JP6251936B2 - 流動化処理土の管路中撹拌方法 - Google Patents

Description

本発明は、浚渫土砂や山砂等の砂や礫を母材とし、水，固化材，および流動化処理剤を用いて流動化処理した土を、管路を通して打設現場に輸送させる際に、材料分離を生じさせないで打設現場に輸送できるようにする流動化処理土の管路中撹拌方法に関する。

従来、埋め立て地盤材による埋め立て工事においては、土運船によって輸送されて来る浚渫土砂や山砂を処理プラント船に移し、これに必要な加水とともにセメントなどの固化材を混合し、これに流動化材を添加混合した流動化処理済みの流動化処理土を、管路を通してポンプ圧送し、打設現場に送り出すようにしている。

流動化材としては、ベントナイトに代表される粘土系材料が使用される場合が多かった。ベントナイトを用いる場合は、真水によって膨潤させる必要があり、その作業に手数を要し時間もかかるという問題がある。また、ベントナイトは鉱山から産出される自然鉱物であり、採掘場所の違いによって性質にばらつきがあるため、これが流動化処理土のばらつきにつながってしまうという問題がある。

この他、流動化材として土粒成分を含まない化学的薬剤からなる流動化剤が使用されている。しかし、土粒成分を含まない化学的流動化剤を使用すると、流動化処理土が砂や礫を母材とする場合、処理土の管路内輸送の過程に時間を要する条件下においては、混合した材料が分離することとなる。このため固化後の強度のばらつきが多くなり、品質が不安定となるという問題があった。

このような問題を解決する方法として、従来、輸送管路中に静止型撹拌部を設ける方法が開発されている。この方法には例えば管路に螺旋状の羽根体を、間隔を置いて複数取り付ける方法（例えば特許文献１）や、向きの異なるねじりバッフルを交互に設けるようにしたもの（例えば特許文献２）がある。

特開平５−４９８８７号公報 特開昭５８−１１０２８号公報

上述した特許文献１のような従来の方法では、羽根体と羽根体との間で材料が分離してしまう可能性があり、また、不連続な配置に羽根体が多数存在するため、不連続的な流路断面となり、管内で受ける抵抗が大きくなり、輸送能力が低下するという問題がある。

また、特許文献２のような従来の方法では、流路をバッフルで２分するため、流路内の摩擦抵抗は、バッフルの両面の面積分だけ大きくなり、管内で受ける抵抗が大きくなり、輸送能力が低下するという問題がある。

本発明はこのような従来の問題に鑑み、管路内輸送中に管内で受ける抵抗を極力抑え、しかも輸送中の撹拌効果が大きく材料分離を極力少ないものとする流動化処理土の管路中撹拌方法の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決するための請求項１に記載の発明の特徴は、 土砂等の母材にセメント等の固化材が混合され、加水して水分調整がなされた泥状材に、化学的流動化剤を混合することによって流動性を調整した流動化処理土を、管路を通して輸送する際に、該管路の一部に、該管路の一部を構成する管体部と、該管体部の内周面に、螺旋状に連続したリブを前記内周面に直立させて一体に立ち上げることによって構成された静止型撹拌部を備え、該静止型撹拌部を前記流動化処理土が通過する際に、該流動化処理土がリブの螺旋に沿って旋回することにより撹拌させる流動化処理土の管路中撹拌方法において、前記管体部内周面のリブの立ち上がり高さＨと、管体部の内径Ｄとの関係を、０．１７Ｄ＜Ｈ＜０．５Ｄとし、かつ前記リブの前記管体部中心線に対する螺旋の角度を、３°〜４５°とするとともに、前記管体部の螺旋状に連続したリブを有する部分の長さＬを、リブの立ち上がり高さをＨ、前記管体部の内径をＤ、前記リブの前記管体部中心線に対する螺旋の角度をθとしたとき、Ｌ＝Ｄ／[２（Ｈ／Ｄ）（１−Ｈ／Ｄ）ｔａｎθ]としたことにある。

請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、前記管路中を輸送しようとする前記流動化処理土の非排水せん断強さと粘性係数を求めるとともに、予定した施工時における前記流動化処理土の送泥流量を設定して前記管体部内の平均流速を算定し、該平均流速より前記流動化処理土に作用する最大せん断応力を求め、該最大せん断応力よりも前記非排水せん断強さが大きくなるように前記管本体の管径を決定することにある。

本発明に係る流動化処理土の管路中撹拌方法は、請求項１に記載のように、土砂等の母材にセメント等の固化材が混合され、加水して水分調整がなされた泥状材に、化学的流動化剤を混合することによって流動性を調整した流動化処理土を、管路を通して埋め立て現場に輸送する際に、該管路の一部に、該管路の一部を構成する管体部と、該管体部の内周面に、螺旋状に連続したリブを前記内周面に直立させて一体に立ち上げることによって構成された静止型撹拌部を備え、該静止型撹拌部を前記流動化処理土が通過する際に、該流動化処理土がリブの螺旋に沿って旋回することにより撹拌させるようにしたことにより、管路内を移動する流動化処理土は、静止型撹拌部において、上下が反転する回転運動が与えられることとなり、重い材料の沈殿・堆積が防止され、材料分離を生じさせずに打設現場側に輸送される。

また、本発明は、管体部内周面のリブの立ち上がり高さＨと、管体部の内径Ｄとの関係を、０．１７Ｄ＜Ｈ＜０．５Ｄとし、かつ前記リブの前記管体部中心線に対する螺旋の角度を、３°〜４５°とすることにより、流動化処理土の輸送時に管内で受ける抵抗を極力抑え、効果的な上下反転の回転運動を与え、材料分離を防止しつつ輸送させることができる。

さらに、本発明は、管体部の螺旋状に連続したリブを有する部分の長さＬを、リブの立ち上がり高さをＨ、管体部の内径をＤ、前記リブの管体部中心線に対する螺旋の角度をθとしたとき、Ｌ＝Ｄ／[２（Ｈ／Ｄ）（１−Ｈ／Ｄ）ｔａｎθ]としたことにより、効果的な上下反転作用と、輸送時に管内で受ける抵抗が少ないスムーズな輸送がなされる。

本発明は、請求項２に記載のように、前記管路中を輸送しようとする前記流動化処理土の非排水せん断強さと粘性係数を求めるとともに、予定した施工時における前記流動化処理土の送泥流量を設定して前記管体部内の平均流速を算定し、該平均流速より前記流動化処理土に作用する最大せん断応力を求め、該最大せん断応力よりも前記非排水せん断強さが大きくなるように前記管本体の管径を決定することにより、管体部内を輸送中に流動化処理土のせん断破壊を生じさせず、全量の流動化処理土が螺旋状のリブに沿った旋回移動がなされ、材料分離を抑制できる。

本発明に係る流動化処理土の管路中撹拌方法に使用する静止型撹拌部の縦断面図である。 同上の正面図である。 本発明の流動化処理土の管路中撹拌方法を使用した埋め立て工法の一例を示す側面図である。 静止型撹拌部のリブの高さが０．５Ｄである場合の断面図である。 材料の沈殿・堆積が生じることがなく均一な混合状態を保つために必要な進行距離Ｌの算出のための説明図である。 スラリーの管中輸送における流速分布を示す説明図である。 同上のせん断応力分布を示す説明図である。 同上のスラリーの管中輸送中の流動化処理土のせん断破壊状態を示す説明図である。 管径の異なる静止型撹拌部を並列に設置した場合の説明図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面に示した実施例に基づいて説明する。

図１は、本発明方法に使用する静止型撹拌部を示している。この静止型撹拌部１は、円筒状をした管体部２とその内周面の螺旋状のリブ３とから構成されている。管体部２は、両端にフランジ４を有し、後述する管路に連結できるようになっている。

リブ３は、リボン状の鋼材をもって構成され、管体部２の内面に対してリボン状の幅方向が管体部内面に直立、即ち該幅方向が管体部２の半径方向に向く配置に立ち上がらせて溶接されている。

この静止型撹拌部１は、例えば図３に示すようにプラント台船１０上に搭載された流動化処理土製造プラント１１に接続された輸送管の水平部に使用する。図３において、符号１３は母材である砂や浚渫土を運び込む土運船であり、１４は土運船から母材を移し換えるバックホー、１５はホッパー、１６は混合機、１７はセメントサイロである。

この流動化処理プラント１１では，ホッパー１５内に母材，混合機１６にセメント，化学的流動化剤および必要に応じた量の水を投入し，混合して製造した流動化処理土２０を、ポンプによって管路１２へ圧送し、打設船１８上を通して、打設管１９の上端に送られて水底に打設させるようになっている。

静止型撹拌部１は、管路１２のプラント台船１０の端部において、管体部２が管路１２の一部を構成するように設置されている。

静止型撹拌部１では、管路１２内を満たされた状態で圧送されてくる流動化処理土が管体部２内に侵入すると管体部２の内面に近い部分がリブ３に沿って螺旋状に移動し、該地盤材の管体部中心部分に至るまで粘性によって螺旋状に旋回する。

管路１２内の移動は、単なるポンプ圧送であるため、材料の上下の強制移動はなく、重い部分が下側に移動して材料の分離が起ころうとするが、静止型撹拌部１での旋回によって上下が反転されることにより、撹拌作用が起り、材料分離が抑制される。

静止型撹拌部１におけるリブ３の高さＨは、管体部２の内径をＤとしたとき、Ｈ＜０．５Ｄが好ましい。リブ２の高さが０．５Ｄ、即ち図４に示すように管体部内径の半分であれば、螺旋の１／２ピッチ分だけ流動化処理土が移動すると、リブ３に沿って管底部にあった１／２分が管上部に移動されることとなり、管体部２内の流動化処理土全量が完全に反転することとなる。従ってリブ３の高さがこれより高くても反転作用の効果はそれほど変化がなく、高くすればその分だけ流動化処理土に対する摩擦抵抗が大きくなって好ましくない。このようにリブ３の存在によって管体部２内で流動化処理土が上下反転しながら移動する回転流が生じることによって材料が沈殿・堆積することなく移動し、均一な混合状態が保たれる。

一方、上記の上下反転を経験し、材料の沈殿・堆積が生じることがなく均一な混合状態を保つために必要な進行距離Ｌは、管体部１内流路断面積Ｓ_０に対するリブ３の螺旋内の断面積Ｓの比を用いて評価でき、次式１によって算出できる。

式１

式中Ｌ_０は、図５に示すように螺旋１ピッチ分の長さであり、螺旋方向の管中心線との角度をθとすると、Ｌ_０＝２Ｄ／ｔａｎθである。

一方管体部３内の摩擦の増加を防ぐためにはリブ３の高さＨは小さい方が好ましい。また、管内での沈殿・堆積を防ぐには、管内の流動化処理土の半量が反転されれば十分である。この時のリブ３の高さＨは、次の管内流速分布を用いて算出できる。

管内の流速分布は次式２の実験式（指数分布公式）によって表される。
式２

ここに，u_max：最大流速（管の中心部の流速）
Ｄ：管径
ｙ：リブ３の管内面からの高さ，
ｎ：指数であり、７を用いることが多い。

この分布形状において、次式３を解くことによって、管内全流量Ｑの１／２の流量が流れる時のリブ３の管内面からの高さｙが求められる。
式３

上記式３から、ｙ_０＝０．１７Ｄとなる。

これらの結果から、管体部内を通る流動化処理土の全量〜１／２を反転させるためのリブ３の高さＨは、０．１７Ｄ＜Ｈ＜０．５Ｄである必要がある。

リブ３の管体部中心線に対する螺旋の角度θは、３°＜θ＜４５°であることが好ましい。即ち、θ＜４５°とすることにより、円周方向の流速に対して進行方向の流速が大きくなり、流動化処理土の輸送効率を高く保つことができる。

また、一般的な作業台船（長さ：４０ｍ，幅：１５ｍ，深さ２．５ｍ）と、一般的な送泥管（管径：０．５ｍ）の使用を想定した場合，リブ３の必要最低限の高さであるＨ＝０．１７Ｄのとき、θ＞３°でなければ台船上に必要な螺旋長さを確保することができない。

次に前述した静止型撹拌部１の管体部の内径の決定方法の一例について説明する。

一般に、流動化処理土を輸送するための管路中に流速分布は、図６に示すように管壁面との摩擦によって、中心部分が早く管壁面に近い部分が遅くなる。管中を流れる流動化処理土のせん断応力分布は図７に示すように、管壁面近くが大きくなる。

管路中を送られる流動化処理土に作用するせん断応力が、非排水せん断強度を超えると、流動化処理土のせん断破壊が生じ、図８に示すように輸送速度が、中心部と管壁面に近い部分とで不連続となる。この時均質で連続的な材料の輸送が困難となると同時に、下部に粗い系の材料が集まり材料分離が生じることとなる。

そこで、管体部２内を輸送中に流動化処理土のせん断破壊を生じさせないための、管体部２の内径を決定する。次にその決定方法について説明する。
ステップ1

事前に管路中を輸送しようとする流動化処理土の非排水せん断強さと粘性係数を求める。排水せん断強さはベーンせん断試験機を用い、粘性係数は粘度計を用いて計測する。
ステップ２

流動化処理土の施工時の送泥流量を設定する。この送泥流量と暫定的な管本体の内径をから管内の平均流速を算定する。尚、暫定的な管本体の内径は、前記施工時の送泥流量の場合に通常使用する送泥管の内径を使用する。
ステップ３

管内平均流量によりスラリー状の流動化処理土に作用する最大せん断応力を次式４にて求める。
式４

ここに，τ：管壁でのせん断応力，ｆ：摩擦係数，v：平均速度
摩擦係数ｆは次式５で求められる。
式５

ここに、レイノルズ数Ｒｅは次式６で求める。
式６

D：管径，μ：粘性係数，ρ：密度

ステップ４

ステップ３で求めた最大せん断応力と、ステップ１で求めた非排水せん断強さとを比較する。この時、最大せん断応力＜非排水せん断強さの関係、即ち最大せん断応力が非排水せん断強さより小さければ、ステップ２の暫定的な管本体の内径を管体部２の内径とする。

逆に、最大せん断応力＞非排水せん断強さの関係、即ち最大せん断応力が非排水せん断強さより大きかった場合は、ステップ２の管本体の内径を見直し、再度ステップ２、３を繰り返し、最大せん断応力＞非排水せん断強さの関係となるように管径を選定する。

このようにして管体部２の内径を決定することにより、管体部２内を輸送中に流動化処理土のせん断破壊を生じさせず、全量の流動化処理土が螺旋状のリブ３に沿った旋回移動がなされ、材料分離を抑制できる。

上述のようにして最適な管体部２の管径を決定した後、その管径の管体部２を備えた静止型撹拌部１の他に、図９に示すように、管径を大小に違えた複数の静止型撹拌部１ａ，１ｂを管路１２から分岐路２１を介して並列配置に連通させ、それらの管路１２との連通を開閉コック２２，２２ａ，２２ｂによって選択できるようにしておき、施工の途中において、非排水せん断強さ等の性状が違った流動化処理土を使用することとなった時に、それに対応する静止撹拌部１ａ又は１ｂを選択して使用する。

このように複数の静止型撹拌部を並列に設置し、何れかを選択して使用できるようにすることにより、使用する流動化処理土が、打設施工の途中で母材の採取現場の違いなどによって性状が異なることとなった場合にも、流動化処理土の微調整作業を要することなく迅速に対応することができる。

尚、上述の実施例では埋め立て地盤材を流動化処理土とする場合について示しているが、流動化処理土の母材としては埋め立て地盤材に限らず、トンネル掘削土、浚渫土砂、山砂、砕石等の天然採掘素材の他、粗骨材や細骨材を混合したコンクリート用の人工調整素材が含まれ、流動化処理土は、コンクリート、埋め立て土砂、堤防等の盛り土、水底面被覆土等、スラリー状泥土に固化材を混合させ、管中輸送によって打設現場に輸送させる各種用途のものが含まれる。

Ｄ 管体部の内径
Ｈ リブの高さ
１，１ａ，１ｂ 静止型撹拌部
２ 管体部
３ リブ
４ フランジ
１０ プラント台船
１１ 流動化処理土製造プラント
１２ 管路
１３ 土運船
１４ バックホー
１５ ホッパー
１６ 混合機
１７ セメントサイロ
１８ 打設船
１９ 打設管
２０ 流動化処理土
２１ 分岐路
２２，２２ａ，２２ｂ 開閉コック

Claims (2)

1. 土砂等の母材にセメント等の固化材が混合され、加水して水分調整がなされた泥状材に、化学的流動化剤を混合することによって流動性を調整した流動化処理土を、管路を通して輸送する際に、該管路の一部に、該管路の一部を構成する管体部と、該管体部の内周面に、螺旋状に連続したリブを前記内周面に直立させて一体に立ち上げることによって構成された静止型撹拌部を備え、該静止型撹拌部を前記流動化処理土が通過する際に、該流動化処理土がリブの螺旋に沿って旋回することにより撹拌させる流動化処理土の管路中撹拌方法において、
   前記管体部内周面のリブの立ち上がり高さＨと、管体部の内径Ｄとの関係を、０．１７Ｄ＜Ｈ＜０．５Ｄとし、かつ前記リブの前記管体部中心線に対する螺旋の角度を、３°〜４５°とするとともに、
   前記管体部の螺旋状に連続したリブを有する部分の長さを、リブの立ち上がり高さをＨ、前記管体部の内径をＤ、前記リブの前記管体部中心線に対する螺旋の角度をθとしたとき、Ｌ＝Ｄ／[２（Ｈ／Ｄ）（１−Ｈ／Ｄ）ｔａｎθ]としたことを特徴とする流動化処理土の管路中撹拌方法。
2. 前記管路中を輸送しようとする前記流動化処理土の非排水せん断強さと粘性係数を求めるとともに、予定した施工時における前記流動化処理土の送泥流量を設定して前記管体部内の平均流速を算定し、該平均流速より前記流動化処理土に作用する最大せん断応力を求め、該最大せん断応力よりも前記非排水せん断強さが大きくなるように前記管本体の管径を決定する請求項１に記載の流動化処理土の管路中撹拌方法。

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