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技術 不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法

出願人 大成建設株式会社
発明者 遠藤さち恵森川義人藤原斉郁
出願日 2014年5月30日 (6年7ヶ月経過) 出願番号 2014-111952
公開日 2015年12月14日 (5年0ヶ月経過) 公開番号 2015-223578
状態 特許登録済
技術分野 根切り,山留め,盛土,斜面の安定 汚染除去及び汚染物処理 固体廃棄物の処理
主要キーワード 流出防止性 強度定数 膨潤変形 自己シール性 風化花崗岩 粒子破砕 変形追随性 主応力差
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年12月14日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

簡易かつ安価に製造することが可能な不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法を提供する。

解決手段

放射性物質を含有する廃棄物の中間貯蔵施設1の不透水層2を形成するための混合土であって、脆弱岩を主体とする母材ベントナイトを混合してなり、母材は、粒度調整がなされていない岩級区分がCL〜D級の脆弱岩の掘削残土であり、ベントナイトは、混合土の乾燥重量に対する混合率が5%〜10%の範囲内で混合されている。

概要

背景

種廃棄物貯蔵施設等では、施設底部、施設斜面部および廃棄物層下部に不透水層を形成する場合がある。
不透水層は、遮水性能および変形追随性能を備えている必要がある。また、放射性物質を含有する廃棄物の中間貯蔵施設では、遮水性能および変形追従性能に加えて、流出防止性能を備えている必要がある。なお、本明細書において「不透水層」とは、不透水性土壌層をいい、「難透水性土壌層」も含むものとする。

このような不透水層を構成する材料には、締固めに適した粒度分布を確保するための複数種類母材と、ベントナイトとを混合してなるベントナイト混合土を使用する場合がある。

また、特許文献1には、乾土重量比で、20〜60%、ベントナイト5〜20%、残部が砂よりなるベントナイト混合土が開示されている。
このベントナイト混合土は、礫同士による骨格形成による強度確保膨潤変形の抑止、ベントナイトによる止水性を確保している。

概要

簡易かつ安価に製造することが可能な不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法を提供する。放射性物質を含有する廃棄物の中間貯蔵施設1の不透水層2を形成するための混合土であって、脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなり、母材は、粒度調整がなされていない岩級区分がCL〜D級の脆弱岩の掘削残土であり、ベントナイトは、混合土の乾燥重量に対する混合率が5%〜10%の範囲内で混合されている。

目的

本発明は、母材の調達費用掛けず、また粒度調整の手間を掛けない(省いた)不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

脆弱岩を主体とする母材ベントナイトを混合してなる不透水層用の混合土であって、前記母材は、掘削土であることを特徴とする、不透水層用の混合土。

請求項2

乾燥重量に対する前記ベントナイトの混合率が、5%〜10%の範囲内であることを特徴とする、請求項1に記載の不透水層用の混合土。

請求項3

前記脆弱岩の岩級区分がCL〜D級であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の不透水層用の混合土。

請求項4

脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなる混合土の配合設計方法であって、前記脆弱岩が締固め時粒子破砕により適度な細粒分を有する粒度分布に調整されることを考慮して前記ベントナイトの混合率を設定することを特徴とする、混合土の配合設計方法。

技術分野

0001

本発明は、不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法に関する。

背景技術

0002

種廃棄物貯蔵施設等では、施設底部、施設斜面部および廃棄物層下部に不透水層を形成する場合がある。
不透水層は、遮水性能および変形追随性能を備えている必要がある。また、放射性物質を含有する廃棄物の中間貯蔵施設では、遮水性能および変形追従性能に加えて、流出防止性能を備えている必要がある。なお、本明細書において「不透水層」とは、不透水性土壌層をいい、「難透水性土壌層」も含むものとする。

0003

このような不透水層を構成する材料には、締固めに適した粒度分布を確保するための複数種類母材と、ベントナイトとを混合してなるベントナイト混合土を使用する場合がある。

0004

また、特許文献1には、乾土重量比で、20〜60%、ベントナイト5〜20%、残部が砂よりなるベントナイト混合土が開示されている。
このベントナイト混合土は、礫同士による骨格形成による強度確保膨潤変形の抑止、ベントナイトによる止水性を確保している。

先行技術

0005

特開平07−113221号公報

発明が解決しようとする課題

0006

前記従来のベントナイト混合土は、母材の調達費用が掛かり、また粒度調整に手間がかかる。また、特許文献1記載のベントナイト混合土も、母材に複数種類の材料を使用するため、費用がかさむ。

0007

このような観点から、本発明は、母材の調達に費用を掛けず、また粒度調整の手間を掛けない(省いた)不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0008

前記課題を解決するために、本発明の不透水層用の混合土は、脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなるものであって、前記母材は掘削土であることを特徴としている。

0009

前記不透水層用の混合土の乾燥重量に対する前記ベントナイトの混合率は、5%〜10%の範囲内であるのが望ましい。
また、前記脆弱岩の岩級区分はCL〜D級であることが望ましい。

0010

かかる不透水層用の混合土は、1種類の母材とベントナイトとを混合することにより、簡易かつ安価に製造することができる。
また、母材として脆弱岩を主体とした材料を使用しているため、締固めにより容易に母材が破砕されて好適な粒度分布になる。このような母材を使用すれば、ベントナイトの混合率が小さい(貧配合)場合でも飽和度が高く、空気間隙率が小さく密実で、遮水性状力学特性とを備えた不透水層を形成することができる。

0011

また、破砕性を備えた母材のため、過剰な締固めエネルギーを必要とせずに、高い乾燥密度を得ることができる。
ここで、本明細書の「脆弱岩」とは、いわゆるCL〜D級岩盤日本道路公団岩盤分類)に区分される堆積軟岩である。

0012

また、本発明の混合土の配合設計方法は、脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなるものであって、前記脆弱岩が締固め時粒子破砕により適度な細粒分を有する粒度分布に調整されることを考慮して前記ベントナイトの混合率を設定することを特徴としている。

0013

かかる混合土の配合設計方法によれば、母材として脆弱岩を主体とした材料を用いることで、脆弱岩の粒子破砕性を有効に利用して粒度分布の向上を図り、粒子破砕による適度な細粒分を有する貧配合のベントナイト混合土の配合設計が可能となる。

発明の効果

0014

本発明の不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法によれば、簡易かつ安価にベントナイト混合土を製造することが可能である。

図面の簡単な説明

0015

本実施形態の廃棄物処分場概要を示す断面図である。
母材の粒度分布を示すグラフである。
本実施形態の混合土の締固め前後の粒径加積曲線を示すグラフであって、(a)は母材が泥岩Aの場合、(b)は母材が泥岩Bの場合である。
混合土の締固め前後の粒径加積曲線を示すグラフであって、(a)は母材として花崗岩Aを使用した場合、(b)は母材として花崗岩Bを使用した場合である。
ベントナイト混合土の締固め曲線を示すグラフである。
締固めエネルギーの違いによる有効粘土密度の関係を示すグラフである。
(a)は本実施形態の混合土の透水係数と有効粘土密度の関係を示すグラフ、(b)は母材として花崗岩を使用した混合土の透水係数と有効粘土密度の関係を示すグラフである。
締固め直後のベントナイト混合土を破壊させた後の自己修復性能を確認するために自己シール性試験による透水係数と経過時間の関係を示すグラフであって、(a)は本実施形態の混合土、(b)は母材として稲砂を使用した混合土である。
本実施形態の混合土の三軸圧縮試験結果を示すグラフである。

実施例

0016

本実施形態では、放射性物質を含有する廃棄物(放射性廃棄物4)の中間貯蔵施設1の不透水層(混合土)2について説明する。
中間貯蔵施設1は、図1に示すように、地盤掘削することにより形成された凹部3(溝等)に構築されている。

0017

不透水層2は、放射性廃棄物4の側面および底面を覆うように、凹部3の底部および斜面部に形成されている。すなわち、中間貯蔵施設1は、いわゆる土壌貯蔵施設II型Bタイプ(「中間貯蔵施設安全対策検討会(第4回)資料3」環境省)である。なお、放射性廃棄物4の上面は覆土5により覆われている。また、放射性廃棄物4を複数層に分けて埋め立てる場合には、各廃棄物層の底部にも不透水層2を形成する。

0018

不透水層2は、脆弱岩を主体とする母材に貧配合のベントナイトを混合してなる混合土を締固めることにより形成されている。

0019

本実施形態では、母材として、凹部3の形成時に地盤(脆弱岩)を掘削することにより発生した掘削残土を使用している。
すなわち、不透水層2を構成する混合土は、凹部3の掘削時に発生した岩盤層の掘削残土に、貧配合のベントナイトを混合することにより構成されている。

0020

本実施形態では、岩級区分がCL〜D級の泥岩(脆弱岩)である新第三系鮮新統の泥岩の掘削残土を、粒度調整することなく混合機投入し、ベントナイトおよび水と混合する。
なお、ベントナイトの混合率は、脆弱岩が締固め時の粒子破砕により適度な細粒分を有する粒度分布に調整されることを考慮して、混合土の乾燥重量に対して5%〜10%の範囲内とする。

0021

本実施形態では、母材として脆弱岩を使用しているが、脆弱岩を主体としていれば、脆弱岩以外の材料(砂等)が母材に含まれていてもよい。なお、掘削残土に、脆弱岩以外の材料が20%程度以上含まれている場合には、母材としては使用しないものとする。また、掘削残土に粘土やシルトが含まれている場合も、母材としては使用しないものとする。

0022

不透水層2は、混合土を撒き出したのち、締固めることにより形成されている。
混合土の撒き出し方法は限定されないが、例えば、ブルドーザ等の建設機械を使用すればよい。また、混合土の締固めは、例えば振動ローラコンパクタ等の建設機械を用いて転圧すればよい。

0023

本実施形態の不透水層用の混合土は、母材として掘削残土(現地発生土)の脆弱岩を使用しているため、礫や砂等の購入土を使用する場合に比べて、費用を大幅に削減することができる。
また、母材となる掘削残土に対して手間のかかる粒度調整等の処理を施す必要が無く、簡易な事前破砕のみが必要とされるため、施工性および経済性に優れている。

0024

本実施形態の混合土によれば、脆弱岩を主体とした母材にベントナイトを混合しているので、遮水性に優れた不透水層2が形成される。
また、母材に脆弱岩を使用しているため、粒度調整がなされていなくても、転圧により母材が破砕して、適切な粒度分布に調整され、適度な細粒分が含まれる。そのため、ベントナイトが貧配合であっても、遮水性に優れた不透水層2が形成される。

0025

また、本実施形態の混合土を転圧すれば、脆弱岩が破砕して適度な粒度分布に調整されるため、母材同士の間隙が小さくなる。すなわち、高い締固め密度で、飽和度が高く、空気間隙率が低い良好な締固め性状が得られる。そのため、高品質の不透水層2を構築することができる。

0026

さらに、不透水層2にせん断破壊等が生じた場合であっても、ベントナイトの膨潤変形により、必要な止水性が回復される。

0027

また、締固めによる脆弱岩の粒度分布の改善効果が、ベントナイト混合土のせん断抵抗力の発現性に寄与し、盛土材として必要なせん抵抗力発現する。また、ひずみが大きくなっても残留応力が維持される力学変形特性を有する変形追随性が発現される。

0028

次に、本実施形態の混合土の不透水層2の材料としての適用性を確認するために行った確認試験の結果について説明する。
なお、各確認試験では、均等係数4〜5以下の粒度の泥岩A(粒度が悪い土:砕石2005を想定)と、均等係数が10以上の粒度の泥岩B(粒度の良い土)の2種類の母材を使用した(図2参照)。確認試験に使用した脆弱岩は、新第三系鮮新統の泥岩を使用した。また、比較例として、風化花崗岩と稲城砂を使用した。表1に各材料の物性を示す。ここで、「モンモリロナイト」はベントナイトの主成分を構成する鉱物一種である。

0029

0030

まず、脆弱岩(泥岩A,B)の破砕性の確認を行った結果を図3に示す。
破砕性の確認は、締固め前と、締固めを1サイクル行った場合(1Ec)と、締固めを2サイクル行った場合(2Ec)の粒度分布を比較することにより行った。

0031

粒度が悪い脆弱岩(泥岩A)を母材とした混合土の締固め後の粒度分布(図3の(a))は礫分が減少しており、粒度が良い脆弱岩(泥岩B)を母材とした混合土の締固め後の粒度分布(図3の(b))と同程度の幅となった。例えば、泥岩Aを母材とした混合土は、図3の(a)に示すように、締固めることで2mm以下含有率が7.1%から22.9%に増加する結果となった。すなわち、脆弱岩の破砕性により、締固め前の粒度分布とは大きく変化する結果となった。

0032

なお、図4の(a)および(b)に示すように、花崗岩を母材とした混合土は、締固め前後で大きな粒度分布の差異は生じなかった。

0033

次に、各試料に対して、突固めによる土の締固め試験を行った結果を示す。突固め方法は、A−c法により行った。
図5に示すように、母材が脆弱岩(泥岩A,B)の混合土は、最大乾燥密度において飽和度Sr=90%、空気間隙率va=0〜10%程度であり、良好な締固め特性を示した。

0034

一方、母材が花崗岩の混合土は、最大乾燥密度において、飽和度Sr=80%、空気間隙率va=0〜10%程度であった。
また、母材が稲城砂の混合土は、ベントナイトの混合率が5%の場合は、最大乾燥密度において、飽和度Sr=80%、空気間隙率va=0〜10%程度であったが、混合率が10%の場合に飽和度がSr=80%以下、空気間隙率va=5〜10%程度であった。

0035

したがって、母材として脆弱岩を使用することで、ベントナイトの配合が貧配合であっても、良好な締固め性状を確保することができる結果となった。

0036

次に、締固めエネルギーの違いによる有効粘土密度を比較した結果を示す。
有効粘土密度は、式1を用いて算出した。

0037

0038

図6に示すように、母材として花崗岩を使用した場合と、稲城砂を使用した場合は、有効粘土密度は、締固めエネルギーの大きさに依存する傾向にある。
母材が花崗岩の場合および稲城砂の場合は、締固めエネルギー2Ec(締固めを2サイクル行った場合)の方が、締固めエネルギー1Ec(締固めを1サイクル行った場合)よりも密度が増加する。

0039

一方、母材として脆弱岩(泥岩A,B)を使用した混合土の有効粘土密度は、図6に示すように、粒度の差およびベントナイト混合率の差にかかわらず、締固めエネルギーにほとんど依存しない結果となった。
これは、締固めエネルギーが母材(脆弱岩)の破砕に寄与し、母材の粒度分布が調整されることによって、間隙充填がなされた結果、混合土の密実性が増加し、締固めエネルギーによらずに有効粘土密度が確保されると考えられる。

0040

この結果は、締固めによる泥岩の粒子破砕性に起因していると推測される。すなわち、締固めエネルギーが泥岩の破砕に寄与し、母材の粒度分布が良くなることによって、ベントナイト混合土全体としての粒度分布が良好となり、間隙充填に繋がる結果となった。

0041

次に、混合土の遮水性能について確認するために行った透水試験の結果を示す。
図7の(a)に示すように、脆弱岩(泥岩A,B)を母材とした場合は粒度による透水係数の違いが大きいものの、ベントナイト混合率が5%で10−11m/sec程度、10%で10−12m/sec程度となった。したがって、遮水層として要求される透水係数(10−8m/sec以下)を大幅に下回る良好な遮水性能を有している。

0042

なお、脆弱岩の岩塊について透水試験を実施したところ、10−8m/sec程度であった。すなわち、脆弱岩を破砕してベントナイトを貧配合で混合することで、遮水性能が向上する結果となった。

0043

なお、花崗岩を母材とした場合は、図7の(b)に示すように、ベントナイト混合率が5%で10−11m/sec以下、10%で10−11m/sec程度であった。

0044

次に、混合土について自己シール性試験を行った結果を示す。
自己シール性試験は、供試体一軸圧縮試験によりせん断破壊させた後、透水試験用モールドにより実施した。

0045

母材として脆弱岩(泥岩)を使用した混合土は、図8の(a)に示すように、ベントナイト混合率(5%、10%)に大きく依存せず、ベントナイトの膨潤変形により止水性が回復し、10−4m/secであった透水係数が、11日間で10−7m/secにまで回復する結果となった。

0046

これに対して、母材として稲城砂を使用した混合土は、図8の(b)に示すように、ベントナイト混合率が10%の場合は、10−4m/secであった透水係数が、11日間で10−7m/secにまで回復する。ところが、ベントナイト混合率が5%の場合は、透水係数の変化が小さく、10−6m/secに留まる結果となった。

0047

次に、混合土について三軸圧縮試験を行った結果を示す。
図9に示すように、母材として脆弱岩を用いた場合は、ベントナイト混合率が5%では粘着力C’=20kN/m2、内部摩擦角φ’=27°であった。したがって、脆弱岩を母材としたベントナイト混合土は、盛土材に適用できるせん断抵抗力を有する強度定数を有しており、主応力差はひずみの増加に伴い、急激なひずみ軟化を示すことなく応力が維持される変形追随性を有していることがわかる。ベントナイト混合率が10%の場合は、粘着力C’=18kN/m2、内部摩擦角φ’=25°であり、変形追随性を有していることがわかる。

0048

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

0049

また、脆弱岩は、必ずしも岩級区分がCL〜D級である必要はない。
また、脆弱岩は、必ずしも現地発生土である必要はない。

0050

覆土を構成する材料は限定されないが、雨水等の水の浸透を防止する層を形成することが可能な材料が望ましい。
中間貯蔵施設は、必要な排水施設地下水モニタリング設備を備えているのが望ましい。

0051

1中間貯蔵施設
2不透水層
3 凹部
4放射性廃棄物
5 覆土

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