吸引力発生装置および真空圧密地盤改良工法
【課題】空気が大量に混入する水を排水する条件においても、サイフォン機能を維持し発揮させることができる吸引力発生装置および真空圧密地盤改良工法を提供する。
【解決手段】この吸引力発生装置１０は、上部から下部に向けて延びる第１の管１１と、第１の管と上部で接続する第２の管１２，１３と、を有し、第１の管の下端側と、第２の管との間の水位差により、第２の管から第１の管の下端に向けてサイフォン機能により吸引力が作用し、第２の管の経路内に、第２の管の先端から吸引される水の流入口３２と第１の管の上部へと流出する水の流出口３３とを有し揚水ポンプを収容した気密室３１を配置し、流出口を流入口よりも鉛直方向の高い位置に設け、揚水ポンプの吸引口３５の鉛直方向における位置を流出口と流入口との間に定め、流入口から気密室内に流入した水と空気の一部を揚水ポンプにより外部へ排出する。
【解決手段】この吸引力発生装置１０は、上部から下部に向けて延びる第１の管１１と、第１の管と上部で接続する第２の管１２，１３と、を有し、第１の管の下端側と、第２の管との間の水位差により、第２の管から第１の管の下端に向けてサイフォン機能により吸引力が作用し、第２の管の経路内に、第２の管の先端から吸引される水の流入口３２と第１の管の上部へと流出する水の流出口３３とを有し揚水ポンプを収容した気密室３１を配置し、流出口を流入口よりも鉛直方向の高い位置に設け、揚水ポンプの吸引口３５の鉛直方向における位置を流出口と流入口との間に定め、流入口から気密室内に流入した水と空気の一部を揚水ポンプにより外部へ排出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイフォン機能を用いた吸引力発生装置およびこの吸引力発生装置を用いた真空圧密地盤改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸引力を発生させて、水を吸引・排水する装置として、真空ポンプを用いた吸引装置が知られている。従来の技術では、例えば、軟弱地盤内に鉛直ドレーンを打設後、真空ポンプによる吸引装置を用いて、負圧を作用させて地盤内を減圧することによって、地盤の圧密を促進する方法が用いられている（例えば、特許文献１〜３）。また、減圧室に鉛直管を挿入し、鉛直管内で気液2相流を形成させてサイフォン機能を発揮させる吸引装置として特許文献４，５がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2000-328550号公報
【特許文献２】特開2001-226951号公報
【特許文献３】特開2002-138456号公報
【特許文献４】特開2010-090696号公報
【特許文献５】特開2011-127378号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サイフォンによる吸引力発生装置を用いた地盤改良工法において、ドレーン材が接続するヘッダーパイプや集水管からの気密漏れがある場合や改良対象地盤が不飽和地盤である場合は、水に空気が混入して、空気の混入量が多くなる。このような施工条件の下では、サイフォン機能が切れやすく不安定になる。このため、真空圧密地盤改良において所定の吸引力を得ることができないおそれが生じてしまう。
【０００５】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、空気が大量に混入する水を排水する条件においても、サイフォン機能を維持し発揮させることができる吸引力発生装置および真空圧密地盤改良工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本実施形態による吸引力発生装置は、上部から下部に向けて延びる第１の管と、前記第１の管と前記上部で接続する第２の管と、を有し、前記第１の管の下端側と、前記第２の管との間の水位差により、前記第２の管の先端から前記第１の管の下端に向けてサイフォン機能により吸引力が作用する吸引力発生装置であって、前記第２の管の経路内に、前記第２の管の先端から吸引される水の流入口と前記第１の管の上部へと流出する水の流出口とを有し揚水ポンプを収容した気密室を配置し、前記流出口を前記流入口よりも鉛直方向の高い位置に設け、前記揚水ポンプの吸引口の鉛直方向における位置を前記流出口と前記流入口との間に定め、前記流入口から前記気密室内に流入した水と空気の一部を前記揚水ポンプにより外部へ排出することを特徴とする。
【０００７】
この吸引力発生装置によれば、第１の管の上流側に配置した気密室において第２の管の先端側から流入する水に空気が含まれていても、流入口、揚水ポンプの吸引口、流出口の順で鉛直方向高さ位置が高いので、空気は流入口から気泡となって上昇し、気密室内の揚水ポンプが気泡混合水として空気を排出する結果、流出口から先の第１の管へは空気の混入量が少ない水が送られるので、サイフォンが安定的に機能することができる。
【０００８】
上記吸引力発生装置において前記気密室内における前記揚水ポンプの作動により前記第２の管の先端から吸引する吸引圧力を高めることで、より大きな吸引力を発生させることができる。
【０００９】
前記揚水ポンプとしてサンドポンプを用いることが好ましい。気密室から空気を水と一緒に効率良く排出できる。
【００１０】
前記揚水ポンプの吸引口を前記流入口が設けられた前記気密室の側壁の近くに設置することが好ましい。これにより、流入した水に含まれている空気を流出口の方に向かわせないようにできる。
【００１１】
前記第１の管の少なくとも下端側を収容し内部が減圧可能な減圧室を備えることで、減圧室による吸引力にサイフォン機能による吸引力が加わるので、より大きな吸引力を得ることができる。
【００１２】
上記目的達成のための本実施形態による真空圧密地盤改良工法は、上述の吸引力発生装置を用いて地盤改良対象である軟弱地盤において真空圧密による地盤改良工法を行うことを特徴とする。
【００１３】
この真空圧密地盤改良工法によれば、上述の吸引力発生装置によるサイフォン機能の吸引力を利用することで地盤改良における真空圧密を促進させることができ、盛土による載荷の縮小や省略を図ることができるため、使用資材・機材の節減や作業工期の短縮を実現できる。
【００１４】
また、本実施形態によるもう１つの真空圧密地盤改良工法は、上記減圧室を設けた吸引力発生装置を用いて地盤改良対象である軟弱地盤において真空圧密による地盤改良工法を行う真空圧密地盤改良工法であって、前記第２の管が鉛直方向の高い位置にあり、前記軟弱地盤の地下水位面と前記第２の管との間に高低差がある場合、前記地盤改良対象である軟弱地盤に打設されたドレーン材と前記減圧室との間に位置する前記気密室を前記軟弱地盤側に配置することを特徴とする。
【００１５】
この真空圧密地盤改良工法によれば、軟弱地盤の地下水位面と第２の管との間に高低差があるため圧力損失（ヘッドロス）が生じる場合でも、気密室を軟弱地盤側に配置し、気密室による作用負圧を利用することにより吸引エネルギーの損失を抑制することができる。また、減圧室による吸引力とサイフォン機能の吸引力との併用によって従来の真空圧密工法に比べて吸引力が増加し、かつ、吸引力を効率よく加えることができるため、軟弱地盤が所定の強度に達するまでに要する地盤改良期間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の吸引力発生装置によれば、空気が大量に混入する水を排水する条件においても、サイフォン機能を維持し発揮させることができる。
【００１７】
本発明の真空圧密地盤改良工法によれば、地盤改良における真空圧密を促進させ盛土による載荷の縮小や省略及び地盤改良期間の短縮を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態による吸引力発生装置を概略的に示す図である。
【図２】図１の吸引力発生装置の気密室の機能を説明するための概念図である。
【図３】本実施形態における真空圧密による地盤改良工法を説明するための概略図である。
【図４】本実施形態における真空圧密による地盤改良工法の陸上施工時等において高低差による圧力損失がある場合の対策を説明するための概略図である。
【図５】図４において排水経路の各位置における作用負圧を示すグラフである。
【図６】図５との比較のために気密室を減圧室側に配置した場合の排水経路の各位置における作用負圧を示すグラフである。
【図７】本実施形態における真空圧密による地盤改良工法の海上施工時等において高低差による圧力損失がある場合の対策を説明するための概略図である。
【図８】本実験例の実験１で用いた実験装置の概要図である。
【図９】実験１（空気混入量：0L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１０】実験１（空気混入量：5L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１１】実験１（空気混入量：15L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１２】比較例１（空気混入量：0L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１３】比較例１（空気混入量：5L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１４】本実験例の実験２で用いた実験装置の概要図である。
【図１５】実験２の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１６】比較例２の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１７】実験３（空気混入量：0L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１８】実験３（空気混入量：5L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１９】実験３（空気混入量：15L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態による吸引力発生装置を概略的に示す図である。図２は図１の吸引力発生装置の気密室の機能を説明するための概念図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の吸引力発生装置１０は、上部から下部に向けて鉛直方向に延びる第１の管である鉛直管１１と、鉛直管１１の上部で水平方向に延びる第２の管である水平管１２と、鉛直管１１が収容され内部が減圧される減圧室２１と、鉛直管１１の上流側で水平管１２と水平管１３との間に配置される気密室３１と、を備える。水平管１３，１２を通して鉛直管１１の下端１１ａ側に向けて排水経路が形成される。鉛直管１１及び水平管１２は金属製またはプラスチック製の円筒管からなる。
【００２１】
気密室３１は、内部が密閉された気密構造とされ、水平管１３から水が流入する流入口３２と、水平管１２へと水が流出する流出口３３と、を備え、内部に揚水ポンプ３４を収容している。揚水ポンプ３４は排水管３６を通して気密室３１内の水、空気を外部に排出する。
【００２２】
図１，図２のように、気密室３１において流出口３３は流入口３２よりも鉛直方向の高い位置に設けるとともに、揚水ポンプ３４の設置高さとして、揚水ポンプ３４の吸引口３５を流入口３２と流出口３３との間に定める。
【００２３】
すなわち、図１，図２のように、水平管１３の先端１３ａの水位面Ｈ２を基準に、流出口３３の高さをｈ１，流入口３２の高さをｈ２，揚水ポンプ３４の吸引口３５の高さをｈ３とすると、次の関係を満足させるようにする。
ｈ１＞ｈ３＞ｈ２
【００２４】
また、揚水ポンプ３４は、流入口３２を設けた気密室３１の側壁３１ａの近くに設置することが望ましい。これにより、流入した水に含まれる空気が流出口３３側に直接に向かわずに、気泡として気密室３１の上部へと逃げ、揚水ポンプ３４の吸引口３５へ空気を効率よく導くことができる。
【００２５】
また、減圧室２１は、内部が密閉され、排水ポンプ２２が内部の水を、排水管２３を通して外部に排出し、真空ポンプ２４が内部の空気を、排気管２５を通して排出し減圧する。減圧室２１は、その排水面の水位Ｈ１が水平管１３の先端１３ａの水位面Ｈ２よりも低くなるように設置される。
【００２６】
図１において、水平管１３の先端１３ａから水が気密室３１，水平管１２，鉛直管１１を通して鉛直管１１の下端１１ａから流れ出すとき、水位差ΔＨ（Ｈ２−Ｈ１）に起因にするサイフォン機能により吸引力が水平管１３の先端１３ａから鉛直管１１の下端１１ａに向けて発生する。なお、水位面Ｈ１が下端１１ａよりも低いときは、ΔＨ＝Ｈ２−Ｈ１’、となる。ただし、Ｈ１’は鉛直管１１の下端１１ａの高さである。
【００２７】
このとき、図１，図２の矢印方向ａのように水平管１３の先端１３ａから吸引されて流入口３２から気密室３１へ流入する水には、水平管１３に至るまでの途中の継ぎ目などでの気密漏れや不飽和地盤などのために空気が混入し、空気の混入量が多くなり、矢印方向ｂのように空気も気密室３１へ流入する。これらの水と空気は、気密室３１内の揚水ポンプ３４によって矢印方向ｃ（水）、矢印方向ｄ（空気）のように気液混合状態で外部へと排出される。その結果、空気の混入量が少ない水が流出口３３から水平管１２へと排出される。水平管１２を通って矢印方向ｅ（水）、矢印方向ｆ（空気）のように水と空気が連続的に排出されている平衡状態においては、図２のように、水位Ｈ３は水平管１２内に存在する。すなわち、平衡状態における気密室３１内の水位Ｈ３は、流出口３３の下端から上端の間に位置すると考えられる。
【００２８】
上述のように、気密室３１内において、鉛直方向高さ位置が流入口３２，揚水ポンプ３４の吸引口３５，流出口３３の順で高くなるように設定することで、空気の混入した水が流入口３２から気密室３１内に流入してきたとき、空気は流入口３２から気泡となって上昇し、気密室３１内の揚水ポンプ３４が気泡混合水として空気を排出する。その結果、水平管１２，鉛直管１１へは空気の混入量が少ない水が送られるので、サイフォンが安定的に機能する。
【００２９】
また、減圧室２１の内部が真空ポンプ２４の作動により減圧され負圧となることで、吸引力が発生し、水平管１２の先端１２ａから鉛直管１１の下端１１ａに向けて発生する吸引力は、上述のサイフォン機能による吸引力に減圧室２１による吸引力が加えられたものになる。
【００３０】
また、気密室３１内の揚水ポンプ３４として、次の理由からサンドポンプを使用することが望ましい。
【００３１】
(1)揚水ポンプには水と一緒に空気を排出する効果を期待しているため、通常の水中ポンプよりも攪拌羽根が大きく枚数が少ない構造を有するサンドポンプは、空気による閉塞を起こさないため、空気を水と一緒に効率良く排出できる。
【００３２】
(2)排水経路内は、減圧室２１の減圧（負圧）作用が加わると、-80kPa以下の高負圧になるため、揚程10m以上のサンドポンプの使用が適している。
【００３３】
以上のように、本実施形態の吸引力発生装置１０によれば、気密室３１は、その内部に揚水ポンプ３４を設置し、気水分離機能を発揮し、不要な空気を水と一緒に排出させるため、流出口３３から鉛直管１１への空気流出が少なくなり、安定してサイフォンが機能することができる。
【００３４】
また、気密室３１における揚水ポンプ３４の作動により、さらなる負圧が水平管１３に付加され、排水経路の途中に高低差（ヘッドロス）がある条件でも、吸引エネルギー（たとえば、地盤中の間隙水を吸引する力）の損失を抑制することができる。
【００３５】
次に、図１の吸引力発生装置１０を軟弱地盤における真空圧密による地盤改良工法に適用した例について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態における真空圧密による地盤改良工法を説明するための概略図である。
【００３６】
図３のように、地盤改良対象の軟弱地盤Ｇに対し複数のドレーン材４１を地盤面Ｓから打設する。各ドレーン材４１は、不透気部４２を介して集水管４３に接続されている。不透気部４２は軟弱地盤Ｇの地下水位面Ｈ２に対応した位置に配置される。集水管４３の先端４３ａは、図１の吸引力発生装置１０の水平管１３に接続部４４で接続される。次の手順で地盤改良工法を実行する。
【００３７】
(1)図１のように、真空ポンプ２４が接続され、排水設備（排水ポンプ２２、排水管２３、サイフォンを機能させる鉛直管１１）を収納しユニット化した鋼管を減圧室２１とし地盤中に貫入し、その際、減圧室２１の内部を密閉する。
【００３８】
(2)図３のように改良対象の軟弱地盤Ｇに打設されたドレーン材４１につないだ集水管４３を、接続部４４で水平管１３と接続し、図１の揚水ポンプ３４を収容し密閉した気密室３１の流入口３２に接続する。気密室３１の流出口３３を、水平管１２を介してユニット化した減圧室２１の鉛直管１１の上部流入口に接続する。減圧室２１の排水ポンプ２２は、排水管２３に接続する。
【００３９】
(3)真空ポンプ２４の作動により減圧室２１内の圧力を減じ、軟弱地盤Ｇからの水が気密室３１内に流入し、その水位Ｈ３が揚水ポンプ３４の吸引口３５の高さを満たした後に、揚水ポンプ３４を起動する。気密室３１内からの排水は、排水管を用いて改良対象の軟弱地盤の地表面Ｓや別途設けた排水タンクに戻す。
【００４０】
以上のような本実施形態における真空圧密による地盤改良工法によれば、減圧室２１の真空ポンプの吸引力とサイフォン機能による吸引力とを併用し、改良対象の軟弱地盤中の間隙水を吸引・排水し、地盤改良を行うことができ、空気が大量に混入する水を排水する条件においても、サイフォン機能を安定して発揮させることができる。
【００４１】
すなわち、地盤改良対象の軟弱地盤Ｇに打設されたドレーン材４１には、減圧室２１による吸引力と鉛直管１１におけるサイフォン機能による吸引力とを加えた吸引エネルギーが作用することで、図３の矢印のように軟弱地盤Ｇ中の間隙水がドレーン材４１へと吸引され、集水管４２，水平管１３，気密室３１，水平管１２，鉛直管１１などを通して外部へ排出される。これにより、軟弱地盤Ｇの真空圧密による地盤改良を行うことができるが、この場合、接続部４４などにおける気密漏れや不飽和地盤などのため水に空気が混入しても、水平管１３と水平管１２との間に配置された気密室３１において揚水ポンプ３４により空気を外部へ排出することができるので、鉛直管１１には空気の少ない水が流れ、このため、安定してサイフォン機能を発揮させることができ、安定したサイフォンによる吸引力を得ることができる。
【００４２】
次に、図１の吸引力発生装置１０を軟弱地盤における真空圧密による地盤改良工法に適用した別の二例について図４〜図７を参照して説明する。
【００４３】
図４は本実施形態における真空圧密による地盤改良工法の陸上施工時等において高低差による圧力損失（ヘッドロス）がある場合の対策を説明するための概略図である。図５は図４において排水経路の各位置における作用負圧を示すグラフである。図６は図５との比較のために気密室を減圧室側に配置した場合の排水経路の各位置における作用負圧を示すグラフである。
【００４４】
図４の例は、排水経路の途中に高低差によるヘッドロスがある場合、気密室の位置により圧力損失抑制効果を得るようにしたものである。ここで、ヘッドロスとは、改良対象地盤からの間隙水が、真空ポンプに流下する際に、排水経路の途中で低い位置から高い位置に移動するときに生じる圧力損失のことである。なお、高い位置から低い位置に移動するときには、圧力損失は生じない。
【００４５】
図４のように、陸上施工時においてドレーン材４１が打設された改良対象地盤Ｇと減圧室２１との間に築堤Ｄが存在し、管１２内部の水位と地盤Ｇの地下水位面Ｈ２との間に高低差ΔＨＴがあるため、図４の箇所Ｅでヘッドロスが生じる。この場合、気密室３１を、図４のように、ヘッドロス発生箇所Ｅよりも改良対象地盤Ｇ側に設置する。このように気密室３１を設置すると、ヘッドロス発生箇所Ｅよりも減圧室２１側に設置する場合と比べると、改良対象地盤Ｇに作用する負圧が大きくなる。
【００４６】
すなわち、図５において、減圧室２１における作用負圧を-95kN/m2、気密室３１による作用負圧の付加を-15kN/m2、排水経路途中の高低差ΔＨＴによるヘッドロスを-25kN/m2とすると、減圧室２１から排水経路の管１３の最上部（築堤Ｄの天端）まで作用負圧が-95kN/m2である。ヘッドロス発生箇所Ｅの最低部（改良対象地盤Ｇの築堤法面部）で、-70kN/m2まで減少するが、気密室３１による作用負圧の付加により、-85kN/m2にまでもどり、この負圧が最終的に改良対象地盤Ｇにドレーン材４１を介して作用する。
【００４７】
一方、気密室３１をヘッドロス発生箇所Ｅよりも減圧室２１側に設置すると、図６のように、気密室３１により作用負圧が付加されるが、-100kN/m2の絶対負圧までしか作用負圧が付加されない。そして、ヘッドロス発生箇所Ｅの最低部（改良対象地盤Ｇの築堤法面部）で、-75kN/m2まで減少し、この負圧が最終的に改良地盤Ｇに作用する。
【００４８】
以上のように、改良対象地盤Ｇに対し絶対負圧（-100kN/m2）近くの-80kN/m2以下のような高負圧を作用させる場合、気密室３１をヘッドロス発生箇所Ｅよりも改良対象地盤Ｇ側に設置することで、改良対象地盤Ｇに作用する負圧（絶対値）を大きくすることができ、排水経路にヘッドロスが生じる場合でも、吸引エネルギーを、気密室３１による作用負圧を利用してできるだけ損失しないようにできる。
【００４９】
図７は本実施形態における真空圧密による地盤改良工法の海上施工時等において高低差による圧力損失（ヘッドロス）がある場合の対策を説明するための概略図である。
【００５０】
図７の例は、図４と同じく、排水経路の途中に高低差によるヘッドロスがある場合、気密室の位置により圧力損失抑制効果を得るようにしたものである。図７のように、海上施工時においてドレーン材４１が打設された改良対象地盤Ｇの近くに護岸Ｈが存在し、減圧室２１が護岸Ｈの上部から地中に設置され、管１２内部の水位と地盤Ｇの地下水位面Ｈ２との間に高低差ΔＨＴがあるため、図７の箇所Ｆでヘッドロスが生じる。この場合、気密室３１を、図７のように、ヘッドロス発生箇所Ｆよりも改良対象地盤Ｇ側に設置する。このように気密室３１を設置すると、図４の場合と同様に、ヘッドロス発生箇所Ｆよりも減圧室２１側に設置する場合と比べると、改良対象地盤Ｇに作用する負圧が大きくなる。
【実験例】
【００５１】
本発明の気密室の配置によりサイフォンを安定的に機能させる効果について実験を行い検証した。以下の効果について検証実験を行った。
実験１：空気混入時のサイフォンの安定化効果
実験２：ヘッドロス時の吸引エネルギーの損失抑制効果
実験３：気密室内の揚水ポンプの選定
【００５２】
〈実験１〉
図８に実験装置の概要図を示す。図８のような実験装置をサイフォン発生装置とし、減圧室、鉛直管、気密室、水平管を配置し、排水タンクから水を供給し、図の矢印方向に水を流し、水平管、鉛直管上端、減圧室（元圧）の圧力を測定した。水平管の一部から空気を混入させ、空気混入量を0,5,15L/分とかえた。また、比較例１として、図８から気密室を省略した従来型の実験装置により同様の実験を行った。なお、図８において排水タンクが減圧室の下方に便宜上描かれているが、実際は、排水タンクは減圧室よりも高い位置に配置した。なお、気密室内の揚水ポンプはサンドポンプとした。
【００５３】
図９〜図１１に実験１の実験結果を示し、図１２，図１３に比較例１の実験結果を示す。図９〜図１１の実験結果からわかるように、気密室を取り付けたサイフォン発生装置は、空気混入量が0,5,15L/分のいずれの場合でも元圧（減圧室）よりも鉛直管上端と水平管で圧力（絶対値）が高い値を示しており、空気が混入する条件においてもサイフォンが安定的に機能している。また、空気が混入しない条件（空気混入量：0L/分）においては、実験１の図９を従来型（比較例１）の図１２と比べると、水平管において従来型よりも7〜8kPa程度の圧力（絶対値）の上昇が確認され、気密室により負圧が付加されていることがわかる。
【００５４】
一方、従来型のサイフォン発生装置は、図１３のように、空気混入量が5L/分の条件で元圧に対して鉛直管上端と水平管での圧力が同じ値を示し、サイフォンが機能しなくなることがわかる。
【００５５】
〈実験２〉
図１４に実験装置の概要図を示す。図１４の実験装置は、図８と同様であるが、排水経路の途中に1.5mの高低差を設け、気密室を排水タンク側に配置した。また、比較例２として、図１４から気密室を省略した従来型の実験装置により同様の実験を行った。空気混入量は0L/分とした。
【００５６】
図１５に実験２の実験結果を示し、図１６に比較例２の実験結果を示す。図１５の実験結果を従来型（比較例２）の図１６と比べると、排水経路の途中に1.5mの高低差がある条件では、水平管において従来型よりも5〜8kPa程度の圧力（絶対値）の上昇が確認された。これにより、気密室内の揚水ポンプによってさらなる負圧が付加され、排水経路の途中に高低差がある条件でも、吸引エネルギーの損失を抑制できることがわかった。
【００５７】
〈実験３〉
実験３は、図８と同様の実験装置を用いて行い、気密室内の揚水ポンプを通常の水中ポンプとし、空気混入量を0,5,15L/分とかえた。
【００５８】
図１７〜図１９に実験３の実験結果を示す。実験１では気密室内の揚水ポンプをサンドポンプとしたので、実験１の実験結果を示す図９〜図１１と図１７〜図１９を比べると、気密室内に収容するポンプによって負圧向上の程度が異なることが判明した。すなわち、空気混入量が0,5,15L/分のいずれの場合も、サンドポンプの方が水平管における圧力（絶対値）向上の程度が高いことがわかる。
【００５９】
通常の水中ポンプでは、図１９のように空気混入量が15L/分でサイフォン機能による負圧（絶対値）の向上が見られなくなるのに対し、サンドポンプを使用した場合は、図１１のように空気混入量15L/分でも負圧（絶対値）の向上が確認できた。
【００６０】
気密室の揚水ポンプには水と一緒に空気を排出する効果を期待しているため、通常の水中ポンプよりも攪拌羽根が大きく枚数が少ない構造を有するサンドポンプの方が空気による閉塞を起こさないため、空気を水と一緒に効率良く排出できる。このため、気密室内の揚水ポンプはサンドポンプが適しており、排水経路内は-80kPa以下の高負圧になるため、揚程10m以上のサンドポンプの使用が望ましい。
【００６１】
以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本発明による吸引力発生装置を真空圧密地盤改良工法に適用したが、これに限定されず、他の装置・システム・他の工法に適宜適用してよく、同様の効果を得ることができる。また、鉛直管、水平管は、円筒管以外であってもよく、例えば角筒管でもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、第１の管を鉛直管として、第２管を水平管として配置したが、本発明はこれに限定されず、水位差により第２の管から第１の管の下端側に向けてサイフォン機能により吸引力が作用する構成であれば、それらの配置形態はいずれでもよく、例えば、第１の管、第２の管は傾斜等していてもよい。
【００６３】
また、図３では、改良対象地盤に垂直ドレーン材を打設したが、本発明はこれに限定されず、水平ドレーン材であってもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１０ 吸引力発生装置 １１ 鉛直管 １１ａ 鉛直管の下端 １２，１３ 水平管 １３ａ 水平管１３の先端 ２１ 減圧室 ２２ 排水ポンプ ２４ 真空ポンプ ３１ 気密室 ３２ 流入口 ３３ 流出口 ３４ 揚水ポンプ ３５ 揚水ポンプ３４の吸引口 ３６ 排水管 ４１ ドレーン材 ４３ 集水管 ４４ 接続部 Ｅ、Ｆ ヘッドロス発生箇所 Ｇ 軟弱地盤、改良対象地盤 Ｈ２ 地下水位面 ΔＨ 水位差 ΔＨＴ 高低差
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイフォン機能を用いた吸引力発生装置およびこの吸引力発生装置を用いた真空圧密地盤改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸引力を発生させて、水を吸引・排水する装置として、真空ポンプを用いた吸引装置が知られている。従来の技術では、例えば、軟弱地盤内に鉛直ドレーンを打設後、真空ポンプによる吸引装置を用いて、負圧を作用させて地盤内を減圧することによって、地盤の圧密を促進する方法が用いられている（例えば、特許文献１〜３）。また、減圧室に鉛直管を挿入し、鉛直管内で気液2相流を形成させてサイフォン機能を発揮させる吸引装置として特許文献４，５がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2000-328550号公報
【特許文献２】特開2001-226951号公報
【特許文献３】特開2002-138456号公報
【特許文献４】特開2010-090696号公報
【特許文献５】特開2011-127378号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サイフォンによる吸引力発生装置を用いた地盤改良工法において、ドレーン材が接続するヘッダーパイプや集水管からの気密漏れがある場合や改良対象地盤が不飽和地盤である場合は、水に空気が混入して、空気の混入量が多くなる。このような施工条件の下では、サイフォン機能が切れやすく不安定になる。このため、真空圧密地盤改良において所定の吸引力を得ることができないおそれが生じてしまう。
【０００５】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、空気が大量に混入する水を排水する条件においても、サイフォン機能を維持し発揮させることができる吸引力発生装置および真空圧密地盤改良工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本実施形態による吸引力発生装置は、上部から下部に向けて延びる第１の管と、前記第１の管と前記上部で接続する第２の管と、を有し、前記第１の管の下端側と、前記第２の管との間の水位差により、前記第２の管の先端から前記第１の管の下端に向けてサイフォン機能により吸引力が作用する吸引力発生装置であって、前記第２の管の経路内に、前記第２の管の先端から吸引される水の流入口と前記第１の管の上部へと流出する水の流出口とを有し揚水ポンプを収容した気密室を配置し、前記流出口を前記流入口よりも鉛直方向の高い位置に設け、前記揚水ポンプの吸引口の鉛直方向における位置を前記流出口と前記流入口との間に定め、前記流入口から前記気密室内に流入した水と空気の一部を前記揚水ポンプにより外部へ排出することを特徴とする。
【０００７】
この吸引力発生装置によれば、第１の管の上流側に配置した気密室において第２の管の先端側から流入する水に空気が含まれていても、流入口、揚水ポンプの吸引口、流出口の順で鉛直方向高さ位置が高いので、空気は流入口から気泡となって上昇し、気密室内の揚水ポンプが気泡混合水として空気を排出する結果、流出口から先の第１の管へは空気の混入量が少ない水が送られるので、サイフォンが安定的に機能することができる。
【０００８】
上記吸引力発生装置において前記気密室内における前記揚水ポンプの作動により前記第２の管の先端から吸引する吸引圧力を高めることで、より大きな吸引力を発生させることができる。
【０００９】
前記揚水ポンプとしてサンドポンプを用いることが好ましい。気密室から空気を水と一緒に効率良く排出できる。
【００１０】
前記揚水ポンプの吸引口を前記流入口が設けられた前記気密室の側壁の近くに設置することが好ましい。これにより、流入した水に含まれている空気を流出口の方に向かわせないようにできる。
【００１１】
前記第１の管の少なくとも下端側を収容し内部が減圧可能な減圧室を備えることで、減圧室による吸引力にサイフォン機能による吸引力が加わるので、より大きな吸引力を得ることができる。
【００１２】
上記目的達成のための本実施形態による真空圧密地盤改良工法は、上述の吸引力発生装置を用いて地盤改良対象である軟弱地盤において真空圧密による地盤改良工法を行うことを特徴とする。
【００１３】
この真空圧密地盤改良工法によれば、上述の吸引力発生装置によるサイフォン機能の吸引力を利用することで地盤改良における真空圧密を促進させることができ、盛土による載荷の縮小や省略を図ることができるため、使用資材・機材の節減や作業工期の短縮を実現できる。
【００１４】
また、本実施形態によるもう１つの真空圧密地盤改良工法は、上記減圧室を設けた吸引力発生装置を用いて地盤改良対象である軟弱地盤において真空圧密による地盤改良工法を行う真空圧密地盤改良工法であって、前記第２の管が鉛直方向の高い位置にあり、前記軟弱地盤の地下水位面と前記第２の管との間に高低差がある場合、前記地盤改良対象である軟弱地盤に打設されたドレーン材と前記減圧室との間に位置する前記気密室を前記軟弱地盤側に配置することを特徴とする。
【００１５】
この真空圧密地盤改良工法によれば、軟弱地盤の地下水位面と第２の管との間に高低差があるため圧力損失（ヘッドロス）が生じる場合でも、気密室を軟弱地盤側に配置し、気密室による作用負圧を利用することにより吸引エネルギーの損失を抑制することができる。また、減圧室による吸引力とサイフォン機能の吸引力との併用によって従来の真空圧密工法に比べて吸引力が増加し、かつ、吸引力を効率よく加えることができるため、軟弱地盤が所定の強度に達するまでに要する地盤改良期間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の吸引力発生装置によれば、空気が大量に混入する水を排水する条件においても、サイフォン機能を維持し発揮させることができる。
【００１７】
本発明の真空圧密地盤改良工法によれば、地盤改良における真空圧密を促進させ盛土による載荷の縮小や省略及び地盤改良期間の短縮を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態による吸引力発生装置を概略的に示す図である。
【図２】図１の吸引力発生装置の気密室の機能を説明するための概念図である。
【図３】本実施形態における真空圧密による地盤改良工法を説明するための概略図である。
【図４】本実施形態における真空圧密による地盤改良工法の陸上施工時等において高低差による圧力損失がある場合の対策を説明するための概略図である。
【図５】図４において排水経路の各位置における作用負圧を示すグラフである。
【図６】図５との比較のために気密室を減圧室側に配置した場合の排水経路の各位置における作用負圧を示すグラフである。
【図７】本実施形態における真空圧密による地盤改良工法の海上施工時等において高低差による圧力損失がある場合の対策を説明するための概略図である。
【図８】本実験例の実験１で用いた実験装置の概要図である。
【図９】実験１（空気混入量：0L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１０】実験１（空気混入量：5L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１１】実験１（空気混入量：15L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１２】比較例１（空気混入量：0L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１３】比較例１（空気混入量：5L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１４】本実験例の実験２で用いた実験装置の概要図である。
【図１５】実験２の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１６】比較例２の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１７】実験３（空気混入量：0L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１８】実験３（空気混入量：5L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【図１９】実験３（空気混入量：15L/分）の実験結果を示す図で、時間経過による各作用負圧の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態による吸引力発生装置を概略的に示す図である。図２は図１の吸引力発生装置の気密室の機能を説明するための概念図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の吸引力発生装置１０は、上部から下部に向けて鉛直方向に延びる第１の管である鉛直管１１と、鉛直管１１の上部で水平方向に延びる第２の管である水平管１２と、鉛直管１１が収容され内部が減圧される減圧室２１と、鉛直管１１の上流側で水平管１２と水平管１３との間に配置される気密室３１と、を備える。水平管１３，１２を通して鉛直管１１の下端１１ａ側に向けて排水経路が形成される。鉛直管１１及び水平管１２は金属製またはプラスチック製の円筒管からなる。
【００２１】
気密室３１は、内部が密閉された気密構造とされ、水平管１３から水が流入する流入口３２と、水平管１２へと水が流出する流出口３３と、を備え、内部に揚水ポンプ３４を収容している。揚水ポンプ３４は排水管３６を通して気密室３１内の水、空気を外部に排出する。
【００２２】
図１，図２のように、気密室３１において流出口３３は流入口３２よりも鉛直方向の高い位置に設けるとともに、揚水ポンプ３４の設置高さとして、揚水ポンプ３４の吸引口３５を流入口３２と流出口３３との間に定める。
【００２３】
すなわち、図１，図２のように、水平管１３の先端１３ａの水位面Ｈ２を基準に、流出口３３の高さをｈ１，流入口３２の高さをｈ２，揚水ポンプ３４の吸引口３５の高さをｈ３とすると、次の関係を満足させるようにする。
ｈ１＞ｈ３＞ｈ２
【００２４】
また、揚水ポンプ３４は、流入口３２を設けた気密室３１の側壁３１ａの近くに設置することが望ましい。これにより、流入した水に含まれる空気が流出口３３側に直接に向かわずに、気泡として気密室３１の上部へと逃げ、揚水ポンプ３４の吸引口３５へ空気を効率よく導くことができる。
【００２５】
また、減圧室２１は、内部が密閉され、排水ポンプ２２が内部の水を、排水管２３を通して外部に排出し、真空ポンプ２４が内部の空気を、排気管２５を通して排出し減圧する。減圧室２１は、その排水面の水位Ｈ１が水平管１３の先端１３ａの水位面Ｈ２よりも低くなるように設置される。
【００２６】
図１において、水平管１３の先端１３ａから水が気密室３１，水平管１２，鉛直管１１を通して鉛直管１１の下端１１ａから流れ出すとき、水位差ΔＨ（Ｈ２−Ｈ１）に起因にするサイフォン機能により吸引力が水平管１３の先端１３ａから鉛直管１１の下端１１ａに向けて発生する。なお、水位面Ｈ１が下端１１ａよりも低いときは、ΔＨ＝Ｈ２−Ｈ１’、となる。ただし、Ｈ１’は鉛直管１１の下端１１ａの高さである。
【００２７】
このとき、図１，図２の矢印方向ａのように水平管１３の先端１３ａから吸引されて流入口３２から気密室３１へ流入する水には、水平管１３に至るまでの途中の継ぎ目などでの気密漏れや不飽和地盤などのために空気が混入し、空気の混入量が多くなり、矢印方向ｂのように空気も気密室３１へ流入する。これらの水と空気は、気密室３１内の揚水ポンプ３４によって矢印方向ｃ（水）、矢印方向ｄ（空気）のように気液混合状態で外部へと排出される。その結果、空気の混入量が少ない水が流出口３３から水平管１２へと排出される。水平管１２を通って矢印方向ｅ（水）、矢印方向ｆ（空気）のように水と空気が連続的に排出されている平衡状態においては、図２のように、水位Ｈ３は水平管１２内に存在する。すなわち、平衡状態における気密室３１内の水位Ｈ３は、流出口３３の下端から上端の間に位置すると考えられる。
【００２８】
上述のように、気密室３１内において、鉛直方向高さ位置が流入口３２，揚水ポンプ３４の吸引口３５，流出口３３の順で高くなるように設定することで、空気の混入した水が流入口３２から気密室３１内に流入してきたとき、空気は流入口３２から気泡となって上昇し、気密室３１内の揚水ポンプ３４が気泡混合水として空気を排出する。その結果、水平管１２，鉛直管１１へは空気の混入量が少ない水が送られるので、サイフォンが安定的に機能する。
【００２９】
また、減圧室２１の内部が真空ポンプ２４の作動により減圧され負圧となることで、吸引力が発生し、水平管１２の先端１２ａから鉛直管１１の下端１１ａに向けて発生する吸引力は、上述のサイフォン機能による吸引力に減圧室２１による吸引力が加えられたものになる。
【００３０】
また、気密室３１内の揚水ポンプ３４として、次の理由からサンドポンプを使用することが望ましい。
【００３１】
(1)揚水ポンプには水と一緒に空気を排出する効果を期待しているため、通常の水中ポンプよりも攪拌羽根が大きく枚数が少ない構造を有するサンドポンプは、空気による閉塞を起こさないため、空気を水と一緒に効率良く排出できる。
【００３２】
(2)排水経路内は、減圧室２１の減圧（負圧）作用が加わると、-80kPa以下の高負圧になるため、揚程10m以上のサンドポンプの使用が適している。
【００３３】
以上のように、本実施形態の吸引力発生装置１０によれば、気密室３１は、その内部に揚水ポンプ３４を設置し、気水分離機能を発揮し、不要な空気を水と一緒に排出させるため、流出口３３から鉛直管１１への空気流出が少なくなり、安定してサイフォンが機能することができる。
【００３４】
また、気密室３１における揚水ポンプ３４の作動により、さらなる負圧が水平管１３に付加され、排水経路の途中に高低差（ヘッドロス）がある条件でも、吸引エネルギー（たとえば、地盤中の間隙水を吸引する力）の損失を抑制することができる。
【００３５】
次に、図１の吸引力発生装置１０を軟弱地盤における真空圧密による地盤改良工法に適用した例について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態における真空圧密による地盤改良工法を説明するための概略図である。
【００３６】
図３のように、地盤改良対象の軟弱地盤Ｇに対し複数のドレーン材４１を地盤面Ｓから打設する。各ドレーン材４１は、不透気部４２を介して集水管４３に接続されている。不透気部４２は軟弱地盤Ｇの地下水位面Ｈ２に対応した位置に配置される。集水管４３の先端４３ａは、図１の吸引力発生装置１０の水平管１３に接続部４４で接続される。次の手順で地盤改良工法を実行する。
【００３７】
(1)図１のように、真空ポンプ２４が接続され、排水設備（排水ポンプ２２、排水管２３、サイフォンを機能させる鉛直管１１）を収納しユニット化した鋼管を減圧室２１とし地盤中に貫入し、その際、減圧室２１の内部を密閉する。
【００３８】
(2)図３のように改良対象の軟弱地盤Ｇに打設されたドレーン材４１につないだ集水管４３を、接続部４４で水平管１３と接続し、図１の揚水ポンプ３４を収容し密閉した気密室３１の流入口３２に接続する。気密室３１の流出口３３を、水平管１２を介してユニット化した減圧室２１の鉛直管１１の上部流入口に接続する。減圧室２１の排水ポンプ２２は、排水管２３に接続する。
【００３９】
(3)真空ポンプ２４の作動により減圧室２１内の圧力を減じ、軟弱地盤Ｇからの水が気密室３１内に流入し、その水位Ｈ３が揚水ポンプ３４の吸引口３５の高さを満たした後に、揚水ポンプ３４を起動する。気密室３１内からの排水は、排水管を用いて改良対象の軟弱地盤の地表面Ｓや別途設けた排水タンクに戻す。
【００４０】
以上のような本実施形態における真空圧密による地盤改良工法によれば、減圧室２１の真空ポンプの吸引力とサイフォン機能による吸引力とを併用し、改良対象の軟弱地盤中の間隙水を吸引・排水し、地盤改良を行うことができ、空気が大量に混入する水を排水する条件においても、サイフォン機能を安定して発揮させることができる。
【００４１】
すなわち、地盤改良対象の軟弱地盤Ｇに打設されたドレーン材４１には、減圧室２１による吸引力と鉛直管１１におけるサイフォン機能による吸引力とを加えた吸引エネルギーが作用することで、図３の矢印のように軟弱地盤Ｇ中の間隙水がドレーン材４１へと吸引され、集水管４２，水平管１３，気密室３１，水平管１２，鉛直管１１などを通して外部へ排出される。これにより、軟弱地盤Ｇの真空圧密による地盤改良を行うことができるが、この場合、接続部４４などにおける気密漏れや不飽和地盤などのため水に空気が混入しても、水平管１３と水平管１２との間に配置された気密室３１において揚水ポンプ３４により空気を外部へ排出することができるので、鉛直管１１には空気の少ない水が流れ、このため、安定してサイフォン機能を発揮させることができ、安定したサイフォンによる吸引力を得ることができる。
【００４２】
次に、図１の吸引力発生装置１０を軟弱地盤における真空圧密による地盤改良工法に適用した別の二例について図４〜図７を参照して説明する。
【００４３】
図４は本実施形態における真空圧密による地盤改良工法の陸上施工時等において高低差による圧力損失（ヘッドロス）がある場合の対策を説明するための概略図である。図５は図４において排水経路の各位置における作用負圧を示すグラフである。図６は図５との比較のために気密室を減圧室側に配置した場合の排水経路の各位置における作用負圧を示すグラフである。
【００４４】
図４の例は、排水経路の途中に高低差によるヘッドロスがある場合、気密室の位置により圧力損失抑制効果を得るようにしたものである。ここで、ヘッドロスとは、改良対象地盤からの間隙水が、真空ポンプに流下する際に、排水経路の途中で低い位置から高い位置に移動するときに生じる圧力損失のことである。なお、高い位置から低い位置に移動するときには、圧力損失は生じない。
【００４５】
図４のように、陸上施工時においてドレーン材４１が打設された改良対象地盤Ｇと減圧室２１との間に築堤Ｄが存在し、管１２内部の水位と地盤Ｇの地下水位面Ｈ２との間に高低差ΔＨＴがあるため、図４の箇所Ｅでヘッドロスが生じる。この場合、気密室３１を、図４のように、ヘッドロス発生箇所Ｅよりも改良対象地盤Ｇ側に設置する。このように気密室３１を設置すると、ヘッドロス発生箇所Ｅよりも減圧室２１側に設置する場合と比べると、改良対象地盤Ｇに作用する負圧が大きくなる。
【００４６】
すなわち、図５において、減圧室２１における作用負圧を-95kN/m2、気密室３１による作用負圧の付加を-15kN/m2、排水経路途中の高低差ΔＨＴによるヘッドロスを-25kN/m2とすると、減圧室２１から排水経路の管１３の最上部（築堤Ｄの天端）まで作用負圧が-95kN/m2である。ヘッドロス発生箇所Ｅの最低部（改良対象地盤Ｇの築堤法面部）で、-70kN/m2まで減少するが、気密室３１による作用負圧の付加により、-85kN/m2にまでもどり、この負圧が最終的に改良対象地盤Ｇにドレーン材４１を介して作用する。
【００４７】
一方、気密室３１をヘッドロス発生箇所Ｅよりも減圧室２１側に設置すると、図６のように、気密室３１により作用負圧が付加されるが、-100kN/m2の絶対負圧までしか作用負圧が付加されない。そして、ヘッドロス発生箇所Ｅの最低部（改良対象地盤Ｇの築堤法面部）で、-75kN/m2まで減少し、この負圧が最終的に改良地盤Ｇに作用する。
【００４８】
以上のように、改良対象地盤Ｇに対し絶対負圧（-100kN/m2）近くの-80kN/m2以下のような高負圧を作用させる場合、気密室３１をヘッドロス発生箇所Ｅよりも改良対象地盤Ｇ側に設置することで、改良対象地盤Ｇに作用する負圧（絶対値）を大きくすることができ、排水経路にヘッドロスが生じる場合でも、吸引エネルギーを、気密室３１による作用負圧を利用してできるだけ損失しないようにできる。
【００４９】
図７は本実施形態における真空圧密による地盤改良工法の海上施工時等において高低差による圧力損失（ヘッドロス）がある場合の対策を説明するための概略図である。
【００５０】
図７の例は、図４と同じく、排水経路の途中に高低差によるヘッドロスがある場合、気密室の位置により圧力損失抑制効果を得るようにしたものである。図７のように、海上施工時においてドレーン材４１が打設された改良対象地盤Ｇの近くに護岸Ｈが存在し、減圧室２１が護岸Ｈの上部から地中に設置され、管１２内部の水位と地盤Ｇの地下水位面Ｈ２との間に高低差ΔＨＴがあるため、図７の箇所Ｆでヘッドロスが生じる。この場合、気密室３１を、図７のように、ヘッドロス発生箇所Ｆよりも改良対象地盤Ｇ側に設置する。このように気密室３１を設置すると、図４の場合と同様に、ヘッドロス発生箇所Ｆよりも減圧室２１側に設置する場合と比べると、改良対象地盤Ｇに作用する負圧が大きくなる。
【実験例】
【００５１】
本発明の気密室の配置によりサイフォンを安定的に機能させる効果について実験を行い検証した。以下の効果について検証実験を行った。
実験１：空気混入時のサイフォンの安定化効果
実験２：ヘッドロス時の吸引エネルギーの損失抑制効果
実験３：気密室内の揚水ポンプの選定
【００５２】
〈実験１〉
図８に実験装置の概要図を示す。図８のような実験装置をサイフォン発生装置とし、減圧室、鉛直管、気密室、水平管を配置し、排水タンクから水を供給し、図の矢印方向に水を流し、水平管、鉛直管上端、減圧室（元圧）の圧力を測定した。水平管の一部から空気を混入させ、空気混入量を0,5,15L/分とかえた。また、比較例１として、図８から気密室を省略した従来型の実験装置により同様の実験を行った。なお、図８において排水タンクが減圧室の下方に便宜上描かれているが、実際は、排水タンクは減圧室よりも高い位置に配置した。なお、気密室内の揚水ポンプはサンドポンプとした。
【００５３】
図９〜図１１に実験１の実験結果を示し、図１２，図１３に比較例１の実験結果を示す。図９〜図１１の実験結果からわかるように、気密室を取り付けたサイフォン発生装置は、空気混入量が0,5,15L/分のいずれの場合でも元圧（減圧室）よりも鉛直管上端と水平管で圧力（絶対値）が高い値を示しており、空気が混入する条件においてもサイフォンが安定的に機能している。また、空気が混入しない条件（空気混入量：0L/分）においては、実験１の図９を従来型（比較例１）の図１２と比べると、水平管において従来型よりも7〜8kPa程度の圧力（絶対値）の上昇が確認され、気密室により負圧が付加されていることがわかる。
【００５４】
一方、従来型のサイフォン発生装置は、図１３のように、空気混入量が5L/分の条件で元圧に対して鉛直管上端と水平管での圧力が同じ値を示し、サイフォンが機能しなくなることがわかる。
【００５５】
〈実験２〉
図１４に実験装置の概要図を示す。図１４の実験装置は、図８と同様であるが、排水経路の途中に1.5mの高低差を設け、気密室を排水タンク側に配置した。また、比較例２として、図１４から気密室を省略した従来型の実験装置により同様の実験を行った。空気混入量は0L/分とした。
【００５６】
図１５に実験２の実験結果を示し、図１６に比較例２の実験結果を示す。図１５の実験結果を従来型（比較例２）の図１６と比べると、排水経路の途中に1.5mの高低差がある条件では、水平管において従来型よりも5〜8kPa程度の圧力（絶対値）の上昇が確認された。これにより、気密室内の揚水ポンプによってさらなる負圧が付加され、排水経路の途中に高低差がある条件でも、吸引エネルギーの損失を抑制できることがわかった。
【００５７】
〈実験３〉
実験３は、図８と同様の実験装置を用いて行い、気密室内の揚水ポンプを通常の水中ポンプとし、空気混入量を0,5,15L/分とかえた。
【００５８】
図１７〜図１９に実験３の実験結果を示す。実験１では気密室内の揚水ポンプをサンドポンプとしたので、実験１の実験結果を示す図９〜図１１と図１７〜図１９を比べると、気密室内に収容するポンプによって負圧向上の程度が異なることが判明した。すなわち、空気混入量が0,5,15L/分のいずれの場合も、サンドポンプの方が水平管における圧力（絶対値）向上の程度が高いことがわかる。
【００５９】
通常の水中ポンプでは、図１９のように空気混入量が15L/分でサイフォン機能による負圧（絶対値）の向上が見られなくなるのに対し、サンドポンプを使用した場合は、図１１のように空気混入量15L/分でも負圧（絶対値）の向上が確認できた。
【００６０】
気密室の揚水ポンプには水と一緒に空気を排出する効果を期待しているため、通常の水中ポンプよりも攪拌羽根が大きく枚数が少ない構造を有するサンドポンプの方が空気による閉塞を起こさないため、空気を水と一緒に効率良く排出できる。このため、気密室内の揚水ポンプはサンドポンプが適しており、排水経路内は-80kPa以下の高負圧になるため、揚程10m以上のサンドポンプの使用が望ましい。
【００６１】
以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本発明による吸引力発生装置を真空圧密地盤改良工法に適用したが、これに限定されず、他の装置・システム・他の工法に適宜適用してよく、同様の効果を得ることができる。また、鉛直管、水平管は、円筒管以外であってもよく、例えば角筒管でもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、第１の管を鉛直管として、第２管を水平管として配置したが、本発明はこれに限定されず、水位差により第２の管から第１の管の下端側に向けてサイフォン機能により吸引力が作用する構成であれば、それらの配置形態はいずれでもよく、例えば、第１の管、第２の管は傾斜等していてもよい。
【００６３】
また、図３では、改良対象地盤に垂直ドレーン材を打設したが、本発明はこれに限定されず、水平ドレーン材であってもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１０ 吸引力発生装置 １１ 鉛直管 １１ａ 鉛直管の下端 １２，１３ 水平管 １３ａ 水平管１３の先端 ２１ 減圧室 ２２ 排水ポンプ ２４ 真空ポンプ ３１ 気密室 ３２ 流入口 ３３ 流出口 ３４ 揚水ポンプ ３５ 揚水ポンプ３４の吸引口 ３６ 排水管 ４１ ドレーン材 ４３ 集水管 ４４ 接続部 Ｅ、Ｆ ヘッドロス発生箇所 Ｇ 軟弱地盤、改良対象地盤 Ｈ２ 地下水位面 ΔＨ 水位差 ΔＨＴ 高低差
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部から下部に向けて延びる第１の管と、前記第１の管と前記上部で接続する第２の管と、を有し、前記第１の管の下端側と、前記第２の管との間の水位差により、前記第２の管の先端から前記第１の管の下端に向けてサイフォン機能により吸引力が作用する吸引力発生装置であって、
前記第２の管の経路内に、前記第２の管の先端から吸引される水の流入口と前記第１の管の上部へと流出する水の流出口とを有し揚水ポンプを収容した気密室を配置し、
前記流出口を前記流入口よりも鉛直方向の高い位置に設け、
前記揚水ポンプの吸引口の鉛直方向における位置を前記流出口と前記流入口との間に定め、
前記流入口から前記気密室内に流入した水と空気の一部を前記揚水ポンプにより外部へ排出することを特徴とする吸引力発生装置。
【請求項２】
前記気密室内における前記揚水ポンプの作動により前記第２の管の先端から吸引する吸引圧力を高めることを特徴とする請求項１に記載の吸引力発生装置。
【請求項３】
前記揚水ポンプとしてサンドポンプを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の吸引力発生装置。
【請求項４】
前記揚水ポンプの吸引口を前記流入口が設けられた前記気密室の側壁の近くに設置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の吸引力発生装置。
【請求項５】
前記第１の管の少なくとも下端側を収容し内部が減圧可能な減圧室を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の吸引力発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の吸引力発生装置を用いて地盤改良対象である軟弱地盤において真空圧密による地盤改良工法を行うことを特徴とする真空圧密地盤改良工法。
【請求項７】
請求項５に記載の吸引力発生装置を用いて地盤改良対象である軟弱地盤において真空圧密による地盤改良工法を行う真空圧密地盤改良工法であって、
前記第２の管が鉛直方向の高い位置にあり、前記軟弱地盤の地下水位面と前記第２の管との間に高低差がある場合、前記地盤改良対象である軟弱地盤に打設されたドレーン材と前記減圧室との間に位置する前記気密室を前記軟弱地盤側に配置することを特徴とする真空圧密地盤改良工法。
【請求項１】
上部から下部に向けて延びる第１の管と、前記第１の管と前記上部で接続する第２の管と、を有し、前記第１の管の下端側と、前記第２の管との間の水位差により、前記第２の管の先端から前記第１の管の下端に向けてサイフォン機能により吸引力が作用する吸引力発生装置であって、
前記第２の管の経路内に、前記第２の管の先端から吸引される水の流入口と前記第１の管の上部へと流出する水の流出口とを有し揚水ポンプを収容した気密室を配置し、
前記流出口を前記流入口よりも鉛直方向の高い位置に設け、
前記揚水ポンプの吸引口の鉛直方向における位置を前記流出口と前記流入口との間に定め、
前記流入口から前記気密室内に流入した水と空気の一部を前記揚水ポンプにより外部へ排出することを特徴とする吸引力発生装置。
【請求項２】
前記気密室内における前記揚水ポンプの作動により前記第２の管の先端から吸引する吸引圧力を高めることを特徴とする請求項１に記載の吸引力発生装置。
【請求項３】
前記揚水ポンプとしてサンドポンプを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の吸引力発生装置。
【請求項４】
前記揚水ポンプの吸引口を前記流入口が設けられた前記気密室の側壁の近くに設置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の吸引力発生装置。
【請求項５】
前記第１の管の少なくとも下端側を収容し内部が減圧可能な減圧室を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の吸引力発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の吸引力発生装置を用いて地盤改良対象である軟弱地盤において真空圧密による地盤改良工法を行うことを特徴とする真空圧密地盤改良工法。
【請求項７】
請求項５に記載の吸引力発生装置を用いて地盤改良対象である軟弱地盤において真空圧密による地盤改良工法を行う真空圧密地盤改良工法であって、
前記第２の管が鉛直方向の高い位置にあり、前記軟弱地盤の地下水位面と前記第２の管との間に高低差がある場合、前記地盤改良対象である軟弱地盤に打設されたドレーン材と前記減圧室との間に位置する前記気密室を前記軟弱地盤側に配置することを特徴とする真空圧密地盤改良工法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−１０４２８４（Ｐ２０１３−１０４２８４Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１２５１（Ｐ２０１１−２５１２５１）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００１６６６２７）五洋建設株式会社 (364)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００１６６６２７）五洋建設株式会社 (364)
【Ｆターム（参考）】
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