JP7096789B2

JP7096789B2 - 斜面の遮水構造及びその構築方法

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Publication number: JP7096789B2
Application number: JP2019123027A
Authority: JP
Inventors: 貴樹松丸; 武斗佐藤; 有三赤司; 陽介山越; 健二郎開
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Nippon Steel Corp
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2022-07-06
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: JP2021008748A

Description

本発明は、斜面の表層として設けられる斜面の遮水構造及びその構築方法に関するものである。

特許文献１，２に開示されているように、切土や盛土によって形成される斜面には、斜面崩壊の原因となる雨水の浸透などを防ぐために、コンクリートなどを使用して安定化を図ることが行われている。

例えば、特許文献１では、斜面にコンクリートを吹き付けることによって、表層に遮水構造が設けられることが開示されている。また、特許文献２には、鉄筋コンクリートによって縦梁を構築し、その縦梁間に露出する斜面を緑化吹付材によって被覆する斜面安定工が開示されている。

一方、特許文献３，４には、道路の簡易舗装材料として、製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合した材料が使用されることが記載されている。ここで、道路の舗装として使用するためには、車両の走行によって轍や摩耗が起き難いように、セメントやアスファルトなどの結合力の高い材料が添加されて、強度が高められる。

特開２０１７－１９７９３４号公報特開２００４－５２５３３号公報特許第５７６５１２５号公報特開２０１７－４８６２５号公報

しかしながら、セメントやアスファルトなどの結合材は、材料費が高く、特に斜面の表面積が広くなる長大のり面に施工する場合には、工事費が増大することになる。
そこで、本発明は、比較的安価な材料のみで構築できるうえに、遮水性能の高い斜面の遮水構造及びその構築方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の斜面の遮水構造は、斜面の表層として設けられる斜面の遮水構造であって、製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合したスラグ材を、締固め密度比が90％以上となるように締め固めたことを特徴とする。
ここで、前記スラグ材の締固め密度比が95％以上となるように締め固めることが好ましい。

例えば、前記製鋼スラグは粒径が40mm以下であって、前記高炉水砕スラグは前記スラグ材の全量に対する含有量が5質量％以上25質量％以下とすることができる。また、前記スラグ材によって形成される前記表層の厚さは、100mm－200mmとすることができる。さらに、前記スラグ材によって形成される前記表層の透水係数が3.0×10^-6m/s以下となるようにすることが好ましい。

また、斜面の遮水構造の構築方法の発明は、斜面の表層として設けられる斜面の遮水構造の構築方法であって、製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合したスラグ材を前記斜面に敷き均して、締固め密度比が90％以上となるように締め固めることを特徴とする。

このように構成された本発明の斜面の遮水構造は、製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合したスラグ材を、締固め密度比が90％以上となるように締め固めたことによって構築される。

要するに、製鋼工程で発生する製鋼スラグと高炉水砕スラグとを使用するだけなので、比較的安価な材料費にすることができる。また、締固め密度比が90％以上となるように締め固めることによって、高い遮水性能を確保することができる。特に、締固め密度比を95％以上とすることで、雨水の斜面への浸透率を大幅に低減させることができる。

本実施の形態の斜面の遮水構造の構成を示した説明図である。本実施の形態の斜面の遮水構造の効果を確認するために行った散水実験の地盤模型の概要を示した説明図である。含水比と乾燥密度と透水係数との関係を説明する図である。比較例とともに散水実験の結果を説明する図であって、（ａ）は降雨強度20mm/hrの場合の浸透率の時刻歴を示したグラフ、（ｂ）は降雨強度90mm/hrの場合の浸透率の時刻歴を示したグラフである。降雨強度20mm/hrの場合の散水実験の結果を説明する図であって、（ａ）は斜面の下流地点における飽和度の時刻歴を示したグラフ、（ｂ）は斜面の中央地点における飽和度の時刻歴を示したグラフ、（ｃ）は斜面の上流地点における飽和度の時刻歴を示したグラフである。降雨強度90mm/hrの場合の散水実験の結果を説明する図であって、（ａ）は斜面の下流地点における飽和度の時刻歴を示したグラフ、（ｂ）は斜面の中央地点における飽和度の時刻歴を示したグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態で説明する斜面の遮水構造の構成を、部分的に拡大して示した説明図である。
まず図１を参照しながら全体的な構成を説明すると、斜面Ｓには、地山を掘削する切土の際に発生する傾斜面や、基礎地盤上に土を盛り上げて堤体や造成地などを構築する盛土の際に発生する傾斜面などが該当する。

以下では、1:2.0勾配の斜面、すなわち水平に対して約26°の傾斜角で傾く斜面Ｓの表層として設けられる、斜面の遮水構造となる遮水層１を例に説明する。このような斜面Ｓには、斜面崩壊の原因となる雨水の斜面Ｓの内部への浸透や表面の侵食などを防ぐために、遮水層１が設けられる。

この遮水層１に最も求められる性能は遮水性能であり、透水係数が小さくなるほど好ましい。さらに、遮水層１には、セメントやアスファルトなどの高価な材料を使用せずに、比較的に安価な材料だけで構築できることが好ましい。

そこで、本実施の形態では、遮水層１を製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合したスラグ材によって形成することとする。製鋼スラグや高炉水砕スラグなどの鉄鋼スラグは、製鋼工程で発生する産業副産物であり、比較的安価に入手できるうえに、有効に利用することで環境負荷の低減にも貢献できるようになる。

製鋼スラグ及び高炉水砕スラグは、酸化カルシウム、けい酸カルシウム、酸化鉄（II）、アルミナ等を主成分とする複合材料であって、潜在水硬性を有する。また、製鋼スラグ単体でも弱い水硬性があり強度を発現するが、製鋼スラグに高炉水砕スラグを混合することによって、強アルカリである製鋼スラグが更に強い水硬性を有する高炉水砕スラグを刺激し、水和物が生成して強度の高い固結体になる。

さらに詳細に説明すると、高炉水砕スラグが製鋼スラグのアルカリ刺激を受け、シリカ(Si)とアルミニウム(Al)とが水分に溶け出し、製鋼スラグから溶け出すカルシウム(Ca)とポゾラン反応を起こして石灰シリカアルミナ(C-S-A-H:C=CaO,S=SiO₂,A=Al₂O₃,H=H₂O)系水和物が生成されると、粒子間隙を繋いでいくと同時に粒子間空隙が充填されることで固結が起きる。また、水中の過剰なCaイオンが空気中の炭酸イオンと反応して、炭酸カルシウム(CaCO₃)も同時に生成して固結することになる。

このような製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合したスラグ材によって遮水層１を構築するには、斜面Ｓにスラグ材を敷き均し、その上から水硬性を促進させるための水を散布し、転圧機などで転圧して締め固めることで形成することになる。

製鋼スラグとしては、例えば目開き40mmの篩でふるって網目を通り抜けた粒径が40mm以下の製鋼スラグを使用することができる。また、高炉水砕スラグとしては、溶融した高炉スラグに加圧水を噴射するなどして、急激に冷却したままのガラス質の粒状スラグが使用できる。

高炉水砕スラグは、例えばスラグ材の全量に対する含有量が5質量％以上25質量％以下となるように混合される。これに対して、製鋼スラグのスラグ材の全量に対する含有量は、95質量％以下75質量％以上となる。要するに、製鋼スラグと高炉水砕スラグとを併せたものが、スラグ材の全量となる。

一方において、遮水層１として要求される遮水性能を発揮させるためには、道路舗装以上の締め固めが必要となる。すなわち、道路舗装においては、透水性舗装のように積極的に雨水を基盤側に浸透させる舗装が存在するように、遮水性能はそれほど重要視されないこともあるが、斜面Ｓを安定化させるためには、所定以上の遮水性能を備えていることが要求される。

そこで、以下では、締固め度合と透水性との関係について説明するとともに、斜面Ｓの表層として設ける遮水層１に適した遮水構造について説明する。まず、図２－図６を参照しながら、遮水性能を確認するために行った散水実験について説明する。

この散水実験では、上記したスラグ材を使用した斜面Ｓ（のり面）の施工条件（含水比，乾燥密度）による遮水性能の違いを把握するために、のり面付近を模擬した傾斜地盤の地盤模型（図２参照）を作製して実施した。

この散水実験を実施するにあたり、含水比と密度（乾燥密度）を変えたスラグ材の供試体の透水試験を行い、含水比及び乾燥密度の大きさによる透水係数の変化を把握することにした。まず、図３に示すように、含水比7％－11％の範囲で締固め密度比が90％－99％の供試体の透水試験を行った。ここで、締固め密度比（Dc）とは、試料の乾燥密度と最大乾燥密度との比で、「締固め度」と言われることもある締固め度合を表す指標である。

一連の試験の結果、含水比が大きくなり最適含水比の11％に近くなるほど透水係数が小さくなること、また締固め密度比（乾燥密度）が大きくなるほど小さな透水係数が得られることがわかった。特に、最適含水比が11％に近くで締固め密度比が99％と大きい場合には、透水係数は1.0×10^-8m/s以下の極めて小さな値になることを確認した。

また、最適含水比より大きな含水比の供試体に対して、含水比を変えたスラグ材の供試体の透水試験を行い、最適含水比より大きな範囲での含水比の大きさによる透水係数の変化を把握することにした。この供試体の作製密度は、締固め密度比を90％とし、含水比が11％、12％、13％となる３種類の供試体を用意した。

これらの３種類の供試体に対して透水試験をした結果、含水比が11％の供試体では1.11×10^-5(m/s)、含水比が12％の供試体では1.76×10^-5(m/s)、含水比が13％の供試体では2.24×10^-5(m/s)という透水係数ｋの結果が得られた。要するに、いずれの含水比としても、ほぼ同程度の透水係数ｋとなり、最適含水比より大きな範囲では含水比が透水係数ｋに与える影響は小さいことがわかった。

図２は、本実施の形態の斜面の遮水構造の効果を確認するために行った散水実験で使用した地盤模型の概要を示している。この地盤模型は、120mmの層厚で斜面Ｓを模したのり面地盤（東北硅砂6号で作製）に、スラグ材を使用したのり面工を敷設した構造である。

遮水層１は、150mmの層厚とし、斜面長は約1700mmとした。実際の斜面Ｓに遮水層１として施工する場合の層厚は、100mm－200mm程度となるように形成するのが好ましい。また、斜面Ｓののり尻側（表流水の下流側）となる位置には、透水平板を設置し、その近辺はのり面地盤ではない開口として、表流水量を測定できるようにした。さらに、斜面Ｓを模したのり面地盤には、複数の排水経路を下面に直交する方向で設け、浸透量を測定できるようにした。

そして、地盤模型の構築後、1：2.0の斜面Ｓ（図１参照）を模擬するために、土槽ごと26度に傾けた。また、のり面地盤には、300mm間隔で土壌水分計と間隙水圧計とを設置した。ここで、土壌水分計にはのり尻側（表流水の下流側）から順にPWP01,PWP02,・・・という符号を付け、間隙水圧計にはのり尻側から順にM01,M02,・・・という符号を付けた。

散水実験は、降雨強度を変えて複数のパターンで行った。詳細には、降雨強度20mm/hrの場合と降雨強度90mm/hrの場合の散水実験を行った。また、遮水層１の模擬は、材料となるスラグ材の配合は同一とし、締固め度合を変えた複数のケース（Case1-Case3）で行った。

スラグ材の配合は、全量に対する製鋼スラグの含有量が80質量％（粒径25mm以下）、高炉水砕スラグの含有量が20質量％（粒径2mm）とした。また、初期含水比は、いずれのケースも11.0％とした。

そして、Case1は、乾燥密度が2.263(g/cm³)となるように締め固めたケースである。この締固め度合は、最大乾燥密度との比で表す締固め密度比（Dc）で99％となる。このCase1の室内透水試験によって測定された透水係数ｋは、9.04×10^-9(m/s)となった。

また、Case2は、乾燥密度が2.057(g/cm³)となるように締め固めたケースである。この締固め度合は、最大乾燥密度との比で表す締固め密度比（Dc）で90％となる。このCase2の室内透水試験によって測定された透水係数ｋは、1.11×10^-5(m/s)となった。

さらに、Case3は、乾燥密度が2.171(g/cm³)となるように締め固めたケースである。この締固め度合は、最大乾燥密度との比で表す締固め密度比（Dc）で95％となる。このCase3の室内透水試験によって測定された透水係数ｋは、3.19×10^-6(m/s)となった。

散水実験では、傾斜させた地盤模型の上から、降雨強度20mm/hr又90mm/hrとなる散水を行い、透水平板位置から排出される表流水量、のり面地盤の下面側から排出される浸透量、土壌水分計及び間隙水圧計の検出値を測定した。

図４－図６に、降雨強度毎の実験結果を示した。ここで、比較のために、遮水層１を設けない場合（無対策）の実験結果も示した。まず図４は、降雨強度20mm/hrの場合（図４（ａ））と降雨強度90mm/hrの場合（図４（ｂ））の浸透率の時刻歴を示している。

ここで、浸透率（％）とは、表流水量と浸透量の合計に対する浸透量の割合を示す値で、浸透率＝浸透量／（表流水量＋浸透量）の式によって算定される。これらの結果を見ると、いずれの降雨強度においても、Case1では浸透率がほとんど見られず、斜面Ｓの内部への浸透が起きないことが確認された。

その一方で、Case2は遮水効果がほとんど見られず、浸透率は無対策と同程度であった。これに対して、締固め密度比を95％としたCase3では、完全な遮水は実現できなかったが、かなりの降雨が浸透せずに表面水（表流水）として流下したと言える。

そこで、降雨強度を20mm/hrとして、各ケースの斜面Ｓの位置による違いについて検証することとした。ここで、降雨強度20mm/hrは、気象庁の「雨の強さと降り方」の分類によれば、予報用語で「強い雨」、人の受けるイメージで「どしゃ降り」の雨となる。

図５は、飽和度（％）の時刻歴を示したグラフであり、図５（ａ）は斜面Ｓの下流地点（図２のPWP01地点）における飽和度を示し、図５（ｂ）は斜面Ｓの中央地点（図２のPWP03地点）における飽和度を示し、図５（ｃ）は斜面Ｓの上流地点（図２のPWP06地点）における飽和度を示している。

これらの結果を見ると、下流地点（図５（ａ））では、無対策のケースで飽和度が低く、スラグ材による遮水層１を設けたのり面工を施工したケース（Case1-Case3）では、比較的飽和度が高くなっていることがわかる。

これは、無対策では、ほぼ均等に降雨が斜面Ｓの内部（盛土内）に浸透するのに対して、遮水層１を施工したケースでは、遮水層１の表面を流下する表流水が多くなり、下流地点（のり尻）付近でその一部が浸透するためと考えられる。要するに、のり尻における流入量が、無対策のケースよりも多くなると考えられる。

一方、中央地点（図５（ｂ））では、無対策とCase2の飽和度は同様の時刻歴となり、Case1とCase3では、ほとんど飽和度の増加が見られずに、図４で示した浸透率の結果と同様に、時間の経過による増加が見られない結果となった。

そして、上流地点（図５（ｃ））では、Case1，Case3，Case2，無対策の順に飽和度の増加が確認され、下流地点及び中央地点では無対策と同程度かそれ以上の浸透が確認されていたCase2についても、上流地点においては一定の遮水効果が見られることが確認された。

図６は、降雨強度を90mm/hrとして、各ケースの斜面Ｓの位置による違いについて、飽和度（％）の時刻歴によって検証した結果を示している。ここで、降雨強度90mm/hrは、気象庁の「雨の強さと降り方」の分類によれば、予報用語で「猛烈な雨」、人の受けるイメージで「息苦しくなるような圧迫感がある。恐怖を感ずる。」という雨になる。

そして、飽和度の時刻歴を示した図６のグラフにおいて、図６（ａ）は斜面Ｓの下流地点（図２のPWP01地点）における飽和度を示し、図６（ｂ）は斜面Ｓの中央地点（図２のPWP03地点）における飽和度を示している。

これらの結果を見ると、下流地点（図６（ａ））では、降雨強度20mm/hrの場合と同様の結果になったが、中央地点（図６（ｂ））では、Case2においても飽和度の増加が抑制されていることが確認された。

「猛烈な雨」に分類される降雨強度90mm/hrの場合のように、流入量が非常に大きくなる場合には、一定量が表流水として排水されて、斜面Ｓ内部の飽和度の増加が抑制されたものと考えられる。

ところでスラグ材は、アルカリ性を示すため、参考までに各ケースのpHも測定した。いずれのケースにおいても、表流水のpHは平均値で7.8-8.5程度となり、浸透水のpHは8.2-11.7程度となった。但し、スラグ材の炭酸化が表面から進むことにより、これらのpHは時間の経過とともに徐々に低下していくことになる。

次に、本実施の形態の斜面の遮水構造及びその構築方法の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の斜面の遮水構造は、製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合したスラグ材を斜面Ｓに敷き均して、締固め密度比が90％以上となるように締め固めることによって構築される。

要するに、製鋼工程で発生する製鋼スラグと高炉水砕スラグとを使用するだけなので、比較的安価な材料費にすることができる。また、締固め密度比が90％以上となるように締め固めることによって、少なくとも斜面Ｓののり肩付近（表流水の上流側）の飽和度が増加することのない高い遮水性能を確保することができる。

また、降雨強度が大きい場合には、斜面Ｓののり肩付近だけでなく、中央付近においても飽和度が増加するのを抑えることができる。さらに、締固め密度比を95％以上とすることで、雨水の斜面Ｓへの浸透率を大幅に低減させることができる。

このような遮水層１は、製鋼スラグの粒径が40mm以下であって、全量に対する高炉水砕スラグの含有量を5質量％以上25質量％以下にしたスラグ材を、転圧によって締め固めることで構築することができる。

また、スラグ材によって形成される遮水層１の厚さは、100mm－200mm程度にすることで、材料費を抑えたうえで、所望する遮水性能が得られるようになる。要するに、遮水層１の透水係数ｋが3.0×10^-6m/s以下となるように締め固めることで、盛土や地山などの斜面Ｓの内部に雨水が浸透して崩壊を誘発することを防ぐことができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、1:2.0の勾配の斜面Ｓを例に説明したが、これに限定されるものではなく、任意の勾配の斜面を有する盛土や切土に対しても本発明を適用することができる。

Ｓ斜面
１遮水層（斜面の遮水構造）

Claims

斜面の表層として設けられる斜面の遮水構造であって、
製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合したスラグ材を、締固め密度比が90％以上となるように締め固めたことを特徴とする斜面の遮水構造。
前記スラグ材の締固め密度比が95％以上となるように締め固めたことを特徴とする請求項１に記載の斜面の遮水構造。
前記製鋼スラグは粒径が40mm以下であって、前記高炉水砕スラグは前記スラグ材の全量に対する含有量が5質量％以上25質量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の斜面の遮水構造。
前記スラグ材によって形成される前記表層の厚さが100mm－200mmであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の斜面の遮水構造。
前記スラグ材によって形成される前記表層の透水係数が3.0×10^-6m/s以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の斜面の遮水構造。
斜面の表層として設けられる斜面の遮水構造の構築方法であって、
製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合したスラグ材を前記斜面に敷き均して、締固め密度比が90％以上となるように締め固めることを特徴とする斜面の遮水構造の構築方法。
前記スラグ材の締固め密度比が95％以上となるように締め固めることを特徴とする請求項６に記載の斜面の遮水構造の構築方法。
前記製鋼スラグは粒径が40mm以下であって、前記高炉水砕スラグは前記スラグ材の全量に対する含有量が5質量％以上25質量％以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載の斜面の遮水構造の構築方法。
前記スラグ材によって形成される前記表層の厚さが100mm－200mmとなることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の斜面の遮水構造の構築方法。
前記スラグ材によって形成される前記表層の透水係数が3.0×10^-6m/s以下となることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の斜面の遮水構造の構築方法。