し、これを後述の力学試験および透水試験に供した。ここで、東京湾採取の粘性土の物理的性質は、土粒子の密度ρｓ＝2.694ｇ／ｍ³、細粒分含有率98.4％、液性限界ＷＬ＝89.0％、塑性限界Ｗｐ＝3737％、強ねつ減量7.2％であった。また、ＰＶＡ短繊維は、表２に示すように、繊維径として１００μｍおよび４００μｍの２サイズを、繊維長として１２ｍｍおよび２４ｍｍの２サイズをそれぞれ選択し、これらを４つのケースＡ〜Ｄとなるように組合せた。力学試験は、ＪＩＳＡ１２１２０に規定される「土の一軸圧縮試験」に準拠して行い、圧縮応力σと圧縮ひずみεとの関係を求めた。また、透水試験は、「三軸セル内での変水位透水試験」により、セル圧147.2ｋＰａ、背圧98.1ｋＰａにて圧密した後、上部加圧板から越流水槽に排水する方法で行い、その通水量から透水係数ｋを求めた。

図５〜図８は、材齢７日の供試体について行った一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を、繊維サイズのケースＡ〜Ｄ別に繊維添加量Ｖで整理して示したものである。これより、短繊維を体積比で０.５％以上添加したものは、短繊維を添加しないものに比べて明らかに圧縮応力σが増加し、かつピーク時圧縮ひずみεも増加している。また、繊維添加量Ｖが増加すると、圧縮応力σが増加しかつピーク時圧縮ひずみεが増加する傾向にあり、特にポストピークの応力保持性能が大きくなっている。また、繊維サイズの影響をみると、繊維が長く、細いほどポストピークの応力保持性能が大きく現われている。

ここで、上記応力ひずみ関係図におけるポストピークの応力保持性能の大きさは、靭性を表わしていると考えることができる。そこで、繊維サイズのケースＡについて得られた応力ひずみ関係図について、圧縮応力σを一軸圧縮強度ｑｕで除すると共に、圧縮ひずみεをピーク時ひずみεｆで除して正規化し、図９に示す正規化線図を求めた。そして、この正規化線図を用いて下記数１に記載の演算を行い、これを靭性指数Ｉと定義して、この靭性指数Ｉに及ぼす繊維添加量の影響を調査した。なお、数１においてε０.８は、ピーク後のσ／ｑｕ＝０.８に対応するεである。

図１０は、上記のようにして得た靭性指数Ｉに及ぼす繊維添加量Ｖの影響を見たものである。これより、靭性指数Ｉは、繊維添加量Ｖ０.２％以上０.５％までは、繊維量Ｖの増加に応じて増加しており、短繊維の添加が靭性の向上に寄与することが明らかである。ただし、繊維添加量Ｖが１.５％以上では、靭性の向上が限界に達する傾向を示すので、経済性を考慮して短繊維の添加量Ｖは２.０％以下に抑えるのがよいといえる。

図１１〜図１３は、材齢７日の供試体について行った一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を、繊維添加量別に固化材添加量Ｃで整理して示したものである。これより、固化材（普通ポルトランドセメント）の添加量Ｃが増加すると、圧縮応力σが増加するが、ポストピークの応力保持性能が小さくなる傾向にある。したがって、靭性を考慮すれば、固化材の添加量は、多くても１５０ｋｇ／ｍ³程度望ましくは１００ｋｇ／ｍ³程度に抑えるのがよいといえる。

図１４は、透水試験の結果を繊維添加量および固化材添加量で整理して示したものである。これより、透水係数ｋは、繊維添加量の増加および固化材添加量の増加に応じてやや増加する傾向にあるが、含水比Ｗ＝１３５〜２２０％で、固化材５０〜１００ｋｇ／ｍ³、繊維添加量１.５％までの範囲では、透水係数ｋは、ｋ＝２.０〜８.０×１０^-7ｃｍ／ｓの範囲にあり、透水性は十分に低くなっている。

本発明の第１の実施の形態としての遮水構造を適用した海面処分場の構造を模式的に示す断面図である。本発明の第２の実施の形態としての遮水構造を適用した海面処分場の構造を模式的に示す断面図である。本発明の第３の実施の形態としての遮水構造を適用した海面処分場の構造を模式的に示す断面図である。本発明の第４の実施の形態としての遮水構造を適用した海面処分場の構造を模式的に示す断面図である。本発明の実施例における一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を繊維タイプ別にまとめ示すグラフである。本発明の実施例における一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を繊維タイプ別にまとめ示すグラフである。本発明の実施例における一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を繊維タイプ別にまとめ示すグラフである。本発明の実施例における一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を繊維タイプ別にまとめ示すグラフである。一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を正規化して示すグラフである。図９に示した正規化関係図から算出した靭性指数に及ぼす繊維添加量の影響を示すグラフである。本発明の実施例における一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を繊維添加量別にまとめて示すグラフである。本発明の実施例における一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を繊維添加量別にまとめて示すグラフである。本発明の実施例における一軸圧縮試験で得られた応力ひずみ関係図を繊維添加量別にまとめて示すグラフである。本発明の実施例における透水試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１埋立処分域
２ケーソン式護岸
６遮水層
７遮水シート
１１二重矢板式護岸
１４遮水層
１５止水性継手部
Ｇ海底地盤
Ｇ１不透水性地盤
Ｇ２透水性地盤
Ｇ３改良地盤

Claims

含水比が１００〜２５０％である粘性土に、繊維状強化材を体積比で０.２〜２.０％、固化材を５０〜１５０ｋｇ／ｍ³それぞれ添加し、前記繊維状強化材として、繊維径が１０〜４００μｍで、かつ繊維長が１０〜５０ｍｍの短繊維を用いてなる遮水材により造成した遮水層を有することを特徴とする廃棄物処分場の遮水構造。
粘性土が、浚渫土または建設発生残土であることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物処分場の遮水構造。
廃棄物処分場が海面処分場であり、遮水層が護岸に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の廃棄物処分場の遮水構造。
廃棄物処分場が海面処分場であり、遮水層が護岸の、処分域側斜面および処分域の底面に連続して配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の廃棄物処分場の遮水構造。
遮水層が、その下側および／または上側に重ねた遮水シートと共に配置されることを特徴とする請求項４に記載の廃棄物処分場の遮水構造。
廃棄物処分場が陸上処分場であり、遮水層が処分域を囲む連続地中壁を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の廃棄物処分場の遮水構造。
廃棄物処分場が陸上処分場であり、遮水層が処分域の底面に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の廃棄物処分場の遮水構造。
遮水層が、その下側および／または上側に重ねた遮水シートと共に配置されることを特徴とする請求項７に記載の廃棄物処分場の遮水構造。