JP2008025330A - 遮水壁の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
地盤中での溝壁の崩壊を防ぎつつ掘削を行い、周辺の地盤と同程度の強度、低ヤング率等の特性を持ち、地震の震動荷重によりクラックが入らず、しかも止水性の良好な遮水壁を構築する。
【解決手段】
地盤中に遮水壁を構築する方法であって、次の段階（１）（２）を含むものとする。 （１）掘削機１から気泡を吐出し、気泡と掘削土との混合体からなる気泡安定液の存在下に掘削する。 （２）気泡安定液に粘土鉱物と水硬性固化材を混合し、遮水壁を構築する。
【選択図】図７

Description

本発明は地盤中に構築する遮水壁の構築法に関し、さらに詳しくは溝壁の崩壊を防ぎつつ地盤の掘削を行い、地震動等の外力による破壊を防ぐために遮水壁の物性を周辺の地盤と同程度とし、かつ遮水性を持たせることのできる、新しい遮水壁の構築方法に関するものである。

近年、人体に有害な重金属で汚染された工場跡地や産業廃棄物埋立管理場より汚染物質が地下水の移動に伴い流出し、周辺の地盤への汚染の拡大が問題となっている。

周辺地盤への汚染物質の拡大を防止する取組として、汚染物質の除去あるいは無害化処理が行われているが、汚染物質を除去すると新たな管理場所の汚染を引き起こす可能性があり、無害化処理は非常に高価である等の問題点がある。そのため汚染区域が広い場合や汚染土量が多い場合等においては周辺への汚染防止策として汚染区域の周辺に遮水壁を構築し、地下水の移動を防止することが合理的であることから、より実際的で、経済的な遮水壁の構築工法が求められている。

従来、地下に遮水壁を構築するためには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、先端に掘削・混合装置を備えた掘削装置を用い、それらの装置の先端部より粘土鉱物系懸濁液を吐出し、掘削土と混合・攪拌・掘削を行い、次に掘削土と粘土系懸濁液の混合体に各種の固化材を添加し固化させて地中遮水壁を構築している。

しかしながら、従来の工法によると、溝壁の掘削中に粘土系懸濁液を含んだ排泥が大量に排出し、さらに各種の固化材の添加により、さらに廃棄処分すべき廃棄汚泥が多くなる
という問題点がある。

一方、遮水壁に求められる特性は透水係数が小さくほとんど水を通さない性能と共に、地震動などの外力により遮水壁の一部にでもクラックが入らないことが必要である。

コンクリートは実質上不透水であるので、コンクリート遮水壁が挙げられるが、セメントは硬化時に収縮する性質があるので大面積のコンクリート遮水壁を構築すると、数メートルおきに微小なクラックが入り、不透水性が損なわれると共に高価であるので適していない。

掘削土とセメントを混合しソイルセメント遮水壁を構築する工法も知られているが、ソイルセメント遮水壁は周辺の地盤の強度よりかなり高く破壊時の歪みが小さいために、地震動による応力集中によりクラックが生じ遮水壁の効果が損なわれる。

掘削土に添加するセメント量を減少させ周辺の地盤強度と同等な強度を持つようにすると、掘削土とセメントの混合体よりなる遮水壁の透水係数は改善されないので、遮水壁の効果が期待できない。

そこで、低剛性の遮水壁を構築するために固化材を使用せずに粘土鉱物のみで遮水壁を構築する工法が提案されている（特許文献１参照）が、低強度であると地震動、土圧等による破断により機能が損なわれることが懸念される。
特開２００５−１６２９５号公報

本発明は、以上のとおりの背景から、従来技術の問題点を解消し、地盤中での溝壁の崩壊を防ぎつつ掘削を行い、周辺の地盤と同程度の強度、低ヤング率等の特性を持ち、地震の震動荷重によるクラックが入りにくく、しかも止水性の良い遮水壁を合理的に施行することのできる新しい方法を提供することを課題としている。

本発明の遮水壁の構築方法は以下のことを特徴としている。

第１：地盤中に遮水壁を構築する方法であって、次の段階（１）（２）を含む。

（１）掘削機から気泡を吐出し、気泡と掘削土との混合体からなる気泡安定液の存在下に掘削する。

（２）気泡安定液に粘土鉱物と水硬性固化材を混合し、遮水壁を構築する。

第２：段階（１）において、粒径５００μｍ以下の気泡の体積比を掘削体積の１０〜６０％の範囲内とする。

第３：段階（２）において、粘土鉱物を火山性粘性土とし、水硬性固化材を、セメント、石膏およびスラグのうちの少なくとも１種とする。

第４：段階（２）において、粘土鉱物と水硬性固化剤の合計量の気泡安定液に対する重量比（ｘ）を、１．０〜２．０の範囲内とする。

第５：段階（２）において、粘土鉱物の水硬性固化材に対する重量比（ｙ）を、２．０〜７．０の範囲内とする。

上記のとおりの第１の本発明によれば、地盤中での溝壁の崩壊を防ぎつつ掘削を行い、周辺の地盤と同程度の強度、低ヤング率等の特性を持ち、地震の震動荷重によりクラックが入りにくく、しかも止水性の良好な遮水壁を構築することが可能となる。

また、第２から第５の発明によれば、上記のとおりの効果が、より円滑、かつ確実に、安定して実現することができ、実際的にも合理的な遮水壁の構築が可能となる。

本発明の方法においては、上記の段階（１）（２）を必須としているが、段階（１）では、各種の掘削機を用いて地盤を掘削する際に、掘削機の先端部分より気泡を吐出させ、掘削土と気泡とが混合した状態において掘削する。掘削土と気泡との混合状態では、気泡に随伴する水分と周囲の地盤からの間隙水も混合される。本発明では、この状態を「気泡安定液」と呼ぶ。掘削は、この気泡安定液の存在下で行われることになる。

掘削面の崩壊を防ぐためには、泥水が掘削溝から漏水しないように掘削面を不透水性にし、安定液の液圧が溝壁に加わるようにする必要があり、この気泡安定液を使用すると、気泡粒が地山の土粒子と土粒子の間に入り込み、ある厚さを持った不透水性の止水層を構成し、安定液の泥圧が溝壁に加わり、溝壁の崩壊を防ぎ安定を保つことができる。また、流動性の向上は、気泡が球形であるため、土粒子等の非球形粒子間に生じる摩擦の軽減（キャリア効果、ベアリング効果）によるものと言える。また、気泡が混入した建設発生土は、処理・処分が比較的簡単であることも気泡安定液の大きな特徴である。

掘削機の先端部から吐出させる気泡については、界面活性剤等からなる、市販品をはじめとする各種の気泡剤を水で希釈し、これを泡立てることにより生成させ、この泡立てた状態のものとして吐出させることができる。

段階（１）においては、気泡の粒径を５００μｍ以下とすることが好ましい。これは５００μｍを超える場合には、掘削土との混合を均一にすることが難しくなり、気泡安定液を形成することが困難になり、所要の効果を実現することが難しくなるからである。

また、気泡安定液は、
i）溝壁の安定性が保てること（単位体積重量が１０．３ＫＮ／ｍ^３以上）、
ii）気泡安定液が安定した状態にあること（土、水、気泡の分離のないこと、消泡が生じないこと）、
iii）施工上の流動性が保てること（TF値が１５０ｍｍ以上）、
iv）溝壁の止水性が良いこと（実験では気泡添加率Ｑ＞１）、
を考慮して、これらをすべて満足するような気泡の体積比を選択することができる。土により異なるが、一般的には、気泡の体積比を掘削土体積の１０〜６０％の範囲内とすることが好ましく、この範囲内において特定の土において実施を試み、適宜設定することがさらに好ましい。したがって、選択範囲が１０〜６０％よりも狭い範囲内となることもあるが、１０％未満、あるいは６０％を超えるような場合には、上記（１）〜（４）の気泡の混入による効果を得ることが困難となる。

そして、本発明の遮水壁構築方法における段階（２）では、上記の気泡安定液に対して、粘土鉱物と水硬性固化材とを混合し、これによって遮水壁を構築することを特徴としている。

その場合の粘土鉱物としては各種のものであってよいが、たとえば、より好適には火山性粘性土のうちの少なくとも１種のものの使用が考慮される。また、水硬性固化材としては、セメント、石膏およびスラグのうちの１種以上のものを用いることが考慮される。たとえば、代表的なものとしては、ベントナイトとセメントとの組み合わせが考慮される。

本発明の段階（２）の遮水壁の構築では、遮水性については、低コストで確実な地中遮水壁とすることが図られる。より具体的には、旧総理府・旧厚生省令による「厚さ５０ｃｍ以上、透水係数ｋが１０^-6ｃｍ／ｓ以下である連続壁が不透水性地層まで設けられていること」という条件を満たすようにする。

また、強度に関しては、周辺地盤を保持するとともに、且つ周辺地盤に悪影響を及ぼさない安定した遮水壁であることが必要である。たとえば、周辺地盤が持つ強度と同等の値として、Ｎ値と一軸圧縮厚さｑ_uの関係をもとにｑ_u＝１００ｋＮ／ｍ²を目標値とする。同時に、地震力等による外力が遮水壁に及ぼす影響を考慮して、応力−ひずみ曲線から決まる変形係数、つまりヤング係数については極力小さな値を有する性能を目標とした。

つまり、遮水壁の強度、ヤング係数が周囲の地盤とほぼ同様のレベルにあるようにする。このことは本発明の重要な観点であり、かつ効果でもある。

これらのことをより確実に、安定して実現するためには、本発明の方法での段階（２）においては、粘土鉱物と水硬性固化剤の合計量の気泡安定液に対する重量比（ｘ）を、１．０〜２．０の範囲、また粘土鉱物の水硬性固化材に対する重量比（ｙ）を、２．０〜７．０の範囲内とすることが好適に考慮される。

さらには、上記のｘおよびｙについて、ｙ／ｘ＝２〜４、より好ましくは２．６〜３．２の範囲内となるようにすることが推奨される。

上記のｘおよびｙ、そしてｙ／ｘの値については本発明において、詳細な実験検証の結果から導かれている。

そこで以下に、この検証結果等について説明する。もちろん、本発明は以下の説明により限定されることはない。
＜気泡安定液＞
気泡安定液は土粒子、間隙水、そして気泡の混合体である。従って、その振る舞いは単位体積重量γ、含水比ｗ、ＴＦ値、そして気泡添加率Ｑによって左右される。なお、気泡添加率Ｑは次式により定義される。なお、ＴＦ値は気泡安定液の流動性を現す指数で、大きいほど流動性が大きい。

気泡安定液を使用して掘削する場合の、安定して掘削をするための気泡安定液の管理図を図１に示す。

図１において、縦軸はＴＦ値、横軸は単位体積重量γを示す。また図１中のｗは含水比を、Ｑは気泡添加率を示す。図１は各種の土について含水比ｗと気泡添加率ＱをパラメーターとしてTF値と単位体積重量γの関係をあらわし、掘削時の安定性を表す範囲を表示している。

上述のように、気泡安定液は、
i）溝壁の安定性が保てること（単位体積重量が１０．３ＫＮ／ｍ^３以上）、
ii）気泡安定液が安定した状態にあること（土、水、気泡の分離のないこと、消泡が生じないこと）、
iii）施工上の流動性が保てること（TF値が１５０ｍｍ以上）、
iv）溝壁の止水性が良いこと（実験では気泡添加率Ｑ＞１）、
を考慮して、これらをすべて満足するような気泡の体積比を選択することができ、図１における○１の範囲内に気泡安定液を保ちながら掘削すると、i）〜iv）の効果を備えて安定した施工ができる。

この時の気泡安定液中の気泡の体積比を計算すると、図１を作製する際に用いた土では体積比１４〜５３％となる。ただし、土により差異がでるため、一般的には気泡安定液中の気泡の体積比を１０〜６０％として、実施を試み、適宜設定することが好ましい。

たとえば、本発明においては所要の効果を示す気泡安定液として、実験室での操作では、気泡剤を純水で２０倍に希釈し、さらにそれを泡立てて体積を２５倍にしたものと土砂とを気泡添加率Ｑ＝１％で混合したものとして調製される。このとき、含水比ｗは、１７．５％とする。これは、気泡安定液がその働きを満足できる値である。また、このとき、気泡安定液の単位体積重量はγ＝１４．６〔ｋＮ／ｍ²〕となる。

気泡剤については、たとえば、詳細は次表に示した「パリックＦＡ１００」を用いることができる。なお、実験室での土砂には、たとえば「豊浦標準砂」を用いる。

＜遮水壁形成材＞
上記の気泡安定液を用いて、本発明の遮水壁形成材について検証する。

粘土鉱物にはベントナイト（クニゲル−ＦＳ：クニミネ工業株式会社）、水硬性固化剤には高炉セメントＢを用いる。

遮水壁形成材（ＣＢ）は、セメント（Ｃ）、ベントナイト（Ｂ）および水（Ｗ）の混合材料である。このＣＢ材料を気泡安定液に加えることにより気泡安定液がその安定性能を保持する範囲であるＴＦ値２００〜２５０を逸脱しては、気泡安定液＋ＣＢ材の機能に及ぼす影響が懸念される。実験の結果、Ｂ：Ｗ＝２．７５：１０のときＴＦ値が２００〜２５０に収まることが確認された。そこで、セメントとベントナイトの混合比、Ｂ／Ｃ＝ｙ（ベントナイトセメント比）＝３，４，５，６と変化させる。

気泡安定液のＣＢ材料による固化遮水特性の実験結果をまとめたものを表２に、また、図２にｘ＝１．５のときの応力−ひずみ曲線、図３に一軸圧縮強さｑ_uとセメントベントナイト比ｙの関係図及び図４に透水係数ｋとベントナイトセメント比ｙの関係図を示す。

図２、３、４より、ＣＢ固化した気泡安定液の強度・変形特性・透水係数は、ＣＢ混合比（ｘ）とベントナイトセメント比（ｙ）に依存することがわかる。図３に示すように、ｘが大きくなると、ＣＢ材の量が増えて強度は増加する。また、図２に示すようにｙを大きくすると強度が低下し、同時に変形係数も小さくなり，塑性破壊を生じることがわかる。また、図4より透水係数ｋを１０^-6ｃｍ／ｓ以下とするにはｘを１以上にすればよいことがわかる。

以上の結果からは、ｑ_u＝１００ｋＮ／ｍ²程度でかつ変形係数Ｅ５０が小さく、ｋ＝１０^-6ｃｍ／ｓ以下を満足するような配合例としてｘ＝１．５、ｙ＝４があげられる。

次に、ＣＢ固化壁の地震動に対する安全性を評価するため、地震時応答解析ソフト（ＰＬＡＸＩＳ）を用いた解析を行う。想定地盤の地層構成から判断し、図４のようにモデル化した。図４は、最大応答加速度発生時における地盤の変形挙動解析結果の一部である。なお、表２の（Ａｉｒ＋ＣＢ）混合供試体の変形係数Ｅ₅₀を解析に用いるＣＢ固化壁のヤング係数Ｅ_CBとして採用した。

Ｅ₅₀に対応する一軸圧縮強さｑ_Uに対する地震応答解析で得られたＣＢ固化壁要素の最大主応力差ｑ_maxに対する比を用いて安全率αを定義し、Ｅ_CBに対して整理したものを図５に示した。これより、ｘ＝１．５、ｙ＝４のとき地震動に対して最も安全であることがわかる。
＜遮水壁の施工＞
気泡安定液を実際の施工では、例えばＴＲＤ工法（Trench cutting & Remixing deep wall method）を用いることができる。ＴＲＤ工法では、安全性が高く、高精度であるため好適に用いることができる。その他の工法としては、ＳＭＷ(Soil Mixing Wall)等も用いることができる。図６は、ＴＲＤ工法の施工概要図である。

施工は、例えば、以下のような手順で行うことができる（図６参照）。
［１］掘削機１のチェーンソー状のカッター２を所定の深さまで挿入し、ここでカッター２はチェーンソーのように回転し、土を掘削すると共に混合する。
［２］カッター２を回転させながら横方向に移動させ、溝状に掘削をする。この時、カッターの先端部（最も深いところ）から気泡と水を注入する。掘削した土と気泡、水は混合しこれが気泡安定液となって、溝壁の崩壊を防ぐと共に、掘削土の流動性をよくする。
［３］所定の溝長（例えば５ｍ）を掘削すると，土と気泡と水の攪拌を良くするために、再攪拌をする。
［４］固化材をカッター２先端部より注入し，気泡安定液を固化させる。
［５］固化処理が終了すると、［２］〜［４］を繰り返す。

含水比ｗと気泡添加率ＱをパラメーターとしてTF値と単位体積重量γの関係をあらわし、掘削時の安定性を表す範囲を示した図である。 応力−ひずみ曲線（ｘ＝１．５）を例示した図である。 一軸圧縮強さｑ_uとセメントベントナイト比ｙとの関係を例示した図である。 透水係数ｋとセメントベントナイト比ｙの関係図である。 地盤変形の様子を示したモデル図である。 ＣＢ固化壁のヤング係数と安全率との関係を例示した図である。 ＴＲＤ工法の施工概要図である。

符号の説明

１ ＴＲＤ掘削機
２ カッター

Claims (5)

1. 地盤中に遮水壁を構築する方法であって、次の段階（１）（２）を含むことを特徴とする遮水壁の構築方法。
   （１）掘削機から気泡を吐出し、気泡と掘削土との混合体からなる気泡安定液の存在下に掘削する。
   （２）気泡安定液に粘土鉱物と水硬性固化材を混合し、遮水壁を構築する。
2. 段階（１）において、粒径５００μｍ以下の気泡の体積比を掘削体積の１０〜６０％の範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の遮水壁の構築方法。
3. 段階（２）において、粘土鉱物を火山性粘性土とし、水硬性固化材を、セメント、石膏およびスラグのうちの少なくとも１種とすることを特徴とする請求項１または２に記載の遮水壁の構築方法。
4. 段階（２）において、粘土鉱物と水硬性固化剤の合計量の気泡安定液に対する重量比（ｘ）を、１．０〜２．０の範囲内とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の遮水壁の構築方法。
5. 段階（２）において、粘土鉱物の水硬性固化材に対する重量比（ｙ）を、２．０〜７．０の範囲内とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の遮水壁の構築方法。