JP5505961B2 - サイフォンによる吸引力発生装置、吸引力発生方法及び真空圧密地盤改良工法 - Google Patents

Description

本発明は、サイフォンによる吸引力発生装置、吸引力発生方法及びこの吸引力発生装置または吸引力発生方法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、水を吸引し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１〜４参照）。

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

従来の真空ポンプによる吸引装置では、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。このため、従来の軟弱地盤の真空圧密地盤改良方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４参照）。この従来技術は、水面が、間隙水を吸引対象の地盤より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、改良対象の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、改良対象の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、溶存空気等の気化や通水管の気密漏れ部から流入する空気の存在を考慮しなければならないが、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、従来の技術によれば、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、水と気体の流れが分離せずに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及び吸引力発生方法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の吸引力発生装置は、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が作用する吸引力発生装置であって、前記第２の管の先端側から前記第１の管の下端側に向けて形成される排水経路内に水供給を行うことで前記サイフォン機能を維持して前記吸引力を持続させるサイフォン機能維持装置を備えることを特徴とする。

この吸引力発生装置によれば、第２の管の先端側から空気混入率の大きい水を吸引して排水する場合でも、サイフォン機能維持装置により排水経路内に水供給を行うことで第１の管内の空気混入率を低下させることができるとともに、第１の管内を流下する水の流速を増加させることができるため、第１の管において水と気体の流れが分離せずに気液２相流が形成され、サイフォン機能を維持することができる。このように、サイフォンの原理に従う吸引力を持続的に発生させることができるから、サイフォンによる吸引力を効率的に利用できる。なお、第１の管の下端から排水される水をサイフォン機能維持装置に送ることで排水経路内への水供給を行うようにしてもよい。

上記吸引力発生装置において前記排水経路内に供給される水を、溶存空気量を減じた脱気水とすることでサイフォン機能を途絶えにくくすることが好ましい。排水経路内に脱気水を供給することで、負圧作用下での水からの空気発生量が少なくなり、水における空気混入量が大きくならないため、サイフォン機能が途絶えにくくなる。

また、吸引し排水する対象の水の水位面が前記第２の管の最上部よりも低い条件において、その高低差による負圧のロスを防ぐために、水が前記第２の管における排水経路に流入する前に排水し、高低差のある前記排水経路内を気体で充満させることで前記負圧のロスを防止する負圧ロス防止装置を備えることが好ましい。吸引対象の水の水位面が第２の管の最上部の位置よりも低い場合は、その高低差によって負圧のロスが生じるが、この対策として、高低差のある排水経路前の水を汲み上げて排水することで高低差のある排水経路内に気体が充満することにより、負圧のロスを防ぐことができる。なお、汲みあげた水はサイフォン機能維持装置に送ることで上述の水供給に供されることが好ましい。

また、前記排水経路内に供給される水に溶解性物質を溶解させることで溶存空気量を減じ、水の沸点を上昇させて、サイフォン機能を途絶えにくくすることが好ましい。

また、前記第１の管及び／又は前記第２の管の外面の少なくとも一部に温度上昇防止部を設けることで、前記管内の気温及び水温を低く保つことにより負圧作用に伴う気化を抑制して、サイフォン機能を途絶えにくくすることが好ましい。

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とともに、サイフォン機能のみでは不足する吸引力を補うことができる。

上記目的を達成するための吸引力発生方法は、上部から下部に向けて延びる第１の管の下端側と、前記第１の管と前記上部で接続する第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る吸引力発生方法であって、前記第２の管の先端側から前記第１の管の下端側に向けて形成される排水経路内に水供給を行うことで前記サイフォン機能を維持して前記吸引力を持続させるようにしたことを特徴とする。

この吸引力発生方法によれば、第２の管の先端側から空気混入率の大きい水を吸引して排水する場合でも、排水経路内に水供給を行うことで第１の管内の空気混入率を低下させることができるとともに、第１の管内を流下する水の流速を増加させることができるため、第１の管において水と気体の流れが分離せずに気液２相流が形成され、サイフォン機能を維持することができる。このように、サイフォンの原理に従う吸引力を持続的に発生させることができるから、サイフォンによる吸引力を効率的に利用できる。なお、第１の管の下端から排水される水を排水経路内へ供給することで上記水供給を行うようにしてもよい。
上記吸引力発生方法において、前記第２の管から吸引する空気量に応じて前記排水経路に供給する水の量を調整することが好ましい。

上記目的を達成するための真空圧密地盤改良工法は、上述の吸引力発生装置または吸引力発生方法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または吸引力発生方法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。

上述の吸引力発生装置または吸引力発生方法における第２の管を軟弱地盤中に打設したドレーン材に連結し、改良対象の軟弱地盤の地下水位面と第１の管の下端側との間の水位差に起因するサイフォン機能による吸引力によって軟弱地盤Ｇ内の間隙水を吸引することで地盤の圧密を行うことができる。

本発明の吸引力発生装置及び吸引力発生方法によれば、第１の管において水と気体の流れが分離せずに気液２相流が形成され、サイフォン機能を維持でき、サイフォンの原理に従う吸引力を持続的に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、サイフォンの原理に従う吸引力を持続的に発生可能な上述の吸引力発生装置を用いることで、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。

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である。 図１のサイフォン機能維持装置から水平管内の排水経路に脱気水を供給するようにした吸引力発生装置の構成を概略的に示す図である。 図１，図２の吸引力発生装置の好ましい態様を説明するために、溶媒と溶液について温度と蒸気圧との関係を示すグラフである。 図１，図２の吸引力発生装置の水平管と鉛直管に温度上昇防止部を設けた例を示す図である。 図１，図２の吸引力発生装置の水平管と鉛直管に温度上昇防止部を設けた別の例を示す図である。 図２の吸引力発生装置において発生する負圧ロスを説明するための図である。 図２の吸引力発生装置に負圧ロスを防止するための負圧ロス防止装置を設けた構成を概略的に示す図である。 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。 第２の実施形態による真空圧密地盤改良システムの変形例を示す部分図である。 本実施例で用いた実験装置を概略的に示す図である。 本実施例において、供給水量を２０Ｌ／分に維持してサイフォンが機能した条件と、供給水量が１０Ｌ／分と少なくサイフォンが機能しない条件としたとき、水平通水管内に作用する負圧を計測した結果を示す図である。 図１の吸引力発生装置におけるサイフォン機能による水と空気との気液２相流を説明するための模式図（ａ）及び水と空気との気液２相流を実現できない状態を説明するための模式図（ｂ）である。

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である。

図１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、水平管２に水供給を行うことでサイフォン機能を維持するサイフォン機能維持装置３と、を備える。水平管２の先端２ａ側から鉛直管１の下端１ａ側に向けて排水経路が形成される。鉛直管１及び水平管２は金属製またはプラスチック製の円筒管からなる。

サイフォン機能維持装置３は、水平管２の上部に配置されて水を貯留するタンク４と、タンク４の底部と水平管２との間に設けられた水供給管５と、水供給管５の途中に設けられたバルブ６と、を備え、タンク４内の水を、バルブ６を開くことで水供給管５を通して水平管２の排水経路内に供給する。

図１のように、鉛直管１の下端１ａが水中にあるとき、その排水位面Ｈ１と水平管２の先端２ａ側の水位面Ｈ０との間の水位差ΔＨに起因するサイフォン機能により水平管２の先端２ａ側から鉛直管１の下端１ａ側に向けて吸引力が発生することで、水が水平管２内を水平方向ｃに流れて鉛直管１内を鉛直方向ｄに流れる。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側の水位面Ｈ０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側に向けて吸引力が発生する。

ここで、水平管２内に気体が含まれる条件においてサイフォンの原理に従って吸引力を作用させるためには、鉛直管１内において水と気体を分離させず、一体的に流下させなければならない。すなわち、図１２（ａ）のように、水平管２内において方向ｃに空気と水とが分離して流れても、鉛直管１内においては空気が多数の気泡Ｂとして取り込まれ、気液２相流として一体的に方向ｄに流下することで、鉛直管１内においてサイフォンの原理が成立し、水位差ΔＨによる吸引力が発生する状態となる。なお、図１２（ｂ）のように、水平管内で空気と水とが分離して流れ、鉛直管内でも水と空気が分離して流下すると、サイフォンの原理が成立せず、水位差による吸引力が発生しない状態となる。

サイフォンの原理に従う吸引力により排水を行う場合、溶存空気等の気化や管等における気密漏れ部から空気の流入が生じることから、サイフォン機能を維持するためには、鉛直管１内で気体の流れと液体の流れとの分離を防ぎ、図１２（ａ）のように気液２相流（気泡混合流）を形成させなければならない。図１の吸引力発生装置によれば、水平管２の先端２ａ側から空気混入率の大きい水が吸引されて排水される場合でも、サイフォン機能維持装置３のタンク４内の水が鉛直方向ｂに水供給管５を通して水平管２内に供給されることで、水平方向ｃに吸引されて流れる水は空気混入率が低くなるとともに、鉛直管１内を流下する水の流速が増加する。このため、鉛直管１内では、気体の流れと液体の流れとが分離せず、水と気体が混合した気液２相流が安定して形成され、サイフォンが機能する。

上述のように、図１の水平管２内の排水経路を通過する水と空気の流れが、鉛直管１内で気液２相流（気泡混合流）となり、サイフォン機能が発揮されやすくするためには、管内の空気混入率を減じるとともに、管内を流下する水の流速を増加させることが好ましいが、本実施形態の吸引力発生装置によれば、サイフォン機能維持装置３から排水経路内に水を供給することで、鉛直管１を流下する気液２相流内の空気混入率を減少させることができるとともに、鉛直管１内を流下する水の流速を増加させることができるので、サイフォン機能を維持してサイフォンの原理に従う吸引力を持続的に発生させることができる。

また、水平管２から吸引する空気量に応じて、サイフォン機能維持装置３から供給する水の量をバルブ６によって調整することで水流量すなわち流速を管理し、空気を水とともにスムーズに流下させることができる。

次に、本実施形態の吸引力発生装置の好ましい態様について図２〜図７を参照して説明する。

図２の吸引力発生装置は、図１の吸引力発生装置に脱気水製造装置２６及び減圧可能な密閉室２１を設け、サイフォン機能維持装置３から水平管２内の排水経路に脱気水を供給するように構成したものである。

脱気水製造装置２６は、例えば、水を溜めたタンク中に超音波発生源を配置した装置、水を溜めた減圧容器内を減圧する装置、または、水を溜めたタンクを加熱する装置等であってよいが、これらを組み合わせた装置であってもよい。なお、水としては水道水、雨水、地下水、海水等を用いることができる。

図２のように、脱気水製造装置２６で製造された脱気水をサイフォン機能維持装置３のタンク４に供給し、タンク４から脱気水を水平管２内の排水経路に供給することで、排水経路の水中の溶存空気量を減じ、負圧作用下での水からの空気発生量が少なくなり、水における空気混入量が大きくならないため、鉛直管１を流下する気液２相流内の空気量をさらに減じることができ、サイフォン機能が途絶えにくくなる。

また、図２のように、密閉構造にされた密閉室２１を設け、密閉室２１内に鉛直管１が延びてその下端１ａから排水されるとともに、真空ポンプ２５により密閉室２１内を減圧することで、水平管２内にある程度の大きな負圧がかかっている場合、揚水ポンプ２２により排水された水は脱気水となるので、この脱気水を排水管２３を通して方向ｅ，ｆに流し、その先端２３ａからサイフォン機能維持装置３のタンク４に供給するようにしてもよい。この場合は、図２の脱気水製造装置２６を省略してもよい。

密閉室２１内で鉛直管１の下端１ａが水中にあるとき、その水位面Ｈ１と水平管２の先端２ａ側の水位面Ｈ０との間の水位差ΔＨに起因する負圧と、密閉室２１の内部を真空ポンプ２５で減圧することによる負圧とにより、水平管２内の負圧が大きくなり、例えば、−９０ｋＰａ程度の負圧となる。

図２の吸引力発生装置は、鉛直管１が延びて鉛直管１からの水が溜まる密閉室２１と、密閉室２１内を減圧する真空ポンプ２５とを備えることで、真空ポンプ２５による吸引力と、水平管２と鉛直管１によるサイフォン機能に起因する吸引力とを発生させることができるので、真空ポンプ２５の能力以上の大きな吸引力を得ることができる。また、サイフォン機能が停止した場合などに、真空ポンプ２５により、その再開が容易である。

なお、図２のように、排水管２３の途中にバルブ２４ａを介して外部排水管２４を連結し、揚水ポンプ２２により汲み上げた水をバルブ２４ａの開閉操作により外部排水管２４を通して外部方向ｇに適宜排出することで、サイフォン機能維持装置３のタンク４への脱気水の供給量を調整することができる。

次に、図１，図２の吸引力発生装置において、サイフォン機能維持装置３のタンク４から供給される水の中に塩化ナトリウム等の溶解性物質を溶かし込むことで、水の溶存空気量を減じ、水の沸点を上昇させ、サイフォン機能を途絶えにくくし、サイフォンによる吸引力を強化するようにしてもよい。

すなわち、ある溶媒の蒸気圧をｐ₀とし、この溶媒に不揮発性溶質を溶かしたときの溶液の蒸気圧をｐとすると、同一温度では、ｐ₀＞ｐとなり、蒸気圧が下がる。溶液の濃度があまり大きくない場合には溶液の蒸気圧降下度は溶質のモル分率に等しい。この関係をラウール(Raoult)の法則という。溶媒の物質量をＮ、溶質の物質量をｎとすると、次の式（Ａ）のように表すことができる。

（ｐ₀−ｐ）／ｐ₀＝ｎ／（Ｎ＋ｎ） （Ａ）

図３に溶媒と溶液について温度と蒸気圧との関係を示すが、図３からわかるように、同一温度における蒸気圧は単に溶媒のみである場合に比べ、不揮発性溶質を溶かした溶液は蒸気圧が降下する。これは、温度を一定に保ちながら、圧力を降下させていった場合、溶媒のみの場合よりも不揮発性溶質を溶かした溶液の方が沸騰しにくいことを意味する。

したがって、サイフォン機能維持装置３から供給される水の中に塩化ナトリウム等の溶解性物質を溶かし込むことで沸点上昇と溶存空気量の減少とを実現できる。このため、図１，図２の吸引力発生装置の排水経路内で水から空気が発生しにくくなり、サイフォン機能が途絶えにくくなる。

次に、図１，図２の吸引力発生装置の水平管２と鉛直管１に図４，図５のような温度上昇防止部を設けることで、水平管２と鉛直管１の中の気温及び水温を低く保つことにより負圧作用に伴う気化を抑制して、サイフォン機能を途絶えにくくするようにしてもよい。

図４の例は、図１，図２の吸引力発生装置の水平管２と鉛直管１の外周に、発泡スチロール等の断熱性材料からなる温度上昇防止カバー２８を温度上昇防止部として配置したものである。図４の構成によれば、水平管２と鉛直管１が温度上昇防止カバー２８により太陽熱で暖められないので、水平管２と鉛直管１の中の気温及び水温を低く保つことができ、負圧作用に伴う気化を抑制して、サイフォン機能を途絶えにくくすることができる。なお、温度上昇防止カバー２８は必ずしも管１，２の全面を覆う必要はなく、例えば、太陽光に晒される部分だけに配置してもよい。

図５の例は、図１，図２の吸引力発生装置の水平管２と鉛直管１の外周面に、温度上昇防止部として比較的細い管２９をらせん状に巻き付けるようにして長手方向に配置し、管２９内に冷水を流すように構成したものである。図５の構成によれば、管２９を通して冷水をらせん状に流すことで水平管２と鉛直管１が冷却され、その温度が下がるので、鉛直管１中の空気体積を減じるととともに、負圧作用による気化を抑制して、サイフォン機能を途絶えにくくすることができる。なお、管１，２に細い管２９を巻き付ける範囲は管１，２の一部だけであってもよい。

ここで、シャルルの法則によると、圧力一定条件で気体の体積Ｖは絶対温度Ｔにおいて次の式（Ｂ）で表すことができる。

Ｖ＝ｋＴ （Ｂ）
ただし、ｋ：正の定数

この式は、温度が高い条件では気体の体積は膨張することを示している。このため、図１，図２の鉛直管１の空気の温度を上げることは、溶存空気や、吸引空気の体積を膨張させてしまい、サイフォン機能を低下させる。したがって、図４のように水平管２と鉛直管１に対する太陽熱の影響を排除することで、また、図５のように水平管２と鉛直管１の温度を下げることで、温度上昇によるサイフォン機能低下を防止できる。

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、または、排水経路内に水を供給して流量を増加させると、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となるような条件を設定することにより、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。

上記条件（ν_w＞ν_a）を成立させるために次のような方法・手段が考えられる。
(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（式（１）（２））。
(2)流水の成分や温度を工夫して、気泡の最大径を小さくし、気泡の上昇速度を抑える（式（１））。
(3)鉛直管を細くする、または、供給する水の量を増加させて、水の流下速度を上昇させる（式（３））。

本実施形態の吸引力発生装置は、上記(1)(2)(3)を利用する構成を有するものである。なお、上記(3)の効果を高めるために、鉛直管１の内径を水平管２の内径よりも小さくして鉛直管１の通水断面積を水平管２の通水断面積よりも小さくしたり、鉛直管１の途中に内径が鉛直管下方に向けて漸減する漸減部を設けるようにしてもよい。

次に、図２の吸引力発生装置において負圧ロスを防止するための構成について図６，図７を参照して説明する。図６は図２の吸引力発生装置において発生する負圧ロスを説明するための図である。図７は図２の吸引力発生装置に負圧ロスを防止するための負圧ロス防止装置を設けた構成を概略的に示す図である。

図６のように、最上部にある水平管２の位置でサイフォンによる負圧が大きく働くが、水平管２の先端２ａ側に比較的短い連結管２ｂを介して、水平管２の下方に別の水平管２ｃを配置し、吸引対象の水位面Ｈ３が下方の水平管２ｃの位置近傍であり、水平管２の位置よりも低い場合、その高低差Δｈに応じて負圧のロスが生じる。換言すると、その高低差Δｈに相当する分を揚水しなければならないため、負圧のロスが生じる。

この負圧ロスの防止のため、図７のように、図２の吸引力発生装置に負圧ロス防止装置３５を設けることが好ましい。負圧ロス防止装置３５は、揚水ポンプ３７及び排水管３８を設置した密閉容器３６を有し、密閉容器３６の入口部に排水対象の水位面Ｈ３の水とつながる入口管３４を接続し、出口部に水平管２と連結管２ｂを介してつながる出口管３９を接続する。排水対象の水が方向ｉに入口管３４から密閉容器３６内に供給され、この水が揚水ポンプ３７により排水管３８を通して方向ｊに排水されるとともに、排水管３８の先端３８ａからサイフォン機能維持装置３のタンク４に供給される。

揚水ポンプ３７による排水により、密閉容器３６内の水位が下げられるため、水平管２とつながる出口管３９は、気体が充満している状態となり、排水経路の高低差Δｈによる負圧のロスは生じない。

図７のように、図２の吸引力発生装置に負圧ロス防止装置３５を設けることにより、高低差Δｈのある排水経路前の水を汲み上げて排水するため、高低差Δｈのある排水経路内には気体が充満し、負圧のロスを防ぐことができる。また、負圧ロス防止のために汲みあげた水をサイフォン機能維持装置３に送ることにより、鉛直管１内への水の供給量を増やし、空気混入率を低下させるとともに、流下する流速を増加させて、鉛直管１内でサイフォンを機能しやすくする効果を奏する。

なお、図７の負圧ロス防止装置３５では、密閉容器３６に流入する水量と同等またはそれ以上に揚水ポンプ３７による排水が行われる場合、密閉容器３６内は気体と液体が分離された状態となる。このとき、高低差を有する排水経路内は気体で充満されるため、負圧のロスが生じず、負圧ロス防止装置３５が完全に機能している状態となる。一方、密閉容器３６に流入する水量が揚水ポンプ３７による排水量よりも多い場合、密閉容器３６内は水で飽和された状態となる。このとき、高低差を有する排水経路（連結管２ｂ）内に水が残り、その排水経路内の水位は密閉容器３６に流入する水量により変動するが、その排水経路内の水位分の負圧ロスが生じるため、負圧ロス防止装置３５が部分的に機能している状態となる。上述のように、負圧ロス防止装置３５において負圧ロス機能を完全に発揮させるためには、揚水ポンプ３７の排水能力を常に密閉容器３６に流入する水量と同等またはそれ以上として密閉容器３６内で気体と液体とを分離させることが好ましいが、気体と液体が分離していなくとも負圧ロス機能を部分的には発揮させることができる。

〈第２の実施形態〉
図８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８の真空圧密地盤改良システム５０は、鉛直通水管１１と水平通水管１２とを有する吸引力発生装置と、真空減圧装置３０と、を備える。水平通水管１２は、鉛直通水管１１と鉛直通水管１１の上端で接続され、また、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に不透気部３２と接続部３３とを介して連結されている。なお、鉛直通水管１１と水平通水管１２は、図１，図２の吸引力発生装置の鉛直管１，水平管２と同様の構成であってよい。

また、図８の真空圧密地盤改良システム５０は、図２と同様のサイフォン機能維持装置３を備え、サイフォン機能維持装置３のタンク４内の水がバルブ６を開くことで水供給管５を通して水平通水管１２内に供給されるようになっている。

図８のように、真空減圧装置３０は、図２とほぼ同様に構成されてよく、密閉室２１が地中に設置されている。密閉室２１は、鉛直通水管１１と揚水ポンプ２２と排水管２３とを収納し、真空ポンプ２５により内部が減圧されることで、真空減圧装置３０が減圧発生源として機能する。

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Ｈ３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２〜４に開示された構成とすることができる。

図８の真空圧密地盤改良システム５０による真空圧密地盤改良工法の工程について説明する。

(1)水平通水管１２のバルブ１２ａ，鉛直通水管１１のバルブ１１ａを閉じておく。この際、太陽光に晒される水平通水管１２と鉛直通水管１１の各部分には太陽光の熱影響を受けないように養生をしておくことが好ましく、例えば、図４や図５のような温度上昇防止部を設けることが好ましい。

(2)鉛直通水管１１、水平通水管１２を水にて満管状態とした後、鉛直通水管１１のバルブ１１ａとサイフォン機能維持装置３のバルブ６を開放し、サイフォン機能により流水のある状態にする。この際に、流水の中に塩化ナトリウム等の不揮発性溶質を溶かしておくことが好ましい。

(3)密閉室２１内に流入する水を、揚水ポンプ２２により排水し、サイフォン機能維持装置３のタンク４に供給する。

(4)真空ポンプ２５により徐々に密閉室２１内の圧力を減じ、圧力が目的の値まで減少した時に水平通水管１２のバルブ１２ａを開放し、地下水位面Ｈ３と密閉室２１内の水位面Ｈ１との水位差ΔＨ（＝Ｈ３−Ｈ１）に起因するサイフォン機能による吸引力に、真空ポンプ２５による吸引力を併用して、鉛直ドレーン材３１を通して軟弱地盤Ｇ内の間隙水を方向ｍに吸引する。

(5)鉛直ドレーン材３１や各管の継手部分等から流入する空気と水量に応じて、サイフォン機能維持装置３と水平通水管１２の各バルブ６，１２ａの開閉を調整し、サイフォンが途切れないようにする。なお、排水管２３を通したサイフォン機能維持装置３のタンク４への水供給量は、バルブ２４ａの開閉を調整し外部排水管２４を通して外部に適宜排水することで調整する。

上述のようにして、軟弱地盤Ｇ内の間隙水を吸引することで地盤圧密を促進することができるが、このとき、真空減圧装置３０の真空ポンプ２５で密閉室２１内を減圧することによる吸引力に加えて、地下水位面Ｈ３と密閉室２１内の水位面Ｈ１との水位差ΔＨ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を圧密するので、この真空圧密を、真空ポンプ２５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。

サイフォンを吸引力として用いる場合、水に空気が混入することで容易にサイフォンが途切れてしまうことが問題となり、サイフォンを併用した真空圧密地盤改良工法では空気混入量が多い場合、サイフォン機能が容易に低下してしまうのに対し、本実施形態によれば、サイフォン機能維持装置３による水平通水管１２への水供給により、鉛直通水管１１中の混入空気量を減じるとともに、鉛直通水管１１内を流下する流速を増加させてサイフォン機能を持続させることができる。これにより、吸引力を効率よく軟弱地盤に加えることができる。

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し、しかもサイフォン機能を持続させて吸引力を効率よく軟弱地盤に加えることで、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。

なお、揚水ポンプ２２は、揚程差１０ｍ以上の高揚程タイプが好ましく、密閉室２１を地中深く設置し、水位差ΔＨの確保のため密閉室２１内の水位面Ｈ１を地下水位面Ｈ３に対しより低くした場合でも、密閉室２１内の貯留水を排水できる。

また、前述したように、細い鉛直通水管を使用して流下速度を速くする方が、サイフォンは機能しやすい。排水量を十分に確保しながら、空気が混入した水に対してサイフォン機能を維持できる条件を満足するために、図９のように、内径の異なる複数の鉛直通水管４１，４２，４３を密閉室２１内に配置し、バルブ４１ａ，４２ａ，４３ａを介して水平通水管１２に連結することで、流入水量に応じて、バルブ４１ａ〜４３ａの開閉により、好ましい鉛直通水管を迅速に選択できるようにしてもよい。これにより、空気が混入した水でも排水量を十分に確保しつつサイフォン機能を維持することができる。

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
サイフォン機能維持装置による水平通水管への水供給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１０に示す。

図１０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：注水管から水を注入し、水平通水管および鉛直通水管を水で飽和させる。満管にした時点で注水バルブを閉じる。
ステップ２：サイフォン機能維持装置のバルブ及び鉛直通水管のバルブを開け、サイフォンをきかせた後、徐々に密閉室内の圧力を下げる。
ステップ３：密閉室の負圧を−５０ｋＰａに保った状態で、水平通水管のバルブを開く。
ステップ４：サイフォン機能維持装置から供給される水量を計測しながら、サイフォン機能維持装置のバルブを徐々に閉じていき、サイフォンが切れるときの供給水量を計測する。

実験結果
鉛直通水管内でサイフォンが機能すると、水頭差による吸引力が発揮されるため、水平通水管では、密閉室よりも高い負圧が作用する。サイフォン機能により、水平通水管内で、−９０ｋＰａ以上の負圧が作用すると、溶存空気が気化し、空気の体積が増加することにより、サイフォンが機能しにくくなることが判明した。

さらに、鉛直通水管の内径が３ｃｍの条件では、サイフォン機能維持装置からの水の供給流量が１５Ｌ（リットル）／分以上のとき、鉛直通水管内で気泡混合流が形成され、サイフォン機能を維持することができた。一方、供給流量が１５Ｌ／分以下に低下すると、鉛直通水管内を流下する水の流速が遅くなるために、気泡が水の流れによって排出されにくくなった。その結果、気泡混合流が消失するとともに、水と空気の流れが分離し、サイフォン機能が消失した。これは、上述のように、鉛直通水管内において、鉛直通水管を流下する水の流速ν_w＞気泡の上昇速度ν_aとなる条件がなりたたないため、気泡混合流（気液２相流）を形成できないからである。このとき、水平通水管に作用する負圧は、サイフォンによる吸引力が付加されないため、真空ポンプ圧と同一となる。

なお、内径３ｃｍの鉛直通水管を用いた本実験でサイフォン機能が成立できる水の限界供給量を、管内を流下する水の流速が同一となるように、内径５ｃｍの管を用いた条件に換算すれば、４２Ｌ／分、また、内径１０ｃｍの管を用いた条件に換算すれば、１６７Ｌ／分となる。

本実験において、供給水量を２０Ｌ／分に維持し、供給水量を十分に与えることによりサイフォンが機能した条件と、供給水量が１０Ｌ／分と少なくサイフォンが機能しない条件とにおいて、それぞれ水平通水管内に作用する負圧を計測した結果を図１１に示す。図１１の計測結果から、供給水量が１５Ｌ／分以上の条件を満足するとき、鉛直通水管内で気泡混合流が形成され、水平通水管に十分な負圧を作用させることができることを確認できた。また、供給水量が１５Ｌ／分以上の条件を満足しないとき、サイフォンが機能せず、真空ポンプによる負圧のみが作用した。

また、揚水ポンプにより密閉室からサイフォン機能維持装置に供給される水（脱気水）の溶存酸素量を計測した。常温下で１日放置した水道水を通常水として比較した。その容存酸素量の比較結果を表１に示す。

溶存空気のうち、溶存酸素の量は、理論上１９℃、常圧、酸素濃度２０．９％の条件下において９．０１ｍｇ／Ｌとなることから、通常水の計測結果は、理論値と近い値を示した。一方、揚水ポンプにより密閉室からサイフォン機能維持装置に供給される水（脱気水）は、通常水の溶存酸素量に比べ、６０％程度の値となった。したがって、サイフォン機能維持装置に供給される水は、脱気されて、溶存酸素に代表される溶存空気量が低下しており、密閉室から供給される脱気水が好ましいことを確認できた。

以上の本実験によれば、溶存空気等の気化や水平通水管等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、サイフォン機能維持装置から水を供給することが、鉛直通水管において気液２相流を形成する上で重要であることを検証した。また、サイフォン機能維持装置から供給する水は脱気水であることが望ましいことを確認できた。

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、図８において、サイフォン機能維持装置３の水の供給部分（タンク４）については、工場等で作製されるタンクではなく、掘削や地盤沈下により形成される凹型地盤を利用してもよい。また、図８の真空圧密地盤改良システム５０に、必要に応じて図２の脱気水製造装置２６や図７の負圧ロス防止装置３５を設けてもよいことはもちろんである。

また、図１，図２，図８において、サイフォン機能維持装置３の水供給管５の水平管２，水平通水管１２における位置は、水平管２，水平通水管１２の任意の位置（ただし、図８ではバルブ１２ａの下流側の任意の位置）であってよい。

また、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１，図２，図８のサイフォンによる吸引力発生装置では、第１の管を鉛直管（鉛直通水管）として、第２管を水平管（水平通水管）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の管の先端側から第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。

本発明による吸引力発生装置及び吸引力発生方法によれば、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持続的に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、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 サイフォン機能維持装置
２１ 密閉室
２２ 揚水ポンプ
２５ 真空ポンプ
２６ 脱気水製造装置
３５ 負圧ロス防止装置
３０ 真空減圧装置
３１ 鉛直ドレーン材
１１ 鉛直通水管
１２ 水平通水管
５０ 真空圧密地盤改良システム
Ｇ 軟弱地盤
ΔＨ 水位差

Claims (8)

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が作用する吸引力発生装置であって、
   前記第２の管の先端側から前記第１の管の下端側に向けて形成される排水経路内に水供給を行うことで前記サイフォン機能を維持して前記吸引力を持続させるサイフォン機能維持装置を備えることを特徴とする吸引力発生装置。
2. 前記排水経路内に供給される水を、溶存空気量を減じた脱気水とすることでサイフォン機能を途絶えにくくしたことを特徴とする請求項１に記載の吸引力発生装置。
3. 前記排水経路内に供給される水に溶解性物質を溶解させることで溶存空気量を減じ、水の沸点を上昇させて、サイフォン機能を途絶えにくくした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。
4. 前記第１の管及び／又は前記第２の管の外面の少なくとも一部に温度上昇防止部を設けることで、前記管内の気温及び水温を低く保つことにより負圧作用に伴う気化を抑制して、サイフォン機能を途絶えにくくした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。
5. 真空ポンプによる動力装置を併用する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の吸引力発生装置。
6. 上部から下部に向けて延びる第１の管の下端側と、前記第１の管と前記上部で接続する第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る吸引力発生方法であって、
   前記第２の管の先端側から前記第１の管の下端側に向けて形成される排水経路内に水供給を行うことで前記サイフォン機能を維持して前記吸引力を持続させるようにしたことを特徴とする吸引力発生方法。
7. 前記第２の管から吸引する空気量に応じて前記排水経路に供給する水の量を調整する請求項６に記載の吸引力発生方法。
8. 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または請求項６または７に記載の吸引力発生方法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。

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