JPH0573849B2 - - Google Patents

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JPH0573849B2
JPH0573849B2 JP25450485A JP25450485A JPH0573849B2 JP H0573849 B2 JPH0573849 B2 JP H0573849B2 JP 25450485 A JP25450485 A JP 25450485A JP 25450485 A JP25450485 A JP 25450485A JP H0573849 B2 JPH0573849 B2 JP H0573849B2
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JP
Japan
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soil
ground
soft
airtight container
heat pipe
Prior art date
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JP25450485A
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Japanese (ja)
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JPS62112811A (en
Inventor
Kimitoshi Ryokai
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Shimizu Construction Co Ltd
Original Assignee
Shimizu Construction Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS62112811A publication Critical patent/JPS62112811A/en
Publication of JPH0573849B2 publication Critical patent/JPH0573849B2/ja
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  • Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

「産業上の利用分野」 本発明は、ヒートパイプによつて軟弱粘性土地
盤を凍結させ、該地盤の凍結時に生じる吸水力お
よび凍結膨張圧力で軟弱粘性土地盤を脱水、圧密
させる地盤改良工法に関するものである。 「従来の技術」 一般に、軟弱粘性土地盤は、粘性土や有機質を
多く含み、また含水量も多い柔らかい土層(軟弱
土層)が厚く堆積していることから、地盤の沈下
量が大きく、また地震等の外力に対して極めて弱
いものである。したがつて、軟弱粘性土地盤を宅
地造成してそこに構造物を築造するにあたつて
は、あらかじめ地盤の強度を高め、外力に対する
抵抗力を強める等の対策が必要であり、そのため
地盤の改良がなされなければならない。 そのような軟弱粘性土地盤を改良する手段とし
ては、従来、例えばサンドドレーン工法とプレロ
ード工法とを併用したものが適用されている。サ
ンドドレーン工法は、圧密時間を短縮する目的で
軟弱な粘性土中に多数のサンドパイル(砂杭)を
打設し、これを排水路として利用するものであ
り、また、前記プレロード工法は、軟弱地盤上に
適当な厚さの盛土を行い、この盛土の重量によつ
て軟弱土層を圧縮することにより締め固め、土の
密度を増大させてその強度を高める、すなわち圧
密させるものである。 「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、前記した軟弱粘性土地盤を改良
する工法では、サンドパイルに使用する良質な砂
の入手が困難な傾向にあり、また地盤の改良効果
も、深度が深くなると、盛土による応力増加が少
なく、しかも軟弱粘性土地盤上の大量の盛土を長
期間載置しておかねばならず、地盤改良後に撤去
する必要があるので、経済性と作業能率が悪いと
いつた問題点があつた。 本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、
サンドパイルの打設工程や盛土を施す工程等を省
略し得、単純な工程で、軟弱粘性土地盤を脱水、
圧密する効果のあるヒートパイプによる軟弱粘性
土地盤の改良工法を提供することを目的としてい
る。 「問題点を解決するための手段」 かかる目的を達成するために本発明の工法は、 (イ) 軟弱粘性土地盤内に、上部を突出した状態で
ヒートパイプを構成する気密容器を鉛直に埋設
する工程と、 (ロ) 前記気密容器の上部を寒気により冷却し、気
密容器内の作動流体を凝縮させて、液化した作
動流体を重力により落下させ、この時運ばれた
冷熱により気密容器周囲の軟弱粘性土を凍結さ
せて気密容器の周囲に凍土を形成する工程と、 (ハ) この凍土を解凍させて地盤を沈下させる工程
とを具備したもので、ヒートパイプにより自然
冷熱を地下に貯蔵し、そのとき発生する凍土現
象による吸水力と膨張に伴う圧力で地盤を脱
水、圧密することを特徴とするものである。 「作用」 このような本発明の工程において、軟弱粘性土
地盤が凍結すると、アイスレンズと呼ばれる氷の
層がヒートパイプと同心円状に析出する。これは
凍結面に水を引きよせようとする力(吸水力)が
生じるためである。その結果、そこで水が凍結し
膨張するために、凍結膨張圧力が発生し、これら
の圧力(吸水力と凍結膨張圧力)が、地盤を圧密
する有効応力として作用する。そして、アイスレ
ンズが解凍されると、解凍したアイスレンズ層の
間〓にそつて、改良された地盤の自重により地上
に脱水される。その結果、地盤の支持力が増加す
るものである。 「実施例」 以下、本発明の一実施例を図面にしたがつて説
明する。 第1図は、本発明の工法に使用されるヒートパ
イプの一例を示すもので、このヒートパイプA
は、十分脱気された長寸の円筒状気密容器1内に
作動液体Gを封入し、その流体Gの相変化に伴つ
て熱移動が生じるように構成したもので、軟弱粘
性土地盤10内に埋設されてこれを凍結させるよ
うになつている。そして、気密容器1の上部外周
には受放熱用のフイン3が突設されている。 このヒートパイプAの代表的構成材料と使用温
度を第1表に示す。
"Industrial Application Field" The present invention relates to a ground improvement method in which soft and viscous soil is frozen using a heat pipe, and the soft and viscous soil is dehydrated and consolidated by the water absorption force and freezing expansion pressure generated when the ground is frozen. It is something. "Conventional technology" In general, soft and cohesive soil has a thick layer of soft soil (soft soil layer) that contains a lot of cohesive soil and organic matter and has a high moisture content, so the amount of ground subsidence is large. It is also extremely vulnerable to external forces such as earthquakes. Therefore, when creating a housing site on a soft and sticky ground and building a structure there, it is necessary to take measures such as increasing the strength of the ground and increasing its resistance to external forces. Improvements must be made. Conventionally, as a means for improving such soft and viscous soil, a combination of a sand drain method and a preload method has been applied. The sand drain method involves driving a large number of sand piles into soft, cohesive soil to shorten the consolidation time, and using these as drainage channels. Embankment of an appropriate thickness is placed on the ground, and the weight of the embankment compresses the soft soil layer to compact it, increasing the density of the soil and increasing its strength, that is, consolidation. ``Problems to be solved by the invention'' However, in the above-mentioned method of improving soft and viscous soil, it tends to be difficult to obtain high-quality sand for use in sand piles, and the effect of improving the soil depends on the depth. The deeper the embankment, the less the stress increase due to the embankment.Moreover, a large amount of embankment on a soft and viscous soil base must be left in place for a long period of time, and it must be removed after ground improvement, resulting in poor economic efficiency and work efficiency. A number of problems arose. The present invention was made in view of the above circumstances, and
It is possible to omit the process of placing sand piles and embanking, and dewaters soft and sticky soil with a simple process.
The purpose of this study is to provide a method for improving soft and viscous soil using heat pipes, which have the effect of compaction. ``Means for Solving the Problems'' In order to achieve the above object, the construction method of the present invention includes: (a) burying an airtight container constituting a heat pipe vertically in soft and viscous soil with its upper part protruding; (b) The upper part of the airtight container is cooled with cold air, the working fluid in the airtight container is condensed, and the liquefied working fluid is allowed to fall by gravity, and the cold heat carried at this time causes the surrounding area of the airtight container to cool. This method involves the steps of freezing soft and sticky soil to form frozen soil around an airtight container, and (c) thawing this frozen soil to cause the ground to sink.It uses heat pipes to store natural cold energy underground. It is characterized by dewatering and consolidating the ground using the water absorption force caused by the frozen ground phenomenon that occurs at that time and the pressure caused by expansion. "Operation" In the process of the present invention, when the soft and viscous ground freezes, a layer of ice called an ice lens is deposited concentrically with the heat pipe. This is because a force (water absorption force) is generated that tries to draw water to the frozen surface. As a result, water freezes and expands there, generating freezing expansion pressure, and these pressures (water absorption force and freezing expansion pressure) act as effective stress to consolidate the ground. When the ice lens is thawed, water is dehydrated onto the ground by the weight of the improved ground along the thawed ice lens layer. As a result, the bearing capacity of the ground increases. “Embodiment” An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Figure 1 shows an example of a heat pipe used in the construction method of the present invention.
In this system, a working liquid G is sealed in a long cylindrical airtight container 1 that is sufficiently deaerated, and heat transfer occurs as the phase of the fluid G changes. It is designed to be buried and frozen. Fins 3 for receiving and dissipating heat are protruded from the upper outer periphery of the airtight container 1. Typical constituent materials and operating temperatures of this heat pipe A are shown in Table 1.

【表】 前記気密容器1は、熱伝導率の良い銅やアルミ
ニウムが使われるが、ヒートパイプの使用条件
(温度、周囲の腐食条件など)により任意に選択
される。作動流体Gは、ヒートパイプAの作動温
度により決まる蒸気圧力と気密容器1の適合性に
応じて選択される。 次に、前記のように構成されたヒートパイプA
を用いて軟弱粘性土地盤10を改良するための本
発明の地盤改良工法について述べる。 第2図イないしニは、この実施例の改良工法に
よつて軟弱粘性土地盤の改良を行う工程を示す側
断面図であり、図中符号10は、その改良が行な
われている軟弱粘性土地盤である。この軟弱粘性
土地盤10に対する改良の手順は、次の各工程を
経て実施する。 (i) ヒートパイプの打設 第2図イに示すように、しゆんせつした軟弱
粘性土地盤10の任意の位置に、ヒートパイプ
Aを所定のピツチで鉛直に打設する。このヒー
トパイプAの軟弱粘性土地盤10への打設位置
は、特に限定されないが、ヒートパイプAを打
設する地域の気温および地盤の凍結膨張圧力、
吸水力等を配慮し、所定の圧力が発生するよう
に、各ヒートパイプAの間隔を適当に設定して
配置するのが好ましい。 (ii) 凍土の構築 このようにして、ヒートパイプAの埋設が完
了し、気密容器1の上部が、例えば冬季の寒気
により冷却されると、気密容器1内の作動流体
Gが凝縮し液体となり、重力によつて気密容器
1の管壁を伝わつて落下する。その結果、冷熱
が下部に運ばれ、この運ばれた冷熱によつて、
気密容器1周囲の軟弱粘性土地盤10が凍結さ
せられて、第2図ロに示すように、アイスレン
ズと呼ばれる氷の層Sが、凍結面に、ヒートパ
イプAと同心円状に析出し、気密容器1の周囲
に凍土Fが構築(形成)される。また、この
時、地表に面している軟弱粘性土地盤10は、
ヒートパイプAとはまた別に地表の冷気(寒
気)によつて凍結され、アイスレンズ層Sが析
出し、凍土Fが構築される。 そして、このような凍土Fが構築される際、
すなわち軟弱粘性土地盤10が凍結する際、吸
水力および凍結膨張圧力が生じ、これらの圧力
が地盤10を圧密する有効応力として、第3図
に示すように、増加し、地盤10を圧密させ、
しかも、有効応力の増加とともに軟弱粘性土地
盤10が脱水させられ、その支持力を増加させ
るものである。 地盤10を圧密する有効応力は、次のような
過程を経て生じる。すなわち、軟弱粘性土地盤
10が凍結すると、アイスレンズと呼ばれる氷
の層Sが、凍結面に、第2図ロおよびハなどに
示すように、ヒートパイプAと同心円状に析出
する。これは凍結面に水を引きよせようとする
力(吸水力)が生じるためである。その結果、
そこで水が凍結し膨張するために、凍結膨張圧
力が発生するのである。そして、このような圧
力により、軟弱粘性土地盤10が脱水、圧密さ
せられ、地盤改良されるのである。 一方、気密容器1の下部の作動流体Gは、第
1図矢印イで示すように、そこで、加熱され
て、液体の表面から蒸発が始まる。発生した蒸
気は、上部との圧力差により上方へ移動する。
このプロセスの繰り返しにより、熱移動が自動
的に行なわれる。 しかして、本発明では、凍土Fの構築は、ヒ
ートパイプAを軟弱粘性土地盤1に埋設するこ
とにより行なわれるので、電力によるいわゆる
強制冷却等に比べ、効果的に凍土Fの構築が達
成される。すなわち、ヒートパイプAは、潜熱
の形で熱量を輸送するので、熱を速やかに伝達
し得るとともに、表面温度が均一であり、しか
も可動部がないため、メンテナスフリーである
等の利点があるため、凍土Fの構築を比較的低
コストで達成することができるものである。 また、本発明では、このような凍土Fの構築
により、軟弱粘性土地盤10を脱水、圧密する
ので、サンドパイルを打設したり、盛土をした
りすることなく、これらの工程で実施した以上
の強大の改良効果を有効に発揮させることがで
きるものである。 なお、ヒートパイプAの熱輸送量について説
明を補足しておくと、これは、大気中の冷熱源
と地盤との熱抵抗に逆比例し、その間の温度差
に比例する。 ヒートパイプ1本当たりの熱輸送量Qは次式
で与えられる。 Q=(Ta−Tg)/(r1+r2+r3) ……(1) ここに、 Ta:大気の温度 Tg:地盤の温度 r1:地盤とヒートパイプ間の熱抵抗 r2:ヒートパイプの熱抵抗 r3:フインの熱抵抗 熱抵抗のうちr1は、地盤の熱伝導率、土の凍
土特性、ヒートパイプの形状によつて、r3はフ
インのピツチ、直径などによつて決まる。 (iii) 凍土の解凍 夏季の温度によつて、凍土Fは解凍し、沈下
の進行する改良土に追随して、周囲の軟弱粘性
土が沈下し、第2図ニに示すように、図中2点
鎖線に示す位置から、前記(ii)の工程によつて圧
密された分、地盤全体が沈下する。この際、前
記凍土Fの解凍によつて生じた水(すなわちア
イスレンズの解凍により生じた水)は、地盤1
0の沈下により(改良された地盤10の自重に
より)、凍土Fの解凍とともに、解凍したアイ
スレンズ層Sの間〓に沿つて地表に排水され
る。 なお、凍土Fの解凍により、排水された水
を、適当な排水手段(例えば、排水溝を地上に
敷設する等)を用いることにより、排水させる
構成とすれば、改良された地盤10に水を浸透
させることを防止する点等で好ましい。 そして、第2図ニに示すように、地盤10が
沈下した後、ヒートパイプAを撤去すれば、地
盤10の改良が完了する。 以下、実験例を示し、本発明を具体的に説明す
る。 「実験例」 (1) 選定したヒートパイプ 熱輸送量が多く、しかも経済的なヒートパイ
プを選定するために後述する4種類のヒートパ
イプを選定し、現地に埋設した。容器は、銅製
で、作動液体はフロン22である。 単管型はヒートパイプを不凍液の入つた銅管
の中に入れた。これは、単管のみでは、その表
面積が小さいので、熱輸送量を大きくするため
に不凍液の対流による熱伝達を期待したもので
ある。 ループ型は表面積が大きく、しかもヒートパ
イプの加工手間が少ない。この型は、ヒートパ
イプの内側に溝を付けたものと付けないものの
2種類とした。 ダブルループ型は溝のないループ型のヒート
パイプをダブルにしたものである。 なお、前記いずれもヒートパイプ管のジヨイ
ント部は、アルミ粉入りの接着剤で熱伝導を良
くした。 (2) 埋設位置 第4図および第5図に示すように、観測室R
から一定距離離間した位置に2列に前記4種類
のヒートパイプA1,A2,A3,A4を埋設した。 凍土の成長状況は、各ヒートパイプA1,A2
A3,A4から50cm離れた位置に埋設した測定管
B1,B2,B3,B4内の熱電対により、各ヒート
パイプ(図示例ではヒートパイプA1)の複数
の測点Oにおいて、土中温度の経時変化を測
り、それにより類推した。 (3) 実験結果 第6図aおよびbに1984年12月1日よりの凍
結指数と大気温度の経時変化を、また第7図a
およびb並びに第8aおよびbに溝付きヒート
パイプおよびダブルループ型の深度−2mの点
およびヒートパイプから50cm離れた土中(深度
−2m)の温度の経時変化を示す。 ダブルループ型のヒートパイプでは、深度−
2mの点で直径20cm程度の凍土が形成されたと
思われるが、ループでは温度が零度線を上下し
ているので、凍土の形成はほとんどなかつたも
のと思われる。 次に、軟弱粘性土地盤1が凍結する際の有効応
力等を如何にして設計するかを説明する。 「設計法」 飽和土が凍結する場合、凍結による膨張率ξ、
吸水率ξwは凍結面の進行速度V、凍結面での有
効応力σ′との関係として、次式で与えられる。 ξ=ξo+(1+√)σo/σ′ ……(2) ξ=ξo+nfΓ+(1+Γ)ξw ……(3) ここに、ξo、σo、Voは土固有の定数、nfは間
〓率、Γは水の凍結膨張率である。 凍土および未凍土内の熱移動は、円筒モデルと
考えられるので、それぞれ次のように求まる。 凍土内の熱移動 ∂Tf/∂t=κ1(∂2Tf/∂r2 +1/r∂Tf/∂r) ……(4) 未凍土内の熱移動 ∂Tu/∂t=κ2(∂2Tu/∂r2 +1/r∂Tf/∂r) ……(5) 未凍土内の水分移動 ∂TU/∂t=Cv(∂2Uw/∂r2 +1/r∂Uw/∂r) ……(6) ここに、Tf、Tuは凍土および未凍土の温度、
Uwは間〓水圧、κ1、κ2は凍土および未凍土の温
度伝導率、Cvは圧密係数、tは時間、rは位置
を表す座標である。 また、凍土と未凍土との境界において、次の式
が成り成たなければならない。 λ1∂Tf/∂r−λ2∂Tu/∂r =LsγsV+LwγwVw ……(7) ここに、λ1、λ2は凍土および未凍土の熱伝導
率、Ls、Lwは地盤および水の凍結潜熱、γs、γw
は地盤及び水の密度、VおよびVwは凍結速度及
び吸水速度である。 凍結面での吸水速度Vwは、ダルシー則によ
り、次式で与えられる。 Vw=k/γw∂Uw/∂r ……(8) なる関係がなり立つ。また式(2)、(3)から吸水速度
は、 Vw=(V+√)σ0/{(σ−Uwo
−Sf)(1+Γ)}−VnfΓ/(1+Γ)……(9) で与えられる。 よつて、式(8)、(9)から吸水力Sfを求め、それに
よる脱水圧密量を差し引いた強制変位による凍結
面での応力増分が凍結膨張圧力の増分である。さ
らに、式(1)、(7)の境界条件のもとに、式(4)〜(6)を
解き、温度分布、間〓水圧分布、有効応力分布を
求める。 第9図aおよびbにヒートパイプ内の温度が−
15℃と−30℃の一定温度とした場合の境界力と凍
結膨張圧力の一例を示す。 冷却温度が−15℃で、ヒートパイプから15cm離
れた点で、吸水力が約0.7Kgf/cm2、凍結膨張圧
力として約2.0Kgf/cm2であるので、有効応力と
しては約2.7Kgf/cm2発生している。これは15〜
20mの盛土をした場合と、同程度の強大な改良効
果が発生することを示すものである。 なお、通常、従来のプレロード工法などでは、
例えば、5m程度の盛土によつて、軟弱粘性土地
盤を圧密するのであるが、本発明では、前記した
ように、ヒートパイプの冷却温度が−15℃におい
て、それ以上の有効応力を、盛土することなく、
発揮し得て、強大な改良効果を得ることができる
ものである。 「発明の効果」 以上説明したように本発明の軟弱粘性土地盤の
改良工法は、 (イ) 軟弱粘性土地盤内に、上部を突出した状態で
ヒートパイプを構成する気密容器を鉛直に埋設
する工程と、 (ロ) 前記気密容器上部を寒気により冷却し、気密
容器内の作動流体を凝縮させて、液化した作動
流体を重力により落下させ、この時運ばれた冷
熱により気密容器周囲の軟弱粘性土を凍結させ
て気密容器の周囲に凍土を形成する工程と、 (ハ) この凍土を解凍させて、アイスレンズ部の水
がヒートパイプ添いに排出されることにより、
地盤を沈下させる工程とを具備し、ヒートパイ
プにより自然冷熱を地下に貯蔵し、そのとき発
生する凍上現象による吸水力と膨張に伴う圧力
で地盤を脱水、圧密することを特徴とするもの
であるから、次ぎのような種々の優れた効果を
奏する。 (1) サンドドレーンのような砂杭を打設し、そ
の上に盛土をして地盤を圧密する工程を省略
し得て、軟弱粘性土地盤を圧密させることが
でき、またその作業性を向上させることがで
きる。 (2) 地盤の改良効果も地盤の深度にかかわりな
く応力を増加することができる。
[Table] Copper or aluminum, which has good thermal conductivity, is used for the airtight container 1, but it can be arbitrarily selected depending on the usage conditions of the heat pipe (temperature, surrounding corrosion conditions, etc.). The working fluid G is selected depending on the vapor pressure determined by the operating temperature of the heat pipe A and the compatibility of the airtight container 1. Next, heat pipe A configured as described above
The soil improvement method of the present invention for improving the soft and viscous ground 10 using the following will be described. Figures 2A to 2D are side sectional views showing the process of improving soft and sticky soil by the improved construction method of this embodiment, and reference numeral 10 in the figure indicates the soft and sticky land on which the improvement is being carried out. It is a board. The procedure for improving the soft and viscous land 10 is carried out through the following steps. (i) Installation of heat pipes As shown in Fig. 2A, heat pipes A are installed vertically at predetermined pitches at arbitrary positions on the damp, soft and viscous ground 10. The installation position of the heat pipe A in the soft and viscous ground 10 is not particularly limited, but may be based on the temperature of the area where the heat pipe A is installed, the freezing expansion pressure of the ground,
It is preferable that the heat pipes A be arranged at appropriate intervals so that a predetermined pressure is generated, taking water absorption power into consideration. (ii) Construction of frozen soil When the heat pipe A is buried in this way and the upper part of the airtight container 1 is cooled, for example by cold air in winter, the working fluid G in the airtight container 1 condenses and becomes a liquid. , it falls along the pipe wall of the airtight container 1 due to gravity. As a result, cold heat is carried to the lower part, and this carried cold heat causes
When the soft and viscous ground 10 surrounding the airtight container 1 is frozen, an ice layer S called an ice lens is deposited on the frozen surface concentrically with the heat pipe A, as shown in FIG. Frozen soil F is constructed (formed) around the container 1. Also, at this time, the soft and viscous land plate 10 facing the ground surface is
Separately from the heat pipe A, it is frozen by cold air on the ground surface, an ice lens layer S is precipitated, and frozen soil F is constructed. And when such frozen soil F is constructed,
That is, when the soft and slightly viscous ground 10 freezes, water absorption force and freezing expansion pressure are generated, and these pressures increase as effective stress for consolidating the ground 10 as shown in FIG. 3, consolidating the ground 10,
Furthermore, as the effective stress increases, the soft and viscous soil 10 is dehydrated, increasing its supporting capacity. The effective stress that consolidates the ground 10 is generated through the following process. That is, when the soft and viscous ground 10 freezes, an ice layer S called an ice lens is deposited on the frozen surface concentrically with the heat pipe A, as shown in FIGS. 2B and 2C. This is because a force (water absorption force) is generated that tries to draw water to the frozen surface. the result,
There, the water freezes and expands, creating freeze-expansion pressure. Then, due to such pressure, the soft and viscous ground 10 is dehydrated and consolidated, and the ground is improved. On the other hand, the working fluid G in the lower part of the airtight container 1 is heated there, as shown by arrow A in FIG. 1, and evaporation begins from the surface of the liquid. The generated steam moves upward due to the pressure difference with the upper part.
By repeating this process, heat transfer occurs automatically. Therefore, in the present invention, the construction of frozen soil F is carried out by burying the heat pipe A in the soft and viscous ground 1, so that construction of frozen soil F can be achieved more effectively than with so-called forced cooling using electric power. Ru. In other words, heat pipe A transports heat in the form of latent heat, so it can quickly transfer heat, has a uniform surface temperature, and has no moving parts, so it has advantages such as being maintenance-free. , construction of frozen soil F can be achieved at relatively low cost. In addition, in the present invention, the soft and viscous ground 10 is dehydrated and consolidated by constructing such frozen soil F, so that it is possible to dewater and consolidate the soft and viscous ground 10 without placing sand piles or embanking. It is possible to effectively exhibit the powerful improvement effect of. It should be noted that the heat transfer amount of the heat pipe A is inversely proportional to the thermal resistance between the cold source in the atmosphere and the ground, and is proportional to the temperature difference therebetween. The heat transport amount Q per heat pipe is given by the following equation. Q = (Ta - Tg) / (r 1 + r 2 + r 3 ) ... (1) where, Ta: Atmospheric temperature Tg: Ground temperature r 1 : Thermal resistance between the ground and heat pipe r 2 : Heat pipe Thermal resistance r3 : Thermal resistance of the fins Of the thermal resistance, r1 is determined by the thermal conductivity of the ground, frozen soil characteristics of the soil, and the shape of the heat pipe, and r3 is determined by the pitch and diameter of the fins. . (iii) Thawing of frozen soil Due to summer temperatures, frozen soil F thaws, following the sinking improved soil, the surrounding soft and cohesive soil sinks, and as shown in Figure 2 D, the frozen soil F thaws. From the position shown by the two-dot chain line, the entire ground sinks by the amount of consolidation in step (ii) above. At this time, the water generated by the thawing of the frozen soil F (that is, the water generated by the thawing of the ice lens) is transferred to the ground 1.
Due to the subsidence of 0 (due to the weight of the improved ground 10), as the frozen soil F thaws, water is drained to the ground surface along the gap between the thawed ice lens layers S. In addition, if the water drained by the thawing of the frozen soil F is drained by using an appropriate drainage means (for example, laying a drainage ditch on the ground), it is possible to drain the water to the improved ground 10. This is preferable in terms of preventing penetration. Then, as shown in FIG. 2D, after the ground 10 has subsided, the heat pipe A is removed, and the improvement of the ground 10 is completed. Hereinafter, the present invention will be specifically explained with reference to experimental examples. ``Experiment example'' (1) Selected heat pipes In order to select economical heat pipes that transport a large amount of heat, we selected four types of heat pipes, which will be described later, and buried them on site. The container is made of copper, and the working fluid is Freon-22. The single-tube type has a heat pipe placed inside a copper tube filled with antifreeze. This is because the surface area of a single tube is small, so it is hoped that heat transfer by antifreeze convection will increase the amount of heat transport. The loop type has a large surface area and requires less processing time for the heat pipe. There were two types of this type: one with grooves on the inside of the heat pipe and one without grooves. The double loop type is a double loop type heat pipe without grooves. In addition, the joint portion of each of the heat pipe tubes was made with adhesive containing aluminum powder to improve heat conduction. (2) Buried location As shown in Figures 4 and 5, observation room R
The four types of heat pipes A 1 , A 2 , A 3 , and A 4 were buried in two rows at positions spaced apart from each other by a certain distance. The growth status of frozen soil is determined by each heat pipe A 1 , A 2 ,
Measurement tube buried 50cm away from A 3 and A 4
Using thermocouples in B 1 , B 2 , B 3 , and B 4 , changes in soil temperature over time were measured at multiple measurement points O of each heat pipe (heat pipe A 1 in the illustrated example), and based on this, inferences were made. . (3) Experimental results Figures 6 a and b show the freezing index and atmospheric temperature changes over time since December 1, 1984, and Figure 7 a
and b, and 8th a and b show the temperature change over time at a point at a depth of −2 m for the grooved heat pipe and the double loop type, and in the soil (depth −2 m) 50 cm away from the heat pipe. In double-loop heat pipes, the depth -
It is thought that frozen soil with a diameter of about 20 cm was formed at the 2 m point, but since the temperature in the loop is above and below the zero degree line, it is thought that almost no frozen soil was formed. Next, a description will be given of how to design the effective stress and the like when the soft and viscous ground 1 freezes. "Design method" When saturated soil freezes, the expansion rate due to freezing ξ,
The water absorption rate ξw is given by the following equation as a relationship between the advancing speed V of the frozen surface and the effective stress σ' on the frozen surface. ξ=ξo+(1+√)σo/σ'...(2) ξ=ξo+n f Γ+(1+Γ)ξw...(3) Here, ξo, σo, and Vo are constants unique to the soil, and n f is the interpolation rate. , Γ is the freezing expansion coefficient of water. Heat transfer within frozen soil and unfrozen soil is considered to be a cylindrical model, so each can be determined as follows. Heat transfer in frozen soil ∂Tf/∂t=κ 1 (∂ 2 Tf/∂r 2 +1/r∂Tf/∂r) ...(4) Heat transfer in unfrozen soil ∂Tu/∂t=κ 2 ( ∂ 2 Tu/∂r 2 +1/r∂Tf/∂r) ...(5) Moisture movement in unfrozen soil ∂TU/∂t=Cv(∂ 2 Uw/∂r 2 +1/r∂Uw/∂r ) ...(6) Here, Tf and Tu are the temperatures of frozen soil and unfrozen soil,
Uw is the water pressure, κ 1 and κ 2 are the temperature conductivity of frozen soil and unfrozen soil, Cv is the consolidation coefficient, t is time, and r is the coordinate representing the position. Furthermore, the following equation must hold true at the boundary between frozen soil and unfrozen soil. λ 1 ∂Tf/∂r−λ 2 ∂Tu/∂r = LsγsV+LwγwVw ...(7) Here, λ 1 and λ 2 are the thermal conductivities of frozen soil and unfrozen soil, and Ls and Lw are the latent heat of freezing of the ground and water. , γs, γw
is the ground and water density, V and Vw are the freezing rate and water absorption rate. The water absorption rate Vw on the frozen surface is given by the following equation according to Darcy's law. Vw=k/γw∂Uw/∂r...(8) The following relationship holds true. Also, from equations (2) and (3), the water absorption rate is Vw = (V+√)σ 0 /{(σ−Uwo
−S f )(1+Γ)}−Vn f Γ/(1+Γ)……(9). Therefore, the stress increment on the frozen surface due to forced displacement obtained by calculating the water absorption force Sf from equations (8) and (9) and subtracting the resulting dehydration consolidation amount is the increment in the freezing expansion pressure. Furthermore, based on the boundary conditions of equations (1) and (7), equations (4) to (6) are solved to obtain the temperature distribution, water pressure distribution, and effective stress distribution. Figures 9a and b show that the temperature inside the heat pipe is -
An example of boundary force and freezing expansion pressure at constant temperatures of 15°C and -30°C is shown. At a point 15cm away from the heat pipe when the cooling temperature is -15℃, the water absorption power is approximately 0.7Kgf/cm 2 and the freezing expansion pressure is approximately 2.0Kgf/cm 2 , so the effective stress is approximately 2.7Kgf/cm 2 has occurred. This is 15~
This shows that the improvement effect is as strong as that of a 20m embankment. In addition, normally, with conventional preload construction methods,
For example, a soft and viscous ground is consolidated by embankment of about 5 m, but in the present invention, as mentioned above, when the cooling temperature of the heat pipe is -15°C, an effective stress of more than that is applied to the embankment. without any
It is something that can be demonstrated and a great improvement effect can be obtained. "Effects of the Invention" As explained above, the method for improving soft and viscous soil of the present invention is as follows: (a) An airtight container constituting a heat pipe is buried vertically in a soft and viscous soil with its upper part protruding. (b) The upper part of the airtight container is cooled with cold air, the working fluid in the airtight container is condensed, and the liquefied working fluid is caused to fall by gravity, and the cold heat carried at this time causes the soft and weak viscosity around the airtight container to soften. A process of freezing the soil to form frozen soil around the airtight container, and (c) thawing this frozen soil and draining the water from the ice lens along the heat pipe.
It is characterized by the process of sinking the ground, storing natural cold energy underground using heat pipes, and dewatering and consolidating the ground using the water absorption power caused by the frost heaving phenomenon that occurs at that time and the pressure caused by expansion. As a result, various excellent effects are achieved, including the following. (1) It is possible to omit the process of driving sand piles such as sand drains and placing embankment on top of them to consolidate the ground, making it possible to consolidate soft and viscous soil, and improving work efficiency. can be done. (2) The effect of soil improvement can also increase stress regardless of the depth of the soil.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の工法に使用されるのヒートパ
イプの一例を示す側断面図、第2図イないしニは
本発明工法の一実施例の工程を説明するために示
したもので、それぞれ側断面図、第3図は吸水力
および凍結膨張圧力の経時変化の模式図、第4図
および第5図は実験例を説明するために示したも
ので、第4図は平面図、第5図は側断面図、第6
図aおよびbは、凍結指数と大気温度の経時変化
を示すグラフ、第7図aおよびbは溝付きヒート
パイプの深度−2mにおけるヒートパイプと土中
温度の経時変化を示すグラフ、第8図aおよびb
はダブルループ型ヒートパイプの深度−2mにお
けるヒートパイプと土中温度の経時変化を示すグ
ラフ、第9図aおよびbは冷却温度による吸水力
および凍結膨張圧力への影響を示すグラフであ
る。 A……ヒートパイプ、1……気密容器、3……
受放熱用フイン、10……軟弱粘性土地盤、G…
…作動流体、F……凍土、S……アイスレンズの
層。
Fig. 1 is a side sectional view showing an example of a heat pipe used in the construction method of the present invention, and Fig. 2 A to D are shown to explain the steps of an embodiment of the construction method of the present invention. 3 is a schematic diagram of changes in water absorption force and freezing expansion pressure over time. 4 and 5 are shown to explain experimental examples. 4 is a plan view, and 5 is a side sectional view. The figure is a side sectional view, No. 6
Figures a and b are graphs showing changes in freezing index and atmospheric temperature over time; Figures 7 a and b are graphs showing changes in heat pipe and soil temperature over time at a depth of -2 m for the grooved heat pipe; Figure 8 a and b
9 is a graph showing the change over time in the heat pipe and soil temperature at a depth of -2 m in a double-loop heat pipe, and FIGS. 9a and 9b are graphs showing the influence of cooling temperature on water absorption and freezing expansion pressure. A... Heat pipe, 1... Airtight container, 3...
Heat receiving and dissipating fins, 10...Soft viscous land plate, G...
...Working fluid, F...Frozen soil, S...Ice lens layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 気密容器の内部に作動流体を充填してなるヒ
ートパイプにより軟弱粘性土地盤を凍結させ、該
地盤の凍結時に生じる吸水力および凍結膨張圧力
で軟弱粘性土地盤を脱水、圧密する工法であつ
て、 (イ) 軟弱粘性土地盤内に、上部を突出した状態で
前記気密容器を鉛直に埋設する工程と、 (ロ) 前記気密容器の上部を寒気により冷却し、気
密容器内の作動流体を凝縮させて、液化した作
動流体を重力により落下させ、この時運ばれた
冷熱により気密容器周囲の軟弱粘性土地盤を凍
結させて気密容器の周囲に凍土を形成する工程
と、 (ハ) この凍土を解凍させて地盤を沈下させる工程
とを具備したヒートパイプによる軟弱粘性土地
盤の改良工法。
[Claims] 1. Freezing a soft, slightly viscous ground using a heat pipe formed by filling a working fluid inside an airtight container, and dewatering the soft, slightly viscous ground using the water absorption force and freezing expansion pressure generated when the ground freezes. It is a consolidation method that includes (a) burying the airtight container vertically in soft and cohesive soil with the upper part protruding, and (b) cooling the upper part of the airtight container with cold air to form an airtight container. A process of condensing the working fluid in the airtight container, causing the liquefied working fluid to fall by gravity, and freezing the soft and slightly viscous ground around the airtight container by the cold heat carried at this time to form frozen soil around the airtight container; (c) A method for improving soft and viscous soil using heat pipes, which includes the process of thawing this frozen soil and causing the ground to sink.
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