断熱材埋設が凍結進行に及ぼす影響

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断熱材埋設が凍結進行に及ぼす影響
田沼, 邦雄
低温科學. 物理篇 = Low temperature science. Series A,
Physical sciences, 28: 337-343
1971-03-25
DOI
Doc URL
http://hdl.handle.net/2115/18163
Right
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bulletin
Additional
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28_p337-343.pdf
Instructions for use
Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers : HUSCAP
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hSummaryp. 3
4
3
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司
断熱材埋設が凍結進行におよぼす影響*
田沼邦雄
(低温科学研究所)
(昭和 45年 8月受理)
1
. まえがき
凍上防止の方法として，現在では主に凍結深さ内の凍上性の土を非凍上性の土で置き換え
る方法，いわゆる置換工法が採用されている。しかし，最近では，能t
f
熱工法と呼ばれて，土中
に断熱材を埋設し，断熱層を作ることによって凍結の進行を抑制し，それによって凍上を減少
2，
3，
4
)。土中に断熱層を設けることによって生じる
させようとする工法も採用され始めている 1，
効果としては，凍結線の侵入深さを減少させることは勿論であるが，断熱層として不透水性の
材料を用いることにより下方から凍結線への土中水の供給を遮断することも可能で，凍上自身
をも抑制することができる。断熱材の厚さとその埋設深さは，その土地の気象条件，路床土の
土質，路盤支持力，断熱材料の性質等によって決められる。しかし，これを計算で求めること
は極めて難しい。
一般に寒気で土地が凍結する場合，その凍結深さ(ご cm) は，c=α州司すの型で表わされ
る。ここで
C は凍結期間中の平均気温
(
OC
)
， tは凍結期間 (
d
a
y
)で /
c
/
tは積算寒度 (
O
C
.
d
a
y
)と
呼ばれ，比例常数 α は，土の熱的性質，凍結期間中の平均気温その他に依存する量である。土
地がほぼ単一層のときは，大体 2-6である 5)。しかし，地中に断熱層のような不連続層をはさ
む場合は，上記の関係では単純に表わされない。たとえば，多層構造物質内の周期的な熱の流
れについての Lachenbruch6)の熱伝導理論を応用して， Williamと Edward7)は埋設した断熱
材の下面での積算寒度を予測したが，実測値の 1
/
2
6にすぎない。従って，現在では，断熱材を
埋設した場所と埋設しない場所とで，凍結進行の度合を実測して比較するのが最も確実な方法
であろう。
筆者は，
厚さ 25mmの断熱材を地中に埋設して，
断熱材を埋設しない場所との凍結深さ
の比較を試みた。今回の試みでは断熱材を比較的地中浅く埋設するだけにとどめ，又，断熱材
より上の土は掘り起した現場の土をそのまま用い，単一土層中に不連続な断熱層が存在すると
いう状況に設定した。
1
1
. 浪g定 方 法
測定は，北見工業大学構内の凍上現場試験地で行なわれた。現場の土質は粘土で，凍結前の
含水比は平均 30%であった。この冬の現場の状況は木下他 8) の報告に述べられている。使用し
ホ北海道大学低温科学研究所業績
第 1
0
8
7号
低温科学物理篇第2
8斡 昭 和 の 年
3
3
8
田
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召邦
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主
た断熱材は連続押出し発泡スチロール樹脂(スタイロフォーム)で，大きさは 60.5x91X2.5cm
であった。断熱材の主な性質は，密度 0.03g/cm
え比熱 0
.
2
7c
al
/g・OC，熱伝導率 0
.
2
9c
a
l
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c
m・h
r
.
o
C
である。
この断熱材を地表面下 1
0cm，2
0cm， 30cm(断熱材下面までの深さ)の深さに，約
60cm離して並べて埋設し，その上に現場の土を地表面まで埋めた。それぞれの断熱材の上面，
下商及び下面から 20cm下にカールソン型温度計を据えて，温度を冬期間毎日読み取った。又，
断熱材を埋設しない場所にの場所を一般地中と l
乎ぶことにする)の温度は，地表面下lOcmか
ら 10cm 間隔で 1m の深さまで，熱電対を埋めて自記された。今冬 (1969~1970 年)の北見の
最大積算寒度(この報告において，積算寒度とは，冬期日平均気温が OOC以下になった日から日
0
平均気温を積算した値で、ある)は 1
098
C
-day(
1
9
6
9年 1
1月 28日より算定)で，平年 (
8
5
00C
.
d
a
y
)
に比べて寒さが厳しかった。一般地中の最大凍結深さは 85cmであった。第 1図に観測の現場
の写真を，第 2図に断熱材の埋設状況を示す。地表面は，たえず寒気にさらされるように降雪
ごとに除雪を行なった。
第 1図 観 測 場 所
T
y
p
eI
I
I
ground
surrace
9
号
二
(
J
第 2図 的i 面 図
記 号 a，b，c，d
，e，f，g，h，はそれぞれ滋度青1
の埋設位置である
I
I
I
. 測定結果
地表面下 1
0cm， 20cm， 3
0cmに断熱材を埋設した場所を，それぞれ t
y
p
e1
，t
y
p巴 I
I，
t
y
p
eI
I
I と呼ぶことにする。
それぞれの t
y
p
eにおける地中温度の冬期間の変化状況を第 3図
3
3
9
断熱材埋設が凍結進行におよぼす影響
Feb.
1
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1
地中温度変化
，b，c，d，e，f
，g，h，iは第 2図の温度計埋設位置に対応する。ダッシュの
記号 a
付いた記号は夕、ツシュの付かない記号の位置と同じ深さの一般地中での温度を示
す
。 T
aは日平均気温
い
3
4
0
田沼邦雄
に示す。実線の曲線に付けた a，b，c
，d，e，f
，g，h，iの記号は第 2図の温度測定点の記号に対
'，c
'，e
'，，
'
f h
'，i
'の記号は，ダッシュの付かない記号で示
応する。又，点線の曲線に付けた b
される測定点と同じ深さの一般地中の温度を示す。最下段に示した鎖線の曲線
Taは日平均気
温を示す。各曲線が Oocをきるとき，即ちその深さが凍結するまでの積算寒度と，この冬に経
験されたその場所での最低温度が第 1表に示される。
第 1表
t
y
p
e
深
各地点が OOCに達するまでの積算寒度(日平均気温の積算値)
とこの冬期間に経験された各地点の最低温度
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1
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1
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度
度
a
b
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1
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-4.3
1098
- 0
.
1
3
5
4
-2.3
50
断熱材の上面では，下からの地中熱が遮断されて冷却が促進されるため，断熱材を埋設し
ない一般地中より速く Oocに達する。埋設深さの浅い t
y
p
e1を除き，
この傾向が強い t
y
p
eI
I
では一般地中より積算寒度にして 16G
-day速く， typeI
I
Iでは 37G
-day速く Oocに達した。
0
0
又，冬期間に経験された最低温度は，断熱材を埋設した方が一般地中に比べてはるかに低い。
断熱材の上面では，かえって強く冷却される結果になるわけで、ある。しかし，断熱材の埋設に
よる効果としては，断熱材より下の土が同じ深さでの一般地中に比べて，どの程度高い温度を
保持することができるかにある。
第 3図の温度曲線について，断熱材の下面と同じ深さの一般地中における値，即ち t
y
p
e1
の bと b
'(深さ 10cm)，typeI
Iの eとぜ(深さ 20cm)，t
y
p
eI
I
Iの h と h
'(深さ 30cm) とを
比べてみよう。いずれの場合も，冬の始めは断熱材を埋設した場所の方が高い温度を保持して
いるが， OoCに達する時期は断熱材の有無にほとんど関係ない。叉，第 1表をみても，断熱材
の下面が Oocに達するまでの積算寒度は，一般地中とほぼ同じである。従って，断熱材の埋設
の効果が余りないようにみえる。しかし，その後の温度の変化状況をみると，断熱材を埋設し
た場所の方が一般地中よりも高い温度を保持している。最低温度も，第 1表に示したように高
い。たとえば，深さ 30cmの一般地中の最低温度が -4.30Cまで下がったのに対して， t
y
p
eI
I
I
の断熱材の下面(深さ 30cm)では最低温度が-1.30C にすぎない。このような傾向は，断熱材
の下面から 20cm下になると更に強くなる。
typeI
I
Iでは，最低温度が僅かに -O.lOCである
のに，同じ深さ (50cm)の一般地中では -2.30Cである。
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断熱材埋設が凍結進行におよぼす影響
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、白
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目
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第 4図
地中温度変化
A は深さ 3
0cm，B は深さ 4
0cmo 数値は各々の t
y
p
eで深さ 30cm(A)，
4
0cm(B)が凍結するに要した積算寒度である
第 4図には，それぞれの typeの同じ深さにおける地中温度の変化状況を示す。上欄の A
は深さ 30cm， 下欄の B は深さ 40cmである。
各曲線が OOCをきる点に矢印で示されている
数値は，それぞれの typeで深さが 30cm(
A
)，40cm(
B
)だけ凍結するに要した積算寒度で、あ
る
。
A の深さ 30cmは
， type1， typeI
Iでそれぞれ断熱材の下面から 20cm， 10cm下の地
点
， type1
1
1では断熱材の下面である。 type1では，深さ 30cmが凍結するまでに要した積算
，
寒度は 3030C.dayで
この積算寒度では一般地中で 44cmが凍結することに相当する。
同様
0
0
Iの 202
C.dayは 36cm，typeI
I
1の 145
C.dayは 29cmに相当する。このように深
に
， typeI
さ 30cmの地点で比較すると，その地点が凍結するまでの積算寒度は，断熱材の埋設深さが浅
， typeI
I， type
い場所程大きな値，即ち凍結する時期が遅いが，その後の温度降下は， type1
I
I
Iの順で小さくなる。そして，最大凍結深さは， type1が 56cm，typeI
Iが 52cm，type1
I
I
が 50cmであった。一般地中の最大凍結深さが 85cmであったので，最大 35cm凍結深さを減
o
.
少させたことになる。これらの関係をまとめて第 5図に示す。縦軸は凍結深さ，横軸は積算寒
度を両対数目盛で表わした
印は type，
1
0印は
typeI
I， x 印は type1
I
Iを示す。実線
/
.
t
O
C
.
d
a
y
) の関係を表わす。今回の測定では，
は，一般地中の凍結深さ(;cm) と積算寒度(/c
~~2.6.J[Cft で、あった。
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田沼邦雄
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〆
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Freezing i
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d
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(c.day)
第 5図
500
1000
積算寒度と凍結深さの関係
y
p
e1
， 0 印は t
y
p
eI
I， X 印は t
y
p
eI
I
I を示す。
・印は t
実線は， 一般地中で測定された ç:::::2.6~~ の関係を示す。
I
V
. むすび
厚さ 2.5cmの断熱材を地表面下 10cm， 20cm， 30cmに埋設して，凍結深さの減少に対
する効果を調べた。効果は断熱材の埋設深さ 30cmの場所が一番よく，断熱材を埋設しない場
所に比べると凍結深さを 35cm減少させることができた。しかし，効果が一番よかった場所で
も，凍結線は断熱材の下面より 20cm下まで侵入しており，凍結線を断熱材の下面で抑えると
するならば，もっと厚い断熱材を用いる必要がある。
終りに御指導いただいた木下誠一教授，鈴木義男同教授，観測に協力された堀口薫助手，
北見工業大学大野武敏教授に対して感謝の意を表します。
文 献
1
) 佐川 町~ 1
9
6
5 断熱材による凍上防止工について. 雪氷， 27，No.6，1
8
2
4
.
2
) Penner，
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1
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1
3
2
2
3
) 木下誠一 1
9
6
8 ヨーロッパおよびシベリヤにおける雪氷凍土関係の研究機関を見学して. 雪氷， 30
，
No.2，1
1
2
3
.
4
) 伊福部宗夫・関 信弘 1
9
6
8 札幌市(道道下手稲線)における断熱材工法の凍上防止試.験 7p
p
.
5
) 伊福部宗夫 1
9
6
2 北海道における道路の凍上・凍結深さおよび置換率に関する研究
北海道開発局土
木試験所報告， 26
，1
1
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5
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6
) William，Q
.andEdward，L
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) Lachenbruch，A. H. 1
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. 1083-A，1
11
.
8
) 木下誠一・鈴木義男・堀口 薫・田沼邦雄・大野武敏 1
9
7
0 北見における凍上観測. (昭和 44-45年冬期).
低温科学，物理篇， 28，資料集，印刷中.
。
3
4
3
断熱材埋設が凍結進行におよぼす影響
Summary
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1 and F
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o 56cm 52cm and 50cm，r
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