混合土の凍上試験
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(2) . 8巻第1号 第1. 北海道教育大学紀要(第二部A). 昭和42年9月. 混合 土の 凍 上 試 験 佐々木. 一. 郎 ・ 矢. 作. 格. 北海道教育大学釧路分校物理学教室 工chi r6 SASAK1 and Hi roshi YAHAGI: Exper iment ixed soi ls by Freezing s on the Heaving of 4. l. は. し. が. き. 寒冷地帯においては, 凍上の現象が起り, これが道路o建物等に大きな被害を及ぼしていること は衆知の事実である, 凍上現象に関しては, 基礎, 実際の両面から研究が進め られており, その報 告も数多くされているが, 火山灰一つを例にとってみても, その種類, 風化の程度により凍結様式 が異なるとい っ た複雑な問題があり,未だに全面的解決に到っていない現状である. 当釧路地方は, 厳寒期に積雪が少ないという, 道東太平洋岸特有の気象条件によっ て土壌の凍上・凍結による被害 が特に著るしい. さ らに, 腐蝕度が低く保温効果の大きい低位泥炭を産する釧路市効外の釧路泥炭. 地においても, 泥炭は元来凍上しないものと考えられていたが, 近年開発が進むにつれて, 建物等 に凍上現象による被害の見られることがわかっ た. これは耕地化に伴う客±, あるいは自然の土砂 混入による土質の変化によるものと思われ, 今後泥炭地開発が一層 進むにつれて, 普通土地帯と同 様に凍上による被害の範囲が一段と拡大することが予想される. そこで, これを契機として, 実際 問題における基礎研究の一つとして, 当物理学教室に設けられた人工凍上装置によってゞ 泥炭を中 心とした各種土壌の混合の割合と凍上量との関 係について試験を行なっ たのでここにその結果の概. 要を報告する. 尚, 混合土の凍上試験は, 釧路泥炭地研究の一環と して1964年に本学内の釧路産業 研究所でなされ (同研究所研究速報 No ) .20 , 1964 , 翌年の釧路分校の火災 により, 装置及び詳細 な資料を失っ た. しかし, 幸い焼失を免れた上記速報の, 総括, 装置図などを足がかりとして, 試 験方法, 装置に改良を加えて今回の試験を行な っ たことを付記する. 虹. 試. 験. 方. 法. ) 人工凍上装置 ( 1 凍上装置は外容器と内容器か らなっていて, その内容器に試料の混合土を充 填する仕組みになっ ている(第 1図, 第 2図及び写真1 , 2参照) . 外容器は第1図写真1 , 2に示すようなもので, 厚さ. 50 mm の フ ォ ー ム ス チ レ ンを 二 重 の 断 熱 壁 と し, 中 央 部 に 内 径 7 ocm×7 ocm, 高 さ 15.ocm の . .. 木製容器木V (ネ ジ, 接着材止め, 防水の目的で ビニールペイ ント塗布) を 8個固定している. こ )図内側)が, 水位及び水温調節用電熱線の 点検 な どの さ いむこと り れ らを支持している木枠全体(( a. は ず し が で き る よ う に な っ て い る. ま た 第 1 図(b)に 見 られ る よ う に こ の 底 部 に は 水 が 入 れ て あ り,. 電熱線によって外部から水温調節ができ,またパイ プによっ て水位の調節も可能である. この水は, 上記の8個の木製容器Vの底にあ げられた直径 3mm の 穴 9 個 か らV に 入 り, こ れ に 第 2 図 (b) の (30).
(3) . 佐々木 一 郎 ・ 矢 作. . . k ← ÷ ÷ . o c m ÷ ÷ ÷ ÷ 「ー , ー ′ ‘ 1 .- L、 . ‐ . + -. --- ---- 1 ・ 1 - 1 . . . - - . ・ - 』 7 6 5 c m ,. 1 . 1 1 1』 ; ・1 .1 .′・ t ー - , . - - 1 .. 1 1 ‐ 才 . ・ 1 1. 」フオームスチレン 、 - -----------‐ ‐ ト- - r f - ー f ー . ・ 一 . ヒ ‐ . ・ f ニ ール. 圏回国圏. 携 ◆ ○ g 1 111ー. . . ー 吸水孔. 水. 第 1 図. 塩シ化 ー. 巳ト 十 エ. ハ イ ブ. E ブ , フ . ス チ 支 ッ ー 対寺金具 i ッ. 湿± \ 、. I 東上- 装署 置図. , . . - . ・ ー f l .. iず. の , R. 電熱線- 0 OV,6 0 OW. . … ーー 「 l. L----------- 」 ク 板. 凍上容器本体V (b) 図. 凍上容器V (a ) 図. 第 2 図. 塩化 ビニール製の凍上容器本体v(写真3 , 4参照) を装着することによって, 混合土に一定水温の 2 第 図( )は 水が供給される. b) a , 木製容器Vを拡大して示 したもので, 点線部分(矢印)に同図(. ocm, 高 さ の凍上容器が装着されることを示 している. 凍上容器vは本装置の中心 部 で, 内 径 7. の塩化 ビニール製のパイ プを縦に適当の幅で切りとっ たあと熱湯処理をして, 内径外径そ. 20 5cm .. ocm,6 5cm と した も の で, 混 合 土 を 凍 上 さ せ た あ と こ の 部 分 を 匁 先 で 押 し開 く こ と に れぞれ 6 . . ,. よって凍結した試料を容易に取り出すことができる. この容器の内側には, 第 2図(b)に見られる l mm の ビニールシートの袋状にして二重に密着させ 土壌と壁面との凍結を防止 よ う に, 厚 さ 0 , , し, 摩擦を少なくする役目を果 している, @) 試 料. この試験に用いた土壌は, 泥炭, 火山灰, 赤土, 黒土の4種類の組合せで, 泥炭は釧路市昭和地 区より採取したもの, 火山灰は同市々営グラン ド付近より, また赤土, 黒土は大学構内で採取 した. もので, 泥炭を除いた3種の試料については, 直径 5mm 以上の塊を除去 した. 尚, 供試々料の成 分は不明であるが, 仮比重, 真比重, 孔隙率, 保水比(乾燥試料 1g が保持し得る水分の グラム数) については第1表にかかげる通りである. また, 写真6 ,7 , 8は上記試料のうち, 火山灰, 黒土, 赤 土 の も の であ る.. ◎. 試験方法. 供試土壌は第2表のように組み合わせた. 第1の グルー プは, 火山灰, 赤土, 黒土のそれぞれに 泥炭を試料全体に対する重量比で0~50%を10%間隔で, 第 2のグループについては, 泥炭を除く.
(4) . 混合土の凍上試験 第. 1. 表. 山. 火 赤 黒. 灰 土 土. 0 ,67 1 .08. ) v 炭i. 泥. 73 ,O 57 ,5. 2 .49 2 ,54. 0 .71 1 ,19. 0 .57 0 ,35. 重1 柵 祭 率(司 保 水. 比. 1仮 比 重(乾“1仮 比 重(湿一 際. 68 ,5 83 .4. 1 ,81 2 .11. 0 ,75 0 .49. か). 0 ,63 0 ,59 0 .75 1 .11. oCで3時間乾燥した試料による 0o 註 i )1 oC湿度50%で保存のもの i i 0 ) 室温13~2 i i i ) 乾燥試料1gに対する吸水量のg数 i v) 泥炭については, 粒度別に3段階に分けて測定したものの平均値 第 1. 混 合 の 割 合 の 範 囲. 赤 釜. 山. 2. 0~5Q%. 表 2. 混 合 の 割 合 の 範 囲. 火 山 灰. レ 婆 } 榊 ‐プ ノ. ←. 赤. 土 ← 黒. 蚕. . ←. 0~1 0 0%. ル 麦 ドン フ 山. 0%) は, 混合試料の重量 註 矢印←÷は, .前者に後者を混入するや の意である. 例;(火山灰←÷泥炭2 の20% が泥 炭 で あ る こ とを 示 す,. 3種の中から2種を組み合わせ第1のものと同様に10%間隔で0~100%にわたって,凍上量(mm) , 吸水率(試料全体に対する重量%)を測定 した. 以上のように調整された試料を凍上容器vに入れ, これを木製容器Vに納めることによって底部か ら零度付近に保たれた水を供給 して混合土に浸みこ ませるわけである. 凍上装置全体は, 当教室の低温室内に設置してあり, 凍上させる場合には, 自 然状態に近似させるために, 上部からのみ冷却する, 低温室の温度は釧路地方の厳寒期の平均気温 に近い -15oC に固定し, 試料の各部分の温度, 気温, 湿土の表面付近の温度等は, 12打点の熱電. 対温度計で連続自動記録した. また, 試料を入れた容器vを装着すると, 湿土は水を吸いあげて, 試料面が沈降するので, 面が落ち着くのを待つと共に, 低温室外にも試料を同一試料, 同一容器, 同水位の水槽に入れて, 面の降下を調べた. 湿土は, 下面から零度付近の温度の水を吸いあげ, 飽 和水分以上の余分の水の凍結が凍上をひき起すわけである,低温室の内外いずれの試料についても,. その吸水量を測定した. 以上の測定の手順を図式的に示せば, 〔調合湿土を容器に入れる (重量測定) →吸水 (吸水後の重量測定) →試料面の沈下 (沈降面の 位置の測定) →凍結・凍上 (凍上量の測定) →凍上試料重量測定〕 となる. 皿. 試. 験. 結. 果. 1に記した装置と試料によって得られた結果を総括すると次の通りである. 1 ( ) 凍上量と ・安定期間. 産業研究所研究速報 No, 20 によると, 試料を凍上装置にセッ トして冷却開始までの時間を ・安 定期間 と 名 づ け て, こ の 時 間 T を パ ラメ ー タ と して 凍 上 量 と の 関 係 に つ い て 報 告 さ れ て い る が, それによると安定期間12時間以上のものについては,凍上量に大きな影響を与えていないことが示 ) の も の と, Tコ24 r ) の両者について予備的に試験 さ れ て い る. こ の 点 に つ い て, T=12(hrs s . .. したところ凍上量に差が見られなかっ た. この結果か ら,本試験を通 じて安定期間は終始12時間と して実験を行なっ た, (32).
(5) . 佐々木 一 郎 ・ 矢 作. 格. ′ 含水率・吸水率と凍上量 2 ( ) 含水率と凍上量の間には, 土壌によって特定の含水率のとき最高凍上量を示すことが, 研究速報 0% のも (例えば, 赤土100% の場合含水率30%, 黒土100% で含水率2. No,20 に報告されている. の が, そ れ ぞ れ 最 も 凍 上 量 が 大 き い), こ の 試 験 で は, 第 3 ,7 ,8 , 9 図 に示 して あ る が, 縦 ,4 ,5. 軸の吸水率は自然に冷却期間中に吸水したもので, そのまま含水の状態を示していると考えて大差 な い, こ れ に よ る と,. a . 火山灰←÷泥炭 7 含水率16~2 i % で最高凍上量を示し, この範囲では, ほぼ含水率・凍上量は比例関係にある, b , 赤土←÷泥炭 含水率16~27% で最高凍上量を示し, 含水率20~25%(赤土90%, 泥炭10%) のものが凍上 量最大であっ た.. c . 黒土←÷泥炭 含水率17~23%で最高凍上量を示し,含水率が上向くにつれて凍上量は逆に小さくな っている. 以 上 の よ う に な っ て いて, 吸 水 率 (ほ ぼ含 水 率 に等 しい と み な して) が c .b,と 異 な .の 場 合, a. った結果のでているのが注目されるが, これは黒土が吸水前から水分が多く, 吸水量が少なくて こ共通して, 泥炭の混合率の増加 も, 含水率が高いことがその原因と推定される, 以上, a ,c .し .b が吸水量を降下させることが示されている, これは, 一般に凍上の原因が飽和以上の水分吸収に よ っ て い る の と 異 な り 注 目 さ れ る,. ( ) 混合率と凍上量 3 6図は, 凍上量に 以下第3 ,4 , 5図と順を追って混合率と凍上量との関係について述 べる. 尚第. つ い て 一 括 して 示 した も の であ る.. a . 火山灰←÷泥炭 第 3図に示されるように, 泥炭の混合の割合が増加するに従って, 凍上量 が 降 り, 混 合 率 が 10% を越えるときは, 混合率10% につき凍上量は凡そ 4 mm 減 少 して い る. 20% (混 合 率) の 付近に谷ができているのは, 実験操作に起因するものと思われる. b . 赤土←÷泥炭. 第 4図に示されるように, 赤土の凍上量が非常に大きい (産業研究所研究速報にも 同様の結果 が示されている) が, 混合率20% 付近で, 泥炭の混合によって凍上量が強く押えられている.凍. 上の抑制される割合は泥炭の混合率10% について凡そ 1omm である, 10% 以下の混合では,ほ が赤土であることが確かめら とん ど凍上に影響は見られず, この -図からも, 凍上の主力をなすの れる. 写真9は (赤土←泥炭) 50%, 凍上量 17mm の も の で あ る,. c . 黒土←÷泥炭 第5図に見られるように, この場合も泥炭による抑制が見 られる. 図か ら, 吸水率と凍上量が 密接に関連 していることがわかり, 泥炭の凍上しない原因が, 凍結による体積増加の 吸収よりむ しろ, 吸水を制限することにあるように思われる,. 4 ) 混合率・吸水率と凍上量 ( 泥炭を除く 3種 (火山灰, 赤土, 黒土) のうちか ら, 2種の混合による吸水率・混合率と凍上量 の関係について, 第7 ,8 , 9図の順に, その結果について述べる. 尚, この実 験 で は, 混 合 率 を 10% 間 隔 で, ro~100% の 範 囲 で, 12 時 間 の 安定期間. を置いて試験に供した. a , 火山灰←÷赤土 3 )の場合の泥炭の抑制効果とは逆に,基本となる土壌の 1 ) 2 ) 赤土の混 合率の増加が, 上記( ,( ,( ‐ブの 凍上が助長されている様子が第7図に見られ, 10~50%付近に見 られる底部と吸水率 のカー (33).
(6) . . 混合士の凍上試験. 火山灰--… 尼炭. 3 0. 鋤. ’捌 i - ---. 1欄 1 ・ ーーー. . 、\ ぬ 、 ミミミも 、 、. 凍 上量 ( 2 獅 )0・. ′ 1. ′ 1. 水 吸 率挑も1 キ=. 吸 水 率 ハ ザ ダ. 1 7 .“. ;, .. { 含水率 ヲ 参. 、\ 、\ 、\ 、\、 \. 凍上 量. r l. ( 掴 鶏 ) ・ 吸 水率. に キー -. ( % ). 、. 9 9 ー i ,. キム. --ー. 、 ・. 1. 註:凍上量 ( 圃) 1r・一 IJ 吸水率 (%)1証 ←-「 1 ~=←- - - 4 (% ) 含水率 --一. 1 1. 0 1. 2 0 0 4 3 0 0 昆合洋 ( ) --- i 尼炭のラ ≧ る o. 5 0. 1 0. 5 0. 第 4 図. 第 3 図. 黒土. 4 0 0 3 0 2 デ 昆合季 … ( 夕) -÷÷拳 ; 泥炭α ). - 泥炭. 註:凍上量獅) 1忍 ′、一 { 二 吸水率 % 1証 ←-→ , . ′n ′ → ・ ー ー ー ー ー ・ 凍上 1 “ ′ ---- 3 0 含水率%) --- 2 8 6 1 . 、- ( 6 2 3 ) . 量 / 圃 」 ・ 吸2 水 0率 r % ). ハ. ′ 、 ・′ 、. ≧、. 、. . , ,. \ミ メ ニヘニ ミ ミ も 、 、 、 I. 1 0. 0 2 3 0 4 0 メ 泥炭のラ 昆合季ョ杉)----. 第 5 図. 1 1. 0 5. 0 1. 0 0 0 3 4 2 ‐ ) ’÷÷÷+ う ハ テ 兄 E r に(9 ; 尼# ‘ : r. 第 6 図. 5 0.
(7) . . 佐々木 一 郎. 矢 作. 裕. 赤土 一 黒土 ・ T - - 1 1 凍上 3 0. テー - - ,. 、 / 、、、 、q 、 ′ ′ 〆′Qべ 、 k4 ′ わ 〆 、、′. q 、 量 ( M )・ 吸 水 率 ,. 凍 上 量 r 圃 )・ 吸 水率. 1 ′1 P1 ( 0 } 2 4 , ′ ′1 ′ 、 、 ′ 1 イ キ′ 1. . ( =,い o l. 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 赤土の混合率(% 句 }-. q. ′ ′. /′ /′ ′ //. 0. /. ′ // .. . ‐\ノ 註:凍辻量M) 1証‐ ILI 吸水率 IO--. 、% ′ ′ 1′ n -- { 含水率 %) --一. 0 0 0 9 0 1 0 6 0 7 0 8 0 3 0 4 0 5 0 2 1 0 ( ; % ‐ i -÷÷ ‐ 黒土α“昆合季 o. 第 8 図. 第 7 図. 赤 土 a. 火山灰 b, 赤 土 -- 黒 土. c.黒 土 一 火山灰. 凍 上 異2 0. 0 ) ,. 0. ・ ー 0 1 0 0 0 3 0 4 0 7 0 9 0 6 0 2 0 5 0 0 8 ラ 昆 合 率(%) --+. 0 0 0 9 0 1 0 8 0 7 0 5 0 6 0 3 0 4 0 2 1 0 )-←→ ≦ ( 6 昆合洋 火山灰のラ. 第 10 図. 第 9 図. (35).
(8) . 混合土の凍上試験 谷との一致な ど, 吸水率との間に全体的によい一致が見 られる. この図で注目されるのは, 火山 灰90~50% に見 られる谷の部分で, 火山灰が砂のような 外観を呈していなが ら, 一度水を吸うと. 急激に泥状に変化し, 凍結するとコ ンク リート状の外観を示すが, これが赤土10~50%の混合に より, 泥状化が促進されて, 凍上量が減少し, これを越えると赤土本来の性質があ らわれるもの. 100%) 参照) と見 られる. (写真5 , 火山灰 ( b . 赤土←÷黒土. 黒土の混合率の10% の増加によって, 約 3 mm 凍上が抑制される. この場合, 吸水率は増加 しているが凍上がそれに伴っ ていない.. c . 黒土←÷火山灰 第 9図に見 られるように, 火山灰の混合率の20~4 0%のところに山があり, 以下凍上が抑制さ. れている様子が見 られる. 吸水率,湿土調整以前の含水率とを合わせて最終含水率を算出すると, 一様に35~40% でほぼ一定 しているから, これは火山灰による凍上 抑制とみてよい. 尚第10図 は, 比較のために, 第7 ,8 , 9図の凍上量と混合率のカーブを重ねて示 したものである.. 5 ) 孔隙率・保水比と凍上量 ( 第10 図において, 0%, 100%は混合していない試料によるもので, 三本の横線は, 赤土, 黒土, 火山灰の平均凍上量である. この順位は, 第1表の孔隙率の小一大の順序と一致しているが, 孔隙. が水分の凍 結の体積増加の吸収する役割を果た していると推定される. 保水比の場合, 黒土 火山 , 灰の順が入れ替 っているが, 吸水時の火山灰の特異な性質と関連 していると見 られる. W. あ. と. が. き. 試験結果を要約すれば次のようになる. i ) 混合土の冷却開始前の ・安定期間 は12時間を越えると凍上量に影響を与えない. i i ) 供試試料の凍上量は, 泥炭, 火山灰, 黒土, 赤土の順に大きく, 孔隙率が大きいほ ど凍上量が 少 な い,. i i i ) 供試試料の 2種の混合は, 凍上量の小さい方が, 他方の凍上を抑制する. i ) v 泥炭の凍上 抑制作用は, (凍結による体積増加の吸収) <(吸水量制限) と推定される. 以上のように, 試料の外観の相違による混 合土壌の凍上現象について若干の傾向が明 らかにされ たが, 依然と して微細な凍上の機構, 凍上力等については未解決の問題が残されている .. 最近再び釧路泥炭地の多目的開発が市の政策と して取上げられる機運に際 し, とくに道路建設に おいて凍上問題がク ローズアッ プされるの は必至と考えられるので, この実験が一つの基礎となっ. て今後発展するために, 市その他の関心及び援 助を期待 して止まない.. この試験報告を終えるにあたっ て, 昼夜を問わず実験に参加協力してくれた教室の学生諸君に謝. 意を表する. また,この試験に要 した費用の一部は昭和41年度北海道科学研究費補助金に依ったこ とを付記する. 参. 考. 文. 0 1%4 1) 産業研究所:研究速報 No )「混合土の凍上試験」 .2 ,(. 献. I 2) 吉田順五:低温科学 VO i944 )「凍上の機構」 .1 ,( 1 3) 太田長四郎, 神貞昭:雪氷 VO 6( 1964 2 ) No , .5「街路の凍上防止に関する一考察」 l N 4) 高宮庄一:雪氷 Vo 2 6( 1 6 5「 9 4 ) 住宅の凍上防止に関する一実験結果につ o いて」 . . (36).
(9) . 佐々木 一 郎. 裕. 一 撮. .. . . 護. 騒ぎ緒も. 凍上容. 凍上容器V. 写真2 凍上容器V. 写真3 凍上容器v, 底部. 写真4 凍上容器v. (37). . .
(10) . . 混合土の凍上試験 m) ( m. 輔 嬢 圏-. 0 1 8. 6 0 1. (x5 ) 1 4 0. 2 0 ー. 写真6. 火. 山. 灰. 8 0. 線. . 6 0. も ,き a 十ぎ. 二 て. 4 0. (x5 ). *艦長 * ÷ノ孝 ”. & . 竺も, 』J 一 一. 写真7 黒. 写真5. ′ 馨 -判濠 X. キー て 《. 土. . 00%, 凍上量18欄 火山灰1. .轡. や ・. {均整選 ば (×5 ). 写真8 赤. 土. ) m (m 8 0 1. 6 0 1 0 1 4 1 0 2 G O I 1灘灘轟き !霧 ′ 謝さ 警繋 灘 . ; - ; 落 ・. 8 0 ヂ S. 廠 4 0 , と≧ “. 6 0. 0 2. 写真IQ 凍結線の部分. z z z m 写真9 赤土泥炭50%, 凍上量i7. (38).
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