JPS6117626A - 地盤凝結方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、地盤の凝結技術に関するものである．特に、
本発明は、冷却剤液体を低温流体と熱交換させることに
よって冷却し、次いで、この液体を地盤中に打込まれて
いる一連のプローブ内に流す形式の地盤凝結方法に関す
るものである。

凝結によって地盤を強固にすることによって湿地の不安
定地盤における公共土木工事用地の掘削を可能にするこ
とは既知である．この地盤凝結は地盤中の異なる場所に
打込まれたプローブ内に冷却剤液体を注入することによ
って行なわれている。

この冷却作用によ）、各プローブによって凝結された区
域が隣接のプローブによって凝結された区域と継がるこ
とにより連続した凝結壁が形成されるまで地盤は順次に
凝結される。

液体窒素のような低温液体または冷劫液体をプローブ内
に注入することは既知である。

液体窒素を直接に注入することはいくつかの問題があし
、特に、地盤との熱交換係数を制御することが困難であ
る。実際上、冷を放出する際、窒素は蒸発し、プローブ
と最初の継粋な液体窒素との間、次の液体窒素と窒素ガ
スとが種々の割合で混合したものとの間、さらに、低温
の窒素ガスだけとの間の熱交換係数は著しく相違する。

この結果、プローブの周りの凝結地盤の厚さが著しく相
違し、強固な壁を形成するために凝結が最も少ししか行
なわれない区域を十分に凝結させるために時間がかかる
とともにこの間に凝結が最も効果的に行なわれる区域が
不必要に過冷却されて過大な大きざに凝結され、時間お
よびエネルギーが損失されるという問題かある。

冷却した液体の注入は上述した欠点を有しないが、しか
し、その効率が冷却方法に依存する。

冷凍ユニットを経て流れる液体の冷却は、最良の場合で
、液体をー＋０℃で注入することを可能とし、さらに通
常の場合では−２０℃〜−３０℃で注入することを可能
にする。このような凝結条件では壁を形成するために要
する時間が長くなし、例えば、／ｍの厚さの壁を凝結さ
せるのに数週間もかかる。

この期間は小都会での用地の整理期間と通常両立しない
。

液体をもつと低い温度、例えに一ｇθ℃または−／　２
０℃でプローブに循環させ得るようにするために、上述
した形式の凝結方法も提案された。

かかる方法は、前述した欠点を解決し得るものではある
が、現在の時点では、以下のような理由で経済的に問題
がある。すなわち、一方において、凝結を促進するため
に、地盤を強固にするために、厳密に必要なよりも遥か
に多くの地盤を冷却することが必要である。他方におい
て、地盤は常に非均質であし、凝結壁による地盤安定化
は凝結が最も遅い速度で進行する最も弱い点によって支
配される。したがって、最も迅速に凝結し、た区域を、
時として相鮨の割合を占めるまで、延長させることが必
要である。

本発明の目的は余分の冷を著しく減少させること、した
がって、凝結の期間を実質的に増大させることなしに遥
かに経済的な方法を提供しようとするものである。

したかつて、本発明によれば、上述した形式の地盤の凝
結方法において、地盤凝結段階において、冷却剤液体の
温度を凝結の進行の関数とし、て変化させることを特徴
とする。

本発明を実施する第７の方法において、少なくとも１個
のプローブ内に流れる液体の温度を、好ましくは連続す
る順次の段階において、漸新的に上昇させる。

本発明を実施する第２の方法は、上述した第１の方法を
組合して行い得る方法であって、各プローブ内に流れる
液体をプローブの周りの地盤の凝結速度に適合させ、凝
結速度が早くなるに従って温度が高くなるよう調整する
。

本発明の他の目的は、上述した方法を実施するための地
盤凝結装置を提供しようとするものである。本発明によ
る装置は、一方において低温流体が供給され、他方にお
いて冷却剤液体が供給される熱交換器と、一連の凝結用
プローブと、各プローブ内に液体′ｆ：循環させる装置
とを具える形式のものにおいて、熱交換器の設定温度を
変える装置を具えることを特徴とし、および／または、
種々の設定温度を有する少なくとも一個の独立した熱交
換器を具えることを特徴とする。

次に、本発明の実施例を図面につき説明する。

以上の各実施例において、本発明は湿った砂地の地盤中
に凝結壁を形成することに関するもので、本発明により
形成される凝結壁は、土木工事等を行なうためのシェル
タ−として用いられる。この目的のため、第３図に線図
的に示す一連の凝結プローブ８／、Ｓ、２．、、を地盤
中に打込み、各プローブ内に予定の入口温度を有する冷
却剤液体を循環させる。冷却剤液体としては十分低温の
凝結点を有するものを選択することが必要であり、メタ
ノールは好適な冷却剤液体の一つであし、以下メタノー
ルを冷却剤液体として用いる場合につき説明する。

第３図に示すように、冷却剤液体はプローブと熱交換器
Ｆｉ／　、Ｂ、２．、、との間の閉回路内に流れる。こ
れらの熱交換器は、「冷ステーション」と名付けられ、
冷却剤液体の通路と液体窒素のような低温流体の通路と
を具えている。低温流体通路への液体窒素の供給流量は
、弁ｌによって制御され、この弁は熱交換器からでる冷
却剤液体の温度を検出する温度センサーコによって制御
される。

窒素通路は、例えば、第３図に示すように、ラジェータ
ー３によって形成され、このラジェーター３にコイル状
管ダを貫通させ、このコイル状管内に冷却剤液体を窒素
に対して対向流で循環させるよう構成している。上述し
た素子を＃−３図においては、図面の簡単明瞭のため、
熱交換ｉＥ／に関連するもののみを示しているが、しか
し、装置が謝３図に示すように複数個の熱交換器を有す
る場合には、全てのこれら熱交換器は同様の檜造を有す
る。

設定の冷温で熱交換器を出た冷却剤液体は熱交換器に接
続されたプローブの中心管Ｓを経て各プローブの底に注
入され、プローブの中心管と円筒形ケース６との間の通
路に上昇する。プルーブの入口と出口との間で、液体は
熱をケース６を経てその周りの地盤と熱交換する。

芽、７図に示す本発明を実施する方法においては、凝結
用プローブ内に注入された冷却剤液体の温度は凝結１ｌ
Ｐｌｔｒ８の最低温度から既に凝結した壁を低温に維持
するための最終温度にまで温度を漸進的に上昇すること
によって時間とともに変化される。

図示の例では、この温度上昇は連続した順次段階で生じ
る。

次に、数値例（実施例■）として、湿れた砂質の地盤中
に厚さ／ｍの壁を深さ、２０ｍ、長き５０ｍＫまで１０
０時間以内で凝結させて地盤を強固にすることを希望さ
れる場合につき説明する。この目的のため、５０本のプ
ローブＳ／、Ｓコ、。

、８３０を互に／ｎｏ間隔で離間させて地盤中に打込む
。互に並列に接続されたプローブと前述した熱交換器Ｊ
Ｃ／のように液体窒素によって冷却された単一熱交換器
との間にメタノールを循環させる。温度センサーコには
、メタノールの温度を−ｇθ℃（許容下限値である）と
−１０℃との間でＦｆｒＩＭに応じ調する目的で調整装
置を設けている。

凝結はメタノールを熱交換器の出口での設定温度（した
がって、プローブ内への注入温度）−８０℃で循環させ
ることによって開始される。

この設定温度はＳＯ時間維持される。これによル、プロ
ーブに隣接する地盤の温度は一１０℃になし、プローブ
の周りの凝結半径は、７　ｇ　ｃｍ　（すなわち、直径
で７６　ｃｍ　）になる。

この瞬間において、メタノールの設定温度を−４５℃に
調整する。この温度は、２０時間維持される。これによ
りブロープに隣接する地盤の温度は−Ｓり℃になる。こ
の時間中、壁の凝結の前φへの進行は実際上その速度を
低下せず、この理由は凝結の進行が凝固等混線（０℃）
の近くにおける温度勾配によって支配され、プローブの
温度によりては支配されないからである。このようにし
て、１０時間の凝固ＯＦ一端で８４ｍの凝固直径が得ら
れる。

１０時間の凝固後、メタノールの設定温度は−ＳＯ℃に
固定される。この設定温度は１５時間維持される。プロ
ーブに隣接する地盤の温度は一ダダ℃になる。８５時間
の終シにおいて、プローブの周りの凝固直径はｇｇｃｌ
ｎになる。

次いで、メタノールの温度を一ダＯ℃に設定する。この
設定温度をｉｏ時間維持する。プローブに隣接する地盤
の温度は一３ｓ”Ｃになる。９５時間の凝固の終シで、
プローブの周りの凝固の直径は９０ｃｍになる。

次いで、メタノールの設定温度を一３５℃にする。この
設定温度を凝結壁のメンテナンス期間中維持する。プロ
ーブの周りの地盤の温度は約−３０℃に達している。こ
のようにして直径１００ｃｍの凝結が約ｉｏｏ時間後に
得られる。

上述した例は均質地盤および等温プローブの場合であっ
て、実際上、各凝結プローブは隣シのプローブと相互作
用し、こ−の結果、プローブ間隔が／ｒｎの場合には、
凝結壁の厚みはプローブの部分で／ｍ、プローブ間の中
間位置で約ｇｏαのように場所によって変化する。

さらにまた、他の実施例として、メタノールの釉々の設
定温度が、調整可能の設定温度を有する単一熱交換器に
よるばかシでなく、種々の固定の設定温度を有する複数
個の熱交換器によっても得られ、これらの熱交換器をプ
ローブに連節な弁を経て選択的に接続することができる
。さらにまた、入手可能の熱交換器か必要な冷凍力（メ
タノールの流量と熱交換器の入口および出口間の温度差
との積に比例する）を個々に提供し得ない場合に、各設
定温度を得るために複数個の熱交換器を互に並列に接続
して同じ温度に設定して用いることもできる。

第２図はｍ１述した方法によって得られる有利な効果を
示す。第、２図のグラフは、凝結の終ルでの、すなわち
、凝結半径ＲＣがプローブ間の距離の半分近く（前述の
例において約０．３ｍ）に達した際におり゛る地盤の温
度Ｔの変化を絶縁すべきプローブの外側壁から測った半
径只の関数で示している。

下側の曲線Ａ／はプローブにメタノールを−ｇｏ℃で一
定に連続して供給する従来技術による場合を示す、この
曲線はＲ−００−り０℃からＲ−Ｒｅの０℃にまで温度
が上昇し、さらに、０℃から同曲温度Ｔａ［まで上昇し
ている。上側の曲ＭＡコは上述した本発明の方法による
場合を示し、この曲線はＲ−００−３θ℃からＲ−Ｒｃ
の０℃にまで上昇した後、引続き０℃からＴａＫまで上
昇しておし、その間常に曲線Ａ／よル上側に位置してい
る。−個の曲ＨＡｉおよびＡ、２間の斜線をつけた面積
は達成された負熱量による経済性を示している。

第３図に示す例では、メタノールの温度を時間に対して
ではなく、プローブ間隔に対して調整してお多、プロー
ブの周りの地盤の凝結速度に対して各プローブに供給す
るメタノールの温度を調整して凝結が最も早い地盤部分
が過度に過冷却されるのを防止している。実際上、プロ
ーブの周りの半径５０〜１−Ｏｏｎの範囲内で全体とし
て相対的に均質な地盤では、プローブ間隔に対して調整
する必要がない。

上述したような調整を行なうためには、複数個の熱交換
器Ｅ／、Ｅλ６０１、すなわち、図示の例における５個
の熱交換器を用い、これらの熱交換器は設定温度を有し
、個々に調整可能で、全てのプローブに対してそれぞれ
接続が可能とする。

地盤の冷却速度を凝結開始時に測定し、メンタールを各
プローブに所定温度で供給し、この所定温度は、プロー
ブによって凝結される地盤がさらに迅速に冷却されるに
したがって高くするのがよい。

各プローブおよび各熱交換器に対して設定温度を固定し
得る凝固速度は例えば次の方法で決定することができる
。

先づ、各プローブの冷却を全体にわたシ測定することが
できる。すなわち、 （ａ）　　各プローブにおけるメタノールの入口および
出口間の温度差の測定は予定の流量に対して地盤によっ
て吸収される熱フラツクスの特性の目安となる。もし、
この温度が特定のプルーブに対し他のものよりも高い場
合には、このプローブへのメタノールの注入温度を上昇
させることが必要であし、この理由はその地盤がより多
くの冷を吸収するからである。

（ｂ）　　プローブの列に対して温度センサー０／　、
Ｃ！、２．、、の列を平行に設けることができ、例えば
、第４図に示すように、各対の２個のプローブから等し
い距離で対の順次のプローブ間の表面近くで温度センサ
ーを地盤中に設置する。前述したと同じ方法で、これら
の温度センサーに最も近いプローブ内へのメタノールの
注入温度は温度センサーによって示された地盤の冷却速
度の関数として固定される。

しかしながら、実際には、凝結すべき壁の長さによって
は、地盤が少なくとも一部の区域で水平方向ばかシでな
く垂直方向にも不均質である場合がしばしばある。この
結果、あるプローブの区域では高さ方向において部分的
に迅速に凝結し、他の部分では凝結がゆつくシ進行して
いる。したがつて、匝］述した全体にわたる１ｌｌｌｊ
定装置を設けて全体の凝結が迅速に進行している（例え
は、メタノールの入口および出口温度の差が大きいこと
によって指示される）プローブの冷却速度を著しく低下
させる。しかし、実際には、プローブ長さ方向の一部に
おいて迅速に、他の部分では極めてゆつく多凝結が進行
している場合がある。

かかる対策として、複数個の温度センサークをプローブ
の外側壁上にプローブの長き方向に配置し、これらの温
度センサーによってプローブの直ぐ近くの地盤の温度を
測定するよう抄成する。これにより、次のようなλつの
方法を行なうことができる。

（ｃ）　　冷却開始時に、これらの点のそれぞれにおけ
る冷却速度を測定し１、あるいは、（ｄ）　　凝結開始
酬のある時間に、地盤温度より高温のメタノールを、例
えば、１０〜３０分間一時的に注入し、種々の測定点に
おける温度の上昇速度を測定する。

もし、この方法によって地盤の垂直方向の不均質性を知
ることができる場合には、対応するプローブ内へのメタ
ノールの注入温度を最小の温度変化に基づいて決定する
ことができる。

以下の実施例■は、前述した方法（ａ）および（ｂ）に
よって本発明を実施する方法を示す。基本的データは前
述したと同じである。湿れた砂賀の地盤中に厚さ７ｍの
壁を深さ２０ｍ１長さ５０ｍまでｉｏｏ時間以内で凝結
させることを希望される場合につき説明する。地盤中に
５０個のプローブＳ７．ｓ２．、、、Ｓｓｏを／ｍ間隔
で拐込み、これらに冷却したメタノールを循環させる。

５個の熱交換器Ｅ／〜Ｅ５を用い、これらに第３図にし
たがって液体金集を独立して供給する。適洛な胡の管お
よび弁（図示せず）によって、任意のプローブを任意の
熱交換器から切刃離すことができる。各プローブに入口
および出口のそれぞれにおけるメタノールの温度を測定
する温度センサーｇおよびりを設ける。各プローブの外
側の地盤の、２ｍ、／θｍおよびＩｇｍの深さにおける
温度を測定するために各プローブの外側壁に熱電対りを
設ける。

全てのプローブ内にメタノールを−ｇθ℃で注入し始め
た後、最初の転移効果を生せしめるために５時間注入を
続けた。

ｓ時聞経過稜の瞬間における。プローブ上でメタノール
の入口および出口温度間に第１宍に示す湛肚差ΔＴが観
察され九。

ＩＩ４／ｌｊｋ しかし、この瞬間におけるプローブの外ｇｊＡ表面の温
度は全てのプローブに対し一１０Ｃ〜−７−℃の間で僅
かに変化し得る。

熱交換器ｙ２ｔ、ｙ、ｓの設定温ｒＩＬを変えることに
工っで、メタノールを−ｊθ℃でプローブＶＣ２０分間
注入し友。プローブ外側温度の上昇速１ｆｔ−測定し７
ｔ、この結果、プａ−プＢａ４−Ｂｏｏでは、ｔｒｍの
深さでの＠度上昇速度が、　ＰＩじプローブでのｌＯｍ
およびコｍの深さにおける温度上昇速度の／／ｊである
ことが判明し、他のプローブでは不均質性は見られなか
った＾ 次に、設定ｆｆ１ｌｆｔ−第２表に示すように固定して
冷メタノールの注入を再開した。

第　　２　　表 第２表から明らかなように、全体にわたる測定の結果に
もかかわらず、プローブ８Ｉｔ＆ｙ８ｓＯはそれぞれの
最も深い部分において観察された凝結の遅さを勘案して
＃結速度が遅いプローブとして処理された。

ざらに％ある組のプローブには並列Ｉ／ｃｆＪｊ−続享
れ７ｊ−２個の熱交換器によって供給し友、これにＬり
全てのプローブに対してメタノールの流ｔｔ同じ程１［
［した。普た、装置の構成が複雑になりすぎるのを避け
るため、プローブ３７〜Ｂ４ｃおＬびＳμ／−、＝３μ
ｓの組に同じ温度で供給し友が・正確には、これらの１
組のプローブは異なる熱フラツクスを吸収する。

前述したところから明らかなように、プローブの周りの
地盤がより一層迅速ＶＣ凝結するにしたがい低下する冷
凍力を各プローブに供給した。

以下の実施例ｍは前述し友方法１ｂ）を示す。

前述した実施例と同じ基本的データを用い、凝結用プロ
ーブの列からμ０ｔｔｅｒ離して３５個の温度センサー
０　／　、　０２１・・・・・・、０２ｊの列を配置し
、凝結プａ−ブ関の一つおきの間隙に、第ｑ図に示すよ
うに、各センサー１に２個のプローブから等しい距離で
配置した。ｍ度センサー０／は凝結用プローブ３／おＬ
びＳ２の近（に位置し、温度センサー０コは凝結用プロ
ーブＳ３およびＳｔｌ、の近（に位置し、以下同様に配
置されている。

先づ、メタノールｆ−ＩＩ℃で全ての凝結用プａ−ブに
コ事時間注入した。Ｊ４Ａ時間後に、温度センサーによ
って検出これた温ｗｊｉ、を第３表に示す。

第　　３　　災 その時から、プローブにメタノール′を第４表で示す工
うに外なる温度で供給した。

第　　μ　　表 熱交換器の使用に関する単独または並列についての前述
の条件は本例においてもＰＪ様Ｉ／ｃ適用される。

喧述し九種々の調整方法を組合すことはｆｆｒ能であり
、また％特に、メタノールの注入温度金時間および空間
の双方に対して費えることが可能である。この実施例で
は、プローブのＷｌにの組へのメタノールの種々の注入
温［１−固定した後、各組に対し、凝結の全期間内での
一連の順次加温工程を各組に対し限定し、壁が凝結状７
１４に維持される期間中維持される車−設定温［Ｋおけ
る全てのプローｆＫ対し凝結の終りにおいてメタノール
を供給するようにする。

これが丸め、以下の実施例■では、前述の実施例■およ
びＩｎＫ″示す方ｆ＆ヲ組合し、７ｍの厚さの壁全得る
迄めに１００時間の間に行なわれる凝結方法ｔ−第５表
に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す線図。 第２図は第１図に示す方法による効果を示す線図。 第３図は本発明の第２爽施例に対応する装置の概略線図
、 第ダ図は本発明の他の実施例の説明図である。 ｌ・・・弁、２・・・温駆センサー、！・・・ラジェー
タ、事・・・コイル状管、！・・・中心管％６・・・円
筒形ケース。 ８／、８Ｊ・・・プローブ、０１．ｏ２・・・温度セン
サー、ｇ’　＊　ＴＡ　”・・・熱交換器。 ＦＩＧ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却剤液体を低温流体との熱交換によつて冷却し、
   この冷却した冷却剤液体を地盤中に打込んだ一連のプロ
   ーブに循環させて地盤を凝結する方法において、地盤凝
   結段階において、冷却剤液体の温度を凝結の進行の関数
   として変化させることを特徴とする地盤凝結方法。 ２、少なくとも１個のプローブ内に循環する前記液体の
   温度を好ましくは順次に連続する工程で漸進的に上昇さ
   せることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。 ３、各プローブ内に循環する液体の温度を前記プローブ
   の周りの地盤の凝結速度に適合させ、凝結速度が高くな
   るにしたがい前記温度をより一層高い値に調整すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載
   の方法。 ４、各プローブの周りの凝結速度を決定する目的で、プ
   ローブに入る液体とプローブから出る液体の温度差を測
   定することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   方法。 ５、冷却開始時に、各プローブの複数のレベルにおける
   地盤の冷却速度を測定し、この冷却速度の最低を考慮す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の方法
   。 ６、各プローブの周りの凝結速度を決定する目的で、凝
   結開始後の所定時間、プローブに隣接する地盤より高温
   の液体を各プローブに１時的に注入し、プローブの種々
   のレベルにおける温度上昇速度を測定し、これらの上昇
   速度の最低を考慮することを特徴とする特許請求の範囲
   第３項に記載の方法。 ７、各プローブの周りの凝結速度を決定するため、全て
   のプローブから予定距離における地盤の温度を測定する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の方法。 ８、各プローブに冷却剤液体を同じ流量で供給すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ９、一方において低温流体が供給され他方において冷却
   剤液体が供給される熱交換器と、一連の凝結用プローブ
   と、前記液体を各プローブに循環させる装置と、熱交換
   器の設定温度を変える装置とを具えることを特徴とする
   特許請求の範囲第１〜８項のいづれか１項による方法を
   実施するための装置。 １０、一方において低温流体が供給され他方において冷
   却剤液体が供給される熱交換器と、一連の凝結用プロー
   ブと、各プローブ内に前記液体を循環させる装置とを具
   える特許請求の範囲第１〜８項のいづれか１項による方
   法を実施する装置において、異なる設定温度を有する少
   なくとも２個の独立した熱交換器を具えることを特徴と
   する装置。 １１、各熱交換器がその設定温度を変える装置を具える
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１０項に記載の装置
   。 １２、各プローブがその外側壁の種々のレベルにおける
   温度を測定するための装置を具えることを特徴とする特
   許請求の範囲第９〜１１項のいづれか１項に記載の装置
   。 １３、一連のプローブに対して平行に配置された一連の
   温度センサーを具え、各温度センサーが２個のプローブ
   から等しい距離で離間されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第９〜１２項のいづれか１項に記載の装置。