保護マットの貫入保護性能についての考察 ○(正)清水昭二 1)，(正)狩野真吾 2)，(正)近藤三樹郎 3)，増渕光亮 4)，渡部直人 5) 1)ダイニック･ジュノ（株），2)東北大学（現DOWAエコシステム(株)），3)東ソー・ニッケミ（株） 4)日本シート工業（株），5)シーアイ化成（株）１．はじめに廃棄物最終処分場の遮水シート工に用いられる遮水シートの貫入抵抗は比較的小さいことから，保護材として保護マットなどが導入されている．しかしながら保護材の保護性能についてはほとんど解明がなされていない．保護マットは，比較的安易に入手でき経済的であることなどから，遮水シートの保護材として一般的に使用されている．その保護性能については各種設定されているが，等圧膨張時の保護性能については清水ほか１）の，貫入抵抗に関しては近藤ほか3）の研究以外ほとんどないのが現状である．遮水シートそのもの設計手法の確立もさることながら，保護マットについても設計手法を確立しなければ，遮水工としての安全性を見積もることも担保することもできない．保護マットの保護性能として重要である貫入抵抗に関して，遮水シートと同様の性能表示が必要である．不織布の貫入性能の表示において未だに最大貫入力値のみが表示されているが，保護性能概念の確立が必要との考えから，文献3)に引き続いて実験を行い，貫入保護性能についての考察を行ったのでここに報告する．２．実験方法突刺貫入試験には，既往研究2)のASTM D 4833がある．この方法の実験治具は，貫入棒の直径が8mmで，シートの取付架台の直径が45mmである．不織布と遮水シートを重ねて供試体とした場合，直径45mmに対し厚みが11mm程度となり，供試体の変形に必要な領域が十分に確保できない．一方．石川ほかの研究3）で用いたISO12236の試験は貫入棒の直径が50mmで，シートの取付架台の直径は150mmであるが，貫入棒直径は安全すぎる傾向がある．以上を考慮し，本研究では貫入棒をASTM D 4833の直径8mm，取付架台直径をISO12236の150mm に設定して実験を行った．写真１試験治具貫入速度は50mm／minである．試験方法の違いによる実験結果の整合性は別途考慮する．供試体を表1に示す．各単体の貫入性能を求め、その後不織布を貫入棒側としその下に遮水シートを配した供試体4種類の性能を求めた．サンプリングタイムは0.25秒とした．従来方法の架台は筒状であり，供試体の変形や破断状況を観察することはできなかったので，観測窓を設けビデオ撮影を行い，変形状況および破断状況を撮影した．表１供試体仕様と貫入性能値番号供試体名略称 1 メタロセンポリエチレンＭｅＰＥ 2 超軟質塩化ビニル SSPVC 3 軟質塩化ビニル SPVC 熱可塑性オレフィン 4 FPP ／ポリプロピレン 9 DMP100＋ＦＰＰ 10 高密度ポリエチレン 1.5mm Ｄ＋ＭＤ＋ＳＳＤ＋ＳＤ＋Ｆ (11.5mm) ＨＤＰＥ【連絡先】土木シート技術協会 1.5mm 1.5mm 1.5mm (10mm) ， 1200ｇ／㎡ (11.5) (11.5) (11.5mm) 5 特殊織短繊維不織布 DMP100 6 DMP100＋ＭｅＰＥ 7 DMP100＋ＳＳＰＶＣ 8 DMP100＋ＳＰＶＣ仕様〒104-8321 1.5mm 第１極大同左変位破断時貫同左変位変形形状貫入力Ｎ mm 入力Ｎ mm 397 31 404 42.5 円錐近似 − − 261.6 60.4 円錐近似 − − 455 49.5 円錐近似 251.3 26.6 259.7 41.8 棒近接放物線 − − 2140 96.6 円錐近似 − − − − − − 1881.9･ 88.1 (DMP100破断） − − 東京都中央区京橋1-18-1 2262 79.5 2172.2 93.34 2603.7 84.62 2190.5 84.22 (FPP破断） 640 26.2 シーアイ化成(株)内 TEL03-3535-4545 （清水）〒105-0012 東京都港区芝大門 1-3-4 ダイニックビル 6F ダイニック･ジュノ㈱TEL03-5402-1801 【キーワード】遮水シート、保護マット，試験，貫入抵抗円錐近似円錐近似円錐近似円錐近似円錐近似棒近接放物線 FAX03-5402-3181 単体での貫入性能ＳＭｅＰＥ平均ＳＳＰＶＣ平均 SPVC平均ＦＰＰ平均ＤＭＰ１００ＨＤＰＥ平均貫入力 N 2200 ３．実験結果貫入力と貫入変位は1対1に対応す 2000 ることから，ここでは両者をまとめて 1800 貫入性能と称する． 1600 実験で得られた極大時と破断時の 1400 貫入性能および観測された変形形状 1200 の特徴を表1に供試体仕様と共に示し 1000 た． 800 各単体供試体での実験結果を図1に 600 まとめて示す．図1には単体シート性 400 能としてHDPEシートを追加した．遮 200 水シートの貫入抵抗は低くてSSPVC 0 の約250N，高くてHDPEの650Nであ 0 る．さらに破断時の変位に着目すると，大きくてSSPVCの60mm，小さい場合はHDPEの27mmである．これに対し DMP100 の貫入性能は破断時の貫入力で2140N，変位は 95mm であり，遮水シートに対し，3∼9 倍，1.5∼3.5倍の性能があるとの結果が得られた．写真２ DMP100の破断前 DMP100 HDPE SPVC MePE SSPVC FPP 20 40 60 80 100 貫入変位 mm 図１単体での貫入性能曲線写真3 DMP100の破断直後（左の0.07秒後）写真4 FPPの破断時頃の変形状況写真5 SSPVCの破断時頃の変形状況写真2,3にはDMP100の破断時前後をビデオから写真を採取し示した．写真の時間間隔は0.07秒である．また，遮水シートの変形状況の両極端としてFPPとSSPVCの破断時前後の写真をビデオから採取し写真 4,5に示す．供試体の変形状況を観測した結果，貫入棒の貫入とともに供試体は円錐状（断面は直角三角形）に変形すると仮定した近藤らの研究2)とは異なり，放物線状を描いた変形をすることがわかった検討の結果，既往の仮定は貫入力・貫入変位曲線が線形である領域で成り立つことがわかった．貫入時の変形にも円錐に近い放物線と貫入棒と接する距離が長い放物線との2種類に分類できることがビデオの撮影からからわかった．今回の実験では変形途中までは円錐形状だが，それ以降破断に至るまでは貫入棒に密着する感じで供試体が伸びていく変形も見られ，破断に至る過程は供試体により異なることがわかった．また DMP100の変形は破断するまでほぼ円錐形であることが判明した．図2に遮水シートとDMP100不織布を重ね合わせた実験番号6∼9の貫入力・変位曲線を示す．複合供試体の破断時貫入力・変位は，いずれのケースでも不織布単体の性能に近い傾向を示した．これは，複合供貫入力Ｎ貫入力Ｎ貫入力 N 試体も不織布単体も変形の形状がどちらも同じ 3000 貫入性能ＤＭP１００基本ＤＭＰ１００ＤＭＰ１００+ＳＭｅＰＥ平均円錐形であったことによると考えられる．すなわ 2500 ＤＭＰ１００+ＳＰＶＣ平均ち，単体では貫入棒に密着する感じで変形した遮ＤＭＰ１００+ＳＳＰＶＣ平均 2000 ＤＭＰ１００+ＦＰＰ平均水シートの突起先端部分が，不織布があることによって破断につながる局所的な変形をまぬがれ 1500 たためと考えられる．このように不織布の破断に 1000 至るまでの変形は円錐状であることが，遮水シートの破断時の貫入力および変位を向上させる効 500 果があるものと考えられる． 0 図2に示すように，二層状態では遮水シートは 0 20 40 60 80 100 貫入変位 mm DMP100の破断貫入力相当で破断し，DMP100 の破断時変位相当で破断した．すなわち，遮水シ図２複合供試体の貫入力・変位曲線貫入に関する保護性能基本性能 2500 ートは不織布とほぼ同時に破断しており，遮水シートの破断時性能が不織布の性能にまで向上し（ＤＭＰ100+ＳＭｅＰＥ）平均 2000 ＳＭｅＰＥ平均たといえる．この向上した分を保護効果と判断す 1500 ＤＭＰ100 ることができ，本研究ではこれを保護ポテンシャ 1000 ルPｏと定義する．すなわち， 500 Pｏ1=二層貫入性能−遮水シート単体貫 Pｏ2=二層貫入性能−遮水シート単体貫 0 0 20 40 60 80 100 入性能−不織布単体貫入性能貫入変位ｍｍ Po1は単体シートより増加した貫入性能であり，Po2は不織布が貢献した貫入性能である．図３複合供試体と単体の貫入 2500 貫入力に関する保護ポテンシャル図３，４にDMP100不織布とSMePEシートの（保護Ｐｏ１＝２層性能−シート性能）（保護Ｐｏ２＝２層性能ーシート性能−不織布性能）場合の保護ポテンシャル例を示した．図3では遮 2000 水シートの破断時性能値が向上したことと不織保護Ｐｏ１ 1500 保護Ｐｏ２布による貢献具合を見ることができ，貢献は図3 1000 のPo1およびPo2の描く曲線の面積，すなわち仕事量を評価することにより明瞭になるといえる． 500 ４．まとめ 0 本実験より以下のことが明らかになった． 0 20 40 60 80 100 貫入変位ｍｍ ①貫入時の変形は円錐形でなく放物線形状であり，凹凸状況の異なる2種類の形状がある．図４保護ポテンシャルの概念例 ②貫入性能は遮水シートの貫入性能の変化すなわち破断時の貫入力と貫入変位で示せる． ③不織布の保護効果は，保護ポテンシャルＰｏで表せる． ④遮水シート工の貫入性能は，構成する遮水シートと不織布の貫入性能の単純和には等しくない．なお，本実験は土木シート技術研究会が，神奈川県産業技術研究センター加藤三貴研究室で行った実験結果をまとめたものである．ここに謝辞を申し上げます．参考文献 1) 清水昭二・小田勝也・狩野真吾・佐藤晶英・渡辺克也・竹内克昌：保護マット不織布の性能試験方法：第15回廃棄物学会研究発表会講演論文集、2004． 2) 近藤三樹郎・狩野真吾・小田勝也・佐藤晶英・渡辺克也：土木遮水シート突刺し貫入試験結果の応用、第15回廃棄物学会研究発表会講演論文集、2004． 3)近藤三樹郎・狩野真吾・増渕光亮・岩井勉・竹内克昌：保護マットの貫入抵抗とその保護マットについての考察、第17回廃棄物学会研究発表会講演論文集、2006． 4)石川雅洋，狩野真吾，小田勝也，竹内克昌，渡辺克也：保護マットの貫入試験とその応力ひずみ曲線化，第41回地盤工学研究発表会講演論文集,2006．