JP2018193823A - サクション基礎の貫入方法及び貫入管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置する水深が浅い場合や貫入抵抗が大きい場合でも、水底地盤の強度を低下させることなく、サクション基礎を水底地盤に貫入させることができるサクション基礎の貫入方法を提供する。【解決手段】洋上構造物の脚部となる筒状の本体部２ａと、本体部２ａの下端側に設けられ、本体部２ａよりも断面積が広いスカート部３とを備えたサクション基礎１ａを、サクション基礎１ａの自重と、下端がスカート部３内に連通している本体部２ａの中空部２１内から水を排水することで発生させたサクション圧とを用いて水底地盤Ｂに貫入させるサクション基礎１ａの貫入方法であって、本体部２ａの中空部２１内に負圧を発生させ、発生させた負圧によってサクション圧を増加させる。【選択図】図４

Description

本発明は、海等の水底地盤に設置するサクション基礎の貫入方法に関する。

サクション基礎１は、図８に示すように、筒状の本体部２と、本体部２の下端側に設けられた、本体部２よりも断面積が広いスカート部３とを備えている。スカート部３は、頂版３１と、頂版から下方に伸びた筒状の鉛直壁（スカート）３２とからなるコップ状の凾体である。

サクション基礎１は、スカート部３のスカート３２を水底地盤中に貫入して安定性を確保させ、風車等の水上構造物の基礎として活用される。サクション基礎１の貫入は、まず図８に示すように、水底地盤上にコップ状の凾体であるスカート部３を伏せた状態で接地し、自重貫入させる。そして、スカート部３と水底地盤面とで囲まれたスカート内領域３３と連通する本体部２の中空部２１から、揚水ポンプ４で水を排水し、水位差によるサクション圧を発生させてスカート部３を水底地盤の所定位置まで貫入させる。

特開昭６４−５２９２１号公報

しかしながら、サクション基礎１を設置する水深が浅い場合には、サクション基礎１の貫入に必要なサクション圧を得ることができないという問題点があった。また、貫入抵抗が大きい場合にも、得られるサクション圧ではサクション基礎１の貫入ができなくなってしまう。特に、コンクリート製のスカート部３を用いる場合には、壁厚さが厚くなり先端抵抗が大きくなり、貫入に必要な力がさらに必要になってしまう。

この解決方法として、ウォータージェットを用いて水底地盤の貫入抵抗を低下させる貫入方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、ウォータージェットを併用する方法では、水底地盤内に過剰な圧力を作用させるため水底地盤を乱してしまい、サクション基礎１に必要な水底地盤の強度が得られなくなる虞があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、設置する水深が浅い場合や貫入抵抗が大きい場合でも、水底地盤の強度を低下させることなく、サクション基礎を水底地盤に貫入させることができるサクション基礎の貫入方法及び貫入管理装置を提供することにある。

本発明のスカートサクション基礎の貫入方法は、洋上構造物の脚部となる筒状の本体部と、前記本体部の下端側に設けられ、前記本体部よりも断面積が広いスカート部とを備えたサクション基礎を、前記サクション基礎の自重と、下端が前記スカート部内に連通している前記本体部の中空部内から水を排水することで発生させたサクション圧とを用いて水底地盤に貫入させるサクション基礎の貫入方法であって、前記本体部の中空部内に負圧を発生させ、発生させた負圧によって前記サクション圧を増加させることを特徴とする。
さらに、本発明のスカートサクション基礎の貫入方法において、前記本体部の中空部の上端側は、天板によって閉塞されており、前記本体部の中空部内の上部空間に負圧を発生させても良い。
さらに、本発明のスカートサクション基礎の貫入方法において、前記本体部の中空部内の空気を強制排気させることで、前記本体部の中空部内の上部空間に負圧を発生させても良い。
さらに、本発明のスカートサクション基礎の貫入方法において、前記本体部の中空部と外部空間との連通を開閉する連通開閉手段を具備し、前記連通開閉手段を閉じて前記本体部の中空部内から水を排水することで、前記本体部の中空部内の上部空間に負圧を発生させても良い。
また、本発明の貫入管理装置は、上述のサクション基礎の貫入方法を管理する貫入管理装置であって、前記本体部の中空部内の水位を本体内水位として検出する水位検出部と、前記本体内水位を設定値に維持するように、前記本体部の中空部内からの排水量を制御する排水制御部と、前記排水制御部の制御動作に伴う前記本体内水位の変化を監視し、排水量が予め設定された上限に到達しても前記本体内水位が上昇した場合には、前記本体部の中空部内からの排水を停止させる動作監視部と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の貫入管理装置は、上述のサクション基礎の貫入方法を管理する貫入管理装置であって、前記本体部の中空部内の水位を本体内水位として検出する水位検出部と、
前記本体部の中空部内から排水量を設定値に制御する排水制御部と、前記排水制御部の制御動作に伴う前記本体内水位の変化を監視し、前記本体内水位が上限水位に達した場合には、前記本体部の中空部内からの排水を停止させる動作監視部と、を具備することを特徴とする。
さらに、本発明の貫入管理装置において、前記本体部の中空部内からの排気を制御する排気制御部を具備し、前記動作監視部は、前記排気制御部の制御動作に伴う前記本体内水位の変化を監視し、前記本体内水位が上限水位に達した場合には、前記本体部の中空部内からの排気を停止させても良い。

本発明によれば、本体部の中空部内に発生させた負圧によってサクション圧を増加させることができるため、設置する水深が浅い場合や貫入抵抗が大きい場合でも、水底地盤の強度を低下させることなく、サクション基礎を水底地盤に貫入させることができるという効果を奏する。

本発明に係るサクション基礎の構成を示す側断面図である。 本発明に係るサクション基礎の貫入方法を説明する説明図である。 本発明に係るサクション基礎の貫入方法を説明する説明図である。 本発明に係るサクション基礎の貫入方法を説明する説明図である。 貫入途中でバキューム圧をかけた際の貫入深度に応じたサクション圧の推移を示す図である。 図１に示すエアバルブを閉じた状態でサクション圧をかけた際の貫入深度に応じたサクション圧の推移を示す図である。 本発明に係るサクション基礎の貫入方法を管理する貫入管理装置の構成を示すブロック図である。 従来のサクション基礎の貫入方法を説明する説明図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

本実施形態で水底地盤に貫入させるサクション基礎１ａは、図１に示すように、風車等の洋上構造物の脚部となる筒状の本体部２ａと、本体部２ａの下端側に設けられ、本体部２ａよりも断面積が広いスカート部３とを備えている。スカート部３は、頂版３１と、頂版から下方に伸びた筒状の鉛直壁（スカート）３２とからなるコップ状の凾体である。

本体部２ａの中空部２１は、下端側がスカート部３と水底地盤面とで囲まれたスカート内領域３３に連通し、上端側が天板２２によって閉塞されている。

天板２２には、エアバルブ２３が設けられている。エアバルブ２３を開くことで、本体部２ａの中空部２１と外部空間とが連通され、エアバルブ２３を閉じることで、本体部２ａの中空部２１が密閉される。すなわち、エアバルブ２３は、本体部２ａの中空部２１と外部空間との連通を開閉する連通開閉手段として機能する。また、エアバルブ２３として、例えば電磁バルブを用いて遠隔操作可能に構成すると良い。

また、本体部２ａの中空部２１には、揚水ポンプ４と、水圧計５と、気圧計６とが配置されている。

揚水ポンプ４は、中空部２１の下端側に配置されている。そして、一端が揚水ポンプ４に接続された排水管４１が、天板２２を貫通して、外部まで延設されている。これにより、揚水ポンプ４を駆動させることで、中空部２１内の水がサクション基礎１ａの外部に排水される。

水圧計５は、中空部２１の下端側に、気圧計６は、中空部２１の上端側にそれぞれ配置されている。

次に、サクション基礎１ａの貫入方法について図２乃至図６を参照して詳細に説明する。
サクション基礎１ａは、例えば、基礎の構築現場近傍の製作ヤードで製造し、構築現場まで曳航した後に、所定の位置に位置決めして水中に沈設する。

サクション基礎１ａの先端に設けられているスカート部３（スカート３２）が水底地盤Ｂに到達すると、図２に示すように、サクション基礎１ａの自重によって、スカート３２が水底地盤Ｂに貫入される。なお、この自重による貫入は、エアバルブ２３を開き、本体部２ａの中空部２１と外部空間とが連通させた状態で行う。

自重による貫入が終わると、エアバルブ２３を開いて本体部２ａの中空部２１と外部空間とが連通させた状態で、揚水ポンプ４を駆動させ、中空部２１内の水をサクション基礎１ａの外部に排水する。この排水により、図３に示すように、本体部２ａ外の水位（外部水位Ｓ_１と称す）に比べて、本体部２ａ外の水位（以下、本体内水位Ｓ_２と称す）を低くし、水位差によるサクション圧を発生させ、スカート部３の頂版３１に作用するサクション荷重によってスカート部３をさらに貫入させる。なお、サクション圧は、外部水位Ｓ_１と本体内水位Ｓ_２との水位差が大きくなるほど強くなる。従って、本体内水位Ｓ_２の水位によって頂版３１に作用するサクション荷重の大きさを制御することができる。

水深が浅い場合や、貫入抵抗が大きい場合には、外部水位Ｓ_１と本体内水位Ｓ_２との水位差を最大にしても、所定深度に至る前に、サクション圧による貫入が終わってしまう。この場合、揚水ポンプ４の駆動を一旦停止させ、図４に示すように、開いた状態のエアバルブ２３に真空ポンプ７に接続された排気ホース７１を接続して本体部２ａ内の空気を強制排気し、本体部２ａ内の上部空間にバキューム圧（負圧）を発生させる。これにより、サクション圧をバキューム圧（負圧）分（最大１０ｍ）だけ、さらに増加させることができ、増加したサクション荷重によってスカート部３を所定深度までさらに貫入させる。

また、バキューム圧（負圧）によって本体内水位Ｓ_２が上昇すると、揚水ポンプ４を再び駆動させて中空部２１内の水がサクション基礎１ａの外部に排水し、外部水位Ｓ_１と本体内水位Ｓ_２との水位差を発生させる。これにより、１０ｍ以深でもバキューム圧（負圧）による効果を得ることができる。

図５には、サクション基礎１ａを水底地盤Ｂに所定深度（６ｍ）まで貫入させた際の貫入深度に応じたサクション圧の推移が示されている。図５に示す例では、貫入深度１ｍからサクション圧をかけ始め、貫入深度４．６で本体部２ａ内の上部空間にバキューム圧（負圧）を発生させた。図５によると、貫入深度４．６で本体部２ａ内の上部空間にバキューム圧（負圧）を発生させると、サクション圧がバキューム圧（負圧）分増加していることが分かる。

なお、エアバルブ２３を閉じて本体部２ａの中空部２１を密閉させた状態で、揚水ポンプ４を駆動させ、中空部２１内の水をサクション基礎１ａの外部に排水するようにしても良い。この場合、図６に示すように、排水（本体内水位Ｓ_２の低下）に伴って、本体部２ａ内の上部空間にバキューム圧（負圧）が発生し、発生したバキューム圧（負圧）分サクション圧を増加させることができる。なお、図５には、貫入深度２．９ｍからエアバルブ２３を閉じた状態でサクション圧をかけ始めた例が示されている。

サクション基礎１ａの水底地盤Ｂへの貫入は、図７に示すような貫入管理装置８を用いて管理することができる。貫入管理装置８は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、制御部８１と、キーボート等の入力部８２と、液晶ディスプレイ等の出力部８３とを備えている。

制御部８１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピュータ等の情報処理部である。ＲＯＭには貫入管理装置８の動作制御を行うための制御プログラムが記憶されている。制御部８１のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをＲＡＭに展開させることで、入力部８２から入力された指示に応じた制御を実行する。また、制御部８１は、水位検出部９１、排水制御部９２、排気制御部９３、動作監視部９４として機能する。

水位検出部９１は、水圧計５によって測定された水圧と、気圧計６によって測定された気圧とに基づいて、本体内水位Ｓ_２を検出する。気圧計６によって測定された気圧が大気圧であった場合には、水圧計５によって測定された水圧のみに基づいて本体内水位Ｓ_２を正確に検出することができる。しかし、本実施の形態では、本体部２ａ内の上部空間にバキューム圧（負圧）が発生させるため、このバキューム圧（負圧）を気圧計６によって測定して、水圧計５によって測定された水圧を補正することで、正確な本体内水位Ｓ_２を検出する。なお、水位検出部９１によって検出する本体内水位Ｓ_２は、外部水位Ｓ_１に対する絶対的な水位ではなく、中空部２１内での相対的な水位である。

排水制御部９２は、入力部８２から入力される排水指示に基づいて、揚水ポンプ４を駆動させ、中空部２１内の水を排水させる。排水制御部９２は、排水指示として本体内水位Ｓ_２の設定を受け付け、設定された本体内水位Ｓ_２を維持するように揚水ポンプ４による排水量を制御する。これにより、水位差によるサクション圧を簡単に制御することができる。なお、サクション圧の制御が必要ない場合、排水制御部９２は、時間当たりの排水量の設定を受け付け、設定された排水量を維持させるようにしても良い。

排気制御部９３は、入力部８２から入力される排気指示に基づいて、真空ポンプ７を駆動させ、中空部２１内の空気を排気させる。

動作監視部９４は、水位検出部９１によって検出された本体内水位Ｓ_２や、排水制御部９２及び排気制御部９３の動作状況を出力部８３によって出力する。これにより、作業管理者は、サクション基礎１ａの貫入作業をモニタリングすることができる。

また、動作監視部９４は、排水制御部９２が設定された本体内水位Ｓ_２を維持するように揚水ポンプ４による排水量を制御する場合、排水制御部９２の制御動作に伴う本体内水位Ｓ_２の変化を監視し、排水量が予め設定された上限に到達しても本体内水位Ｓ_２が上昇した場合には、揚水ポンプ４の駆動を停止させ、本体部２ａの中空部２１内からの排水を停止させる。すなわち、時間当たりの排水量が予め設定された閾値を超えた場合、スカート部３の周辺地盤でサクション圧による動水勾配が大きくなり、周辺の土砂がスカート部３内に流入したり、部分的な水みちが形成されて大量の水が流入したりする虞があるため、状況確認のため、排水を停止させる。

さらに、動作監視部９４は、排水制御部９２が設定された排水量を維持するように揚水ポンプ４を制御する場合、排水制御部９２の制御動作に伴う本体内水位Ｓ_２の変化を監視する。そして、動作監視部９４は、本体内水位Ｓ_２が上限水位に達した場合には、揚水ポンプ４の駆動を停止させ、本体部２ａの中空部２１内からの排水を停止させる。なお、上限水位は、予め設定しておいても良く、排水動作開始時の本体内水位Ｓ_２を基準にして設定するようにしても良い。すなわち、排水に伴って本体内水位Ｓ_２が上限水位に達した場合、スカート部３の周辺地盤でサクション圧による動水勾配が大きくなり、周辺の土砂がスカート部３内に流入したり、部分的な水みちが形成されて大量の水が流入したりする虞があるため、状況確認のため、排水を停止させる。

さらに、動作監視部９４は、排気制御部９３の制御動作に伴う本体内水位Ｓ_２の変化を監視し、本体内水位Ｓ_２が上限水位に達した場合には、真空ポンプ７の駆動を停止させ、本体部２ａの中空部２１内からの排気を停止させる。なお、上限水位は、予め設定しておいても良く、排気動作開始時の本体内水位Ｓ_２を基準にして設定するようにしても良い。すなわち、排気に伴って本体内水位Ｓ_２が上限水位に達した場合、スカート部３の周辺地盤でサクション圧の増加によって動水勾配がさらに大きくなり、周辺の土砂がスカート部３内に流入したり、部分的な水みちが形成されて大量の水が流入したりする虞があるため、状況確認のため、排水を停止させる。

なお、本実施形態では、天板２２に連通開閉手段であるエアバルブ２３を設けたが、本体部２ａの中空部２１と連通するように排気ホース７１を接続しておき、排気ホース７１や、排気ホース７１に接続された真空ポンプ７側に連通開閉手段（手動バルブあるいは電磁バルブ）を設けるようにしても良い。

以上説明したように、本実施形態は、洋上構造物の脚部となる筒状の本体部２ａと、本体部２ａの下端側に設けられ、本体部２ａよりも断面積が広いスカート部３とを備えたサクション基礎１ａを、サクション基礎１ａの自重と、下端がスカート部３内に連通している本体部２ａの中空部２１内から水を排水することで発生させたサクション圧とを用いて水底地盤Ｂに貫入させるサクション基礎１ａの貫入方法であって、本体部２ａの中空部２１内に負圧を発生させ、発生させた負圧によってサクション圧を増加させる。
この構成により、本体部２ａの中空部２１内に発生させた負圧によってサクション圧を増加させることができるため、設置する水深が浅い場合や貫入抵抗が大きい場合でも、水底地盤の強度を低下させることなく、サクション基礎を水底地盤に貫入させることができるという効果を奏する。

さらに、本実施形態において、本体部２ａの中空部２１の上端側は、天板２２によって閉塞されており、本体部２ａの中空部２１内の上部空間に負圧を発生させる。
この構成により、本体部２ａの中空部２１内に負圧を発生させた状態で、本体内水位Ｓ_２を制御することができ、サクション圧をコントロールすることができる。

さらに、本実施形態において、真空ポンプ７によって本体部２ａの中空部２１内の空気を強制排気させることで、本体部２ａの中空部２１内の上部空間に負圧を発生させる。
この構成により、発生させる負圧を制御することができ、サクション圧をコントロールすることができる。

さらに、本実施形態において、連通開閉手段であるエアバルブ２３が天板２２に設けられており、エアバルブ２３を閉じて本体部２ａの中空部２１内から水を排水することで、本体部２ａの中空部２１内の上部空間に負圧を発生させる。
この構成により、真空ポンプ７を用いることなく、排水に伴って簡単に負圧を発生させることができる。

さらに、本実施形態は、サクション基礎１ａの貫入方法を管理する貫入管理装置８であって、本体部２ａの中空部２１内の水位を本体内水位Ｓ_２として検出する水位検出部９１と、本体内水位Ｓ_２を設定値に維持するように、本体部２ａの中空部２１内からの排水量を制御する排水制御部９２と、排水制御部９２の制御動作に伴う本体内水位Ｓ_２の変化を監視し、排水量が予め設定された上限に到達しても本体内水位Ｓ_２が上昇した場合には、本体部２ａの中空部２１内からの排水を停止させる動作監視部９４とを備えている。
この構成により、スカート部３内への土砂や水の流入を速やかに検出することができ、水底地盤の強度低下を未然に防止することができる。

さらに、本実施形態において、排水制御部９２が本体部２ａの中空部２１内から排水量を設定値に制御する場合、動作監視部９４は、排水制御部９２の制御動作に伴う本体内水位Ｓ_２の変化を監視し、本体内水位Ｓ_２が上限水位に達した場合には、本体部２ａの中空部２１内からの排水を停止させる。
この構成により、スカート部３内への土砂や水の流入を速やかに検出することができ、水底地盤の強度低下を未然に防止することができる。

さらに、本実施形態において、本体部２ａの中空部２１内からの排気を制御する排気制御部９３を具備し、動作監視部９４は、排気制御部９３の制御動作に伴う本体内水位Ｓ_２の変化を監視し、本体内水位Ｓ_２が上限水位に達した場合には、本体部２ａの中空部２１内からの排気を停止させる。
この構成により、スカート部３内への土砂や水の流入を速やかに検出することができ、水底地盤の強度低下を未然に防止することができる。

以上、実施形態をもとに本発明を説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１、１ａ サクション基礎
２、２ａ 本体部
３ スカート部
４ 揚水ポンプ
５ 水圧計
６ 気圧計
７ 真空ポンプ
８ 貫入管理装置
２１ 中空部
２２ 天板
２３ エアバルブ
３１ 頂版
３２ 鉛直壁（スカート）
３３ スカート内領域
４１ 排水管
７１ 排気ホース
８１ 制御部
８２ 入力部
８３ 出力部
９１ 水位検出部
９２ 排水制御部
９３ 排気制御部
９４ 動作監視部

Claims (7)

1. 洋上構造物の脚部となる筒状の本体部と、前記本体部の下端側に設けられ、前記本体部よりも断面積が広いスカート部とを備えたサクション基礎を、前記サクション基礎の自重と、下端が前記スカート部内に連通している前記本体部の中空部内から水を排水することで発生させたサクション圧とを用いて水底地盤に貫入させるサクション基礎の貫入方法であって、
   前記本体部の中空部内に負圧を発生させ、発生させた負圧によって前記サクション圧を増加させることを特徴とするサクション基礎の貫入方法。
2. 前記本体部の中空部の上端側は、天板によって閉塞されており、
   前記本体部の中空部内の上部空間に負圧を発生させることを特徴とする請求項１記載のサクション基礎の貫入方法。
3. 前記本体部の中空部内の空気を強制排気させることで、前記本体部の中空部内の上部空間に負圧を発生させることを特徴とする請求項２記載のサクション基礎の貫入方法。
4. 前記本体部の中空部と外部空間との連通を開閉する連通開閉手段を具備し、
   前記連通開閉手段を閉じて前記本体部の中空部内から水を排水することで、前記本体部の中空部内の上部空間に負圧を発生させることを特徴とする請求項２記載のサクション基礎の貫入方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のサクション基礎の貫入方法を管理する貫入管理装置であって、
   前記本体部の中空部内の水位を本体内水位として検出する水位検出部と、
   前記本体内水位を設定値に維持するように、前記本体部の中空部内からの排水量を制御する排水制御部と、
   前記排水制御部の制御動作に伴う前記本体内水位の変化を監視し、排水量が予め設定された上限に到達しても前記本体内水位が上昇した場合には、前記本体部の中空部内からの排水を停止させる動作監視部と、
   を具備することを特徴とする貫入管理装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載のサクション基礎の貫入方法を管理する貫入管理装置であって、
   前記本体部の中空部内の水位を本体内水位として検出する水位検出部と、
   前記本体部の中空部内から排水量を設定値に制御する排水制御部と、
   前記排水制御部の制御動作に伴う前記本体内水位の変化を監視し、前記本体内水位が上限水位に達した場合には、前記本体部の中空部内からの排水を停止させる動作監視部と、
   を具備することを特徴とする貫入管理装置。
7. 前記本体部の中空部内からの排気を制御する排気制御部を具備し、
   前記動作監視部は、前記排気制御部の制御動作に伴う前記本体内水位の変化を監視し、前記本体内水位が上限水位に達した場合には、前記本体部の中空部内からの排気を停止させることを特徴とする請求項５又は６記載の貫入管理装置。

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