平成 29 年度 築堤盛土等に用いる高含水比粘性土の改良工法について 江別太遊水地における回転式破砕混合工法の実用化に向けて 札幌開発建設部江別河川事務所調査課 中村亮太渡辺雅裕山中誠也 江別太遊水地整備では 遊水地内掘削土である高含水比の粘性土を堤防の盛土材として利用している 粒度調整や含水比低下

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1 平成 29 年度 築堤盛土等に用いる高含水比粘性土の改良工法について 江別太遊水地における回転式破砕混合工法の実用化に向けて 札幌開発建設部江別河川事務所調査課 中村亮太渡辺雅裕山中誠也 江別太遊水地整備では 遊水地内掘削土である高含水比の粘性土を堤防の盛土材として利用している 粒度調整や含水比低下を図るため 砂と攪拌することにより品質を確保してきた しかし 膨大な砂の確保が必要であるため 粘性土と固化材による回転式破砕混合工法の現地試験を実施した 本論は回転式破砕混合工法でさらなる改善点がないか検証し 堤防の盛土材確保としての当工法の有用性について報告する キーワード : 設計 施工 リサイクル 1. はじめに (2 ) 江別太遊水地の特徴江別太遊水地では 遊水地内掘削土を堤防の盛土材と (1) 千歳川遊水地事業について して使用しているが 泥炭や高含水比の粘性土が多く分 千歳川は 支笏湖に源を発し 千歳市街を抜けると流 布しているため そのまま盛土材としては使用できない 域の宅地や農地が大多数を占める低平地に入る 河床勾そのため 掘削基面高以下まで掘削し泥炭を埋め戻すこ配が 1/ 程度の緩やかな流れとなり 沿川に広がる広とで より多くの粘性土を確保し 確保した粘性土の含大な農地を流下し 江別市街において石狩川に合流する幹川流路延長 18km 流域面積 1244km 2 の石狩川の 1 次水比低下 粒度調整を図るため砂と攪拌させて安定した 支川である 盛土材料とすることで堤防の盛土材として利用している そのため 洪水時には緩やかな河床勾配により石狩川 本工法は膨大な砂が必要となるが 周辺の河道掘削に 本川の高い水位の影響を長時間 また 42km という長い よる砂の確保が困難なため 購入砂やダンプの運搬によ 区間にわたって受けるという特性を有している るコストの増大 地域への負荷等の課題がある それらそこで千歳川の治水対策として 河道掘削 堤防の整備などを進めると共に 洪水時の水位上昇を抑えるため の課題解決のため 砂を必要とせず 高含水比粘性土を流域 4 市 2 町の千歳川本支川の地先において概ね 5 千万そのまま利用できる回転式破砕混合工法により 盛土材 m 3 の容量の遊水地群の整備を進めている ( 図 -1.1) 確保が可能な回転式破砕混合工法について今年度試験施 工を行った 2. 回転式破砕混合工法 ( セメント固化材 ) 効果 図 -1.1 千歳川遊水地群 高含水比の粘性土をセメントと攪拌する場合では セメントの水和反応によって強度が発現するため 曝気により含水比を下げる必要性は基本的にはないが 強度発現を待つため 日から 日程度養生させる必要がある よって 従来の曝気期間より養生期間が短ければ 工期短縮 置土ヤードが縮小などの施工性向上が期待できる なお 養生後の安定処理土はバックホウで破砕することによって その後の固化や施工後の安定処理土の変形による亀裂を生じる危険性を低減している

2 回転式破砕混合工法 本体 粘性土 固化材 図 -2.1 回転式破砕混合工法のメカニズム また 図 -2.1 に示しているプラント内でインパクトチェーンが高速回転することにより攪拌させる工法となっており 従来のスタビライザー等に比べ 本工法ではより均一に攪拌することが可能となり セメント混合量の低減 盛土材の均一性に期待できる 改良対象土 + 改良材 破砕前養生日数 表 -3.2 室内配合試験結果 破砕後養生日数 累計養生日数 配合量試料名含水比コーン指数 ( 日 ) ( 日 ) ( 日 ) (kg/ m 3 ) W(%) qc(kn/m 2 ) 3 T3-σ T4-σ 今年度実施状況 平成 23~25 年と他の千歳川遊水地において 回転式破砕混合工法について試験施工が行われ 施工性やコスト面などを考慮し 課題を改善してきた そこで当事務所においても これらの成果を参考にしつつ 江別太遊水地で発生する粘性土を利用して 本格運用していくために今年度試験施工を行い 適応性やさらなる改善点等について検証を行った 下記に 今年度試験施工の結果をまとめる (1) 室内試験による最適配合量 1 固化破砕 ( 粘性土をセメント安定処理し バックホウ 1 で崩したもの ) までの養生日数は 日とし 目標強度 qc kn/m 2 を満足するセメント最適配合量を検討した 養生日数 日とした理由は 日までの強度増加率が大き いためである 掘削土は表 -3.1 に示すような含水比概ね 45% 程度の均一な粘性土である 室内配合試験は セメント量を 1kg 単位で変化させ 傾向を確認した 固化破砕前は セメント量 4kg/m 3 で qc=kn/m 2 以上の強度発現が見られた 固化破砕後は セメント量 4kg/m 3 ではqc=kN/m 2 が出なかったが セメント量 5kg/m 3 ではqc=kN/m 2 以上の強度発現が見ら コーン指数 q c (kn/m 2 ) コーン指数 q c (kn/m 2 ) 破砕前 1 σ 日破砕前 1 目標強度 qc セメント配合量 (kg/ ) 固化破砕直後 σ 破砕直後目標強度 qc れた 以上の結果から 室内配合試験での最適配合量は 1 固化破砕前と後で qc=kn/m 2 を満たす5kg/m 3 とした 1 4~5kg/m 3 の間でqc=kN/m 2 の強度が発現しているた 最適配合量 5kg め 現地ではセメント量 45 kg/m 3,5 kg/m 3,55kg/m 3 の3パタ ーンに分けて試験を行った ( 表 -3.2 図-3.1) 表 -3.1 掘削土 粘土 P-1 + 河川堤防盛土用安定処理材 ETR3 破砕前 - 破砕直後 5 T5-σ T6-σ 以上 T-σ 以上 3 T3-σ T4-σ T5-σ T6-σ T-σ 以上 セメント配合量 (kg/ ) 8 図 -3.1 セメント最適配合量

3 (2 ) 現場最適配合量 室内現場強度比 締固め回数 (3 ) 盛土材料品質管理配合量 45kg/m 3 5kg/m 3 55kg/m 3 の三配合について試 道路 河川工事仕様書 ( 表 -3.4) に示される盛土験転圧を実施し 現場での最適配合量を検討した 材料の品質管理手法としては砂質土の 締固め度 によ室内配合試験結果によると 概ね 45kg/m 3 は室内強度る方法と 粘性土の 空気間隙率 と 飽和度 による q c kn/m 2 ( 推定 ) 5kg/m 3 は室内強度 q c kn/m 2 方法がある 55kg/m 3 は室内強度 q c kn/m 2 に相当している ( 図 - 現場密度試験の結果 ( 表 -3.5) 添加量 55kg/m 3 養生日 3.2) 数 日のコンバインドローラーにおける結果は 飽和土試験転圧の結果 現地で q c =kn/m 2 を満足するのは 86~95% 空気間隙率 2~8% と粘性土盛土の基準値を満 55kg/m 3 となり 室内現場強度比は 2:1 と推定される 足しており 所定の盛土品質を満足したと判断されるまた 転圧回数については転圧回数が多くなるほど強 ( 表 -3.5) 度が低下する傾向がみられたため 4 回を最適と判定した 締固め度に関しては概ね 8~95% の範囲であり 場合これは粘性土のオーバーコンパクションや転圧によるセによっては締固め度 9% を超えるが大半が締固め度 85% メント結合の破壊が影響していると考えられる ( 表 - 程度と基準値を満足しない ( 表 -3.5) 元々粘性土であ 3.3) るため セメント安定処理をしたとしても 締固め度は基準値を満たしづらい材料である また 今回の試験施 1 工では粒度構成が変わるほどのセメント量を投入してい室内 1 現場目標強度 qc ないことも要因である 1 したがって 今回の地内掘削粘性土を目標強度 1 q c =kn/m 2 でセメント安定処理した材料に関しては 粘性土盛土の基準を適用することが妥当であると考えら れ 空気間隙率 と 飽和度 による管理を標準とす る なお 締固め度に関しては含水比を低下させることで コーン指数 q c (kn/m 2 ) セメント配合量 (kg/m 3) 図 -3.2 固化破砕土 ( 日養生 ) 強度表 -3.3 転圧回数比較 9% 以上とすることが可能であることが示唆されるが 粘性土盛土の品質基準を満足する材料を曝気乾燥させ砂質土の基準で管理することは不効率といえることから 添加量 転圧転圧養生転圧後 平均最大最小深度前後回数日数日数 qc qc qc qc qc qc 現実的な方法ではないと考えられる (kg/m 3) ( 回 ) ( 日 ) ( 日 ) (m) (kn/m 2)(kN/m 2)(kN/m 2)(kN/m 2)(kN/m 2)(kN/m C ( コンバイ ンドロー ラー ) 表 -3.4 河川土工における品質管理手法 添加量 転圧転圧養生転圧後 平均最大最小深度前後回数日数日数 qc qc qc qc qc qc (kg/m 3) ( 回 ) ( 日 ) ( 日 ) (m) (kn/m 2 ) (kn/m 2 ) (kn/m 2 ) (kn/m 2 ) (kn/m 2 ) (kn/m 2 ) C 表 -3.5 添加量 55kg/m 3 養生日数 日 コンバインドロ ( コンバイ ンドローーラーの品質管理結果 ラー ) 含水比乾燥密度最大乾燥密度土粒子密度締固め度飽和度空気間隙率 w (%) ρ d (g/cm 3 ) ρdmax(g/cm 3 ) ρ s (g/cm 3 ) S r (%) V a (%) 月 2 日 月 2 日 転圧転圧養生転圧後 平均最大最小 11 月 8 日 添加量深度 前後回数日数日数 qc qc qc qc qc qc 11 月 日 (kg/m 3) ( 回 ) ( 日 ) ( 日 ) (m) (kn/m 2)(kN/m 2)(kN/m 2)(kN/m 2)(kN/m 2)(kN/m 11 月 日 月 日 C ( コンバイ ンドロー ラー ) ka

4 (4) 置土 破砕 盛土後の強度変化 2 破砕直後の盛土強度 1 置土期間と強度の関係置土を掘削 運搬 敷均し 転圧した直後の強度 ( 破セメント安定処理後の置土 ( 固化材添加後仮置きした砕後強度 ) を以下に示す ( 図 -3.5) 破砕後強度は概ね土 ) の強度は養生日数の経過とともに増加する傾向が顕置土の強度と比例しており 置土強度が増加している養著であり 日強度と比較して 3 日で 34% 日で 6% 生日数が長いものの方が破砕後強度の大きい傾向となっ 1 日で 65% 日で % 程度の強度となっている ( 図 - ている また 置土強度と破砕後強度の関係は 置土 / 3.3) 日目までの強度の伸びが顕著であり 養生日数破砕後 =1.6~2. となっている ( 図 -3.6) は 日以上とすることが転圧時の強度を確保する点で有利であると考えられる また 置土強度を深度別 ( 表 -3.6) でみると 表面から 3cm の範囲の強度が深部よりも低い傾向が顕著である 今回の施工時期は 1 月であり 外気温が日中は概ね15 度以下 夜間は 5 度以下で氷点下となる日もあり 降雨も多い時期であった 置土内に設置した温度計 ( 図 -3.4) では 深度.9~1.m は反応熱などで概ね 16 度程度が保たれており 表層の強度発現が出にくい原因は外図 -3.5 破砕前の置土養生日数と盛土直後の強度の関係気温の影響である可能性がある 降雨や外気温の置土強置土強度 / 破砕後強度 4. 度に及ぼす影響については今後事例を積み重ね検討する必要がある 3. 置土強度 / 破砕後強度 置土の養生日数 ( 日 ) 養生日数 3 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 養生日数 1 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 図 -3.6 置土強度 / 破砕後強度 3 固化破砕土の盛土後 ( 破砕後 ) の強度変化 破砕後の強度変化に関しては 置土養生日数 日で は盛土後 日時点の強度は盛土直後の 2.1 倍程度である 図 -3.3 養生日数と置土強度の関係 が 置土養生日数 日では盛土後 日時点の強度は盛 表 -3.6 深度別強度 土直後の 2.5 程度となっている これは 養生日数が長 養生日数 3 1 いほど置土の時点で強度発現が生じているため 盛土後 深度 qc qc qc qc qc /m 3 ) (m) (kn /m 2 )(kn /m 2 )(kn/m 2) (kn /m 2 )(kn /m 2 ) の強度発現が小さくなるという事前の想定と一致してい る 盛土後の強度増加は事前の養生日数によらず盛土直後 から 日までが大きく その後徐々に緩やかになってい 55 転圧前 る また養生日数が 日未満の盛土についても 日後の 盛土強度は概ねコーン指数 1kN/m 2 以下の範囲となっ 平均 ており 一般的な土質材料の強度の範囲となっており 今回のセメント配合量程度 ( 目標強度 qc kn/m 2 ) で は地盤改良体のように完全に固結するほどの改良とはな らないと判断される ( 図 -3.) 添加量 (kg 図 -3.4 攪拌土置土 (1/16 製造 ) 養生温度計時変化 平均コーン指数 q c (kn/m 2 ) 養生日数と破砕後の強度変化の関係 養生日数 3 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 養生日数 1 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 盛土 ( 破砕 ) 後の経過日数 ( 日 ) 図 -3. 養生日数と破砕後の強度変化の関係

5 (5) 固化破砕土の含水比 その結果 締固め度は 84~88% と基準値 (9% 以上 ) セメント安定処理後の置土の含水比変化および破砕後 を満足しないが 空気間隙率は 2.1~2.8% と基準値 (2% の盛土の含水比変化をまとめた ( 図 ) セメン Va 1%) を満足する結果となり 品質管理上は問題 トとの反応により水分が一定量使われることで掘削時の ないと判断される 粘土の含水比は若干低下することが想定されるが 長期 的に緩やかな低下傾向があるもののその低下量は数 % に 表 -3. 現場密度の測定結果 (H26 施工箇所 ) 満たない ( 改良前含水比 46.% 置土 日後 46.%) 盛土後についても変動は小さく セメントによる含水比低下効果はほとんどないようである しかし 置土及び盛土時期は降雨が多く 気温が低く日照時間の短い 1 月以降であり 一般的な攪拌土では含水比が上昇しやすい時期であることから 含水比をほぼ一定に保つことができていることは 粘土と同程度の難透水性を有する固化破砕土のメリットである可能性がある 置土の含水比 w(%) 盛土の含水比 w(%) 養生日数と置土の含水比の関係 6 養生日数 3 日 (55kg/m3) 58 改良前粘土含水比 46.% 養生日数 日 (55kg/m3) 56 養生日数 1 日 (55kg/m3) 54 養生日数 日 (55kg/m3) 52 養生日数 日 (55kg/m3) 5 48 平均含水比 置土の養生日数 ( 日 ) 図 -3.8 養生日数と破砕後の強度変化の関係 盛土後の固化破砕土の含水比変化 盛土後の経過日数 ( 日 ) 養生日数 3 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 養生日数 1 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 養生日数 日 (55kg/m3) 締固め 現場密度 箇所 試料番号 ( 深さ ) 土粒子の密度 試験方法 (.5m) SPCL 固化破砕土 CT1BD3-Pit-1 ρs(g/cm 3 ) A-c 最大乾燥密度 ρdmax(g/cm 3 ).894 最適含水比 wopt(%) 6.6 (.8m) 含水比 w (%) 湿潤密度 ρt(g/cm 3 ) 乾燥密度 ρd(g/cm 3 ) 締固め度 Dc (%) 飽和度 Sr (%) 空気間隙率 Va (%) 固化破砕土の強度固化破砕土は施工時点では目標強度コーン指数 q c =kn/m 2 ( ポータブルコーン試験 ) で作成されている 今回の調査ではオランダ式コーン貫入試験で強度を求めているが オランダ式コーン貫入試験 (q cd) とポータブルコーン試験 (q c ) では 一般的に q c =.41q cd という関係がある より正確な qc 値を求めるため実測値から qc と qcd 値の関係を求めた 今回の実測値で得られた両者の関係は 平均 q c =.944q cd という値になった ( 図 -3.1 図 -3.11) 深さ方向の強度分布をみると固化破砕土の箇所では 平均 qcd = 125kN/m 2 となり ポータブルコーン試験の qcでは968 kn/m 2 相当となる ( 図 -3.12) 施工直後の実測強度が残っていないため明確な比較はできないが 強度は増加傾向であると推定されるが 強度発現により完全に固結するほどの強度でもなく 一般的な土の強度の範囲内で強度増加は収束している 図 -3.9 盛土後の固化破砕土の含水比変化 (6) 固化破砕土の長期強度について ( 晩翠遊水地周囲堤盛土調査結果 ) 固化破砕土の長期強度を確認するため平成 26 年度に施工された晩翠遊水地での固化破砕土の強度確認調査を実施した 1 締固め度 飽和度 空気間隙率盛土の品質管理に用いる締固め度 飽和度 空気間隙率については 試掘により材料採取及び現場密度測定を行い求めた ( 表 -3.) 図 -3.1 深さ方向における qc 値 qcd 値

6 968kN/m 2 ( 換算値 ) 125kN/m 2 ( 実測値 ) 図 qc 値と qcd 値の関係 図 深さ方向における qcd 値の分布図 3 アルカリ成分の流出ボーリング調査の結果 覆土 ~45cm の下にセメントによるアルカリ性を呈する盛土が層厚 2.2m 確認された ( 写真 -3.1) 平成 26 年度に施工されたときの層厚と変化がなかったため 雨等によるアルカリ分の流出はないと考えられる 赤紫を呈する範囲 深度.45~2.65m 写真 -3.1 フェノールフタレイン試薬噴霧後のコア状況 先行する他の遊水地における試験施工と比べ配合量は最小となった なお 室内配合試験では 強度 qc=kn/m 2 であったため 室内現場強度比は 2:1 であることが分かった 次に品質管理方法としては 改良土の粒度構成を変化させる程の改良とはならないことと曝気をせずとも 空気間隙率 と 飽和度 の管理基準値を満たす結果が得られたことを考慮し 粘性土の品質管理方法である 空気間隙率 と 飽和度 を適用することが施工性もあり 妥当であると判断した また 養生日数は 日までが強度増加率が高く それ以降は緩やかに伸び続けるという傾向が見られた そのため 養生日数は 日以上とするのが望ましい 平成 26 年度施工の晩翠遊水地でのボーリング結果より 目標強度 kn/m 2 の 2 倍程度であることが分かり 強度低下や固まりすぎるという傾向が見られなかったため 長期的な盛土材料としても問題が無いと判断できる またアルカリ分の流出もなく 環境面についても盛土材としての使用に問題がないと考えられる 今後は 今年度施工箇所で低い気温では強度が出にくい傾向が見られたので 引き続き調査し対策を考える また 本試験施工についても長期的盛土安定性 アルカリ分流出 植生等について引き続きモニタリングを行うと共に課題等がないか検討していく さらに コスト縮減ができることや環境負荷が小さいことは確認できたが 河川では実績が少ないことから 施工するための運用などを策定し 今後も盛土に対する実用性について検証していく必要がある 参考文献 1) 大川智, 八木勝良, 青木康治 : 回転式破砕混合工法による現地施工性確認試験について, 第 55 回北海道開発技術研究発表会 2) 大川智, 西川幸裕, 村舘行男 : 回転式破砕混合工法による遊水地掘削土 ( 高含水比粘性土 ) を築堤盛土材料に改良する現地試験施工について, 第 56 回北海道開発技術研究発表会 3) 安田昌弘, 西川幸裕, 北畑大輔 : 河川堤防に用いる高含水比粘性土の改良工法について, 第 5 回北海道開発技術研究発表会 4) 楠美嘉和, 高村章, 若林英樹 : 河川堤防に用いる高含水比粘性土の石灰安定処理について, 第 54 回北海道開発技術研究発表会 5)( 財 ) 土木研究センター,( 独 ) 土木研究所編著 : 建設発生土利用 技術マニュアル第 4 版,p.26~32,3 年 12 月 6) 道路 河川工事仕様書 まとめ 今年度の試験施工と晩翠遊水地 ( 平成 26 年度施工 ) でのボーリング結果により得られた知見を以下にまとめる 江別太遊水地の粘性土では 目標強度 qc=kn/m 2 を満たす固化破砕土の現場最適配合量は 55kg/m 3 となり

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