固液混相流体の物性測定装置及び物性測定方法
【課題】 固液混相流体の密度の偏在状況を収容槽内の空間位置座標と対応させて測定することができる固液混相流体の物性測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】 固体と液体とが混合された固液混相流体を収容する収容槽１内に配置され、内部に存在する流体の密度を測定するコリオリ式質量流量計のような測定管３４と、前記収容槽１内の前記測定管３４の位置を変更する位置変更手段２とを備え、前記位置変更手段２から出力される位置情報に基づき前記測定管３４が位置する箇所における前記固液混相流体の密度を測定する。
【解決手段】 固体と液体とが混合された固液混相流体を収容する収容槽１内に配置され、内部に存在する流体の密度を測定するコリオリ式質量流量計のような測定管３４と、前記収容槽１内の前記測定管３４の位置を変更する位置変更手段２とを備え、前記位置変更手段２から出力される位置情報に基づき前記測定管３４が位置する箇所における前記固液混相流体の密度を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体と液体が混合された固液混相流体、特に経時により固相と液相に分離する固液混相流体の物性を測定する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体と液体とが混合された固液混相流体を用いた製品は、化粧品、医薬品、飲料、化学品など日常生活において広く用いられている。また、建築分野における大型構造物の基礎杭として構築される場所打ち杭の構築や、上下水の汚泥処理などのプラントなどでは、固液混相流体を用いた処理も広く行なわれている。これらの固液混相流体を用いる各分野では、製品の品質管理や工程管理のために、固液混相流体の性状、例えば、流体中で固体成分が沈降又は浮遊することに伴い生じる固体成分の偏在状況や、分散又は分離の程度の測定・管理が必要となる場合がある。
【０００３】
固液混相流体の性状を測定・管理する分野の一例として、場所打ち杭の構築について説明する。場所打ち杭の構築では、削孔内に注入される安定液の比重、粘度、pHを管理することで安定液を安定化させる工程が含まれている。安定液は、ベントナイト、ＣＭＣ、水の混合物であり、土木掘削工事一般において、孔壁の崩壊を防ぐため、また、掘削土砂の搬送を目的に利用されている。安定液は、所定の直径の削孔を掘削しながら削孔内に注入される。所定の深さまで掘削が完了した後は、削孔内のスライムを含む安定液を新しい安定液（以下、正常な安定液という場合がある。）に置換し、その後、前記削孔内にコンクリートを打設してコンクリート杭を構築する。
【０００４】
上記のような場所打ち杭の構築において、削孔内のスライムを含む安定液を除去して正常な安定液と置換する処理時に、十分な置換が行えないと、削孔の底部にスライムが残留することになる。このようにスライムが堆積する孔底へコンクリートを打設すると、コンクリートにスライムが混合することになり、杭底支持力を十分に得ることができず、このため、構造物の沈下等を招くという重大な事態が発生することになる。
【０００５】
以上の理由から、場所打ち杭の構築においては、削孔内に発生したスライムは、削孔の底部に位置するものまでできるだけ除去し、削孔内に存在するスライムを所定値以下にした状態でコンクリートを打設する。
【０００６】
このため、場所打ち杭の構築においては、安定液を充填した際の削孔内において、固体成分の沈降に伴う安定液のスライムの偏在状況を把握すること、特に、安定液の偏在状況を示す指針としての比重を充填空間位置座標と対応させて測定・管理すること、さらには、スライムが削孔の底に沈殿する場合及びスライムが液体中に分散している場合の両状況においても測定、管理することが求められている。
【０００７】
従来のスライム処理における応答性の高い処理状況管理手法として、電気比抵抗センサを用いて安定液の比抵抗値を計測することで、安定液中の砂分の量を計測する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
削孔より揚泥するスライムを含む安定液には、削孔屑である砂や礫、シルトなど各々に異なる電気的特性を持つ固体が、その含有比率に定めなく浮遊または、沈殿する固液二相状態として存在する。この手法は、揚泥したスライムを含む安定液の電気比抵抗値を測定することで、安定液中のスライムの量を測定するものである。しかし、この手法では、安定液に含まれる削孔屑の含有量及び削孔屑を構成する各成分の含有比率を正確に計測、定義することは困難であることから、測定の精度を高くすることはできないという問題があった。このため、この手法では、スライム処理を行う土質を事前に調査して安定液に含まれる砂分の比率を近似的な想定値で推定し、計測対象の安定液体積またはその流量を別途計測することで、安定液に含まれる砂分の量を推定することが行なわれており、測定の手間が大きいという問題がある。
【０００９】
また、他のスライム処理方法としては、支持部材にワイヤー等の可撓性部材を介して吊下げたサンドポンプを削孔内に挿入し、このポンプで削孔内のスライムを含む安定液を吸い上げて孔外に取出して揚泥経路を通して搬送し、揚泥経路中に配置された性状計測部でこの搬送中のスライムを含む安定液の密度を計測する手法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
しかし、この方法は揚泥手段でより高濃度の揚泥を行なうことを目的とするものであり、揚泥手段で揚泥した固液混相流体を揚泥経路中に設けられた計測手段で計測しているため、装置構成が大きくなるという問題がある。また、揚泥手段で強制的に安定液が揚泥されるため、削孔内の液中に浮遊するスライムの沈降状況などの観察が不十分であるという問題がある。
【００１１】
このため、現状においては、安定液の品質管理は、上述の不完全な計測要因をもつため、比重計測や電気比抵抗値の計測に加えて、サンプリングしたスライムを含む安定液を濾過した際のマッドケーキの観察や、作業者が重錘を用いて、削孔底残留スライム量を手探りで感性評価するなど、複数の観測と評価を行いながら、品質の管理を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−３５１１２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０９５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、上述の特許文献２に記載のスライム処理方法は、削孔内での揚泥位置と時間的に制限された、局所的なスライムの性状によって、スライムの置換状況を判断しているため、削孔内の液中に分散しているスライム分布状況を把握することができない。従って、揚泥手段をどのように決定するかについては不明確であり、揚泥位置での性状判断をするにとどまることから、揚泥位置の制御が場当たり式となり、スライムを含む安定液と正常な安定液との置換作業の正確性という点で改善の余地がある。
【００１４】
また、スライム処理における品質評価は、スライム処理後の孔底スライム量を作業員が重錘を垂らし、その着床感触を感性評価でしか観察していないため、残留スライム量を定量的に把握することが困難である。また、スライム処理後からコンクリート打設までの経過時間中に、削孔中に浮遊するスライムがどれだけ孔底に沈降するかも分からないため、スライム処理直後の残留スライム量を定性的に評価しただけでは、その後の堆積スライム量を保障できないという問題もある。
【００１５】
ところで、上記の装置を用いたスライム処理方法における課題は、削孔内でのスライムの性状の管理における課題だけにとどまらず、他の固液混相流体の性状管理についても広く当てはまる課題である。すなわち、固液混相流体の電気比抵抗値より、液相中に存在する固相の含有比率を一対一対応で正確に計測、定義することは困難で、また、その含有量を定めることも現実的ではない。
【００１６】
さらに、槽内の底に沈殿、あるいは、液面に浮揚した固相をポンプなどで吸引して測定することは、装置の大型化を招くと共に、液相中に浮遊する固相の密度を正確に測定することができないという問題がある。
【００１７】
そこで、この発明の課題は、上記のような問題点を解決するため、固液混相流体の比重の偏在状況を把握すること、特に、流体中の偏在状況（密度）を空間位置座標と対応させて測定し、固相が沈殿又は浮遊する場合の状況において固液混相流体の混合性状の測定、管理に好適に用いることができる固液混相流体の物性を測定する装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の固液混相流体の物性測定装置を提供する。
【００１９】
本発明は、固体と液体とが混合された固液混相流体を収容する収容槽内に配置され、内部に存在する流体の密度を測定するコリオリ式質量流量計のような測定管と、前記測定管の前記収容槽内での位置を変更して、水平面座標及び深度の情報などの前記測定管の位置情報を出力する位置変更手段とを備え、前記位置変更手段から出力される位置情報に基づき、前記測定管が位置する箇所における前記固液混相流体の密度を測定することを特徴とする、固液混相流体の物性測定装置である。
【００２０】
上記のコリオリ式質量流量計は、計測応答性が高く、沈殿物や浮遊物を含む固液二相状態である固液混相流体の密度および質量流量のオンライン計測が行えることから、固液混相流体をサンプリングする必要がなく、測定の手間を軽減することができる。
【００２１】
また、測定管は、両端が開口して鉛直方向に伸びる直管で構成され、上下に移動することで、内部の固液混相流体が流動する。
【００２２】
さらに、固液混相流体の物性を時系列に記録管理することで、計測された液体の性状をリアルタイムに表示することで、処理過程を定量的に評価判断できる。
【００２３】
また、固液混相流体の密度計測には、コリオリ式質量流量計以外にも、測定管中に吸光度測定などの手段を設けて固液混相流体中の分散質の濃度に基づいて計測対象の密度を測定することも可能である。
【００２４】
さらに、本発明は、上記の各構成に加え、位置変更手段により前記収容槽内を移動し、前記固液混相流体の液相から分離凝集した固体成分の密度に応じて、比重の異なる複数の重錘が浮遊停止する高さに基づいて前記固体成分の厚み寸法を測定する凝集量計測手段をさらに備えることを特徴とする、固液混相流体の物性測定装置を提供する。
【００２５】
凝集量計測手段は、比重の異なる複数の重錘と、個々の重錘に連結した各ワイヤーの繰り出し量を測定することで重錘が浮遊停止する高さを測定し、凝集した分散質の比重ごとの厚み寸法を測定するものを好適に用いることができる。さらに、槽内の底面に沈殿した固体層の厚み寸法を測定する場合には、長さ既知の支持脚を設けることにより、凝集量計測手段を収容槽の底面から所定の高さ位置を決定することができるため、収容槽の底面からの位置を基準として凝集した分散質の厚み寸法を測定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によると、測定管を固液混相流体を収容する収容槽内の任意の位置へ移動させることにより、収容槽内の固液混相流体が測定管内に流入するので、当該位置における固液混相流体の密度をリアルタイムにモニタリングできる。よって、応答性の高い固液混相流体の品質管理を行なうことができる。また、固液混相流体の比重の偏在状況を把握すること、特に、流体中の偏在状況（比重）を収容槽の空間位置座標と対応させて測定することができ、固体成分が沈降又は浮遊する場合において固液混相流体の混合性状の測定、管理に好適に用いることができる。
【００２７】
また、収容槽内の任意の位置へ配置され、当該位置において、定常状態で液層と分離凝集した固体成分の厚み寸法を、凝集した分散質の比重ごとにそれぞれ測定する凝集量計測手段を設けることで、凝集した固体成分の厚み寸法を小さい測定値レベルで得ることができる。例えば、底に沈殿した固体成分の厚み寸法を測定する場合、水面上から重錘などの手段で測定すると収容槽の深さ寸法に比較して微少な厚みの固体成分を測定することになるため測定値レベルが大きくなることとなり、誤差の原因となる。本発明によれば、槽内に凝集量計測手段を配置することで、当該凝集量計測手段の配置位置を基準として厚み寸法を測定することができるため、誤差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】場所打ちコンクリート杭等の構築のため地中を掘削した削孔と、この削孔内のスライム及び安定液の性状を測定するスライム性状管理装置の一例を示す図である。
【図２】図１のスライム性状管理装置の構成要素のブロック図である。
【図３】図１のスライム性状管理装置に用いられる性状計測部３の構成を示す模式図である。
【図４】削孔内各深度でのスライム分布性状分布図である。
【図５】削孔内安定液の性状を事前に測定するための工程を示すフローチャートである。
【図６】場所打ちコンクリート杭等の構築のため地中を掘削した削孔と、この削孔内のスライム及び安定液の性状を測定する第２実施形態にかかるスライム性状管理装置の一例を示す図である。
【図７】図６のスライム性状管理装置の構成要素のブロック図である。
【図８】本実施形態にかかるスライム性状管理装置に用いられる堆積量計測部４の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態に係る固液混相流体の物性測定装置について、図面を参照しながら説明する。以下、本実施形態においては、固液混相流体の物性測定装置の具体例として、スライムを含有する安定液の物性を測定し、測定結果に基づいて安定液の状態を管理するスライム性状管理装置を例にとって説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
スライム性状管理装置は、場所打ちコンクリート杭の構築において、削孔内におけるスライムの偏在状況を観測しながら削孔内におけるスライム分布の状況を把握し、削孔内スライムと安定液の置換作業の効率化と正確化を向上させ、より高品質なスライム処理、つまり、場所打ちコンクリート杭の安全性が保障できるようにする装置である。
【００３１】
図１は、場所打ちコンクリート杭等の構築のため地中を掘削した削孔と、この削孔内のスライム及び安定液の性状を測定するスライム性状管理装置の一例を示す図である。図２は、図１のスライム性状管理装置の構成要素のブロック図である。削孔１は所定の孔径と孔底が支持地盤１０３に達する深度を有し、上端部内周はスタンドパイプ１０４によって保護されている。一般には、削孔１は直径数メートルで深さが１００メートルにも及ぶ場合がある細長い形状をしている。
【００３２】
なお、スライムとは、削孔１の掘削によって発生した砂分、礫、粘土シルトの混合物である。また、安定液は、ベントナイト、ＣＭＣ、水からなり、スライムを含む安定液とはスライムと安定液との混合物である。また、スライムを含む安定液の物性とは、スライムを含む安定液の密度・流速・質量流量・体積流量・比重・粘度などを例示できる。削孔１内には、孔壁の崩壊を防ぐために安定液１０１が充填されており、削孔１の掘削時に発生するスライムが安定液１０１内に混入して分散すると共に、沈降スライム１０１ａとして安定液１０１内を沈降する。スライムは、経時により固体成分１０２として底面に堆積する。一般に、スライムの堆積物である固体成分１０２は、底面に近いほど高密度となる。
【００３３】
スライム性状管理装置１００において、性状計測部３は、スライムを含む安定液の物性を測定する。性状計測部３は、削孔１の外部に設けられた位置変更手段２からワイヤー５で吊り下げられ、削孔１内の任意の位置に配置されて当該位置でのスライムを含む安定液の物性をリアルタイムに計測する。
【００３４】
物性計測に用いる性状計測部３は、後述するコリオリ式質量流量計や、安定液に可視光又は赤外線などを照射しその吸光度を測定する吸光度測定などの原理を用いることで、計測対象である安定液の物性（密度又は質量流量）を計測する。また、測定された結果は、図２に示すように、汎用計算機のようなスライム性状管理手段１４を用いて時系列に対応付けて管理、記録した上で、性状管理情報出力手段１５に出力することで表示または紙などの媒体に出力する。
【００３５】
性状計測部３は、位置変更手段一例であるクレーン２のビーム１０の先端部からワイヤー巻取りウィンチ１１に巻かれたワイヤー５によって吊下げられており、さらに、性状計測部３に給電する電線及び測定情報を受信する複合ケーブル６と接続されている。ケーブル６はケーブル巻取りドラム１２に巻き取られ、ワイヤー５の繰り出し量に対応して繰り出される。
【００３６】
上記位置変更手段２は、図２の構成要素を配置したベースフレーム部１３の旋回及びビーム１０の伸縮により、性状計測部３を水平方向に移動させ、削孔１の任意の水平面座標位置に配置することができる。また、性状計測部３を吊り下げているワイヤー５を巻き取るウィンチ１１を駆動させることにより性状計測部３を上下に移動させることができる。上記の性状計測部３を移動させるためのアクチュエータには、それぞれエンコーダが配置され、その駆動量をリアルタイムに計測できるようになっており、性状計測部３の削孔１内での水平方向位置及び深度を検知することができる。
【００３７】
上記構成により性状計測部３の計測位置のための計測位置情報管理手段１６は、位置変更手段１４の各アクチュエータに配置したエンコーダに相当し、各エンコーダからの駆動信号から検知される計測位置情報と、計測位置のスライム性状情報と対応付けてスライム性状管理手段１４で記録管理する。
【００３８】
なお、性状計測部３を移動させるための位置変更手段２の旋回や進退動からなる水平移動と上下動は、人力操作で行うことも可能であるが、電動モータとラックやピニオン等の機構を用い、自動制御によって水平移動と上下動を行わせるようにすることが望ましい。
【００３９】
性状計測部３は、例えば、コリオリ式質量流量計や吸光度測定などの原理を利用してスライムを含む安定液の物性をリアルタイムに計測する。計測結果である計測情報は、上記の通りスライム性状管理手段１４に出力され、深度と水平位置を含む計測位置ごとの処理目標物性値と比較評価される。
【００４０】
図３は、本実施形態にかかるスライム性状管理装置に用いられる性状計測部３の構成を示す模式図である。本実施形態にかかる性状計測部３は、上面３１及び下面３２に開口３３（３３ａ，３３ｂ）が設けられた箱形の筐体３０の内部に直管型のコリオリ式質量流量計を内蔵する。
【００４１】
コリオリ式質量流量計は、測定対象流体が流れるフローチューブに固有振動数の振動を与え、当該振動によるフローチューブの歪みを計測することで、測定対象流体の質量流量や密度を測定するものである。コリオリ式質量流量計は、一般に、フローチューブに固有振動数の振動を与える電磁オシレータやフローチューブの歪みを測定する電磁ピックオフなどの各種部材を備えるが、図３ではこれらを内部機構３７としてまとめて簡略的に記載する。
【００４２】
筐体３０の形状は特に限定されるものではないが、コリオリ式質量流量計を水密に内蔵することができるものであることが好ましい。また、スライムの筐体３０上への堆積を少なくするために上面３１及び下面３２の面積を小さくし、また、性状計測部３の上下移動の抵抗を小さくするために流線型に構成することもできる。
【００４３】
コリオリ式質量流量計のフローチューブとしての測定管３４は、筐体３０の上面３１及び下面３２に設けられた開口３３と連通し、鉛直方向に伸びて、上面から下面に貫通する測定経路を画定する。また、上記の通り、位置変更手段２のワイヤー巻取りウィンチ１１を駆動させることで、性状計測部３が上下移動し、上面３１及び下面３２に設けられた開口３３から安定液が測定経路内へ流入して測定経路を流動することとなる。よって、性状計測部３は、削孔１の配置位置において当該測定経路を流動する安定液の質量流量又は密度を測定することができる。
【００４４】
本実施形態にかかる性状計測部３は、上面３１及び下面３２に測定管３４と同じ内径寸法を有するフード３５を備えている。フード３５は、上下移動する際に筐体３０の上面３１及び下面３２に堆積、接触する安定液及びスライムが開口３３内に流れ込むことを防止し、誤差を少なくするためのものである。フード３５の高さ寸法は、開口３３からの安定液の流入を案内することができるものであれば特に限定されない
【００４５】
また、フード３５の形状は開口３３の内径と略同じ内径にすることが好ましい。
【００４６】
本実施形態にかかる性状計測部３の下面３２に設けられた開口３３ｂの近傍には、シャッター機構３６が設けられており、下面の開口３３ｂを開閉できるように構成されている。シャッター機構３６を閉じた状態では、上面３１に設けられた開口３３ａからスライムが測定管３４内へ沈降し、安定液中を浮遊するスライムが測定経路内で堆積する状態となる。
【００４７】
次に、本実施形態のスライム性状管理装置により計測される安定液の物性に基づいて行なわれる、スライム及び安定液の性状の管理手法について説明する。
【００４８】
図２に示すように、スライム性状管理装置は、性状計測部３と、スライム性状管理手段１４と、計測位置情報管理手段１６と、計測位置を移動する位置変更手段としてのクレーン２と、揚泥位置を手動で操作する手動入力手段１８と、計測位置を制御する自動制御手段１７と、スライム分布推定手段１９と、性状管理情報出力手段１５とを備える。また、後述するように、揚泥手段２１により安定液及びスライムの揚泥及び正常な安定液の補充を性状管理時に同時に行なう場合には、必要に応じて安定液の注入手段２２と、液面測定手段２３とを備えてもよい。
【００４９】
スライム性状管理装置は、削孔１内の任意の位置において性状計測部３により削孔１内のスライムを含む安定液の少なくとも密度と、流速・質量流量・体積流量の何れか一つ又は複数を連続的に計測し、これら計測結果をスライム性状管理手段１４に入力する。
【００５０】
上記スライム性状管理手段１４は、上記スライム性状管理情報とクレーン２から入力される計測位置情報を対応付け、削孔１内の任意の位置における安定液の密度を記録・管理する。この情報は、スライム分布推定手段２１に送られ、削孔１内のスライム分布状況が作成される。また、スライム性状管理手段１４は、性状計測部３により測定された密度の情報から変換可能な他の情報への出力値の変換を行なう。変換される出力値としては、比重、砂分率などが例示できる。
【００５１】
自動制御手段１７は、スライム分布状況に基づいて、必要に応じて揚泥手段２１（図２参照）を任意の位置に移動させてスライムを揚泥する位置を変更させ、スライムの除去を行なう。なお、揚泥手段により安定液を揚泥した場合は、揚泥した分量に相当する安定液を注入手段２２及び液面測定手段２３によって補充する。
【００５２】
スライム処理された安定液については、さらに、当該位置での安定液の揚泥後の性状測定を繰り返し、任意の位置における目標値を満足するように安定液の置換管理を制御する。
【００５３】
上記のように、本実施形態にかかるスライム性状管理装置は、孔内スライム分布推定手段１９で各深度でのスライム性状を記録・管理することより、スライム処理前後における孔内スライム分布をリアルタイムに把握することができ、様々な方法によって削孔１内の安定液の状態管理を行うことができる。具体的な一例としては、図５に示すフローチャートのように処理をすることができる。
【００５４】
図１に示すように、地面に掘削された削孔１に対してスライム性状管理装置をセットし、削孔１の水平方向位置における性状計測部３の位置を決定する。次いで、スライム処理前における削孔１内のスライム性状管理を行なうために吊下げた性状計測部３をウィンチ１１の駆動により削孔１内に沈降させる。性状計測部３の沈降に伴い、開口３３の面積に応じた安定液がクレーン２による沈降速度に近似する速度で連続的に下面３２の開口３３ｂから測定管３４内に流入し、削孔１内の深度ごとのスライムの物性が計測される（＃１０１）。性状計測部３で計測した安定液の物性値は、性状計測部３の深度と対応づけて管理されスライム性状管理手段１４に入力される。
【００５５】
なお、この段階で計測された物性値は、一般的には、図４のIのように、スライム処理前においては、安定液中にスライムが略均一に分散した状態となっているため、深度に応じてスライムの分布密度に大きな差は生じない。なお、この段階の計測は、削孔１の水平方向位置を変えて複数回繰り返して行なってもよい。
【００５６】
所定の深度までのスライムの物性計測が終了すると、沈降待ちの工程を行なう（＃１０２）。沈降待ちの状態では、図４のIIに示すように、堆積によりスライムの密度が経時と供に上昇する。
【００５７】
沈降待ちの工程では、筐体下面３２の開口３３ｂのシャッター３６を閉じ、計測管内でスライムを堆積させるようにしてもよい。安定液中のスライムは、経時により水相と固相に分離して定常状態となる性質を有し、削孔１の底に近いほど高密度でスライムが堆積する。高密度のスライムの密度測定は誤差が大きくなることがあり、また、性状計測部３の測定管３４内で新たにスライムの堆積の状況を継続して測定することで、スライム堆積に要する時間を予測することができる。
【００５８】
沈降待ちの工程で、所定の時間が経過すると、削孔１内のスライムが沈降し、効率よく揚泥できるようになる。このタイミングで自動制御手段１７からの位置制御情報によって、揚泥手段（図２参照）を任意の位置へ移動させ、揚泥を行なうことで効率よく揚泥を行なうことができる（＃１０３）。
【００５９】
揚泥手段を削孔１内の安定液中に沈降させると、スライムを含む安定液の吐出が開始される。このとき、揚泥手段により抜き出された安定液を補充するために、液面測定手段２３と、安定液の注入手段２２による管理を行なうことが好ましい。
【００６０】
沈降待ちが終了すると、性状計測部３を引き上げつつ計測を行なう（＃１０４）。図４においては、このときの密度・深度分布を破線で示している。性状計測部３を引き上げることで、上面３１の開口３３ａから測定管３４内に安定液が連続的に流入され、削孔１内の深度ごとのスライムの物性が計測される。
【００６１】
この段階では図４のIIIに示すように、スライムが底面に沈降し深度方向における密度の分布が顕著になっており、また、必要に応じてスライムの除去及び正常な安定液との置換が行なわれているため、深度に応じて密度が急激に小さくなり、さらに、液相中に分散する固体成分が少なく安定液の密度は処理前よりも十分に小さくなる。このときの密度の値を指標の一つとし、目標値を満足しているかについて判断することで、安定液の置換作業の正確性を図ることができる。
【００６２】
以上、スライム性状管理手段１４は、計測位置と対応づけた安定液の物性情報に基づいて、性状計測部３の計測位置でのスライムの密度を算定し、その測定結果が所定の目標値を満足するように自動制御を繰り返し行なう。この作業を繰り返すことにより、削孔１内のスライムが効率よく除去され、注入安定液と十分に置換できたかを管理することができる。
【００６３】
（第２実施形態）
次に本発明の第２本実施形態にかかるスライム性状管理装置について説明する。図６は、場所打ちコンクリート杭等の構築のため地中を掘削した削孔と、この削孔内のスライムの沈降状態を測定する第２実施形態にかかるスライム性状管理装置の一例を示す図である。図７は、図６のスライム性状管理装置の構成要素のブロック図である。
【００６４】
本実施形態にかかるスライム性状管理装置１１０は、図１に示す装置と基本的構成を共通にするため、主に相違する部分について説明する。
【００６５】
本実施形態にかかるスライム性状管理装置１１０は、筐体３０に設けられ、性状計測部３一体的に構成された堆積量計測部４がワイヤー５によって位置変更手段としてのクレーン２から吊されている点で異なる。堆積量計測部４は、本発明の凝集量計測手段に相当するものであり、削孔１の底部近傍に堆積した固体成分１０２の堆積厚みを測定するための部材である。
【００６６】
堆積した固体成分１０２の堆積厚みを測定するに用いる堆積量計測部４は、比重の異なる複数のフロートを備えた多段重錘を用いて堆積厚みを計測する。また、測定された結果は、図６に示すように、ＰＬＣとモニターを備えた汎用計算機のようなスライム性状管理手段１４を用いて時系列に対応付けて管理、記録した上で、性状管理情報出力手段１５に出力することで表示または紙などの媒体に出力する。
【００６７】
図８は、本実施形態にかかるスライム性状管理装置に用いられる堆積量計測部４の構成を示す模式図である。本実施形態にかかる堆積量計測部４は、本体部４０から複数の重錘４１がリール４２にワイヤー４３で吊り下げられた構成であり、底面４４から鉛直方向下向きに伸びる支持脚４５が設けられている。なお、本実施形態においては、重錘４１は４つ設けられているが、個数については特に制限されるものではない。
【００６８】
複数の重錘４１は、比重がおおむね１から３程度でそれぞれ異なった値を有している。削孔１内の安定液は、底に近いほど固体成分１０２が高密度に堆積するため、当該比重に応じた位置までそれぞれの重錘が沈降し、重力と浮力が釣り合う位置で浮遊停止する。また、リール４２は、重錘４１が沈降した深さを測定するために、電気的な手段によりそれぞれのリール４２が繰り出したワイヤー４３の長さの情報を出力する。繰り出したワイヤー４３の長さは、本体部４０を基準として重錘４１がどの程度沈降しているか、すなわち重錘の停止深度を計測する指標となる。リール４２が繰り出したワイヤー４３の長さに関する情報は、それぞれの重錘４１ごとにスライム性状管理手段１４に送信され、それぞれの重錘４１の浮遊停止位置によって、それぞれの重錘に対応する異なる比重の固体成分１０２の厚み寸法を測定することができる。
【００６９】
支持脚４５は、既知の長さ（たとえば３ｍ）の棒状部材であり、支持地盤１０３から一定の高さ位置に本体部４０を配置するために用いられる。すなわち、位置変更手段２によって性状計測部３と堆積量計測部４を沈降させた場合、支持脚４５の先端４６が削孔１の底面に接触して、所定の硬度（例えば、ｎ値５０）を有する支持地盤１０３まで到達する。このタイミングで性状計測部３と堆積量計測部４の沈降を停止させることで、支持地盤１０３から常に一定の高さに本体部４０を配置することができる。なお、支持脚４５の長さは、特に限定されるものではなく、削孔１内のスライムの量によって決めればよい。ただし、重錘４１にて測定可能な固体成分１０２の全体の堆積厚みよりは長くしておくことが好ましい。
【００７０】
本実施形態にかかる堆積量計測部４は、支持脚４５によって削孔１の支持地盤１０３から一定の高さに本体部４０を確実に配置することができ、さらに、本体部から比重の異なる重錘４１を沈降させることで、測定値レベルを小さくすることができ誤差を少なくすることができる。すなわち、例えば１００ｍを超える深さを有する削孔１の底に堆積した固体成分の厚み寸法を、地上の位置変更手段２からの深度を測定する場合に較べて測定値レベルが小さく、誤差を少なくすることができる。
【００７１】
次に、本実施形態のスライム性状管理装置により計測される安定液の物性に基づいて行なわれる、スライム性状管理手法について説明する。
【００７２】
図７に示すように、本実施形態にかかるスライム性状管理装置は、図２に示したスライム性状管理装置と比較して、削孔１の底に堆積した固体成分の厚み寸法を測定する堆積量計測部４を備えている点で異なる。
【００７３】
スライム性状管理装置は、性状計測部３で、削孔１内のスライムを含む安定液の少なくとも密度と、流速・質量流量・体積流量の何れか一つ又は複数を連続的に計測し、これら計測結果をスライム性状管理手段１４に入力するようになっている。また、削孔１の底に堆積した固体成分の厚み寸法を堆積量計測部４によって測定し、この計測結果もスライム性状管理手段１４に入力する。
【００７４】
上記スライム性状管理手段１４は、位置変更手段２のワイヤー５の繰り出し量によって堆積量計測部４を予測し、上述した堆積量計測部４から得られた比重ごとの固体成分１０２厚み寸法の情報を含んだスライム分布状況を推定する。削孔１内のスライム分布状況に基づいて、必要に応じて自動制御手段１７が揚泥手段２１を任意の位置に移動させてスライムを揚泥する位置を変更させ、さらに、当該位置での安定液の揚泥後の性状測定を繰り返し、任意の位置における目標値を満足するように安定液の置換管理を制御する。
【００７５】
上記のように、本実施形態にかかるスライム性状管理装置は、孔内スライム分布推定手段１９により、性状計測部３で計測された安定液中に分散する場合各深度でのスライム性状を記録でき、さらに堆積量計測部４で計測された底に沈殿した固体成分１０２の厚み寸法を用いることより、スライム処理時に揚泥前の孔内スライム分布をさらに詳細に把握することができ、様々な方法によって削孔１内の安定液の状態管理を行うことができる。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態にかかるスライム性状管理装置によれば、固液混相流体の比重の偏在状況を把握でき、特に、流体中の偏在状況（密度）を空間位置座標と対応させて測定し、分散質が沈殿又は浮遊する場合の状況において固液混相流体の混合性状の測定、管理を行なうことができる。
【００７７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００７８】
例えば、上記実施形態は、場所打ちコンクリート杭の構築において、スライムの偏在状況を観測しながら削孔内におけるスライム分布の状況を把握し、削孔内スライムの置換管理を行なうスライム性状管理装置として説明したが、単に、性状計測部３及び堆積量計測部４を用いてスライムの偏在状況を観測するためのスライム物性測定装置とすることもできる。
【００７９】
また、固液混相流体の密度を測定する性状計測部３に搭載されているコリオリ式質量流量計は、直管型のものに限らず、曲管型のものを使用してもよい。また、測定管中に存在する固体成分を凝集の程度を測定するために、本実施形態では、下面側の開口３３ｂにシャッター機構３６を設ける構成としたが、上面の開口３３ａにも設けてもよい。
【００８０】
また、削孔内におけるスライムのように、固体成分が底に沈殿する固液混相流体に限定されず、液面に固体成分が凝集するなど、液体中に分散する分散質が経時により分離して定常状態となる性質を有する固液混相流体の物性測定に広く適用することができ、各深度での流体の密度などを測定可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 削孔
２ クレーン（位置変更手段）
３ 性状計測部
４ 堆積量計測部
５ ワイヤー
６ ケーブル
１０ ビーム
１１ ウィンチ
１２ ケーブル巻取りドラム
１３ ベースフレーム部
１４ スライム性状管理手段
１５ 性状管理情報出力手段
１６ 計測位置情報管理手段
１７ 自動制御手段
１８ 手動入力手段
１９ スライム分布推定手段
２１ 揚泥手段
２２ 注入手段
２３ 液面測定手段
３０ 筐体
３１ 筐体上面
３２ 筐体下面
３３ 開口
３４ 測定管
３５ フード
３６ シャッター
３７ 内部機構
４０ 堆積量計測部の本体部
４１ 重錘
４２ リール
４３ ワイヤー
４４ 本体部底面
１００，１１０ スライム性状管理装置
１０１ 安定液
１０２ 固体成分
１０３ 支持地盤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体と液体が混合された固液混相流体、特に経時により固相と液相に分離する固液混相流体の物性を測定する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体と液体とが混合された固液混相流体を用いた製品は、化粧品、医薬品、飲料、化学品など日常生活において広く用いられている。また、建築分野における大型構造物の基礎杭として構築される場所打ち杭の構築や、上下水の汚泥処理などのプラントなどでは、固液混相流体を用いた処理も広く行なわれている。これらの固液混相流体を用いる各分野では、製品の品質管理や工程管理のために、固液混相流体の性状、例えば、流体中で固体成分が沈降又は浮遊することに伴い生じる固体成分の偏在状況や、分散又は分離の程度の測定・管理が必要となる場合がある。
【０００３】
固液混相流体の性状を測定・管理する分野の一例として、場所打ち杭の構築について説明する。場所打ち杭の構築では、削孔内に注入される安定液の比重、粘度、pHを管理することで安定液を安定化させる工程が含まれている。安定液は、ベントナイト、ＣＭＣ、水の混合物であり、土木掘削工事一般において、孔壁の崩壊を防ぐため、また、掘削土砂の搬送を目的に利用されている。安定液は、所定の直径の削孔を掘削しながら削孔内に注入される。所定の深さまで掘削が完了した後は、削孔内のスライムを含む安定液を新しい安定液（以下、正常な安定液という場合がある。）に置換し、その後、前記削孔内にコンクリートを打設してコンクリート杭を構築する。
【０００４】
上記のような場所打ち杭の構築において、削孔内のスライムを含む安定液を除去して正常な安定液と置換する処理時に、十分な置換が行えないと、削孔の底部にスライムが残留することになる。このようにスライムが堆積する孔底へコンクリートを打設すると、コンクリートにスライムが混合することになり、杭底支持力を十分に得ることができず、このため、構造物の沈下等を招くという重大な事態が発生することになる。
【０００５】
以上の理由から、場所打ち杭の構築においては、削孔内に発生したスライムは、削孔の底部に位置するものまでできるだけ除去し、削孔内に存在するスライムを所定値以下にした状態でコンクリートを打設する。
【０００６】
このため、場所打ち杭の構築においては、安定液を充填した際の削孔内において、固体成分の沈降に伴う安定液のスライムの偏在状況を把握すること、特に、安定液の偏在状況を示す指針としての比重を充填空間位置座標と対応させて測定・管理すること、さらには、スライムが削孔の底に沈殿する場合及びスライムが液体中に分散している場合の両状況においても測定、管理することが求められている。
【０００７】
従来のスライム処理における応答性の高い処理状況管理手法として、電気比抵抗センサを用いて安定液の比抵抗値を計測することで、安定液中の砂分の量を計測する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
削孔より揚泥するスライムを含む安定液には、削孔屑である砂や礫、シルトなど各々に異なる電気的特性を持つ固体が、その含有比率に定めなく浮遊または、沈殿する固液二相状態として存在する。この手法は、揚泥したスライムを含む安定液の電気比抵抗値を測定することで、安定液中のスライムの量を測定するものである。しかし、この手法では、安定液に含まれる削孔屑の含有量及び削孔屑を構成する各成分の含有比率を正確に計測、定義することは困難であることから、測定の精度を高くすることはできないという問題があった。このため、この手法では、スライム処理を行う土質を事前に調査して安定液に含まれる砂分の比率を近似的な想定値で推定し、計測対象の安定液体積またはその流量を別途計測することで、安定液に含まれる砂分の量を推定することが行なわれており、測定の手間が大きいという問題がある。
【０００９】
また、他のスライム処理方法としては、支持部材にワイヤー等の可撓性部材を介して吊下げたサンドポンプを削孔内に挿入し、このポンプで削孔内のスライムを含む安定液を吸い上げて孔外に取出して揚泥経路を通して搬送し、揚泥経路中に配置された性状計測部でこの搬送中のスライムを含む安定液の密度を計測する手法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
しかし、この方法は揚泥手段でより高濃度の揚泥を行なうことを目的とするものであり、揚泥手段で揚泥した固液混相流体を揚泥経路中に設けられた計測手段で計測しているため、装置構成が大きくなるという問題がある。また、揚泥手段で強制的に安定液が揚泥されるため、削孔内の液中に浮遊するスライムの沈降状況などの観察が不十分であるという問題がある。
【００１１】
このため、現状においては、安定液の品質管理は、上述の不完全な計測要因をもつため、比重計測や電気比抵抗値の計測に加えて、サンプリングしたスライムを含む安定液を濾過した際のマッドケーキの観察や、作業者が重錘を用いて、削孔底残留スライム量を手探りで感性評価するなど、複数の観測と評価を行いながら、品質の管理を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−３５１１２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０９５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、上述の特許文献２に記載のスライム処理方法は、削孔内での揚泥位置と時間的に制限された、局所的なスライムの性状によって、スライムの置換状況を判断しているため、削孔内の液中に分散しているスライム分布状況を把握することができない。従って、揚泥手段をどのように決定するかについては不明確であり、揚泥位置での性状判断をするにとどまることから、揚泥位置の制御が場当たり式となり、スライムを含む安定液と正常な安定液との置換作業の正確性という点で改善の余地がある。
【００１４】
また、スライム処理における品質評価は、スライム処理後の孔底スライム量を作業員が重錘を垂らし、その着床感触を感性評価でしか観察していないため、残留スライム量を定量的に把握することが困難である。また、スライム処理後からコンクリート打設までの経過時間中に、削孔中に浮遊するスライムがどれだけ孔底に沈降するかも分からないため、スライム処理直後の残留スライム量を定性的に評価しただけでは、その後の堆積スライム量を保障できないという問題もある。
【００１５】
ところで、上記の装置を用いたスライム処理方法における課題は、削孔内でのスライムの性状の管理における課題だけにとどまらず、他の固液混相流体の性状管理についても広く当てはまる課題である。すなわち、固液混相流体の電気比抵抗値より、液相中に存在する固相の含有比率を一対一対応で正確に計測、定義することは困難で、また、その含有量を定めることも現実的ではない。
【００１６】
さらに、槽内の底に沈殿、あるいは、液面に浮揚した固相をポンプなどで吸引して測定することは、装置の大型化を招くと共に、液相中に浮遊する固相の密度を正確に測定することができないという問題がある。
【００１７】
そこで、この発明の課題は、上記のような問題点を解決するため、固液混相流体の比重の偏在状況を把握すること、特に、流体中の偏在状況（密度）を空間位置座標と対応させて測定し、固相が沈殿又は浮遊する場合の状況において固液混相流体の混合性状の測定、管理に好適に用いることができる固液混相流体の物性を測定する装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の固液混相流体の物性測定装置を提供する。
【００１９】
本発明は、固体と液体とが混合された固液混相流体を収容する収容槽内に配置され、内部に存在する流体の密度を測定するコリオリ式質量流量計のような測定管と、前記測定管の前記収容槽内での位置を変更して、水平面座標及び深度の情報などの前記測定管の位置情報を出力する位置変更手段とを備え、前記位置変更手段から出力される位置情報に基づき、前記測定管が位置する箇所における前記固液混相流体の密度を測定することを特徴とする、固液混相流体の物性測定装置である。
【００２０】
上記のコリオリ式質量流量計は、計測応答性が高く、沈殿物や浮遊物を含む固液二相状態である固液混相流体の密度および質量流量のオンライン計測が行えることから、固液混相流体をサンプリングする必要がなく、測定の手間を軽減することができる。
【００２１】
また、測定管は、両端が開口して鉛直方向に伸びる直管で構成され、上下に移動することで、内部の固液混相流体が流動する。
【００２２】
さらに、固液混相流体の物性を時系列に記録管理することで、計測された液体の性状をリアルタイムに表示することで、処理過程を定量的に評価判断できる。
【００２３】
また、固液混相流体の密度計測には、コリオリ式質量流量計以外にも、測定管中に吸光度測定などの手段を設けて固液混相流体中の分散質の濃度に基づいて計測対象の密度を測定することも可能である。
【００２４】
さらに、本発明は、上記の各構成に加え、位置変更手段により前記収容槽内を移動し、前記固液混相流体の液相から分離凝集した固体成分の密度に応じて、比重の異なる複数の重錘が浮遊停止する高さに基づいて前記固体成分の厚み寸法を測定する凝集量計測手段をさらに備えることを特徴とする、固液混相流体の物性測定装置を提供する。
【００２５】
凝集量計測手段は、比重の異なる複数の重錘と、個々の重錘に連結した各ワイヤーの繰り出し量を測定することで重錘が浮遊停止する高さを測定し、凝集した分散質の比重ごとの厚み寸法を測定するものを好適に用いることができる。さらに、槽内の底面に沈殿した固体層の厚み寸法を測定する場合には、長さ既知の支持脚を設けることにより、凝集量計測手段を収容槽の底面から所定の高さ位置を決定することができるため、収容槽の底面からの位置を基準として凝集した分散質の厚み寸法を測定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によると、測定管を固液混相流体を収容する収容槽内の任意の位置へ移動させることにより、収容槽内の固液混相流体が測定管内に流入するので、当該位置における固液混相流体の密度をリアルタイムにモニタリングできる。よって、応答性の高い固液混相流体の品質管理を行なうことができる。また、固液混相流体の比重の偏在状況を把握すること、特に、流体中の偏在状況（比重）を収容槽の空間位置座標と対応させて測定することができ、固体成分が沈降又は浮遊する場合において固液混相流体の混合性状の測定、管理に好適に用いることができる。
【００２７】
また、収容槽内の任意の位置へ配置され、当該位置において、定常状態で液層と分離凝集した固体成分の厚み寸法を、凝集した分散質の比重ごとにそれぞれ測定する凝集量計測手段を設けることで、凝集した固体成分の厚み寸法を小さい測定値レベルで得ることができる。例えば、底に沈殿した固体成分の厚み寸法を測定する場合、水面上から重錘などの手段で測定すると収容槽の深さ寸法に比較して微少な厚みの固体成分を測定することになるため測定値レベルが大きくなることとなり、誤差の原因となる。本発明によれば、槽内に凝集量計測手段を配置することで、当該凝集量計測手段の配置位置を基準として厚み寸法を測定することができるため、誤差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】場所打ちコンクリート杭等の構築のため地中を掘削した削孔と、この削孔内のスライム及び安定液の性状を測定するスライム性状管理装置の一例を示す図である。
【図２】図１のスライム性状管理装置の構成要素のブロック図である。
【図３】図１のスライム性状管理装置に用いられる性状計測部３の構成を示す模式図である。
【図４】削孔内各深度でのスライム分布性状分布図である。
【図５】削孔内安定液の性状を事前に測定するための工程を示すフローチャートである。
【図６】場所打ちコンクリート杭等の構築のため地中を掘削した削孔と、この削孔内のスライム及び安定液の性状を測定する第２実施形態にかかるスライム性状管理装置の一例を示す図である。
【図７】図６のスライム性状管理装置の構成要素のブロック図である。
【図８】本実施形態にかかるスライム性状管理装置に用いられる堆積量計測部４の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態に係る固液混相流体の物性測定装置について、図面を参照しながら説明する。以下、本実施形態においては、固液混相流体の物性測定装置の具体例として、スライムを含有する安定液の物性を測定し、測定結果に基づいて安定液の状態を管理するスライム性状管理装置を例にとって説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
スライム性状管理装置は、場所打ちコンクリート杭の構築において、削孔内におけるスライムの偏在状況を観測しながら削孔内におけるスライム分布の状況を把握し、削孔内スライムと安定液の置換作業の効率化と正確化を向上させ、より高品質なスライム処理、つまり、場所打ちコンクリート杭の安全性が保障できるようにする装置である。
【００３１】
図１は、場所打ちコンクリート杭等の構築のため地中を掘削した削孔と、この削孔内のスライム及び安定液の性状を測定するスライム性状管理装置の一例を示す図である。図２は、図１のスライム性状管理装置の構成要素のブロック図である。削孔１は所定の孔径と孔底が支持地盤１０３に達する深度を有し、上端部内周はスタンドパイプ１０４によって保護されている。一般には、削孔１は直径数メートルで深さが１００メートルにも及ぶ場合がある細長い形状をしている。
【００３２】
なお、スライムとは、削孔１の掘削によって発生した砂分、礫、粘土シルトの混合物である。また、安定液は、ベントナイト、ＣＭＣ、水からなり、スライムを含む安定液とはスライムと安定液との混合物である。また、スライムを含む安定液の物性とは、スライムを含む安定液の密度・流速・質量流量・体積流量・比重・粘度などを例示できる。削孔１内には、孔壁の崩壊を防ぐために安定液１０１が充填されており、削孔１の掘削時に発生するスライムが安定液１０１内に混入して分散すると共に、沈降スライム１０１ａとして安定液１０１内を沈降する。スライムは、経時により固体成分１０２として底面に堆積する。一般に、スライムの堆積物である固体成分１０２は、底面に近いほど高密度となる。
【００３３】
スライム性状管理装置１００において、性状計測部３は、スライムを含む安定液の物性を測定する。性状計測部３は、削孔１の外部に設けられた位置変更手段２からワイヤー５で吊り下げられ、削孔１内の任意の位置に配置されて当該位置でのスライムを含む安定液の物性をリアルタイムに計測する。
【００３４】
物性計測に用いる性状計測部３は、後述するコリオリ式質量流量計や、安定液に可視光又は赤外線などを照射しその吸光度を測定する吸光度測定などの原理を用いることで、計測対象である安定液の物性（密度又は質量流量）を計測する。また、測定された結果は、図２に示すように、汎用計算機のようなスライム性状管理手段１４を用いて時系列に対応付けて管理、記録した上で、性状管理情報出力手段１５に出力することで表示または紙などの媒体に出力する。
【００３５】
性状計測部３は、位置変更手段一例であるクレーン２のビーム１０の先端部からワイヤー巻取りウィンチ１１に巻かれたワイヤー５によって吊下げられており、さらに、性状計測部３に給電する電線及び測定情報を受信する複合ケーブル６と接続されている。ケーブル６はケーブル巻取りドラム１２に巻き取られ、ワイヤー５の繰り出し量に対応して繰り出される。
【００３６】
上記位置変更手段２は、図２の構成要素を配置したベースフレーム部１３の旋回及びビーム１０の伸縮により、性状計測部３を水平方向に移動させ、削孔１の任意の水平面座標位置に配置することができる。また、性状計測部３を吊り下げているワイヤー５を巻き取るウィンチ１１を駆動させることにより性状計測部３を上下に移動させることができる。上記の性状計測部３を移動させるためのアクチュエータには、それぞれエンコーダが配置され、その駆動量をリアルタイムに計測できるようになっており、性状計測部３の削孔１内での水平方向位置及び深度を検知することができる。
【００３７】
上記構成により性状計測部３の計測位置のための計測位置情報管理手段１６は、位置変更手段１４の各アクチュエータに配置したエンコーダに相当し、各エンコーダからの駆動信号から検知される計測位置情報と、計測位置のスライム性状情報と対応付けてスライム性状管理手段１４で記録管理する。
【００３８】
なお、性状計測部３を移動させるための位置変更手段２の旋回や進退動からなる水平移動と上下動は、人力操作で行うことも可能であるが、電動モータとラックやピニオン等の機構を用い、自動制御によって水平移動と上下動を行わせるようにすることが望ましい。
【００３９】
性状計測部３は、例えば、コリオリ式質量流量計や吸光度測定などの原理を利用してスライムを含む安定液の物性をリアルタイムに計測する。計測結果である計測情報は、上記の通りスライム性状管理手段１４に出力され、深度と水平位置を含む計測位置ごとの処理目標物性値と比較評価される。
【００４０】
図３は、本実施形態にかかるスライム性状管理装置に用いられる性状計測部３の構成を示す模式図である。本実施形態にかかる性状計測部３は、上面３１及び下面３２に開口３３（３３ａ，３３ｂ）が設けられた箱形の筐体３０の内部に直管型のコリオリ式質量流量計を内蔵する。
【００４１】
コリオリ式質量流量計は、測定対象流体が流れるフローチューブに固有振動数の振動を与え、当該振動によるフローチューブの歪みを計測することで、測定対象流体の質量流量や密度を測定するものである。コリオリ式質量流量計は、一般に、フローチューブに固有振動数の振動を与える電磁オシレータやフローチューブの歪みを測定する電磁ピックオフなどの各種部材を備えるが、図３ではこれらを内部機構３７としてまとめて簡略的に記載する。
【００４２】
筐体３０の形状は特に限定されるものではないが、コリオリ式質量流量計を水密に内蔵することができるものであることが好ましい。また、スライムの筐体３０上への堆積を少なくするために上面３１及び下面３２の面積を小さくし、また、性状計測部３の上下移動の抵抗を小さくするために流線型に構成することもできる。
【００４３】
コリオリ式質量流量計のフローチューブとしての測定管３４は、筐体３０の上面３１及び下面３２に設けられた開口３３と連通し、鉛直方向に伸びて、上面から下面に貫通する測定経路を画定する。また、上記の通り、位置変更手段２のワイヤー巻取りウィンチ１１を駆動させることで、性状計測部３が上下移動し、上面３１及び下面３２に設けられた開口３３から安定液が測定経路内へ流入して測定経路を流動することとなる。よって、性状計測部３は、削孔１の配置位置において当該測定経路を流動する安定液の質量流量又は密度を測定することができる。
【００４４】
本実施形態にかかる性状計測部３は、上面３１及び下面３２に測定管３４と同じ内径寸法を有するフード３５を備えている。フード３５は、上下移動する際に筐体３０の上面３１及び下面３２に堆積、接触する安定液及びスライムが開口３３内に流れ込むことを防止し、誤差を少なくするためのものである。フード３５の高さ寸法は、開口３３からの安定液の流入を案内することができるものであれば特に限定されない
【００４５】
また、フード３５の形状は開口３３の内径と略同じ内径にすることが好ましい。
【００４６】
本実施形態にかかる性状計測部３の下面３２に設けられた開口３３ｂの近傍には、シャッター機構３６が設けられており、下面の開口３３ｂを開閉できるように構成されている。シャッター機構３６を閉じた状態では、上面３１に設けられた開口３３ａからスライムが測定管３４内へ沈降し、安定液中を浮遊するスライムが測定経路内で堆積する状態となる。
【００４７】
次に、本実施形態のスライム性状管理装置により計測される安定液の物性に基づいて行なわれる、スライム及び安定液の性状の管理手法について説明する。
【００４８】
図２に示すように、スライム性状管理装置は、性状計測部３と、スライム性状管理手段１４と、計測位置情報管理手段１６と、計測位置を移動する位置変更手段としてのクレーン２と、揚泥位置を手動で操作する手動入力手段１８と、計測位置を制御する自動制御手段１７と、スライム分布推定手段１９と、性状管理情報出力手段１５とを備える。また、後述するように、揚泥手段２１により安定液及びスライムの揚泥及び正常な安定液の補充を性状管理時に同時に行なう場合には、必要に応じて安定液の注入手段２２と、液面測定手段２３とを備えてもよい。
【００４９】
スライム性状管理装置は、削孔１内の任意の位置において性状計測部３により削孔１内のスライムを含む安定液の少なくとも密度と、流速・質量流量・体積流量の何れか一つ又は複数を連続的に計測し、これら計測結果をスライム性状管理手段１４に入力する。
【００５０】
上記スライム性状管理手段１４は、上記スライム性状管理情報とクレーン２から入力される計測位置情報を対応付け、削孔１内の任意の位置における安定液の密度を記録・管理する。この情報は、スライム分布推定手段２１に送られ、削孔１内のスライム分布状況が作成される。また、スライム性状管理手段１４は、性状計測部３により測定された密度の情報から変換可能な他の情報への出力値の変換を行なう。変換される出力値としては、比重、砂分率などが例示できる。
【００５１】
自動制御手段１７は、スライム分布状況に基づいて、必要に応じて揚泥手段２１（図２参照）を任意の位置に移動させてスライムを揚泥する位置を変更させ、スライムの除去を行なう。なお、揚泥手段により安定液を揚泥した場合は、揚泥した分量に相当する安定液を注入手段２２及び液面測定手段２３によって補充する。
【００５２】
スライム処理された安定液については、さらに、当該位置での安定液の揚泥後の性状測定を繰り返し、任意の位置における目標値を満足するように安定液の置換管理を制御する。
【００５３】
上記のように、本実施形態にかかるスライム性状管理装置は、孔内スライム分布推定手段１９で各深度でのスライム性状を記録・管理することより、スライム処理前後における孔内スライム分布をリアルタイムに把握することができ、様々な方法によって削孔１内の安定液の状態管理を行うことができる。具体的な一例としては、図５に示すフローチャートのように処理をすることができる。
【００５４】
図１に示すように、地面に掘削された削孔１に対してスライム性状管理装置をセットし、削孔１の水平方向位置における性状計測部３の位置を決定する。次いで、スライム処理前における削孔１内のスライム性状管理を行なうために吊下げた性状計測部３をウィンチ１１の駆動により削孔１内に沈降させる。性状計測部３の沈降に伴い、開口３３の面積に応じた安定液がクレーン２による沈降速度に近似する速度で連続的に下面３２の開口３３ｂから測定管３４内に流入し、削孔１内の深度ごとのスライムの物性が計測される（＃１０１）。性状計測部３で計測した安定液の物性値は、性状計測部３の深度と対応づけて管理されスライム性状管理手段１４に入力される。
【００５５】
なお、この段階で計測された物性値は、一般的には、図４のIのように、スライム処理前においては、安定液中にスライムが略均一に分散した状態となっているため、深度に応じてスライムの分布密度に大きな差は生じない。なお、この段階の計測は、削孔１の水平方向位置を変えて複数回繰り返して行なってもよい。
【００５６】
所定の深度までのスライムの物性計測が終了すると、沈降待ちの工程を行なう（＃１０２）。沈降待ちの状態では、図４のIIに示すように、堆積によりスライムの密度が経時と供に上昇する。
【００５７】
沈降待ちの工程では、筐体下面３２の開口３３ｂのシャッター３６を閉じ、計測管内でスライムを堆積させるようにしてもよい。安定液中のスライムは、経時により水相と固相に分離して定常状態となる性質を有し、削孔１の底に近いほど高密度でスライムが堆積する。高密度のスライムの密度測定は誤差が大きくなることがあり、また、性状計測部３の測定管３４内で新たにスライムの堆積の状況を継続して測定することで、スライム堆積に要する時間を予測することができる。
【００５８】
沈降待ちの工程で、所定の時間が経過すると、削孔１内のスライムが沈降し、効率よく揚泥できるようになる。このタイミングで自動制御手段１７からの位置制御情報によって、揚泥手段（図２参照）を任意の位置へ移動させ、揚泥を行なうことで効率よく揚泥を行なうことができる（＃１０３）。
【００５９】
揚泥手段を削孔１内の安定液中に沈降させると、スライムを含む安定液の吐出が開始される。このとき、揚泥手段により抜き出された安定液を補充するために、液面測定手段２３と、安定液の注入手段２２による管理を行なうことが好ましい。
【００６０】
沈降待ちが終了すると、性状計測部３を引き上げつつ計測を行なう（＃１０４）。図４においては、このときの密度・深度分布を破線で示している。性状計測部３を引き上げることで、上面３１の開口３３ａから測定管３４内に安定液が連続的に流入され、削孔１内の深度ごとのスライムの物性が計測される。
【００６１】
この段階では図４のIIIに示すように、スライムが底面に沈降し深度方向における密度の分布が顕著になっており、また、必要に応じてスライムの除去及び正常な安定液との置換が行なわれているため、深度に応じて密度が急激に小さくなり、さらに、液相中に分散する固体成分が少なく安定液の密度は処理前よりも十分に小さくなる。このときの密度の値を指標の一つとし、目標値を満足しているかについて判断することで、安定液の置換作業の正確性を図ることができる。
【００６２】
以上、スライム性状管理手段１４は、計測位置と対応づけた安定液の物性情報に基づいて、性状計測部３の計測位置でのスライムの密度を算定し、その測定結果が所定の目標値を満足するように自動制御を繰り返し行なう。この作業を繰り返すことにより、削孔１内のスライムが効率よく除去され、注入安定液と十分に置換できたかを管理することができる。
【００６３】
（第２実施形態）
次に本発明の第２本実施形態にかかるスライム性状管理装置について説明する。図６は、場所打ちコンクリート杭等の構築のため地中を掘削した削孔と、この削孔内のスライムの沈降状態を測定する第２実施形態にかかるスライム性状管理装置の一例を示す図である。図７は、図６のスライム性状管理装置の構成要素のブロック図である。
【００６４】
本実施形態にかかるスライム性状管理装置１１０は、図１に示す装置と基本的構成を共通にするため、主に相違する部分について説明する。
【００６５】
本実施形態にかかるスライム性状管理装置１１０は、筐体３０に設けられ、性状計測部３一体的に構成された堆積量計測部４がワイヤー５によって位置変更手段としてのクレーン２から吊されている点で異なる。堆積量計測部４は、本発明の凝集量計測手段に相当するものであり、削孔１の底部近傍に堆積した固体成分１０２の堆積厚みを測定するための部材である。
【００６６】
堆積した固体成分１０２の堆積厚みを測定するに用いる堆積量計測部４は、比重の異なる複数のフロートを備えた多段重錘を用いて堆積厚みを計測する。また、測定された結果は、図６に示すように、ＰＬＣとモニターを備えた汎用計算機のようなスライム性状管理手段１４を用いて時系列に対応付けて管理、記録した上で、性状管理情報出力手段１５に出力することで表示または紙などの媒体に出力する。
【００６７】
図８は、本実施形態にかかるスライム性状管理装置に用いられる堆積量計測部４の構成を示す模式図である。本実施形態にかかる堆積量計測部４は、本体部４０から複数の重錘４１がリール４２にワイヤー４３で吊り下げられた構成であり、底面４４から鉛直方向下向きに伸びる支持脚４５が設けられている。なお、本実施形態においては、重錘４１は４つ設けられているが、個数については特に制限されるものではない。
【００６８】
複数の重錘４１は、比重がおおむね１から３程度でそれぞれ異なった値を有している。削孔１内の安定液は、底に近いほど固体成分１０２が高密度に堆積するため、当該比重に応じた位置までそれぞれの重錘が沈降し、重力と浮力が釣り合う位置で浮遊停止する。また、リール４２は、重錘４１が沈降した深さを測定するために、電気的な手段によりそれぞれのリール４２が繰り出したワイヤー４３の長さの情報を出力する。繰り出したワイヤー４３の長さは、本体部４０を基準として重錘４１がどの程度沈降しているか、すなわち重錘の停止深度を計測する指標となる。リール４２が繰り出したワイヤー４３の長さに関する情報は、それぞれの重錘４１ごとにスライム性状管理手段１４に送信され、それぞれの重錘４１の浮遊停止位置によって、それぞれの重錘に対応する異なる比重の固体成分１０２の厚み寸法を測定することができる。
【００６９】
支持脚４５は、既知の長さ（たとえば３ｍ）の棒状部材であり、支持地盤１０３から一定の高さ位置に本体部４０を配置するために用いられる。すなわち、位置変更手段２によって性状計測部３と堆積量計測部４を沈降させた場合、支持脚４５の先端４６が削孔１の底面に接触して、所定の硬度（例えば、ｎ値５０）を有する支持地盤１０３まで到達する。このタイミングで性状計測部３と堆積量計測部４の沈降を停止させることで、支持地盤１０３から常に一定の高さに本体部４０を配置することができる。なお、支持脚４５の長さは、特に限定されるものではなく、削孔１内のスライムの量によって決めればよい。ただし、重錘４１にて測定可能な固体成分１０２の全体の堆積厚みよりは長くしておくことが好ましい。
【００７０】
本実施形態にかかる堆積量計測部４は、支持脚４５によって削孔１の支持地盤１０３から一定の高さに本体部４０を確実に配置することができ、さらに、本体部から比重の異なる重錘４１を沈降させることで、測定値レベルを小さくすることができ誤差を少なくすることができる。すなわち、例えば１００ｍを超える深さを有する削孔１の底に堆積した固体成分の厚み寸法を、地上の位置変更手段２からの深度を測定する場合に較べて測定値レベルが小さく、誤差を少なくすることができる。
【００７１】
次に、本実施形態のスライム性状管理装置により計測される安定液の物性に基づいて行なわれる、スライム性状管理手法について説明する。
【００７２】
図７に示すように、本実施形態にかかるスライム性状管理装置は、図２に示したスライム性状管理装置と比較して、削孔１の底に堆積した固体成分の厚み寸法を測定する堆積量計測部４を備えている点で異なる。
【００７３】
スライム性状管理装置は、性状計測部３で、削孔１内のスライムを含む安定液の少なくとも密度と、流速・質量流量・体積流量の何れか一つ又は複数を連続的に計測し、これら計測結果をスライム性状管理手段１４に入力するようになっている。また、削孔１の底に堆積した固体成分の厚み寸法を堆積量計測部４によって測定し、この計測結果もスライム性状管理手段１４に入力する。
【００７４】
上記スライム性状管理手段１４は、位置変更手段２のワイヤー５の繰り出し量によって堆積量計測部４を予測し、上述した堆積量計測部４から得られた比重ごとの固体成分１０２厚み寸法の情報を含んだスライム分布状況を推定する。削孔１内のスライム分布状況に基づいて、必要に応じて自動制御手段１７が揚泥手段２１を任意の位置に移動させてスライムを揚泥する位置を変更させ、さらに、当該位置での安定液の揚泥後の性状測定を繰り返し、任意の位置における目標値を満足するように安定液の置換管理を制御する。
【００７５】
上記のように、本実施形態にかかるスライム性状管理装置は、孔内スライム分布推定手段１９により、性状計測部３で計測された安定液中に分散する場合各深度でのスライム性状を記録でき、さらに堆積量計測部４で計測された底に沈殿した固体成分１０２の厚み寸法を用いることより、スライム処理時に揚泥前の孔内スライム分布をさらに詳細に把握することができ、様々な方法によって削孔１内の安定液の状態管理を行うことができる。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態にかかるスライム性状管理装置によれば、固液混相流体の比重の偏在状況を把握でき、特に、流体中の偏在状況（密度）を空間位置座標と対応させて測定し、分散質が沈殿又は浮遊する場合の状況において固液混相流体の混合性状の測定、管理を行なうことができる。
【００７７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００７８】
例えば、上記実施形態は、場所打ちコンクリート杭の構築において、スライムの偏在状況を観測しながら削孔内におけるスライム分布の状況を把握し、削孔内スライムの置換管理を行なうスライム性状管理装置として説明したが、単に、性状計測部３及び堆積量計測部４を用いてスライムの偏在状況を観測するためのスライム物性測定装置とすることもできる。
【００７９】
また、固液混相流体の密度を測定する性状計測部３に搭載されているコリオリ式質量流量計は、直管型のものに限らず、曲管型のものを使用してもよい。また、測定管中に存在する固体成分を凝集の程度を測定するために、本実施形態では、下面側の開口３３ｂにシャッター機構３６を設ける構成としたが、上面の開口３３ａにも設けてもよい。
【００８０】
また、削孔内におけるスライムのように、固体成分が底に沈殿する固液混相流体に限定されず、液面に固体成分が凝集するなど、液体中に分散する分散質が経時により分離して定常状態となる性質を有する固液混相流体の物性測定に広く適用することができ、各深度での流体の密度などを測定可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 削孔
２ クレーン（位置変更手段）
３ 性状計測部
４ 堆積量計測部
５ ワイヤー
６ ケーブル
１０ ビーム
１１ ウィンチ
１２ ケーブル巻取りドラム
１３ ベースフレーム部
１４ スライム性状管理手段
１５ 性状管理情報出力手段
１６ 計測位置情報管理手段
１７ 自動制御手段
１８ 手動入力手段
１９ スライム分布推定手段
２１ 揚泥手段
２２ 注入手段
２３ 液面測定手段
３０ 筐体
３１ 筐体上面
３２ 筐体下面
３３ 開口
３４ 測定管
３５ フード
３６ シャッター
３７ 内部機構
４０ 堆積量計測部の本体部
４１ 重錘
４２ リール
４３ ワイヤー
４４ 本体部底面
１００，１１０ スライム性状管理装置
１０１ 安定液
１０２ 固体成分
１０３ 支持地盤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体と液体とが混合された固液混相流体を収容する収容槽内に配置され、内部に存在する流体の密度を測定する測定管と、
前記測定管の前記収容槽内での位置を変更して、前記測定管の位置情報を出力する位置変更手段とを備え、
前記位置変更手段から出力される位置情報に基づき、前記測定管が位置する箇所における前記固液混相流体の密度を測定することを特徴とする、固液混相流体の物性測定装置。
【請求項２】
前記測定管は、両端が前記収容槽の深さ方向に開口し、前記位置変更手段により上下方向に移動することで前記固液混相流体を内部に流動させることを特徴とする、請求項１に記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項３】
前記測定管は、コリオリ式質量流量計であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項４】
前記測定管で計測された計測情報を時系列に記録・管理する性状管理手段と、
前記性状管理手段で記録・管理された性状情報を表示・出力する管理情報出力手段と、
を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項５】
前記位置変更手段により前記収容槽内を移動し、前記固液混相流体の液相から分離凝集した固体成分の密度に応じて、比重の異なる複数の重錘が浮遊停止する高さに基づいて前記固体成分の厚み寸法を測定する凝集量計測手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項６】
凝集量計測手段は、個々の重錘と連結したワイヤーの繰り出し量に基づいて、前記重錘が浮遊停止する高さを測定することを特徴とする、請求項５に記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項７】
凝集量計測手段は、下端が収容槽内の底面に接触するように設けられた支持脚により位置決めされ、収容槽内の底面に堆積した固体成分の厚み寸法を測定することを特徴とする、請求項６に記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項８】
内部に存在する流体の密度を測定する測定管を固体と液体とが混合された固液混相流体を収容する収容槽内に配置し、前記収容槽内の前記測定管の位置を移動させて前記測定管が位置する箇所における前記固液混相流体の密度を測定することを特徴とする、固液混相流体の物性測定方法。
【請求項９】
さらに、前記固液混相流体の計測情報を性状管理手段で時系列に記録・管理し、管理・記録した性状情報を管理情報出力手段で表示・出力することを特徴とする請求項８に記載の固液混相流体の物性測定方法。
【請求項１０】
前記収容槽は、地中を掘削した削孔であることを特徴とする、請求項８又は９に記載の固液混相流体の物性測定方法。
【請求項１】
固体と液体とが混合された固液混相流体を収容する収容槽内に配置され、内部に存在する流体の密度を測定する測定管と、
前記測定管の前記収容槽内での位置を変更して、前記測定管の位置情報を出力する位置変更手段とを備え、
前記位置変更手段から出力される位置情報に基づき、前記測定管が位置する箇所における前記固液混相流体の密度を測定することを特徴とする、固液混相流体の物性測定装置。
【請求項２】
前記測定管は、両端が前記収容槽の深さ方向に開口し、前記位置変更手段により上下方向に移動することで前記固液混相流体を内部に流動させることを特徴とする、請求項１に記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項３】
前記測定管は、コリオリ式質量流量計であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項４】
前記測定管で計測された計測情報を時系列に記録・管理する性状管理手段と、
前記性状管理手段で記録・管理された性状情報を表示・出力する管理情報出力手段と、
を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項５】
前記位置変更手段により前記収容槽内を移動し、前記固液混相流体の液相から分離凝集した固体成分の密度に応じて、比重の異なる複数の重錘が浮遊停止する高さに基づいて前記固体成分の厚み寸法を測定する凝集量計測手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項６】
凝集量計測手段は、個々の重錘と連結したワイヤーの繰り出し量に基づいて、前記重錘が浮遊停止する高さを測定することを特徴とする、請求項５に記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項７】
凝集量計測手段は、下端が収容槽内の底面に接触するように設けられた支持脚により位置決めされ、収容槽内の底面に堆積した固体成分の厚み寸法を測定することを特徴とする、請求項６に記載の固液混相流体の物性測定装置。
【請求項８】
内部に存在する流体の密度を測定する測定管を固体と液体とが混合された固液混相流体を収容する収容槽内に配置し、前記収容槽内の前記測定管の位置を移動させて前記測定管が位置する箇所における前記固液混相流体の密度を測定することを特徴とする、固液混相流体の物性測定方法。
【請求項９】
さらに、前記固液混相流体の計測情報を性状管理手段で時系列に記録・管理し、管理・記録した性状情報を管理情報出力手段で表示・出力することを特徴とする請求項８に記載の固液混相流体の物性測定方法。
【請求項１０】
前記収容槽は、地中を掘削した削孔であることを特徴とする、請求項８又は９に記載の固液混相流体の物性測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５４８２１（Ｐ２０１２−１５４８２１Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４６９２（Ｐ２０１１−１４６９２）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（３９１０１５２３６）大裕株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（３９１０１５２３６）大裕株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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