2021年11月26日

一般財団法人日本国土開発未来研究財団

中間発表（2020年度採択）

固化破砕土を用いた新世代堤防建設技術の確立に向けて
土質力学に基づく長期性能評価手法の検討と実証
* 西村聡

高橋秀彰

北海道大学大学院工学研究院
株式会社ドーコン教授

第１回

研究成果発表会

１．はじめに：研究の背景と目的
近年の豪雨災害の激甚化は周知のところであるが、国土交通省によれば日本における堤防整備率は平成
28 年の時点において約 67%にとどまっている。築堤事業は精力的に行われているものの、堤体への要求性能がより明確に定められた今日において、それを満足する良質な土質材料の確保は困難な場合が多い。
一方、治水事業は築堤と河道掘削が一体となり効果を発揮する。掘削により発生する不良軟弱土を改良して築堤に供することは、環境負荷を最低限に抑えながら国土強靭化を図るために有効・合理的なアプローチであり、このために北海道では全国に先駆け、北村遊水地建設事業において実に 450 万 m3 もの掘削土改良に取り組んでいる。同事業では、脆性化によるクラック発生等を避けることを目的とし、掘削土にセメントを混合して固化改良したうえであえて破砕し、砂のように安定した粒状土を得るものとして固化破砕工法が適用されている。しかし、この新技術により生まれる固化破砕土については、室内試験による力学的研究が追随しておらず、それを用いた堤防の設計・施工管理には自然由来の砂質土に対する設計法を暫定的に準用している。固化破砕土は粒子強度が自然砂に比して非常に小さく、粒子自体の変形性・破砕性が高いことに加え、セメントの水和反応が⾧期にわたり継続的に進行すると考えられ、養生～破砕～再養生といった施工の各過程のタイミングに依存して堤体の密度・強度・透水性が著しく異なることが、本申請者らの経験や国土交通省による基礎調査により明らかになってきている。つまり、固化破砕土の詳細な物性の時間的変化や外力への応答と、その根底にある物理過程の理解が進んでいない中、築堤の実績のみが急速に増加しており、設計の最適化や品質管理・保証の合理化が進展していない。
上記の背景に鑑み、本研究は、粒子自体の強度が時間とともに⾧期的に変化し、その変化が施工性や最終的な構造物としての堤体強度に大きな影響を与えるという特異な土質材料であるセメント固化破砕土をとりあげ、原位置作製・観測から室内試験を一貫して行い、質力学的に合理的な形でその特性の説明を試みるものである。特に、ヤードでの一次堆積、解体、締固め、浸潤という一連の履歴を通してその挙動と特性変化を正確に把握し、堤体としての強度発現を最適化する施工管理法を提案することを目標としている。このように動的に変化する固化破砕土特性を理解することは、同じ材料（セメント量）や同じ建設エネルギーインプットに対して堤防強度を最適化するために本質的なものである。本研究は、今後全国規模で展開する際の膨大な施工土量をにらみ、築堤事業への貢献を目指すものである。
2．研究計画と方法
過去数年にわたり、共同研究者（高橋）は固化破砕土の基礎性状調査を比較的簡易な試験にて行ってきた。これらはコーン貫入や一軸圧縮試験など、その時々の状態に対する強度指標を求めることを目的とするものであり、洪水時・貯水時のように外水浸透が起こり有効応力が変化した際の固化破砕土の強度特性を一般的な形で求めるためには、圧密非排水三軸圧縮試験のように、有効応力パラメタを求める試験が必要である。しかし、三軸圧縮試験は高価で多大な労力を伴うため、固化破砕土に対するデータ蓄積は少ない。本研究は、まず体系的な三軸圧縮試験を行うことにより、本質的な有効応力強度パラメタが固化破砕土においてどのような作製条件（固化処理後初期養生期間・解砕後再養生期間の組み合わせ）のもと、どのように変化するか調査することから始めた。既存の三軸試験結果においては、一見してばらつきにより強度定数の決定が困難と思われる結果も得られている、限界状態理論に基づき、密度の情報を反映することでそのような結果も整合性をもって解釈する手法についても検討した。初年度は上記の三軸圧縮試験を研究活動の中心におきながらも、固化破砕土の状態の原位置でのモニタリング手法や、ディスク型振動プローブを用いた簡易な物性評価法、および固化破砕土中のセメント混合度合い・分布評価法についても検討を開始している。本節ではこれらについて概略を述べる。

- 3 -(1) 三軸圧縮試験プログラムおよび関連する土質試験
固化破砕土は、2021 年 6 月 28 日と 7 月 5 日の 2 回に北村遊水地建設サイトにて実際のチェーン混合式専用プラントにて作製した（本報でそれぞれ A、B と称する）。掘削事業により発生した粘性土 1m3 に対しセメント系固化材 80kg を添加して混合処理した。本研究では 7 月 5 日作製分（B）を主な試料として用いているが、実験スケジュールの都合上、7 日ずらした 6 月 28 日作製分（A）を必要とした。両者の母材となる粘性土は表-1 に示すように、同一ではないがいずれも塑性は近く、比較に用いた。混同土 B を同サイトにて仮置きし（図-1）、内部状態を後述のようにモニタリングしながら養生し、表-2 に示す日数後に掘削・採取・解砕（図-2・3）した。仮置き天端から約 1.5m の深度より採取した固化処理土を実験室に持ち帰り、19mm ふるいを通るまで解を行い、別途実施した締固め試験結果を参照しながら、締固め度90%となるよう静的に 5 層で締固め、以降は実験室にて密封状態で 24oC 一定温度のもと、試験日まで表-2 に示す日数だけ養生した。混合固化～解砕と締固め～試験の日数を変数とし、初年度は表-1 に示す計36 試験を予定しており、本報執筆時にて 12 試験が完了している。なお、表中の混合～解砕 0 日とは、混合土 A を混合直後に締固め、解砕せずに三軸試験に供したものである。この条件は、与えられた母材と固化材条件により得られる最大強度を参照として得ることを目的としており、締固め度の目標値を設けずに最密状態まで締固め、結果として空気間隙率は約 4%となった。全試験完了は 2022 年 1 月 5 日予定であるが、大半は 2021 年 10 月に終了予定である。
三軸圧縮試験では、直径 75mm×高さ 150mm の供試体を二重負圧法で試料飽和した後、等方圧密応力30kPa・100kPa・400kPa の 3 条件に対してそれぞれ非排水せん断（軸ひずみ速度 0.02%/min）を実施しており、試験は 2 試験装置を並行で PC 制御により 24 時間体制で実施して各 48 時間程度で完了させている。固化処理土の力学特性は固化材添加後の養生期間により変化するため、三軸圧縮試験のように所用時間が数日にわたる試験を多条件で実施することがスケジューリング・装置運用の制約上きわめて難しく、これが学術研究においてもこれまで多くの試行がされてきていない理由である。本研究は半年にわたるサイトとの綿密な事前調整・装置キャリブレーションに加え、複数台の全自動型装置の整備と多数の事前予行により、ここまでトラブル等なく順調に試験は進捗している。
表-1

母材粘性土の主な物性

作製試料
自然含水比 (%)
液性限界 (%)
塑性限界 (%)
シルト分 (%)
粘土分 (%)
土粒子密度 (g/cm3)

A37.1
48.5
23.773.4
31.12.643

表-2B34.654.5
26.4
90.3
42.4
2.692

三軸圧縮試験に供した固化破砕土の作製条件

混合固化～破砕
0 日*
7 日 28 日 91 日
2日
✓✓
〇
7日
✓締固め
～試験 28 日
✓〇〇〇
91 日
〇〇〇〇
✓：実施済 〇：実施予定 *試料 A（他は B）

データロガー

7日養生後掘削
間隙水圧
温度

1.7 m
間隙水圧
温度

図-1

深度0.7m（セラミック区間：深度0.66~0.76m）

91日養生後掘削

深度1.4m（セラミック区間：深度1.38~1.44m）

28日養生後掘削

掘削して中央部から試料採取した後、乾燥・温度変化軽減のため再び埋め戻しておく

仮置き諸元とモニタリング箇所（左：断面図、右：平面図）

- 4 -

図-2

養生 7 日仮置きからの掘削採取の様子

図-319mm ふるいを通した固化破砕土(2) 仮置き中の固化処理土状態のモニタリング
セメント系固化材は、母材となる土質との混合処理から数日～数週間のうちに水和反応の大部分を完了するため、この期間の混合土の状態は固化後の強度特性に大きな影響を与える。例えば Nishimura andAbe1)は強度に対する養生中の有効応力の影響を明らかにしており、有効応力は上載圧のみならず水和・乾燥による負の間隙水圧（サクション）にも依存する。また、コンクリート同様に固化処理土の強度発達は養生温度に依存することは従来知られている。よって、本研究で固化破砕土を作製するにあたり、初期養生はなるべく現地条件と同様するために、先述の通り高さ 1.7m の仮置き山を作製し、最終的に試料を採取する深部に約 20-25kPa の上載圧を付加すると同時に、温度・乾燥状態の変動を抑えた。しかし、実際には環境に応じたこれらの変動は不可避であり、実際の施工でも考慮すべき条件であることから、サクシ
ョンと温度のモニタリングを 2 箇所（図-1）にて実施した。実際の施工においても同様のモニタリングを行うことで、養生条件をより明確にすることができ、それに応じた強度予測・品質管理が可能となると想定されるが、そのためにはモニタリングが非常に安価・簡易・迅速に実施可能であることが前提である。
代表者は堤防や道路盛土・切土の水理状態観測を飛躍的に効率化するためのツールとして LPWA 通信機
能付きマルチチャネルテンシオメータを開発中であり、これを改良土盛土に今回初めて設置した。テンシオメータの AEV は約 100kPa であり、80kPa 程度のサクションまで計測することができる。センサーには TE Connectivity 製 MS5827-30BA を用いており、水圧と同時に温度も計測することができる。計測データは SD カードにバックアップされるとともに、LPWA の一規格である Sigfox 回線を通してクラウドまで毎時転送され、仮置きの状態を常にオンラインで監視することができる。
(3) 固化破砕土の不均質性評価方法の開発
固化破砕土の強度特性評価にあたり、従来懸念されているのが固化材と母材の混練の不均質性であり、その評価方法について検討した。セメント系固化材の混練後分布を把握するために X 線 CT や EPMA といった可視化手法を検討したが、いずれも精度・スケールの問題より不適と判断した。現在開発中なのは、フェノールフタレイン溶液により赤く発色するアルカリ成分（セメント系固化材）位置（図-4）を断面ごとに画像解析により抽出し、三次元的に再構成する手法である。単純な手法ながら、これまで定性的に目視で判定していた不均質性を定量化できると考えられ、手法の検証・効率化を進めている。現段階では開発初期にあり、本報では結果を割愛する。一方で、固化材分布とは別に、三軸試験供試体中の破砕土塊分布にも不均質性があることが想定され、これについては外部機関の協力を得て X 線 CT にて評価することを検討している。

- 5 -

図-4

フェノールフタレイン溶液による固化破砕土中の固化材存在箇所の着色と位置同定（左：溶液散布前、中：散布後、右：画像解析による赤色着色箇所抽出）

3. これまでの進捗と成果
3.1 三軸試験装置へのディスク型振動プローブの導入
本研究の中心となるのは三軸圧縮試験による強度評価であるが、三軸試験を行わずに、非破壊試験にて原位置での固化破砕土の力学特性の評価を行う技術開発も同時に検討している。その有力な手法として想定しているのが弾性波速度計測であり、特に三軸圧縮試験と同時に実施することができるため、圧縮試験の結果である強度と、せん断波速度から導出されるせん断剛性のデータ蓄積から相関を得るのが容易であり、この相関を用いて、原位置にて例えば表面波探査といった技術により盛土の面的・三次元的品質管理が可能となることが期待される。しかし、ベンダーエレメント（BE）を用いた従来型のせん断波計測は、BE と粗粒土塊からなる固化破砕土供試体の接触不良あるいは BE 挿入の困難さから、適用が難しい。そこで、本研究ではディスク形状の非貫入型振動子・受信子を三軸圧縮試験装置に導入し、三軸試験中の任意のタイミングで弾性波速度を計測できるシステムを導入した（図-5）。ここまで、固化破砕した供試体の剛性同定は概ね良好に行えている（図-6）。これは、比較的脆く自立性の低い固化破砕土供試体に対しては、大きな利点といえる。しかし一方で、参照試験として実施している非破砕供試体（表-1 における混合固化～破砕 0 日）の試験においては、逆に供試体が強固で変形性が低いゆえに、拘束圧付加後も供試体と振動子の接触が不十分で、応答が得られないケースもあり、継続的な装置の改良を検討している。

400.06

Input

0.04

Input (V)20

Output0.02

100-100-200.0005

0.0010.0015

反対側端面-30への到達時刻-400.00
0.002
-0.02

Output (V)

30

-0.04
-0.06

Time (Sec)図-5 三軸載荷板へのディスク型振動子の導入

図-6

弾性（せん断）波速度計測の例

3.2 原位置における固化処理土の作製とヤードのモニタリング
固化処理土の仮置きをヤードに 2021 年 7 月 5 日に設置してからのモニタリング結果を図-7 に示す。同
図中には気象庁 AMeDAS 岩見沢観測所の日平均気温を示している。8 月 3 日までの降雨は 13mm であっ- 6 -

は 1.4m）では、固化材の水和熱により気温に先立って温度が 30oC 程度まで上昇しており、その状態を保っている。また、間隙水圧計測

間隙水圧 (kPa)た。仮置き内のある程度以上の深度（ここで状態でのサクション（=大気圧間隙水圧）計

測値は養生開始より 2 週間の間は 50~60kPa程度にであった。固化処理土の強度発現に関

温度 (oC)

値は固化処理・仮置き開始より減少し、平衡

0-10-20-30-40-50-60-70
407/5固化処理

3020

深度1.4m1002021/7/3

する既往の知見の多くはウェット式の深層混

深度0.7m

仮置き養生

2021/7/102021/7/17

日平均気温2021/7/24

2021/7/31

2021/8/7

図-7 仮置き養生中の固化処理土の状態変化

合処理工法など、比較的含水比が高く固化処理土が完全飽和し、サクションがほぼゼロで養生される工法に対して得られたものであるが、固化破砕土の養生中有効応力はそれとはかなり異なることがわかる。特に強度発現が大きい養生初期 1~2 週間の条件は重要であり、今後、室内配合試験を通して固化破砕土を再現し、強度設計を行う際にはこの温度・応力（サクション）条件を考慮する必要があることがわかった。具体的にどのような配合や大気条件下でどのように仮置き内の状態が変化するか、今後も同様の計測を新規設置・継続することでデータ蓄積を行い検討していく。
3.3 三軸圧縮試験による固化破砕土物性の経時変化
三軸圧縮試験シリーズは本報告執筆時に初期段階を実施中であり（表-2 参照）、同シリーズの大半が終了する本年 10 月下旬まで、比較対照から包括的な知見を述べることは難しいが、ここまでの結果から得られている暫定的な知見について簡単に述べる。現行の照査基準である「河川堤防の構造検討の手引き」
2)

では、固化破砕土のように高透水性築堤材料の浸透に対する安定照査には圧密非排水試験による粘着力ccu およびせん断抵抗角cu を用いる。ここでは等価な表示として、図-8 に限界状態偏差応力 qcs と圧密時平均有効応力 p0'を示す。ここでは大きなひずみ軟化を示したケースはなく、qcs はほぼ最大偏差応力に相当する。関係が一見非線形であるうえに、破砕せずに 28 日養生したケースのほうが 7 日養生のものよりもqcs が低いなど、ばらつきによると思われる想定外の結果が得られた。このような結果は従来も頻繁に見られ、強度定数の設定に困難を呈してきた。一方で、有効応力経路および限界状態点を示したものが図-9 であり、養生・破砕条件に関わらずほぼ同一の関係となっている。つまり、有効応力強度パラメタのばらつきは実際には小さく、せん断時の間隙水圧挙動さえ予測できれば、強度定数の決定に不確定性はほぼないことがわかる。また、低応力で圧密したケースでは、せん断後、経路は Tension-cut Line に触れており、引張破壊を初期に起こしていることがわかる。このときの強度は 7 日養生よりも 28 日養生のほうが大きい（図-10 中矢印参照）。一軸圧縮試験を実施する際にはこの近辺で試験が終了するため、28 日養生したもののほうが強度が高くなることになるが、三軸圧縮試験ではその後のダイレタンシーにより有効応力経路が継続する。結果として、延性的な 7 日養生のほうが限界状態強度は高くなった。圧密有効応力が大きいケースでは、この程度の比較的弱い固化処理土では、圧密中にセメンテーションが破壊されて養生日数の影響が消されているようである。
間隙水圧挙動、つまりせん断時の有効応力 p'変化を体系的に解釈するため、1+e（e：間隙比）と p'の関係をまとめたものが図-10 である。各ケースに対して限界状態線が明確に定義され、しかも非破砕（混合固化～破砕 0 日）のケースは、まだ 7 日と 28 日の 2 ケースしかデータがないものの、養生日数に関わらず同一の限界状態線を示している。今後、養生・破砕のタイミングとこの限界状態線の変化の関係を残り- 7 -混合固化
～破砕
0日
0日
7日

締固め～試験
7日
28日
2日

1000

50000100200300

混合固化
～破砕
0日
0日
7日

1500

偏差応力 q (kPa)

限界状態偏差応力 qcs (kPa)

1500

400

締固め～試験
7日
28日
2日

1000
Tension-cut Line

限界状態線
50005000200

圧密平均有効応力 p0' (kPa)

400

600

800

平均有効応力 p' (kPa)

図-8 三軸圧縮試験結果：圧密応力と限界状態強度

図-9のケースの結果から調べていくことにより、e と p0'

有効応力経路と限界状態混合固化
～破砕
0日0日
7日

1.4を入力することで、せん断強度関 qmax/2 を合理的に決定することができ、またそこから ccu およびcu を1.2締固め
～試験
7日
28日
2日

力平面のみで強度定数を決定する既往の方法におけるばらつきの大部分は密度のばらつきに由来しており、築堤施工時に必ず得られる密度の情報を活用す

間隙比 e決定することも可能である。これは換言すれば、応1.0

限界状態線
0.8ることで、この影響を排除することができるという知見に他ならない。固化破砕土という、不均質で（土（態理論に従う可能性が高いということが重要な知見

100

1000

平均有効応力 p' (kPa)

質力学の教科書で議論される自然由来土と性質が大きく異なるという点で）非従来的な土質が、限界状

せん断開始前）

0.6
10

図-10

間隙比－有効応力空間における限界状態である。
4. 今後の計画
これまでに今後の予定・計画について随時述べてきたが、加筆を含めてまとめとしてそれらを再掲する。
本研究の中心である体系的な三軸圧縮試験は順調に進行しており、2021 年 1 月までに計 36 本の試験を完了する予定である。また、これとは別に、締固め時の解砕の度合いの影響を見る三軸圧縮試験も 10 月に6 本予定している。2021 年度春期以降は、母材や固化材添加量を変えた新たなシリーズも開始する。ディスク型振動子による弾性波速度計測を継続し、強度と剛性の相関に関するデータを蓄積していく。また、ディスク供試体間の接触不良が起こるケースについて改善を検討する。仮置きのモニタリングを継続する。特に、冬期挙動を入念に観測し、温度低下によるサクション変化等に注目していく。フェノールフタレイン溶液と画像解析を用いた固化破砕土中の固化材分布や、
X 線 CT を用いた内部構造の可視化を行う。
最終的には、これらを総合して、密度と養生日数を加味した強度定数の決定手法を提案する。
参考文献
1) Nishimura, S. and Abe, K. (2015). 15th Asian Regional Conference on SMGE, Fukuoka, 2053-2058.
2) 国土技術研究センター：河川堤防の構造検討の手引き（改訂版）, pp.45-56, 2012.

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