JP5794707B2 - 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。このため、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の管の通水断面積が前記第２の管の通水断面積よりも小さくなるように構成し、前記第１の管及び前記第２の管は円筒管から構成され、前記第２の管の内径が０．１ｍ以下のとき前記第１の管の内径が前記第２の管の内径の０％を超え７０％以下に、前記第２の管の内径が０．１ｍを超えるとき前記第１の管の内径が前記第２の管の内径の０％を超え５０％以下に構成され、前記第２の管内に水と分離して存在する空気が前記第１の管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、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揚水ポンプと、を備え、前記揚水ポンプは前記密閉室の底部に設置され、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、前記揚水ポンプ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、第１の管の通水断面積を第２の管の通水断面積よりも小さくすることで、第１の管内で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の管及び前記第２の管は円筒管から構成され、前記第２の管の内径が０．１ｍ以下のとき前記第１の管の内径が前記第２の管の内径の０％を超え７０％以下に、前記第２の管の内径が０．１ｍを超えるとき前記第１の管の内径が前記第２の管の内径の０％を超え５０％以下に構成される。

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、傾斜して設置してもよく、さらに、直線形状に限定されるものでなく、気泡の上昇速度を抑えるために、屈折部や屈曲部を含む形状であってもよい

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。
また、前記軟弱地盤内の地下水位面と前記密閉室内の水位面との水位差により前記サイフォン機能による吸引力を発生させることができる。

なお、本実施形態による吸引力発生方法は、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し水平方向に延びる第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が作用する吸引力発生方法であって、前記第１の管の通水断面積を前記第２の管の通水断面積よりも小さくし、前記第２の管内に水と分離して存在する空気が前記第１の管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ことを特徴とする。

この吸引力発生方法によれば、第１の管の通水断面積が第２の管の通水断面積よりも小さいことにより、第２の管内に水と分離して存在する空気が第１の管内で気泡となって気液２相流として流下しサイフォン機能により吸引力を発生させることができる。なお、第１の管の通水断面積を第２の管の通水断面積よりも小さくするには、円筒管の場合は内径の小さい管を用いること、管内に付帯物を設けること、管内に不透水棒を配置することなどによって実現できる。

なお、本明細書において、通水断面積とは、第１の管及び第２の管において通水が実質的に可能な断面の面積を意味し、円筒管の場合は内径を２ｒとすると、πｒ²である。また、気液２相流とは、液体と気泡が混合した流れのことである。

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）及びサイフォン機能による水と空気との気液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。 第１の実施形態による別の吸引力発生装置の構成を概略的に示す図である。 図３の各鉛直管の通水断面積を水平管の通水断面積よりも小さくするための別の構成例（ａ）（ｂ）を示す図である。 第１の実施形態によるさらに別の吸引力発生装置の構成を概略的に示す図である。 第１の実施形態において縮小すべき鉛直管の内径を水平管の内径に対して水平管の内径に対する比で示す図である。 第２の実施形態による真空圧密地盤改良工法を行うシステム構成を概略的に示す図である。 本実施例においてサイフォン機能による吸引力を併用する真空減圧装置の効果を検証するために用いた実験装置を示す図である。 図８の実験装置による実験開始前（ステップ３の水を供給する前）の各ステージＳｔ．Ａ〜Ｅでの負圧計測結果を示す図である。 図８の実験装置による実験開始後における各ステージＳｔ．Ａ〜Ｅでの負圧計測結果を示す図であり、表１のケース１（ａ）、ケース２（ｂ）、ケース３（ｃ）の場合の負圧計測結果である。 図８の実験装置による実験開始後における各ステージＳｔ．Ａ〜Ｅでの負圧計測結果を示す図であり、表１のケース４（ａ）、ケース５（ｂ）、ケース６（ｃ）の場合の負圧計測結果である。 本実施例の実験において観察された負圧の増加に伴う水の気化の様子を示す模式図である。

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。

〈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２は図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流れを説明するための模式図（ａ）及び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（ｂ）である。なお、図１，図２の縦方向が鉛直方向、横方向が水平方向である。

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の管としての鉛直管１と、鉛直管１の上部で接続し水平方向に延びる第２の管としての水平管２と、を有し、鉛直管１及び水平管２は円筒管からなる。鉛直管１は、鉛直管１の内径が水平管２の内径の５０％以下（水平管２の内径が０．１ｍを超えるとき）または７０％以下（水平管２の内径が０．１ｍ以下のとき）に構成されることで、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。

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。

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。図１の吸引力発生装置では、図２（ａ）のように、水平管２内において空気と水とが分離して流れても、水平管２よりも内径の小さい鉛直管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ｆ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。

ここで、図２（ｂ）のように、水平管と鉛直管とが同じ径であり各通水断面積が同じであると、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し、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。

上述のように、鉛直管１の内径を水平管２の内径よりも小さくした吸引力発生装置により、鉛直管１内で水と気体が混合した気液２相流を形成させ、サイフォンを機能させる。
このとき、水平管２の先端２ａ側の流入部の水位と鉛直管１の下端１ａ側の水位との水位差に起因する吸引力（流体が重力に従って下方に移動しようとすることによる吸引力）が作用する。したがって、従来の真空ポンプによる吸引装置と比較すると、真空ポンプに頼らずにサイフォンの自然エネルギーを極力使用することによって、電力等のコストを削減することが可能になる。

また、従来の真空ポンプを併用すれば、真空ポンプの能力以上の吸引力を発揮することができ、例えば、軟弱地盤の間隙水をより多く吸引し排水し、圧密を大きく促進させることが可能となる。

また、鉛直管１内の水位差による吸引力が効果的に発揮されるためには、１０ｋＰａ程度以上の吸引力が作用するように地下水位面から下の鉛直透水管の長さを１ｍ以上にすることが好ましい。

また、図１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、鉛直管１の内径が好ましくは水平管２の内径の５０％以下（水平管２の内径が０．１ｍを超えるとき）及び７０％以下（水平管２の内径が０．１ｍ以下のとき）であることについて図６を参照して説明する。

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：気泡の半径（最大で管内径の１／２）である。また、Ｃ_Dは抗力係数であり、０．５で与えられる。

また、鉛直管に流入してくる水の流量がＱのとき、管の断面積をＡとすると、鉛直管を流下する水の流速ν_wは、次の式（２）で評価できる。

ν_w＝Ｑ／Ａ （２）

上記式（２）によれば、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がわかる。サイフォンが機能する条件として、気泡が水の流れに連行され、気液２相流が形成されるためには、鉛直管の内径を次の条件式（３）を満足するように定めることが重要である。

ν_w＞ν_a （３）

図６は、縮小すべき鉛直管の内径を水平管の内径に対して水平管の内径に対する比で示す図であり、水平管内における流速が１．０ｍ／ｓ、０．７５ｍ／ｓ、０．５０ｍ／ｓである場合について上記式（１）（２）（３）を用いて評価したものである。用いる水平管の内径に対して、図６にプロットされる点よりも、小さい内径の鉛直管を用いれば、気液２相流が形成されることを示しており、例えば、水平管の内径が０．１５ｍのとき、鉛直管の内径が水平管の内径の５５％程度より小さければ、気液２相流が形成されることを意味している。図６から、水平管の内径が０．１ｍ以下のとき水平管の内径に対して鉛直管の内径を７０％以下に設定し、水平管の内径が０．１ｍを超えるとき水平管の内径に対して鉛直管の内径を５０％以下に設定すれば、気液２相流が形成されることが明らかである。

次に、通水断面積が異なる複数本の鉛直管を水平管に対し切り替え可能に構成した別の吸引力発生装置の構成について図３を参照して説明する。図３は第１の実施形態による別の吸引力発生装置の構成を概略的に示す図である。

図３の吸引力発生装置は、円筒管からなる水平管２に対し円筒管からなる複数本の鉛直管１１，１２，１３を切り替え可能に設けたものである。複数本の鉛直管１１，１２，１３の各内径は、それぞれ異なり、順に小さく構成されるとともに、いずれも水平管２の内径よりも小さくなっている。

各鉛直管１１〜１３は、それらの上部でそれぞれバルブ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを介して水平管２に接続しており、バルブ１１ｂ〜１３ｂの開閉により、いずれかの鉛直管１１，１２または１３が水平管２に対し通水可能となる。図１，図２（ａ）と同様に、その排水面（または、各鉛直管１１〜１３の下端１１ａ，１２ａ，１３ａ）と水平管２の先端２ａ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１１〜１３の下端１１ａ〜１３ａ側に吸引力が発生することで、図の下方に水が流れる。

図３の吸引力発生装置では、水平管２に対する流入水量の増減に対応して鉛直管１１〜１３をバルブ１１ｂ〜１３ｂの開閉により切り替えることで、流入水量の変動に対応することができる。すなわち、水平管２への流入水量が減少すれば、鉛直管１１→１２→１３のように内径の小さい鉛直管に切り替えることで、流入水量が減少してもサイフォン機能を維持できる。水平管２への流入水量が増加すれば、鉛直管１３→１２→１１のように内径の大きい鉛直管に切り替えることで、流入水量が増加した場合に排水量を大きくできる。

なお、図３のように、水平管２内に流れる水量を測定する水量計１５を水平管２に設けるとともに、バルブ１１ｂ〜１３ｂを電動式自動開閉バルブから構成し、水量計１５の水量測定結果に基づいてバルブ１１ｂ〜１３ｂを自動的に開閉制御するようにしてもよい。

次に、図３の鉛直管１１〜１３内の通水断面積を水平管２内の通水断面積よりも小さくするための別の構成例について図４を参照して説明する。

図４（ａ）の例は、鉛直管１１〜１３の内面に内面から半径方向に突き出るように複数の突起体６を設けたものである。図４（ｂ）の例は鉛直管１１〜１３内に網状体７を充填したものである。網状体７は、立体的に網目状になって透水可能であれば、いずれの材料も使用でき、例えば、金網、針金を丸めたものなどを使用できるが、これらに限定されるものではない。

図４（ａ）（ｂ）のように、鉛直管１１〜１３の内面に突起体６や網状体７などの付帯物を設けることで、鉛直管１１〜１３の通水断面積を水平管２の通水断面積よりも小さくなるように調整できるとともに、このような付帯物に水と空気の流れが衝突すると、渦ができ易く、水と空気が混合する状態をより生成し易くなる効果を得ることができる。図３の鉛直管１１〜１３においてそれらの内径が同一であっても図３と同様の効果を得ることができる。また、突起体６の大きさや取り付け個数、または、網状体７の網目の大きさや充填量などを変えることで鉛直管１１〜１３の通水断面積を調整できる。

なお、図４（ａ）（ｂ）の例では、鉛直管１１〜１３のすべてに付帯物を設ける必要はなく、いずれか１つまたは２つに設けてもよく、また、内径を変えかつ付帯物を設けるようにしてもよい。また、図４（ａ）（ｂ）の構成を図３の鉛直管に適用してもよい。

次に、鉛直管内に不透水棒を配置することで鉛直管の通水断面積を変えるようにしたさらに別の吸引力発生装置の構成について図５を参照して説明する。図５は第１の実施形態によるさらに別の吸引力発生装置の構成を概略的に示す図である。

図５の吸引力発生装置は、鉛直管１内に不透水材料からなる不透水棒３を設置することで、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するように構成したものである。具体的には、鉛直管１と水平管２との接続部４の上部の開口を蓋５で開閉可能に構成し、蓋５を開いて不透水棒３を挿入し載置部５ａに載せてから蓋５を閉じる。不透水棒３は、例えば円筒管から構成でき、鉛直管１の下端１ａ近傍まで延びるようにし、また円筒管内には水が流れないようにする。載置部５ａは、例えば、不透水棒３の上端をフランジ構造とし、そのフランジが接続部４内に設けた受け部に載るように構成できる。

図５のように、鉛直管１内に不透水棒３を設置することで、鉛直管１内の通水断面積を水平管２内の通水断面積よりも小さくなるように調整できるので、図２（ａ）と同様のサイフォン機能を得ることができる。また、不透水棒３の外径を変えることで鉛直管１内の通水断面積を調整できる。また、通常の鉛直管と水平管とを有する装置を、鉛直管を小さい径のものに取り替えなくとも、図２（ａ）と同様のサイフォン機能を持つように迅速に対応させることができる。

なお、図５の例では、鉛直管１の内径は、水平管２の内径と同じであってよく、また、大きくてもよい。

また、図５の鉛直管内に不透水棒を配置する構成は、図３の吸引力発生装置に適用してもよく、例えば、各鉛直管１１〜１３の内径を同一にし、各鉛直管１１〜１３に設置する不透水棒の外径を変えることで各鉛直管の通水断面積を調整するようにしてもよい。

〈第２の実施形態〉
図７は第２の実施形態による真空圧密地盤改良工法を行うシステム構成を概略的に示す図である。

図７の真空圧密地盤改良システムＳＡは、図の破線で示す真空減圧装置２０を備え、真空減圧装置２０の水平通水管２２に、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とを介して連結されている。

真空減圧装置２０は、鉛直通水管２１と、鉛直通水管２１の上端に接続された水平通水管２２と、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。

また、鉛直通水管２１及び水平通水管２２は、図１，図２（ａ）の鉛直管１及び水平管２に対応し、それぞれ円筒管からなり、鉛直通水管２１の内径は、図１，図２（ａ）のように、水平通水管２２の内径よりも小さくなっている。

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。
不透気部３２の上端が地表面Ｇ１上で接続部３３を介して真空減圧装置２０の水平通水管２２に連結される。

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。

軟弱地盤Ｇ内で鉛直ドレーン材３１により方向ａに吸引された間隙水が水平通水管２２，鉛直通水管２１を方向ｂに流れて鉛直通水管２１の下端２１ａから排水され、密閉室２６の底部に貯留するが、その貯留水は、揚水ポンプ２４により排水管２５を方向ｃに流れて外部に排水される。

図７の真空圧密地盤改良システムＳＡ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。

本実施形態においては、水平通水管２２内に気体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、上述のように、水平通水管２２の内径に対し鉛直通水管２１の内径を調整することが必要であり、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）であり、また、必要に応じて、図７の鉛直通水管２１に図４（ａ）（ｂ）や図５の構成を適用でき、また、図７の真空圧密地盤改良システムＳＡに図３の吸引力発生装置の構成を適用できる。

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。

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。

図８に、本実施例においてサイフォン機能による吸引力を併用する真空減圧装置の効果を検証するために用いた実験装置を示す。この実験装置は真空ポンプを併用したものである。

図８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：排水用バルブ、空気量調整バルブ、水量調整バルブを閉じた後、注水用バルブを開いて注水し、水平管（円筒管）内および鉛直管（円筒管）内を水で飽和させる。
ステップ２：注水用バルブを閉じた後、排水用バルブのみを開き、密閉室内の水位が鉛直管の下端より５ｃｍ上になるまで排水する。
ステップ３：排水用バルブを閉じた後、真空ポンプを作動させる。このとき、 鉛直方向レベルの異なるステージ（Ｓｔ．）Ａ〜Ｅで水圧計を用いて、同時に水圧計測を開始する。
ステップ４：密閉室内の圧力が−６０ｋＰａまで減圧されたとき、空気量調整バルブ、水量調整バルブを開き、管内に水と空気を導く。
ステップ５：密閉室内の水位変化と、経過時間を計測し、水の流量および管内流速を算定する。

下記表１に示すように、鉛直管内を流れる流速を変化させながら、空気の混入がないケース１〜３と、空気の混入があるケース４〜６に対して実験を行った。ここで、鉛直管内の流速については、水量調整バルブの調整や径の異なる鉛直管の使用により、変化させた。ケース６が実施例である。なお、上述の式（１）を用いて評価される最大の気泡の上昇速度は、１．１ｍ／ｓである。

実験結果
水を供給する前のステップ３における鉛直管・水平管内の負圧計測結果を図９に示す。水位差に従って鉛直管内に働く吸引力により、図８の最上部にあるＳｔ．ＤとＳｔ．Ｅでは、最下部にあるＳｔ．Ａに比べて、水位差に相当する２５ｋＰａ程度負圧が大きく作用することが確認できる。

また、実験開始後における鉛直管・水平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地点における圧力偏差分を図１０（ａ）〜（ｃ）と図１１（ａ）〜（ｃ）に示す。

図１０（ａ）〜（ｃ）のように、ケース１〜３の空気が混入していないケースでは、すべてのケースで、サイフォンが機能し、鉛直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、水位差に相当する２５ｋＰａ程度負圧が大きく作用することが確認できる。このように、鉛直管の下部に比べて水平管部で負圧が増加することは、サイフォン機能によって吸引力が作用していることを示唆するものである。

一方、図１１（ａ）〜（ｃ）のように、ケース４〜６の空気が混入するケースでは、サイフォンが確実に機能するのは、水平管の内径に対して鉛直管の内径を１／２に定め、気泡が浮力によって上昇する速度より流速を速くした条件のケース６のみであることがわかる。このとき、鉛直管内では、図２（ａ）に示すような気液２相流が形成され、空気が気泡として水に取り込まれながら一体的に流れる状況が観察された。気泡の上昇速度に比べて流速が十分でないケース４と５では、実験開始後しばらくの間、空気が排出されずに鉛直管内に蓄積されていき、最上部から最下部にわたって空気が占有するに至ると、最終的に図２（ｂ）に示すような水と空気が分離した流れが形成され、別々に排出されることが確認された。このような分離状況では、サイフォンが機能しないため、最上部にあるＳｔ．ＤとＳｔ．Ｅにおいて、負圧の増加は見られなかった。

以上の実験により、溶存酸素等の気化や水平管や鉛直管等の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、鉛直管内で、浮力による気泡の上昇速度ν_a以上に流速ν_wを速くし、気液２相流を形成させることが重要であることを検証した。すなわち、サイフォンの吸引力を確実に発揮させるためには、鉛直管の内径を、上述の条件式（３）ν_w＞ν_aとなるように定めることが重要である。

また、本実験では、図１２のように、負圧が高まると、溶存気体が気化する状況が観察され、また、−１００ｋＰａに達すると、水が沸騰し、完全に気化することが確認された。すなわち、本真空減圧装置によって作用させることのできる限界の負圧は、−１００ｋＰａである。

以上のように本発明を実施するための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、水平管は、円筒管以外であってもよく、例えば角筒管でもよい。

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ー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）
１ａ 鉛直管の下端
２ 水平管（第２の管）
２ａ 水平管の先端
３ 不透水棒
６ 突起体（付帯物）
７ 網状体（付帯物）
１１〜１３ 鉛直管
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
２４ 揚水ポンプ
２６ 密閉室
３１ 鉛直ドレーン材
ＳＡ 真空圧密地盤改良システム
Ｇ 軟弱地盤
Ｈ０ 地下水位面
Ｈ１ 密閉室内の水位面
ΔＨ 水位差

Claims (3)

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の管の通水断面積が前記第２の管の通水断面積よりも小さくなるように構成し、
   前記第１の管及び前記第２の管は円筒管から構成され、
   前記第２の管の内径が０．１ｍ以下のとき前記第１の管の内径が前記第２の管の内径の０％を超え７０％以下に、前記第２の管の内径が０．１ｍを超えるとき前記第１の管の内径が前記第２の管の内径の０％を超え５０％以下に構成され、
   前記第２の管内に水と分離して存在する空気が前記第１の管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、
   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揚水ポンプと、を備え、
   前記揚水ポンプは前記密閉室の底部に設置され、
   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、前記揚水ポンプ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. 請求項１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。
3. 前記軟弱地盤内の地下水位面と前記密閉室内の水位面との水位差により前記サイフォン機能による吸引力を発生させる請求項２に記載の真空圧密地盤改良工法。