JP6640420B1

JP6640420B1 - 土壌改質方法およびこれに用いる土壌改質剤、ならびに改質土壌

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Publication number: JP6640420B1
Application number: JP2019159470A
Authority: JP
Inventors: 松原　仁; 仁松原; 慎駒津
Original assignee: 株式会社リアライズ; 慎駒津
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: JP2021038294A

Abstract

【課題】複雑な工程を招くことなく、環境への負荷が小さく、地盤の可逆的な利用を可能としつつ、液状化を軽減する能力の高い土壌改質方法およびこれに用いる土壌改質剤、ならびに改質土壌を提供する。【解決手段】土砂を主成分とする対象土壌１１は、微生物、栄養源およびセルロース源が添加される。微生物は、代謝によってカルシウム化合物２２を生成する。栄養源は、少なくともカルシウムおよび微生物が代謝で用いる成分を含有する。セルロース源は、セルロース繊維２１を主成分とし改質土壌１１を構成する土砂の粒子１２に絡みつくとともに微生物が生成するカルシウム化合物２２が析出する。【選択図】図１

Description

本発明は、土壌改質方法およびこれに用いる土壌改質剤、ならびに改質土壌に関する。

全国各地における地震の頻発にともない、地盤の液状化が大きな問題となっている。特に東北地方太平洋沖地震では、震源に近い東北地方だけでなく、千葉県などの関東地方の沿岸部でも液状化が多発した。このことから、地盤の液状化は、地震が引き起こす災害として大きな社会問題となっている。液状化が発生しやすい地盤は、主に、土砂を構成する粒子間の間隙が地下水によって満たされ、粒径の揃った土砂の粒子が緩く詰まって形成された層といわれている。このような地盤において地震などの強い振動が生じると、土砂の粒子間における間隙水圧が上昇する。そして、この水圧が砂粒子間の摩擦力による噛み合い力を超えると、砂粒子が地下水に浮いたような状態となり、固体状の地盤は液状化する。
そこで、地盤の改質による液状化対策として、例えばＳＣＰ（Sand Compaction Pile）工法が知られている（特許文献１参照）。このＳＣＰ工法は、地盤内にケーシングを打ち込み、このケーシング内に砂を補給しながら砂杭を圧入打設するものである。これにより、地盤の密度が増大し、剪断強度を高めることができる。

しかしながら、ＳＣＰ工法をはじめとする従来の工法は、複雑な工程を必要とすることなく、施工工期の短縮が困難であるという問題がある。また、ＳＣＰ工法以外の工法でも、例えば薬剤を用いているため環境への負荷が大きいという問題がある。さらに、これらの工法は、不可逆的なものであることが多く、地盤の再利用の障害になるという問題がある。

特開２０１４−１０９１７９号公報

そこで、複雑な工程を招くことなく、環境への負荷が小さく、地盤の可逆的な利用を可能としつつ、液状化を軽減する能力の高い土壌改質方法およびこれに用いる土壌改質剤、ならびに改質土壌を提供することを目的とする。

一実施形態では、セルロース源を添加している。セルロース源は、セルロース繊維を含んでいる。このセルロース繊維は、対象土壌に添加することにより、対象土壌を構成する土砂の粒子の間に複雑に絡みつく。これにより、セルロース繊維は対象土壌を構成する粒子の間に複雑に張り巡らされ、粒子と繊維とが複雑な微細構造を形成する。また、対象土壌に添加される微生物は、この対象土壌に添加されたセルロース繊維に定着し、あわせて添加された栄養源を用いて、代謝によって例えば炭酸カルシウムなどのカルシウム化合物を生成する。微生物が生成するカルシウム化合物は、対象土壌を構成する土砂の粒子をつなぎ合わせ、対象土壌を強化する。つまり、対象土壌にセルロース源を添加することにより、対象土壌を構成する土砂の粒子は、微細構造が維持される。これとともに、このセルロース源に定着した微生物は、土砂の粒子の間に張り巡らされたセルロース繊維を起点としてカルシウム化合物を析出する。そのため、対象土壌を構成する土砂の粒子の間には、複雑な微細構造に沿った強固なカルシウム化合物の構造体が形成される。その結果、対象土壌を構成する土砂の粒子の間は、カルシウム化合物によって埋められ、地下水が浸透する空隙が減少するとともに、土砂の粒子間の強度が向上する。これらセルロース源、栄養源および微生物は、いずれも自然界に存在するものである。そのため、対象土壌を汚染することはない。したがって、複雑な工程を招くことなく、環境への負荷を与えることなく、液状化を軽減する能力を高めることができる。

また、一実施形態では、カルシウム化合物を含む対象土壌は、地震などの震動に対する液状化への耐性を維持する反面、機械的な大きな力が加わることにより、容易に破断される。例えば対象土壌を路盤や路床などのように対象土壌を改質した後に、再利用などでさらなる整備が必要となるとき、本実施形態による対象土壌は重機や工具によって容易に構造が破断される。そのため、対象土壌は、可逆的な再利用を可能にすることができる。

一実施形態による土壌改質方法を適用した改質土壌を示す模式図一実施形態による土壌改質方法を地下配管設備に適用した例を示す模式図一実施形態による土壌改質方法を示す模式図であって、土砂の粒子にセルロース繊維が絡みついた状態を示す図一実施形態による土壌改質方法を示す模式図であって、土砂の粒子に絡みついたセルロース繊維にカルシウム化合物が成長する様子を示す図一実施形態による土壌改質方法を示す模式図であって、土砂の粒子に絡みついたセルロース繊維にカルシウム化合物が成長する様子を示す図一実施形態による土壌改質方法に用いる微生物による代謝によってカルシウム化合物が生成する例を示す概略図従来の対象土壌の土砂の粒子に分散した微生物によってカルシウム化合物が生成する例を示す模式図

以下、一実施形態による土壌改質方法を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、一実施形態による土壌改質方法を適用した改質土壌１０は、対象土壌１１を含んでいる。図１は、改質土壌１０を適用する対象土壌１１の一部を示す模式図である。対象土壌１１は、改質の対象となる土砂の粒子１２を主成分とする一般的な土壌である。この対象土壌１１は、主成分とする土砂の粒子１２に加え、礫、石、岩、若干の粘土など様々な粒径の粒子を含んでいてもよい。対象土壌１１は、地震などによって液状化を招くおそれのある土壌であれば任意に用いることができる。また、対象土壌１１は、路盤や路床など、適度な硬さを有しつつ、可逆的な再利用が求められる土壌であってもよい。可逆的な再利用が求められる対象土壌１１としては、例えば図２に示すように地中配管１３の設置場所など、将来的な配管の交換のために掘り返しが必要な箇所であってもよい。

改質土壌１０は、図１に示すようにセルロース繊維２１およびカルシウム化合物２２を含んでいる。セルロース繊維２１は、セルロース源であり、例えばパルプや古紙などの植物を由来とする繊維状のセルロースを主成分としている。セルロース繊維２１は、木材のチップを処理した新品のパルプ繊維に限らず、古紙を再利用した古紙繊維などを用いることができる。古紙繊維は、例えば家庭や事業体から、それらで消費された紙をリサイクルなどの目的で回収することによって得られる。セルロース繊維２１として用いる古紙繊維は、古紙を破砕した際に破砕機などに残留する細かな繊維状のものであり、埃に近似した外観を示す。セルロース繊維２１は、大部分がアスペクト比の大きな線状の繊維であり、線状の繊維が凝集して形成された塊状の繊維を含んでいてもよい。なお、図１をはじめとする各図において、ハッチングは、構成要素である土砂の粒子１２およびセルロース繊維２１を区別するための便宜的なものであり、断面を示すものではない。

セルロース繊維２１は、対象土壌１１に添加されることにより、図３に示すように対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２に絡みつく。対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２は、粒径が不揃いの粒子によって不規則な構造を構成している。なお、図３は、説明の簡単のために土砂の粒子１２は規則的な構造で示している。セルロース繊維２１は、この土砂の粒子１２の間に分散し、土砂の粒子１２に対して網目状に絡みつく。このように、セルロース繊維２１は、対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２の間に複雑に張り巡らされる。これにより、土砂の粒子１２とセルロース繊維２１とは、複雑な微細構造を形成する。

カルシウム化合物２２は、図１に示すように、このセルロース繊維２１を支持体として対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２の間をつなぎ合わせるように析出する。カルシウム化合物２２は、セルロース繊維２１に定着する微生物の代謝によって生成する。カルシウム化合物２２を生成する微生物は、比較的容易にセルロース繊維２１に定着する傾向にある。そのため、微生物の代謝によって生成するカルシウム化合物２２は、図１、図４および図５に示すように土砂の粒子１２の間に絡みついているセルロース繊維２１を支持体として成長する。そして、成長したカルシウム化合物２２は、図１に示すようにセルロース繊維２１を支持体として架橋した状態で隣り合う土砂の粒子１２の間を接続する。

このカルシウム化合物２２を生成する微生物としては、尿素分解細菌を適用することができる。尿素分解細菌は、カルシウム源を提供することにより、図６に示すように生物的な代謝によって例えば炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）などのカルシウム化合物２２を生成する。生成したカルシウム化合物２２は、上述のように土砂の粒子１２の間に絡みついているセルロース繊維２１を支持体として成長する。また、カルシウム化合物２２を生成する微生物としては、上述の尿素分解細菌に限らず、カルシウム化合物を生成する微生物であればその他の細菌であってもよい。例えば光合成細菌、脱窒細菌、アンモニア生成細菌、硫黄還元細菌、メタン酸化細菌などは、適用可能であると考えられる。

対象土壌１１に対して単に微生物を添加しただけの場合、添加した微生物は対象土壌１１の全体に分散し、特定の範囲に定着することがない。そのため、セルロース繊維２１を含まない対象土壌１１は、図７に示すように対象土壌１１の全体にカルシウム化合物２２が生成する。その結果、セルロース繊維２１を含まない土壌は、カルシウム化合物２２が粒子１２の間を架橋するような構造を形成せず、全体的にカルシウム化合物２２が析出したに過ぎない構造となる。

これに対して、本実施形態のように対象土壌１１にセルロース繊維２１を添加することにより、対象土壌１１に添加された微生物はこのセルロース繊維２１に選択的に定着する。そのため、微生物の代謝によって生成するカルシウム化合物２２は、この対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２に絡みついているセルロース繊維２１を支持体として選択的に成長し、土砂の粒子１２の間を架橋するように接続する。その結果、カルシウム化合物２２は、土砂の粒子１２の間を選択的に補強することができる。

このようなカルシウム化合物２２を含む対象土壌１１は、地震などの震動に対する液状化への耐性を向上する。一方、例えば重機や工具などによって機械的な大きな力が加わると、容易に破断される。すなわち、カルシウム化合物２２を含む場合、対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２は、微生物の代謝にともなって生成するカルシウム化合物２２によって液状化に対する十分な耐性が確保される。これに対し、カルシウム化合物２２で接続されている土砂の粒子１２は、大きな機械的な力が加わると容易に破断される。そのため、改質土壌１０は、重機などによって力を加えると、通常の土壌と同様に処理が可能となる。その結果、改質土壌１０は、可逆的な再利用を可能にすることができる。

次に、土壌を改質する手順である土壌改質方法について説明する。
対象土壌１１は、上述のように土砂の粒子１２に、礫や石などの多様な粒径の粒子を含んでいる。土壌を改質する場合、この対象土壌１１には、微生物、栄養源、およびセルロース源としてのセルロース繊維が添加される。微生物は、上記のように代謝によってカルシウム化合物２２を生成する。栄養源は、微生物の代謝で用いられる成分を含有している。栄養源は、例えば塩化カルシウムや酸化カルシウムなどのカルシウムイオンを提供するカルシウム源を含有している。また、栄養源は、適用する微生物に応じて、微生物が代謝で用いる成分を含有している。この場合、栄養源は、例えば環境調整剤、ｐＨ調整剤および有機物などである。一例として、微生物に尿素分解細菌を用いる場合、栄養源は、尿素、塩化アンモニウム、炭酸水素ナトリウムおよびニュートリエントブロスなどを含有することが好ましい。尿素は、尿素分解細菌が代謝の際に用いる二酸化炭素供給源である。塩化アンモニウムは、微生物が成育しやすい環境を提供するための環境調整剤である。炭酸水素ナトリウムは、土壌のｐＨを調整するためのｐＨ調整剤である。ニュートリエントブロスは、微生物が代謝の際に用いる有機物やミネラルを提供するための培養培地となる成分である。これら、微生物、栄養源およびセルロース源は、土壌改質剤として生成される。

土壌改質剤は、改質の対象となる対象土壌１１に添加される。土壌改質剤は、例えばパイル状やペレット状に加工されたセルロース繊維２１に、微生物および栄養源を含有させたものである。この土壌改質剤を対象土壌１１に打ち込んだり、投入したりすることにより、土壌改質剤に含まれるセルロース繊維２１は対象土壌１１に含まれる水分によって対象土壌１１に拡散する。このとき、土壌改質剤に含まれている微生物および栄養源は、対象土壌１１に均一に分散することなく、セルロース繊維２１に含浸された状態で対象土壌１１に拡散する。このとき、微生物および栄養源を含有するセルロース繊維２１は、対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２の間に、図３に示すように複雑な立体構造を形成しながら絡まる。

セルロース繊維２１に含有されている微生物は、同じくセルロース繊維２１に含まれる栄養源を用いて生育し、代謝物として炭酸カルシウムなどのカルシウム化合物２２を生成する。微生物は、主にセルロース繊維２１に定着している。そのため、代謝によって生成するカルシウム化合物２２は、図４および図５に示すようにこのセルロース繊維２１を支持体として、対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２の間を接続するように成長する。これにより、図１に示すような改質土壌１０が生成される。

以上説明した一実施形態では、対象土壌１１にセルロース源を添加している。セルロース源は、セルロース繊維２１を含んでいる。このセルロース繊維２１は、対象土壌１１に添加することにより、対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２の間に複雑に絡みつく。これにより、セルロース繊維２１は対象土壌１１を構成する粒子１２の間に複雑に張り巡らされ、土砂の粒子１２とセルロース繊維２１とが複雑な微細構造を形成する。また、対象土壌１１に添加される微生物は、この対象土壌１１に添加されたセルロース繊維２１に定着し、あわせて添加された栄養源を用いて、例えば炭酸カルシウムなどのカルシウム化合物２２を代謝とともに生成する。微生物が生成するカルシウム化合物２２は、対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２をつなぎ合わせ、対象土壌１１を強化する。つまり、対象土壌１１にセルロース繊維２１を添加することにより、対象土壌１１を構成する土砂の粒子は、微細構造が維持される。これとともに、このセルロース繊維２１に定着した微生物は、土砂の粒子１２の間に張り巡らされたセルロース繊維２１を起点としてカルシウム化合物２２を生成する。そのため、対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２の間には、複雑な微細構造に沿った強固なカルシウム化合物２２の構造体が形成される。その結果、対象土壌１１を構成する土砂の粒子１２の間は、カルシウム化合物２２によって埋められ、地下水が浸透する空隙が減少するとともに、土砂の粒子１２間の強度を高める。これらセルロース繊維２１、栄養源および微生物は、いずれも自然界に存在するものである。そのため、対象土壌１１を汚染することはない。したがって、複雑な工程を招くことなく、環境への負荷を与えることなく、液状化を軽減する能力を高めることができる。

また、一実施形態では、カルシウム化合物２２を含む対象土壌１１は、地震などの震動に対する液状化への耐性を維持する反面、機械的な大きな力が加わることにより、容易に破断される。例えば対象土壌１１を路盤や路床などのように対象土壌１１を改質した後に、再利用などでさらなる整備が必要となるとき、本実施形態による対象土壌１１は重機や工具によって容易に構造が破断される。そのため、対象土壌１１は、可逆的な再利用を可能にすることができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は改質土壌、１１は対象土壌、１２は粒子、２１はセルロース繊維、２２はカルシウム化合物を示す。

Claims

土砂を主成分とする対象土壌に、
代謝によってカルシウム化合物を生成する微生物と、少なくともカルシウムおよび前記微生物が代謝で用いる成分を含有する栄養源と、細かな繊維状のセルロース繊維を主成分とし前記改質土壌を構成する土砂の粒子の間に分散し網目状に絡みつくとともに前記微生物が生成する前記カルシウム化合物が析出するセルロース源と、を添加し、
前記土砂の粒子に絡みついた前記セルロース源を支持体として前記微生物が生成するカルシウム化合物が選択的に成長し、前記セルロース源を支持体として成長する前記カルシウム化合物で前記対象土壌を構成する土砂の粒子の間を接続する土壌改質方法。
請求項１記載の土壌改質方法に用いる土壌改質剤であって、
前記微生物と、前記栄養源と、前記セルロース源と、を含む土壌改質剤。
前記セルロース源は、線状の繊維および線状の繊維が凝集した塊状の繊維を含む古紙繊維を主成分とする請求項２記載の土質改質剤。
土砂の粒子の間に分散し網目状に絡みつく細かな繊維状のセルロース繊維と、
前記セルロース繊維に定着する微生物の代謝によって生成し、前記セルロース繊維を支持体として前記粒子の相互間を接続するカルシウム化合物と、
を備え、
前記土砂の粒子に絡みついた前記セルロース源を支持体として前記微生物が生成するカルシウム化合物が選択的に成長して、前記セルロース源を支持体として成長した前記カルシウム化合物が前記土砂の粒子の間を接続している改質土壌。