JP6598257B2 - 地盤凍結構造および地盤凍結方法 - Google Patents

Description

本発明は、凍結融解を繰り返し得る活動層において地熱交換を行うことにより当該活動層の凍結状態を維持可能とする地盤凍結構造および地盤凍結方法に関する。

寒冷地等の地盤では、表層地盤が気温の低下により凍結し、その後の気温の上昇とともに凍結した表層地盤が融解する凍結融解の現象が知られる。たとえば、永久凍土が存在する地帯であっても、夏季には地表面付近は融解する。凍結融解を繰り返し得る地表面付近（以下、活動層ともいう）では、上記現象の発生により種々の被害が生じる。たとえば、活動層が凍結状態から融解状態に変化することで、当該活動層が軟弱化して建造物の支持力が低下し、または地盤が沈下する等の問題が発生し得る。また、活動層が融解状態から凍結状態に変化することで、活動層に氷の層が発生し地盤面が***する凍上害が発生し得る。上述に例示される活動層の凍結融解による諸問題を解決するために、活動層の凍結融解の繰り返しが防止され凍結状態が維持されることが好ましい。地盤の凍結状態を維持する技術としてはたとえば、下記特許文献１、２が知られる。

特許文献１には、地盤に埋設された凍結管と、上記凍結管周辺に埋設された複数の温度計と、上記凍結管へ所定の温度のブラインを流すブライン冷却循環装置とを備える凍結装置（以下、従来技術１ともいう）が開示されている。従来技術１は、上記温度計で測定される地盤温度データをもとに最適ブライン温度を算出する等の制御を行う。より具体的には特許文献１には、地盤に埋設された縦型の凍結管を用い、制御下において、−６５℃から−３５℃程度のブラインを上記凍結管に循環させることが好ましいと説明されている。

また特許文献２には、埋設した凍結管を介して地盤から熱を奪うことにより、上記凍結管の周囲の地盤を凍結させる凍土形成装置（以下、従来技術２ともいう）が開示されている。具体的には、従来技術２として、縦型の凍結管と、Ｌ字型のヒートポンプとを備える態様が開示されている。Ｌ字型のヒートポンプは、一方の端部が上記凍結管の長さ方向（垂直方向）に沿って配置され、他方の端部が、凍結管から離れる方向（水平方向）に配置されている。かかる従来技術２は、凍結管の下端部およびヒートポンプの他方の端部において周囲の地盤と熱交換し、当該地盤を凍結させる。

特開２００９−１２１１７４号公報 特開２０１６−１０８７３９号公報

地熱交換器は、地盤に埋設され、内部に流通する熱媒体と地盤熱との間で熱交換を行う。一般的に、地熱交換器は、縦型と水平型とに大別される。上述する特許文献１に開示される凍結管は、縦型地熱交換器であり、特許文献２に開示される凍結管は、縦型地熱交換器であるが水平方向に延在するヒートポンプを備える点で、縦型地熱交換器の応用型ともいえる。

上述する従来技術１、２に例示される縦型地熱交換器は、その長さ寸法に応じ、地盤面から所定深度まで表層地盤を凍結可能であるという利点を有する。しかし、縦型地熱交換器は、設置に際し、地盤を深く掘り下げなければならず設置のコストが高いという問題がある。また縦型地熱交換器は、運転に際し、電力などで作動する圧力ポンプなどで熱媒体を上下方向（即ち、重量方向）に流通させなければならず、運転コストが高いという問題もある。また、縦型地熱交換器は、深さ方向において地盤を凍結するのに適しているものの、水平方向に凍結領域を広げることが難しい。したがって所定間隔を空けて複数の縦型地熱交換器を埋設する必要がある。従来技術２は、縦型地熱交換器（即ち、縦型の凍結管）から離れる方向（即ち、水平方向）に延在する端部を有するＬ字型のヒートポンプを備えるため、一般的な縦型地熱交換器に比べ、地盤の凍結領域を水平方向にも拡張し易い。しかし、装置自体の構造が複雑になり、設置やメンテナンスにコストがかかる虞がある。

一方、水平型地熱交換器は、地表から比較的浅い深度において埋設されることが一般的である。したがって設置に際し、水平型地熱交換器は、縦型地熱交換器のように地盤を深く掘り下げなくてもよいことから設置費用を小さく抑えられ得る。また水平型地熱交換器は、運転に際し、熱媒体を水平方向に流通させるので、縦型地熱交換器に比べ圧力ポンプの作動に要する電力が少なくて済み、運転コストを安価に抑えることができる。しかし、水平型地熱交換器は、水平方向に地盤を凍結する観点で優れるものの、充分な深度まで地盤を凍結できない場合がある。そのため水平型地熱交換器を利用した場合、活動層の表層部分の凍結状態だけが維持され、活動層の下層部は凍結融解を繰り返す虞があった。これを防止するためには、熱媒体の温度を充分に下げることが考えられる。具体的な一つの目安としては、縦型地熱交換器を使用する従来技術１に開示されているブラインの温度（−６５℃から−３５℃程度）よりさらに低い温度で水平型地熱交換器の熱媒体の温度を調整することが考えられる。しかし、ブライン温度を上述のような低温に調整するには多くの電力を要し、運転コストの増大につながるため好ましくない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、設置および運転に際して発生するコストを抑え、かつ活動層を深さ方向および水平方向のいずれにおいても良好に凍結可能な地盤凍結構造および地盤凍結方法を提供するものである。

本発明の地盤凍結構造は、凍結融解を繰り返し得る活動層と、上記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレ系樹脂発泡体から構成された厚み５０ｃｍ以下の発泡樹脂板と、上記発泡樹脂板の下方に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、が、上記活動層に埋設されており、上記水平型地熱交換器は、上記活動層の深さ方向２分の１より上方であって、かつ上面視において上記発泡樹脂板の外縁の内側に配置されており、上記水平型地熱交換器の上面と上記発泡樹脂板の下面との距離が１０ｃｍ以上２ｍ以内であることを特徴とする。
また本発明の地盤凍結方法は、凍結融解を繰り返し得る活動層と、上記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレ系樹脂発泡体から構成された厚み５０ｃｍ以下の発泡樹脂板と、上記発泡樹脂板の下方であるとともに、上記活動層の深さ方向２分の１より上方であって、かつ、上面視において、上記発泡樹脂板の外縁の内側に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、を、上記発泡樹脂板の下面と上記水平型地熱交換器の上面との距離が１０ｃｍ以上２ｍ以内となるよう上記活動層に埋設し、少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または上記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換し、当該地盤を凍結させることを特徴とする。

本発明の地盤凍結構造は、水平型地熱交換器が用いられる。そのため、本発明は、縦型地熱交換器を用いる場合に比べ、設置のコストを抑制可能であるとともに、水平方向に地盤を凍結させ易い。
また、本発明における水平型地熱交換器の上方には発泡樹脂板が埋設される。これにより、水平型地熱交換器の周囲および下方の地盤温度は、発泡樹脂板の断熱効果により、外気温等に左右され難く、年間を通じて一定範囲の温度に維持され得る。したがって、発泡樹脂板が埋設されていない場合に比べ、たとえば夏季の地盤温度が低く保たれる。そのため本発明は、ブラインの温度を極端に低く調整せずとも、水平型地熱交換器にて活動層の下層まで凍結させること、または凍結状態を維持することが可能である。かかる本発明は、従来技術に比べ、運転コストを改善しつつ、水平方向、および上下方向（即ち活動層の下層まで）の凍結状態を維持することが可能である。

本発明の第一実施形態にかかる地盤凍結構造を示す模式図である。 第一実施形態の変形例である地盤凍結構造を示す模式図である。 本発明の第二実施形態にかかる地盤凍結構造を示す模式図である。 本発明の第三実施形態にかかる地盤凍結構造を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜に省略する。
本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、１つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。図示する本発明の実施形態は、理解容易のために、特定の部材を全体において比較的大きく図示する場合、または小さく図示する場合などがあるが、いずれも本発明の各構成の寸法比率を何ら限定するものではない。

本発明に関し、活動層とは、地盤の表層であって、気温の変化によって凍結と融解を繰り返し得る地盤層を意味する。ここで凍結と融解とを繰り返すとは、一年を通じて凍結状態と融解状態とに変化する場合、または年単位で凍結状態と融解状態とに変化する場合を含む。また基盤層とは、上記活動層の下方に位置する地盤層を意味し、凍結状態が維持される地層（即ち、永久凍土）、および非凍結状態が維持される地層のいずれも含む。本発明または本明細書において、相対的に暖かい期間を便宜的に夏季と呼び、相対的に寒い期間を冬季と呼ぶ。したがって、北半球の一般的な地域では、７月〜９月を中心に夏季となり、１２月〜２月を中心に冬季となるが、南半球では逆である。また気候の変動により、年毎に寒い年と暖かい年とに分かれるような場合であって、寒い年には活動層が凍結し、暖かい年には活動層が融解するような場合には、当該寒い年を冬季と呼び、当該暖かい年を夏季と呼ぶ。以下の実施例では、冬季および夏季が、北半球における冬と夏である場合を例に説明する。

本発明者は、上述する課題を鑑み鋭意検討した末、活動層に発泡樹脂板を埋設することで、当該発泡樹脂板の下方に位置する地盤の温度変化を小さく抑え、年間を通じて当該地盤の温度を安定させ得ることに着眼した。より具体的には、本発明者は、発泡樹脂板の断熱効果により外気温を地盤に伝達させ難くできるため、発泡樹脂板の下方では、夏季の地盤の温度上昇を小さく抑え得ること、そのため、夏季においてブレインの温度を著しく下げることなく水平型地熱交換器で深さ方向にも地盤を良好に凍結させ得ること、または凍結状態を維持できることを見出し、本発明を完成した。

＜第一実施形態＞
以下に本発明の第一実施形態である地盤凍結構造１００について図１、２を用いて説明する。図１は地盤凍結構造１００の一例を示す模式図である。図２は、第一実施形態の変形例である地盤凍結構造１２０を示す模式図である。
地盤凍結構造１００は、凍結融解を繰り返し得る活動層４０と、活動層４０の下に位置する基盤層４６とを有する地盤に設けられる。地盤凍結構造１００は、活動層４０において発泡樹脂板１０と、発泡樹脂板１０の下方に配置された水平型地熱交換器２０とを備える。本実施形態では、発泡樹脂板１０および水平型地熱交換器２０は、活動層４０のうち、より地盤面ＧＬに近い表層活動層４０に配置されている。水平型地熱交換器２０は、内部にブラインを流通可能であり、周囲の地盤と熱交換を行う。地盤凍結構造１００は、水平型地熱交換器２０により、少なくとも夏季に、周囲の地盤から温熱を採熱し、またはブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換することができる。

かかる地盤凍結構造１００の実施により、冬季と夏季とにおいて凍結融解を繰り返し得る活動層４０は、夏季における融解が防止され凍結状態が維持される。これにより、上述する活動層４０の凍結融解による諸問題を防止することができる。
地盤凍結構造１００は、地熱交換器として水平型地熱交換器２０を用いているため、水平方向に凍結状態を拡張することに優れ、また内部に流通するブラインの流通に関し圧力ポンプの作動に要する電力が少なくて済み、運転コストが縦型地熱交換器に比べ安価である。
加えて、地盤凍結構造１００は発泡樹脂板１０を備えるため、発泡樹脂板１０の下方の地盤（下方地盤）、温度の安定化が図られている。つまり、上記下方地盤は、発泡樹脂板１０の断熱効果により、外気温等の影響を受け難く、一年を通じて気温の変動が小さい。そのため、夏季において、上記下方地盤は、地盤凍結構造１００が実施されていない場合に比べて地盤温度が低く、より小さい熱交換エネルギーで凍結状態を維持することができる。つまり、地盤凍結構造１００によれば、水平型地熱交換器２０の本来のメリットを充分に享受しつつ、課題であった上下方向への凍結領域の拡張の問題も、運転コストを著しく上げることなく良好に解決される。
以下に、本実施形態の地盤凍結構造１００の構成について詳細に説明する。

（活動層および基盤層）
活動層４０は、凍結と融解を繰り返し得る地表付近の層である。基盤層４６は、活動層４０の下方に位置する。基盤層４６は、年間を通じで凍結状態である層または年間を通じで非凍結状態である層のいずれであってもよい。
永久凍土地帯と認識される土地でも、実際には活動層が存在し得る。そのため、地盤表層は、冬季に凍結し、夏季に融解する凍結融解を繰り返し、凍結融解による諸問題が発生する。たとえばシベリアにおける永久凍土地帯であっても、夏季には外気温が３０℃程度になる場合があり、地盤表層は融解する。そのため永久凍土地帯であっても、冬季と夏季とで凍結融解の諸問題が発生する。
一方、寒冷地において、基盤層４６は年間を通じて凍結しないものの、表層は、冬季には凍結し、夏季には融解する例もある。つまり、非永久凍土地帯であっても活動層４０は存在し、かかる土地でも、同様に凍結融解の諸問題が発生する。したがって、地盤凍結構造１００は、永久凍土地帯または非永久凍土地帯のいずれにおいても実施可能であり、これによって凍結融解の諸問題を解決することができる。

活動層４０の深さ方向の距離ｄは、地域により異なり、数十ｃｍから十数ｍ程度までの幅がある。本発明によれば、距離ｄが１ｍ以上１５ｍ以下程度と充分に大きい場合であっても、表層活動層４０において発泡樹脂板１０および水平型地熱交換器２０が埋設された地盤凍結構造１００により、下層活動層４４まで充分に凍結状態を維持可能である。たとえば、深さ方向の距離ｄの活動層４０を、便宜的に深さ方向において１：１に分割し、地盤面ＧＬ側を表層活動層４０、基盤層４６側を下層活動層４４と定義した場合に、かかる表層活動層４０に発泡樹脂板１０および水平型地熱交換器２０が埋設された地盤凍結構造１００によって、下層活動層４４の凍結状態を充分に維持することが可能である。ただし、上記説明は、発泡樹脂板１０または水平型地熱交換器２０の一部または全部を下層活動層４４に埋設することを禁止するものではない。

（発泡樹脂板）
発泡樹脂板１０は、断熱性効果を発揮し得る発泡体からなる。発泡体の例としては、例えば、ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、ポリプロピレン系樹脂発泡体、ポリウレタン系樹脂発泡体、ポリ塩化ビニル系樹脂発泡体、熱可塑性ポリエステル系樹脂発泡体、ポリカーボネート系樹脂発泡体、ポリアミド系樹脂発泡体、またはポリフェニレンエーテル系樹脂発泡体等がある。特に、ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレン系樹脂発泡体は、発泡樹脂板１０の構成材料として好ましい。

本実施形態における発泡樹脂板１０は、略扁平の板状体であり、所定の面積を備える。板状体である発泡樹脂板１０の厚みは、特に限定されず、活動層４０の距離または実施される地域の気候等を勘案して適宜決定することができる。目安として、発泡樹脂板１０の厚みは、１０ｃｍ以上５０ｃｍ以下であることが好ましい。１０ｃｍ未満では、断熱効果が充分に発揮され難い場合があり、５０ｃｍを超えると、発泡樹脂板１０の製造や設置にかかる費用に見合う程度の断熱効果が得られ難くい場合がある。発泡樹脂体１０は、一体の発泡樹脂体から構成されてもよいし、複数の発泡樹脂ブロックを配列することで構成されてもよい。

発泡樹脂板１０の埋設深さは特に限定されないが、本実施形態のように、表層活動層４０に構造物（たとえば建造物の基礎や地下建物等）がない場合には、地盤面ＧＬから、発泡樹脂板１０の表面までの距離ｄ１が１０ｃｍ以上１００ｃｍ以下の範囲であることが好ましい。

本実施形態にかかる地盤凍結構造１００は、発泡樹脂板１０の所定の箇所に、パイプ２８と入流部２２とをつなぐ連結部３２を挿通させるための第一貫通孔１２が設けられている。また、同様に、発泡樹脂板１０の他の所定の箇所には、パイプ２８と排出部２４とをつなぐ連結部３４を挿通させるための第二貫通孔１４が設けられている。連結部３２は、例えば略垂直方向に起立して配置されたパイプであってパイプ２８と入流部２２との間でブラインを流通可能に連結している。同様に、連結部３４は、例えば略垂直方向に起立して配置されたパイプであってパイプ２８と排出部２４との間でブラインを流通可能に連結している。このように、連結部３２または連結部３４の少なくともいずれか一方が発泡樹脂板１０を厚み方向に貫通するよう配置されることで、内部を流通するブラインの温度が外気温から影響を受け難くし、また連結部３２、３４を土圧から保護することができる。

（水平型地熱交換器）
水平型地熱交換器２０は、ブラインを入流するための流入部２２と、内部を流通したブラインを排出させるための排出部２４と、略水平方向に延在するパイプ２８を備える。本実施形態では、流入部２２および排出部２４は、いずれもブライン温度調整装置３０に連結されている。所定の温度に調整されたブラインは、流入部２２を通過しパイプ２８を流通しつつ周囲の地盤との間で熱交換を行い、排出部２４から排出される。排出されたブラインは、ブライン温度調整装置３０において所定の温度に調整され、再度、流入部２２に送り出されてもよい。

尚、図１では、所定個所で湾曲して蛇行するパイプ２８が紙面上下方向に延在するよう模式的に図示されているが、実際にはパイプ２８は、蛇行しつつ略水平方向に延在している。他の図面に示す水平型地熱交換器２０におけるパイプ２８も同様である。

パイプ２８は、たとえば、樹脂材料、またはステンレス、アルミ、鋼、若しくは銅などの金属材料により形成されたものが挙げられる。ただし、金属材料を用いてなるパイプ２８には、腐食の問題、継ぎ目からの熱媒体の漏れの問題、または地盤形状の変形による破断の問題等がある。かかる観点からは、パイプ２８は、樹脂材料から構成されるものが望ましい。尚、気化熱の作用により周囲を冷却するアンモニアまたはフロンなどの冷媒を使用した場合には、パイプ内の圧力が高くなるため、樹脂材料からなるパイプは適応しにくい。しかし、ブラインは、熱交換の際、顕熱を利用して冷却するため、上記アンモニア等のような高圧化の問題がなく、樹脂材料から構成されたパイプに良好に適応する。即ち、ブラインを用いる地盤凍結構造１００では、樹脂材料で構成されたパイプ２８を良好に活用することができる。

水平型地熱交換器２０は、少なくとも夏季において活動層４０の凍結状態を維持することを目的に熱交換を行う。このときのブラインの温度は特に限定されない。しかし、地盤凍結構造１００は、上述のとおり水平型地熱交換器２０の上に発泡樹脂板１０が埋設されており、地盤温度が安定している。そのため、ブラインの温度が著しく低くなくても、活動層４０の全体の凍結状態を維持することが可能である。より具体的には、夏季において、ブラインの温度は、流入部２２において−２０℃以上−３℃以下に調整されていることが好ましい。発泡樹脂体１０の配置により活動層４０の温度の安定化が図られているため、地盤凍結構造１００は、夏季において、従来技術のようにブライン温度を著しく低温に調整せずとも、上記範囲のブライン温度で、活動層４０の融解を防止することができ、またブライン温度の調整に要する電力も、従来に比べて節約できる。

本実施形態においてブラインとは、水平型地熱交換器２０の内部を流通する不凍性の熱媒体（冷媒）である。ブラインとしては、例えば、塩化カルシウム水溶液や塩化ナトリウム水溶液、塩化マグネシウム水溶液、エチレングリコール、またはプロピレングリコールなどが挙げられるが、これに限定されない。ブラインは、図示省略する圧送ポンプなどで、圧送されてパイプ２８を流通する。

水平型地熱交換器２０を用いた地熱交換は、活動層４０の融解の虞のある時期を含め、一年間を通して連続的に行ってもよいし、断続的に行ってもよい。例えば冬季において、凍結状態にある活動層４０を、さらに冷やし固めることにより、夏季における活動層４０の温度上昇の開始を遅らせ、または上昇温度幅を小さくすることが可能である。そのため、冬季においても活動層４０から温熱を採取する地熱交換を行ってもよい。即ち、本実施形態における水平型地熱交換器２０は、冬季か夏季かによらず活動層４０から温熱を採取する地熱交換を行ってもよい。温熱かどうかは活動層４０の温度とブラインの温度とにおいて相対的に決まるので、ブラインの温度を活動層４０の温度未満に設定することで、活動層４０から温熱を採取することができる。

水平型地熱交換器２０の埋設深さは特に限定されない。設置のコストおよび労力を小さく抑えるという観点から、水平型地熱交換器２０は、適度な範囲で、基盤層４６よりも地盤面ＧＬ寄りに埋設することが好ましい。たとえば、深さ方向の距離ｄの活動層４０を、便宜的に深さ方向において１：１に分割し、地盤面ＧＬ側を表層活動層４０、基盤層４６側を下層活動層４４と定義した場合に、水平型地熱交換器２０は表層活動層４０に埋設されることが好ましい。ただし、本発明において地熱交換器を深度１０ｍを超えてさらに深い地中に埋設することを除外するものではない。
また、水平型地熱交換器２０の上面と、発泡樹脂下との距離は、接触しない程度に近接して埋設させることが好ましく、たとえば１０ｃｍ以上２ｍ以内程度が好ましい。本実施形態では、水平型地熱交換器２０は、地盤に直接に埋設されているが、地盤と水平型地熱交換器２０との間には、適宜、砂、砕石、またはカラ練りモルタル等のグラウト材を充填してもよい。

本実施形態では、水平型地熱交換器２０は、上面視において、発泡樹脂板１０の外縁の内側に配置されている。これにより、発泡樹脂板１０により、外気温の影響が少なく温度が安定された地盤（活動層４０）において地熱交換がなされるので、熱効率が良い。

上述する地盤凍結構造１００は、地盤面ＧＬに何らの構造物も有しない地盤を例に説明したが、地盤面ＧＬには、任意の構造物が設けられていてもよい。構造物とは、人工的に作られた物を広く含み、例えば建造物、道路、取り付け道路、または駐車場等のコンクリート面等が例示される。例えば、図２に示すように、地盤凍結構造１００が実施された地盤の地盤面ＧＬに、コンクリート面を備える構造部２１０が設けられていてもよい。構造物２１０は、例えば駐車場等である。地盤凍結構造１００が実施されない場合には、構造物２１０は、活動層４０の融解による地盤沈下や、凍結による凍上が発生し得る。しかし、構造物２１０が設けられた地盤において、地盤凍結構造１００が実施されることにより、活動層４０の融解が防止される。そのため、凍結融解による諸問題の発生により構造物２１０が沈下し、または破損等することが防止される。

地盤凍結構造１２０における発泡樹脂板１０は、構造物２１０よりも面積が大きく、上面視上、構造物２１０が発布樹脂体１０に包含されていることが好ましい。これにより、構造物２１０および構造物２１０の周囲において、凍結融解による諸問題の発生を防止することができるため、構造物２１０の利用または実施において望ましい。

図２に示す地盤凍結構造１２０は、水平型地熱交換器２０の一部が下層活動層４０に埋設されている。活動層４０の距離ｄが小さい場合には、活動層４０の深さ方向１／２を超えて地盤凍結構造１２０の一部（水平型地熱交換器２０の一部）が、基盤層４６寄りに位置していてもよい。

本発明は、凍結融解を繰り返し得る活動層４０と、活動層４０の下に位置する基盤層４６とを有する地盤において、発泡樹脂板１０と、発泡樹脂板１０の下方に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器２０と、を、活動層４０に埋設し、少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、またはブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換し、当該地盤を凍結させることを特徴とする地盤凍結方法（以下、本方法ともいう）を包含する。
本方法によれば、冬季において凍結状態になった活動層４０を、夏季においても凍結状態に維持することができる。そのため、従来の凍結融解による諸問題を解決することができる。しかも本方法は、発泡樹脂板１０により地盤（活動層４０）の温度が安定化されている。そのため、本方法によれば、水平型地熱交換器２０のメリットを活かしつつ、比較的高い温度のブラインを用いて、水平型地熱交換器２０の上下方向の地盤の凍結状態を良好に維持することができる。

＜第二実施形態＞
次に本発明の第二実施形態である地盤凍結構造１４０について図３を用いて説明する。図３は、本発明の第二実施形態にかかる地盤凍結構造１４０の一例を示す模式図である。図３および後述する図４では、水平型地熱交換器２０におけるパイプ２８等の管構造を、図示容易化のため、直線にて図示している。地盤凍結構造１４０は、発泡樹脂板１０が、地盤に建造された建造物２２０の基礎構造（べた基礎２３０）の下方に埋設されていること以外は第一実施形態にかかる地盤凍結構造１００と同様の構成を有する。そのため以下において、地盤凍結構造１４０に関し、主として発泡樹脂板１０と、基礎構造（べた基礎２３０）とについて説明する。それ以外の構成については地盤凍結構造１００の説明を参照可能であるため、ここでは詳細な説明を適宜割愛する。

上述のとおり、本実施形態にかかる地盤凍結構造１４０は、発泡樹脂板１０が、地盤に建造された建造物２２０の基礎構造（べた基礎２３０）の下方に埋設されている。かかる地盤凍結構造１４０によれば、外気温の断熱だけでなく、建造物２２０からの温熱が、地盤（活動層４０）に対し伝搬することを抑制することができる。

冬季において、凍結してはいるが温度が比較的高い活動層４０は、夏季において早期に融解し始める傾向にある。そのため、活動層４０の凍結融解を防止するためには、冬季における活動層４０の温度が充分に低温になっていることが好ましい。ところが、冬季は、外気温に比べ建造物２２０の内部は温かく調整されることが一般的である。そのため、従来は、建造物２２０の下方の活動層４０は、夏季において融解が早期に始まり、結果として融解量も多くなる場合があった。

これに対し、本実施形態では、発泡樹脂板１０が断熱作用を発揮するため、建造物２２０から活動層４０に対する温熱の伝搬が抑制され、冬季において凍結している活動層４０の温度の上昇が抑制される。その結果、夏季において、ブラインが著しく低い温度に調整されていなくても、当該ブラインと活動層４０とで熱交換を行い、活動層４０の温熱を採取することができる。

本実施形態にかかる地盤凍結構造１４０は、建造物２２０の基礎構造がべた基礎２３０である態様を示す。図３に示すとおり、べた基礎２３０の底面に接して、発泡樹脂板１０が埋設されている。発泡樹脂板１０の面積は特に限定されないが、べた基礎２３０と同様程度であることが好ましく、図３に示すとおり、べた基礎２３０よりも大きいことがより好ましい。このように、べた基礎２３０が実質的に地盤（活動層４０）と直接に接触しないよう、活動層４０とべた基礎２３０との間に発泡樹脂板１０を配置することにより、外気温および建造物２２からの温熱が活動層４０に伝搬することをより良好に防止することができる。特に、上面視上、べた基礎２３０が発泡樹脂板１０に包含されていることが好ましく、これにより、建造物２３０の周囲においても凍結融解を防止することができ、建造物２３０をより安全かつ快適に利用することが可能となる。

ベタ基礎２３０は、建造物２２０の基礎構造として知られるベタ基礎として理解される基礎構造であれば、適宜選択して実施することができる。より詳細に述べれば、建造物２２０の下面略全面に相当する面積を含む活動層４０を必要量だけ掘り、そこに鉄筋を配筋しコンクリートを流し込んで作られる基礎構造であって、鉄筋コンクリート面全面で建造物の荷重を分散し支持する構造を主体とする基礎構造である。

尚、図示省略するが、建造物２２０は、地下構造を有していてもよい。この場合には、地下構造の下に構築されるべた基礎２３０の下方に地盤凍結構造１４０が実施される。ここでいう地下構造とは、地下室、地下ピット、または地下倉庫等を含み、建造物２２０の地上部分と連結し、１つの基礎構造（べた基礎２３０）により支持される、建造物２２０の地下部分を指す。

本実施形態にかかる地盤凍結構造１４０は、水平型地熱交換器２０を複数有する。複数の水平型地熱交換器２０は、略同じ深さにおいて、水平方向に並列して配列されている。
ブライン温度調整装置３０には、適度な温度に調整されたブラインを水平型地熱交換器２０に対し流入させるため流入本管２３が接続されており、流入本管２３から流れ出たブラインは、分岐ヘッド２６において、それぞれの水平型地熱交換器２０に設けられた流入部２２に分岐する。本実施形態では流入部２２と連結部３２とは、１つの管において連続しており、連結部３２の下流側端部はパイプ２８に連結している。複数の連結部３２は、発泡樹脂板１０に設けられた第一貫通孔１２に挿通されている。また複数の連結部３４は、発泡樹脂板１０に設けられた第二貫通孔１４に挿通されている。このように建造物２２０の規模等や、発泡樹脂板１０の面積に併せ、適宜、水平型地熱交換器２０を２以上用いて、地盤凍結構造１４０を構成することもできる。

＜第三実施形態＞
次に本発明の第三実施形態である地盤凍結構造１６０について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第三実施形態にかかる地盤凍結構造１６０の一例を示す模式図である。地盤凍結構造１６０は、べた基礎２３０の替りに、杭基礎６０を備えること以外は第二実施形態にかかる地盤凍結構造１４０と同様の構成を有する。そのため以下において、地盤凍結構造１６０に関し、杭基礎６０および杭基礎６０と地盤凍結構造１６０との関係について説明する。それ以外の構成については地盤凍結構造１００、および地盤凍結構造１４０の説明を参照可能であるため、ここでは詳細な説明を適宜割愛する。

本実施形態にかかる地盤凍結構造１６０は、発泡樹脂板１０が、地盤に建造された建造物２２０の基礎構造（杭基礎６０）の下方に埋設されている。本実施形態では、基礎構造は、基礎スラブ５０と杭６１を備える杭基礎６０である。地盤凍結構造１６０は、杭基礎６０が備える建造物２２０の下方において実施されており、発泡樹脂板１０は、基礎スラブ５０の底面に接して埋設されている。尚、本実施形態において、発泡樹脂板１０が、基礎構造の下方に埋設されているとは、杭基礎６０の基礎スラブ５０の下方に発泡樹脂板１０が埋設されていることをいう。

従来、活動層において実施された杭基礎は、いくつかの問題があった。
即ち、上記杭基礎の実施のためには、活動層が夏季に融解することを考慮し、支持杭の先端を基盤層まで到達させて地盤支持力を得る必要があった。そのため、活動層が深くまで続く地盤で杭基礎を実施する場合には、支持杭は充分に長くなければならなかった。
また、支持杭の先端が基盤層に到達している場合であっても、活動層が融解することで、支持層に先端が固定された支持杭が、地上に抜け上がってしまう抜け上がりの問題が発生する虞があった。
また、摩擦杭が活動層に設けられている場合、当該活動層が融解することで、地盤と摩擦杭との摩擦力が充分に得られなくなり、当該摩擦杭の所期の作用が発揮されなくなる虞があった。
また、建造物２２０からの温熱が杭６１を介して活動層４０に伝搬するという問題があった。冬季に活動層４０が凍結していたことを鑑みれば、夏季においても建造物２２０から伝搬する熱は、活動層４０の地盤温度に対し相対的に温熱になるため、当該温熱により活動層４０が融解する虞があった。

地盤凍結構造１６０は、活動層４０の凍結状態が維持されるため、活動層４０の地盤支持力を維持することができる。そのため、本実施形態における杭基礎６０では、活動層４０において実施されているにも関わらず、上述する従来の問題の発生が防止される。地盤凍結構造１６０における杭６１は、凍結状態が維持された活動層４０により、支持力が維持され、冬季、夏季に関わらず建造物２２０を良好に支持することができる。

本実施形態では、図４に示すとおり、杭６１の杭先端６４が、活動層４０に位置する。本実施形態によれば、従来のように地盤支持力を確保するために、杭先端６４を基盤層４６まで伸長させなくてもよい。したがって、杭基礎６０の構築にかかる費用や労力を従来に比べ低減可能である。ただし、上述は、本発明を何ら制限するものではなく、杭先端６４が基盤層４６に到達した杭基礎６０を有する建造物２２０の下方に地盤凍結構造が実施されることを禁止するものではない。

本実施形態において、杭基礎６０は、建造物２２０の杭基礎として理解され、少なくとも杭６１と、基礎スラブ５０を備える基礎構造である。
本実施形態の杭６１は、杭頭６２、杭本体６６、および杭先端６４を備える。杭６１は、公知の杭基礎構造において採用される杭であればいずれのものであってもよく、支持杭および摩擦杭のいずれかであってもよいし、あるいはこれらの組合せであってもよい。
基礎スラブ５０は、杭頭６２と直接または間接に結合され、且つ建造物２２０の底面略全面において構築されるスラブである。基礎スラブ５０は、建造物２２０の底面略全面において杭基礎構造の一部として形成されるスラブ構造を意味し、所謂、コンクリートスラブ、あるいは土間コンクリートを含む。また基礎スラブ５０は、任意で地中梁を備えてもよい。

本実施形態では、杭頭６２が、基礎スラブ５０に埋め込まれており、これによって、杭６１と基礎スラブ５０が直接に結合されている。図示省略するが、杭頭６２を補強するために、杭頭６２の周囲をコンクリートなどで覆う杭頭処理を行って杭頭保護部を形成し、当該杭頭保護部の一部または全部を基礎スラブ５０に埋め込むことで、杭６１と基礎スラブ５０とを間接的に結合させてもよい。また図示省略する別の態様として、上述する杭頭保護部を基礎スラブ５０に設けられた地中梁と結合させ、当該地中梁を介して杭６１と基礎スラブ５０とを結合させてもよい。

本実施形態における発泡樹脂板１０は、基礎スラブ５０よりも大きい面積を有し、上面視上、発泡樹脂板１０は基礎スラブ５０を包含する。これにより、杭基礎６０の周囲の地盤まで活動層４０の融解を防止することができる。杭基礎６０の外周の活動層４０（本実施形態が実施されていない領域である活動層４０）の融解に連動して、杭基礎が実施された活動層４０の一部が融解することを良好に防止することができる。

水平型地熱交換器２０は、杭６１の間を縫って地盤に埋設される。そのため水平型地熱交換器２０を複数設けて、杭６１と水平型地熱交換器２０との配置のバランスをとることが好ましい。ただし、水平型地熱交換器２０のパイプ２８が杭６１を避けて配置されるよう水平型地熱交換器２０を設計することもできる。そのため、１つの水平型地熱交換器２０が杭基礎構造６０を備える建造物２２０の下方に配置されてなる地盤凍結構造１６０を実施することもできる。

図示省略するが、地盤凍結構造１６０は、杭６１の外周を覆う発泡樹脂部材をさらに備えていてもよい。これにより、杭６１から活動層４０に対し温熱が伝達されることを抑制することができる。その結果、水平型地熱交換器２０の内部を流通するブラインの温度を比較的高めに設定しても活動層４０の融解を良好に防止することができる。

以上に本発明の第一実施形態から第三実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。

上記実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
（１）凍結融解を繰り返し得る活動層と、前記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、
発泡樹脂板と、
前記発泡樹脂板の下方に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、
が、前記活動層に埋設されていることを特徴とする地盤凍結構造。
（２）前記水平型地熱交換器が、少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または前記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換する上記（１）に記載の地盤凍結構造。
（３）前記水平型地熱交換器は、前記ブラインを入流するための流入部と、内部を流通した前記ブラインを排出させるための排出部と、を有し、
少なくとも夏季において、前記ブラインの温度が、前記流入部において−２０℃以上−３℃以下である上記（１）または（２）に記載の地盤凍結構造。
（４）前記発泡樹脂板が、前記地盤に建造された建造物の基礎構造の下方に埋設されている上記（１）から（３）のいずれか一項に記載の地盤凍結構造。
（５）前記基礎構造がべた基礎であり、
前記べた基礎の底面に接して前記発泡樹脂板が埋設されている上記（４）に記載の地盤凍結構造。
（６）前記基礎構造が、基礎スラブと杭とを備える杭基礎であり、
前記基礎スラブの底面に接して前記発泡樹脂板が埋設されている上記（４）に記載の地盤凍結構造。
（７）凍結融解を繰り返し得る活動層と、前記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、
発泡樹脂板と、
前記発泡樹脂板の下方に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、
を、前記活動層に埋設し、
少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または前記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換し、当該地盤を凍結させることを特徴とする地盤凍結方法。

１０・・・発泡樹脂板
１２・・・第一貫通孔
１４・・・第二貫通孔
２０・・・水平型地熱交換器
２２・・・流入部
２３・・・流入本管
２４・・・排出部
２５・・・排出本管
２６・・・分岐ヘッド
２８・・・パイプ
３０・・・ブライン温度調整装置
３２、３４・・・連結部
４０・・・活動層
４２・・・表層活動層
４４・・・下層活動層
４６・・・基盤層
５０・・・基礎スラブ
６０・・・杭基礎
６１・・・杭
６２・・・杭頭
６４・・・杭先端
６６・・・杭本体
１００、１２０、１４０、１６０・・・地盤凍結構造
２１０・・・構造物
２２０・・・建造物
２３０・・・べた基礎
ｄ、１／２ｄ、ｄ１・・・距離

Claims (7)

1. 凍結融解を繰り返し得る活動層と、前記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、
   ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレ系樹脂発泡体から構成された厚み５０ｃｍ以下の発泡樹脂板と、
   前記発泡樹脂板の下方に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、が、前記活動層に埋設されており、
   前記水平型地熱交換器は、前記活動層の深さ方向２分の１より上方であって、かつ上面視において前記発泡樹脂板の外縁の内側に配置されており、
   前記水平型地熱交換器の上面と前記発泡樹脂板の下面との距離が１０ｃｍ以上２ｍ以内であることを特徴とする地盤凍結構造。
2. 前記水平型地熱交換器が、少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または前記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換する請求項１に記載の地盤凍結構造。
3. 前記水平型地熱交換器は、前記ブラインを入流するための流入部と、内部を流通した前記ブラインを排出させるための排出部と、を有し、
   少なくとも夏季において、前記ブラインの温度が、前記流入部において−２０℃以上−３℃以下である請求項１または２に記載の地盤凍結構造。
4. 前記発泡樹脂板が、前記地盤に建造された建造物の基礎構造の下方に埋設されている請求項１から３のいずれか一項に記載の地盤凍結構造。
5. 前記基礎構造がべた基礎であり、
   前記べた基礎の底面に接して前記発泡樹脂板が埋設されている請求項４に記載の地盤凍結構造。
6. 前記基礎構造が、基礎スラブと杭とを備える杭基礎であり、
   前記基礎スラブの底面に接して前記発泡樹脂板が埋設されている請求項４に記載の地盤凍結構造。
7. 凍結融解を繰り返し得る活動層と、前記活動層の下に位置する基盤層とを有する地盤において、
   ポリスチレン系樹脂発泡体、ポリエチレン系樹脂発泡体、またはポリプロピレ系樹脂発泡体から構成された厚み５０ｃｍ以下の発泡樹脂板と、
   前記発泡樹脂板の下方であるとともに、前記活動層の深さ方向２分の１より上方であって、かつ、上面視において、前記発泡樹脂板の外縁の内側に配置され内部にブラインを流通可能な水平型地熱交換器と、
   を、前記発泡樹脂板の下面と前記水平型地熱交換器の上面との距離が１０ｃｍ以上２ｍ以内となるよう前記活動層に埋設し、
   少なくとも夏季において、周囲の地盤から温熱を採熱し、または前記ブラインの冷熱を周囲の地盤に伝達させることで熱交換し、当該地盤を凍結させることを特徴とする地盤凍結方法。

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