JP7701824B2

JP7701824B2 - 再生砂、地盤改良方法及び地盤構造

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Publication number: JP7701824B2
Application number: JP2021120883A
Authority: JP
Inventors: 寿博宮谷; 勇治関
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2025-07-02
Anticipated expiration: 2041-07-21
Also published as: JP2023016516A

Description

本発明は、サンドマット工法においてサンドマットを形成するための再生砂、並びにその再生砂を利用した地盤改良方法及び地盤構造に関する。

サンドマット工法とは、軟弱地盤上に盛土等の土構造物を施工する場合に適用される工法であり、軟弱地盤上に砂を敷設してサンドマットを形成することで、軟弱層の圧密のための上部排水の促進や施工機械のトラフィカビリティーの確保を図るための工法である。このようなサンドマット工法においてサンドマットを形成するための砂としては、従来一般的に海砂や川砂等の天然砂が多く使用されているが（例えば特許文献１）、環境負荷低減の観点より再生砂の利用が望ましい。

再生砂としては、高炉水砕スラグ、コンクリート塊由来再生砂、建設残土由来再生砂、レンガ等由来再生砂、砕砂（天然の岩石を人工的に小さく砕きできた砂）等が知られているが、それぞれ以下のような問題がある。
＜高炉水砕スラグ＞
ｐＨ値が１１以上とアルカリ性が高く植物生育に悪影響を及ぼす。また、未反応のＣａＯ成分が多いため、敷設施工後に固化が発生し透水性が低下する。
＜コンクリート塊由来再生砂＞
鉄鋼スラグ／高炉水砕スラグと同様に、ｐＨ値が１１以上とアルカリ性が高く植物生育に悪影響を及ぼす。また、未反応のセメント分が多いため、敷設施工後に固化が発生し透水性が低下する。
＜建設残土由来再生砂＞
建設残土発生土壌により品質（水締めＣＢＲ値、透水性、粒度分布）の変動が大きく、安定した品質の確保が難しい。
＜レンガ等由来再生砂＞
原料種類により品質（水締めＣＢＲ値、透水性、粒度分布）の変動が大きく、安定した品質の確保が難しい。
＜砕砂＞（天然の岩石を人工的に小さく砕き出来た砂）
透水性は良好であるが、岩石産によりその他の品質（水締めＣＢＲ値、粒度分布）に変動が生じる。

このように従来知られている再生砂では、サンドマット工法においてサンドマットを形成するための砂に求められる品質（水締めＣＢＲ値、透水性、粒度分布）を安定的に確保することができない。

特開２００８－２９７７０８号公報

本発明が解決しようとする課題は、サンドマット工法においてサンドマットを形成するための砂に求められる品質（水締めＣＢＲ値、透水性、粒度分布）を安定的に確保することのできる再生砂、並びにその再生砂を利用した地盤改良方法及び地盤構造を提供することにある。

本発明の一観点によれば、次の再生砂が提供される
サンドマット工法においてサンドマットを形成するための再生砂であって、
副資材としてコークス及び石灰石を添加する廃棄物溶融炉にて一般廃棄物及び産業廃棄物を１２００℃以上の高温で溶融処理し発生する溶融物を水で急速粉砕し、磁選で金属鉄分を除き、機械的な粉砕処理又は磨砕処理を行うことにより得られ、
平均粒径が０．６～０．８ｍｍであり、かつ、５ｍｍ以下が１００質量％、２．５ｍｍ以下が９８～９９質量％、２．５ｍｍ超５ｍｍ以下が１～２質量％、０．０７５ｍｍ以下が２～４．５質量％の粒度分布を有し、
水締めＣＢＲ値が１０％以上、透水係数が１０^－４ｍ／ｓ台（１×１０ ^－４ｍ／ｓ以上１×１０ ^－３ｍ／ｓ未満）の品質を有する、再生砂。

本発明の他の観点によれば、軟弱地盤上に上記本発明の再生砂を現場ＣＢＲ値が７～１０％となるように敷設してサンドマットを形成する工程を含む地盤改良方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によれば、軟弱地盤上に上記本発明の再生砂よりなるサンドマットが形成され、現場ＣＢＲ値が７～１０％である地盤構造が提供される。

ここで、本発明における「軟弱地盤」とは、定性的には、やわらかい粘土やゆるい砂からなり、土の強度が弱く、耐久性・圧縮性が高い地盤をいい、定量的にはＮ値が５未満の地盤をいう。Ｎ値とは、土の締まり具合や強度を求める基準となる数値で標準貫入試験により求めるものである。標準貫入試験は、測定用鉄棒器具の先端に取り付けた錘を所定の高さから自由落下させる試験で、土中に器具を３０ｃｍ導入させるまでの打撃回数がＮ値である。すなわち、Ｎ値が高いほど、土の締まりがあって重い建物に耐えられる地盤であることを意味し、Ｎ値５以上で一般住宅の建築が可能な場合が多いとされている。

本発明によれば、サンドマット工法においてサンドマットを形成するための砂に求められる品質（水締めＣＢＲ値、透水性、粒度分布）を安定的に確保することのできる再生砂、並びにその再生砂を利用した地盤改良方法及び地盤構造を提供することができる。

本発明の一実施形態である地盤構造の概念的な断面図。本発明の他の実施形態である地盤構造の概念的な断面図。

まず、本発明の再生砂について説明する。本発明の再生砂は、副資材としてコークス及び石灰石を添加する廃棄物溶融炉（以下「コークスベッド式廃棄物溶融炉」という。）にて一般廃棄物及び産業廃棄物を１２００℃以上の高温で溶融処理し発生する溶融物を水で急速粉砕し、磁選で金属鉄分を除き、機械的な粉砕処理又は磨砕処理を行うことにより得られるものである。

ここで、本発明における「一般廃棄物」は家庭廃棄物と事業系一般廃棄物（事業活動で発生した産業廃棄物以外のもの）をいい、「産業廃棄物」は自治体が条例で定めた条例産業廃棄物（「指定産業廃棄物」とも呼ばれ、例として下水処理施設の脱水汚泥が挙げられる。）をいう。そして、これら一般廃棄物及び産業廃棄物は一般廃棄物処理施設で処理可能であり、上述のコークスベッド式廃棄物溶融炉も一般廃棄物処理施設に含まれる。なお、以下の説明では一般廃棄物及び産業廃棄物を総称して「廃棄物」という。

コークスベッド式廃棄物溶融炉では、廃棄物投入時に副資材としてコークス及び石灰石を添加するところ、副資材として添加するコークス及び石灰石によって以下の効果が得られる。
すなわち、副資材としてコークスを添加することで以下の効果が得られる。
（１）炉下部の雰囲気温度が１７００～１８００℃の高温状態となり、この高温状態で廃棄物が完全溶融することで、廃棄物中の灰分が完全溶融する（未溶融分がなくなる。）。
（２）炉内雰囲気が高温還元雰囲気（酸素がない高温雰囲気）となり、その作用で廃棄物中の重金属等の有害物質がガス系に移行し、溶融物中の有害物質の含有量が低く抑えられる。そのため、天然砂と同程度の安全性が得られる。
また、副資材として石灰石を添加することで以下の効果が得られる。
（３）廃棄物の種類に応じて石灰石の添加割合を調整することで、溶融物の主成分（ケイ酸分／ＳｉＯ_２、石灰分／ＣａＯ）濃度が年間を通じて安定する。
（４）溶融物の主成分濃度の安定化と高温溶融により、水で急速粉砕する際にスラグ分と金属鉄分の分離性が進み、後段の磁選処理での分離性が向上する。そのため、得られた再生砂中の金属鉄分の含有量が非常に少なくなる。
（５）溶融物の主成分濃度が年間を通じて安定することで、得られた再生砂の品質（水締めＣＢＲ値、透水性、粒度分布）も年間を通じて安定する。また、粒度分布が安定することで締固め性能が向上する。

表１に、実際にコークスベッド式廃棄物溶融炉から得られた再生砂の主成分、ｐＨ値、粒度分布、設計ＣＢＲ値、水締めＣＢＲ値及び透水係数を測定した結果を示している。ここで、主成分、ｐＨ値及び粒度分布は、３施設のコークスベッド式廃棄物溶融炉から得られた再生砂の年間測定結果（平均値）をまとめたものである。また、設計ＣＢＲ値、水締めＣＢＲ値及び透水係数は、複数のコークスベッド式廃棄物溶融炉から得られた再生砂についての測定結果をまとめたものである。

表１中、「粒度分布」に示す寸法はＪＩＳＺ８８０１－１に規定するふるいの公称目開きで規定するふるい目寸法を示し、質量％はふるいを通過した質量割合を示す。また、「平均」（平均粒径）とは、横軸にふるい目寸法、縦軸にふるいにかけた骨材質量に対してふるいを通過した骨材質量を示す骨材質量百分率とするグラフで描かれる粒度曲線において、積算質量が５０％となる粒子径のことをいう。なお、粒度（粒径）については、ＪＩＳＡ５０３１：２０１６（一般廃棄物、下水汚泥又はそれらの焼却灰を溶融固化したコンクリート用溶融スラグ骨材）の「５．４．２溶融スラグ細骨材の粒度及び粗粒率」に溶融スラグの粒度（粒径）が規定されている。

一方、設計ＣＢＲ値については、ＪＩＳＡ１２１１（ＣＢＲ試験方法）で試験方法が定められており、載荷装置、荷重計、貫入ピストン、貫入量測定装置からなるＣＢＲ試験器を用い貫入試験を実施し、直径５ｃｍのピストンを１ｍｍ／ｍｉｎで貫入させながら、貫入量２．５ｍｍ及び５．０ｍｍにおける荷重を読み取りＣＢＲ値（設計ＣＢＲ値）を求める。また、水締めＣＢＲ値についてもＪＩＳＡ１２１１（ＣＢＲ試験方法）を準用するが、水締めＣＢＲ試験ではランマーで締固めをせず、試料を水につけモールド内に試料と一緒に投下し、ジギング後５ｋｇの穴あき加重盤を乗せて１５分静置後貫入しＣＢＲ値を求める。一方、透水係数については、ＪＩＳＡ１２１８（土の透水試験方法）で試験方法が定められており、供試体を円筒にセットし、水浸して真空脱気を行い飽和状態とし、定水位法（水位差一定で、土試料通過水量測定）を採用し、透水性を求める。

表１に示しているように、主成分のばらつきは年間平均値±２質量％程度、ｐＨ値のばらつきは年間平均値±０．５程度、粒度分布のばらつき年間平均値±１質量％程度で、いずれも年間を通じて安定していることがわかる。

ここで、サンドマット工法においてサンドマットを形成するための砂に求められる品質基準は、一般的に下記のとおりである。
・水締めＣＢＲ値：２％以上
・透水係数：１０^－４ｍ／ｓ台
・粒度分布：砂状（５ｍｍ以下）
このうち、水締めＣＢＲ値については表１に示すように１０％以上であり、品質基準（２％以上）を大きく上回っている。そのため従来、現場ＣＢＲ値が７～１０％となるように天然砂を敷設してサンドマットを形成する場合、サンドマット厚みは１００ｃｍ程度が目安であったが、本発明の再生砂を使用する場合、サンドマット厚みは４０ｃｍ程度、余裕をみても５０ｃｍ程度となり、サンドマット施工工程の短縮が可能となり、施工費用低減に繋がる。なお、現場ＣＢＲ値が７～１０％とは、表層部を人や軽車両が通過する条件である。また、現場ＣＢＲ値は、ＪＩＳＡ１２２２（現場ＣＢＲ試験方法）に基づき測定する。

上述のとおり、本発明の再生砂は水締めＣＢＲ値が１０％以上の品質を有する。水締めＣＢＲ値の上限は特に限定されないが、過去の実績値としては１８％程度が最大値である。

一方、透水係数については表１に示しているように、品質基準の１０^－４ｍ／ｓ台を安定的に満足している。

また、粒度分布についても、品質基準の砂状（５ｍｍ以下）を安定的に満足している。さらに、本発明の再生砂は機械的な粉砕処理又は磨砕処理を行うことにより得られるものであり、機械的な粉砕処理又は磨砕処理を行うことで粒度調整が行われる結果、表１に示すように粒度分布のばらつきが小さく安定している。そのため締固め性能が向上する。なお、機械的な粉砕処理は、回転軸を持った装置にて回転歯と固定歯の間で対象物を粉砕することにより行うことができる。また、機械的な磨砕処理は、対象物を回転ドラムに投入してその対象物を磨砕することにより行うことができる。

次に、本発明の再生砂を利用した地盤改良方法と地盤構造について説明する。
図１に、本発明の一実施形態である地盤構造を断面で概念的に示している。同図に示す地盤構造では、軟弱地盤１上に上述した本発明の再生砂よりなるサンドマット２が形成されており、その現場ＣＢＲ値は７～１０％である。これを地盤改良方法の観点からいうと本発明の地盤改良方法は、軟弱地盤１上に上述した本発明の再生砂を現場ＣＢＲ値が７～１０％となるように敷設してサンドマット２を形成する工程を含む。上述のとおり、本発明の再生砂は水締めＣＢＲ値が１０％以上と高いことから、サンドマット２の厚みは、従来天然砂を使用する場合１００ｃｍ程度であったところ、本発明の再生砂を使用する場合４０ｃｍ程度で済む。なお、軟弱地盤１上にサンドマット２を形成するときには、サンドマット２の厚みに相当する厚み分軟弱地盤１の表層部を鋤取り、その軟弱地盤１上にサンドマット２を形成してもよいし、軟弱地盤１の表層部を鋤取りすることなく、直接軟弱地盤１上にサンドマット２を形成してもよい。いずれにしても、軟弱地盤１上に上述した本発明の再生砂を現場ＣＢＲ値が７～１０％となるように敷設してサンドマット２を形成する。

図２に、本発明の他の実施形態である地盤構造を断面で概念的に示している。同図に示す地盤構造では、図１に示したサンドマット２上に、当該軟弱地盤１の土壌（以下「現状土」という。）に上述した本発明の再生砂を２０～４０体積％混合した混合土壌３が敷設されている。これを地盤改良方法の観点からいうと本発明の地盤改良方法は、図１に示したサンドマット２上に、現状土に上述した本発明の再生砂を２０～４０体積％混合した混合土壌３を敷設する工程を含む。

このように、サンドマット２上に現状土と本発明の再生砂とを混合した混合土壌３を敷設することで、軟弱地盤１を畑作用耕作土壌に改良することができると共に、軟弱地盤１表層部の鋤取りにより発生した残土（現状土）の処分量を低減することができる。現状土に対する本発明の再生砂の混合率は２０～４０体積％とする。再生砂混合率が２０体積％未満の場合には、軟弱地盤１（現状土）の品質によっては透水係数等の改善効果が少ない場合があり、再生砂混合率が４０体積％超の場合には、混合土壌３の保水性が低下する懸念がある。なお、混合土壌３の厚みは用途に応じて適宜設定すればよく、例えば畑作用耕作土壌とする場合は２０～４０ｃｍ程度とすることができる。

Ｎ値が５未満の軟弱地盤について以下の条件で地盤改良施工を行った。なお、サンドマットを形成する前に当該軟弱地盤の表層部を約４０ｃｍ鋤取りした。
・対象面積：約１５００ｍ^２
・サンドマット厚み：平均約４０ｃｍ
・再生砂の使用量：約９００ｔ（約６００ｍ^３）
・使用した再生砂の品質
水締めＣＢＲ値：１１．５％
設計ＣＢＲ値：２３％
透水係数：２．１×１０^－４ｍ／ｓ
平均粒径：０．６１ｍｍ
５ｍｍふるい通過物質量割合：１００％
２．５ｍｍふるい通過物質量割合：９９％
０．０７５ｍｍふるい通過物質量割合：４％
・混合土壌の厚み：平均約３０ｃｍ
・使用した混合土壌：現状土に再生砂を３０体積％混合

当該軟弱地盤は上記のとおりＮ値が５未満であったが、当該軟弱地盤上に上記再生砂を敷設して厚みが平均約４０ｃｍのサンドマットを形成することで、現場ＣＢＲ値を７～１０％とすることができた。なお、Ｎ値が５未満の地盤とは、鉄筋を地表に差し、手で簡単に入る程度の軟弱地盤で、人や軽車両が通過することができないものである。これに対して現場ＣＢＲ値が７～１０％になると、上述のとおり人や軽車両が通過することができるようになる。

また、本実施例ではサンドマット上に、現状土に再生砂を３０体積％混合した混合土壌を平均約３０ｃｍの厚みで敷設した。その結果、畑作用耕作土壌として利用可能となった。

１軟弱地盤
２サンドマット
３混合土壌

Claims

サンドマット工法においてサンドマットを形成するための再生砂であって、
副資材としてコークス及び石灰石を添加する廃棄物溶融炉にて一般廃棄物及び産業廃棄物を１２００℃以上の高温で溶融処理し発生する溶融物を水で急速粉砕し、磁選で金属鉄分を除き、機械的な粉砕処理又は磨砕処理を行うことにより得られ、
平均粒径が０．６～０．８ｍｍであり、かつ、５ｍｍ以下が１００質量％、２．５ｍｍ以下が９８～９９質量％、２．５ｍｍ超５ｍｍ以下が１～２質量％、０．０７５ｍｍ以下が２～４．５質量％の粒度分布を有し、
水締めＣＢＲ値が１０％以上、透水係数が１×１０ ^－４ｍ／ｓ以上１×１０ ^－３ｍ／ｓ未満の品質を有する、再生砂。
軟弱地盤上に請求項１に記載の再生砂を現場ＣＢＲ値が７～１０％となるように敷設してサンドマットを形成する工程を含む、地盤改良方法。
前記サンドマットを形成する工程において、サンドマット厚みを平均４０ｃｍ以上５０ｃｍ以下とする、請求項２に記載の地盤改良方法。
前記サンドマット上に、前記軟弱地盤の土壌に請求項１に記載の再生砂を２０～４０体積％混合した混合土壌を敷設する工程を含む、請求項２又は３に記載の地盤改良方法。
畑作用耕作土壌に改良する、請求項４に記載の地盤改良方法。
軟弱地盤上に請求項１に記載の再生砂よりなるサンドマットが形成され、現場ＣＢＲ値が７～１０％である、地盤構造。
前記サンドマットの厚みが平均４０ｃｍ以上５０ｃｍ以下である、請求項６に記載の地盤構造。
前記サンドマット上に、前記軟弱地盤の土壌に請求項１に記載の再生砂を２０～４０体積％混合した混合土壌が敷設されている、請求項６又は７に記載の地盤構造。
畑作用である、請求項８に記載の地盤構造。