細胞閉じ込め

セルラー閉じ込めシステム（CCS）はジオセルとも呼ばれ、侵食防止、平地や急斜面での土壌安定化、水路保護、荷重支持や土留めのための構造補強などの建設に広く使用されています。 ^[1]一般的なセルラー閉じ込めシステムは、超音波溶接された高密度ポリエチレン（HDPE）ストリップまたは新規ポリマーアロイ（NPA）で作られたジオシンセティックスで、現場で拡張されてハニカム状の構造を形成し、砂、土、岩、砂利、コンクリートで満たされます。^{[2] [3]}

セルラーコンフィネンメントシステム（CCS）の研究開発は、軟弱地盤上に戦術道路を建設する方法を考案するために、1975年に米国陸軍工兵隊によって開始されました。^[4]エンジニアは、砂封じ込めシステムが従来の砕石セクションよりも優れた性能を発揮し、湿った天候条件に悪影響を受けることなく、軟弱地盤上のアクセス道路の建設に便利な技術を提供できることを発見しました。^{[5] [6]}ミシシッピ州ビックスバーグの米国陸軍工兵隊（1981年）は、プラスチックパイプマットからスロット付きアルミニウムシート、サンドグリッドと呼ばれるプレハブポリマーシステムまで、さまざまな封じ込めシステムを実験し、その後、セルラーコンフィネンメントシステムを開発しました。今日のセルラーコンフィネンメントシステムは通常、幅50〜200 mmのストリップから作られ、幅に沿って間隔を置いて超音波溶接されています。CCSは折りたたまれ、折りたたんだ状態で現場に出荷されます。^[要出典]

プレストプロダクツ社によるセルラーコンフィネーションシステムの民間商業化の取り組みは、ジオウェブ®につながりました。^[7]このセルラーコンフィネーションシステムは、高密度ポリエチレン（HDPE）で作られており、比較的強度があり、軽量で^[8]、ジオシンセティック押出成形に適しています。セルラーコンフィネーションシステムは、1980年代初頭に米国とカナダで荷重支持、斜面侵食制御、チャネルライニング、土留め用途に使用されました。^{[9] [10] [11] [12]}

初期の研究 (Bathurst and Jarrett、1988) ^[13]では、セル封じ込め補強砂利基礎は「補強されていない砂利基礎の約 2 倍の厚さに相当」し、ジオセルは単層補強スキーム (ジオテキスタイルおよびジオグリッド) よりも優れた性能を発揮し、従来の補強基礎よりも荷重下での充填材の横方向の広がりを抑えるのに効果的であることが判明しました。しかし、リチャードソン (2004) (米国陸軍工兵隊 CCS ビックスバーグ施設の現場にいた) は、25 年後に「ジオシンセティックの国内および国際会議のすべてでジオセルに関する研究論文がほとんどないこと」を嘆いています。^[14]

2008 年に Yuu らが実施した研究文献の包括的なレビューでは、舗装道路、特に鉄道の基礎補強における CCS 技術の使用は、設計手法の欠如、過去 20 年間の高度な研究の欠如、補強メカニズムの理解の限界により限られているという結論が出されました。^[15]それ以来、ジオセル システムに関する何百もの研究論文が発表されています。^[16]道路用途の CCS 補強については、拘束補強のメカニズムと影響要因を理解し、道路の性能向上におけるその有効性を評価し、道路用途の設計手法を開発するために、広範な研究が行われてきました (Han ら、2011)。^{[17] [18]}

Hedge（2017年）およびHedgeら（2020年）は、最新のジオセル研究、現地試験、最先端の知識、現在の傾向と将来の研究方向の範囲に関する包括的な調査とレビューを提示し、地盤補強およびインフラプロジェクトにおけるジオセルの使用増加を検証しています。^{[19] [18]} Han（2013年）は、カンザス大学で実施された包括的な研究を要約し、静的および周期的なプレート荷重試験、実物大の移動車輪試験、さまざまな充填材を使用したジオセル補強路盤の数値モデリングなどを行い、これらの研究から得られた永久変形、弾性変形、クリープ変形、剛性、支持力、応力分布、およびジオセル補強路盤の設計方法の開発に関する主な研究結果について説明しています。これらの研究では、新規ポリマーアロイ（NAP）ジオセルで補強された路盤により、路床と路盤の界面の垂直応力が軽減され、永久変形とクリープ変形が軽減され、路盤の弾性変形、剛性、支持力が向上することが示されました。^{[20]追加の文献レビューはKief et al (2013) [21]およびMarto (2013) [22]}に掲載されています。

舗装層の強度と剛性は高速道路舗装の性能を決定し、骨材の使用は設置期間のコストに影響します。そのため、骨材使用量の少ない新素材を使用して舗装の品質を向上させる代替手段が必要です (Rajagopal 他 2012)。^[23]ジオセルは、道路、鉄道、および同様の用途での静的および移動輪荷重を支える粒状土壌の適切なジオシンセティック補強材として認識されています。しかし、ジオセルの剛性はジオセル補強、ひいては舗装構造全体の剛性に重要な影響要因であることが判明しました。^{[23] [24]}

実験室でのプレート荷重試験、実物大の可動車輪試験、および現場での実証実験により、ジオセル補強土台の性能はジオセルの弾性係数に依存することが示された。弾性係数が高いジオセルは、補強土台の支持力と剛性が高かった。NPAジオセルは、HDPE製のジオセルと比較して、極限支持力、剛性、および補強において高い結果を示した。^[25] NPAジオセルは、特に高温下でのクリープ抵抗と剛性およびクリープ抵抗の保持が優れており、プレート荷重試験、数値モデル化、および実物大のトラフィッキング試験によって検証された。^{[17] [26]}

CCSは、世界中で何千ものプロジェクトに導入されてきました。しかし、斜面や水路などの低負荷用途と、高速道路、鉄道、港、空港、プラットフォームの基層などの新しい高負荷インフラ用途を区別する必要があります。^[19] たとえば、CCSのすべてのポリマー材料は、負荷がかかると時間の経過とともに変形しますが、どの程度の永久劣化が発生するのか、どのような条件下で発生するのか、長期的なパフォーマンスにどのような影響を与えるのか、そしてこれが故障につながる可能性があるのか​​という疑問があります。^{[27] [28] [29]}

例えば、斜面保護用途における CCS の寿命は、植物の成長と根の絡み合いが土壌の安定化に役立つため、それほど重要ではありません。これは、事実上、CCS の閉じ込めの長期的な損失を補います。同様に、重い荷重を受けない低交通量道路の荷重支持用途は、通常、設計寿命が短いため、わずかな性能低下は許容されます。ただし、高速道路の舗装、鉄道、プラットフォームの構造層の補強などの重要なインフラストラクチャ用途では、長期的な寸法安定性が重要です。ジオセルの容積面積が 2 ～ 3% 以上変化しない限り、圧縮と性能は維持され、沈下は最小限に抑えられます。^{[30] [31]}

ジオセルの進化における最新のマイルストーンは、ガイドライン規格の開発と発行です。ASTM ^[32] 、 ISO ^[30]、その他の国（オランダなど）^[33]によって最近発行されたジオセル規格は、セル封じ込めシステムの分野における最近の開発の自然な結果です。ジオセル用の新しいポリマー材料、広範囲にわたる研究の発表、受け入れられた性能ベースのテスト方法、およびフィールドケーススタディの知識ベースの拡大です。これらは、土壌安定化および路盤補強アプリケーションでジオセル技術を実装するための最良の設計方法と実践に関する最新の知識を広めることを目的としています。^[32]

新しい規格では、補強ジオシンセティックスと拘束システムの用途、3D補強メカニズム、設計要因の関連要因について議論し、ジオセル材料の特性が長期耐久性に与える影響を強調しています。多くの業界で一般的に使用されているポリマーの標準ASTMおよびISO試験方法は、さまざまな機械的応力、周波数、温度の負荷を受けたジオシンセティックスの長期挙動と蓄積された塑性ひずみを予測するために使用されています。たとえば、道路における補強ジオシンセティックスの使用に関するオランダの規格^[33]は、ジオセル（およびジオグリッド）の用途、サポートメカニズム、および設計原則をカバーしています。また、ジオセル材料の特性（剛性とクリープ抵抗）の重要性と、それらが長期補強要因にどのように影響するかを強調しています。

新しい基準の主なポイントは次のとおりです。

• 安定化効果の程度は、ジオセルの形状に加えて、ジオセルの材質によって決まります。^[30]
• 形状の保持は、プロジェクトの寿命全体にわたってジオセルの性能にとって重要です。2％を超える体積変化は、閉じ込めの喪失、圧縮、沈下、疲労、および/または破損につながる可能性があります。^[32]
• 重要な特性としては、動的荷重下での弾性剛性、永久変形（クリープ）のない弾性特性、および引張強度を維持する必要があります。^[33]

新しいガイドラインに共通するのは、性能ベースのアプローチです。このアプローチでは、弾性係数、塑性変形、引張強度などのエンジニアリング パラメータが重要な要素となります。耐久性の高いインフラストラクチャ アプリケーションでは、ジオセルが長い寿命にわたってはるかに高い動的ストレスにさらされるため、性能ベースのテストが重要です。

セルラーコンフィネーションシステムは、圧縮された土壌で満たされると、強化された機械的および土質工学的特性を持つ新しい複合エンティティを作成します。^[34] CCS内に含まれる土壌が、荷重支持アプリケーションの場合のように圧力を受けると、周囲のセル壁に横方向の応力が発生します。3D拘束ゾーンは土壌粒子の横方向の動きを減らし、充填物に垂直な荷重がかかると、セルと土壌の界面に高い横方向の応力と抵抗が発生します。これにより、拘束された土壌のせん断強度が向上し、次のようになります。

• 硬いマットレスやスラブを作り、広い範囲に負荷を分散させます
• 軟弱地盤のパンチングを軽減
• せん断抵抗と支持力を向上
• 変形を軽減

隣接するセルからの拘束により、受動抵抗を通じて荷重を受けたセルに対する追加の抵抗が得られ、充填材の横方向の膨張は高いフープ強度によって制限されます。拘束により圧縮が維持され、長期的な補強効果が得られます。^[35]

現場では、ジオセル セクションは互いに固定され、下層土の表面に直接置かれるか、または路床表面に配置されたジオテキスタイルフィルター上に設置され、外部ストレッチャー アセンブリを使用してアコーディオンのように開いた状態で支えられます。セクションは数十メートルの領域に広がり、セクションとセルのサイズに応じて数百の個別のセルで構成されます。次に、土、砂、骨材、またはリサイクル材料などのさまざまな充填材料で充填され、振動圧縮機を使用して圧縮されます。表面層は、アスファルトまたは未結合の砂利材料である場合があります。

セルラー拘束システム（CCS）は、路床と基層の境界面または基層内の土壌を補強することにより、舗装道路と未舗装道路の両方の性能を向上させるために使用されてきました。 CCSの効果的な荷重分散により、強くて硬いセルラーマットレスが形成されます。 この3Dマットレスは、軟弱路床への垂直不同沈下を減らし、せん断強度を改善し、耐荷重性を高めるとともに、道路の耐用年数を延ばすために必要な骨材の量を減らします。 複合システムとして、セルラー拘束は骨材充填物を強化し、それによって充填物に粒度の悪い劣悪な材料（例：現地の土、採石場の廃棄物、またはリサイクル材料）を使用すると同時に、構造支持層の厚さを減らすことができます。^[36] 一般的な荷重支持用途には、アスファルト舗装、未舗装のアクセス道路、サービス道路、運搬道路、軍用道路、鉄道の基礎構造およびバラスト拘束、複合輸送港の作業プラットフォームなどの柔軟な舗装の基層および路盤層の補強があります。空港の滑走路とエプロン、透水性舗装、パイプラインのサポート、緑地駐車場、緊急アクセスエリア。

CCS の 3 次元的な横方向の拘束とアンカー技術により、植生のある表土、骨材、またはコンクリート表面仕上げを使用した斜面の長期安定性が確保されます (厳しい機械的圧力や水圧にさらされている場合)。CCS の強化された排水、摩擦力、およびセル - 土壌 - 植物の相互作用により、斜面の移動が防止され、雨滴、チャネリング、および水圧せん断応力の影響が制限されます。^[37] 3D セルの穿孔により、水、栄養素、土壌生物が通過できます。これにより植物の成長と根の連結が促進され、斜面と土壌の塊がさらに安定し、景観の再生が容易になります。一般的な用途には、建設用切土および盛土斜面と安定化、道路および鉄道の盛土、パイプラインの安定化および貯蔵施設の土手、採石場および鉱山現場の修復、水路および海岸線の構造などがあります。これらは、下層土塊として、または表面仕上げとして構築できます。

CCS は、急勾配の面、壁、不規則な地形に、垂直方向に機械的に安定化された急勾配の土構造 (重力式または補強壁) を提供します。各層が構造的に健全であるため、CCS 土留めの建設は簡素化され、機器や作業員がアクセスでき、コンクリートの型枠や養生が不要になります。適切で粒状の場合は、地元の土壌を充填に使用できます。一方、外側の面は、表土を利用して、水平のテラス/列の緑色または黄褐色のファシアを可能にします。壁は、水路のライニングにも使用できます。流量が多い場合は、外側のセルにコンクリートまたはセメントスラリーを充填する必要があります。CCS は、広い面積のフーチング、擁壁ストリップ フーチング、パイプラインのカバーの荷重分散、およびその他の土質工学用途の軟弱または不均一な土基礎の補強に使用されています。^[38]

CCSは、ジオメンブレンライナー保護を提供するとともに、安定した土壌、小側壁、傾斜を作り出し、滑り止め保護と液体および廃棄物の永続的な貯留を実現します。^[39] 充填処理は、含まれる材料によって異なります。池や貯水池にはコンクリート、埋立地の排水と浸出水には砂利、景観修復には植生のある充填材を使用します。CCSは既製の型枠として機能するため、コンクリート作業は効率的で制御されています。コンクリートを使用したCCSは、路盤のわずかな動きに対応し、ひび割れを防ぐ柔軟なスラブを形成します。中流および低流速では、ジオメンブレンと砂利カバーを備えたCCSを使用して不浸透性チャネルを作成することができ、コンクリートが不要になります。

CCS は、土木インフラ プロジェクトをより持続可能にするグリーン建設ソリューションです。荷重支持用途では、ジオセル補強の強化により、構造支持用の充填材の量と品質を削減できます。つまり、地元で入手可能だが限界土壌タイプまたはリサイクル材料を建設に使用できます。これにより、採石場の骨材の必要性が減り、採石、運搬、および土木配置機器が削減されます。これにより、燃料使用量、汚染、および炭素フットプリントが大幅に削減され、同時に、ほこり、浸食、流出の点で建設環境フットプリントが低減されます。斜面用途に使用すると、穿孔 CCS は優れた土壌保護、排水、および植物の成長層を提供し、緑豊かな植生の景観を復元します。高度な CCS 技術の設計寿命が長いため、メンテナンスと長期的な経済コストも削減できます。^[40]

• 雪崩対策
• 侵食防止と防御の両方の歴史的な先駆者である蛇籠
• 大量浪費
• 落石
• ウォッシュボード現象。細胞閉じ込めは、この一般的な問題の解決策として機能します。

ウィキメディア・コモンズには、ジオセルに関連するメディアがあります。

• 「WES 砂格子閉じ込めシステムの開発」（1981 年）、Army Res. Ver. Acquisition Magazine、7 月～8 月号、7 ～ 11 ページ。