（一社）建設コンサルタンツ協会近畿支部第48回（平成27年度）研究発表会論集学生発表アブストラクト №309 炭酸カルシウム析出と地盤不飽和化の複合地盤改良技術の提案和歌山工業高等専門学校上舍和寛１．はじめに炭酸カルシウムは，地盤の透水性，静的および動的力学特従来の方法 (飽和状態析出による分布）新しい方法 (不飽和状態析出による分布）炭酸カルシウムが砂表面全体に析出炭酸カルシウムが土粒子接点に集中．土粒子の固結に対し，炭酸カルシウムが無駄なく使われる．性を効果的に改善できる物質であることが分かっている例えば 1), 2) ．さらに，炭酸カルシウムは自然界に多く見られる毒性が極めて小さい物質であることから，固化後の環境負荷が小さい地盤改良工法として着目され，研究が進められている．一方，地盤中での炭酸カルシウム析出に要する注入薬液の成分は，現状で極めて高価であること，および注入薬液がアルカリ性であることより現地盤の pH は変化し，さらに反応副産物としてアンモニウムイオンが生じるため，薬液注入時図 1 養生中の土粒子の様子に地盤の化学的，生物学的環境を変化させる可能性を有しているという問題点を有している．そのため，極力少量の薬液表1 注入で従来の研究と同程度以上の強度改良を実現できる技術の開発が本工法の現場適用には不可欠である．従来の方法では，土粒子表面全体に炭酸カルシウムが析出し (図 1 左)，地盤の強度発現に利用されない土粒子接点以外の無駄な析出があった．それらを土粒子接点に集中させることができれば(図 1 右)，同じ析出量でもより高い改良効果，実験ケースケース養生時の飽和度 (%) 析出率 (%) 溶液量 (ml) 尿素・塩カル溶液濃度 (ml/L) ウレアーゼ溶液濃度 (g/L) Case1 20 0 17.31 0.00 0.00 Case2 20 0.3 17.31 0.50 2.00 Case3 20 0.6 17.31 1.00 20.00 Case4 100 0.6 86.54 0.20 2.00 あるいは少ない析出量でも同等の改良効果が得られると考えられる．Liang ら 3)は，薬液注入後に不飽和状態を地盤中に与え，薬液を土粒子接点に集中させた状態で炭酸カルシウム応力比 0.22,0.18 0.17,0.16 0.21,0.2 0.18,0.16 0.48,0.47 0.26,0.24 0.23 0.27,0.24 0.21,0.18 0.17 を析出させ改良した砂供試体に対し一軸圧縮試験を実施し，炭酸カルシウム析出時の飽和度が低いほど，改良強度が高ま対密度 Dr=50%)に対し非排水繰返し試験を行い，飽和度によることを示した．このことは，同様な方法で炭酸カルシウムる液状化抵抗特性の違いを調べる．試験条件をまとめて表 1 を析出させた砂の液状化強度も改善されることを示唆してに示す．養生時の飽和度は 20%と 100%，析出率すなわち乾いる．しかし，これについてはこれまで明らかにされていな燥砂質量に対する炭酸カルシウム析出質量の比率は 0，0.3% い．そこで本研究では，薬液を注入し炭酸カルシウムを析出および 0.6%の 3 種類とし，各ケースにおいて必要な炭酸カルさせる養生時における供試体内部の飽和度の違いが改良供シウム析出が実現可能となる溶液濃度を間隙体積と飽和度試体の液状化強度に及ぼす影響を調べた．から求めた．以下に不飽和状態で養生を行う供試体作成手順を示す．あ２．研究の方法らかじめ所定濃度に配合しておいた必要量の薬液と供試体 1 本研究では，尿素，塩化カルシウムおよびウレアーゼを利本分の乾燥砂をポリエチレン袋内で均質に混合し，その混合用し炭酸カルシウムを析出させる．式(1)~(4)にその化学反応試料を内径 φ50mm×高さ h100mm のモールドに相対密度式を示す．尿素の加水分解反応で生じた二酸化炭素(式(1))の Dr=50%となるように 5 層に分けウェットタンピング法で詰一部は水溶液中で炭酸イオンに変化する(式(2))．また，同じめ，48 時間養生する．養生中は，モールド開端面(上面)から水溶液中に含まれる塩化カルシウムはカルシウムイオンと σv’=50kPa で K0 状態で圧密する．Sr=100%で養生する供試体塩化物イオンに分解される(式(3))．これらの反応で生じたカは薬液と乾燥豊浦砂を同様のモールドに水中落下法にて相ルシウムイオンと炭酸イオンが結合してできた炭酸カルシ対密度 Dr=50%となるように 3 層に分けて詰め，以降は不飽ウム結晶が土粒子表面に沈殿し，これが土粒子の固結物質と和供試体と同様に養生した．養生を終え脱型した供試体を三なる．軸試験機に設置し，二重負圧法で飽和した後 300kPa の背圧 2NH4++2OH-+CO2 (1) を与え，B 値が 0.95 以上であることを確認後，初期有効拘束 CO2+H2O ⇆ 2H++CO32- (2) 圧σ0’=50kPa で非排水繰返し三軸試験を行う．載荷は応力制 CaCl2 →Ca2++2Cl- (3) 御方式とし 0.1Hz で一定振幅の正弦波を与える． 2+ (4) NH2CONH2+3H2O → Ca +CO32-→CaCO3↓ 本研究では、砂試料として豊浦砂(Gs=2.640g/cm3，ρdmax=1.645 ３．試験結果 g/cm3，ρdmax=1.335 g/cm3，D50=0.170mm)を利用し，炭酸カル図 2 に Case1 と Case2 で行った試験のうち，概ね 20 回の繰シウム析出率と養生時の飽和度が異なる 4 種類の砂試料(相返し載荷で液状化(軸ひずみ両振幅が DA=5%に達する)する－ 257 －（一社）建設コンサルタンツ協会近畿支部第48回（平成27年度）研究発表会論集学生発表アブストラクト №309 0.5 繰返し応力比 σd/2σ0' 0 -0.5 5 0.0 -5.0 -10.0 1.0 過剰間隙水圧比 Δu/σ0' 0 軸ひずみ εa (%) 軸ひずみ εa (%) -0.5 5.0 0 -5 -10 1 0.5 過剰間隙水圧比 Δu/σ0' 繰返し応力比 σd/2 σ0' 0.5 0.5 0.0 -0.5 0 100 時間 (sec) 200 0 100 時間 (sec) Case1 200 0 -0.5 0 100 Case2 図 2 時刻歴波形(Case1, Case2) 析出率0.6%(Sr20%) 析出率0%(Sr20%) 析出率0.3%(Sr20%) 析出率1%(Sr100%) 析出率0%(Sr100%) 析出率0.6%(Sr100%) 0.4 0.3 100 200 時間 (sec) Case3 Case4 0.5 0.2 0.1 0 1 300 0 300 図 3 時刻歴波形(Case3, Case4) 液状化強度RL20 せん断応力比　σd/2σ0' 0.5 200 時間 (sec) 0.6%析出 1%析出 0.4 0.3 0.2 0.1 5 10 50 0 0 100 20 繰返し回数　N(回) 図 4 繰返し載荷回数とせん断応力比の関係 40 60 飽和度Sr (%) 80 100 図 5 養生時の飽和度と液状化強度の関係ケースの時刻歴波形を示す．炭酸カルシウム無析出の Case1 スの方が液状化強度は高いことより，養生時の飽和度が低いにおいて，繰り返し載荷に伴う軸ひずみの成長は Case2 と比ほど液状化強度が高くなると言える．べ著しいことから，液状化後の軸ひずみの成長に対し炭酸カ図 5 に，養生時の飽和度と液状化強度の関係を示す．図よルシウムがそれを抑制していると言える．しかし，DA=5%まり，析出量が同一であるなら飽和度が低いほど液状化強度はでの繰返し回数は両ケースでほぼ等しく，0.3%程度の低い析高いことが分かる．また，析出率 0.6%，飽和度 20%のケース出率では液状化抵抗特の改善はあまり見込めないと言える．の方が，それより析出率が高い 1%のケースと比べ液状化強図 3 に Case1 と Case2 で行った試験のうち，同様に概ね 20 度が高いことより，たとえ析出率が低くても養生時の飽和度回の繰返し載荷で液状化するケースの時刻歴波形を示す．図を下げることで，高い析出率を有する供試体と同等以上の改より，養生時の飽和度が低い Case3 に与えた繰り返し応力比良効果が得られると言える．は，飽和度 100%で養生した Case4 より大きいにも拘らず，両者でほぼ等しい繰り返し回数で液状化していることが分参考文献かる．また， DA=10%に到達するまでの軸ひずみの増加は 1) 林ら：炭酸カルシウム結晶析出による砂の液状化強度特 Case3 の方が緩やかであることより，大ひずみ領域において性の改善効果，地盤工学ジャーナル，Vol.5，No.2，炭酸カルシウムがその成長を抑制していると言える． pp.391-400，2010. 図 4 に DA=5%となる時の繰返し回数とせん断応力比の関 2) 川崎ら：微生物の代謝活動により固化する新しいグラウ係を示す．図より，養生中の飽和度によらず炭酸カルシウムトに関する基礎的研究，応用地質，第 47 巻，第 1 号，析出が 0%であれば液状化強度にほぼ相違がないことが分か pp.2-12，2006．る．また，析出 0.3%の供試体の液状化強度は，析出 0%のそ 3) Liang et. al. :Cementation of sand soil by microbially induced れらと比べ大きいもののその差はわずかである．また，析出 calcite precipitation at various degrees of saturation, Can. 率が 0.6%のケースでは，養生時の飽和度が 20%および 100% Geotech. J. No.50, pp.81-90, 2013. のいずれも液状化強度は増加しているが，飽和度 20%のケー－ 258 －