JP5388193B2 - 吸引力発生装置及び真空圧密地盤改良工法 - Google Patents

Description

本発明は、サイフォン機能による吸引力発生装置及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。

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（真空圧密地盤改良工法）が用いられている（例えば、特許文献１〜４参照）。

特開２００１−２２６９５１号公報 特開２００２−１３８４５６号公報 特開２００３−２６１９２９号公報 特開２０００−３２８５５０号公報

従来の真空ポンプによる吸引装置は真空ポンプの能力のみに頼って吸引を行っている。このため、従来の吸引装置によれば、真空ポンプの能力以上に圧密を促進する吸引力を作用させることができない。この理由から、従来の軟弱地盤の真空圧密地盤改良工法において真空ポンプのみでは吸引力が不足する場合は、盛土による載荷を併用しなければならなかった。

また、真空ポンプの力と水面位置の差による力とを利用した吸引装置に関し、水面下の地盤の間隙水の吸引を目的にした水底軟弱地盤の減容化工法が提案されている（特許文献３参照）。この従来技術は、水面が、間隙水を吸引したい地盤よりも高い位置にあることにより、水圧による圧縮力が作用して、間隙水を搾り出すものであり、改良したい地盤が水中にあるとともに、地盤面位置が、排水部（減圧室）の水位よりも低い位置にあるという条件の下でのみ適用できるものである。この従来方法は、改良したい地盤が陸上にあることを想定するものでなく、改良地盤面の天端位置から導かれるホースは、減圧室の側面に結合される形態としている。

大きな吸引力を作用させる条件では、溶存酸素等の気化や通水管の気密漏れ部から流入する気体の存在を考慮しなければならないが、陸上の地盤の間隙水を吸引するために、この従来方法の形態を単純に変更して、上部から鉛直に管をつなげるだけでは、水と気体の流れが分離してしまうため、サイフォンの原理に従う吸引力は働かない。すなわち、陸上域の地盤を対象にした場合には、従来技術によれば、真空ポンプの能力以上の吸引力を発揮させることはできなかった。

本発明は、水に気体が含まれる場合でもサイフォンの原理に従う吸引力を発生可能な吸引力発生装置を提供することを目的とする。また、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可能な真空圧密地盤改良工法を提供することを目的とする。

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し水平方向に延びる第２の管と、を有し、前記第１の管の下端側と、前記第２の管の先端側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を作用させて真空圧密による地盤改良を行うための吸引力発生装置であって、前記第１の管の径が前記第２の管の径よりも小さく、前記第２の管と前記第１の管とを径が漸減する漸縮接続管を介して接続し、前記第２の管内に水と分離して存在する空気が前記漸縮接続管内で気泡となって前記第１の管内で気液２相流として流下することでサイフォン機能により吸引力を発生させ、前記第１の管の下端を収納する密閉室と、前記密閉室内を減圧する真空ポンプと、前記密閉室内の貯留水を外部に排水する排水設備と、を備え、前記密閉室内を前記真空ポンプにより減圧することで前記真空ポンプによる吸引力に前記サイフォン機能による吸引力を加えるとともに、前記排水設備により前記密閉室内の貯留水を排水し、前記第１の管の下端が前記密閉室内の貯留水の水面よりも下に位置することを特徴とする。

この吸引力発生装置によれば、上部から下部に向けて延びる第１の管の径を水平方向に延びる第２の管の径よりも小さくし、第２の管と第１の管とを径が漸減する漸縮接続管を介して接続することで、第２の管内に水と分離して存在する空気が漸縮接続管内で水中の気泡となって第１の管内で気液２相流として安定して流れてサイフォン機能により吸引力を発生させることができ、第２の管の先端から空気を含む水を吸引し第１の管の下端から排水できる。このため、水に気体が含まれる場合でもサイフォンの原理に従う吸引力を安定して発生させることができる。

上記吸引力発生装置において前記第１の管の下端から流れ出した気液２相流の気泡が前記第１の管内に再浮上し逆流することを防止するための空気逆流防止装置を備えることで、第１の管への気泡の逆流を防止でき、水と空気の気液２相流が安定して流れ、安定したサイフォン機能の維持に寄与できる。

また、前記漸縮接続管は直線的に傾斜して内径が漸減し、その傾斜線を下方に延長した延長線が交叉したときの漸縮角度θが４５°以下であることが好ましい。漸縮角度θが４５°以下であることで、流れのエネルギの損失が小さくなり、流れがスムーズになる。

上記吸引力発生装置は真空ポンプによる動力装置を併用することが好ましい。これにより、サイフォン機能が停止した場合に、その再開を容易に行うことができる。

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軟弱地盤において真空圧密による地盤改良を行うことを特徴とする。

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を併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、また、従来の真空圧密工法に比べて吸引力が増加するため、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。

なお、上記吸引力発生装置において第１の管は、鉛直方向に延びるように設置されてよいが、鉛直方向に設置されるものに限定されず、傾斜して設置されてもよい。

本発明の吸引力発生装置によれば、水に気体が含まれる場合でもサイフォンの原理に従う吸引力を安定して発生させることができる。

本発明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を真空ポンプと併用することにより、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及び地盤改良期間の短縮を実現できる。

第１の実施形態による吸引力発生装置の構成を概略的に示す図（ａ）および要部拡大図（ｂ）である。 図１の吸引力発生装置の漸縮接続管における水と空気との流れを説明するための模式図である。 サイフォン機能による水と空気との流れを実現できない状態を説明するための模式図である。 図３，図４はサイフォン機能による水と空気との流れを実現できないもう１つの状態を説明するための模式図である。 内径３０ｍｍの管内旋回気液二相流（空気量が左側で少なく、右側で多い）を示す図である（神戸市立工業高等専門学校 教育研究シーズ（http://www.kobe-kosen.ac.jp/kyoudou/seeds/pdf/M/M_shakutui.pdf）［気泡を含む水の流れ（気液二相流）に関する研究］）。 第２の実施形態による真空圧密地盤改良工法を行う真空圧密地盤改良システムの構成を概略的に示す図である。 図６の鉛直通水管の下端に設けた空気逆流防止装置の作用効果を説明するための要部を示す図（ａ）及び鉛直通水管の下端において生じる問題を説明するための図（ｂ）である。 第３の実施形態による真空圧密地盤改良工法を行う真空圧密地盤改良システムの構成を概略的に示す図である。 本実施例で用いた実験装置を概略的に示す図である。 比較例１において流速０．７ｍ／秒、空気混入率０％の条件で測定した各位置Ｓｔ．Ａ〜Ｓｔ．Ｅにおける作用負圧の経過時間による変化を示すグラフである。 比較例２において流速０．７ｍ／秒、空気混入率５％の条件で測定した最下部にあるＳｔ．Ａの圧力を基準とした各位置Ｓｔ．Ｂ〜Ｓｔ．Ｅにおける圧力偏差の経過時間による変化を示すグラフである。 実施例において流速０．７ｍ／秒、空気混入率１０％の条件で測定した最下部にあるＳｔ．Ａの圧力を基準とした各位置Ｓｔ．Ｂ〜Ｓｔ．Ｅにおける圧力偏差の経過時間による変化を示すグラフである。 比較例３において流速０．７ｍ／秒、空気混入率１０％の条件で測定した最下部にあるＳｔ．Ａの圧力を基準とした各位置Ｓｔ．Ｂ〜Ｓｔ．Ｅにおける圧力偏差の経過時間による変化を示すグラフである。 実施例、比較例１〜３において、流速を０．４ｍ／秒としたときの空気混入率と圧力偏差との関係を示すグラフである。 実施例、比較例１〜３において、流速を０．７ｍ／秒としたときの空気混入率と圧力偏差との関係を示すグラフである。 管の径が急減に縮小する急縮管の場合におけるエネルギ損失を説明するための図である。 図１６の急縮管の場合における損失係数ｆ_scを急拡前後の面積比Ａ１／Ａ２との関係で示す表である（「水理公式集」土木学会編（平成11年度）３７４頁参照）。 管の径が漸減する漸縮管の場合、各面積比Ａ１／Ａ２について損失係数と角度θとの関係を示すグラフである（岩佐義朗 朝倉土木工学講座３ 朝倉出版、２６８頁）。

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。

〈第１の実施形態〉
図１は第１の実施形態による吸引力発生装置の構成を概略的に示す図（ａ）および要部拡大図（ｂ）である。図２は図１の吸引力発生装置の漸縮接続管における水と空気との流れを説明するための模式図である。図３，図４はサイフォン機能による水と空気との流れを実現できない状態を説明するための模式図である。なお、図１〜図４の縦方向が鉛直方向、横方向が水平方向である。

図１（ａ）の吸引力発生装置は、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１と、鉛直管１の上部で水平方向に延びる第２の管である水平管２と、鉛直管１の上部に配置されて水平管２に接続する漸縮接続管３と、を備え、鉛直管１及び水平管２は円筒管からなる。鉛直管１の内径は水平管２の内径よりも小さく、鉛直管１の通水断面積が水平管２の通水断面積よりも小さくなっている。

漸縮接続管３は、その内径が図１（ａ）（ｂ）の上側で大きく下側に向けて漸減し縮径されて小さくなるように構成されており、水平管２とほぼ同じ内径の上部管３ａを有し、上側で上部管３ａが水平管２に接続し、下側で上部管３ａよりも内径の小さい鉛直管１に接続されている。漸縮接続管３は、図１（ｂ）のように内面が直線的に傾斜して内径が漸減し、その傾斜線を下方に延長した延長線１ａ，１ｂが交叉して挟角（角度θ）をなし、その角度（漸縮角度）θは４５°以下（θ≦４５°）が好ましい。

図１（ａ）（ｂ）のように、本実施形態の吸引力発生装置は、鉛直管１の径を水平管２よりも小さく定め、４５°以下の漸縮角度θで内径が漸縮する構造を有する漸縮接続管３を用いて水平管２と径の小さい鉛直管１とを接続することにより、鉛直管１内で水と気体が混合した気液２相流を安定して形成させ、サイフォンを機能させるものである。

図１（ａ）のように、鉛直管１の下端１ａが水中にあるとき、その排水面と水平管２の先端２ａ側の水面との間の水位差ΔＨに起因するサイフォン機能により鉛直管１の下端１ａ側に吸引力が発生することで、破線で示す方向ｆに水が流れる。なお、図１の排水面が鉛直管１の下端１ａに達していないときは、鉛直管１の下端１ａと水平管２の先端２ａ側の水面との間の水位差に起因するサイフォン機能により鉛直管１の下端１ａ側に吸引力が発生する。

次に、本実施形態の吸引力発生装置の原理について説明する。浮力による気泡の上昇速度ν_aは、浮力と抗力のつりあいにより、次の式（１）によって評価できる。

ν_a＝［８ｇｒ_a／（３Ｃ_D）］^0.5 （１）

ここで、ｒ_aは気泡の半径であり、気泡の大きさは最大で管径の１／２となりえる。また、Ｃ_Dは抗力係数であり、０．５で与えられる。

また、管の通水断面積をＡとすると、気泡の最大半径ｒ_a(max)は、次の式（２）で表すことができる。

ｒ_a(max)＝（Ａ／π）^0.5 （２）

また、鉛直管に流入してくる水の流量がＱのとき、鉛直管を流下する水の流速ν_wは、次の式（３）で評価できる。

ν_w＝Ｑ／Ａ （３）

上記式（３）は、水平管から流入してくる流量に対して、鉛直管の内径を小さくし、通水断面積を小さくすると、流速が増加することを示している。

ここで、鉛直管内において、鉛直管を流下する水の流速ν_w＞気泡の上昇速度ν_aとなるような鉛直管構造を設けることにより、気泡が水の流れに連行され、気液混相流（気液２相流）が形成されるためサイフォンが機能する。

ν_w＞ν_aの上記条件を成立させるために次の構成が考えられる。
(1)鉛直管の内径を小さくして、形成されうる気泡の最大径を小さくし、気泡の上昇速度を抑える（式（１），（２））。
(2)鉛直管の内径を小さくして、水の流下速度を上昇させる（式（３））。
(3)鉛直管構造を工夫して、気泡をマイクロ、ミリバブル化させて小さくする（気泡の半径ｒ_aを小さくする）ことにより、気泡の上昇速度を抑える（式（１））。

本実施形態の吸引力発生装置は、上記(1)〜(3)の各効果を併せ持つ鉛直管構造を有するものである。本発明者等の実験及び検討によれば、特に(3)の効果を発揮する図１のような漸縮接続管３を有する鉛直管構造により、空気混入率が高い条件でもサイフォン機能を持続させることができるという知見を得た。

図５のように、円管の周方向から液体を流入させ、同時に気体を入れると渦を巻くように気液二相流が流れ、空気量が多くなるに従い、大きな空気の柱が形成される。すなわち、図３，図４のように、水平管から鉛直管に向けて水と空気が流下する際に、ある一定以上の空気が混入すると自然と鉛直管内に空気の柱ができてしまう。この現象は鉛直管の径を全体的に小さくしても同様に生じる。したがって、空気の柱によりサイフォンが途切れてしまうことから、空気の柱を細かい泡に変える必要がある。

そこで、本実施形態では、図２のように鉛直管１の途中に設けた漸縮接続管３において空気の柱に上部管３ａの内壁面に沿う水流をぶつけることで空気をマイクロ、ミリバブルに変化させ、気泡の半径ｒ_aを小さくし、サイフォン機能を途切れないようにしている。

すなわち、図２のように水と空気の流れの界面には摩擦力（下記Ａ）が働くため、内壁面に沿って中央に集まってくる水が細い管に流下する過程で、空気は摩擦力によりせん断されてマイクロ、ミリバブル化し、水と一体となって流下する。

τ＝ρ_aｆｕ² （Ａ）
ただし、τは摩擦力、ρ_aは空気の密度、ｆは摩擦係数（１×１０^-3程度の大きさ）、uは空気と水の流れの相対速度である（堀川清司 「海岸工学」−海洋工学への序説−、東京大学出版会、３１７頁参照）。

上述のように、水平管２から鉛直管１に向けて水と空気が流れる際に、上部管３ａ内で空気の柱が略中心部に形成されるとともに内壁面に沿って水流が形成されても、径が漸減する漸縮接続管３で水流が１つになって空気の柱と衝突し、空気が摩擦力によりせん断されることでマイクロ、ミリバブル化し、鉛直管を流下する水の流速ν_w＞気泡の上昇速度ν_aの上記条件を満足させ、マイクロ、ミリバブル化した気泡が水に混在した状態で気液２相流となって安定して流れることよりサイフォン機能を安定して維持することができる。

本実施形態の吸引力発生装置によれば、水平管２から鉛直管１に空気を含んだ水をサイフォン機能により引き込む際に、水と空気の気液２相流を効率よく発生させることでき、サイフォンを機能させて吸引力を安定して発生させることができる。サイフォンを吸引力として用いる場合、水に対する空気混入量が多いときには、サイフォン機能が容易に低下してしまうが、本実施形態によれば、混入空気量が最大４０％程度であってもサイフォン機能が途切れないようにできる。

なお、気泡は容易に互いに結合し、鉛直管１内に再浮上し、逆流しようとすることから、気泡を鉛直管１へ逆流させないような空気逆流防止装置（図６，図７（ａ）参照）を設けることが好ましい。

また、図１の吸引力発生装置において、気液２相流が形成される領域は、漸縮接続管３を通過した後の内径の小さい鉛直管１内である。このため、限られた鉛直スペースの中でサイフォンの吸引力をより強く発揮させるためには、図１のように漸縮接続管３の長さｍは、鉛直管１の長さｎの１／３程度以下（鉛直管１と漸縮接続管３との全体長さ（ｍ＋ｎ）の１／４程度以下）とすることが望ましい。

また、図１（ａ）の吸引力発生装置は、サイフォン機能がいったん停止した後に、サイフォンを再開させる場合などを考えると、真空ポンプの動力装置と併用することが好ましい。

次に、漸縮接続管３を漸縮タイプに構成した理由について図１６〜図１８を参照して説明する。鉛直管内においてサイフォン機能により発生する負圧は、ベルヌーイの定理（エネルギー方程式）を用いて評価できる。すなわち、鉛直管内の下端を基準とした上端の負圧水頭ｈ_suctionは次式（４）で表わすことができる。

ｈ_suction＝（ｐ₁−ｐ₂）／（ρｇ）
＝−（ｖ₁ ²−ｖ₂ ²）／（２ｇ）−（ｚ₁−ｚ₂）＋ｈ_loss （４）

ただし、ρは密度、ｇは重力加速度、ｐは水圧、ｖは流速、ｚは鉛直座標（上向きを正）、ｈ_lossはエネルギ損失水頭であり、添字１，２は、それぞれ上端位置および下端位置を示す。

上式（４）において、上端と下端の距離が大きいほど（ｚ₁−ｚ₂）が大きくなり、負圧が大きくなることがわかる。また、鉛直下方に流れるときのエネルギ損失が大きいとき（ｈ_lossが大きいとき）、発生する負圧が小さくなることがわかる。すなわち、負圧を効果的に発生させるためには、流れをスムーズに導いてエネルギ損失をできるだけ低減させることが重要である。

ここで、管の径が急減に縮小する急縮管の場合、図１６のように流線の剥離が起こるためエネルギの損失が生じる。このときのエネルギ損失水頭は次式（５）で表わすことができる。
ｈ_loss＝ｆ_sc×ｖ₂ ²／（２ｇ） （５）

ただし、ｖ₂は縮小後の管を流れる流速、ｆ_scは損失係数であり、急拡前後の面積比Ａ１／Ａ２（図１６）に応じて図１７のような値をとる。

一方、図１（ｂ）のように管の径が漸減する漸縮管の場合、図１６のような流線の剥離が生じないため損失係数は極めて小さい。既往の研究成果により漸縮管の損失係数ｆ_scは図１８のように得られており、漸縮損失係数は図１７の急縮管の場合と比べてかなり小さいことがわかる。

上述のように、エネルギの損失を抑えて効果的に負圧を発生させるためには、図１（ａ）（ｂ）の接続管３を漸縮タイプ（漸縮接続管）にすることが望ましく、また、その漸縮角度θは、本発明者等の実験によれば、４５°以下が望ましく、流れのエネルギの損失が小さく、流れがスムーズになり、負圧を効果的に発生させることができる。

〈第２の実施形態〉
図６は第２の実施形態による真空圧密地盤改良工法を行う真空圧密地盤改良システムの構成を概略的に示す図である。図７は図６の鉛直通水管の下端に設けた空気逆流防止装置の作用効果を説明するための要部を示す図（ａ）及び鉛直通水管の下端において生じる問題を説明するための図（ｂ）である。

図６の真空圧密地盤改良システムＳ１は、鉛直通水管２１と水平通水管２２とを有する吸引力発生装置と、図の破線で示す真空減圧装置２０と、を備え、真空圧密地盤改良のために軟弱地盤Ｇ中に打設される鉛直ドレーン材３１が不透気部３２と接続部３３とを介して水平通水管２２に連結され、水平通水管２２は、鉛直通水管２１と、鉛直通水管２１の上端で接続されている。

鉛直通水管２１は鉛直方向に延びて地下部に設置された密閉室２６の底面２６ａの近傍まで達し、鉛直通水管２１の下端には屈曲管２８が取り付けられ、屈曲管２８の先端が密閉室２６の底部の水位面Ｈ１下にある。また、鉛直通水管２１及び水平通水管２２は、それぞれ円筒管からなり、鉛直通水管２１の内径は水平通水管２２の内径よりも小さくなっている。

真空減圧装置２０は、真空ポンプ２３と、排水設備である揚水ポンプ２４・排水管２５と、地中内部に設置された密閉室２６と、を備える。密閉室２６は、鉛直通水管２１と揚水ポンプ２４・排水管２５とを収納し、真空ポンプ２３により減圧されることで、真空減圧装置２０は減圧発生源として機能するようになっている。

鉛直ドレーン材３１は、軟弱地盤Ｇ内の間隙水を吸引するために軟弱地盤Ｇ内に打設され、鉛直ドレーン材３１の上端に接続される不透気部３２は地下水位面Ｈ０に位置する。なお、鉛直ドレーン材３１は、軟弱地盤Ｇ内に必要に応じて複数本打設され、不透気部３２や接続部３３とともに、例えば、特許文献１〜３に開示された構成とすることができる。

真空圧密地盤改良システムＳ１は、図６のように、鉛直通水管２１の下端に、鉛直方向から９０°程度折れ曲がるようにして構成された屈曲管２８からなる空気逆流防止装置を有する。図７（ａ）のように鉛直通水管２１から鉛直方向ｂ’に流れてきた気液２相流が屈曲管２８内で図の横方向ｂ”に流れて屈曲管２８から排出され、気泡ｅが密閉室２６の水面へと浮上する。

上記空気逆流防止装置がない場合、図７（ｂ）のように、鉛直通水管２１の下端から鉛直方向ｂ’に気液２相流が排出されると、密閉室２６の底面２６ａに当たり反転方向ｂｂに反転し、勢いがなくなり、気泡ｅが再浮上しようとし、鉛直方向ｂ’から流れてきた気泡ｅと結合して鉛直通水管２１内で逆流するおそれがあるのに対し、図７（ａ）のように空気逆流防止装置の屈曲管２８により気液２相流の流れ方向を横方向ｂ”に変えて気泡ｅを確実に密閉室２６内へと排出することができ、水と空気の気液２相流が安定して流れ、サイフォン機能の安定維持に寄与できる。

図６の真空圧密地盤改良システムＳ１による真空圧密地盤改良工法を説明すると、真空減圧装置２０の真空ポンプ２３で密閉室２６内を減圧することによる吸引力に加えて、地下水位面Ｈ０と密閉室２６内の水位面Ｈ１との水位差ΔＨ（＝Ｈ０−Ｈ１）に起因するサイフォン機能による吸引力が発生し、これらの吸引力により軟弱地盤Ｇ内の間隙水を吸引することで軟弱地盤Ｇを圧密する。この真空圧密を、真空ポンプ２３のみで吸引する場合と比べて水位差ΔＨに起因する吸引力が加わる分だけより大きな吸引力で行うことができる。

従来の真空圧密地盤改良工法によれば真空ポンプのみでは吸引力が不足する場合は、盛土による載荷を併用していたのに対し、本実施形態のようにサイフォン機能による吸引力を併用することにより、盛土による載荷を縮小したり省略できるため、使用資材・機材の節減や作業工期の短縮を期待することができる。また、従来の工法に比べて吸引力が増加するため、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。

本実施形態による吸引力発生装置は、鉛直通水管２１と、鉛直通水管２１と上部で接続し水平方向に延びる水平通水管２２と、を有し、鉛直通水管２１の下端側と、水平通水管２２の先端側との間の水位差により、水平通水管２２の先端から鉛直通水管２１の下端に向けてサイフォン機能により吸引力が作用し、鉛直通水管２１の通水断面積が水平通水管２２の通水断面積よりも小さくなるように構成し、水平通水管２２内に水と分離して存在する空気が鉛直通水管２１内で気泡となって気液２相流として流下することでサイフォン機能により吸引力を発生させるものである。本実施形態においては、水平通水管２２内に空気が含まれる条件においても、サイフォンを機能させるためには、鉛直通水管２１内において水と気体が混合した気液２相流を形成させることが重要であり、好ましくは、鉛直通水管２１の内径は水平通水管２２の内径の５０％以下（水平通水管２２の内径が０．１ｍを超えるとき）または７０％以下（水平通水管２２の内径が０．１ｍ以下のとき）である。また、鉛直通水管２１の下端には図７（ａ）のような空気逆流防止装置を設けることが好ましい。

なお、揚水ポンプ２４は、揚程差１０ｍ以上の高揚程タイプが好ましく、密閉室２６を地中深く設置し、水位差ΔＨの確保のため密閉室２６内の水位面Ｈ１を地下水位面Ｈ０に対しより低くした場合でも、密閉室２６内の貯留水を排水できる。

〈第３の実施形態〉
図８は第３の実施形態による真空圧密地盤改良工法を行う真空圧密地盤改良システムの構成を概略的に示す図である。

図８の真空圧密地盤改良システムＳ２は、吸引力発生装置を図１のように構成したこと以外は、図６と基本的に同様の構成であるので、異なる点を主に説明する。すなわち、水平通水管２２と水平通水管２２よりも内径の小さい鉛直通水管２１との間に図１と同様の漸縮接続管３を配置し、漸縮接続管３の上部管３ａが水平通水管２２に連結している。鉛直通水管２１の下端には、図６，図７（ａ）と同様の屈曲管２８からなる空気逆流防止装置が設けられることで、屈曲管２８から気泡ｅを確実に外部に排出することができ、鉛直通水管２１内で水と空気の気液２相流が安定して流れ、サイフォン機能の安定維持に寄与できる。

図８の真空圧密地盤改良システムＳ２により、図６と同様に真空ポンプ２３による吸引力に加えて、地下水位面Ｈ０と密閉室２６内の水位面Ｈ１との水位差ΔＨ（＝Ｈ０−Ｈ１）に起因するサイフォン機能により発生する吸引力を利用して真空圧密地盤改良工法を実行できるが、図８の吸引力発生装置によれば、水平通水管２２内に空気が含まれる条件であっても、漸縮接続管３を鉛直通水管２１に設けることで水と空気の気液２相流を効率よく発生させ、サイフォン機能を途切れさせずに吸引力を安定して発生させることができるので、吸引力を効率よく軟弱地盤に加えることができる。このため、真空圧密地盤改良工法を安定して実行でき、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。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。

実験概要
鉛直通水管に設けた漸縮接続管がサイフォン機能の持続に及ぼす効果を検証するために実験を行った。実験装置を図９に示す。水平通水管の管径を５０ｍｍ、鉛直通水管の管径を３５ｍｍ（水平通水管の７０％に縮径）とした。なお、漸縮接続管の長さは、接続する鉛直通水管の長さの１／３程度（鉛直通水管と漸縮接続管との全体長さの１／４程度）に相当する０．５ｍに設定するととともに、図１（ｂ）の漸縮角度θを４５°とした。水圧計Ａ〜Ｅを図９のように配置し、水圧計Ａ〜Ｅの各位置をＳｔ．Ａ〜Ｓｔ．Ｅとする。

図９の実験装置を用いて以下の手順で実験を行った。
ステップ１：鉛直通水管に栓をして、水平通水管および鉛直通水管を水で飽和させ、水量調整バルブを締める。
ステップ２：鉛直通水管の栓をとり、水量調整バルブを開ける。
ステップ３：水の流量計の数値を基に所定の流量にする。
ステップ４：空気調整バルブを開け、空気を所定の量だけ混入する。この際、水の流量が変化するので再度調整する。
ステップ５：水の流量が安定したところで計測を行う。

表１に示すように実施例以外に比較例１〜３についても同様に実験を行った。すなわち、図９の鉛直通水管の上側（大径）を鉛直通水管Ｐ１とし、下側（小径）を鉛直通水管Ｐ２とした場合、比較例１は、鉛直通水管Ｐ１，Ｐ２をともに内径５０ｍｍとしたものであり、比較例２は、比較例１と同様であるが、鉛直通水管Ｐ１，Ｐ２全体に内径３０ｍｍの不透水棒を挿入して鉛直通水管Ｐ１，Ｐ２全体の通水断面積を小さくしたものであり、比較例３は、鉛直通水管Ｐ１，Ｐ２をともに内径３５ｍｍとし、実施例の内径５０ｍｍの鉛直通水管Ｐ１の７０％に縮小したものである。なお、図９のように鉛直通水管の下端には図７（ａ）のような屈曲管を取り付けた。

上記実施例及び比較例１〜３について空気の混入率と流速を変化させて実験を行った。なお，鉛直通水管内の流速については水量調整バルブの調整により変化させ、空気量は空気量計にて計測しながら空気量調整バルブにて変化させた。

実験結果
比較例１で空気混入率０％時の管内の負圧計測結果を図１０に示すが、水頭差に従って鉛直通水管内に働く吸引力により、最上部にあるＳｔ．ＤとＳｔ．Ｅでは、最下部にあるＳｔ．Ａに比べて、水頭差に相当する１８ｋＰａ程度の負圧が作用することが確認できた。

実施例、比較例２，３の実験開始後における管内の負圧計測結果について、最下部にあるＳｔ．Ａの圧力を基準とした各位置における圧力偏差の経過時間による変化の一例を図１１〜図１３に示す。また、実施例、比較例１〜３において、流速を０．４ｍ／秒としたときの空気混入率と圧力偏差との関係を図１４に示し、流速を０．７ｍ／秒としたときの空気混入率と圧力偏差との関係を図１５に示す。

図１４，図１５から、鉛直通水管の通水断面積を変化させていない基本ケースの比較例１では、空気が混入するとサイフォンが機能しないことがわかる。一方、鉛直通水管の通水断面積を縮小させた比較例２，３では、(1)形成されうる気泡の最大径を小さくし、気泡の上昇速度を抑える効果、及び、(2)水の流下速度を増加させる効果により、サイフォンが機能するが、許容できる空気混入率は５％程度であることがわかる。

本実施例では、縮径接続管を併用した鉛直管構造にすることにより、気泡をマイクロ、ミリバブル化させて、気泡の上昇速度を大幅に抑える効果が発揮されたため、図１４，図１５のように、比較例２，３に比べて大幅に空気混入率を許容でき、最大４０％程度の空気混入率を許容できることが確認できた。ただし、流速が速い方がサイフォン機能は維持されやすいことがわかる。

以上のように、比較例２，３のように鉛直通水管の断面積を全体的に小さくした場合よりも、本実施例のように漸縮接続部を途中で設け鉛直通水管の面積を小さくした方がサイフォン機能を効果的に維持できることが確認できた。

以上の実験によれば、溶存酸素等の気化や通水管の気密漏れ部から流入する気体の存在があるような条件においても確実にサイフォンの吸引力を作用させるためには、鉛直通水管の途中に漸縮接続管を配置し径の小さい鉛直通水管に接続する構成とすることで気液２相流を安定して形成させることが重要であることを確認できた。

以上のように本発明の実施形態及び実施例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システムに適用したが、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（鉛直通水管）、水平管（水平通水管）は、円筒管以外であってもよく、例えば角筒管でもよい。

また、図６〜図８の空気逆流防止装置の屈曲管２８は、約９０°に曲げられた管を鉛直通水管２１の下端に取り付けるように構成できるが、これに限定されず、鉛直通水管２１の下端自体を折り曲げてもよい。

本発明による吸引力発生装置によれば、水に気体が含まれる場合でもサイフォンの原理による吸引力を安定して発生させることができるので、真空ポンプに頼らずにサイフォンの自然エネルギを極力使用可能となり、電力等のコストを削減可能となる。

本発明による真空圧密地盤改良工法によれば、サイフォン機能による吸引力を併用することで盛土による載荷の縮小・省略が可能となり、使用資材・機材の節減や作業工期の短縮を実現でき、また、従来の工法に比べて吸引力が増加するため、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できる。

１ 鉛直管（第１の管）
２ 水平管（第２の管）
３ 漸縮接続管
２０ 真空減圧装置
２１ 鉛直通水管
２２ 水平通水管
２３ 真空ポンプ
２６ 密閉室
２８ 屈曲管
３１ 鉛直ドレーン材
ｂ 鉛直方向
ｅ 気泡
Ｇ 軟弱地盤
Ｈ０ 地下水位面
Ｈ１ 密閉室内の水位面
ΔＨ 水位差
Ｓ１，Ｓ２ 真空圧密地盤改良システム
θ 漸縮角度

Claims (5)

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し水平方向に延びる第２の管と、を有し、前記第１の管の下端側と、前記第２の管の先端側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を作用させて真空圧密による地盤改良を行うための吸引力発生装置であって、
   前記第１の管の径が前記第２の管の径よりも小さく、
   前記第２の管と前記第１の管とを径が漸減する漸縮接続管を介して接続し、
   前記第２の管内に水と分離して存在する空気が前記漸縮接続管内で気泡となって前記第１の管内で気液２相流として流下することでサイフォン機能により吸引力を発生させ、
   前記第１の管の下端を収納する密閉室と、
   前記密閉室内を減圧する真空ポンプと、
   前記密閉室内の貯留水を外部に排水する排水設備と、を備え、
   前記密閉室内を前記真空ポンプにより減圧することで前記真空ポンプによる吸引力に前記サイフォン機能による吸引力を加えるとともに、前記排水設備により前記密閉室内の貯留水を排水し、
   前記第１の管の下端が前記密閉室内の貯留水の水面よりも下に位置することを特徴とする吸引力発生装置。
2. 前記第１の管の下端から流れ出した気液２相流の気泡が前記第１の管内に再浮上し逆流することを防止するための空気逆流防止装置を備える請求項１に記載の吸引力発生装置。
3. 前記漸縮接続管は直線的に傾斜して内径が漸減し、その傾斜線を下方に延長した延長線が交叉したときの漸縮角度θが４５°以下である請求項１または２に記載の吸引力発生装置。
4. 前記漸縮接続管は、その上側に前記第２の管とほぼ同じ内径の上部管を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の吸引力発生装置。
5. 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を用いて軟弱地盤において真空圧密による地盤改良を行うことを特徴とする真空圧密地盤改良工法。