JP4703575B2 - 遮水壁の固化材の配合設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、遮水壁に用いる固化材の配合組成を設計する方法に関するものである。

地中に鉛直方向に連続したソイルセメント遮水壁を構築する方法として、掘削対象地盤を掘削するチェーンカッター方式の掘削装置、あるいは単軸若しくは多軸の掘削軸を備えた掘削装置の先端部より安定液を吐出し、掘削土と安定液を混合、攪拌しつつ掘削を行い、次に掘削土と安定液の混合体に固化材を添加、混合攪拌し固化させる工法が一般的である。この地下壁を遮水壁とするためには、掘削土と安定液の混合体に固化材の種類と添加量を組み合わせた固化試験を行い、所定の透水係数及び強度を発現する固化材及び添加量を選定している。安定液としては気泡安定液（特許文献１）や粘土系安定液があり、安定液を混合することにより溝壁の崩壊防止や掘削時の機械にかかる負荷を小さくすることができる。

しかしながら、遮水壁をいかなる強度で固化するかに関しては、理論的に明確化されてはおらず、クラックの入り難い遮水壁を構築することを意図した固化材に関する特許等が出されているにすぎないのが現状である。
特許３７２５７５０

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、遮水壁をいかなる強度で固化するかを理論的に明確化して、安定した遮水性を有し、遮水性を著しく下げてしまうような変形を伴わず、さらに地震にも安全である遮水壁を容易に配合することができる遮水壁の固化材の配合設計方法を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、第１に、粘土鉱物と水硬性固化材とからなる固化材と、安定液とを混合してなるソイルセメントで地下遮水壁を作製する際の固化材の配合設計方法であって、安定液に対する固化材の重量比率をｘ、および、水硬性固化材に対する粘土鉱物の重量比率をｙとして、
（i）基準の透水係数ｋよりも遮水壁の透水係数の方が小さくなる遮水性条件と、
（ii）遮水壁の破壊時に、遮水壁が延性破壊を起こすような遮水壁の変形係数となる変形追随性条件と、
（iii）遮水壁の強度が、地震の際に遮水壁に生ずる最大主応力差に基準安全率を乗じた値よりも大きくなる地震安定性条件と、
を設定し、前記（i）遮水性条件を、透水試験結果によって、ｘとｙと定数とで表現される下記不等式（１）に変換し、
（ii）変形追随性条件を、一軸圧縮試験結果によって、ｘとｙと定数とで表現される下記不等式（２）に変換し、
（iii）地震安定性条件を、地震シミュレーション試験結果によって、ｘとｙと定数とで表現される下記不等式（３）に変換し、
前記不等式（１）、（２）、（３）を全て満足するｘおよびｙを選択することを特徴としている。

本発明は、第２に、上記の特徴に加え、固化材に使用する粘土鉱物は、工業製品の粘土類または自然界に存在する火山性粘性土を用いることを特徴としている。

本発明は、第３に、上記の特徴に加え、安定液は、掘削土と気泡と水とからなる気泡安定液であることを特徴としている。

本発明は、第４に、上記の特徴に加え、固化材に使用する水硬性固化材は、セメントまたは石膏またはスラグのいずれかを用いることを特徴としている。

本発明は、第５に、上記の特徴に加え、固化材に使用する粘土鉱物及び水硬性材料以外に、硬化促進剤あるいは酸化鉄を加えることを特徴としている。

上記第１の発明によれば、遮水性条件、変形追随性条件及び地震安定性条件を設定し、それらの条件を満たすように、固化材中の粘土鉱物と水硬性固化材の配合比率及びその固化材の添加量を決定するため、安定した遮水性を有し、遮水性を著しく下げてしまうような変形を伴わず、さらに地震にも安全である遮水壁を容易に配合することができる。

上記第２〜５の発明によれば、作製された遮水壁の性質（遮水性、変形性、安全性）をより信頼性の高いものとすることができる。

従来、遮水壁をいかなる強度で固化するかに関しては、理論的に明確化されてはいなかったが、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、（i）遮水性条件、（ii）変形追随性条件、（iii）地震安定性条件について検討している際、以下の知見を導き出し、本発明に至ったものである。

（i）遮水性条件については、透水試験を行った結果、粘土鉱物含有率と透水係数の関係は、逆比例関係の示すことを見出した。従って、粘土鉱物含有率と透水係数とは関数で導くことができ、その関数を用れば、基準となる透水係数よりも遮水壁の透水係数が小さくなるような粘土鉱物含有率を不等式として導くことができる。ここで、粘土鉱物含有率は、固化材の配合量によって決定されるので、（i）遮水性条件は、固化材の配合量による不等式とすることができるのである。

（ii）変形追随性条件については、一軸圧縮試験を行うことによって、遮水壁の変形係数は固化材の配合量によって決定され、等式を導くことができるが、ここで、遮水壁の変形係数を大きくすると破壊時に脆性破壊を生じ、遮水壁にクラックが入り遮水性を損なうが、遮水壁の変形係数を小さくし破壊時に延性破壊を生じる状態に固化させると透水に影響するクラックは入り難いことを見出した。したがって、脆性−延性の境界となる基準変形係数よりも小さくなるように、前記等式から不等式へと導き、（ii）変形追随性条件は、固化材の配合量による不等式とすることができるのである。

（iii）地震安定性条件については、遮水壁が地震動に対して安定であるには、遮水壁の強度が任意の地震動により遮水壁に発生する最大主応力差に安全率を乗じた値よりも大きくする必要がある。ここで、地震シミュレーション試験を行うことによって、遮水壁に発生する最大主応力差を周辺地盤の変形係数と遮水壁の変形係数によって導き出すことができることを見出した。そして、周辺地盤の変形係数は、調査すればわかることであり、また、一軸圧縮試験を行えば、遮水壁の強度と固化材の配合量との関係は導くことができ、さらに、前記のように、遮水壁の変形係数と固化材の配合量との関係も導くことができる。したがって、遮水壁の強度が任意の地震動により遮水壁に発生する最大主応力差に安全率を乗じた値よりも大きくするという不等式は、固化材の配合量を用いた不等式とすることができるのである。

これら（i）〜（iii）の条件は、固化材の配合量によって表された不等式であるので、全ての不等式を満足するような固化材の配合量を選択すればよい。例えば、固化材の配合量をｘ、ｙの変数で表現すれば、不等式はｘ−ｙ平面に領域として表現することができる。最終的には、コスト等も踏まえた上で、ｘ、ｙをその領域内からピックアップすればよいので、容易に固化材の配合量を決定することができる。

以下、実施例に基づいて詳細に説明する。

実際に粘土鉱物と水硬性固化材とからなる固化材と、安定液とを混合してなるソイルセメントを作製し、（i）遮水性条件、（ii）変形追随性条件、（iii）地震安定性条件を設定する方法を説明する。

なお実施例においては、遮水壁用のソイルセメントは以下のような構成とした。
・安定液・・・気泡安定液（掘削土と水と気泡の混合体）
・固化材・・・粘土鉱物：ベントナイト、水硬性固化材：ポルトランドセメント
まず、前提として、安定液に対する固化材の重量比率ｘ、および、水硬性固化材に対する粘土鉱物の重量比率ｙと定義すれば、ｘ、ｙは以下の式（４）および式（５）のように表すことができる。

＜遮水性条件の設定＞
遮水性条件は遮水壁の使用目的により決まる数値であり、透水係数ｋで表示できる。例えば、最終処分場に構築する遮水壁の透水係数ｋは、「一般廃棄物の最終処分場及び産業廃棄物の最終処分場に係る技術上の基準を定める命令」によるとｋ≦１０^−６ｃｍ／ｓと定められている。そこで、ｋ≦１０^−６ｃｍ／ｓとなる透水係数ｋとなるように、固化材中の粘土鉱物と水硬性固化材の配合比率及びその固化材の添加量を決める条件式を導くことができる。この際は、透水試験の結果を用いて導くことができる。

まず、ｘ＝０．５、１．０、１．５、２．０、ｙ＝１、２、３、４、５、６を組み合わせて、透水試験を行った。ここで、固化材中の粘度鉱物としてはベントナイトを用いた。

まず、固化材中のベントナイトの含有率Ｂは式（６）で表される。

ベントナイト含有率Ｂと透水係数ｋの関係は透水試験によると図１となった。

図１より透水係数ｋとベントナイト含有率Ｂは逆比例関係になることがわかる。遮水壁の定められた透水係数ｋをｋ≦１０^−６ｃｍ／ｓとすると、図１からベントナイトの含有率Ｂ≧０．３とすることができるので、式（６）にB≧０．３を代入すると遮水性条件の条件式は以下のように式（７）となる。

＜変形追随性条件の設定＞
遮水壁の変形係数Ｅｃｂを大きくすると破壊時に脆性破壊を生じ、遮水壁にクラックが入り遮水性を損なうが、遮水壁の変形係数Ｅｃｂを小さくし破壊時に延性破壊を生じる状態に固化させると透水に影響するクラックは入り難い。そこで、変形追随性条件としては破壊時に延性破壊を生じるようにするための条件式は以下のように決定することができる。

変形追随性条件は試験結果を用いて以下のように算定する。

まず、一軸圧縮試験によると、ｘおよびｙに関する変形係数Ｅｃｂは、図２のようになった。

図２から変形係数Ｅｃｂは、ｘ、ｙを用いて式（８）とすることができる。

また、ベントナイトとセメントの混合物から成り立つ固化材を使用した場合、固化体の変形係数Ｅｃｂ≦２００００ｋＮ／ｍ^２の場合には延性破壊状態となることを目視及び応力−歪みの関係より確認した。したがって、実験によると延性破壊は変形係数Ｅｃｂ≦２００００ｋＮ／ｍ^２で生じているので、式（８）にこれを代入してまとめれば、以下のように式（９）となる。

したがって、延性破壊となる変形追随性条件の条件式は式（６）となる。

＜地震安定性条件の設定＞
地震安定性条件としては、遮水壁が地震動に対して安定である条件が、遮水壁の強度ｑ_ｕが地震動により遮水壁に発生する最大主応力差ｑ_ｍａｘに安全率Ｆｓを乗じた値よりも大きい場合とすることができる。この関係を条件式とする。そして、遮水壁周辺地盤の変形係数Ｅｓ及び遮水壁の変形係数Ｅｃｂを既知とすると、地震動により遮水壁に加わる最大主応力差q_maxは容易に計算できる。

遮水壁の強度ｑ_ｕが地震動により遮水壁に発生する最大主応力差ｑ_ｍａｘに安全率Fsを乗じた値よりも大きい場合は、式（１０）のように表される。

まず、一軸圧縮試験を行い、一軸圧縮強度ｑ_ｕとｘ、ｙとの関係を算出する。一軸圧縮試験結果より、一軸圧縮強度ｑ_ｕをｘ、ｙについてまとめると図３のようになる。

図３より、一軸圧縮強度ｑ_ｕをｘ、ｙについての式とすると、以下のような式（１１）となる。

次いで、地震シミュレーション試験によって、遮水壁に発生する最大主応力差ｑ_ｍａｘを周辺地盤の変形係数Ｅｓと遮水壁の変形係数Ｅｃｂについて測定した。地震シミュレーション試験は、地震時応答解析ソフト（ＰＬＡＸＩＳ）を用いた。ここで、周辺地盤の変形係数Ｅｓと遮水壁の変形係数Ｅｃｂは適宜設定すればよく、例えば周辺地盤の変形係数Ｅｓは、２００００ｋＮ／ｍ^２≦Ｅｓ≦５００００ｋＮ／ｍ^２として、遮水壁の変形係数Ｅｃｂは、５０００ｋＮ／ｍ^２≦Ｅｃｂ≦２００００ｋＮ／ｍ^２として、それぞれ３点以上設定して測定することが望ましく、今回は同範囲でそれぞれ４点ずつ設定した。なお、解析に用いた地震波形は１９９０年２月２８日に米国ロサンジェルスで記録されたマグニチュード５．４、最大加速度２３９．９０ｃｍ／ｓ^２の地震動を使用した。地震シミュレーション試験を図４に示す。

図４より、最大主応力差ｑ_ｍａｘは式（１２）で現される。

式（８）、（１１）、（１２）及び安全率Ｆｓ＝１．４４を、式（１０）に代入し、整理すると式（１３）になる。ここで、安全率Ｆｓは、一軸圧縮試験の強度が正規分布に従って発現するとして，試験全体の８０%以上が目標値を超える値となるように、割増係数１．２とし、さらに地震動に対する安全率を１．２とし、１．４４としている。

よって、式（１０）が、遮水壁が地震動に対して安全であるための条件式である。

前述してきた、遮水性条件、変形追随性条件、および地震安定性条件をまとめると、以下のようになり、これらの条件を満たすようにｘ、ｙを選定することにより、固化材の選定が合理的にできる。

例えば、仮に周辺地盤は通常の硬さと仮定し、変形係数をＥｓ＝２１０００ｋＮ／ｍ^２とすると、遮水性条件、変形追随性条件、地震安定性条件のすべてを満たすｘとｙの範囲は、図５の斜線部分となる。なお、実際の設計においてはこの斜線範囲内において、さらに経済性を考慮してｘ、ｙを選定することが望ましい。この斜線範囲内においてｘ、ｙを設定すれば、安定した遮水性を有し、遮水性を著しく下げてしまうような変形を伴わず、さらに地震にも安全である遮水壁を容易に配合することができる。

以上の実施例のようにして、本発明の遮水壁の固化材の配合設計方法を行うことができるが、図６の構成ブロック図で示されるような配合設計装置において、図７の処理フローチャートで示されるように固化材の配合設計を行うこともできる。上記配合設計装置を用いて配合設計を自動化することで、必要となるデータの入出力のみで配合設計図が作製され、その配合設計図から適宜配合量を決定することが可能となり、遮水壁の固化材の配合設計はさらに確実で簡便なものとすることができる。

ベントナイト含有率Ｂと、透水係数ｋとの関係を示した図である。 変形係数Ｅｃｂと、ｘおよびｙとの関係を示した図である。 一軸圧縮強度ｑ_ｕと、ｘおよびｙとの関係を示した図である。 遮水壁に発生する最大主応力差ｑ_ｍａｘと、周辺地盤の変形係数Ｅｓおよび遮水壁の変形係数Ｅｃｂとの関係を示した図である。 変形係数をＥｓ＝２１０００ｋＮ／ｍ^２とした場合の、遮水性条件、変形追随性条件、地震安定性条件を満たすｘおよびｙの範囲を示した図である。 本発明の遮水壁の固化材の配合設計装置の構成ブロック図である。 本発明の遮水壁の固化材の配合設計装置による処理フローチャート図である。

Claims (5)

1. 粘土鉱物と水硬性固化材とからなる固化材と、安定液とを混合してなるソイルセメントで地下遮水壁を作製する際の固化材の配合設計方法であって、安定液に対する固化材の重量比率をｘ、および、水硬性固化材に対する粘土鉱物の重量比率をｙとして、
   （i）基準の透水係数ｋよりも遮水壁の透水係数の方が小さくなる遮水性条件と、
   （ii）遮水壁の破壊時に、遮水壁が延性破壊を起こすような遮水壁の変形係数となる変形追随性条件と、
   （iii）遮水壁の強度が、地震の際に遮水壁に生ずる最大主応力差に基準安全率を乗じた値よりも大きくなる地震安定性条件と、
   を設定し、前記（i）遮水性条件を、透水試験結果によって、ｘとｙと定数とで表現される下記不等式（１）に変換し、
   （ii）変形追随性条件を、一軸圧縮試験結果によって、ｘとｙと定数とで表現される下記不等式（２）に変換し、
   （iii）地震安定性条件を、地震シミュレーション試験結果によって、ｘとｙと定数とで表現される下記不等式（３）に変換し、
   前記不等式（１）、（２）、（３）を全て満足するｘおよびｙを選択することを特徴とする遮水壁の固化材の配合設計方法。
2. 固化材に使用する粘土鉱物は、工業製品の粘土類または自然界に存在する火山性粘性土を用いることを特徴とする請求項１に記載の遮水壁の固化材の配合設計方法。
3. 固化材に使用する水硬性固化材は、セメントまたは石膏またはスラグのいずれかを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の遮水壁の固化材の配合設計方法。
4. 安定液は、掘削土と気泡と水とからなる気泡安定液であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の遮水壁の固化材の配合設計方法。
5. 固化材に使用する粘土鉱物及び水硬性材料以外に、硬化促進剤あるいは酸化鉄を加えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の遮水壁の固化材の配合設計方法。