ＩＳＳＮ１３４６－７８４０

港湾空港技術研究所
資料
TECHNICAL NOTEOFTHE PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE

No.1404

June 2022

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土に対する電気浸透の適用性に関する検討－
杉山 友理，高野 大樹，森川国立研究開発法人

嘉之海上・港湾・航空技術研究所

National Institute of Maritime,
Port and Aviation Technology, Japan

目

要

次

旨 ·························································································································

3

1. まえがき ····················································································································

4

2. 電気浸透に関する研究 ··································································································

4

2.1 既往の研究 ···········································································································

4

2.2 電気化学的処理工法 ·······························································································

5

2.3 電気浸透工法と真空圧密工法 ···················································································

5

3. 既往の浚渫土の減容化手法 ····························································································

6

3.1 真空圧密による減容化 ····························································································

6

3.2 粘土の練り返しによる乱れの影響を利用した減容化対策手法 ············································ 8
3.3 凝集沈降技術を用いた減容化 ··················································································

10

3.3.1

溶液のpH及び塩分濃度を変えた沈降実験 ······························································

10

3.3.2

海水成分の違いが沈降挙動に及ぼす影響 ······························································

11

3.4 まとめ··················································································································

13

4. 電気浸透圧密試験 ·······································································································

13

4.1 電気浸透脱水効果の検証 ························································································· 13
4.1.1

電気浸透脱水実験·····························································································

13

4.1.2

電気浸透圧密予備実験 ······················································································

13

4.2 電気浸透圧密試験装置の製作 ··················································································· 15
4.3 電気浸透圧密試験 ·································································································· 16
4.3.1

電気浸透圧密試験結果 ······················································································

16

4.3.2

電子線マイクロアナライザー(EPMA)による面分析 ·················································

18

4.4 まとめ ················································································································· 20
5. あとがき ···················································································································· 20
参考文献 ························································································································· 20-1-Study on volume reduction method for dredged soil by electro-osmosis－An investigation into applicability of electro-osmosis in clays－
Yuri SUGIYAMA*
Daiki TAKANO**
Yoshiyuki MORIKAWA***

Synopsis
A large amount of soil is dredged every year due to dredging for the purposes of maintaining sea
routes and harbors and deepening the front of seawall due to the increase in size of ships. Almost ofdredged soil is disposed by ocean dumping or landfill so far. However, it has become an urgent issue
which is maintaining disposal site because the capacity is getting tight. One of the volume reduction
methods to solve this problem is consolidation dehydration. Currently, it thought that the vacuum
consolidation is the most effective volume reduction method of dredged material which have high watercontent and low bearing capacity. However, the counter-measure by vacuum consolidation is notenough to reduce the volume of dredged soil because of the constant dredging. For that reason, the othervolume reduction methods, volume compression by stirring the clay ground and sedimentation
promotion technology by aggregation of clay particles, were proposed. In this study, applicability ofthese volume reduction methods was examined. Moreover, applicability of new volume reduction
method by electro-osmotic dehydration was also examined. The electro-osmotic dehydration is theapplication of electric current to the soil through electrodes that are inserted into the saturated soil
where water can be drawn from the anode to the cathode via electro-osmosis.
At first, we organized issues of which was already proposed volume reduction methods by using
analysis simulation and performing model experiment. Next, the electro-osmotic consolidation test was
conducted to consider the effectiveness of electro-osmotic dehydration. As a results, it was revealed thatthe electro-osmotic dehydration method was very effective of volume reduction of dredged soil.
Key Words: Dredged soil, Volume reduction, Electro-osmosis, Vacuum consolidation，stirring the clay，aggregation of clay particles* Researcher, Geotechnical Engineering Department Soil mechanics and geo-environment group** Head of Soil mechanics and geo-environment group*** Director of Geotechnical Engineering Department
3-1-1, Nagase, Yokosuka, Kanagawa 239-0826, JapanPort and Airport Research Institute

Phone : +81-46-844-5053

E-mail : sugiyama-yu@p.mpat.go.jp

Fax : +81-46-844-4577-2-電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土に対する電気浸透の適用性に関する検討－
杉山

友理*・高野 大樹**・森川 嘉之***要旨

船舶の大型化に伴う航路や泊地の維持整備及び護岸全面の増深等を目的とした浚渫により，毎年多量の浚渫土が発生している．従来，浚渫土の多くは，海洋投入，埋立により処分されているが，既存の処分場の容量が逼迫していることから，浚渫土の処分場確保が喫緊の課題となっている．浚渫土をより多く処分する方策の一つが，圧密脱水による減容化である．高含水比で支持力が小さい浚渫土に対しては，
真空圧密工法を用いた減容化が最も有効であると考えられている．しかし，現在の対策だけでは永続的に発生する浚渫土砂に対応するには不十分である．新たな減容化手法として，粘土地盤の攪拌による体積圧縮や，粘土粒子の凝集による沈降促進を利用した手法などが検討されている．本稿では，これらの手法についてその課題を整理するとともに，土に電流を流すことで陽極から陰極に間隙水を強制脱水させる電気浸透現象を用いた新たな減容化手法を提案し，その適用可能性について検討した．
まず初めに数値シミュレーション及び既往の研究の模擬実験を通して，現在検討されている新たな減容化手法の課題について整理した．次に，電気浸透圧密脱水手法の有効性について検討するため，電気浸透圧密試験装置を製作し，様々な含水比の粘土スラリーを用いた実験を行った．その結果，電気浸透による圧密脱水効果は大きく，浚渫土砂の減容化手法として非常に有効であることが分かった．
キーワード：浚渫土，減容化，電気浸透，真空圧密，粘土の攪拌，粘土粒子の凝集* 地盤研究領域土質研究グループ 研究官** 地盤研究領域土質研究グループ グループ長*** 地盤研究領域長〒239-0826 神奈川県横須賀市長瀬3-1-1 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所港湾空港技術研究所
電話：046-844-5053

Fax：046-844-4577

E-mail：sugiyama-yu@p.mpat.go.jp-3-

1. まえがき

可能な圧密試験装置を製作し，電気浸透圧密脱水試験を実施した．また，他の減容化手法と比較するため，真空

近年，船舶の大型化に伴う航路や泊地及び岸壁前面の圧密工法，粘土の攪乱による減容化手法及び凝集沈降技

増深や水深の維持等を目的とした浚渫により，毎年多量術を利用した浚渫土受入容量拡大技術について，それぞの浚渫土が発生している．従来，浚渫土の多くは，海洋れ既往の研究を模擬した数値シミュレーションや実験を投入，埋立により処分されているが，既存の処分場の容行うことで，各手法の課題について整理した．

量が逼迫していることに加え，海洋環境への影響の観点

2. 電気浸透に関する研究

から新たな海面処分場の確保が難しいことから，浚渫土の処分場確保が喫緊の課題となっている．
このような状況を踏まえ，浚渫土をより多く処分する

2.1 既往の研究

方策の一つとして，浚渫土を圧密脱水し，その容積を減1940 年から 1960 年頃にかけて，電気浸透に関する基礎

少させることで減容化を図る方法が考えられている．浚

研究が盛んに行われていた．Prece5)は圧密試験と通電を

渫土は高含水比でせん断強度が小さいため，真空圧密に同時に行う実験により電気浸透の有効性を述べ，よる圧密脱水が減容化に有効であるといえる1),2)．研究段

Winterkorn6) は電気浸透と熱浸透の類似性について述べ階ではあるが，他にも土骨格の構造破壊を応用した減容ている．Bernatzik7)は電気浸透圧について検討し，Geuze,

化技術の開発3)や，分散剤添加による圧密特性の改質を利et al. 8)は三軸圧縮試験機を応用して電気浸透の土の強度用した減容化技術が提案されている4)．他にも，浚渫土のに及ぼす影響について検討した．電気浸透の実際の応用

減容化に適用可能であると考えられる手法として，電気について Casagrande9)は，掘削時の浸透について，電気浸浸透を用いた圧密脱水が挙げられる．これは，土中に直透によるボイリング防止の有効性等について言及してい流電流を加えて土中水を電気浸透により強制脱水させる

る．電気浸透による土の脱水機構について三瀬 10)は，電電気浸透脱水を用いた圧密方法である．電気浸透脱水の

気浸透脱水装置を用いて，様々な一定電圧の直流を加え原理について，図—1.1に模式図を示す．多くの場合，粘たときの試料の収縮量について検討し，土の電気浸透に

土粒子は水中で負に帯電している．そのため，土粒子表よる脱水現象が圧密による脱水現象と同じ過程をとるこ面付近の正に帯電した間隙水は通電により陰極側へ移動とを明らかにすると共に，電気浸透による脱水過程は，する．これにより陰極側から間隙水の脱水が生じるため，Terzaghi の圧密理論式を応用して理論的に解析できるこ

電気浸透脱水と呼ばれている．電気浸透脱水を用いた地とを示した．また，電気浸透による脱水効果は，試料の盤の安定処理工法については古くから盛んに研究されて初期含水比，間隙比，粒径，粘土含有量，粒子配列及びいるが，歴史的に多くの研究が行われているにも関わら間隙水中の溶存物質などにより影響を受けることについず，土木の現場に適用した例はほとんどない．

て明らかにしている．さらに三瀬 11)は，実際に軟弱粘土

そこで本論文では，電気浸透脱水が浚渫土の減容化手

地盤を用いた電気浸透脱水実験を行い，脱水過程を理論法として適用可能かどうか検討することを研究目的とし，的かつ実験的に考察することで脱水機構を明らかにした．

電気浸透脱水による圧密効果について調べるため，通電本研究目的である電気浸透脱水を用いた浚渫土の減容化

図-1.1 電気浸透原理の模式図-4-に関する論文として，Ready et al. 12)は浚渫土の脱水にお2.2 電気化学的処理工法

ける電気浸透の有効性について検討している．また，

電気浸透を用いた軟弱地盤の安定化手法は，電気化学的

Fourie and Jones13)は Mine tailings の脱水に電気浸透を適処理と呼ばれる工法の一つである．電気化学的処理工法

用した検討を行っている．他にも，Coal tailings や tunnelには，電気浸透工法，電気注入固結法及び電気固結工法

slurry などの軟弱粘性土の脱水手法に電気浸透が用いらがある．電気浸透工法とは，電気浸透脱水を利用する方れる事例が多く報告されている 14),15)．軟弱地盤の圧密を法である．具体的には，土中水が電気浸透により陰極の目的とした研究で電気浸透が用いられる事例も報告され方向へ強制流動を起こすことを利用し，機械的に排水のている 16),17)．これらの研究成果より，軟弱地盤の圧密脱困難な細粒土地盤の間隙水の移動脱水をはかり，圧密促

水に電気浸透が効果的であることが実験的に明らかにな

進や強度改良を行う工法である．電気浸透工法は土中水っているといえる．さらに，通電により粘土の強度が増の脱水だけではなく，間隙水の流れに乗せて固結性物質

加することが分かっている 18)．Bjerrum et al. 18)は，粒子を地中に送り込み，圧力注入では浸透不可能な地盤の固にイオン交換が生じることで間隙水中のカルシウムイオ結化にも用いることができる．

ンが粘土粒子に吸着することで強度が増加すると考察し地中通電によって起こる電気浸透現象は，いわば位置のている．電気浸透による強度増加は斜面安定や盛土の安固定された土粒子の間隙を液体が移動する現象である．

定に適用できることから，地盤の安定化に電気浸透を用

これとは反対に，静止した液体に通電することによって，いる研究が行われている 19),20)．電気浸透に関する研究が液体中に含まれる粒体の方が電極方向に移動する現象と再び盛んになった 1980 年以降は，電気浸透そのものが研して電気泳動現象がある．電気泳動現象を利用すること究目的になるのではなく，圧密脱水や強度増加等の研究

で，固結性物質を人工的に地盤内に誘導し固化させるこ

目的に対する一検討手法として電気浸透が用いられた研とができる．これが電気注入固結法と呼ばれるものであ

究報告が多くみられる．電気浸透脱水現象の解明を目的

る．電気注入固結法では，各種の硬化性液体を人為的にとした実験 21)や数理モデルの提案 22)も行われており，電電極付近に補給し，これを電気浸透的もしくは電気泳動

気浸透現象を実験的・解析的に追及することが可能にな

的に土中に導くことで地盤の固結化をはかる．一方，固っているといえる．また，動伝学的ジオシンセティクス

結性物質を用いるのではなく，電極の溶出を利用するこ（Electrokinetic geosynthetics），略して EKG と呼ばれる電とで土を電気化学的に処理して固結化をはかる方法が電極の腐食が生じない電極材料も開発されている 23)．EKG

気固結工法である．代表的なものとして，アルミニウム

は取り扱いが容易で，EKG を円筒状に丸めて中央にポン電極法や電気注入法が挙げられる．アルミニウム電極法

プを設置すれば，通電と集水を同時に行うことができる

は，その名の通り地中に挿入する電極材料がアルミニウ

ため，浚渫土の減容化等に適用されることが期待されてムであり，脱水作用に加え，電解固結作用として極材料いる．近年では EKG を電極に採用した研究事例や，EKGから電解したアルミニウムを土粒子間隙に沈殿固化させの開発に関する研究報告も多く見られる 24)．

ることで強度増加や土質変化を促す方法である．電気固土木技術分野の現場への電気浸透の適用としては，

結工法及び電気注入固結法の利点は，機械的注入では実Casagrande25) が，ドイツの鉄道路盤及びアウトバーンで施不可能な細粒地盤にも適用できることや，注入材を任初めて電気浸透脱水を安定工法として採用した．シンガ

意の方向に誘導できることである．

ポールでは cofferdam（囲い堰）の脱水時に堤防が大きく動いた際，迅速な安定化手法として電気浸透が採用され2.3 電気浸透工法と真空圧密工法

た 26)．しかし，電気浸透を採用した実際の工事のほとん

電気浸透工法と同様に，土中水を強制排水させる工法

どは経験と勘に終始し，歴史的に数多くの研究論文が発の一つとして，現在浚渫土の減容化で最も多く採用され表されているにも関わらず，技術的にも学術的にも見るているのが真空圧密工法である．真空圧密工法は 1960

べき進展がなされなかった．最近では，Wang, et al. 27)が，年代前半に日本で技術導入されて以降，着実に使用実績

真空圧密と電気浸透脱水を併用することによる浚渫土砂を伸ばしている．真空圧密工法にはバーチカルドレーンの地盤改良技術を提案しているが，両工法の相互作用や工法の併用が必要不可欠であり，真空圧密工法の信頼性

電気浸透の有効性評価については多くの課題が残されて向上にはプラスチックボードドレーン工法の進化が大きいる．

く寄与していると考えられている 28)．バーチカルドレーン工法の歴史的変遷についての報告 29) を参考にしながら，表-2.1 に，バーチカルドレーン工法，真空圧密工法-5-及び電気浸透工法の歴史についてまとめたものを示す．

効果が大きい電気化学的処理工法を現場に適用できる工時系列でみると，電気浸透圧密理論が構築され，施工に法に発展させることが急務であると考えている．

対する設計及び管理上の指導原理が確立される頃に，大3. 既往の浚渫土の減容化手法

気圧載荷工法（現在でいう真空圧密工法）が導入されたことが分かる．土木分野では電気浸透よりも真空圧密の方が馴染み深く，圧密沈下の促進を目的にバーチカルド

本章では，浚渫土砂処分場の減容化手法のうち，真空レーンが打設されていたため現場への適用がはるかに容圧密工法，攪乱による減容化手法及び凝集沈降技術を利易であったことなどが，電気浸透工法の衰退に繋がった

用した浚渫土受入容量拡大技術について整理する．各減と推察する．実際，真空圧密工法が飛躍的に発展した

容化手法について模擬シミュレーション及び模擬実験を

1960 年から 1980 年の 20 年間，電気浸透に関する研究報行うことで，現在検討されている手法の課題について述

告はまばらであった．しかし，1980 年代後半以降，再びべる．

電気浸透に関する研究が盛んに行われ始めた．1930 年から 1960 年は，電気浸透圧密理論構築や，電気浸透の原理

3.1 真空圧密による減容化の解明が主であったのに対し，1980 年から現在に至るま浚渫土の含水比は 100～150％と非常に大きく，せん断では，減容化を目的とした圧密脱水，地盤の安定化問題，

強度が小さいため，ドレーンによる浚渫土の改良 30),31)

強度増加，汚染物質除去や塩分除去等の課題に対して電や，真空圧密工法による減容化施工が実施されている事

気浸透を用いる研究が数多く報告されている．それにも例 32),33),34),35)が多く報告されている．真空圧密工法は，改関わらず電気浸透が現場に適用される例はほとんど報告

良したい地盤内に多数の鉛直ドレーンを打設した後，地されていない．現場実証実験による電気浸透工法の検証

表面に排水層として水平ドレーン及び有孔集水管を敷設

や，電気浸透適用時の周辺地盤への影響等に関する研究する．その上を気密シートで覆い，排水層につないだ真が十分でないことが原因であると考えらえる．浚渫土砂空ポンプを運転させることで，排水層，鉛直ドレーン内

処分場の減容化が喫緊の課題となる今，短時間での脱水を減圧する．このとき，鉛直ドレーンと地盤との間で水表-2.1 各種工法の歴史-6-頭差が生じることで，粘性土層の間隙水が排水され，圧密が促進される工法である．真空載荷時の地盤変形挙動や圧密及び強度増加等，工法原理についての研究が盛んに行われ 36),37)，施工実績が着実に増加している．真空圧密工法の技術的な課題に，対象地盤の気密性の確保や，負圧を安定的に作用させることなどが挙げられる．荒井ら 38)は，地盤の圧密に真空圧密工法を採用した際，気密シート下の地盤内間隙水圧の測定値が真空圧に到達していなかったと報告している．例えば，地盤の間隙水中に気体が溶解している場合，真空圧密では負圧を作用させるため，溶存気体の気化が生じることで地盤が不飽和化

図-3.1 解析メッシュ図

する可能性があるといえる．地盤が不飽和状態になると，地盤内には真空載荷圧よりも小さい載荷圧しか作用せず，

1.00

Degree of saturation

排水能の低下により圧密が妨げられると考えられる．そこで，溶存気体の気化が真空圧密に及ぼす影響について，溶存気体を考慮できる数理モデル 39)を用いて数値シミュレーションを行った．なお，負圧の作用により液体自体が気化するキャビテーション現象について，真空状態（0 気圧）における水の沸点温度は約 45℃であることか
ら，本検討の範囲内においてキャビテーション現象は生

AD=-12.0, BD=5.9

0.80
0.60
0.40
0.20 AW=-1.6, BW=1.9
Sr0=0.15

じないと考えられることから考慮していない．解析に用0

0

いたメッシュ図，水分特性曲線及び材料パラメータをそ

50.0

100.0

れぞれ図-3.1，図-3.2，表-3.1 に示す．材料パラメータ

Suction(kPa)には，真空圧密が実施された地盤の再現解析が行われた

図-3.2 水分特性曲線

既往の研究成果を参考に設定した 40)．溶存気体は全て空表-3.1 材料パラメータ気であると仮定した．上端面に真空圧である-101.3kPa の負圧を瞬時に載荷し，一定時間放置した．溶存気体の状態変化を考慮しないケースを CASE1，溶存気体の状態変化を考慮したケースを CASE2 とする．
図-3.3 に真空圧を与えてから 180 日後の地盤内飽和度※R,T,kh：気体状数

分布を示す．図-3.3 より，溶存気体の気化を考慮しないに地盤内の間隙水圧が真空圧に等しくなるにも関わらず，と真空圧を作用させても飽和度は変化しないが，考慮すCASE2 で得た沈下量が CASE1 よりも小さくなることがると不飽和化が生じていることが分かる．これは，地盤分かる．これは，溶存気体の気化により，真空載荷圧の内に負圧が生じることでサクションが増加することに起一部を間隙気体圧が受け持つことで，地盤内に作用する因する．図-3.4 に深さ 0.5m における真空圧（間隙水圧）

有効応力が小さくなるためである．

及び上面沈下量の時間変化を示す．これらの結果から，

浚渫土砂の減容化手法として真空圧密工法が現在最も溶存気体の気化を考慮しないと，上端面に与えた真空圧有効であると考えられているが，真空圧密工法の最大作

がすぐに地盤内に伝わることが分かる．一方，溶存気体

用負圧は理論上 101.3kPa であり，前述の理由等から現場の気化を考慮すると，地盤が不飽和化することで間隙水での作用負圧は 60~70kN/m2 となる．真空圧密工法の短圧応答が鈍くなり，地盤内に真空圧に等しい圧力が加わ所は，これ以上の負圧を作用させることができないこと

るまでに時間を要することがわかる．このことから，間である．そのため，溶存気体の気化やポンプの目詰まり

隙水中の溶存気体が真空圧載荷により気化すると，真空等による作用負圧の低減を防ぎ，最大負圧に近い負圧を載荷圧の伝達に時間を要するため，所定の圧密度を確保作用させることが課題であるといえる．

するために真空ポンプの運転期間を延長することが必要になると考えられる．上面沈下量を比較すると，最終的

-7-

3.2

粘土の練り返しによる乱れの影響を利用した減容が採取試料の力学挙動及び室内試験結果に及ぼす影響に化対策手法

ついて検討した．

御手洗ら 41)は，不攪乱試料に対して練り返しによって

解析メッシュ図を図-3.5 に示す．サンプリングシミュ

乱れの影響を受けた試料の方が大きく体積圧縮が生じる

レーションでは，サンプリング過程を，Process1：サンプ

ことから，攪乱による減容化が有効であると考えている．

ラーの引き上げに伴う水圧低下過程，Process2：サンプラ

御手洗らの実験では，サンプリングチューブ中央部からーから試料を切り出す際の応力解放過程，の 2 段階に分切り出した試料を不攪乱試料と考え，この不攪乱試料とけて計算した．サンプラーを海上まで引き上げる際，チ全攪乱（練り返し）試料を用いた圧密試験が行われていューブの上端及び下端面は海水に接しており，先端の土る．従来から，サンプリングによる土試料の力学性状変は飽和状態のまま引き上げ時の水圧変化の影響をダイレ化の原因として，サンプリング時や力学試験実施時の機クトに受けると考えられる．そのため，Process1 では，

械的な乱れと応力解放による乱れの影響が指摘されてい図-3.5(a)に示すシンウォールチューブ内の試料を想定

る．特に海底地盤の採取試料の場合，海成粘土試料内のしたメッシュ図を用いて，側方の変形を固定し，上下端残留有効応力の測定値が予想よりもはるかに小さいこと

面のサクションが常に 0 となるような水理境界条件を与や 42)，測定した飽和度が深度とともに減少していること

えた．Process2 では，図-3.5(a)に示すサンプラーの全要

43)が分かっている．通常の地盤においても，堆積物中の素について，Process1 後の各要素にかかる残留拘束圧がガスが水圧変動に大きく影響するという実験報告がある
44)．そこで，溶存ガスの状態変化を考慮できる数理モデ

ル 39)を用いて，より精微にサンプリング過程をシミュレ
ートすることで，サンプリング時の応力解放による乱れ

1

Depth(m)0.8
0.6(a) Process1

0.4

1

pv(kPa)4.7

Settlement(m)

D

0

B =

0.2
Sr0=0.15

0
0

100

.0,

Depth:0.5m

0.4

9
2.1

CASE1
CASE2

w

200

B =

図-3.3 飽和度分布

0.6

.2,

0.9
0.95
1
Degree of saturation

0.8

8
D -2
A =

CASE1
CASE2

w -11
A =

0
0.85

(c) Process3

図-3.5 解析メッシュ図

Degree of saturation Sr(-)

0.2(b) Process2

200 400 600
Suction(kPa)
図-3.6 水分特性曲線

表-3.2 解析パラメータ

-0.1
-0.2
0

100
Time(day)200

図-3.4 真空圧/上面沈下量の時間変化

-8-

800

大気圧下での拘束圧(101.3kPa)になるまで除荷されるこると，御手洗らの不攪乱試料の実験結果は，サンプリンとを想定し，Process1 後の各要素（100 要素）について要グ後の応力状態を初期値とした結果（図-3.9 中の中抜き

素シミュレーションを行った． 圧密試験シミュレーショプロット）に類似し，御手洗らの全攪乱試料の実験結果

The length of the core barrel(m)ン（Process3）では，Process2 後の各要素について，上下
面排水・非排気条件の下，定ひずみ速度 0.18%/min で圧密した．Process 1 から Process 3 に至るまで一連の流れとしてシミュレーションを行うため，Process 2，3 の初期条
件は，間隙比や飽和度を含めて全て，それぞれ Process 1，
2 終了時の値となっている．解析に用いた材料パラメー
タを表-3-2 に示す．原位置地盤は極めて一様性が高く，
深度方向に均一であると仮定した．圧縮指数及び膨潤指数に関しては，御手洗ら 41)の羽田の粘性土（水深 15～20m）を用いた室内試験結果から得られた値を用いる．
透水係数及び図-3.6 に示す水分特性曲線は粘性土を想

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

定している．溶存ガスは空気であると仮定した．溶存ガ
ス量にはヘンリーの法則を用い，次式のように間隙気体

0.94
0.96
0.98
Degree of saturation1

図-3.7 チューブ内残留飽和度分布

The length of the core barrel(m)圧に比例するように定義している．
mdg  kh pgVw

mdg ：溶存ガス量，k h ：ヘンリー定数， pg ：間隙気体圧，

Vw ：液相の体積
原位置飽和地盤において，間隙水中に，水深に比例した飽和量の溶存ガスの存在を表現するため，初期間隙空気圧を初期間隙水圧と同値と仮定した．初期応力状態は正規圧密状態とした．また，初期は等方応力状態を仮定し，初期の応力誘導異方性は考慮していない．
図-3.7 及び図-3.8 に，水深 20m，海底深度 40m からのサンプリング後のサンプリングチューブ内残留飽和度

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

0.5

分布及び残留有効応力比分布をそれぞれ示す．残留有効1

1.5

p'/p'ini

応力比は，残留有効応力を原位置有効応力で除した値と図-3.8 チューブ内残留有効応力比分布定義する．これらの結果から，比較的サンプリング深度が浅い場合でも，チューブ内で不飽和化が顕著に生じ，チューブ中央部であっても応力解放に伴う除荷により有効応力が減少することが分かった．次に，Process2 後のチューブ中央部の応力状態を初期とした圧密試験シミュ
レーションから得られた e-lnp 関係を図-3.9 に示す．比較のため，完全不攪乱試料，すなわち原位置応力状態（完全飽和）を初期条件として圧密した解析結果を黒プロッ
トで示している．また，御手洗らの実験結果を青プロットで示す．図中の点線は原位置拘束圧に相当する圧密圧力を示す．これらの結果から，原位置拘束圧状態における間隙比が，完全不攪乱試料の結果とサンプリング試料の結果で大きく異なることが分かる．これは，サンプリ
ング試料の場合，圧密初期の間隙比がサンプリング時に図-3.9膨張した影響を含むために生じたといえる．御手洗らの実験結果と本研究で得た解析結果の e-lnp 関係を比較す-9-e-lnp 関係

は，原位置応力状態を初期値とした結果（図-3.9 中の中に， pH が高ければ正に帯電する．そのため，溶媒の pH

塗りプロット）に類似することが分かった．

を低くする，すなわち酸性にすることで粘土粒子端面電これらの結果から，御手洗らが提案する粘土の練り返

荷を負にすれば，粒子表面と粒子端面に反発力が働き，しによる乱れの影響を利用した減容化対策手法は，圧密粒子表面同士で結合する（face-face 結合）ため，密な状45) を有している地盤に対しては有効で態で堆積することになる．実際に 松下ら 49)の沈降試験あるといえるが、体積圧縮量の評価には，サンプリング

を参考に，カオリン，東京湾粘土及び Na 型ベントナイ

しによる乱れの影響を利用した減容化手法は，圧密が進トを用いて，pH の異なる溶液中で沈降実験を行った．試行して構造を有している地盤に対しては有効であるとい

験方法は，乾燥質量 20g のカオリン，Na 型ベントナイト

えるが，体積圧縮量の評価には，サンプリング時の試料

試料及び液性限界 104.6%の湿潤重量 20g の東京湾粘土を，の不飽和化等による乱れにより生じた膨潤の影響を除外

それぞれ所定の pH，塩分濃度に調整した水溶液の中に入した検討が必要であるといえる．また，浚渫土砂処分場

れて粘土懸濁液を調整した．その後，攪拌させたのちにに堆積している土砂は圧密が進行中で構造が未発達のた静置して，所定の時間ごとの沈降面及び沈降体積を目視

め，練り返しによる体積圧縮効果は小さくなると考えらで観察した．静置後の所定時間における沈降体積の計測れる．

は，メスシリンダー内の濁りが概ね見られなくなった高が進行して構造

さとしている．本実験では，pH12 に調整した水酸化ナト
3.3 凝集沈降技術を用いた減容化

リウム水溶液と，pH4 に調整したフタル酸塩標準液を用

3.3.1

溶液の pH 及び塩分濃度を変えた沈降実験

いた．塩分濃度の違いも粘土粒子の分散・凝集に影響を

凝集剤を添加することで浚渫土の圧密特性が改善する

及ぼすことから 50),51)，1.0%と 3.0%の塩分濃度に調整しことから，浚渫土の凝集を利用した浚渫土砂処分場の受た人工海水を用いた沈降実験も行った．沈降の様子を写

入容量拡大技術の開発が検討されている 46),47),48)．凝集剤

真-3.1 に示す．
用いた試料の初期 pH は，
カオリンが 4.5，

は主に，無機系，高分子系及びハイブリッド系の 3 種類

Na 型ベントナイトが 10.3，東京湾粘土が 8.3 であり，1.0%に分類される．早野 47)は，凝集効果が期待できる凝集剤と 3.0%に調整した人工海水の pH はそれぞれ 8.64 及びとして，無機系はポリ塩化アルミニウム系，高分子系は8.47 であった．

アニオン系，ハイブリッド系は無機・高分子・PS 灰の混

カオリンはもともと表面が帯電していないため，蒸留合品を使用している．初期含水比を 1000%に調整した浚水でも早く沈降するが，pH12 溶液に関しては沈降速度が渫粘土に凝集剤を添加して実施した沈降実験では，高分非常に遅くなる結果となった．コロイド粒子の荷電特性子系とハイブリッド系の凝集剤を添加したケースで顕著には，永久荷電と変異荷電（pH 依存荷電）の 2 種類の荷に圧密が早く進行する結果が得られている．しかし，フ電が存在し，全ての粘土がこれらの種の荷電特性を持つ．

ロック（凝集体）を形成した浚渫粘土の比体積は無添加

変異荷電は，アルカリ側ではマイナスの荷電が発現する．

の浚渫粘土よりも大きくなっている．フロックは高圧密

このことから，pH12 溶液中ではプラスの荷電が消滅し，状態になったとき破壊し，破壊後は無添加のケースの比マイナスの荷電が現れることで粒子同士が反発して分散

体積に近づくとされている．また，沈降体積について，状態になり，沈降速度が遅くなったと考えられる．1440

pH の変化による粘土粒子の表面電荷の変化により，土粒分後の最終沈降体積を比較すると，沈降体積に差は生じ

子の沈降速度及び最終的な沈降体積が変化することが分ないことが分かった．

かっている．図-3.10 に粘土粒子間の結合様式の模式図

東京湾粘土を用いた沈降実験結果を見ると，塩分濃度を示す．一般的に粘土粒子の表面（face）は負に帯電しの高い溶液で素早く沈降することが分かる．塩分濃度がており，反対の面には結合水が存在している．一方，粒高くなると，溶液中の塩化マグネシウムや塩化カルシウ

子端面（edge）の電荷は pH に依存し，pH が低ければ負ムが増加し，溶液中に多くイオンが存在することになる．
溶液中にイオンが多く存在すると，イオン濃度とイオンの電荷数から求まるイオン強度が大きくなり，電気二重層が薄くなることが分かっている．電気二重層とは，個体と溶液の間に形成される陽イオンと陰イオンがつり合(a) face-face
図-3.10(b) face-edge

う界面のことである．土粒子は解離して陽イオンを放出(c) edge-edge

するため，水中で土粒子は負電荷をもつ．溶液の塩分濃粘土粒子間の結合様式度が増加して溶液中の H  が増加すると，土粒子の周辺- 10 -

に放出された陽イオンとつり合う界面（電気二重層）がface-face 結合様式で堆積したが，上層では端面電荷が変土粒子側に移動して縮小する．電気二重層の縮小に伴い化せず，粒子は分散状態のまま沈降し（自由沈降），

粒子間に作用する反発力が及ぶ距離が小さくなり，ファface-edge 結合様式で堆積したと考えられる．pH12 溶液

ンデルワールス引力によって粘土粒子が凝集することにでの沈降実験では，1440 分後も沈降しなかった．実験後なる．このため，塩分濃度の高い溶液中では，粘土粒子の pH を測定すると 9.75 となり，終始アルカリ性であっ間反発力が減少し，素早く沈降したといえる．pH4 の溶たため，粒子同士が反発しやすい状態であったと考えら

液について，一部の粒子が沈降し，堆積状況が比較的明れる．

瞭に観察できるが，沈降せずに浮遊したままの状態の粒子も同時に存在していることが分かる．実験後に pH 測3.3.2

海水成分の違いが沈降挙動に及ぼす影響定を行ったところ，pH は 7.18 であった．沈降実験前のNa 型ベントナイトを用いた沈降実験では，人工海水で東京湾粘土の pH が 8.3 であったことから，東京湾粘土の顕著に沈降するのに対し，pH 調整溶液ではどちらのケー

沈降中に溶液の pH が中性化し，一部の粒子は粒子端面

スもほとんど沈降しない結果となった．Na 型ベントナイの電荷が変化せず，粒子間の反発力により沈降速度が鈍

トは層間に存在するナトリウムイオンが水分子を吸着すくなったと考えられる．1440 分後の pH4 の沈降状況を見ることで膨潤する特性を持つ．人工海水にはカルシウム

ると（写真-3.1(b)1440 分後），2 層になって体積していイオン，マグネシウムイオン，
カリウムイオンが存在し，ることが分かる．このことから，下層は，端面電荷が負

いずれのイオンもナトリウムイオンよりも陽イオンの交になったことで粒子が凝集しながら沈降し（凝集沈降），

換侵入力が高いため，層間イオンの交換が生じると考え

10 分後

蒸留水 1％海水 3％海水 pH12 pH4

1％海水 3％海水 pH12 pH4

1％海水 3％海水 pH12 pH4

1％海水 3％海水 pH12 pH4

1％海水 3％海水 pH12 pH4

1％海水 3％海水 pH12 pH4

1％海水 3％海水 pH12 pH4

60 分後

蒸留水 1％海水 3％海水 pH12 pH41440 分後

蒸留水 1％海水 3％海水 pH12 pH4(a) カオリン(b) 東京湾粘土(c) Na 型ベントナイト

写真-3.1 沈降分析結果- 11 -

られる．本実験では，陽イオンの交換侵入力が最も高いの陽イオンがナトリウムからカルシウムに置換されるこカルシウムイオンが人工海水に多く含まれるため，層間とで膨潤特性を失い，速やかに沈降したと考えられる．
人工海水と 久里浜湾の海水の成分を比 較すると（図-3.11），久里浜湾の海水はほとんどナトリウムイオン及び塩化物イオンが占めており，カルシウムイオン含有量
が 1%と非常に少ない．しかし，久里浜湾で採水した海水(塩分濃度 3.47%，pH7.32)を用いて Na 型ベントナイトの沈降実験を行った結果，人工海水を用いた場合と同様，
素早く沈降する結果を得た（写真-3.2）．しかし，人工海水を用いたケースよりも溶液の濁りが完全になくなるま
でに時間を要した．このことから，溶液中のカルシウム
イオン濃度は沈降速度に影響を及ぼし，1％の塩分濃度でも，本実験の量に対してはカルシウムイオンが十分であ(a) 人口海水ったため，Na 型ベントナイトは陽イオン交換により膨潤特性を失ったと考えられる．次に，人工海水及び pH 調
整液を用いた Na 型ベントナイトの沈降実験後の堆積状
況を写真-3.3 に示す．pH12 溶液では，沈降しながらベントナイトが膨潤し，ゲル化が生じた．pH4 溶液では沈
降中には膨潤せず，沈降堆積したのち，堆積粘土と溶液との境界から徐々に膨潤することが分かった．また，両ケース共に粒子が緩い構造で堆積し，人工海水濃度 1%よりも人工海水濃度 3%のケースで沈降後の体積が小さくなった．
海面処分場に浚渫土砂を投入する場合，土砂は海水中

図-3.11(b) 久里浜湾海水で沈降することになる．本実験結果から，塩分濃度が高海水中に含まれるイオン

い溶液中では比較的早く粘土の沈降が生じた．すなわち，

1min

5min
写真—3.2

10min

30min

60min

120min180min240min1440min

Na 型ベントナイトの久里浜湾海水を用いた沈降実験結果

写真-3.3 人口海水及び pH 調整液を用いたベントナイトの沈降実験後の堆積状況- 12 -

海面処分場では自然条件で沈降が生じやすい環境である

おり，新たに実施する手法ではないことが分かった．

ため，粒子の凝集を利用した減容化は海面処分場におい

4. 電気浸透圧密試験

てはすでに実現しており，新たに実施する手法ではないことが分かった．

本章では，粘性土に対する電気浸透脱水効果の検証す3.4 まとめるため，簡易的な電気浸透実験及び電気浸透圧密脱水実

浚渫土砂処分場の減容化手法のうち，真空圧密工法，験を行う．次に，実験により得られた結果について整理攪乱による減容化手法及び凝集沈降技術を利用した浚渫

し，電気浸透圧密試験が実施可能な試験装置を製作する．

土受入容量拡大技術について，模擬シミュレーション及

最後に，製作した電気浸透圧密試験装置を用いて，東京

び模擬実験による検討を行った．以下に得られた結果を

湾粘土及びカオリン粘土を対象とした電気浸透圧密試験

まとめる．

を行う．さらに，供試体中の成分元素について，電気浸

1.

真空圧密による減容化について

透により陽極側と陰極側で分布に偏りが生じるかどうか

浚渫土砂の減容化手法として真空圧密工法が現在最も検討するため，電子線マイクロアナライザーを用いた面有効であると考えられているが，地盤が不飽和化するこ分析を実施する．

とで間隙水圧応答が鈍くなり，地盤内に真空圧に等しい
圧力が加わるまでに時間を有する結果を得た．そのため，

4.1 電気浸透脱水効果の検証

真空載荷圧の伝達に時間を要するため，所定の圧密度を4.1.1

電気浸透脱水実験確保するために真空ポンプの運転期間を延長することが電気浸透による粘土材料の脱水について簡易的な電気必要になると考えられる．さらに，溶存気体の気化によ

浸透実験を行い，粘性土に対する電気浸透脱水効果につり真空載荷圧の一部を間隙気体圧が受け持つことで，地いて検討した（写真-4.1）．実験では，初期含水比 158.2％

盤内に作用する有効応力が小さくなるため，地盤沈下量の川崎粘土をアクリル容器に投入し，0.1A の直流電流をが小さくなる可能性があることが分かった．

定電流で 5 時間通電した．電極にはステンレス板を用い

2.

粘土の攪乱による減容化についてた．通電後，陽極付近から採取した試料の含水比を測定

不攪乱試料及び攪乱試料を用いた既往の実験についてすると 100.3％となり，数時間で 60%程度の含水比低下が数値シミュレーションを実施した結果，既往の実験結果みられた（写真-4.2）．また，実験前の試料，実験後の陽はサンプリング時の試料の不飽和化等による乱れの影響

極側及び陰極側付近の試料それぞれについて，走査型電を含む可能性があることが分かった．攪乱による体積圧

子顕微鏡を用いた成分分析を行った．図-4.1 に元素種類

縮量については，圧密が進行して構造を有する地盤に対ごとの含有比率を，図-4.2 に各試料の成分分析結果を示しては有効であるといえるが，体積圧縮量の評価には，す．得られた結果は，試料から収集した全イオンの質量

サンプリング時の試料の不飽和化等による乱れにより生を 100 とした場合の含有比率であるため，イオンの移動

じた膨潤の影響を除外した検討が必要であるといえる．

量の定量的な評価には至らないが，陽極側で Na や Mg のまた，浚渫土砂処分場に堆積している土砂は圧密が進行

陽イオンが減少し，陰極側で Cl や S の陰イオンが減少し中でり構造が未発達のため，練り返しによる体積圧縮効ていることが確認できた．また，観察した画像から，電果は小さくなると考えられる．

気浸透により陰極及び陽極共に実験前よりも間隙が小さ

3.

凝集沈降技術を用いた減容化についてくなっていることが確認できた．

東京湾粘土及び Na 型ベントナイトを用いて，pH の異なる溶液中及び塩分濃度を変えた溶液中で沈降実験を行

4.1.2

った．その結果，溶液の pH は粒子同士の反発に影響を

電気浸透圧密予備試験

電気浸透脱水を利用した圧密試験装置を製作するため，

及ぼし，pH を小さくして酸性にすることで反発力を小さ

その機構について検討するための予備試験を実施した．

くし，沈降を促進できたが，沈降中に中和して pH が大予備試験は，φ60mm，高さ 20mm のアクリル円筒を用いきくなることで沈降促進効果が小さくなることが分かって電気浸透脱水試験を行った（写真-4.3）．脱水した水は，た．また，溶液が海水である場合，塩分濃度によらず沈容器側方に設置した脱脂綿が詰まった配管より集水した．

降促進効果があることが分かった．海面処分場では自然試験に用いた電極はステンレス板で，供試体上面を陽極，

条件で沈降が生じやすい環境であるため，粒子の凝集を下面を陰極とした．実験には東京湾粘土を用い，スラリ利用した減容化は海面処分場においてはすでに実現してー状の粘土供試体に対して 0.1A の定電流を与えた．図

- 13 -

-4.3 に予備試験で得られた結果を示す．図中の黒プロッ

比変化量は小さかったが，砂分があっても電気浸透脱水

トは東京湾粘土に砂を混合させた結果である．図-4.3 かが生じることが分かった．写真-4.4 に試験前後の供試体ら，全てのケースで脱水効果が得られることが確認できの様子を示す．写真-4.4(a)及び (c)に示すように，初期

た．混合土についても，初期含水比が小さいため，含水スラリー状態の供試体が数時間の通電により自立して半

直流電源

温度計

陽極

陰極
ステンレス板

写真-4.1 電気浸透実験装置(a) 通電直後

間隙水(b) 通電後写真-4.2 通電前後における実験試料の様子

図-4.2 各試料の成分分析結果

図-4.1 元素種類ごとの含有比率

写真-4.3 電気浸透圧密予備試験- 14 -

割できるほど脱水が生じることを確認した．また，写真

東京湾粘土
混合土

-4.4(b)の供試体と容器の間の白く見える部分は空隙であり，このことから供試体が収縮したことが分かる．こ



f

100

0=

試験後含水比(%) f

150



れは，電気浸透による圧密が水頭差での圧密ではないた
1/2

め，必ずしも排水面から収縮が生じないためであると考0

えらえる．さらに，この空隙にガスが溜まっていた痕跡

50（写真-4.4(b)の白い部分）があり，収縮した際に極板反応で発生したガスが供試体側方の集水管から水と一緒に排気していたと考えられる．電気浸透では，以下に示す

0050
100 150
初期含水比(%) 0極板反応により電極からガスが発生する．

200

・間隙水が純水の場合（水の電気分解）
陽極： 2H 2O  4e   O 2  4H 

図-4.3 予備実験の含水比変化まとめ

陰極： 4H 2O  4e   2H 2  4OH ・間隙水が海水の場合
陽極： 2Cl  Cl2  2e
陰極： 2H   2e   H 2
これらの結果から，電気浸透圧密試験装置製作時の課題を以下にまとめる．
従来の荷重や変位を制御する圧密試験とは異なり，

1.

圧密脱水の際に供試体が側方にも収縮するため，圧密量を評価するには側方変形量の計測が必要(a) 実験前2.

極板反応によりガスが発生し，供試体が乱れる

3.

極板反応によるガスの発生は主に陰極側で生じるため，陰極を供試体下方にして脱水量を計測すると，発生ガスが排気されず試料容器内に留まってしまう

4.2 電気浸透圧密試験装置の製作
前項でまとめた課題をクリアすることができる電気浸
透圧密試験装置を製作した．電気浸透圧密試験装置の概
略図を図-4.4 に示す．標準圧密試験結果と比較検討でき(b) 実験後

鉛直変位計

載
荷
装
置

ベロフラムシリンダー
水圧負荷

ガス検知器

差圧計
気液分離

ポーラスストーン

ー極

可
変

直
流
電
源
装
置

極板
試料

水圧負荷

メンブレン
ろ紙

体積変化計測(側方変形)

＋極

水圧負荷

差圧計

(c) 実験後断面図-4.4 電気浸透圧密試験装置概略図

写真-4.4 実験前後の試料の様子- 15 -るよう，圧密容器は φ60mm，高さ 20mm とした．

4.3 電気浸透圧密試験

試料容器から発生ガスを排気するため，電極には平板で製作した電気浸透圧密試験装置を用いて，初期含水比はなく厚みのあるパンチングメタルを用いた．陽極で発を様々に調整した粘土供試体に対して実験を実施した．

生するガス量は非常に少なく，特に間隙水が海水の場合実験に使用した東京湾粘土及びカオリンの土質特性を表

は，発生する塩素ガスが水に接するとすぐに水に溶ける-4．1 に示す．実験に用いた直流電源装置は 3A/35V が最性質を有するため，陽極側からはほとんどガスは発生し大出力であり，実験では 0.1A の定電流を流し，電位差がない．陰極側からの発生ガスをすぐに排気させるため，

35V になるまで通電した．電気浸透圧密試験は 0.1A の定試験装置の上面を陰極とし，供試体上面を排気排水条件

電流で行い，極板材料について陽極にはステンレス板を，とした．また，陰極に集まった水とガスを分離回収する

陰極には銅板を用いた．電気浸透圧密は電位変化によりため，気液セパレータを載荷板に設置した．電気浸透中生じるため，定電流として与える電流を段階的に大きくの電気動水勾配や透水係数等について検討するため，圧することで常に電位を変化させることができる．しかし，

密容器上下に差圧計を設置した．電気浸透圧密試験では電流の与え方は今後の課題とし，本研究では定電流条件

供試体が側方にも収縮するため，試料容器内側に小さなで 35V の電位差になるまで通電することとし，電位勾配

穴を2か所あけ，試料容器内側にメンブレンを被せ，メンの発生速度が圧密脱水量に及ぼす影響について検討した．

ブレンと試料容器の間を水で満たして，拘束圧による圧密が生じない程度の側圧を作用させることで側方変形に

4.3.1

電気浸透圧密試験結果

よる体積変化を計測できる機構とした．また，試料容器

含水比変化及び通電時間についてまとめた表を表-4.2に粘土試料を投入する際，真空ポンプを接続して真空引に示す．また，含水比変化についてグラフにまとめた結きをすることで試料容器とメンブレンが密着するように果を図-4.5 に示す．図-4.5 より，全てのケースで脱水効している．また，試験中常に供試体上面と電極が接する果が得られ，初期含水比が高いほど大きな脱水効果が得よう側方拘束圧とつり合わせるように鉛直荷重を作用さられる結果を得た．写真-4.5 には表-4.2 中の Case2-1 及せる．

び Case C-1 の電気浸透圧密試験前後の供試体の様子を示す．東京湾粘土の初期含水比は 171%であり，実験後は含水比が 94%まで低下した．カオリンについては，初期
表-4.1 物理試験結果(a) 東京湾粘土(b) カオリン

(g/㎤)

(%)

2.77

52.1

(m/s)
22.4

粒度分布(%)
砂礫

シルト

粘土

0.4

28.9

70.7

通電時間

試験材料

表-4.2 電気浸透圧密試験結果一覧

ケース名

初期

最終

Case 0125.12

81.26

43.93

4.5h

東京湾粘土

Case 1-1

128.41

77.28

51.13

4.0h

東京湾粘土

Case 1-2

126.49

80.34

46.14

4.0h

東京湾粘土

Case 2181.41

82.36

99.01

1.5h

東京湾粘土

Case 2-1

171.78

94.86

76.92

3.0h

東京湾粘土

40.48

11.97

0.5ｈ

カオリン

Case C-1

52.45- 16 -

含水比 52%から実験後は含水比 40%まで低下した．実験

大きくなったためと考えられる．したがってカオリンの後に半割した供試体断面の様子から，全体的に脱水が生場合，通電初期からすぐに脱水効果が得られたと考えらじていたことが確認できた．また，表-4.2 より，東京湾

れる．一方，東京湾粘土についても徐々に脱水が生じて粘土に比べカオリンの通電時間が非常に短いことが分か

供試体が固くなりはじめると抵抗が大きくなり，それにる．カオリンは水道水で攪拌してスラリーを作製してお伴い電位差が大きくなると脱水が急速に生じるため，通り，間隙水の塩分濃度が 1.7%の東京湾粘土に比べて供試

電時間は最大でも 5 時間程度であった．

体の抵抗が初めから大きく，同じ電流に対して電位差が次に，電気浸透圧密試験で生じる体積変化について検討するため，初期含水比130%の東京湾粘土及び初期含水比52%のカオリン粘土について，標準圧密試験を行った．
標準圧密試験から得られた   ln p ' 関係を図-4.6に示す．

東京湾粘土
カオリン

東京湾粘土について，表-4.2中の初期含水比130%程度の



f

0=

試験後含水比(%) f

150



100

供試体について，実験後の含水比が80%程度になっている
ことが分かる．このときの含水比変化量より体積ひずみを求めると，電気浸透圧密試験における体積ひずみ  v は
30.86%となった．電気浸透圧密試験で得られた  v と図

50

1/2

0
0

-4.6(a)に示す   ln p ' 関係を比較すると，80kPa程度の荷
050
100 150
初期含水比(%) 0

重段階で得られる体積ひずみと同程度であることが分かる．今回の電気浸透圧密試験での通電時間は5時間であり，

200

短時間で大きな体積変化が得られる結果を得た．カオリ
ン粘土については，表-4.2中のCaseC-1から，電気浸透圧
密試験における体積ひずみ  v は13.5%となり，図-4.6(b)図-4.5 初期含水比と試験後の含水比の関係

0

体積ひずみ εv （%）10(a) 通電前（左：東京湾粘土，右：カオリン）

20
30
40
50
60
1

10
100
1000
圧密応力 p (kN/m2)

(a)

10000

東京湾浚渫粘土0i) 東京湾粘土
体積ひずみ εv

（%）

10
20
30
40
50
60

1

10
100
1000
圧密応力 p (kN/m2)ii) カオリン(b) 通電後(b)

写真-4.5 電気浸透圧密脱水試験前後の供試体

カオリン粘土図-4.6 標準圧密試験から得られた- 17 -

10000

関係

から20kPa程度の荷重段階で得られる体積ひずみと同程-4.7 に示す．試料の中央近辺をカッターにより切断して度となった．東京湾粘土よりも圧密脱水効果が小さくな

縦 1.5 cm，横 5.5 cm，厚さ 0.5 cm 程度の試験片を採取し，る結果を得たが，カオリンの通電時間は30分であり，短1 週間真空乾燥した．これを樹脂により包埋した後，斜時間で圧密効果が得られることが確認できた．また，本線の面を鏡面状に研磨し分析面とした．研磨は耐水研磨実験で用いた直流電源装置は最大電位差が35Vであり，こ紙を用いた乾式研磨とした．研磨後，分析面に導電性をれ以上の電位差を与えることでさらに圧密脱水量が増え与える目的で炭素を蒸着し，EPMA 分析を実施した．

ると考えられる．

JSCE-G57451)に準拠し，分析を実施した．分析条件を表-4.3 に示す．濃度換算には比例法を用いており，測定元

4.3.2

電子線マイクロアナライザー(EPMA)による面分析
通電により粘土供試体中の元素のうち，陽イオンは陰極へ，陰イオンは陽極へ移動することを 3.1 節で述べた．そこで，電気浸透圧密試験後の供試体が電気的な不均一性を有するかどうかを確認した．初期含水比が 100%になるように作製したカオリンを用いて，0.03A で 1 時
間かけて電気浸透圧密試験を実施し，試験後の供試体について電子線マイクロアナライザー(EPMA)による面分
析（以下 EPMA 分析とする）により，供試体断面の元素の濃度分布を調べた．分析に用いた電子線マイクロアナ

写真-4.6 電子線マイクロアナライザー

ライザーを写真-4.6 に示す．また，試料調整の様子を図

図-4.7 試料調整の様子
表-4.3 分析条件および面分析画像の作成条件
使用機器

日本電子社製 電子線マイクロアナライザー JXA-8200

加速電圧

15 kV

試料電流

50 nA

プローブ径

50 µm

ピクセルサイズ

100 µm

ピクセル数

180×564（分析領域：縦 18.0 mm×横 56.4 mm）

計数時間

40 msec/ピクセル

測定元素

ケイ素（Si），アルミニウム（Al），ナトリウム（Na），硫黄（S）

標準試料

Si：Wollastonite(SiO2:50.94%)，Al：Alumina（Al2O3=100%）
Na：Albite(Na2O=11.48%)，S：Anhydrite(SO3=58.81%)

分光結晶

TAP：Si，Al，Na

スキャン方式ステージスキャン

濃度換算方法

比例法

測定結果の【濃度単位】%

表示形式【測定元素表示】Si，Al，Na，S：酸化物表示（SiO2，Al2O3，Na2O，SO3）

面分析画像の作成条件

PET：S

空隙など実体のない部分を除くピクセルを表示- 18 -

素の相対濃度は比較可能であるが，一般には絶対値は保る．EPMA の測定原理から供試体の傾きや供試体高さが証できないとされている．ただし，普通セメントに塩化ずれると，測定で得られる X 線強度が変化するため濃度物イオンを混入した試料の測定例によると，本手法で求差に影響を及ぼすことがある．この濃度差について，電めた質量濃度は化学分析によるデータと対応した値とな

気浸透圧密試験と EPMA 分析における測定条件のどちっており，絶対値としても一定の精度を有していると考らの影響により生じたものかどうか検討するため，図えられる．分析結果を図-4.8 に示す．図-4.8(a) が分析-4.9 に SiO2/Al2O3 比の元素マップを示す．Si と Al は水面の真空乾燥前の写真，図-4.8(b)が真空乾燥後の分析面に溶けにくい性質をもつため，通常面全体でモル比の値の写真，図-4.8(c)～(f)が分析した各元素の濃度分布では一定となる．図-4.9 から，SiO2/Al2O3 比は面全体で一ある．また，いずれの画像とも上方が供試体の上面で，定になっていることが分かる．このことから，図-4.8(c)下方が下面である．各画像左側のスケールの目盛の間隔で見られた供試体左右端と中央部の濃度差は電気浸透圧

は 1 mm である．各元素の濃度は色分けにより表示し，

密試験において生じる密度差が影響していると考えられそれぞれの色に相当する濃度（%）の範囲を各画像の右

る．電気浸透圧密試験中に供試体が収縮するため，通電側にカラーバーとして表示した．図-4.8(b)の分析面の写

前から側方に拘束圧を作用させている．また，側方変形

真より，全体的に真空乾燥による影響と思われる細かいによる体積収縮が大きく生じたことから，初期に作用さひびが見られた．供試体は概ね灰色を呈しているが，ませた側方拘束圧及び実験中の収縮により密度差が生じた

だらに白色を呈する部分が見られるのは樹脂の浸透の差と考えられるが，詳細に検討するためには側方変形量のによるものと考えられる．図-4.8(c) に示す SiO2 濃度分

計測精度を上げる必要があるため，脱水メカニズムと密布をみると，左右の端がやや高くなっているように見え

度変化に関する検討については今後の課題とする．一方，(a)

真空乾燥前供試体(c)

SiO2(二酸化ケイ素)(e)Na2O(酸化ナトリウム)

(b)

(d)

図-4.8

Al2O3(酸化アルミニウム)(f)
EPMA による面分析結果

図-4.9

SiO2/ Al2O3 比- 19 -

真空乾燥後供試体

SO3(三酸化硫黄)

図-4.8(d)～(f) に示す Al2O3，Na2O 及び SO3 濃度は概さらに，電気浸透脱水は非常に短時間で脱水効果が表れ

ね一定であった．これらの結果から，SiO2 濃度には若干ることから，将来非常に有効な減容化手法になり得るとの濃度差が見られたものの，その差は僅かであることかいえる．

ら，電気浸透圧密試験後の供試体の構成元素の濃度はほこれらの結果から，今後は，電気浸透圧密による脱水

ぼ均一であるといえる．

効果について様々な粘土試料を対象に実験を行い検討することで，電気浸透脱水効果と土質定数の関係について

4.4 まとめ整理する．また，本実験で用いた電位差よりもさらに大

電気浸透圧密試験が実施可能な試験装置の製作及び，きな電位差を与えた実験や，電流を段階的に大きくする

東京湾粘土及びカオリン粘土を用いた電気浸透圧密試験

等電流の与え方を様々に変えた実験を行うことで，最適を実施した．電気浸透圧密試験の結果，初期含水比によな通電方法についても検討する．さらに，模型実験によらず脱水効果が得られることが分かった．また，砂分がり最適な電極配置や電流の与え方について検討し，現場あっても電気浸透脱水が生じることが分かった．さらに，施工仕様の提案に繋げたいと考えている．加えて，電気同じ初期含水比の東京湾粘土を用いた電気浸透圧密試験

浸透圧密脱水の基礎研究として，様々な試料を用いた電及び標準圧密試験結果から，80kPa程度の荷重段階で得ら

気浸透圧密試験を実施してデータを蓄積するとともに，れる体積ひずみと同程度の体積ひずみが5時間の通電時

電気浸透現象を表現可能な数理モデルを提案することで，間で得られることが分かった．電気浸透圧密試験後の供

電気浸透を現場に適用した場合の地盤変状等について数

試体断面を観察したところ，全体的に脱水が生じている

値解析を用いた検討も行いたいと考えている．

ことが確認できた．電気圧密浸透後の供試体内部の電気的不均一性について検討するために実施したカオリン供（2022年4月26日受付）

試体のEPMA分析結果から，製作した試験機の規格であれ
ば供試体内部の電気的不均一さが生じないことが分かっ

参考文献

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- 22 -

港湾空港技術研究所資料

No.1404

２０２２．６

編集 兼発 行人

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所

発

港 湾 空 港 技 術 研 究 所

行

所

横 須 賀 市 長 瀬 ３ 丁 目 １ 番 １ 号
TEL. 046(844)5040 URL. http://www.pari.go.jp/

C （2022）by MPAT
Copyright ○All rights reserved. No part of this book must be reproduced by any means without the written
permission of the President of MPAT
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