凍結融解作用を受けた飽和細粒土における透水係数変化の実験的評価

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博士学位論文

凍結融解作用を受けた飽和細粒土における

透水係数変化の実験的評価

2018 年

摂南大学大学院

理工学研究科 創生工学専攻

廣瀬 剛

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目次

第1 章 序論 ··· 1 1.1 研究背景 1 1.2 凍上現象および凍結融解土の透水係数に関する既往の研究 5 1.2.1 凍上現象に関する既往の研究 5 1.2.2 凍結融解土の透水係数に関する既往の研究 8 1.3 凍上実験装置 12 1.4 研究の意義 15 1.5 研究の目的 16 1.6 研究業績 17 1.7 各章の構成 21 参考文献 23 第2 章 アイスレンズの発生と凍結融解土の透水係数との関係 ··· 27 2.1 目的 27 2.2 実験方法 28 2.2.1 供試体作成 28 2.2.2 一次元凍結融解透水実験 29 2.2.3 三軸凍結融解透水実験 33 2.3 実験結果と考察 35 2.3.1 冷却速度の影響 35 2.3.2 最低冷却温度の影響 39 2.3.3 温度勾配の影響 40 2.3.4 凍上率と透水係数増加比の関係 41 2.3.5 間隙比と透水係数の関係 42 2.4 まとめ 43 参考文献 44

- 3 - 第3 章 地盤の固結度及び土被り圧と凍結融解土の透水係数変化との関係 ···45 3.1 目的 45 3.2 実験方法 46 3.2.1 供試体作成 46 3.2.2 実験条件 47 3.3 実験結果と考察 50 3.3.1 凍上量と給水量の経時変化 50 3.3.2 凍上率と透水係数変化の関係 52 3.3.3 予圧密荷重および実験荷重と透水係数変化との関係 55 3.3.4 実験荷重と透水係数の関係 57 3.3.5 過圧密比と透水係数の関係 58 3.3.6 実験荷重と透水係数増加比の関係 59 3.3.7 間隙比と透水係数の関係 60 3.4 まとめ 63 参考文献 64 第4 章 凍結融解土におけるアイスレンズ方向とアイスレンズ直交方向の 透水係数の関係 ··· 65 4.1 目的 65 4.2 実験方法 67 4.2.1 供試体作成 67 4.2.2 水平方向変位拘束凍結融解鉛直透水実験 68 4.2.3 実験条件 70 4.2.4 圧密透水試験 72 4.3 実験結果と考察 74 4.3.1 鉛直変位量と給排水量の経時変化 74 4.3.2 実験荷重および予圧密荷重の影響 75 4.3.3 給排水の影響 77 4.3.4 凍結融解繰り返し回数の影響 78 4.3.5 アイスレンズ発生面と透水試験の方向との関係 81 4.4 まとめ 87

- 4 - 参考文献 89 第5 章 アイスレンズ及び収縮ひび割れによる影響 ··· 90 5.1 目的 90 5.2 実験方法 91 5.2.1 供試体作成 91 5.2.2 実験条件 92 5.3 実験結果と考察 95 5.3.1 凍結方法の影響 95 5.3.2 アイスレンズと収縮クラックの影響 98 5.3.3 圧密透水試験の試料採取過程における乱れの影響 99 5.3.4 間隙比と透水係数の関係 101 5.4 まとめ 102 第6 章 人工地盤凍結工法における凍結融解土の透水係数の予測方法 ··· 103 6.1 目的 103 6.2 透水係数の予測方法 105 6.3 予測結果の検証 109 6.3.1 アイスレンズ面直交方向の透水係数分布 109 6.3.2 アイスレンズ面方向の透水係数分布 113 6.3.3 透水係数の予測値の検証 118 6.4 まとめ 120 第7 章 結論 ··· 122 研究業績 ··· 125 謝辞 ··· 128

1 第 1 章 序 論 1.1 研 究 背 景 寒 冷 地 に お い て 冬 季 に 土 が 凍 る と ，図 1-1 の よ う に 複 数 の ア イ ス レ ン ズ（ IL） や 収 縮 ひ び 割 れ（SC）を 発 生 さ せ な が ら 地 盤 が 隆 起 す る こ と が あ る ．こ れ が 凍 上 と 呼 ば れ る 現 象 で あ る ． 凍 上 量 は IL の 厚 み と ほ ぼ 等 し く ， 土 に 含 ま れ る 間 隙 水 が 水 か ら 氷 へ と 相 変 化 す る と き の 体 積 膨 張 量 （ 約 9%） と 比 較 し て 著 し く 大 き く な る ． そ し て ， 凍 結 融 解 後 に は 解 凍 沈 下 や 泥 濘 化 を 引 き 起 こ し ， 図 1-2 図 1-1 細 粒 土 の 凍 結 融 解 現 象 の 模 式 図 1 ) 図 1-2 凍 上 に よ る 舗 装 面 の 損 傷 状 況 2 )

Cold air

Water flow

Ice lens

Fr

ee

ze

Unfrozen

Freezing

Freeze-thawed

Shrinkage

crack

2 に 示 す よ う な 道 路 舗 装 の 被 害 等 2)_{を も た ら す 厄 介 な 問 題 と し て 知 ら れ て い る ．} 一 方 ， 凍 土 は 強 度 ， 遮 水 性 ， 凍 着 に よ る 密 閉 性 が 得 ら れ る た め ， こ れ を 利 用 し た 人 工 地 盤 凍 結 工 法 （AGF）が 古 く か ら 用 い ら れ て い る ．AGF は 1860 年 代 に 欧 州 で 鉱 山 の 立 坑 建 設 の お い て 始 ま り ， そ の 後 シ ー ル ド ト ン ネ ル ， 仮 締 め 切 り や 支 持 力 壁 な ど に 利 用 さ れ て き た 3)_{．ま た ，AGF は 欧 州 だ け で な く ，中 国 で} も 50 年 以 上 の 歴 史 が あ り ， 鉱 山 だ け で な く 仮 締 め 切 り や 支 持 力 壁 と し て 多 く の 施 工 事 例 4)_{が あ る ． 我 が 国 で も AGF は 50 年 以 上 の 歴 史 が あ り ，主 に シ ー ル} ド ト ン ネ ル の 発 進 ・ 到 達 防 護 や 地 中 接 合 な ど で 採 用 事 例 が 多 い 5)_． AGF は 汚 染 物 質 の 封 じ 込 め に も 用 い ら れ て お り ，ソ イ ル セ メ ン ト 壁 や 鋼 矢 板 と は こ と な り ， 汚 染 物 質 の 洗 浄 が 完 了 す る な ど 封 じ 込 め の 必 要 が な く な る と ， 凍 結 を 止 め れ ば 簡 単 に 凍 土 壁 を 取 り 除 く こ と が 可 能 で あ る ． 例 え ば ， ア メ リ カ で は ，サ ー モ プ ロ ー ブ を 汚 染 源 の 周 り に 配 置 し て 凍 土 遮 水 壁 を 構 築 す る 事 例 6)_， 自 然 冷 熱 と 人 工 冷 熱 を 組 み 合 わ せ た 凍 結 方 法 に よ り 汚 染 土 壌 と 地 下 水 を 隔 離 す る 事 例 7 )_{等 が 報 告 さ れ て い る ．} こ の よ う に ， 汚 染 物 質 の 封 じ 込 め 対 策 に AGF が 採 用 さ れ る 場 合 は 凍 土 壁 の 運 用 期 間 が 長 期 間 に な る ． 運 用 期 間 中 に 電 力 ト ラ ブ ル 等 に よ り 凍 土 の 全 部 ま た は 一 部 が 融 解 し て 生 じ る 地 下 水 流 を 事 前 に 評 価 す る こ と は ， 汚 染 物 質 の 封 じ 込 め に は 必 要 不 可 欠 で あ り ，凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 を 把 握 す る こ と が 重 要 に な る ． AGF は 一 般 的 に 図 1-38)_{に 示 す よ う に 施 工 さ れ る ．AGF で は 地 盤 に 凍 結 管 を}

Freezing pipe

Freezing pipe

Frozen soil columns

Frozen earth wall

Freezing process

3 打 設 し ， 凍 結 管 に 不 凍 液 を 循 環 し て 水 平 方 向 に 土 が 凍 結 さ れ 凍 土 柱 に な り ， 凍 結 の 進 行 に 伴 い 凍 土 柱 が 大 き く な る と ， や が て 閉 合 し て 凍 土 壁 が 構 築 さ れ る ． AGF は 大 深 度 で も 適 用 で き ，セ メ ン ト 等 に よ る 地 盤 改 良 と は 異 な り 地 盤 を 汚 染 す る 心 配 が な く ， 山 留 め 鋼 材 を 使 用 し な い た め 仮 設 材 を 地 中 に 残 置 し な い 等 の 利 点 が あ り ， こ れ ま で に 多 く の 施 工 事 例 が あ る ． 凍 土 の 遮 水 性 に 期 待 す る AGF の 適 用 事 例 と し て ，最 近 で は 福 島 第 一 原 子 力 発 電 所 廃 炉 事 業 に お い て 採 用 さ れ て い る 凍 土 遮 水 壁 が 注 目 さ れ て い る ． 凍 土 遮 水 壁 は 原 子 炉 建 屋 内 の 汚 染 さ れ た 水 が 周 囲 の 地 下 水 と 混 ざ る こ と に よ る 汚 染 水 の 拡 散 の 防 止 を 目 的 と し て お り ， 原 子 炉 建 屋 の 汚 染 水 漏 水 対 策 が 完 了 す る ま で 長 期 間 の 安 定 管 理 技 術 が 求 め ら れ て い る 9)_{． そ の た め に は 凍 土 遮 水 壁 が 電 力 ト ラ} ブ ル な ど で 融 解 し た 時 の 透 水 係 数 変 化 に よ り 生 じ る 地 下 水 の 流 れ を 把 握 す る こ と が 必 要 不 可 欠 で あ る ． 凍 土 壁 が 融 解 す る 過 程 で は ， 図 1-4 に 示 す よ う に 2 通 り の 地 下 水 の 水 流 が 発 生 す る と 考 え ら れ る ． 凍 土 壁 が 部 分 的 に 融 解 し た 場 合 に は 凍 結 管 の 間 や 壁 面 に 沿 っ た IL 方 向 の 流 れ （ 図 1-4(a)）が 生 じ ， 完 全 に 融 解 し た 場 合 に は IL の 痕 跡 　 　　 　 　　 　　 　 　　 　 1 1 2 1 　 　　 　 　　 　　 　 　　 　 2 2 B B A A A - A B - B 1 1 図 1-4 凍 土 壁 周 辺 に お け る 融 解 時 の 水 流 (a) 部 分 融 解 時 _{(b) 完 全 融 解 時}

4

に 直 交 す る 流 れ （ 図 1-4(b)） が 発 生 す る ． 粘 土 地 盤 が 凍 結 融 解 し て 透 水 係 数 が 増 加 す る と ， あ た か も 砂 地 盤 の よ う に 水 を 通 す よ う に な り ， 部 分 的 に 融 解 し た だ け で も 凍 土 壁 に 沿 っ て 地 下 水 が ， 凍 土 壁 で 締 め 切 ら れ た 構 内 へ 流 入 し ， そ の 結 果 汚 染 物 質 が 地 下 水 と 共 に 広 が り 汚 染 が 拡 大 す る 可 能 性 が あ る ．

5 1.2 凍 上 現 象 お よ び 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に 関 す る 既 往 の 研 究 1.2.1 凍 上 現 象 に 関 す る 既 往 の 研 究 凍 上 の 被 害 を 発 生 さ せ る IL の 発 生 と 成 長 は 地 盤 が 隆 起 す る だ け で な く ， IL へ の 水 分 移 動 に よ り 土 中 水 が 再 分 布 さ れ ， 凍 結 融 解 後 の 土 の 泥 濘 化 な ど を 引 き 起 こ す ． こ の よ う な 凍 害 を 防 止 す る こ と を 目 的 と し て 凍 上 過 程 に お け る IL 生 成 機 構 を 明 ら か に す る こ と が 試 み ら れ て き た ．先 駆 的 な 研 究 と し て は ，Taber10) が 1929 年 に 土 中 の 凍 結 時 に お け る IL が 発 生 状 況 を 示 し た こ と が あ げ ら れ る ． ま た ，Beskow11)_{は IL の 成 長 に は 水 の 供 給 経 路 と し て 不 凍 水 が 関 係 し て い る こ} と を 示 し た ．Jackson ら 12)_{は 凍 上 を 支 配 す る 要 素 と し て 地 表 面 か ら 熱 を 奪 う 速} 度 ， つ ま り 冷 却 速 度 や 凍 結 面 へ の 水 分 の 供 給 を 挙 げ て お り ， さ ら に 外 的 条 件 で あ る 上 載 荷 重 に も 依 存 す る と し た ． 凍 上 す る 土 質 に 関 し て ，Vinson ら 13)_{は 凍} 上 性 を 支 配 す る 粒 度 分 布 な ど の 工 学 的 要 因 を 示 し た ． 我 が 国 の 凍 上 に 関 す る 研 究 で は 寒 冷 地 の 鉄 道 に お け る 凍 上 対 策 が 先 行 し て 始 ま り ，続 い て1940 年 代 に は 北 海 道 の 道 路 整 備 に 関 す る 研 究 が 開 始 さ れ 14 )_，1950 年 代 は AGF の 国 内 で の 導 入 に 向 け て 研 究 が 始 め ら れ た 4)_． 土 の 凍 上 に 影 響 を 及 ぼ す 要 因 は ① 土 の 内 因 的 に も っ て い る 要 因 （ 粒 度 分 布 ， 比 表 面 積 ，透 水 係 数 ，間 隙 水 の 化 学 的 性 質 な ど ），② 外 的 条 件 に よ っ て 変 化 す る 要 因（ 凍 結 中 の 拘 束 力 ，間 隙 水 圧 ，凍 結 速 度 な ど ）に 大 別 さ れ る 15 )_{．① は 主 に} 寒 冷 地 に お け る 自 然 凍 上 を 対 象 と し て お り ， ② で は AGF に 関 係 す る 要 因 と し て も 研 究 が 進 め ら れ て き て い る ． ① に 関 し て IL の 生 成 機 構 の 解 明 を 目 的 に 多 く の 研 究 が 行 わ れ て い る ．現 在 ， 提 唱 さ れ て い る 主 な IL の 生 成 理 論 に は ， Sill ら の 毛 管 理 論 16)_{，Miller の 二 次} 凍 上 理 論 17)_{な ど が あ る ．} 特 に ，Miller の 二 次 凍 上 理 論 は と び と び に 発 生 す る IL の 生 成 を 扱 え る 理 論 で あ り ，Gilpin18)_{や Takagi}19)_{な ど 多 く の 研 究・改 良 例 が 報 告 さ れ て い る ．二 次} 凍 上 理 論 で は IL か ら 凍 結 面 ま で の 領 域 （ フ ロ ー ズ ン フ リ ン ジ ） へ 連 続 し た 間 隙 氷 が 存 在 す る 領 域 が あ り ， 間 隙 氷 の 一 部 が IL の 成 長 面 に な る と し て い る ． フ ロ ー ズ ン フ リ ン ジ に 関 係 す る 研 究 で は ， 例 え ば ，Akagawa ら 20)_{は 実 験 的 に}

6 IL と 0℃ の 間 の 領 域 が あ る こ と を 確 認 し た が ，渡 辺 ら 2 1)_{は 凍 結 面 近 傍 に お け る} 微 視 的 構 造 を 観 察 し て も Miller が 提 唱 し た よ う な 間 隙 氷 が 見 ら れ な か っ た こ と を 報 告 し て い る ．IL か ら 凍 結 面 ま で の 領 域 で は 水 分 の 移 動 に 関 係 す る 不 凍 水 や サ ク シ ョ ン ， 間 隙 氷 の 存 在 の 有 無 に つ い て 多 く の 研 究 が 行 わ れ て い る が ， 実 験 的 に IL 発 生 の 理 論 が 証 明 さ れ て は い な い ． そ の た め ， IL の 生 成 に 関 す る メ カ ニ ズ ム は 現 在 の と こ ろ 明 ら か で は な い ． ② に 関 す る 国 内 の 代 表 的 な 凍 上 理 論 は 高 志 15 )_{か ら 提 案 さ れ た ．高 志 は 凍 上 率} が 有 効 応 力 と 凍 結 速 度 の 影 響 を 受 け る と 考 え ， こ れ ら の 関 係 を 定 式 化 し ， 次 の 式(1.1)が 成 立 す る こ と を 示 し た ． こ こ に ，ξ は 凍 上 率（Vh/Vs），Vsは 凍 結 し た も と の 容 積 ，Vhは 凍 上 に よ り 増 加 し た 容 積 ， σ は 外 力 で あ る ． ξ0， σ0，U0は 対 象 土 固 有 の 値 で 凍 上 定 数 と 呼 ば れ る ． ξ0 は 外 力 と 凍 上 率 と の 関 係 か ら 求 め ら れ ， さ ら に 凍 結 速 度 を 考 慮 し て U0お よ び σ0が 求 め ら れ る ． 高 志 の 式 は 国 内 で 広 く 凍 上 予 測 に 使 用 さ れ て お り ， 現 在 の 国 内 基 準 で あ る 地 盤 工 学 会 基 準 （JGS-0171-2009） で は 高 志 の 式 で 必 要 な 定 数 を 求 め ら れ る 凍 上 試 験 方 法 を 設 定 し て い る 22)_． 一 方 ， 外 国 で は 凍 上 量 を 定 量 的 に 予 測 す る 代 表 的 な 構 成 式 と し て Konrad の 分 離 ポ テ ン シ ャ ル 理 論 23)_{が あ げ ら れ る ．分 離 ポ テ ン シ ャ ル 理 論 で は 凍 上 量 を 定} 量 的 に 予 測 す る た め に ．分 離 ポ テ ン シ ャ ル（SP）を 定 義 し ，温 度 勾 配 に 基 づ く 構 成 式 を 誘 導 し た ．SP は ア イ ス レ ン ズ 付 近 で の 水 の 吸 水 速 度 と 温 度 勾 配 の 比 で あ り ，SP の 決 定 に は 荷 重 ， サ ク シ ョ ン ， 冷 却 速 度 の 3 条 件 を 考 慮 す る 必 要 が あ っ た ．Nixon24 )_{に よ る DIL モ デ ル は Gilpin の モ デ ル を 拡 張 ， 修 正 し た も}

の で ，SP 理 論 と も 整 合 し て お り ，SP 理 論 よ り も 取 り 扱 い が 大 幅 に 簡 略 化 さ れ ， DIL モ デ ル の 構 成 式 の 導 出 過 程 で SP が 冷 却 速 度 に 無 関 係 で あ る こ と が 示 さ れ ， DIL パ ラ メ ー タ （ ko，α） と ， 外 部 条 件 と し て 上 載 荷 重 と サ ク シ ョ ン を ま と め ら れ た 荷 重 項 の み の 関 数 と し て 式(1.2)の よ う に 表 さ れ た ．



























U

U

1

0 0 0 (1.1)

7 こ こ に ，Kf，Kffは 凍 土 ， 凍 結 フ リ ン ジ の 熱 伝 導 率 ，Gf f は 凍 結 フ リ ン ジ の 温 度 勾 配 ，Vffは ア イ ス レ ン ズ 底 部 へ の 凍 結 フ リ ン ジ 中 の 水 流 ，L は 水 の 潜 熱 ，ko は-1℃ に お け る 凍 土 の 透 水 係 数 ，α は 凍 土 の 透 水 係 数 と 温 度 の 関 係 を 示 す 定 数 ， β は 熱 力 学 定 数 ，P0は 上 載 荷 重 ，Puは 凍 結 フ リ ン ジ と 未 凍 土 の 境 界 に お け る 水 圧 で あ る ． 高 志 の 凍 上 理 論1 5)_{やKonrad の 分 離 ポ テ ン シ ャ ル 理 論} 23)_{は 定 量 的 な 凍 上 解 析} 方 法 と し て 研 究 ・ 改 良 が 行 わ れ ， 実 用 に 供 さ れ て い る ． 以 上 の よ う に ， 凍 上 現 象 は 内 因 的 な 要 因 と 外 的 条 件 に よ る 要 因 に よ っ て 決 定 さ れ る と 考 え ら れ る ．AGF で は 凍 上 発 生 を 支 配 す る 水 分 や 温 度 ，荷 重 を 定 量 的 に 設 定 で き る た め ， 高 志 の 式 や SP 理 論 な ど 凍 上 予 測 の た め の 構 成 式 が 実 用 に 供 さ れ て い る が ， 自 然 寒 冷 地 に お け る 凍 上 現 象 を 予 測 す る 場 合 に は 内 因 的 お よ び 外 的 条 件 が 複 雑 に な る た め 実 務 に 堪 え う る 評 価 方 法 は 見 当 た ら な い の が 現 状 で あ る ．





SP

1

k

P

P

09

.

1

1

K

L

V

G

K

K

1 0 u 0 f ff ff ff f

















_

























_  (1.2)

8 1.2.2 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に 関 す る 既 往 の 研 究 凍 上 現 象 は 間 隙 水 の 凍 結 に よ る 土 の 間 隙 の 開 き ，IL へ の 水 分 移 動 ，凍 結 面 近 傍 の 未 凍 土 に お け る 脱 水 圧 密 を 引 き 起 こ し ， 土 の 構 造 を 変 化 さ せ る ． 融 解 後 に は こ の よ う な 構 造 変 化 が 完 全 に 元 の 状 態 に 戻 ら ず に 土 の 圧 密 特 性 や 強 度 特 性 な ど を 変 化 さ せ ，自 然 凍 上 で は 道 路 構 造 物 な ど に 被 害 を 与 え る 要 因 と な っ て き た ． 凍 結 融 解 に よ る 被 害 を 抑 制 す る た め に は ， 凍 結 融 解 に よ る 土 の 透 水 係 数 の 変 化 等 の 性 質 変 化 の メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る こ と が 必 要 で あ り ， こ れ ま で 多 く の 研 究 が 行 わ れ て き た ． Chamberlain ら25 )_{は 凍 結 融 解 を 繰 り 返 す こ と に よ り 図1-5 に 示 す よ う に 透 水} 係 数 が 増 加 す る こ と を 確 認 し ， こ の よ う な 土 の 密 度 と 透 水 係 数 が 共 に 増 加 す る 不 自 然 な 現 象 は ， 凍 結 に よ る 土 粒 子 の 再 配 列 と 凍 結 面 よ り 高 温 側 で 発 生 す る 収 縮 ひ び 割 れ が 影 響 し て い る と の 見 解 を 示 し た ． ま た ，Benson ら 26)_{は 透 水 係 数} の 増 加 は 凍 結 融 解 後 の IL が 痕 跡 と し て 残 り ， 水 道 （ み ず み ち ） に な る た め で あ る と の 見 解 を 示 し た ．Paudel ら 27)_{は 凍 結 融 解 の 繰 返 し に よ り ， 透 水 係 数 の} 増 加 量 が 少 な く な る 傾 向 を 示 し ， 透 水 係 数 の 変 化 に は 凍 結 に よ る 土 の 構 造 変 化 が 関 係 し て い る こ と が 示 唆 さ れ た ． 一 方 ，Konrad ら 28)_{は IL の 痕 跡 が 見 ら れ な い 場 合 に お い て も 凍 結 融 解 を 受} 図 1-5 凍 結 融 解 繰 返 し 後 の 鉛 直 方 向 の 透 水 係 数 変 化 2 5 )

9 け た 土 の 透 水 係 数 が 増 加 し た こ と を 示 し ，Dumais ら 29)_{は 粘 土 分 や シ ル ト 分 の} 含 有 率 を 細 粒 分 の 含 有 率 や 細 粒 分 の 平 均 粒 径 で 評 価 し ， 細 粒 分 が 多 く ， 粒 径 が 小 さ い 場 合 に は 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 が 大 き く な る こ と を 報 告 し た ． 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 と 外 的 条 件 と の 関 係 に つ い て も 多 く の 研 究 が 行 わ れ て い る ．Othman ら 30)_{は ，凍 結 融 解 繰 り 返 し に よ る 透 水 係 数 の 増 加 は 上 載 荷 重 を} 大 き く す る こ と に よ り 低 く 抑 え ら れ る こ と を 報 告 し ， こ の 原 因 は IL の 発 生 が 上 載 荷 重 で 抑 制 さ れ る た め で あ る と 結 論 づ け た ．Sterpi ら 31 )_{は 凍 結 前 の 締 固 め} 度 が 異 な る 3 種 類 の 土 に つ い て 凍 結 融 解 を 繰 り 返 し た 結 果 ，い ず れ も 透 水 係 数 は 増 加 し ， 締 固 め 度 の 高 い 土 は 締 固 め 度 の 低 い 土 に お け る 透 水 係 数 に 近 づ く 傾 向 が あ る こ と を 報 告 し た ．中 村 ら 32 )_{は 小 さ い 締 め 固 め エ ネ ル ギ ー で 作 成 さ れ た} 供 試 体 で は ， 凍 結 融 解 後 に は 凍 結 前 と 比 較 し て 間 隙 比 と 透 水 係 数 が 共 に 減 少 す る こ と を 報 告 し て い る ． Ito ら 33)_{は 凍 結 融 解 に よ る 透 水 係 数 変 化 に 影 響 を 及 ぼ す 外 的 条 件 に よ る 要 因} と し て 冷 却 方 法 や 上 載 荷 重 を 変 え た 精 緻 な 実 験 を 行 い ， 正 規 圧 密 の 藤 森 粘 土 と 関 東 ロ ー ム で は 図 1-6 で 認 め ら れ る よ う に 凍 結 方 法 と 凍 結 融 解 後 の 透 水 係 数 に は 関 連 性 が な く ， 凍 結 融 解 時 の 上 載 荷 重 の み が 影 響 す る こ と を 示 し た ． ま た ， 玉 崎 ら 3 4)_{は 関 東 ロ ー ム を 用 い て 凍 結 融 解 実 験 お よ び 圧 密 透 水 試 験 を 行 い ，凍 結} 融 解 前 後 の 間 隙 比 と 透 水 係 数 の 関 係 を 調 べ ，図 1-7 に 示 す よ う な 結 果 を 示 し た ． こ の 図 よ り ， 凍 結 融 解 実 験 で 得 ら れ た 凍 結 前 と 凍 結 融 解 後 の 透 水 係 数 を 結 ぶ と 破 線 の よ う に な り ， 凍 結 融 解 し た 土 の 圧 密 透 水 試 験 結 果 と 交 わ る ． 圧 密 透 水 で は 凍 結 融 解 に よ る 土 の 構 造 変 化 の 影 響 が 取 り 除 か れ て い る た め ， 未 凍 結 土 と 圧 (a)冷 却 速 度 と の 関 係 (b)上 載 荷 重 と の 関 係 図 1-6 冷 却 条 件 と 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 と の 関 係 3 3 )

10 密 透 水 試 験 に よ る 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 変 化 は 土 粒 子 の 変 化 に 起 因 す る も の で あ る と 考 え ら え る ． 一 方 ， 圧 密 透 水 試 験 と 凍 結 融 解 実 験 に お け る 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 の 差 は 土 の 構 造 変 化 に よ る も の で あ る と 考 え ら れ る ． つ ま り ， 凍 結 融 解 に よ る 透 水 係 数 変 化 は 土 の 構 造 変 化 と 土 粒 子 自 体 （ 要 素 ） の 変 化 と に 分 け る こ と が で き る こ と が わ か る ． そ し て ， 高 圧 力 下 で は 要 素 変 化 の 割 合 が 大 き く ， 低 圧 力 下 で は 構 造 変 化 の 割 合 が 大 き く な る こ と が 報 告 さ れ た ． 凍 結 土 の 融 解 に よ る 土 の 構 造 変 化 に 視 点 を 置 く と ，広 瀬 ら 35)_{は 飽 和 細 粒 土 の} 凍 結 融 解 土 の 含 水 比 分 布 を 測 定 し ， 凍 土 で は 含 水 比 が 増 加 し ， 未 凍 土 で は IL の 発 生 に よ る 脱 水 圧 密 に よ り 含 水 比 が 低 下 し て い る こ と を 確 認 し た ． ま た ， 片 野 田 ら 36)_{は 凍 結 融 解 実 験 と 凍 結 融 解 土 の 圧 密 実 験 を 行 い ，IL 付 近 に お い て 脱} 水 圧 密 が 生 じ ， 透 水 係 数 は 凍 結 融 解 土 お よ び 未 凍 結 土 の 両 方 が 増 加 し て い る こ と を 確 認 し た ．佐 藤 ら 37)_{は 高 含 水 比 の 不 良 土 の 凍 結 融 解 に よ る 含 水 比 分 布 の 変} 化 を 調 べ ， 未 凍 土 で は 脱 水 圧 密 に よ り 含 水 比 が 低 下 し ， 地 表 面 近 く の 凍 結 融 解 土 で は 蒸 発 等 に よ り 含 水 比 が 低 下 し た こ と を 報 告 し た ． こ の よ う に 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 変 化 を 支 配 す る 要 因 に つ い て 多 く の 知 見 が 得 ら れ て お り ， 土 の 粒 度 分 布 や 固 結 度 ， 上 載 荷 重 が 凍 結 時 の 土 中 の 水 分 移 動 お よ び 脱 水 圧 密 ， 土 構 造 ・ 土 粒 子 の 変 化 等 に 影 響 を 与 え ， 凍 結 融 解 後 の 透 水 係 数 変 化 に 強 く 影 響 す る こ と が 予 想 さ れ る が ， そ の メ カ ニ ズ ム が 明 ら か に な っ た と 図 1-7 凍 結 融 解 に よ る 土 の 構 造 変 化 お よ び 要 素 変 化 に 起 因 す る 透 水 係 数 変 化 3 4 ) Thawed

Consolidation permeability test

11 は 言 え な い ． こ れ ら の 研 究 は 自 然 凍 上 の よ う に 低 荷 重 に お け る 凍 結 融 解 時 の 透 水 係 数 変 化 に 着 目 し た も の で あ り ， 人 工 地 盤 凍 結 工 法 （AGF） の よ う に 固 結 度 が 高 く ， 上 載 荷 重 が 大 き い 地 盤 が 凍 結 融 解 さ れ る こ と を 想 定 し て は い な い ． ま た ， こ れ ら の 研 究 で 行 わ れ た 一 般 的 な 凍 上 実 験 は ， 上 載 荷 重 が 作 用 す る 方 向 と 凍 結 が 進 行 す る 方 向 ， 透 水 試 験 で 通 水 す る 方 向 が 全 て 同 じ 方 向 で あ る ． つ ま り ，AGF の よ う に 上 載 荷 重 が 鉛 直 方 向 に 作 業 し ，凍 結 が 水 平 方 向 に 進 行 す る 場 合 に お け る 凍 結 融 解 土 の 鉛 直 方 向 の 透 水 係 数 の 変 化 に つ い て は 検 討 さ れ て い な い ．

12 1.3 凍 上 実 験 装 置 土 の 凍 結 に 関 す る 研 究 は 寒 冷 地 を 中 心 に 世 界 中 で 行 わ れ て お り ， 凍 上 実 験 装 置 は 研 究 の 目 的 に よ り 異 な る 部 分 が あ る も の の ，Taber10)_{が 室 内 実 験 を 行 っ た} 装 置 と 基 本 的 な 機 能 は 同 じ で あ る ． 我 が 国 の 凍 上 量 予 測 の 基 準 の 一 つ で あ る 地 盤 工 学 会 基 準 （JGS0171-2009） の 凍 上 実 験 装 置 （ 図 1-8） も 基 本 的 な 構 成 は Taber の 実 験 装 置 と 同 じ で あ る ． 凍 上 実 験 装 置 は 図 に 示 す よ う に 載 荷 方 向 ， 凍 結 方 向 は 共 に 鉛 直 方 向 で あ り ， 実 験 要 件 と し て 下 部 冷 却 盤 を 低 温 側 ， 上 部 冷 却 盤 を 高 温 側 と し ， 上 部 冷 却 プ レ ー ト が 供 試 体 の 変 位 を 妨 げ る こ と が な い 構 造 と す る こ と が 規 定 さ れ て い る 22 )_{．こ れ は 上 部 冷 却 盤 が 凍 着 に よ り モ ー ル ド と 接 着} さ れ る と 鉛 直 変 位 が 拘 束 さ れ る た め で あ る ． 一 般 的 な 凍 上 実 験 で は AGF の よ う に 凍 土 壁 を 構 築 す る 際 に 凍 結 方 向 と 直 交 す る 方 向 に も 変 位 が 発 生 す る こ と が 考 慮 さ れ て い な い ．そ こ で ，山 本 ら 38 )_{は 凍} 結 方 向 の 拘 束 応 力 及 び 凍 結 方 向 と 直 角 す る 方 向 の 拘 束 応 力 を そ れ ぞ れ 任 意 に 与 え る 開 放 型 の 凍 上 試 験 装 置 （ 三 軸 凍 上 試 験 装 置 ） を 提 案 し て い る ． 図 1-8 凍 上 試 験 機 の 概 念 図 2 2 )

13 凍 結 融 解 に 関 す る 研 究 に お い て は 凍 結 前 と 凍 結 融 解 後 そ れ ぞ れ の 透 水 係 数 を 測 定 す る こ と を 目 的 と し て ， 一 般 的 な 凍 上 実 験 と 透 水 試 験 を 組 み 合 わ せ た 凍 上 実 験 装 置 も 多 く 提 案 さ れ て い る ． 例 え ば ，Konrad ら 28 )_{は 図 1-9 に 示 す 実 験 装} 置 を 用 い て 凍 結 融 解 に よ る 透 水 係 数 の 変 化 を 検 討 し て い る ． こ れ は 凍 結 方 向 ， 荷 重 の 載 荷 方 向 ， 透 水 試 験 の 方 向 が い ず れ も 鉛 直 方 向 と な る 実 験 装 置 で あ る ． AGF に よ り 構 築 さ れ た 凍 土 壁 が 融 解 す る 場 合 を 考 慮 で き る 凍 結 融 解 透 水 実 験 と し て ，例 え ば ，伊 藤 ら 39 )_{に よ り 三 軸 凍 上 試 験 と 透 水 試 験 を 組 み 合 わ せ た 等} 方 圧 力 条 件 に お け る 凍 結 融 解 に よ る 透 水 係 数 変 化 を 測 定 で き る 実 験 装 置 が 提 案 さ れ て い る ． こ の よ う な 三 軸 凍 結 実 験 と 透 水 係 数 を 組 み 合 わ せ た 実 験 に お い て も 凍 結 方 向 と 透 水 試 験 を 実 施 す る 方 向 は 共 に 鉛 直 方 向 で あ る ． 以 上 の よ う に 凍 上 実 験 と 透 水 試 験 を 組 み 合 わ せ た 実 験 方 法 が 提 案 さ れ て い る が ，凍 結 方 向 と 直 交 す る 方 向 の 透 水 係 数 を 評 価 す る 凍 結 融 解 透 水 実 験 の 方 法 は ， 現 在 の と こ ろ 確 立 し て い な い ． 凍 土 壁 を 遮 水 目 的 で 適 用 す る 場 合 に は ， 凍 結 膨 張 に よ っ て 生 じ る 周 辺 環 境 や 近 接 構 造 物 へ の 影 響 だ け で は な く ， 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 の 増 加 を 把 握 し ， 部 分 的 も し く は 完 全 に 融 解 し た 場 合 に 凍 土 壁 で 隔 離 さ れ て い る 地 盤 へ 進 入 す る 水 量 を 事 前 に 予 測 し て ， デ ィ ー プ ウ ェ ル な ど の 排 水 設 備 を 計 画 す る 必 要 が あ る ． To d r a i n a g e P l e x i g l a s P V C 図 1-9 凍 結 融 解 透 水 試 験 装 置 の 例 2 8 )

14 現 在 の と こ ろ ， 実 務 で は 福 島 原 子 力 発 電 所 の 廃 炉 事 業 に お い て 検 討 さ れ て い る よ う に ， 地 盤 工 学 会 基 準 に 準 拠 し て 土 を 凍 結 融 解 さ せ ， 凍 結 融 解 後 の 試 料 か ら サ ン プ ル を 採 取 し て 透 水 係 数 を 測 定 す る 方 法 が 行 わ れ て い る 40 )_{．こ の 方 法 の} 利 点 は 試 験 が 簡 単 で あ る と い う こ と に あ る ． し か し ， こ の 方 法 で は 凍 結 融 解 土 の 凍 結 方 向 に 直 交 す る 方 向 （IL 痕 方 向 ） の 透 水 係 数 を 直 接 測 定 で き な い た め ， IL 痕 方 向 の 凍 結 融 解 に よ る 透 水 係 数 の 変 化 を 正 し く 評 価 で き て い る か は 不 明 で あ っ た ．

15 1.4 研 究 の 意 義 AGF は 大 深 度 で の シ ー ル ド 工 事 な ど で 多 く 施 工 さ れ て き た ．近 年 で は 福 島 の 凍 土 遮 水 壁 の よ う に 汚 染 水 や 汚 染 土 壌 を 周 囲 の 地 下 水 か ら 隔 離 す る 遮 水 壁 と し て の 用 途 で も 適 用 さ れ て い る ． 遮 水 を 目 的 と し て AGF が 施 工 さ れ る 場 合 に は 凍 土 を 比 較 的 長 期 間 運 用 す る こ と が 必 要 で あ る ． 遮 水 を 目 的 と し て AGF に よ り 凍 土 壁 が 構 築 さ れ る 場 合 ，凍 土 壁 が 部 分 的 に 融 解 す る と 透 水 係 数 の 大 幅 な 増 加 に よ り 周 囲 の 地 下 水 が 回 り 込 み ， 汚 染 の 拡 大 を 招 く な ど 深 刻 な 被 害 に 発 展 す る 可 能 性 が あ る ． し か し ， 凍 土 融 解 す る 時 に 発 生 が 予 想 さ れ る IL 痕 方 向 の 透 水 係 数 は ， こ れ ま で 実 験 的 に 明 ら か に さ れ て い な か っ た ． ま た 自 然 条 件 下 に お け る 凍 結 融 解 に よ る 透 水 係 数 変 化 も 定 性 的 な 解 釈 に と ど ま っ て お り ， 実 務 的 な レ ベ ル で の 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 を 予 測 は 不 可 能 で あ っ た ． 本 研 究 で は ，IL 痕 方 向 の 透 水 係 数 の 変 化 を 測 定 す る こ と が 可 能 な 実 験 装 置 を 新 た に 開 発 し ， こ れ ま で 明 ら か で は な か っ た IL 痕 方 向 の 凍 結 融 解 に よ る 透 水 係 数 増 加 の 要 因 を 検 討 す る こ と が 可 能 と な っ た ． こ の 実 験 装 置 と 一 般 的 な 凍 上 実 験 装 置 を 用 い て ，凍 結 融 解 土 の IL 痕 方 向 お よ び IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 を 明 ら か に す る ． そ し て ， 本 研 究 で は 簡 単 な 実 験 を 行 う だ け で 凍 結 履 歴 の な い 地 盤 に お け る 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 を 予 測 で き る 方 法 が 提 案 さ れ る ． 凍 土 壁 が 部 分 的 お よ び 完 全 に 融 解 し た 際 の 透 水 係 数 を 予 測 す る こ と で ， 凍 土 壁 が 融 解 し た 際 に 凍 土 壁 で 囲 ま れ た 領 域 へ 入 り 込 む 水 の 量 を 把 握 で き る た め ， 設 計 段 階 か ら 構 内 に 必 要 な デ ィ ー プ ウ ェ ル の 設 置 本 数 な ど を 設 定 で き る よ う に な る ．

16 1.5 研 究 の 目 的 本 研 究 の 目 的 は 人 工 地 盤 凍 結 工 法 等 で 問 題 と な る 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 を 実 験 的 に 評 価 す る 方 法 を 開 発 す る こ と で あ り ，IL 痕 方 向 お よ び IL 痕 に 直 交 す る 方 向 の 透 水 係 数 に つ い て ， 次 の よ う な 検 討 を 行 っ た ． (1) 凍 結 融 解 土 の IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 に 影 響 を 及 ぼ す 要 因 を 明 確 に す る た め に ，IL の 発 生 量 を 左 右 す る 冷 却 方 法 と 透 水 係 数 と の 関 係 を 検 討 す る ． (2) 凍 結 融 解 土 の IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 に 影 響 を 及 ぼ す 要 因 と し て ，土 の 固 結 度 や 現 地 盤 で 受 け る 上 載 荷 重 の 影 響 を 解 明 す る た め に ， 予 圧 密 荷 重 お よ び 実 験 荷 重 と 透 水 係 数 と の 関 係 を 明 ら か に す る ． (3) 凍 結 融 解 土 の IL 痕 方 向 の 透 水 係 数 に 影 響 を 及 ぼ す 要 因 お よ び ， IL 方 向 と IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 の 違 い を 明 ら か に す る た め に ，人 工 地 盤 凍 結 工 法 を 想 定 し た 水 平 方 向 変 位 拘 束 凍 結 融 解 鉛 直 透 水 実 験 装 置 を 用 い て 凍 結 融 解 土 の IL 痕 方 向 の 透 水 係 数 と 冷 却 方 法 お よ び 荷 重 条 件 等 と の 関 係 を 検 討 す る ． ま た ，IL 痕 方 向 と IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 を 比 較 し て そ れ ら の 違 い の 要 因 を 明 ら か に す る ． さ ら に ， 凍 結 融 解 土 に 段 階 的 に 荷 重 を 加 え て 透 水 係 数 の 変 化 を 調 べ る こ と に よ っ て ， 凍 結 融 解 に よ る 土 粒 子 の 変 化 （ 要 素 変 化 ） に つ い て も 検 討 し た ． (4) IL や SC の 発 生 が 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に 及 ぼ す 影 響 を 解 明 す る た め に ， 凍 結 面 を 固 定 し て 大 き なIL お よ び SC を 発 生 さ せ て 得 ら れ た 凍 結 融 解 後 の 透 水 係 数 と ， 凍 結 面 を 一 方 向 に 進 行 さ せ て 小 さ い ア イ ス レ ン ズ を 複 数 発 生 さ せ て 得 ら れ た 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 の 違 い を 明 ら か に す る ． (5) 凍 結 融 解 土 の IL 痕 方 向 と IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 を 実 験 的 に 求 め る た め の 簡 易 な 予 測 方 法 を 提 案 す る ．

17 1.6 研 究 業 績 著 者 が 摂 南 大 学 大 学 院 で 研 究 し て い る テ ー マ は ， 凍 結 融 解 さ れ た 細 粒 土 の 透 水 係 数 を 予 測 す る 方 法 の 提 案 ， 凍 結 融 解 作 用 と イ オ ン 交 換 反 応 を 利 用 し た 汚 染 土 壌 の 洗 浄 技 術 の 開 発 で あ る ． こ れ ら の 研 究 課 題 に つ い て 6 編 の 査 読 論 文 ， 6 編 の 論 文 ・ 口 頭 発 表 を 行 い ， 共 著 と し て 8 編 を 報 告 し た ． 本 論 文 は ， 人 工 地 盤 凍 結 工 法 で 凍 結 融 解 さ れ た 細 粒 土 の 透 水 係 数 変 化 に 関 す る 研 究 ① ～ ⑨ ，⑬ ，⑯ ， ⑳ の 内 容 に つ い て ま と め た も の で あ る ． (1) 査 読 論 文

① Go Hirose， Yuzuru Ito： Experimental study on the permeability change of fine-grained soil by freeze-thaw effect ， The 11t h _{International}

Symposium on Cold Regions Development (ISCORD2016) ， USB 6-2 IC-013 (2016). ② 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲：飽 和 細 粒 土 の 凍 結 融 解 に よ る ア イ ス レ ン ズ 方 向 の 透 水 係 数 変 化 － 融 解 後 の 間 隙 比 分 布 の 影 響 － ，摂 南 大 学 融 合 科 学 研 究 所 論 文 集 ，第 2 巻 ， 第 1 号 ， pp.40-50 (2016)． ③ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲 ，石 川 達 也 ，赤 川 敏 ，所 哲 也 ，大 西 有 三 ，上 田 保 司：飽 和 細 粒 土 の 凍 結 融 解 作 用 に よ る 透 水 係 数 変 化 の メ カ ニ ズ ム に 関 す る 実 験 的 研 究 ， 第 12 回 地 盤 改 良 シ ン ポ ジ ウ ム 論 文 集 ， 3-3， pp.123-130 (2016)． ④ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲 ，石 川 達 也 ，赤 川 敏：凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 の 実 験 的 予 測 方 法 ， 土 木 学 会 論 文 集 C(地 圏 工 学 )， Vol.73， No.2， pp.131-140 (2017)．

⑤ Go Hirose ， Yuzuru Ito ： Experimental estimation of permeability of freeze-thawed soils in artificial ground freezing ， Proceedings of the International Scientific Conference Transportation Geotechnics and

18

Geoecology(TGG 2017) ， Procedia Engineering ， Vol.189 ， pp.332-337 (2017)． ⑥ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲：凍 結 融 解 作 用 に よ る 透 水 係 数 の 変 化 と ア イ ス レ ン ズ の 痕 跡 と の 関 係 ， 材 料 ，Vol.67， No.1， pp.28-33 (2018)． (2) 論 文 ・ 口 頭 発 表 ⑦ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲 ，石 川 達 也 ，赤 川 敏 ，所 哲 也 ，大 西 有 三：飽 和 細 粒 土 の 凍 結 融 解 前 後 に お け る 熱 流 直 角 方 向 の 透 水 係 数 変 化 に 関 す る 実 験 ，平 成 27 年 度 土 木 学 会 関 西 支 部 年 次 学 術 講 演 会 講 演 概 要 集 ， Ⅲ-13 (2015)． ⑧ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲 ，石 川 達 也 ，赤 川 敏 ，所 哲 也 ，大 西 有 三 ，上 田 保 司：飽 和 細 粒 土 の 凍 結 融 解 前 後 に お け る ア イ ス レ ン ズ 面 方 向 の 透 水 係 数 変 化 に 関 す る 実 験 ，土 木 学 会 第 70 回 年 次 学 術 講 演 会 講 演 概 要 集 ，Ⅲ -281，pp.561-562 (2015). ⑨ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲 ，石 川 達 也 ，赤 川 敏 ，所 哲 也 ，大 西 有 三：凍 結 融 解 繰 り 返 し に よ る 飽 和 細 粒 土 の ア イ ス レ ン ズ 面 方 向 の 透 水 係 数 に つ い て(1)， 土 木 学 会 第 71 回 年 次 学 術 講 演 会 講 演 概 要 集 ， Ⅲ -314， pp.627-628 (2016). ⑩ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲 ，井 上 拓 人 ，阪 部 秀 雄：凍 結 融 解 現 象 と 陽 イ オ ン 交 換 を 利 用 し た 汚 染 土 の 洗 浄 に 関 す る 実 験 ， 第 51 回 地 盤 工 学 研 究 発 表 会 ， B-00 ， pp.2159-2160 (2016)． ⑪ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲 ，井 上 拓 人 ，阪 部 秀 雄 ，芮 大 虎：凍 結 融 解 回 数 お よ び イ オ ン 交 換 物 質 の 供 給 方 法 が 汚 染 土 壌 の 洗 浄 効 果 に 及 ぼ す 影 響 ，第 52 回 地 盤 工 学 会 研 究 発 表 会 ，D-02， 0163， pp.323-324 (2017)． ⑫ 廣 瀬 剛 ，伊 藤 譲：載 荷 条 件 下 に お け る 不 凍 水 量 と 透 水 係 数 の 関 係 ，土 木 学 会

19 第 72 回 年 次 学 術 講 演 会 講 演 概 要 集 ， Ⅲ -446， pp.891-892 (2017)． (3) そ の 他 ⑬ 伊 藤 譲 ，石 川 達 也 ，赤 川 敏 ，所 哲 也 ，大 西 有 三 ，上 田 保 司 ，廣 瀬 剛：過 圧 密 粘 土 の 凍 結 融 解 に よ る 透 水 係 数 変 化 に 関 す る 実 験 ，第 50 回 地 盤 工 学 研 究 発 表 会 ，D-08， pp.895-896 (2015). ⑭ 井 上 拓 人 ，伊 藤 譲 ，廣 瀬 剛 ，阪 部 秀 雄：凍 結 融 解 と イ オ ン 交 換 反 応 を 利 用 し た 汚 染 土 壌 の 洗 浄 技 術 ，平 成 28 年 度 土 木 学 会 関 西 支 部 年 次 学 術 講 演 会 講 演 概 要 集 ， Ⅲ-25 (2016)． ⑮ 井 上 拓 人 ，伊 藤 譲 ，廣 瀬 剛 ，阪 部 秀 雄 ，芮 大 虎：凍 結 融 解 と イ オ ン 交 換 を 利 用 し た 洗 浄 技 術 の 特 性 に つ い て ，土 木 学 会 第 71 回 年 次 学 術 講 演 会 講 演 概 要 集 ， Ⅲ-078， pp.155-156 (2016). ⑯ 伊 藤 譲 ，廣 瀬 剛 ，石 川 達 也 ，赤 川 敏 ，所 哲 也 ，大 西 有 三：凍 結 融 解 繰 り 返 し に よ る 飽 和 細 粒 土 の ア イ ス レ ン ズ 面 方 向 の 透 水 係 数 に つ い て(2)， 土 木 学 会 第 71 回 年 次 学 術 講 演 会 講 演 概 要 集 ， Ⅲ -315， pp.629-630 (2016). ⑰ 井 上 拓 人 ，伊 藤 譲 ，廣 瀬 剛 ，阪 部 秀 雄 ，芮 大 虎：凍 結 融 解 と イ オ ン 交 換 反 応 を 利 用 し た 土 壌 洗 浄 実 験 に お け る 洗 浄 効 率 に 及 ぼ す 影 響 ，第 12 回 地 盤 改 良 シ ン ポ ジ ウ ム 論 文 集 ，6-6， pp.277-282 (2016)． ⑱ 井 上 拓 人 ，伊 藤 譲 ，廣 瀬 剛 ，阪 部 秀 雄 ，芮 大 虎：凍 結 融 解 現 象 と イ オ ン 交 換 反 応 を 利 用 し た 細 粒 土 の 洗 浄 技 術 に 関 す る 実 験 的 研 究 ，摂 南 大 学 融 合 科 学 研 究 所 論 文 集 ， 第 2 巻 ， 第 1 号 ， pp.32-39 (2016)． ⑲ 井 上 拓 人 ，伊 藤 譲 ，廣 瀬 剛 ，阪 部 秀 雄 ，芮 大 虎：凍 結 融 解 と イ オ ン 交 換 反 応 を 利 用 し た 洗 浄 技 術 に お け る 洗 浄 効 率 改 善 の た め の 実 験 的 検 討 ， 土 木 学 会

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第 72 回 年 次 学 術 講 演 会 講 演 概 要 集 ， Ⅲ -214， pp.427-428 (2017)．

⑳ Yuzuru Ito, Go Hirose: Mechanism of permeability of freeze -thawed soil, The 2nd _{Asian Conference on Permafrost, Poster (2017).}

21 1.7 各 章 の 構 成 本 論 文 は 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 を 予 測 す る た め の 実 験 的 な 評 価 方 法 の 提 案 に 関 し て 7 章 構 成 で 取 り ま と め た も の で あ る ．以 下 に 各 章 の 内 容 に つ い て 簡 単 に 記 述 す る ． 第 2 章 は 凍 結 融 解 土 の IL の 痕 跡 に 直 交 す る 方 向 （ IL 痕 直 交 方 向 ） に 地 下 水 流 が 発 生 す る 場 合 を 想 定 し て ， 凍 上 量 す な わ ち IL の 発 生 量 が 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 変 化 に 与 え る 影 響 を 明 ら か に し た ． そ の た め ， 一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 で 両 端 面 の 温 度 を 徐 々 に 降 下 さ せ る 際 の 冷 却 速 度 ， 温 度 勾 配 と 最 低 冷 却 温 度 を 変 え た 実 験 を 行 っ た ． 第 3 章 は 地 盤 の 固 結 度 や 土 被 り 圧 が 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 変 化 に 与 え る 影 響 を 解 明 す る た め に ， 凍 上 性 の 異 な る 2 種 類 の 粘 性 土 を 用 い て 予 圧 密 荷 重 お よ び 実 験 荷 重 を 変 化 さ せ た 一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 を 行 っ た ． 第 4 章 は 凍 結 融 解 土 の IL の 痕 跡 に 沿 う 方 向 （ IL 痕 方 向 ） に 地 下 水 流 が 発 生 す る 場 合 を 想 定 し て ， IL 痕 方 向 の 透 水 係 数 に 影 響 を 与 え る 要 素 を 明 ら か に し た ． そ の た め に ， 実 験 荷 重 ， 予 圧 密 荷 重 ， 給 排 水 の 有 無 ， 凍 結 融 解 繰 返 し 回 数 を 変 え た 実 験 を 行 っ た ． そ し て ， 凍 結 融 解 に よ る 土 中 の 水 分 移 動 が IL 方 向 の 透 水 係 数 変 化 を 関 係 し て い る か を 明 ら か に す る た め に ， 凍 結 融 解 土 の 間 隙 比 分 布 を 算 出 し た ．ま た ，凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 の 異 方 性 を 明 ら か に す る た め に IL 方 向 と IL 直 交 方 向 の 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 を 比 較 し た ． さ ら に ， 圧 密 透 水 試 験 に よ り 段 階 的 に 荷 重 が 加 え ら れ た 時 の 土 の 間 隙 構 造 の 変 化 に 伴 う 透 水 係 数 の 変 化 を 明 ら か に し ， 凍 結 融 解 に よ る 土 の 構 造 変 化 と 土 粒 子 の 変 化 を 検 討 し た ． 第 5 章 は IL と SC が 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に 与 え る 影 響 を 解 明 す る た め に ， 両 端 面 の 温 度 を 一 定 に し て IL を 厚 く 成 長 さ せ た 場 合 と 両 端 面 の 温 度 を 一 定 の 速 度 で 降 下 さ せ て 複 数 の IL を 発 生 さ せ た 場 合 に つ い て ，凍 結 融 解 土 の IL 痕 と IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 を 比 較 し た ．さ ら に ，圧 密 透 水 試 験 の 準 備 段 階 に お い て 凍 結 融 解 土 を セ ル か ら 押 す 際 に 試 料 が 乱 さ れ る 影 響 を 明 ら か に す る た め ， セ ル か ら の 押 出 し 作 業 が な い 三 軸 凍 結 融 解 透 水 実 験 と 一 次 元 凍 結 融 解 実 験 と か ら 採 取 し た 圧 密 透 水 試 験 の 実 験 結 果 を 比 較 し た ． 第 6 章 は 人 工 地 盤 凍 結 工 法 で 凍 結 さ れ た 地 盤 が 融 解 し た 場 合 の IL 痕 方 向 と

22 IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 を 予 測 す る 方 法 を 提 案 し た ． 具 体 的 に は IL 痕 直 交 方 向 の 透 水 係 数 は 一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 に よ り 予 測 し ，IL 痕 方 向 は 一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 で 得 ら れ た 間 隙 比 と 透 水 係 数 の 関 係 式 と 透 水 試 験 を 省 略 し た 水 平 方 向 変 位 拘 束 凍 結 融 解 実 験 で 得 ら れ た 凍 結 融 解 土 の 間 隙 比 分 布 か ら 予 測 す る ． そ し て ， 透 水 試 験 の 実 測 値 と 比 較 し て ， 予 測 値 と 対 応 し て い る か を 検 討 す る ． 第 7 章 は 結 論 と し て こ れ ま で の 内 容 を 総 括 し た ．

23 参 考 文 献

1) Yuzuru Ito, Go Hirose: Mechanism of permeability of freeze -thawed soil, The 2nd _{Asian Conference on Permafrost, Poster (2017).}

2) http://www.mlit.go.jp/river/press_blog/past_press/press/200101_06/0105 11/010511-2.html, (2017)

3) 伊 藤 譲 ，吉 田 聡 志：我 が 国 に お け る 地 盤 改 良 技 術 の 変 遷 5.人 工 地 盤 凍 結 工 法 と そ の 展 開 ， 材 料 ，Vol.65， No.12， pp.883～ 889 (2016)．

4) L. Tsang, A. Cheung, C. Leung, L. Chan: Artificial ground freezing for TBM Break-through – Construction, Proceedings of the 32nd _Annual

Seminar Geotechnical Division, The Hong Kong Institution of Engineers, pp.125-130 (2012).

5) 凍 土 分 科 会：凍 土 の 知 識 － 人 工 凍 土 壁 の 技 術 － ，雪 氷 ，76 巻 2 号 ，pp.179-192 (2014).

6) U.S. Department of Energy: Frozen Soil Barrier, Innovative Technology Summary Report, DOE/EM-0483 (1999).

7) Wagner, A. M.: Creation of an artificial frozen barrier using hybrid thermosiphons, Cold Regions Science and Technology, Vol.96, pp.108 -116 (2013).

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14) 池 田 憲 二 ： 積 雪 寒 冷 地 に お け る 地 盤 工 学 の 歩 み と 展 望 ， 地 盤 工 学 会 誌 ， Vol.63－ 11/12， HP5-HP6 (2015).

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Conference & 6t h _{Canadian Permafrost Conference, pp.992 -996 (2010).}

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32) 中 村 大 ， 鈴 木 輝 之 ， 後 藤 隆 司 ， 金 学 三 ， 伊 藤 陽 司 ， 山 下 聡 ： 凍 結 融 解 に よ る 土 の 透 水 係 数 お よ び 間 隙 比 の 変 化 ， 土 木 学 会 論 文 集 C（ 地 圏 工 学 ）， Vol.67, No.2, pp.264-275 (2011).

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Geoenvironmental Engineering, pp.199 -194 (2005). 34) 玉 崎 千 秋 ， 伊 藤 譲 ， 嘉 門 雅 史 ： 細 粒 土 に お け る 凍 結 融 解 作 用 に よ る 透 水 係 数 変 化 の メ カ ニ ズ ム に 関 す る 研 究 ， 第 8 回 地 盤 改 良 シ ン ポ ジ ウ ム ， pp.75-78 (2008). 35) 広 瀬 剛 ， 伊 藤 譲 ， 片 野 田 栄 一 ： 凍 結 融 解 土 の 圧 密 特 性 の 変 化 に つ い て ， 土 木 学 会 第 55 回 年 次 学 術 講 演 会 ， Ⅲ -B356（ 2000）． 36) 片 野 田 栄 一 ， 伊 藤 譲 ， 嘉 門 雅 史 ， 野 村 忠 明 ： 凍 結 融 解 現 象 を 利 用 し た 新 圧 密 促 進 工 法 ， 第 4 回 地 盤 改 良 シ ン ポ ジ ウ ム 発 表 論 文 集 ， pp.175-182 (2000). 37) 佐 藤 厚 子 ， 中 村 大 ， 鈴 木 輝 之 ， 西 本 聡 ： 自 然 寒 冷 下 で の 凍 結 融 解 過 程 に お

26 け る 高 含 水 比 土 の 水 分 挙 動 ， 地 盤 工 学 ジ ャ ー ナ ル ，Vol.4， No.2， pp.205-214 (2009). 38) 山 本 英 夫 ， 上 田 保 司 ， 伊 豆 田 久 雄 ： 飽 和 度 の 三 軸 凍 結 膨 張 に 関 す る 実 験 的 研 究 ， 雪 氷 ，56 巻 4 号 ， pp.325-333 (1994). 39) 伊 藤 譲 ， 新 居 和 人 ， 新 本 健 司 ： 等 方 圧 力 下 に お け る 凍 結 融 解 後 の 透 水 係 数 の 変 化 ， 土 木 学 会 第 60 回 年 次 学 術 講 演 会 ， 3-310 (2005). 40) http://www.meti.go.jp/earthquake/nuclear/pdf/140715/140715_01i.pdf, (2018).

27 第 2 章 ア イ ス レ ン ズ の 発 生 と 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 と の 関 係 2.1 目 的 細 粒 土 が 凍 結 作 用 を 受 け る と 凍 上 現 象 が 発 生 し て ， ア イ ス レ ン ズ （IL） と 呼 ば れ る 氷 晶 が 幾 層 も 形 成 さ れ る ． 凍 上 し た 細 粒 土 が 凍 結 融 解 す る こ と に よ る 透 水 係 数 増 加 の メ カ ニ ズ ム に つ い て ，Cambrlain ら 1)_{や Benson ら} 2)_{は ， 凍 結 融} 解 後 に も 凍 結 時 の IL が 痕 跡 と し て 残 っ て お り ， 痕 跡 が 水 道 （ み ず み ち ） と な る こ と で 透 水 係 数 が 増 加 す る と 考 え た ． し か し ，Konrad ら 3)_{や Dumais ら} 4) が 主 張 し て い る よ う に 透 水 係 数 の 増 加 に は IL の 痕 跡 で は な く ， 細 粒 分 の 含 有 率 や 平 均 粒 径 が 影 響 を 及 ぼ す と の 報 告 も あ る ． 凍 結 融 解 後 の 透 水 係 数 変 化 に 影 響 を 及 ぼ す 外 的 な 条 件 に つ い て の 研 究 も 行 わ れ て い る ．Ito ら 5)_{は 凍 結 融 解 に 及 ぼ す 要 素 を 明 確 に す る た め に 冷 却 条 件 や 荷 重} 条 件 を 変 え た 実 験 を 行 い ， 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 は 上 載 荷 重 の 影 響 を 受 け る こ と を 結 論 付 け た ． こ れ ら の 研 究 は 自 然 界 の よ う に 地 盤 が 地 表 面 か ら 鉛 直 方 向 に 凍 結 融 解 作 用 を 受 け る こ と を 想 定 し た も の で あ る ． こ の と き ， 凍 結 融 解 土 に 流 れ る 水 流 は IL 痕 跡 に 直 交 し た 方 向（IL 痕 直 交 方 向 ）に な る ．一 方 ，人 工 地 盤 凍 結 工 法（ AGF） で は 凍 結 管 の 表 面 か ら 水 平 方 向 に 地 盤 が 凍 結 さ れ て 凍 土 壁 が 構 築 さ れ る ． そ し て ， 凍 土 壁 が 完 全 に 融 解 し た 場 合 に お い て も ， 凍 結 融 解 土 に は IL 痕 直 交 方 向 の 水 流 が 発 生 す る ． 本 章 で IL 痕 直 交 方 向 の 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に つ い て ，冷 却 方 法 が 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に 与 え る 影 響 を 明 ら か に す る た め に ， 冷 却 速 度 ， 最 低 冷 却 温 度 ， 温 度 勾 配 を 変 え た 実 験 を 行 っ た ．さ ら に ，IL の 発 生 す る 量 が 透 水 係 数 に 及 ぼ す 影 響 を 明 ら か に す る た め に 凍 上 率 と 透 水 係 数 の 関 係 を 検 討 し た ． 実 験 は 一 般 的 な 凍 上 実 験 に 準 拠 し た 一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 と AGF に よ り 凍 結 融 解 さ れ た と き の 透 水 係 数 の 変 化 を 検 討 す る こ と が 可 能 な 三 軸 凍 結 融 解 透 水 実 験 に よ り 行 わ れ た ．

28 2.2 実 験 方 法 2.2.1 供 試 体 作 成 IL の 発 生 量 が 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 す る た め に ，一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 （ 鉛 直 凍 結 実 験 ） と 三 軸 凍 結 融 解 透 水 実 験 （ 三 軸 凍 結 実 験 ） を 行 い ，熱 流 方 向（ 鉛 直 方 向 ，IL 面 に 対 し て 直 角 方 向 ）の 凍 結 融 解 前 後 の 透 水 係 数 を 検 討 す る ． 試 料 土 は 表2-1 に 物 性 値 を 示 し た 425μ m ふ る い を 通 過 し た 藤 森 14N で あ り ， 地 盤 工 学 会 基 準（JGS0051-2009）に 基 づ く 工 学 的 分 類 で は 粘 土（ CL）と な る ． 鉛 直 凍 結 実 験 の 供 試 体 は ， 試 料 土 を 液 性 限 界 の 1.3 倍 の 含 水 比 （ 41.4×1.3＝ 53.8％ ）に 調 整 し ，ハ ン ド ミ キ サ ー を 用 い 5 分 間 練 り 混 ぜ ，15 分 間 真 空 脱 気 し た 後 ，24 時 間 養 生 し た も の を 直 径 φ 10 cm の 円 筒 形 の 予 圧 密 容 器 に 流 し 込 み ， 予 圧 密 荷 重 P = 500 kN/m2_{ま で 段 階 的 に 載 荷 し て ，高 さ h = 5 cm，直 径 φ 10cm} に 成 形 し た も の で あ る ．三 軸 凍 結 実 験 の 供 試 体 は 同 様 に φ6cm，h=5cm に 成 形 し た も の で あ る ． Clay % Sample 59.1 31.5 2.674 41.4 23.0 9.4 ρs g/cm³ wL % wP % Sand % Silt % Fujinomori 14N 表 2-1 試 料 土 の 物 性 値

29 2.2.2 一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 図 2-1 に 一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 装 置 （ 鉛 直 凍 結 実 験 装 置 ） を 示 す ． 鉛 直 凍 結 実 験 装 置 は 凍 上 試 験 装 置（JGS0171）に 変 水 位 透 水 試 験 機 能 を 加 え た も の で あ り ， 内 空 φ10cm， 厚 さ 3cm， 高 さ h=15cm の ア ク リ ル 製 円 筒 ， ア ル ミ 製 の 上 ・ 下 部 プ レ ー ト か ら 構 成 さ れ る ． 上 ・ 下 部 プ レ ー ト に は 恒 温 水 層 で 温 度 制 御 さ れ た 不 凍 液 を 循 環 さ せ ， 下 部 を 低 温 側 （Tc）， 上 部 を 高 温 側 （ Tw） と し ， 凍 着 に よ る 鉛 直 変 位 の 阻 害 を 防 ぐ た め に 下 部 か ら 上 部 方 向 へ 供 試 体 を 凍 結 さ せ た ． 上 ・ 下 部 プ レ ー ト に は Pt セ ン サ ー が 設 置 さ れ ， 供 試 体 上 ・ 下 端 面 付 近 の 温 度 を 測 定 す る こ と が で き る ． 凍 結 融 解 中 の 給 排 水 は 上 部 プ レ ー ト か ら 給 排 水 瓶 方 向 へ 行 わ れ ，給 排 水 量 は 給 排 水 瓶 の 重 量 変 化 と し て 電 子 天 秤 に よ り 測 定 さ れ る ． ま た ， 上 部 プ レ ー ト の シ ャ フ ト に は ベ ロ フ ラ ム シ リ ン ダ ー を 介 し て 上 載 荷 重 が 加 え ら れ ， シ ャ フ ト に 取 り 付 け ら れ た 変 位 計 で 鉛 直 変 位 が 測 定 さ れ た ． 図 2-1 一 次 元 凍 結 融 解 透 水 実 験 装 置 (鉛 直 凍 結 実 験 装 置 )

30 図 2-2 に 供 試 体 上 ・ 下 端 面 温 度 の 経 時 変 化 を 示 す ． 実 験 過 程 は 凍 結 融 解 と そ の 前 後 の 透 水 試 験 か ら な る ．凍 結 融 解 過 程 で は ，ま ず Tw と Tc が 5℃ の 温 度 差 を 保 ち な が ら 徐 々 に 温 度 降 下 さ れ る ．Tc = -0.8 ℃ ま で 温 度 降 下 し た 時 に -20℃ の 不 凍 液 を 下 部 プ レ ー ト に 10 分 程 度 循 環 さ せ ， 氷 核 形 成 が 行 わ れ る ． そ の 後 Tc = -6℃ ， Tw = -1℃ ま で 温 度 降 下 し た 後 ， Tw と Tc 共 に -10℃ ま で 急 冷 却 し ， 6 時 間 一 定 に 保 っ た ． 図 2-3 に 凍 上 量 の 経 時 変 化 を 示 す ．凍 上 量 h’と は 初 期 の 供 試 体 高 さ か ら の 変 位 量 で あ る ． 氷 核 形 成 直 後 か ら 凍 上 量 が 増 加 し ，Tw， Tc = -10 ℃ の 時 に 凍 上 量 変 化 が 止 ま り ， 融 解 時 に は 凍 上 量 が 減 少 し た ． 図 2-4 に 給 水 量 の 経 時 変 化 を 示 す ． 給 排 水 量 の 変 化 は 供 試 体 か ら の 排 水 を 負 と し ， 供 試 体 へ の 給 水 は 正 と し て い る ． 給 排 水 重 量 の 変 化 は 凍 上 量 と 対 応 す る ． 図 2-2 に 示 す よ う に ， 変 水 位 透 水 試 験 は 凍 結 融 解 過 程 の 前 後 に 行 わ れ ，試 験 中 の 供 試 体 の 両 端 面 温 度 を Tw， Tc = 5 ℃ と し ，下 部 プ レ ー ト を ビ ュ レ ッ ト 側 に 接 続 し ，上 部 プ レ ー ト 側 か ら 排 水 し た ． -15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tem pe rat ur e (℃ )

Elapsed time (hour)

Tw Tc Permeabiity test Permeabiity test Freeze-thaw process Ice nucleation 図 2-2 供 試 体 両 端 面 温 度 の 経 時 変 化 （ C5） 0.0 5.0 10.0 15.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 F ros t heave h' (mm)

Elapsed time (hour)

図 2-3 凍 上 量 の 経 時 変 化 （ C5） 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Wa te r suppl y (g)

Elapsed time (hour)

31 表 2-2 に 鉛 直 凍 結 実 験 の 実 験 条 件 を 示 す ． 鉛 直 凍 結 実 験 で は 冷 却 速 度 ， 冷 却 温 度 ， 温 度 勾 配 の 影 響 を 検 討 し た ．C1～ 4 で は 高 荷 重 に お け る 冷 却 速 度 の 影 響 （ 冷 却 速 度 dT/dt = 0.05 ～ 0.4 ℃ /hour，実 験 荷 重 p = 150 kN/m2_{），C5，12，} 13 で は 低 荷 重 に お け る 冷 却 速 度 の 影 響 （dT/dt = 0.1 ～ 0.4 ℃ /hour，p = 50 kN/m2_{），C7， 8， 9-2 で は 高 荷 重 に お け る 最 低 冷 却 温 度 の 影 響 （ 最 低 温 度 TL =} -5 ～ -20 ℃ ，p = 190 kN/m2_{），C5，8-2，9 で は 低 荷 重 時 の 最 低 冷 却 温 度 の 影} 響 （TL = -5 ～ -20 ℃ ，p = 50 kN/m2），C7， 10-2， 11-2 で は 高 荷 重 に お け る 表 2-2 鉛 直 凍 結 実 験 に お け る 冷 却 条 件 の 影 響 に 関 す る 実 験 条 件

Purpose Cooling rate

Lowest cooling temperature Temperature gradient Pre-consolidation pressure Overburden pressure dT/dt TL dT/dh P p °C/hour °C °C/cm kN/m2 kN/m2 C1-1 0.1 -10 1 500 150 C2-1 0.2 -10 1 500 150 C3-1 0.4 -10 1 500 150 C4-1 0.05 -10 1 500 150 C5-1 0.2 -10 1 500 50 C12-1 0.4 -10 1 500 50 C13-1 0.1 -10 1 500 50 C7-1 0.2 -10 1 500 190 C8-1 0.2 -5 1 500 190 C8-2 0.2 -5 1 500 50 C9-1 0.2 -20 1 500 50 C9-2 0.2 -20 1 500 190 C10-1 0.2 -10 2 500 50 C10-2 0.2 -10 2 500 190 C11-1 0.2 -10 0.5 500 50 C11-2 0.2 -10 0.5 500 190 Test No.

※Freezing method : Ramp ※Water supply : Open

Cooling rate under greater overburden pressure Temperature gradient Cooling rate under lower overburden pressure Lowest cooling temperature Influence of

32

温 度 勾 配 の 影 響 （ 温 度 勾 配 dT/dh = 0.5 ～ 2.0 ℃ /cm，p = 190 kN/m2_），C5，

10， 11 で は 低 荷 重 下 の 温 度 勾 配 の 影 響 （dT/dh = 0.5 ～ 2.0 ℃ /cm，p = 50 kN/m2_{）を 検 討 し た ．上 記 の 実 験 は 徐 々 に 冷 却 温 度 を 降 下 さ せ る ラ ン プ 式 凍 結 ，}

33 2.2.3 三 軸 凍 結 融 解 透 水 実 験 図 2-5 に 三 軸 凍 結 融 解 透 水 実 験 装 置 を 示 す ． 実 験 装 置 は 三 軸 圧 縮 試 験 装 置 に 温 度 制 御 と 変 水 位 透 水 試 験 の 機 能 を 加 え た も の で あ り ， 等 方 ・ 異 方 応 力 条 件 ， 鉛 直 変 位 拘 束 条 件 下 で の 凍 上 実 験 が 可 能 で あ る ． 装 置 は ア ル ミ 製 の ペ デ ス タ ル と キ ャ ッ プ ， 圧 力 室 を 密 閉 す る ア ク リ ル 円 筒 ， ス テ ン レ ス 製 の 上 部 ・ 下 部 プ レ ー ト か ら 構 成 さ れ る ． キ ャ ッ プ に は シ ャ フ ト が 取 り 付 け ら れ 鉛 直 荷 重 の 制 御 と 変 位 拘 束 が 可 能 で あ る ． 実 験 で は φ6cm の 供 試 体 に ゴ ム ス リ ー ブ を 取 付 け ，側 圧 を 空 気 圧 ，鉛 直 荷 重 を ロ ー ド セ ル に よ り 制 御 し た ．キ ャ ッ プ を 高 温（Tw）側 Tw，ペ デ ス タ ル を 低 温（ Tc）側 と し ，供 試 体 の 下 部 か ら 上 へ 鉛 直 方 向 に 凍 結 さ せ た ． 凍 結 融 解 中 の 給 排 水 は キ ャ ッ プ か ら 給 排 水 瓶 へ 行 わ れ ， 給 排 水 量 は 電 子 天 秤 の 重 量 変 化 に よ り 測 定 さ れ る ． 実 験 中 の 温 度 変 化 は 図 2-2 と 同 様 で あ る ． 図 2-5 三 軸 凍 結 融 解 透 水 実 験 （ 三 軸 凍 結 実 験 ） T c Ba th Ic e Ba th T w Ba th Com press or Cont rol De vi ce E le c tri c Ba la nce W at e r S upply T ank Dra i nage

p

Ca p Pe de st al Tw Tc Valve B u re tt e Specimen Temperature sensor Temperature sensor

34 凍 結 融 解 前 後 に は 変 水 位 透 水 試 験 が 行 な わ れ ， キ ャ ッ プ 方 向 に 通 水 さ せ 鉛 直 方 向 の 透 水 係 数 を 測 定 し た ． 表 2-3 に 三 軸 凍 結 実 験 の 実 験 条 件 を 示 す ． 冷 却 速 度 の 影 響 （dT/dt = 0.1 ～ 0.4 ℃ /hour）を 検 討 し た ．T1～ 3 は 等 方 圧 力 ，T4～ 6 は 鉛 直 方 向 の 変 位 を 拘 束 し ，p = 50 kN/m2_{と し た ． 予 圧 密 荷 重 は 全 て P = 500 kN/m}2_{と し ， 凍 結 は 徐 々} に 両 端 面 の 冷 却 温 度 を 降 下 さ せ る ラ ン プ 式 ， 凍 結 中 に 給 排 水 が 可 能 で あ る 開 式 条 件 と し た ． 表 2-3 三 軸 凍 結 実 験 に お け る 冷 却 条 件 の 影 響 に 関 す る 実 験 条 件

Purpose Cooling rate

Lowest cooling temperature Temperature gradient Pre-consolidation pressure Overburden pressure dT/dt TL dT/dh P p °C/hour °C °C/cm kN/m2 kN/m2 T1 0.2 -10 1 500 50 T2 0.1 -10 1 500 50 T3 0.4 -10 1 500 50 T4 0.2 -10 1 500 50 T5 0.1 -10 1 500 50 T6 0.4 -10 1 500 50

※Freezing method : Ramp Cooling rate Isotropic pressure Vertical displacement constraint Test No. Pressure condition Influence of

35 2.3 実 験 結 果 と 考 察 表 2-4 に 鉛 直 凍 結 実 験 の ， 表 2-5 に 三 軸 凍 結 実 験 の 実 験 結 果 一 覧 を 示 す ． 鉛 直 凍 結 実 験 ， 三 軸 凍 結 実 験 と も に 透 水 係 数 は 未 凍 結 土 よ り も 凍 結 融 解 土 の 方 が 大 き い ． 未 凍 結 土 の 透 水 係 数 ku に 対 す る 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 ktの 比 を 透 水 係 数 増 加 比 kt/kuと す る と ， 鉛 直 実 験 で は ， 透 水 係 数 増 加 比 は kt/ku = 2 ～ 8 で 14 点 あ り ， そ の 他 は kt/ku =15， 86 が そ れ ぞ れ １ 点 ず つ あ っ た ． 一 方 ， 三 軸 凍 結 実 験 で は kt/ku = 2.9 ～ 3.6 で あ り ，kt/ku = 3.3 付 近 で あ っ た ． 2.3.1 冷 却 速 度 の 影 響 図 2-6 に 低 荷 重 （p = 50 kN/m2_{） 時 に お け る 冷 却 速 度 と 透 水 係 数 の 関 係 を 示} す ．C5，C13（dT/dt = 0.1，0.2 ℃ /hour）で は 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 は kt = 1.0 × 10-8 _{m/s 付 近 で 同 程 度 で あ り ，透 水 係 数 増 加 比 は C5，C13 で kt/ku = 6，kt/ku} = 7 で あ っ た ．冷 却 速 度 と 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に 関 係 性 は 認 め ら れ な い ．C12 の 凍 結 融 解 後 の 透 水 係 数 は 他 の ケ ー ス よ り も 大 き い が ，そ の 理 由 は 不 明 で あ る ． 図 2-7 に 高 荷 重（p = 150 kN/m2_{）時 に お け る 冷 却 速 度 と 透 水 係 数 の 関 係 を 示} す ． 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 は い ず れ も kt = 3.0 × 10-9 m/s 程 度 で 冷 却 速 度 に 関 係 な く ， 透 水 係 数 増 加 比 は kt/ku = 2～ 3 の 間 で あ っ た ． 高 荷 重 時 に お い て も 冷 却 速 度 と 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 に 関 係 性 は 認 め ら れ な い ． 図 2-8 に 三 軸 凍 結 実 験 に お け る 冷 却 速 度 と 透 水 係 数 の 関 係 を 示 す ． 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 の 増 加 は 冷 却 速 度 や 変 位 拘 束 条 件 に 関 係 な く ， 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 は kt = 1.0 × 10-8 m/s で あ り ，透 水 係 数 増 加 比 は kt/ku = 3 ～ 4 の 範 囲 で あ っ た ． 三 軸 凍 結 実 験 に お い て も 冷 却 速 度 を 透 水 係 数 と の 関 係 性 は 認 め ら れ な か っ た ． つ ま り ， 冷 却 速 度 と 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 と の 間 に は 関 係 性 が な い こ と が 明 ら か に な っ た ． そ し て ， 高 荷 重 で は 低 荷 重 よ り も 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 が 小 さ く な り ， 実 験 荷 重 と 凍 結 融 解 土 の 透 水 係 数 の 関 係 が 示 唆 さ れ た ． さ ら に ， 低 荷 重 （p = 50 kN/m2_{） に お け る 鉛 直 凍 結 実 験 と 三 軸 凍 結 実 験 で の 凍 結 融 解 度 の 透} 水 係 数 は 同 程 度 で あ り ， 供 試 体 側 面 の 拘 束 条 件 を 変 え て も 凍 結 融 解 土 の 透 水 係