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
- Prior art keywords
- soil
- ground
- soft
- airtight container
- heat pipe
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Description
「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。
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。
【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。
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。
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。
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。
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25450485A JPS62112811A (ja) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | ヒ−トパイプによる軟弱粘性土地盤の改良工法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25450485A JPS62112811A (ja) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | ヒ−トパイプによる軟弱粘性土地盤の改良工法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62112811A JPS62112811A (ja) | 1987-05-23 |
| JPH0573849B2 true JPH0573849B2 (ja) | 1993-10-15 |
Family
ID=17265972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25450485A Granted JPS62112811A (ja) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | ヒ−トパイプによる軟弱粘性土地盤の改良工法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62112811A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101454713B1 (ko) * | 2012-12-31 | 2014-10-27 | 갑을오토텍(주) | 듀얼 냉동시스템의 응축기 구조 |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101881024B (zh) * | 2010-06-28 | 2011-08-17 | 连云港港口工程设计研究院有限公司 | 一种淤泥软基的冻融固结方法 |
| CN104863117B (zh) * | 2014-02-24 | 2016-09-07 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 埋地热力管道多年冻土基础制冷结构 |
| CN105239557B (zh) * | 2015-08-30 | 2017-04-12 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 冻胀融缩法结合真空预压加速软土固结的装置和方法 |
| JP6756512B2 (ja) * | 2016-03-31 | 2020-09-16 | 清水建設株式会社 | 凍結工法の凍結膨張圧算出方法 |
| CN110295588B (zh) * | 2019-06-25 | 2021-04-13 | 东莞市广渠建筑工程有限公司 | 一种软土地基处理装置及其处理方法 |
| RU202182U1 (ru) * | 2020-11-18 | 2021-02-05 | Вадим Васильевич Пассек | Коаксиальная вставка для термоопоры |
| RU203876U1 (ru) * | 2021-01-13 | 2021-04-23 | Вадим Васильевич Пассек | Коаксиальная вставка для термоопоры |
| BE1029844B1 (fr) * | 2021-10-12 | 2023-05-08 | The Soil Res Lab Sprl | Système de dépollution de matériaux contaminés au moyen de tubes chauffants à supports conductifs |
-
1985
- 1985-11-13 JP JP25450485A patent/JPS62112811A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101454713B1 (ko) * | 2012-12-31 | 2014-10-27 | 갑을오토텍(주) | 듀얼 냉동시스템의 응축기 구조 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62112811A (ja) | 1987-05-23 |
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