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原理・特性

凍結工法の原理

凍結工法の原理は、地盤中に所定の間隔で冷却液を循環するパイプ(凍結管)を埋設して、これにブライン(冷却液)を流し、管の周囲を冷却して土中の間隔水を凍結管を中心に年輪状に氷結させ、更に隣接する凍土柱を連結して遮断壁あるいは耐力壁を作るというものです。凍結工法は凍土を造成して、その中で安全確実に土木工事をすすめることを目的とした補助工法です。

冷却方式には、ブライン方式と低温液化ガス方式の2方式があり、一般に土木工事の補助工法で用いられるのはブライン方式です。これはブラインと呼ばれる不凍液を冷凍機で-25℃~-30℃に冷却し、これを地盤中に埋設した凍結管(鋼管φ100程度)に循環ポンプで送り込んで地盤を冷却します。そして地盤の熱を奪って温度の上昇したブラインを再び冷凍機に返して冷却するという循環方式による凍結工法です。

ブラインは、安価で入手しやすく、性能にも優れている塩化カルシウム水溶液を用いています。このブライン方式は低温液化ガス方式に比べて、凍土造成には多少時間がかかりますが、安定した一様の凍土が作れるという特長があります。 低温液化ガス方式は、凍結管中で気化した液体窒素(LN2)の気化熱(潜熱)および顕熱を地盤の凍結に利用するものです。工場で製造された液体窒素(LN2)をタンクローリーで運搬し、凍結管に流し込み、周囲地盤の熱を奪い、気化したガスを大気に放出させます。この方式は、液体窒素(LN2)の蒸発温度が低く、低温冷却が可能なため凍結時間が短いことが特長です。

低温液化ガス方式 施工状況

凍結工法の理論・特性

凍結工法において基礎となるのは凍結速度、凍結負荷、温度分布、解凍速度の4つで、これらは対象地盤の熱的性質を熱伝導方程式に入れて解くことにより求められます。 凍結理論によって求まる値は実験及び実施工の値とほぼ一致しているので、工程計画を確実なものにできます。