JP5578715B2

JP5578715B2 - 真空圧密システム及び真空圧密方法

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Publication number: JP5578715B2
Application number: JP2010158508A
Authority: JP
Inventors: 隆宏熊谷
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-07-13
Also published as: JP2012021289A

Description

本発明は、吸引力の損失を抑制可能な真空圧密システム及び真空圧密方法に関する。

真空ポンプを用いて圧密地盤改良を行う従来の技術では、例えば、軟弱地盤内に鉛直ドレーンを打設後、真空ポンプによる負圧作用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１〜３参照）。

特開2000-328550号公報特開2001-226951号公報特開2002-138456号公報

しかし、真空ポンプによる吸引・排水を行う場合、設置される排水経路の最上部の位置が吸引・排水したい水の水位より高い場合、その高低差分を揚水しなければならないため吸引エネルギーの損失が生じてしまう問題がある。この問題について図７を参照して説明する。

図７のように、地盤改良対象の軟弱地盤Ｇに複数本の鉛直ドレーンＤを打設し、鉛直ドレーンＤを不透気部Ｆを介して集水管Ｕに接続し、集水管Ｕの頭部をつなぐヘッダパイプＬに接続する。ヘッダパイプＬに接続管Ｉを接続し、接続管Ｉを延ばして負圧作用室Ｐに接続する。負圧作用室Ｐの内部を真空ポンプにより減圧し負圧にすることで、鉛直ドレーンＤから地盤Ｇ内の間隙水を吸引し排水し、軟弱地盤Ｇに対し真空圧密による地盤改良を行う。このとき、ヘッダパイプＬと負圧作用室Ｐとの間に土手や堤防等の障害物Ｔがある場合、接続管Ｉは障害物Ｔを乗り越えるため、接続管Ｉの最上部と軟弱地盤Ｇの水位Ｈとの間にかなりの高低差ができてしまう。このため、負圧作用室Ｐは、その高低差分を揚水しなければならないため吸引エネルギーの損失が生じてしまう。

さらに、ヘッダパイプＬを配置する地盤の地表面に傾斜や不陸がある場合にエネルギー損失による吸引力の損失やドレーンに対する吸引力の不均一が生じることがある。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、排水経路と吸引・排水したい水の水位との間に高低差のある場合や地盤の地表面に傾斜や不陸がある場合においても吸引エネルギーの損失を抑制可能な真空圧密システム及び真空圧密方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真空圧密システムは、地盤中に打設された複数本のドレーンを通過する水を集める集水管と、前記集水管が接続するヘッダパイプと、前記ヘッダパイプと排水経路を介して接続され真空ポンプを有する負圧作用室と、前記ヘッダパイプと接続され排水ポンプを収容する気密容器と、を備え、前記地盤またはその近傍を冠水させて前記ヘッダパイプを水に浮かせた状態とすることで前記ヘッダパイプを水平に保ち、前記排水経路に高低差のある条件の下で前記真空ポンプを駆動するとともに前記気密容器内の排水ポンプを駆動することで前記気密容器内に負圧を付加して真空圧密による地盤改良を行うことを特徴とする。

この真空圧密システムによれば、ヘッダパイプと接続された気密容器内の排水ポンプを駆動することで排水経路と吸引・排水したい水の水位との間に高低差のある場合においても吸引エネルギーの損失を抑制することができるとともに、ヘッダパイプを水平に保つことで、エネルギー損失による吸引力の損失を防ぐことができ、また、ドレーンに働く吸引力を均一に保つことができる。

上記真空圧密システムにおいて前記地盤またはその近傍を冠水させて前記ヘッダパイプを水に浮かせた状態とすることで前記ヘッダパイプを水平に保つ。

この場合、前記気密容器からの排水を前記地盤またはその近傍に導くことで前記地盤またはその近傍を冠水させることが好ましい。

また、前記ヘッダパイプは比重が１．０以下の材料から構成した軽量型パイプから構成されることが好ましい。ヘッダパイプが軽量となるので、ヘッダパイプを水に浮かせる場合に有利である。

なお、前記ヘッダパイプを水に浮かせる場合、ヘッダパイプのための浮体手段を配置するようにしてもよい。これにより、比重の軽い軽量管を用いる代わりにブイ等の浮力が働く浮体手段によりヘッダパイプを浮かせることができる。

上記目的を達成するための真空圧密方法は、地盤中に打設された複数本のドレーンを通過する水を集める集水管と、前記集水管が接続するヘッダパイプと、前記ヘッダパイプと排水経路を介して接続され真空ポンプを有する負圧作用室と、前記ヘッダパイプと接続され排水ポンプを収容する気密容器と、を配置し、前記地盤またはその近傍を冠水させて前記ヘッダパイプを水に浮かせた状態とすることで前記ヘッダパイプを水平に保ち、前記排水経路内に高低差のある条件の下で前記真空ポンプを駆動するとともに前記気密容器内の排水ポンプを駆動することで前記気密容器内に負圧を付加して真空圧密による地盤改良を行うことを特徴とする。

この真空圧密方法によれば、ヘッダパイプと接続された気密容器内の排水ポンプを駆動することで排水経路と吸引・排水したい水の水位との間に高低差のある場合においても吸引エネルギーの損失を抑制することができるとともに、ヘッダパイプを水平に保つことで、エネルギー損失による吸引力の損失を防ぐことができ、また、ドレーンに働く吸引力を均一に保つことができる。

上記真空圧密方法において前記地盤またはその近傍を冠水させて前記ヘッダパイプを水に浮かせた状態とすることで前記ヘッダパイプを水平に保つ。

なお、真空圧密システムは、地盤中に打設された複数本のドレーンを通過する水を集める集水管と、前記集水管が接続するヘッダパイプと、前記ヘッダパイプと排水経路を介して接続され真空ポンプを有する負圧作用室と、を備え、前記ヘッダパイプを水平に保ち、前記真空ポンプを駆動して前記負圧作用室を負圧にすることで真空圧密による地盤改良を行うように構成してもよい。この真空圧密システムによれば、ヘッダパイプを水平に保つことで、エネルギー損失による吸引力の損失を防ぐことができ、また、ドレーンに働く吸引力を均一に保つことができる。

本発明の真空圧密システム及び真空圧密方法によれば、排水経路と吸引・排水したい水の水位との間に高低差のある場合においても吸引エネルギーの損失を抑制することができるとともに、ヘッダパイプを水平に保つことでエネルギー損失による吸引力の損失を防ぐことができ、また、各ドレーンに働く吸引力を均一に保つことができる。

本実施形態による真空圧密システムを概略的に示す図である。図１の真空圧密システムの概略的な側面図である。真空圧密システムにおいてヘッダパイプが傾斜や不陸のある地表面に設置されたとき発生する問題を説明するための概略図である。図３の問題に対する本実施形態による解決手段を説明するための図である。実施例として本発明の効果検証するために作製した実験装置を示す概略図である。図５の実験装置による実験結果を示すグラフである。従来の真空圧密システムの概略図である。図１，図２のヘッダパイプを水平に保つための別の手段・方法を説明するための真空圧密システムの概略的な側面図である。

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。図１は本実施形態による真空圧密システムを概略的に示す図である。図２は図１の真空圧密システムの概略的な側面図である。なお、図２では図１の気密容器１８等の図示を省略している。

図１，図２のように、本実施形態の真空圧密システム１０は、地盤改良のために鉛直ドレーン１１を多数本打設した地盤と、真空圧密のために設置した負圧作用室１６との間に土手や堤防などの高さのある障害物Ｔがある場合に適用して好ましいものである。

すなわち、真空圧密システム１０は、軟弱地盤に打設された複数本の鉛直ドレーン１１を通過する水を集める集水管１２と、集水管１２を頭部１２ａでつなぐようにして接続するヘッダパイプ１３と、ヘッダパイプ１３と接続管１４，１５を介して接続され真空ポンプ１６ａを備える負圧作用室１６と、ヘッダパイプ１３と接続管１７を介して接続され揚水ポンプ１９を収容する気密容器１８と、を備える。各鉛直ドレーン１１は不透気部１１ａを介して集水管１２に連結される。

ヘッダパイプ１３は、複数本の集水管１２が接続し、円筒管からなるが、比重が１．０未満の樹脂等の軽量材料から構成することが好ましい。これにより、図２のように改良対象の地盤を冠水させて形成された冠水部２０（水位Ｈ１）に容易に浮上することができる。

なお、ヘッダパイプ１３の周囲にブイ等の浮上手段を配置してもよく、これにより、ヘッダパイプ１３を軽量材料から構成しない場合でも確実に浮上させることができる。

また、ヘッダパイプ１３に接続する集水管１２と接続管１４とは、公知の可撓性継手を介して接続するようにしてもよく、また、集水管１２と接続管１４とを可撓性の管から構成してもよい。

図１，図２の真空圧密システム１０についてさらに説明する。真空ポンプ１６ａにより減圧し負圧を発生させる負圧作用室１６内に揚水ポンプ１６ｂと排水管１６ｃとからなる排水設備を配置するとともに負圧作用室１６内部を密閉する。

負圧作用室１６に排水を導くための接続管１５とヘッダパイプ１３とを接続管１４により連結する。接続管１４は、接続管１５とともに排水経路を構成するが、土手や堤防等の高さのある障害物Ｔに沿って配置されるため接続管１４（排水経路）の最上部と軟弱地盤Ｇの水位Ｈとの間に高低差が生じる。

軟弱地盤Ｇ内に打設されて間隙水を吸引するための鉛直ドレーン１１を集水管１２に接続するとともに、揚水ポンプ１９を備えた気密容器１８に接続されたヘッダパイプ１３と複数の集水管１２とを高低差のある排水経路内の低い位置で連結する。

揚水ポンプ１９は水浸状態においてのみ作動する性質をもつため、揚水ポンプ１９を備えた気密容器１８の設置位置はヘッダパイプ１３と同等もしくは下方位置とする。揚水ポンプ１９から水が排出管１９ａを通して外部に排出される。気密容器１８は内部に収容した揚水ポンプ１９とともに負圧損失解消装置を構成する。なお、気密容器１８の形状としては、立方体、直方体、円筒等いずれの形状でもよく、容積についても揚水ポンプ１９を収容できる容積があればよい。

真空ポンプ１６ａの作動により負圧作用室１６内の圧力を減じ負圧とし、排水管１６ｃ内に軟弱地盤Ｇからの水の通過を確認した後に気密容器１８内の揚水ポンプ１９を作動させるようにする。

気密容器１８内の揚水ポンプ１９からの排水を地盤改良域に導くため排水管１９ａに別途排水管（図示省略）を接続して（または排水管１９ａを延長して）改良域の地表面に形成された冠水部２０に戻すとともに、必要に応じて、別途水の供給を行いながら地盤を冠水させる。

図１，図２の真空圧密システム１０は、負圧作用室１６内で真空ポンプ１６ａにより負圧（吸引力）を発生させることで、軟弱地盤Ｇから鉛直ドレーン１１を通過する間隙水を図１の矢印方向ｊに集水管１２，ヘッダパイプ１３，接続管１４，１５等を通して吸引し排出することで軟弱地盤Ｇに対し真空圧密による地盤改良を行う。

このとき、負圧作用室１６が接続管１４の排水経路における高低差分を揚水しなければならないため負圧作用室１６による吸引力が一部損なわれるのであるが、図１の気密容器１８内の揚水ポンプ１９を駆動させて、ヘッダパイプ１３から矢印方向ｋに気密容器１８内へ別途排水させ、その水を排水管１９ａから外部に排出することで、気密容器１８内に揚水ポンプ１９の駆動に起因する負圧が付加され、この負圧は接続管１７を通してヘッダパイプ１３に付加される。

上述のようにして、負圧作用室１６内の真空ポンプ１６ａによる吸引力について高低差のある排水経路内で揚水に係るエネルギー損失が生じるとしても気密容器１８内の揚水ポンプ１９の駆動によりヘッダパイプ１３において負圧が補われ全体として吸引力の損失を抑制することができる。このように、気密容器１８と揚水ポンプ１９とによる負圧損失解消装置により、図１，図２のように排水経路に高低差があってもその吸引力の損失を解消することができる。

以上のように、本実施形態の真空圧密システム１０によれば、排水経路において高低差があるためエネルギー損失が生じても気密容器１８内の揚水ポンプ１９の駆動により、負圧作用室１６の吸引力の損失を抑制し解消できるので、効率的な吸引・排水を実施することができる。

したがって、軟弱地盤の間隙水の排水による真空圧密改良を実施する際に、排水経路に高低差がある場合でも高い吸引力を発揮させ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。

次に、軟弱地盤の真空圧密改良において地盤沈下により地表面に傾斜や不陸が生じる場合がある。かかる場合に生じる問題及びその解決手段について図３，図４を参照して説明する。

図３はヘッダパイプ１３が傾斜や不陸のある地表面に設置されたとき発生する問題を説明するための概略図である。図４は図３の問題に対する本実施形態による解決手段を説明するための図である。

高い負圧を働かせる条件では排水中の溶存空気が気化するため、複数の集水管１２と連結するヘッダパイプ１３を単純に地盤の地表面に設置すると、地表面に傾斜等がある条件、すなわち、図３のように矢印方向Ｙに低くなるように傾斜していると、ヘッダパイプ１３において、地盤高の高い箇所Ｍに気化した溶存空気が集まる一方、鉛直ドレーン１１からの水が各集水管１２を矢印方向ａに流れ、それらの排水が矢印方向ｂに流れ地盤高の低い箇所Ｎに集中する。

ここで、図３のようにヘッダパイプ１３から接続管１４ａ、１４ｂを通して負圧作用室１６（図１，図２）に向かう排水流量Ｑは次の数式（１）で与えられる。

ここに、ｖは各接続管の管内流速で、Ａはその通過断面積である。ｉは水が流れる接続管の番号、Ｎは水が流れている接続管の総数である。

また、管内を流れる水の摩擦によるエネルギー損失水頭ｈ_Lは次の式（２）のダルシー・ワイスバッハの式で与えられる。

ここに、Ｌは管長、Ｄは管径、ｆは摩擦係数、ｇは重力加速度である。

図１の気密容器１８と接続するヘッダパイプ１３の水平性が保たれていない条件では、上述のようにヘッダパイプ１３の上部に空気が集まり下部には水が集まるため、式（１）において水が流れる接続管の総数が減少する。図３では接続管１４ａで空気が矢印方向ｃに流れる一方、接続管１４ｂに水が集中し矢印方向ｄに流れる。このため、排水流量を確保するためには管内流速が増加しなければならないが、管内流速が増加すると式（２）によりエネルギー損失が流速の２乗で増加するためエネルギー損失が非常に大きくなり吸引力の損失につながってしまう。

また、ヘッダパイプ１３の水平性が保たれていない条件では、地盤高の低い箇所Ｍに水が集まることにより上部と下部で水頭差が生じる。この水頭差のためヘッダパイプ１３の下部で接続する鉛直ドレーン１１に働く吸引力が低下し、ヘッダパイプ１３の上部で連結する吸引力に違いが生じる。このような吸引力の不均一性は地盤改良の品質の確保上大きな問題になる。

これに対し、図１，図２，図４のように地盤に水を張って形成した水位Ｈ１の冠水部２０にヘッダパイプ１３を浮かせた状態とすることで、ヘッダパイプ１３を水平に保つことができる。これにより、図４のように、鉛直ドレーン１１から各集水管１２を矢印方向ａに流れる水がヘッダパイプ１３に入り、各接続管１４ａ、１４ｂで一様に流れ、１つの接続管に集中することはないので、上述のようなエネルギー損失による吸引力の損失を防ぐことができる。

また、ヘッダパイプ１３の水平性が保たれていないときに上部と下部で水頭差が生じたが、ヘッダパイプ１３の水平性が保たれて、ヘッダパイプ１３で水頭差が生じることはないので、各鉛直ドレーン１１に働く吸引力を均一に保つことができる。このため、地盤改良の品質を確実に確保することができる。

なお、図１のように、ヘッダパイプ１３から単数の接続管１４が延びる場合にも、ヘッダパイプ１３の水平性が保たれていないと、条件によっては接続管１４を空気のみが通ることやヘッダパイプ１３において上述の水頭差が生じてしまうことが考えられ、上述と同様の各問題が生じてしまうが、ヘッダパイプ１３を冠水部２０に浮かせることで、かかる問題を解決できる。

また、真空ポンプを用いて軟弱地盤の真空圧密改良を行う場合、地表面の水分は、圧密改良や天日の影響により脱水・蒸発し、亀裂が生じやすく、地表面で亀裂が発生すると気密漏れが生じるため負圧の確保が困難になるという問題が生じるが、本実施形態のように、地盤上に水を張り冠水部２０とすることにより地表面の湿潤状態を常に保ち気密性を維持する効果を併せて得ることができる。なお、ヘッダパイプを水に浮上させるか否かに関わらず、気密容器１８からの排水により改良域の地表面を冠水させることが好ましい。

次に、本実施形態においてヘッダパイプを水平に保つための別の手段・方法について図８を参照して説明する。図８は図１，図２のヘッダパイプを水平に保つための別の手段・方法を説明するための真空圧密システムの概略的な側面図である。

図８の例は、土手や堤防等の障害物Ｔを利用してヘッダパイプを吊り下げることで水平に保つようにしたものである。すなわち、図８のように、土手や堤防等の障害物Ｔの上側にワイヤーの固定部２１を設け、固定部２１から延びたワイヤー２２によりヘッダパイプ１３を吊り下げる。これによりヘッダパイプ１３を水平に保ちながら設置できる。この場合、ヘッダパイプ１３の長さ方向に所定間隔で複数本のワイヤー２２を配置してヘッダパイプ１３を水平に吊り下げることが好ましい。

なお、ヘッダパイプを水平に保つためのさらに別の手段・方法として、地表面Ｓに架台やブロック等を設置し、架台やブロック等の上にヘッダパイプ１３を載せて水平に保つようにしてもよい。さらに、地盤またはその近傍に不陸や傾斜のない平坦な地盤を形成し、その平坦な地盤にヘッダパイプ１３を水平に設置するようにしてもよい。

実験例

実験例として揚水ポンプを収容した気密容器が発揮する負圧補助機能の効果を検証するために図５に示すような実験装置を作製し実験を行った。

実験概要
以下の手順で実験を行った。

ステップ１：真空ポンプによって減圧を行う負圧作用室に向かう排水経路において長さ２ｍの鉛直管を用いて高低差のある排水経路とる。長さ２ｍの鉛直管の下端に揚水ポンプを収容した気密容器を接続する。

ステップ２：鉛直管上端から気密容器内まで水を満たして実験の初期条件とする。

ステップ３：気密容器内の揚水ポンプは止めたままで真空ポンプを起動させるとともに、負圧作用室内の負圧を−５０ｋＮ／ｍ²程度で一定に保つ。また、負圧作用室内のSt.1と鉛直管下端のSt.2との各高さ位置で負圧の計測を行う。

ステップ４：一定時間経過後に気密容器内の揚水ポンプを起動させる。揚水ポンプによる排水に伴って高低差のある鉛直管内の水位が初期の２．０ｍの高さから１．０ｍの高さまで低下した時点で実験を終了する。

実験結果
負圧の計測結果を図６に示す。１５０秒が経過するまでは揚水ポンプを止めたままで真空ポンプを駆動させた状態とした。図６から、負圧作用室内の負圧と比べて、鉛直管の下端部では初期状態において２ｍの水位差があるため、鉛直管の下端部において作用する負圧が２０ｋＮ／ｍ²程度小さいことがわかる。すなわち、鉛直管の下端部で負圧の損失が生じている。

一方、１５０秒経過後に揚水ポンプを起動させると、揚水ポンプによって負圧が新たに生み出されることにより、負圧作用室内および鉛直管の下端でともに負圧が増加していくことがわかる。特に、実験終了時において、鉛直管内の水位が１ｍ程度の位置にあるにも関わらず、揚水ポンプ起動前の負圧作用室で発生させていた負圧よりも大きい負圧を鉛直管の下端で発生させることができており、気密容器内の揚水ポンプによる負圧の付加効果が高いことを検証することができた。

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１では、ヘッダパイプ１３と負圧作用装置とを単数の接続管１４で接続したが、本発明はこれに限定されず、図４のように二本の接続管１４ａ，１４ｂで接続するようにしてもよく、また、二本以上で接続してもよい。

本発明の真空圧密システム及び方法によれば、軟弱地盤の真空圧密による地盤改良を行うとき、排水経路に高低差がある場合でも高い吸引力を発揮させ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できる。

１０真空圧密システム
１１鉛直ドレーン
１２集水管
１３ヘッダパイプ
１４，１５接続管
１４ａ，１４ｂ接続管
１６負圧作用室
１６ａ真空ポンプ
１６ｂ揚水ポンプ
１７接続管
１８気密容器
１９揚水ポンプ
２０冠水部
Ｈ１冠水部２０の水位
Ｔ障害物

Claims

地盤中に打設された複数本のドレーンを通過する水を集める集水管と、
前記集水管が接続するヘッダパイプと、
前記ヘッダパイプと排水経路を介して接続され真空ポンプを有する負圧作用室と、
前記ヘッダパイプと接続され排水ポンプを収容する気密容器と、を備え、
前記地盤またはその近傍を冠水させて前記ヘッダパイプを水に浮かせた状態とすることで前記ヘッダパイプを水平に保ち、
前記排水経路に高低差のある条件の下で前記真空ポンプを駆動するとともに前記気密容器内の排水ポンプを駆動することで前記気密容器内に負圧を付加し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システム。
前記気密容器からの排水を前記地盤またはその近傍に導くことで前記地盤またはその近傍を冠水させる請求項１に記載の真空圧密システム。
前記ヘッダパイプは比重が１．０以下の材料から構成した軽量型パイプから構成される請求項１または２に記載の真空圧密システム。
地盤中に打設された複数本のドレーンを通過する水を集める集水管と、
前記集水管が接続するヘッダパイプと、
前記ヘッダパイプと排水経路を介して接続され真空ポンプを有する負圧作用室と、
前記ヘッダパイプと接続され排水ポンプを収容する気密容器と、を配置し、
前記地盤またはその近傍を冠水させて前記ヘッダパイプを水に浮かせた状態とすることで前記ヘッダパイプを水平に保ち、
前記排水経路内に高低差のある条件の下で前記真空ポンプを駆動するとともに前記気密容器内の排水ポンプを駆動することで前記気密容器内に負圧を付加し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方法。