JP6598257B2 - 地盤凍結構造および地盤凍結方法 - Google Patents
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
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Description
また本発明の地盤凍結方法は、凍結融解を繰り返し得る活動層と、上記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレ系樹脂発泡体から構成された厚み50cm以下の発泡樹脂板と、上記発泡樹脂板の下方であるとともに、上記活動層の深さ方向2分の1より上方であって、かつ、上面視において、上記発泡樹脂板の外縁の内側に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、を、上記発泡樹脂板の下面と上記水平型地熱交換器の上面との距離が10cm以上2m以内となるよう上記活動層に埋設し、少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または上記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換し、当該地盤を凍結させることを特徴とする。
また、本発明における水平型地熱交換器の上方には発泡樹脂板が埋設される。これにより、水平型地熱交換器の周囲および下方の地盤温度は、発泡樹脂板の断熱効果により、外気温等に左右され難く、年間を通じて一定範囲の温度に維持され得る。したがって、発泡樹脂板が埋設されていない場合に比べ、たとえば夏季の地盤温度が低く保たれる。そのため本発明は、ブラインの温度を極端に低く調整せずとも、水平型地熱交換器にて活動層の下層まで凍結させること、または凍結状態を維持することが可能である。かかる本発明は、従来技術に比べ、運転コストを改善しつつ、水平方向、および上下方向(即ち活動層の下層まで)の凍結状態を維持することが可能である。
本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、1つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。図示する本発明の実施形態は、理解容易のために、特定の部材を全体において比較的大きく図示する場合、または小さく図示する場合などがあるが、いずれも本発明の各構成の寸法比率を何ら限定するものではない。
以下に本発明の第一実施形態である地盤凍結構造100について図1、2を用いて説明する。図1は地盤凍結構造100の一例を示す模式図である。図2は、第一実施形態の変形例である地盤凍結構造120を示す模式図である。
地盤凍結構造100は、凍結融解を繰り返し得る活動層40と、活動層40の下に位置する基盤層46とを有する地盤に設けられる。地盤凍結構造100は、活動層40において発泡樹脂板10と、発泡樹脂板10の下方に配置された水平型地熱交換器20とを備える。本実施形態では、発泡樹脂板10および水平型地熱交換器20は、活動層40のうち、より地盤面GLに近い表層活動層40に配置されている。水平型地熱交換器20は、内部にブラインを流通可能であり、周囲の地盤と熱交換を行う。地盤凍結構造100は、水平型地熱交換器20により、少なくとも夏季に、周囲の地盤から温熱を採熱し、またはブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換することができる。
地盤凍結構造100は、地熱交換器として水平型地熱交換器20を用いているため、水平方向に凍結状態を拡張することに優れ、また内部に流通するブラインの流通に関し圧力ポンプの作動に要する電力が少なくて済み、運転コストが縦型地熱交換器に比べ安価である。
加えて、地盤凍結構造100は発泡樹脂板10を備えるため、発泡樹脂板10の下方の地盤(下方地盤)、温度の安定化が図られている。つまり、上記下方地盤は、発泡樹脂板10の断熱効果により、外気温等の影響を受け難く、一年を通じて気温の変動が小さい。そのため、夏季において、上記下方地盤は、地盤凍結構造100が実施されていない場合に比べて地盤温度が低く、より小さい熱交換エネルギーで凍結状態を維持することができる。つまり、地盤凍結構造100によれば、水平型地熱交換器20の本来のメリットを充分に享受しつつ、課題であった上下方向への凍結領域の拡張の問題も、運転コストを著しく上げることなく良好に解決される。
以下に、本実施形態の地盤凍結構造100の構成について詳細に説明する。
活動層40は、凍結と融解を繰り返し得る地表付近の層である。基盤層46は、活動層40の下方に位置する。基盤層46は、年間を通じで凍結状態である層または年間を通じで非凍結状態である層のいずれであってもよい。
永久凍土地帯と認識される土地でも、実際には活動層が存在し得る。そのため、地盤表層は、冬季に凍結し、夏季に融解する凍結融解を繰り返し、凍結融解による諸問題が発生する。たとえばシベリアにおける永久凍土地帯であっても、夏季には外気温が30℃程度になる場合があり、地盤表層は融解する。そのため永久凍土地帯であっても、冬季と夏季とで凍結融解の諸問題が発生する。
一方、寒冷地において、基盤層46は年間を通じて凍結しないものの、表層は、冬季には凍結し、夏季には融解する例もある。つまり、非永久凍土地帯であっても活動層40は存在し、かかる土地でも、同様に凍結融解の諸問題が発生する。したがって、地盤凍結構造100は、永久凍土地帯または非永久凍土地帯のいずれにおいても実施可能であり、これによって凍結融解の諸問題を解決することができる。
発泡樹脂板10は、断熱性効果を発揮し得る発泡体からなる。発泡体の例としては、例えば、ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、ポリプロピレン系樹脂発泡体、ポリウレタン系樹脂発泡体、ポリ塩化ビニル系樹脂発泡体、熱可塑性ポリエステル系樹脂発泡体、ポリカーボネート系樹脂発泡体、ポリアミド系樹脂発泡体、またはポリフェニレンエーテル系樹脂発泡体等がある。特に、ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレン系樹脂発泡体は、発泡樹脂板10の構成材料として好ましい。
水平型地熱交換器20は、ブラインを入流するための流入部22と、内部を流通したブラインを排出させるための排出部24と、略水平方向に延在するパイプ28を備える。本実施形態では、流入部22および排出部24は、いずれもブライン温度調整装置30に連結されている。所定の温度に調整されたブラインは、流入部22を通過しパイプ28を流通しつつ周囲の地盤との間で熱交換を行い、排出部24から排出される。排出されたブラインは、ブライン温度調整装置30において所定の温度に調整され、再度、流入部22に送り出されてもよい。
また、水平型地熱交換器20の上面と、発泡樹脂下との距離は、接触しない程度に近接して埋設させることが好ましく、たとえば10cm以上2m以内程度が好ましい。本実施形態では、水平型地熱交換器20は、地盤に直接に埋設されているが、地盤と水平型地熱交換器20との間には、適宜、砂、砕石、またはカラ練りモルタル等のグラウト材を充填してもよい。
本方法によれば、冬季において凍結状態になった活動層40を、夏季においても凍結状態に維持することができる。そのため、従来の凍結融解による諸問題を解決することができる。しかも本方法は、発泡樹脂板10により地盤(活動層40)の温度が安定化されている。そのため、本方法によれば、水平型地熱交換器20のメリットを活かしつつ、比較的高い温度のブラインを用いて、水平型地熱交換器20の上下方向の地盤の凍結状態を良好に維持することができる。
次に本発明の第二実施形態である地盤凍結構造140について図3を用いて説明する。図3は、本発明の第二実施形態にかかる地盤凍結構造140の一例を示す模式図である。図3および後述する図4では、水平型地熱交換器20におけるパイプ28等の管構造を、図示容易化のため、直線にて図示している。地盤凍結構造140は、発泡樹脂板10が、地盤に建造された建造物220の基礎構造(べた基礎230)の下方に埋設されていること以外は第一実施形態にかかる地盤凍結構造100と同様の構成を有する。そのため以下において、地盤凍結構造140に関し、主として発泡樹脂板10と、基礎構造(べた基礎230)とについて説明する。それ以外の構成については地盤凍結構造100の説明を参照可能であるため、ここでは詳細な説明を適宜割愛する。
ブライン温度調整装置30には、適度な温度に調整されたブラインを水平型地熱交換器20に対し流入させるため流入本管23が接続されており、流入本管23から流れ出たブラインは、分岐ヘッド26において、それぞれの水平型地熱交換器20に設けられた流入部22に分岐する。本実施形態では流入部22と連結部32とは、1つの管において連続しており、連結部32の下流側端部はパイプ28に連結している。複数の連結部32は、発泡樹脂板10に設けられた第一貫通孔12に挿通されている。また複数の連結部34は、発泡樹脂板10に設けられた第二貫通孔14に挿通されている。このように建造物220の規模等や、発泡樹脂板10の面積に併せ、適宜、水平型地熱交換器20を2以上用いて、地盤凍結構造140を構成することもできる。
次に本発明の第三実施形態である地盤凍結構造160について図4を用いて説明する。図4は、本発明の第三実施形態にかかる地盤凍結構造160の一例を示す模式図である。地盤凍結構造160は、べた基礎230の替りに、杭基礎60を備えること以外は第二実施形態にかかる地盤凍結構造140と同様の構成を有する。そのため以下において、地盤凍結構造160に関し、杭基礎60および杭基礎60と地盤凍結構造160との関係について説明する。それ以外の構成については地盤凍結構造100、および地盤凍結構造140の説明を参照可能であるため、ここでは詳細な説明を適宜割愛する。
即ち、上記杭基礎の実施のためには、活動層が夏季に融解することを考慮し、支持杭の先端を基盤層まで到達させて地盤支持力を得る必要があった。そのため、活動層が深くまで続く地盤で杭基礎を実施する場合には、支持杭は充分に長くなければならなかった。
また、支持杭の先端が基盤層に到達している場合であっても、活動層が融解することで、支持層に先端が固定された支持杭が、地上に抜け上がってしまう抜け上がりの問題が発生する虞があった。
また、摩擦杭が活動層に設けられている場合、当該活動層が融解することで、地盤と摩擦杭との摩擦力が充分に得られなくなり、当該摩擦杭の所期の作用が発揮されなくなる虞があった。
また、建造物220からの温熱が杭61を介して活動層40に伝搬するという問題があった。冬季に活動層40が凍結していたことを鑑みれば、夏季においても建造物220から伝搬する熱は、活動層40の地盤温度に対し相対的に温熱になるため、当該温熱により活動層40が融解する虞があった。
本実施形態の杭61は、杭頭62、杭本体66、および杭先端64を備える。杭61は、公知の杭基礎構造において採用される杭であればいずれのものであってもよく、支持杭および摩擦杭のいずれかであってもよいし、あるいはこれらの組合せであってもよい。
基礎スラブ50は、杭頭62と直接または間接に結合され、且つ建造物220の底面略全面において構築されるスラブである。基礎スラブ50は、建造物220の底面略全面において杭基礎構造の一部として形成されるスラブ構造を意味し、所謂、コンクリートスラブ、あるいは土間コンクリートを含む。また基礎スラブ50は、任意で地中梁を備えてもよい。
(1)凍結融解を繰り返し得る活動層と、前記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、
発泡樹脂板と、
前記発泡樹脂板の下方に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、
が、前記活動層に埋設されていることを特徴とする地盤凍結構造。
(2)前記水平型地熱交換器が、少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または前記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換する上記(1)に記載の地盤凍結構造。
(3)前記水平型地熱交換器は、前記ブラインを入流するための流入部と、内部を流通した前記ブラインを排出させるための排出部と、を有し、
少なくとも夏季において、前記ブラインの温度が、前記流入部において−20℃以上−3℃以下である上記(1)または(2)に記載の地盤凍結構造。
(4)前記発泡樹脂板が、前記地盤に建造された建造物の基礎構造の下方に埋設されている上記(1)から(3)のいずれか一項に記載の地盤凍結構造。
(5)前記基礎構造がべた基礎であり、
前記べた基礎の底面に接して前記発泡樹脂板が埋設されている上記(4)に記載の地盤凍結構造。
(6)前記基礎構造が、基礎スラブと杭とを備える杭基礎であり、
前記基礎スラブの底面に接して前記発泡樹脂板が埋設されている上記(4)に記載の地盤凍結構造。
(7)凍結融解を繰り返し得る活動層と、前記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、
発泡樹脂板と、
前記発泡樹脂板の下方に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、
を、前記活動層に埋設し、
少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または前記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換し、当該地盤を凍結させることを特徴とする地盤凍結方法。
12・・・第一貫通孔
14・・・第二貫通孔
20・・・水平型地熱交換器
22・・・流入部
23・・・流入本管
24・・・排出部
25・・・排出本管
26・・・分岐ヘッド
28・・・パイプ
30・・・ブライン温度調整装置
32、34・・・連結部
40・・・活動層
42・・・表層活動層
44・・・下層活動層
46・・・基盤層
50・・・基礎スラブ
60・・・杭基礎
61・・・杭
62・・・杭頭
64・・・杭先端
66・・・杭本体
100、120、140、160・・・地盤凍結構造
210・・・構造物
220・・・建造物
230・・・べた基礎
d、1/2d、d1・・・距離
Claims (7)
- 凍結融解を繰り返し得る活動層と、前記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、
ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレ系樹脂発泡体から構成された厚み50cm以下の発泡樹脂板と、
前記発泡樹脂板の下方に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、が、前記活動層に埋設されており、
前記水平型地熱交換器は、前記活動層の深さ方向2分の1より上方であって、かつ上面視において前記発泡樹脂板の外縁の内側に配置されており、
前記水平型地熱交換器の上面と前記発泡樹脂板の下面との距離が10cm以上2m以内であることを特徴とする地盤凍結構造。 - 前記水平型地熱交換器が、少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または前記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換する請求項1に記載の地盤凍結構造。
- 前記水平型地熱交換器は、前記ブラインを入流するための流入部と、内部を流通した前記ブラインを排出させるための排出部と、を有し、
少なくとも夏季において、前記ブラインの温度が、前記流入部において−20℃以上−3℃以下である請求項1または2に記載の地盤凍結構造。 - 前記発泡樹脂板が、前記地盤に建造された建造物の基礎構造の下方に埋設されている請求項1から3のいずれか一項に記載の地盤凍結構造。
- 前記基礎構造がべた基礎であり、
前記べた基礎の底面に接して前記発泡樹脂板が埋設されている請求項4に記載の地盤凍結構造。 - 前記基礎構造が、基礎スラブと杭とを備える杭基礎であり、
前記基礎スラブの底面に接して前記発泡樹脂板が埋設されている請求項4に記載の地盤凍結構造。 - 凍結融解を繰り返し得る活動層と、前記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、
ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレ系樹脂発泡体から構成された厚み50cm以下の発泡樹脂板と、
前記発泡樹脂板の下方であるとともに、前記活動層の深さ方向2分の1より上方であって、かつ、上面視において、前記発泡樹脂板の外縁の内側に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、
を、前記発泡樹脂板の下面と前記水平型地熱交換器の上面との距離が10cm以上2m以内となるよう前記活動層に埋設し、
少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または前記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換し、当該地盤を凍結させることを特徴とする地盤凍結方法。
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