目 次

要 旨 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3

1. はじめに · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4

2. 既往の研究 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4

3. マイクロフォーカス X線 CTスキャナの仕様 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5

3.1 X線 CTスキャナのデータ収集の仕組み · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5

3.2 X線 CTスキャナで取得されるデータ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6

3.3 収集された数値データの画像化 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6

3.4 マイクロフォーカス X線 CTスキャナの仕様及び特徴 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7

3.5 装置の能力確認のための試験 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9

4. 高炉水砕スラグの形状の観察 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13

4.1 背景 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13

4.2 観察結果 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13

5. 気泡混合処理土の透水現象の観察 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14

5.1 背景 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14

5.2 実験条件 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14

5.3 観察結果 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14

6. ゴムチップ混合固化処理土の破壊現象の観察 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 16

6.1 背景 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 16

6.2 観察結果 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17

7. 三軸試験における砂供試体の局所的な密度変化の観察 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17

8. 地盤内の微生物挙動の可視化に関する基礎研究 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18

8.1 背景 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18

8.2 試験方法及び結果の検討方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 19

8.3 試験結果の検討 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20

9. おわりに · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20

参考文献 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21

- 1 -

Study on Applicability of Micro-focus X-ray CT Scanner for Geomaterials

Yoshiaki KIKUCHI∗

Taka-aki MIZUTANI∗∗

Takeshi NAGATOME∗∗∗

Toshiro HATA∗∗∗∗

Synopsis

In recent years, there is a real need to decrease construction and maintenance costs of port and airport

structures. In the situation, it is important to predict behavior of geomaterials precisely, and to reflect the

prediction in the design of the structures. At this moment, however, lack of information about various

phenomena found within geomaterials makes a precision prediction of behavior of geomaterials difficult.

To overcome this difficulty, the authors have been studying on observation technic of the phenomena

within geomaterials.

X-ray CT scanners have been thought effective for observation of the phenomena from the result of

recent studies, and a micro-focus X-ray scanner was added to the Port and Airport Research Institute in

2004. The micro-focus X-ray CT scanner was designed for geomaterials since the early planning stages.

In this article, the overview of the micro-focus X-ray CT scanner will be introduced.

By using the micro-focus X-ray CT scanner for geomaterials, several series of tests has been conducted

to examine its applicability for observation internal structure of geomaterials and the phenomena within

geomaterials. In the results, it was found that the micro-focus X-ray CT scanner is of use especially for the

observation of microscopic particle configuration of geomaterials, internal failure process of geomaterials,

and mass transfer phenomenon within geomaterials.

Key Words：Geomaterials, X-ray CT scanner, Nondestructive inspection

∗ Head, Foundations Division, Geotechnical & Structural Engineering Department∗∗ Senior researcher, Geotechnical & Structural Engineering Department∗∗∗ Research Trainee, Foundations Division, Geotechnical & Structural Engineering Department∗∗∗∗ Fujita Corporation3-1-1 Nagase, Yokosuka, 239-0826 JapanPhone：+81-46-844-5057 Fax：+81-46-844-0618 e-mail:kikuchi@pari.go.jp

- 2 -

マイクロフォーカスX線CTスキャナの地盤工学への適用性の検討

菊池 喜昭 ∗

水谷 崇亮 ∗∗

永留 健 ∗∗∗

畠 俊郎 ∗∗∗∗

要 旨

近年，港湾・空港等の施設の整備コストやライフサイクルコストの縮減が強く求められている．そ

のような状勢下において，工事で使用する地盤材料についても，新しい人工地盤材料のみならず砂・粘

土などの自然材料に至るまで，より適切で効率の良い使用方法を検討し，構造物の設計に反映させるこ

とが重要となってきている．これを実現するためには，従来よりも精度良く地盤材料の挙動をとらえ，

あるいは地盤材料内で生じる種々の現象を観察し，その結果を地盤材料の力学的特性と結びつけて整理

することで地盤挙動の精細な予測が可能となるように研究を進めていく必要がある．

砂・粘土などについては，従来から様々な試験方法が採用され，その物理特性・力学特性を調査して

設計のパラメータ等として用いられてきた．また，新しい人工地盤材料を開発する際には，砂・粘土な

どと同様の試験方法によってその物理特性・力学特性を把握し，工事への適用が進められてきた．しか

しながら，いずれの場合も，材料内部においてどのような現象が実際に生じているかを観察することは

困難であり，力学試験の結果等から内部挙動を推測するにとどまっている．

このような背景を踏まえ，地盤・構造部基礎工研究室では，材料内部の挙動観察に威力を発揮する

X線 CTスキャナを導入し，キャリブレーションならびに地盤材料への適用性について検討を重ねてき

た．導入した X線 CTスキャナはマイクロフォーカス型と呼ばれるもので，通常の X線 CTスキャナ

よりも高い空間解像度を有している．導入に際しては，当初から地盤材料の開発研究等に用いることを

目的として仕様を決定し，また，X線 CTスキャナ内部で地盤材料の三軸試験等が実施できるように細

部にわたる仕様の調整を行った．様々な地盤材料・実験条件においてマイクロフォーカス X線 CTス

キャナの適用性について検討した結果，(1)地盤材料の微視的な形状等の観察，(2)地盤材料の破壊過程

などにおける材料内部の挙動の解明，(3)材料内の物質の移動状況の解明などに力を発揮することを確

認した．

キーワード：地盤材料，X線 CTスキャナ，非破壊検査

∗ 地盤・構造部基礎工研究室長∗∗ 地盤・構造部主任研究官∗∗∗ 地盤・構造部基礎工研究室研修生 (東亜建設工業株式会社)∗∗∗∗ 株式会社フジタ 技術センター〒 239-0826 横須賀市長瀬 3-1-1 独立行政法人港湾空港技術研究所電話：046-844-5057 Fax：046-844-0618 e-mail:kikuchi@pari.go.jp

- 3 -

1. はじめに

近年，港湾・空港等の施設の整備コストやライフサイ

クルコストの縮減が強く求められている．そのような状

勢下において，工事で使用する地盤材料についても，新

しい人工地盤材料のみならず砂・粘土などの自然材料に

至るまで，より適切で効率の良い使用方法を検討し，構

造物の設計に反映させることが重要となってきている．

これを実現するためには，今までよりも精度良く地盤材

料の挙動をとらえ，あるいは地盤材料内で生じる種々の

現象を観察し，その結果を地盤材料の力学的特性と結び

つけて整理することで地盤挙動の精細な予測が可能とな

るように研究を進めていく必要がある．

砂・粘土などについては，従来から様々な試験方法が

採用され，その物理特性・力学特性を調査して設計のパ

ラメータ等として用いられてきた．また，新しい人工地

盤材料を開発する際には，砂・粘土などと同様の試験方

法によってその物理特性・力学特性を把握し，工事への

適用が進められてきた．しかしながら，いずれの場合も，

材料内部においてどのような現象が実際に生じているか

を観察することは困難であり，力学試験の結果等から内

部挙動を推測するにとどまっている．材料内部の挙動の

観察については，最近ようやく研究が始められた状態で

ある．

このような背景を踏まえ，地盤・構造部基礎工研究室

では，材料内部の挙動観察に威力を発揮する X線 CTス

キャナを平成 15年度に導入し，キャリブレーションなら

びに地盤材料への応用性について検討を重ねてきた．導

入したX線 CTスキャナはマイクロフォーカス型と呼ば

れるもので，通常の X線 CTスキャナよりも高い空間解

像度を有している．導入に際しては，当初から地盤材料

の開発研究等に用いることを目的として装置の仕様を決

定し，また，X線 CTスキャナ内部で地盤材料の三軸試

験等が実施できるように細部にわたる仕様の調整を行っ

た．本稿では，このマイクロフォーカス X線 CTスキャ

ナの仕様等を紹介し，現在までに研究室で実施した地盤

材料の各種試験での使用事例を示して，地盤材料に関す

る研究分野におけるX線 CTスキャナの応用の可能性等

について検討する．

2. 既往の研究

本稿の主目的は，マイクロフォーカス X線スキャナの

装置本体ならびに取得されるデータを紹介し，今後の展

開について述べることである．その為，本稿では既往の

研究についての詳細な記述は省略し，代表的な研究を数

点簡単に紹介するだけにとどめる．

地盤工学の分野において，地盤挙動の観察に X線を使

用することは比較的古くから行われてきた．椋木 (2001)

によると，地盤工学の分野において X線による可視化手

法をはじめて適用したのは Davis and Woodward (1949)

である．Davis and Woodwardは供試体に X線を透過さ

せることにより地盤内の変形場の可視化を試みた．その

後も多くの研究者が供試体，模型地盤等の X 線写真を

利用して地盤内の変形を観察を行っている．しかしなが

ら，それらの研究の大部分は，地盤内に鉛玉などのマー

カーやターゲットを設置してその挙動をX線写真から読

み取るものであり，地盤の変形を直接的に観察している

ものではない．また，X線写真は，3次元の供試体の内

部を 2次元データとして取得するもので，写真の奥行き

方向のデータが得られないという問題がある．従って，

地盤挙動に関するデータの取得精度はやや劣ると考えら

れる．

医療用 X 線 CT スキャナが開発されると，供試体の

データが 3次元的に得られることから，これを地盤工学

に応用しようとする研究も行われた．例えば，谷・上田

(1993)，谷・小山 (2004)は，横ずれ断層の模型実験の際

に，医療用の X線 CTスキャナを利用して地盤内のせん

断層の可視化を行い，せん断層の構造分析のためのデー

タを取得している．その他にも模型地盤の挙動等の観察

に医療用X線 CTスキャナを利用した例は多数ある．し

かしながら，医療用 X線 CTスキャナを用途外使用して

いる関係上，実験実務上様々な制限や問題が発生し，医療

用X線 CTスキャナが地盤工学の分野で本格的に活用さ

れるには至らなかった．医療用 X線 CTスキャナを地盤

工学の分野で利用する際の具体的な問題点としては，照

射可能なX線エネルギーが限られているため大きな供試

体を用いた実験ができないこと，空間解像度が低いため

地盤中の砂粒子の移動や間隙の変化状況等の詳細な観察

が不可能であることなどが挙げられる．

その後，産業用のX線CTスキャナが開発され，地盤工

学の分野でも適用が始められた．熊本大学では 1996 年

に産業用 X線 CTスキャナを導入し，地盤工学の分野で

この装置が非常に有用であることを確認している (Otani

et al. 1997，椋木 2001)．産業用X線 CTスキャナは医療

用X線CTスキャナと比較すると発生可能なX線エネル

ギーが大きく，供試体の大きさや模型の設置の自由度も

大幅に広がり，地盤工学分野での活用が今後ますます期

待される装置である．しかしながら，産業用 X線 CTス

キャナの空間解像度は高々数百 µm程度であり，地盤材料

- 4 -

内部の微視的な挙動を調査するにはやや不十分である．

地盤材料の構造をより詳細に調査するため，高エネ

ルギーを発生できる放射光施設を利用した研究が行わ

れている．Matsushima et al. (2003) は大型放射光施設

SPring-8 の X 線 CT システムを利用して砂粒子形状の

観察を試み，精細な粒子形状の X線 CT像を得ることに

成功している．このような装置を用いることにより，数

µm～数十 µm という高い解像度を得ることが可能であ

る．このような装置は材料構造等の調査には非常に有用

であるものの，供試体寸法が数mm程度に制限されるこ

となどから地盤挙動の調査等の用途には向いていない．

産業用 X 線 CT スキャナと SPring-8 の例からも分か

るように，X線 CTスキャナにおいて観察可能な供試体

の寸法と空間解像度の両方を同時に高めることは困難で

ある．従って，研究対象に応じて，必要な供試体寸法と

解像度のバランスを考えながら装置の選定を行う必要が

ある．地盤・構造部基礎工研究室では，このような観点

から装置に要求される仕様を検討した結果，産業用 X線

CT スキャナよりは解像度が高く砂粒子程度の大きさの

ものまで観察可能で，尚かつ三軸圧縮試験などに対応で

きるよう数十 cm大の供試体が観察可能となるマイクロ

フォーカスX線 CTスキャナを導入することとした．マ

イクロフォーカス X線 CTスキャナについては，岩盤力

学の分野で使用された例があるが，地盤工学の分野にお

いて使用された実績はない．

これまで述べたように，近年，地盤工学の分野におけ

るX線CTスキャナの有用性が着目されつつある．2003

年には地盤工学の分野におけるX線 CTスキャナの応用

をテーマとしたシンポジウムが熊本市で開催された．こ

のシンポジウムで紹介された最近の研究の成果が Otani

and Obara (2004)にまとめられているので参照されたい．

3. マイクロフォーカス X線 CTスキャナの仕様

マイクロフォーカス X線 CTスキャナは，その名称か

ら明らかなようにX線 CTスキャナの一種である．X線

CTスキャナは，1970年代初頭に実用化されて以来，観

察対象物を破壊せずにその内部構造を観察する装置とし

て，特に医療の分野を中心に活用されてきた．近年では，

医療用のみならず産業用途にも使用されるようになって

きており，工場における製品検査など幅広い分野に普及

してきている．本稿ではX線CTスキャナのメカニズム，

データ収集の仕組みならびに得られるデータ等について

簡単に説明した後，港湾空港技術研究所に導入したマイ

クロフォーカス X線 CTスキャナの仕様，特徴等を述べ

?55

5 5

23

1 4

X線照射量

X線透過量

観察対象物

2 12 0

透過する X線量から観察対象物の部分毎の X線吸収量を推定

X線吸収量

図-1 X線 CTスキャナの原理

る．尚，紙面の都合により，本稿で述べるX線CTスキャ

ナの説明は簡単な内容にとどめる．より詳細なメカニズ

ム等については他の文献 (例えば，下田・高木 1991)を参

照されたい．

3.1 X線 CTスキャナのデータ収集の仕組みX線 CTスキャナがデータを取得する原理を図-1で簡

単に説明する．図-1では，正方形の供試体の内部の様子

を調査するケースを示している．まず，供試体に対して

上方向及び左方向の各 2箇所，計 4箇所からX線を照射

し，供試体を透過するX線量を計測する．次に透過した

X線量を基に，コンピュータを用いた逆解析により，供

試体の内部で X線がどのように吸収されたか計算する．

図-1では，正方形の供試体をさらに小さな 4つの正方形

の区画に分割し，それぞれの区画で吸収された X線量を

推定している．

一般的な産業用の X 線 CT スキャナでは，図-2 に示

すように，X線は一直線状ではなくファンビーム状に照

射される．また，X線のファンビーム中で供試体を回転

させることにより，供試体の全周方向の様々な角度から

X 線を照射した場合の X 線透過量のデータを得られる

仕組みとなっている．その結果，供試体内部の区画分割

数も増加させることが可能となり，その数は数十万個か

ら設定条件によっては 1千万を超える数に達する場合も

ある．

- 5 -

X線管

観察対象物が回転

X線管から X線をファン状に照射

イメージ管

イメージ管で X線透過量を計測

図-2 X線 CTスキャナの仕組み

ボクセル

X線には厚みがあるため、ある厚みを持った供試体のスライスについてX線の吸収量の分布を求めることになる。

図-3 X線 CTスキャナによるデータ取得

3.2 X線 CTスキャナで取得されるデータ図-1では供試体を平面とし，その内部を小さな正方形

の区画に分割して，各区画におけるX線吸収量を求めた．

しかしながら，実際のデータ取得においては供試体は 3次

元であり，また X線そのものにも厚みがある．従って，

実際の X 線 CT スキャナでは，図-3 に示すように供試

体の一部を薄板状に切り出し，それをさらに小さな立方

体に分割してデータを取得する．この小さな立方体はボ

クセルと呼ばれている．計測結果として取得されるデー

タは，各ボクセル内の平均的なX線吸収量である．つま

り，X線 CTスキャナで取得されるデータは，供試体の

ある厚みを持ったスライス部分の平均的な断面構造を計

測したものである．供試体を仮想的に切断してその切断

面を観察しているわけではないということに注意が必要

である．

X線 CTスキャナで計測されるデータはあくまでも X

線吸収量であり，供試体の密度の計測や物質の同定が行

われるものではない．しかしながら，地盤材料等を観察

対象としている場合には，供試体内のある区画における

X線吸収量とその区画の密度は概ね比例関係を保ってい

図-4 X線 CTスキャナにより得られた数値データの画

像化

ることが分かっている．この関係を利用すれば，X線CT

スキャナで計測されたX線吸収量の分布から，観察対象

物の内部における密度の分布状況を推定することが可能

である．ただし，データの取得条件によって密度と X線

吸収量との関係を表す直線の傾きが変化するため，異な

る条件で取得したデータを比較する場合には十分な注意

が必要である．

一方，物質の同定を X線 CTスキャナで行うことはか

なり困難である．つまり，同形状で同じ X線吸収特性を

持つが異なる材料で作製された供試体を並べて計測した

場合，取得されたデータのみを見てどちらがどちらの供

試体かを判別することはできない．しかしながら，地盤

材料内に含まれる物体の種類が水・空気・砂・粘土など

に限られていることから，地盤材料の観察を行う際には

実用上問題は生じないと思われる．

3.3 収集された数値データの画像化

X線 CTスキャナで取得した区画毎のX線吸収量の数

値データに対し，グレースケールなどのカラーチャート

を適切に割り当てることにより，供試体の断画像を得る

ことができる．図-4に，供試体を 4×4マスの区画に分割

し，各区画毎のX線吸収量の数値データを基に画像を作

成する方法を示している．

通常の産業用 X 線 CT スキャナでは，計測した X 線

吸収量のデータを画像化した図を供試体の断面画像とし

て tiff形式等の画像データのフォーマットで出力するよ

うに製作されており，数値データからの画像化のプロセ

スを使用者が意識することはない．

勿論，必要に応じて X線 CTスキャナで計測された数

値データを見ることは可能である．しかしながら，その

数値データはボクセル毎の X 線吸収量そのものではな

く，X線吸収量をある指数に変換したものである．これ

は，数値データを画像フォーマットに流用しやすくする

- 6 -

写真-1 マイクロフォーカス X線 CTスキャナの概観

ための措置である．当研究所に導入したマイクロフォー

カス X線 CTスキャナでは計測結果の出力値は GL値と

呼ばれる値であり，その値は X線吸収量と比例関係を取

るようになっている．

3.4 マイクロフォーカス X線 CTスキャナの仕様及び特徴

当研究所に導入したマイクロフォーカス X 線 CT ス

キャナの概観を写真-1に，仕様を表-1に示す．さらに，

マイクロフォーカスX線 CTスキャナの装置概念図を図

-5に示す．

この装置は，X線CTスキャナの中でもマイクロフォー

カス型と呼ばれる装置をベースに，当初から地盤材料の

開発研究等に使用することを目的として詳細な仕様を定

めて製作した．地盤材料用に使用するため特に必要と考

えた仕様は，a)砂粒子などを判別するために十分な空間

解像度を有すること，b)地盤材料中の間隙内の飽和状態

を確認するために十分な密度の分解能を有すること，c)

データ取得中の供試体の変化を最小限にするため短時間

でできるだけ多くのデータを取得できること，d)複雑な

応力・ひずみ等の条件下における地盤材料の内部構造等

を観察するためにX線 CTスキャナ内に土質試験用三軸

試験機をセットすることができることなどである．これ

らの要求を満たすように仕様を検討した結果，導入した

表-1 マイクロフォーカス X線 CTスキャナの主な仕様X線発生装置

方式 開放管

X線管電圧 最大 225 kV

X線管電流 最大 1000 µA

最大電力 135 W

焦点寸法 最小 4 µm

X線照射角 コーン状 60◦

被検査体

搭載最大寸法 φ 250 × H 800 mm

検査可能寸法 最大 φ 200 mm

検査可能重量 最大 60 kg

X線防護箱

外寸 W 2,150 × D 1,310 × H 2,400 mm

重量 約 4,600 kg

マイクロフォーカスX線 CTスキャナは以下に述べるよ

うな特徴を有している．

(1) 高い解像度

当研究所に導入したマイクロフォーカス X 線 CT ス

キャナでは，図-5の概念図に示されているように，X線

を照射するX線管に対して，供試体 (ワーク)を載せる回

転テーブル及びX線の透過量を測定するイメージ管の位

置を動かすことができるようになっている．また，X線

の強さ (X線を発生させるために X線管に加える電圧の

大きさ)や X線の量を調整することも可能である．X線

管・ワーク・イメージ管の位置関係ならびにX線の強さや

線量を適切に設定してデータを取得することにより，供

試体の観察対象範囲のX線吸収量の分布を高い解像度で

測定することができる．

X線 CTスキャナの空間解像度は前に述べたボクセル

のサイズをどこまで小さくできるかに依存している．導

入したマイクロフォーカス X線 CTスキャナでは，計測

条件が最も良い場合にはボクセルのサイズを一辺 4µm程

度にまで小さくすることができる．実際に地盤材料を調

査する場合には，X線 CTスキャナ内に設置する試験機

(次節で述べる)や試料の大きさから計測条件が限定され

てしまうため，得られる解像度には限度がある．しかし

ながら，あまり無理のない計測条件でデータを取得して

も，砂粒子程度の大きさのものまで判別することが可能

である．

一方，高い解像度で観察を行う際には観察対象となる

範囲が狭くなるという欠点もある．この点においては，

- 7 -

図-5 マイクロフォーカス X線 CTスキャナの概念図 (装置カタログより)

マイクロフォーカスX線 CTスキャナは顕微鏡機能のつ

いた X線 CTスキャナであると考えることもできる．

また，X線には，強い X線ほど焦点がぼやけるという

特性がある．X線 CTスキャナでは試料を透過したX線

の量から試料のX線吸収量を測定するため，試料が密度

の大きなものである場合には，試料を透過させるために

強いX線を照射しなければならない．そのため，得られ

るデータの解像度が落ちてしまう．当研究所に導入した

マイクロフォーカス X線 CTスキャナの場合，すでに述

べたように，通常の計測条件で砂粒子程度の大きさのも

のまで確認できる空間解像度を有している．また，供試

体がアルミなどの軽金属であれば，直径 100mm程度の

供試体までそれと同程度の解像度でデータを取得するこ

とができる．しかしながら，供試体に鉄などが多く含ま

れる場合には，供試体寸法が直径 100mm以下であって

も得られるデータには誤差が多く含まれてしまう．この

ような場合は，そのデータを可視化して画像として表示

した場合に，ぼんやりとした画像となってしまったり，

アーティファクトと呼ばれる影や虚像が現われたりする

などの問題が生じる．

導入したマイクロフォーカスX線 CTスキャナを使用

してデータを取得し，それを画像化として表示した例を

図-6，7に示す．図-6，7は SGM(気泡混合処理土)の直径

50mmの円筒供試体を計測したものである．図-6は供試

体の断面全体が観察対象範囲に入るように解像度等を設

定して計測した結果を，図-7は解像度を重視した設定で

供試体の中心部分だけを計測した結果を示している．い

ずれの図においても，供試体の X線吸収量が大きい部分

が白く，X線吸収量が小さい部分が黒くなるように設定

されている．すでに述べたようにX線吸収量は供試体の

密度とおおよそ比例関係にあるので，図-6，7 中の黒い

図-6 供試体全体の断面が観察できる条件で計測した

SGMの断面

部分は気泡などの密度の低い部分，白い部分は団粒化し

て固結したセメントや SGMの母材である浚渫土に含ま

れていた貝殻などの密度が高い部分であると考えて問題

無い．図-7を見ると，直径が 1mmよりもかなり小さい

気泡であってもはっきりとその形が得られおり，マイク

ロフォーカスX線 CTスキャナの解像度が高いことが確

認できる．

(2) 3Dコーンビームによる供試体データの一括取得

マイクロフォーカス X線 CTスキャナでは，3.2節で

述べたように，X線の 2次元ファンビームを用いて供試

体のある部分を板状に切り出し，そのスライスをボクセ

ルに分割して各ボクセル毎の GL値を求めるのが標準的

- 8 -

図-7 高い解像度でデータを取得できる条件で計測した

SGMの断面

な計測方法である．しかしながら，この方法では，供試

体の複数断面のデータを取得する際に何度もX線の照射

を行う必要があり時間がかかり，また，供試体の鉛直断

面を簡単に観察することができない．当研究所に導入し

たマイクロフォーカス X線 CTスキャナには，これらの

問題を解決する手段として，X線を 3次元コーン状に照

射して供試体全体のデータを一括して取得してしまう計

測方法が用意されている．この方法によるデータ取得の

際の空間のボクセル分割のイメージを図-8に示す．

3次元コーンビームを利用して供試体のデータを一括

取得した場合は，そのデータを用いてパソコン上で供試

体の 3次元形状を簡単に再現することができ，また水平

方向のみならず様々な方向の任意断面を切り出してその

様子を観察することができる．

ただし，3次元コーンビームを利用した計測では，供試

体の上端部と下端部ではX線管やイメージ管との位置関

係が大きく異なることなどから，供試体の位置によって

データの取得条件が変わってしまうという問題がある．

3.2 節ですでに述べたとおり，X 線 CT スキャナでは，

データの取得条件が変化すると得られる X 線吸収量の

データとその位置における局所的な密度との関係が変化

し，直接的な計測結果の比較が困難になる．つまり，供試

体が均一な場合であっても，コーンビームを利用して一

括で取得した供試体の上端部と下端部のデータが同じ結

果となるとは限らないのである．この問題については，

3.5節で実際のデータ例を示し，対処方法を検討する．

コーンCTではデータを3次元的に一括して取得。後で任意の面を取り出すことが可能である。

図-8 コーンビーム利用の場合のボクセルのイメージ

(3) X線 CTスキャナ内部における三軸試験機の利用

当研究所に導入したマイクロフォーカス X 線 CT ス

キャナは，必要に応じてその内部に土質試験用の三軸試

験機を設置し，様々な応力・ひずみ等の条件下における

試料の内部の様子を観察できるように作られている．装

置内に設置する三軸試験機の概観を写真-2に示す．

この試験機は，サイズ・重量等の制限から比較的簡素

なものではあるが，通常実施される三軸試験の作業はす

べてX線 CTスキャナの内部で実施できるように工夫さ

れている．また，この三軸試験機に接続する圧力制御パ

ネルの管路は，供試体に拘束圧をかけた状態あるいは三

軸圧縮試験中に，供試体の透水試験を実施できるように

設計されている．

3.5 装置の能力確認のための試験

(1) コーンビームを利用する場合の GL 値のばらつき

の確認

3.4節ですでに述べたように，導入したマイクロフォー

カスX線 CTスキャナでは 3次元のコーンビーム状にX

線を照射し，供試体のデータを一括して取得することが

できる．その際，供試体の上下端でデータ取得条件が異

なることが，取得されるデータにどのような影響を与え

るかを調べるため，単一材料 (黒ゴム)で作製された円筒

形の供試体全体のデータをコーンビームを利用して一括

取得し，得られたデータについて検討を加えた．

試験では，黒ゴムの供試体を直接 X線 CTスキャナで

観察する場合と，三軸試験機の圧力セル内に設置して観

- 9 -

写真-2 マイクロフォーカス X線 CTスキャナ内に設置

する三軸試験機の概観

察する場合についてデータを収集し，得られた GL値の

供試体の高さ方向 (鉛直方向)の分布状況を調査した．そ

れぞれの場合のGL値の鉛直方向分布を図-9，10に示す．

図-9，10で示している GL値は，供試体のある高さに位

置するすべてのボクセルの GL 値を平均したもの (図-8

の左上図で，供試体の高さ方向に各段毎のボクセルの平

均 GL値を計算したもの)である．

図-9，10から，供試体を直接計測するか圧力セル内に

設置して計測するかによって得られる GL値の値が大き

く異なることがわかる．圧力セル内に設置した場合は，

直接供試体を観察する場合に比べて 5～10%程度 GL 値

が大きい．このように，X線 CTスキャナには，データ

取得条件によって得られる結果が異なるという特性があ

るため注意が必要である．

図-9，10いずれの場合においても，GL値は供試体高さ

方向に大きく変動している．しかしながら，使用した黒

ゴム供試体は単一材料で作製されたものであり，供試体

高さ方向の密度の不均一性はほとんど存在しない．従っ

て GL値の不均一性も生じないと考えられる．このこと

から，図-9，10に示されたような供試体高さ方向の GL

値の変動はX線 CTスキャナのデータ取得の際の誤差で

あると思われる．つまり，一括して取得されたデータの

中においても，供試体の上下端で生じるデータ取得の条

0

20

40

60

80

100

56000 57000 58000 59000

Hei

ght (

mm

)

Average GL Value

計測結果

近似曲線

図-9 黒ゴム供試体を直接観察した場合の平均 GL値の

高さ方向の分布

件の差違から，供試体全体について得られるデータの一

貫性が失われる場合がある．

以上のようなことから，データを一括取得した場合に

おいても，供試体高さ方向についてはデータの誤差に対

する注意が必要であると思われる．図-9，10では，計測

データとあわせて，データを 4次曲線で近似した曲線を

緑色で示している．今後の研究においてコーンビームに

よるデータ一括取得を行う場合には，このような近似曲

線によるデータの補正を行っていく必要があると考えら

れる．

(2) GL値と供試体密度の関係の確認

3.2，3.3節で述べたように，当研究所に導入したマイ

クロフォーカス X線 CTスキャナの出力値である GL値

とX線吸収量は比例関係にあり，またX線吸収量と供試

体の密度もデータ取得条件に依存するものの基本的には

比例関係を保っている．つまり，GL 値と供試体密度は

比例関係を保っていると考えて良い．このことを確認す

るため，種々の供試体を準備し，供試体全体の体積，質

量から求めた供試体の密度と，X線 CTスキャナで取得

した供試体内の各ボクセルの GL値を供試体全体で平均

した値との関係を調べた．対象とした試料は，黒ゴム・

セメント固化処理土・気泡の量を変化させることで質量

を調整した 3 種の SGM(気泡混合処理土) の供試体と空

気である．測定結果を図-11に示す．

いずれの供試体も均一な物質ではないが，図-11より，

供試体全体における平均的な密度と X 線 CT スキャナ

で計測された GL値が概ね比例関係を保っていることが

- 10 -

0

20

40

60

80

100

52000 53000 54000 55000

Hei

ght (

mm

)

Average GL Value

計測結果

近似曲線

図-10 黒ゴム供試体を圧力セル内に設置した場合の平

均 GL値の高さ方向の分布

確認できる．ただし，本来は各ボクセル毎の GL値とそ

のボクセルにおける局所的な密度が比例関係にあるとい

うこと，また GL値と密度の関係はデータの取得条件に

よって変化すること等に注意しておく必要がある．

(3) 密度の解像度の確認

マイクロフォーカス X線 CTスキャナによって，供試

体の密度の変化をどの程度まで検知できるのかを確認す

る目的で，塩化カルシウムの拡散過程の観察を行った．

まず，塩化カルシウムの飽和水溶液 (密度約 1.35g/cm3)

を作製し，これをビーカーに入れる．その上から蒸留水

を静かに注ぎ 24時間程度放置する．この間，適当な時間

間隔で X線 CTスキャナを用いてデータを取得し，ビー

カーの鉛直断面画像を作成した．塩化カルシウム水溶液

と蒸留水の二層の液体が入ったビーカーの様子を写真-3

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

GL

Val

ue

Density (g/cm )3

黒ゴム

空気

SGM 固化処理土

図-11 様々な供試体の密度と平均 GL値との関係

写真-3 塩化カルシウム水溶液の入ったビーカー

に示す．当然ながら，肉眼で普通に観察しただけでは，塩

化カルシウム水溶液と蒸留水の境界がどこにあるかを判

別することは容易ではない．

X線CTスキャナで取得したビーカーの鉛直断面のGL

値のデータに，256階調のグレースケールを割り合てて

画像化したものを図-12に示す．図-12では，GL値の大

きな部分 (つまり密度が大きい部分)を白く，GL値の小

さな部分を黒く表示するように調整している．

図-12aから，試験開始時にビーカーの下半分の塩化カ

ルシウム水溶液と上半分の蒸留水が 2層に分かれている

様子を比較的明瞭に見てとることができる．塩化カルシ

ウム水溶液と蒸留水程度の密度差があれば，マイクロフ

ォーカスX線 CTスキャナでその差を捉えることが容易

であることがわかる．図-12b，c と時間が経過するにつ

れ，2つの溶液の境界は不明瞭になっていき，塩化カル

シウムがビーカー上部の蒸留水へ拡散していく様子を観

察することができる．

X線 CTスキャナで取得されるデータは，あくまでも

X線吸収量に基づいて求められる GL値であるから，こ

れを画像化する際に割り合てるカラーチャートを変更す

ることにより，画像の特徴をより明確に表現することも

可能である．図-12 では得られた GL 値のデータに 256

階調のグレースケールを割り合てたが，これを図-13 に

示したように 3色のカラースケールに変更して得られた

画像を図-14に示す．

カラースケールの割り合て状況ならびに溶液の密度の

大小関係から簡単に推測すると，図-14 中のビーカーの

中で，赤い部分が塩化カルシウム飽和水溶液，青い部分が

蒸留水，緑色の部分が塩化カルシウムが拡散した濃度の

低い塩化カルシウム水溶液を表していると考えられる．

図-14では，当初ほぼ 2層に分かれていた溶液が，時間

- 11 -

a．経過時間：0時間 b．経過時間：6時間 c．経過時間：24時間

図-12 塩化カルシウム水溶液入りビーカーの鉛直断面画像の時間変化

a．経過時間：0時間 b．経過時間：6時間 c．経過時間：24時間

図-14 塩化カルシウム水溶液入りビーカーの鉛直断面の 3値化画像

- 12 -

図-13 3値化のためのカラーチャートの変更

の経過とともに混じり合っていく様子が図-12よりも鮮

明に現われている．

このように，X線 CTスキャナで取得したデータを基

にした画像は，カラーチャートを変更することでその特

徴を際立たせることが可能となる．どのようなカラーチ

ャートで画像を作成し，あるいはそれを加工するかは使

用者の裁量に委ねられており，適切な方法で画像を処理

してデータを読み解くことが求められる．逆に言えば，

作成方法によっては，X線 CTスキャナで取得したデー

タを適正に表示できず，誤解を招く恐れもあるというこ

とである．X線CTスキャナを活用して画像作成する側・

作成された画像を見る側の双方が，十分な注意を払って

画像を読み解くことが重要であると言える．

X線CTスキャナで取得した数値データを画像化せず，

直接使用して拡散現象を確認することも可能である．図-

12の画像の元データである各ボクセル毎のGL値のデー

タについて，あるGL値の幅 (ここでは 64とした)毎にそ

の範囲内の GL値を持つボクセルの数を数え，その結果

から GL 値の度数分布を作成したのが図-15 である．図

-15の作成にあたっては，ビーカーの中に相当するボク

セルだけを計数対象としており，図-12 で画像に含まれ

ているビーカー外の空気の部分などに相当するボクセル

は対象外としている．

図-15を見ると，当初 GL値の分布は 2つのピークを

持っており，それが経過時間を追うに従って 1つのピー

クを持つ形状へと変化していることが分かる．この図か

ら GL値と密度の関係を考えれば，GL値 37500付近が

蒸留水，GL値 38500から 39000付近が塩化カルシウム

飽和水溶液，GL値 38000付近が塩化カルシウムの拡散

が進んで最終的に出来上がった塩化カルシウム水溶液の

密度にそれぞれ相当していると考えられる．このような

GL 値の度数分布を見ることで，供試体の内部でどのよ

うな現象が進んでいるのかを推測する手掛りを見つける

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

35000 36000 37000 38000 39000 40000 41000

Num

ber o

f Vox

els

GL Value

Initial 6hrsafter

24hrsafter

図-15 ビーカー鉛直断面の GL値の度数分布の変化

ことも可能である．

4. 高炉水砕スラグの形状の観察

4.1 背景

近年，港湾工事におけるリサイクル材料の利用促進の

一環として，製銑の際に発生する副産物である高炉水砕

スラグの利用が進められている．高炉水砕スラグは軽量

で砂状の材料であることから，港湾工事においては裏込

材料等として利用されている．高炉水砕スラグはある条

件下で硬化する潜在自硬性を有するが，これがどのよう

な環境下で発揮され，またどの程度の強度を期待できる

のかなどについては，未知な部分も残されている．また，

水砕スラグには種々の化学物質が多く含まれていること

から，その長期に渡る安定性，安全性など化学的特性に

ついても多くの調査を必要とする．

地盤・構造部基礎工研究室では，そのような観点から，

高炉水砕スラグが硬化し強度を発揮する条件やその強度

特性などの研究を進めている．その研究の一環として，

マイクロフォーカスX線 CTスキャナの顕微鏡的な機能

を活用し，高炉水砕スラグの粒子形状の観察を行った．

4.2 観察結果

写真-4に高炉水砕スラグの外観を示す．写真-4から分

かるように，高炉水砕スラグは比較的粗い粒状の材料で，

金平糖のようなとげのある角張った形状をしている．こ

れを，マイクロフォーカス X線 CTスキャナで観察する

と，図-16 のようである．図-16 は X 線吸収量が大きい

部分が白く，小さい部分が黒くなるように図化したもの

である．

図-16を見ると，高炉水砕スラグの粒子の中に黒い班

点状のものがとらえられている．この黒い班点は，粒子

- 13 -

写真-4 高炉水砕スラグ

中の空隙であると考えられる．高炉水砕スラグはこのよ

うに多くの空隙が含まれた材料であり，これが材料の軽

量性に寄与していることがわかる．

5. 気泡混合処理土の透水現象の観察

5.1 背景

港湾工事においては，浚渫土砂等にセメント及び気泡

を混合して作製された SGM (気泡混合固化処理土)がし

ばしば用いられている．その挙動についてはすでに多く

の研究が実施されており，セメントを添加することによ

る強度増加，気泡を混合することによって得られる軽量

性等が実務で有用であることが確認されている．しかし

ながら，SGMの長期耐久性についてはまだ不明な部分も

あり，特に水際域で使われた際の気泡への水の浸入，表

面の乾燥等による特性の変化・劣化などについての研究

が必要と考えられる．

このようなことから，基礎工研究室において SGMの

長期的な透水・浸水，乾湿繰返しによる材料性能の変化等

について研究を行っている．ここでは，その一環として

実施した，マイクロフォーカス X線 CTスキャナによる

SGM の透水現象の観察結果について紹介する．尚，本

実験の詳細については永留・菊池 (2005)，Kikuchi et al.

(2006)を参照されたい．

5.2 実験条件

透水試験はマイクロフォーカスX線 CTスキャナ内に

設置できる三軸試験機を用いて行った．使用した供試体

は，東京湾の浚渫土砂に目標密度を 0.8g/cm3として気泡

及びセメントを混合したものである．使用したセメント

は高炉スラグセメント B種，気泡は界面活性剤系の起泡

図-16 X線 CTスキャナで観察した高炉水砕スラグ

剤により作製したものである．混合後，モールドに流し

込み，表面をラップで密封して，温度 20◦C，湿度 95%の

環境下で約 5ヶ月間養生した．供試体は直径 5cm，高さ

10cmの円筒形で，出来上がりの供試体密度は 0.816g/cm3

であった．

供試体を三軸試験機にセットし，拘束圧を 50kPa と

して 3 日間圧密した後，透水試験を実施した．透水試

験時には，供試体上部は大気圧とし，供試体下部から水

を約 20kPa の圧力で通水させ，通水量が 60cm3 となる

まで試験を続けた．試験結果から得られた供試体の透

水係数は 3.47×10−6cm/sec，透水試験後の供試体密度は

0.894g/cm3であった．また，60cm3の通水が完了するま

で約 360分を要した (マイクロフォーカスX線CTスキャ

ナによるデータ取得のため通水を中断した時間を除く)．

5.3 観察結果

図-17にマイクロフォーカス X線 CTスキャナで観察

した供試体の鉛直断面の様子を示す．図-17では，GL値

が大きい部分が白く，小さい部分が黒くなるように画像

を作成している．供試体内に水が浸入することで，供試

体の間隙が水で満たされ密度が大きく，従って GL値も

大きくなる．つまり，透水試験中の画像図-17b，c にお

いて，透水試験前の図-17aと比較して色が白くなった部

分が水が浸入してきた部分であると考えられる．

図-17 より，供試体下部より水の浸入が進み，試験開

始 300分後には供試全体に浸入が及んでいることが確認

できる．また，試験開始 3分後の図-17bより，水の浸入

が必ずしも水平方向に均一に進むのではなく，供試体の

位置によって浸入速度が異なること，しかしながら供試

- 14 -

a．試験前 b．試験開始から 3分後 c．試験開始から 300分後

図-17 透水試験中における SGM供試体の鉛直断面の変化

体の特定の位置に水みちが生じるような現象は見られな

いことなどがわかる．

続いて，図-18 に，透水試験中にマイクロフォーカス

X線 CTスキャナで観察した供試体の中心部分の水平断

面の様子を示す．図-17と同様，試験開始 300分後の図

-18bの中で，透水試験前の図-18aと比較して白く変化し

ている部分が水の浸入した部分であると考えられる．

図-18a，bを比較すると，全体的には概ね色が白くなっ

ており，供試体に水が浸入した様子がわかる．しかしな

がら，供試体の外側部分での色の変化が少なく，水の浸入

があまり進んでいないようにも見受けられる．図-18a，b

の間の色の変化をより明確にするため，両図の間で特に

色の変化 (白色化) が進んだ部分を画像処理により抽出

し，マゼンタで着色したのが図-18cである．図-18cから

も，供試体全体に水が浸入していること，しかしながら

供試体の外側部分への浸水は他の部分と比較するとやや

少ないことなどが読み取れる．

第 3. 章で述べたように X 線 CT スキャナではボクセ

ル毎のX線吸収量がGL値という数値データで取得され

るため，そのデータを用いて供試体への水の浸入状況を

数値的に表すことも可能である．図-19に図-18a，bの画

像の原データであるボクセル毎の GL値の度数分布 (GL

値を幅 64 の階級に分け，各階級に含まれるボクセル数

を計数して求めた)を示す．図-18a，bに含まれるボクセ

ルは縦方向，横方向ともに 512個並んでおり，ボクセル

総数は 262,144 個である．図-19ではそのうち供試体部

分のボクセル数のみをカウントしており，供試体周囲の

0

1000

2000

3000

4000

5000

35000 37500 40000 42500 45000 47500 50000

Num

ber o

f Vox

els

GL Value

試験開始前 試験開始300分後

図-19 透水試験前と試験開始 300 分後の供試体水平断

面の GL値の度数分布

空気等の部分に属するボクセルはデータから除外してい

る．図-19 を見れば，透水試験前に比べて透水試験開始

300分後には GL値の大きいボクセルが増えていること

が明らかである．

SGM の透水試験においては，マイクロフォーカス X

線CTスキャナの高い解像度を活かし，SGMに含まれる

気泡の内部にどのように水が浸入するかについても観察

を行った．図-20，21に透水試験開始前と透水試験開始

300分後に X線 CTスキャナを使用して観察した SGM

供試体の中心付近の水平断面の拡大図を示す．

図-20，21中の黄色い枠で囲んだ比較的大きい気泡に

着目すると，透水試験開始 300分後には気泡の一部に水

が入っているものの，空気もまだ一部残っている様子が

- 15 -

a．試験前 b．試験開始から 300分後 c．差が大きい部分に着色

図-18 透水試験前後における SGM供試体の水平断面の変化

図-20 透水試験前の SGMの水平断面の拡大図

図-21 透水試験開始 300 分後の SGM の水平断面の拡

大図

鮮明にとらえられている．また，他の気泡についても，水

が浸入しているものと浸入していないものの両方が存在

することがわかる．このような現象はマイクロフォーカ

ス X線 CTスキャナ無しでは観察し得ないものであり，

貴重なデータである．

6. ゴムチップ混合固化処理土の破壊現象の観察

6.1 背景

廃棄物の海面処分場の建設等においては，護岸部分等

に遮水性を持った構造形式を採用する必要がある．その

ため，矢板護岸等の継手部分や裏込めの一部などに遮水

性を持った材料を使用することになる．遮水構造は護岸

が変形した場合などにおいてもその機能を維持する必

要があることから，使用する遮水材も変形に対する追従

性が豊かな材料であることが望ましい．基礎工研究室で

は，そのような遮水材の一つとして使用することが期待

されているゴムチップ混合固化処理土に関する研究を実

施している．

ゴムチップ混合固化処理土は，浚渫土砂にセメントと

ゴムチップ (平均粒径 2mm)を混合し固化したセメント

固化処理土の一種である．浚渫土砂にセメントのみを添

加して作製した通常の固化処理土は，脆性的な挙動を示

しクラックが生じやすいため，遮水材としての利用には

問題がある．ゴムチップ混合固化処理土では，これにゴ

ムチップを加えることで変形に対する追従性を改善して

いる．また，ゴムチップは廃タイヤから産出されるリサ

イクル材料であるため，ゴムチップ混合固合処理土は環

境にやさしい材料であるとも言える．

本稿では，ゴムチップ混合固化処理土の一軸圧縮試験

を実施した際のクラックの発生状況をマイクロフォーカ

- 16 -

図-22 一軸圧縮試験で破壊した後のゴムチップ混合固

化処理土供試体の三次元画像

ス X 線 CT スキャナで観察した結果を紹介する．ゴム

チップを混合することによる変形追従性の改善効果等に

ついては，本稿の対象外であるためここでは述べない．

実験結果の詳細な検討結果については，菊池ら (2005)，

Kikuchi et al. (2005)を参照されたい．

6.2 観察結果

図-22に一軸圧縮試験による破壊後のゴムチップ混合

固化処理土供試体を，マイクロフォーカスX線CTスキャ

ナで取得したデータを基にパソコン上で三次元画像化し

たもの，及びその鉛直断面画像を示す．図-22 より，破

壊後には，ゴムチップ混合固化処理土供試体の表面なら

びに内部に多くのクラックが入っている様子が観察され

る．これらのクラックの幅は比較的狭く，また鋸状のギ

ザギザした形状をしていることが分かる．参考のため，

図-23にゴムチップの入っていないセメント固化処理土

の供試体の一軸圧縮試験後の様子を示す．図-22，23を比

較すると，ゴムチップを混合することで供試体に発生す

るクラックの幅・形状が全く異なることが明らかである．

図-24に一軸圧縮試験前及びピーク強度発現後のゴム

チップ混合固化処理土の水平断面を示す．図-24 に示し

たのは供試体中央部の水平断面をX線 CTスキャナで観

察したものである．図-24 にはピーク強度発現後の供試

体水平断面の拡大図もあわせて示している。

各材料の密度の大小関係から，図-24aの試験前の水平

断面において，供試体中に黒点として表われているのは

供試体作製中に混入した気泡，グレーのやや濃い部分は

ゴムチップ，薄いグレーの部分は母材である浚渫土砂と

セメントの混合した部分，白色の部分は母材に含まれて

いた貝殻やセメントが団粒化して固まってしまった部分

等であると考えられる．図-24bを見ると，ゴムチップ混

図-23 一軸圧縮試験で破壊した後の通常のセメント固

化処理土供試体の三次元画像

合固化処理土に発生するクラックが直線状ではなく鋸状

であることがより明確に確認できる．また，図-24cの拡

大図を見ると，非常に細かなクラックが網目状に発生し

ていることがわかる．

ゴムチップとセメント固処理土のように挙動が大きく

異なる材料の複合材料では，その間の境界面が弱面にな

ることが心配されるが，図-24cからはそのような現象は

確認できず，ゴムチップとセメント固化処理土の接合面

は良好な状態に保たれているようである．

7. 三軸試験における砂供試体の局所的な密度変化

の観察

ここまでは自然材料に手を加えた人工的な地盤材料の

観察結果を中心に紹介してきたが，マイクロフォーカス

X線 CTスキャナでは自然材料そのものである砂や粘土

の挙動を観察することも可能である．例として，相馬硅

砂 (4号)の三軸圧縮試験前後における供試体の水平断面

の変化を観察した結果を示す．

実施したのは，通常の圧密排水試験で、初期の供試体

密度は 1.457g/cm3，有効拘束圧 150kPaという条件であ

る．X線 CT装置による密度変化の観察を容易にするた

め，軸ひずみ 20%までせん断を行った．図-5に試験終了

時の供試体の様子を示す．

図-25，26に三軸圧縮試験前後に X線 CTスキャナで

計測した砂の供試体の水平断面画像を示す．図-25，26

を比較すると，図-26 ではあきらかに図中左下に砂が緩

んでいる領域を確認できる．この領域は，三軸圧縮試験

によってせん断帯が発達した領域と一致している．この

ように，マイクロフォーカス X線 CTスキャナを使用す

ることで，今まで数多く実施されてきた研究・実験にお

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a．試験前 b．ピーク強度後 c．ピーク強度後の拡大図

図-24 一軸圧縮試験中におけるゴムチップ混合固化処理土の水平断面の変化

写真-5 三軸圧縮試験後の砂供試体の様子

いても従来観察できなかった供試体内部の挙動を観察で

きることができるようになる．

8. 地盤内の微生物挙動の可視化に関する基礎研究

8.1 背景

近年，トリクロロエチレンやダイオキシン類などの有

機化合物に汚染された土壌・地下水に対し，土壌内に生

息している分解微生物の働きを活性化させることで有害

物質の減衰を促進する ENA (Enhanced Natural Attenu-

ation)技術が安価な処理方法として注目されている．す

でに微生物の活性化を目的とした地盤注入用の薬剤も開

発，市販されており，今後もこの技術の適用件数が増加

することが見込まれる．

現状では，ENA技術を適用する際には，事前に水文地

質学的検討ならびに原位置でのパイロットテストを行っ

て，その効果を検証し，適用方法・仕様の検討が行われ

るのが一般的である．今後，ENA技術をさらに効果的に

図-25 三軸圧縮試験前の砂供試体の水平断面

図-26 三軸圧縮試験後の砂供試体の水平断面

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写真-6 微生物挙動観察用の試験機

使用していくためには，地下に存在する汚染物質や分解

微生物の挙動の予測精度の向上が求められる．

以上のようなことから，マイクロフォーカス X線 CT

スキャナを使用することにより，実験用のカラム内の土

壌中における微生物挙動の可視化することを試みた．こ

の試験の結果について簡単に説明する．

8.2 試験方法及び結果の検討方法

使用した試験機を写真-6 に示す．写真-6 下部にある

アクリル製の圧力セル内に直径 5cm，高さ 8cm の豊浦

砂供試体がセットされている．この圧力セルはマイクロ

フォーカスX線 CTスキャナ内に設置できるよう設計さ

れている．

実験では，供試体に 30kPaの拘束圧をかけた状態で，

供試体下部から浸透液を動水勾配 1/2で通水させた．浸

透液には微生物 (大腸菌DH5α)混濁液を使用した．通水

量の管理は累積間隙体積 PVを用いて行った．累積間隙

体積 PVとは，浸透液の通水体積 VW と供試体の初期間

隙体積 VV0 の比であり，PV=VW / VV0 として計算され

る．供試体への通水量が PV=0 (試験前)，1，2，3，4，5

となった時点で通水を一旦停止し，X線 CTスキャナを

使用した供試体の観察を行った．

本実験では，3次元コーンビームを利用して供試体中

央の厚さ約 30mmのスライスについてデータを取得し，

50

50

3030

80

(unit: mm)

図-27 データ解析に使用する供試体鉛直断面の取得

そのスライスの鉛直断面を取得したデータから抽出して

画像解析を行うこととした．画像の取得手順を図-27に，

取得した画像の例を図-28に示す．

得られた供試体の鉛直断面のデータを基に，微生物の

浸透に伴う土粒子の構造の変化及び土壌空隙が微生物で

充填されることによる密度増加を求めることを試みた．

ここでは，土粒子の構造の変化に対しては粒子画像流速

測定法 (PIV)，土壌間隙の密度変化に対しては密度変化追

跡法を用いて解析を行い，それぞれの適用性について検

討した．これらの解析手法はいずれも画像解析手法の一

種である．従って，X線 CTスキャナで得られる原デー

タ (GL値の数値データ)を直接取り扱うのではなく，そ

れを画像化して得られた画像データを基に解析すること

とした．以下にそれぞれの解析方法について簡単に説明

する．

(1) 粒子画像流速測定法 (PIV)

PIVは粒子が映っている接続画像 (時刻 t，t+∆t)から

その移動情報を抽出する解析手法である．PIVの考え方

を図-29aに示す．この手法は，時刻 tの画像の中から任

意のブロックを切り出し，このブロックが時刻 t+∆t の

画像の中でどこにあるかを探し出して，その移動量から

ブロックの移動速度ベクトルを読み取るものである．ブ

ロックを時刻 t+∆tの画像の中から探す際には，画像全体

の中からブロックを探し出すのではなく，切り出したブ

ロックの移動量について適切な限界値を定めることでブ

ロックを探す範囲を限定するのが一般的である．また，

時刻 t+∆t の画像の中からブロックを探し出す方法とし

ては，時刻 t+∆tの画像を同様なブロックに分割し，その

中から捜査対象のブロックと相似性の高いブロックを探

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図-28 データ解析に使用する供試体鉛直断面の例

し出す方法が取られる．その際，相似性の高い画像を探

索するアルゴリズムは各種提案されており，目的に応じ

て最適な手法を選択する必要がある．

(2) 密度変化追跡法

先に述べた PIV では，連続画像における空間相似性

が高いことが重要である．従って，ある標点が移動して

いくような現象を対象とする場合には有力な手法である

が，土壌の空隙が微生物で充填されることによる密度増

加を PIVにより解析することは困難である．そこで，こ

のような密度増加を調査するための新たな画像解析手法

として，密度変化追跡法を開発した．密度変化追跡法の

考え方を図-29bに示す．この手法は，時刻 t及び t+∆の画

像の同じ位置からブロックを切り出し，それぞれブロッ

クにおける輝度分布の平均値の変化量がその位置におけ

る密度変化に相当するとする手法である．今回の解析で

は，切り出すブロックの大きさとしては，土粒子の移動

に伴う顕著な密度変化が見られない程度とした．

尚，本実験においては，供試体のいずれの位置にあって

も密度は増加していく傾向があることを確認している．

解析結果においては，密度の増加量の大小をコンター図

で表すこととする．

8.3 試験結果の検討

解析結果を図-30に示す．図-30に示した解析結果は，

PV のある段階とその次の段階の間における粒子移動や

密度変化を表しており，初期からの変化を示しているも

のではないことに注意が必要である．

まず図-30の左列，PIVによる解析に結果を見ると，微

図-29 画像解析の考え方

生物混濁液の浸透を開始した直後の PV=0～1 で土壌粒

子の浸透方向 (供試体下部から上方)への移動が認められ

る．その後，PV=2～4にかけて，土粒子が渦を巻くよう

に移動する様子が見られた．これは，供試体内に気泡が

混入したためと考えられる．先に示した図-28 は PV=2

時点の画像であるが，供試体左側に気泡が混入している

様子がとらえられている．その後，PV=4～5にかけて土

粒子の移動量は減少し，定常状態に向かう傾向が見られ

る．このように，供試体に拘束圧がかかった状態であっ

ても，微生物混濁液の浸透や気泡の混入に伴い，供試体

内の土粒子が移動することが確認できた．

次に図-30の右列，密度変化追跡法による解析結果に

着目する．図-30 では密度増加の大きい部分を白く表示

している．通水のいずれの段階においても，密度増加量

が大きい部分が存在する．特に PV=2～4にかけて，気泡

の混入に伴って土粒子が渦を巻いている領域のそばで特

に顕著な密度増加が認められた．このような部分では，

流れの「よどみ」が生じ，それが微生物のトラップに大

きな影響を与えたのではないかと考えられる．

今後は土壌種，動水勾配及び微生物種を変更するなど

して，より詳細な挙動解明に取り組む予定である．

9. おわりに

マイクロフォーカスX線 CTスキャナは地盤材料の挙

動・特性の解明に非常に有効な装置である．これまでの

調査で，(1)地盤材料の微視的な形状等の観察，(2)地盤

材料の破壊過程などにおける材料内部の挙動の解明，(3)

材料内の物質の移動状況の解明などに力を発揮すること

が確認されている．また，X線 CTスキャナに特有の問

題点を含め，実験で有効に使用するためのノウハウにつ

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図-30 画像解析の結果

いて多くの情報が得られてきている．今後は，これまで

の成果を生かし，マイクロフォーカス X線 CTスキャナ

を最大限活用して地盤材料の内部の状況に関するデータ

を収集し，それを力学的パラメータ等と結びつけていく

ことで，地盤材料の開発，挙動予測の精度向上などに努

めていきたい考えである．

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