JPS62112811A - ヒ−トパイプによる軟弱粘性土地盤の改良工法 - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、ヒートパイプによっ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、圧密さ仕る地盤改良工法に
関するらのである。

「従来の技術」 一般に、軟弱粘性土地盤は、粘性土や育機質を多く含み
、また含水簗乙多い柔らかい土層（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らのである。したがって、
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ｆこっては、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ずろ手段としては、従
来、例えばサントトレーン工法とプレロード工法とを併
用した乙のが適用されている。サントトレーン工法は、
圧密時間を短縮する目的で衿Ｘ聞ｔ、：　ｆｉｔ；セ１
；十巾に２牌のサンドパイル（砂喧）を打設し、これを
排水路として利用するものであり、まｆコ、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
の盛土の重量によっ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
わち圧密さ仕るものである。

「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人手が困難な
傾向にあり、また地盤の改良効果ら、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
悪いといっｆこ問題点があった。

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、圧密する効果のあろヒ
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）この凍土を解凍さ仕て地盤を沈下
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
を特徴とするしのである。

「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水の層がヒートパイ
プと同心円状１ξ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）が生じろためである。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
盤を圧密する行動応力として作用する。そして、アイス
レンズか解凍されると、解凍したアイスレンズ層の間隙
にそって、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って説明する。

第１図は、本発明の工法に使用されるヒートパイプの一
例を示す乙ので、このヒートパイプＡは、十分脱気され
ｆコ長寸の円筒状気密容器Ｉ内に作動流体Ｇを封入し、
その流体Ｇの相変化に伴って熱移動か生じるように構成
した乙ので、軟弱粘性土地盤ｌＯ内に埋設されてこれを
凍結させるようになっている。そして、気密容器ｌの上
部外周には受放参入１１１／７′１７ノ′ノｑ、＋、＜
２斗六メ１７′いノζ−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。

第１表 曲記気密容器Ｉ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
食条件なと　）により任ひに選択されろ。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）ないしく二）は、この実施例の改良工法に
よっ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ＩＯは、その改良が行なイつれている
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。

（１）ヒートパイプの打設 第２図（イ）に示すように、しゅ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を所定のピッ
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ｌＯ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ずろのが
好ましい。

（１１）凍土の横築 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
によって気密容器１の胃壁を伝わって落下する。その結
果、冷熱が下部に運ばれ、この運ばれた冷熱によって、
気密容器１周囲の軟弱粘性土地盤ＩＯ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
水の層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ｌの周囲に凍土Ｆが構築（形成）される
。また、この時、地表に而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
よって凍結され、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。すなイつち、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水の層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、圧密さ仕られ、地盤改良される
のである。

一方、気密容器ｌ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へ、効果的に
凍土Ｆの構築が達成される。

ずなわら、ヒートパイプＡは、潜熱の形で熱量を輸送ず
ろので、熱を速やかに伝達し得ろとと６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
ーである等の利点かあるため、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乙のである。

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ＩＯを脱水、圧密ずろので、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
ことができるしのである。

なお、ヒートパイプＡの熱輸送量について説明をｈｌｉ
足しておくと、これは、大気中の冷熱源と地盤との執抵
抗１こ、ψｌ：ｌ−，ｆグ１１１．−その間Ｑつ、１−
１、丁Ｑ’　７＝　（こＩトψ１１する。

ヒートパイ１１本当たりの熱輸送ｆｆ１Ｑは次式で与え
られる。

Ｑ　＝（Ｔａ−Ｔｇ　）／（ｒｒ＋ｒ２＋ｒ３）−−（
１）ここに、 Ｔａ、大気の温度 Ｔｇ　　地盤の温度 ｒｌ：地盤とヒートバイブ間の熱抵抗 ｒ２　・ヒートバイブの熱抵抗 ｒ、Ｊ・フィンの熱抵抗 熱抵抗のうちｒ、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って、ｒ３はフィンのピッチ、
直径などによって決まる。

（ｉｉｉ）凍土の解凍 夏季の気温によって、凍土Ｆは解凍し、沈下の進行ずろ
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（１１）の工程によって圧密された分、地盤全体が沈
下する。この、際、前記凍土Ｆの解凍によって生じた水
（すなわちアイスレンズの解凍により生した水）は、地
盤１０の沈下により（改良された地盤１０の自重により
　）、凍土Ｆの解凍とと乙に、解凍したアイスレンズ層
Ｓの間隙に沿って地表に排水されろ。

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
ＩＯ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」 （＋）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った鋼管の中に入れ
た。これは、単管のみでは、その表面積か小さいので、
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、しから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
ブルにしたちのである。

なお、前記いずれらヒートパイプ管のジヨイント１″Ａ
≦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Ａ　
１．　Ａ　２　、　ｉ〜３．Ａ４を埋設した。

凍上の成長状況は、各ヒートパイプＡ　＋　、　Ａ　２
　。

Ａ　３　、７＼４から５０ｃｍ離れた位置に埋設した測
定管Ｂ＋。

ｎｎｎｒｌ−＋＋、Ａｈ−Ｗ；Ｉ）＋−１・ｔ）’ｔレ
ーＬｒぐノゴｒ図示例ではヒートパイプＡ、）の複数の
測点０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８（ａ）および（ｂ）に苛付き
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５０　ｃ　＋ｎ離れた土中ｉＪ
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程度の凍土か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
はほとんとなかったものと思われる。

次に、軟弱粘性土地盤ｌ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」 飽和上か凍結する場合、凍結による膨張率ξ、吸水率ξ
Ｗは凍結面の進行速度Ｖ、凍結面での釘効応力σ′との
関係として、次式で与えられる。

ξ−ξｏ　＋（１＋、ｒ’ｒエフ７）σ０／σ゛　・・
・・・・（２）ξ−ξｏ　＋ｎ、　ｒ’＋（１＋ｒ’）
Ｕｗ　　　　　−−（３）ここに、ξｏ１　σ０．Ｖｏ
は土固薄の定数、ｎ、は間隙率、ｒ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 ａＴｆ／ａｔ−に、（θ’Ｔｒ／θｒ”＋　Ｉ／ｒ　Ｂ
Ｔｆ／θｒ）・・・・・（４） 未凍土内の熱移動 Ｅｌ　Ｔ　Ｌｌ／（９ｔ＝　／Ｃ２ｃａ　”Ｔ　ｕ／Ｅ
ｌ　ｒ２＋　１　／ｒθＴ　ｒ／ａ　ｒ）・・・・・・
（５） 未凍土内の水分移動 Ｅｌ　Ｕ　ｗ／ａ　ｔ＝　Ｃｖ（ａ　２Ｕ　ｗ／θｒ２
＋　１　／ｒ　Ｅｌ　Ｕｗ／θｒ）・・・・・・（６） ここに、Ｔ　ｆ、Ｔ　ｕは凍土および未凍土の温度、Ｕ
ｗは間隙水圧、にいに２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−にとの境界において、次の弐が成り
立ノーなければならない。

λ、９Ｔｒ／ａｒ−λｔＥＪ　Ｔ　ｕ／ａ　ｒ＝Ｌ　ｓ
７　ｓＶ　＋Ｌ　ｗ７　ｗＶ　ｗ・・（７） ここに、λ１、λ２は凍土および未凍土の熱伝導率２Ｌ
ｓ、Ｌｗは地盤および水の凍結潜熱、γＳ、γＷは地盤
及び水の密度、■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、ダルノー則により、次式で
与えられる。

Ｖｗ＝に／γｗ　ａＵｗ／ａｒ　　　　　　　−（８）
なる関係がなり立つ。また式（２）　、　（３）から吸
水速度は、 Ｖｔ＝（Ｖ＋ｒ盲ηｖ　ｏ／（（ｅｙ　−Ｕｕｔｏ−５
，）（１＋１”　））−４ｎ、　ｒ”　／（１＋Ｉ”　
）　　　　　　　　　−−（９）で与えられる。

よって、式（８）、（９）から吸水力Ｓｒ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）の境界条件のらとに、式（４
）〜（６）を解き、温度分布、間隙水圧分布、有効応力
分布を求める。

第９図（ａ）および（ｂ）にヒートバイブ内の温度が一
１５℃と一３０℃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。

冷却温度が一１５℃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程度の盛土によって、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
の冷却温度が一１５℃において、それ以上の佇効応力を
、盛上することなく、発揮し得て、強大な改良効果を得
ろことができる乙のである。

「発明の効果」 以上説明しｆコ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ｆコ状態でヒ
ートパイプを溝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仕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・ジ、地盤を沈下
させろ工作とを具備し、ヒートパイプにより自然冷熱を
地下に貯蔵し、そのとき発生オろ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
するしのであるから、次ぎのような種々の浸れた効果を
秦する。

（１）ザ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ずろ■程を省略し得て、軟弱粘性
土地盤を圧密させろことがてき、まｆ二その作業性を向
上６ｇ−ることかできろ。

（２）地盤の改良効果も地盤の深度にかかわりなく応力
を増加することかできる。

【図面の簡単な説明】

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）ないしく二）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乙ので、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−
２１１１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、 ｌ・・気密容器、 ３・・・・・受放熱用フィン、 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)

1. 【特許請求の範囲】 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
   、圧密する工法であって、（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。