JP6886576B2 - 地盤改良用負圧発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空圧密工法におけるドレーン材に通じる吸水パイプからエジェクターを使用して水を吸引する地盤改良用負圧発生装置に関する。

従来、地盤改良技術として真空圧密工法が広く知られている。この工法は、軟弱地盤中に埋め込んだドレーン材の端部に吸引パイプを連結し、その吸引パイプ内を減圧して圧密を促進させることによって軟弱地盤を早期に改良する工法である（例えば特許文献１）。

従来、この真空圧密工法では、吸引パイプ内を減圧する手段として気密室とその内部を減圧する真空ポンプを使用し、吸引パイプを気密室に連結させた状態で真空ポンプを作動させることによって地盤中に負圧を作用させていた。

しかしながら、真空ポンプを用いて吸引パイプ内を減圧する場合には、真空ポンプによって減圧された気密室内に集まる水を排水しなければならないため、高い排水能力を有する排水ポンプが必要であり、真空ポンプと高揚程の排水ポンプに係る費用が高価であり、また負圧発生装置として真空ポンプを用いる場合、地盤改良期間中において、冷却水を取り換えるなどの定期的なメンテナンスに手間がかかるという問題があった。

そこで、近年では、上述の真空ポンプを使用した工法の課題を鑑み、地盤内の減圧手段として真空ポンプに代えてエジェクターを使用した装置が開発されている（例えば、特許文献２を参照）。

この装置は、地盤改良用のドレーン材に通じる吸水パイプと、吸水パイプを通して吸引された水を貯留する貯水槽と、貯水槽内の水を駆動水とするエジェクターと、貯水槽内の水を排出する排水ポンプとを備え、エジェクターの吸引ポートに吸水パイプを連通させ、エジェクターを作動させて吸水パイプ内を減圧させ、かつ、エジェクターの排水ポートからの排水を貯水槽内に吐出させることにより貯水槽内の水をエジェクターの駆動水として循環使用するようになっている。

また、この地盤改良用負圧発生装置では、エジェクターを貯水槽内の底部に設置し、エジェクターの駆動水取り入れ口を貯水槽内の水面下に開口させ、且つエジェクターの排水ポートを水面上に開口させることにより、エジェクターの排水ポートが、常に貯留水の水面上に出た状態となるため、駆動水の排出の際の抵抗が、水面下にある場合に比べて小さくなり、エジェクターの能力を低下させずに効率よく稼働させることができるようになっている。

特開２００１−２２６９５１号公報 特開２０１６−０８９４０１号公報

しかしながら、上述の如きエジェクターを使用した地盤改良用負圧発生装置では、エジェクターの吸水能力の更なる向上が望まれている。

一方、エジェクターの吸水能力の向上を図るために、より高い能力を有する駆動水供給ポンプを採用する場合には、駆動水供給ポンプが高価となる分、装置全体のコストが嵩むという問題があった。

そこで、本発明は、このような従来の問題に鑑み、駆動水供給ポンプの高性能化に頼ることなく、安価にエジェクターの吸水能力の向上を図ることができる地盤改良用負圧発生装置の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決するための請求項1に記載の発明の特徴は、地盤改良用のドレーン材と連通した吸水パイプと、該吸水パイプが吸引ポートに連通されたエジェクターと、該エジェクターの排出ポートより吐出された水が貯留される貯水槽と、該貯水槽内の底部に配置された排水ポンプとを備え、前記貯水槽内の水を駆動流体としてエジェクターを作動させ、前記吸水パイプ内を減圧し、該吸水パイプを通して吸引された水が前記貯水槽に排水されるようにした地盤改良用負圧発生装置において、前記貯水槽上に駆動水用貯水槽を備え、前記エジェクターは、前記駆動水用貯水槽より下、且つ、前記貯水槽内の水面より上の位置に排水ポートを下向きにして設置され、前記エジェクターに駆動水を供給する駆動水供給ポンプを前記駆動水用貯水槽に備えていることにある。

請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、前記駆動水用貯水槽は、前記排水ポンプで汲み上げた水が貯留され、且つ、所定量を超えた水が外部に排水されるようにしたことにある。

請求項３に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、前記貯水槽を気密構造とするとともに、前記駆動水用貯水槽は、水中に設置され、取水口を通して外部より取水するようにした請求項１に記載の地盤改良用負圧発生装置。

請求項４に記載の発明の特徴は、請求項１〜３の何れか一の構成に加え、前記貯水槽及び前記エジェクターを地表下に設置し、前記エジェクターと前記吸水パイプとの水頭差によるサイフォン効果によって吸水が促進されるようにしたことにある。

請求項５に記載の発明の特徴は、請求項１〜４の何れか一の構成に加え、前記貯水槽を気密構造とするとともに、該貯水槽内の空気を吸引して減圧する真空ポンプを備えたことにある。

本発明に係る地盤改良用負圧発生装置は、請求項１に記載の構成を具備することによって、エジェクターの排水時の抵抗を軽減し、且つ、駆動水供給ポンプによる駆動水圧に加え、水の重力によって駆動水圧が増大し、高い吸水能力を発揮することができ、その分、駆動水供給ポンプを小型化し、費用の低減を図ることができる。また、貯水槽から余剰水を連続的に排水することができる。また、本発明において、駆動水がエジェクターよりも高い位置から供給されることによって、駆動水圧が増大する。

さらに、本発明において、請求項２に記載の構成を具備することによって、貯水槽内に排出された水を駆動水として循環使用することができ、駆動水用の供給源を別個に設ける必要がない。

また、本発明において、請求項３に記載の構成を具備することによって、豊富な駆動水を確保することができる。また、没水させることができない真空ポンプを使用する従来の吸引装置では適用できない水底地盤に対し、適用することができる。

また、本発明において、請求項４に記載の構成を具備することによって、サイフォン効果による吸水性能が増大し、圧密を促進することができる。

さらに、本発明において、請求項５に記載の構成を具備することによって、確実に地盤に対し高い負圧を作用させることができ、圧密を促進することができる。

本発明に係る地盤改良用負圧発生装置の実施態様の一例を示す概略断面図である。 図1中のエジェクターを示す断面図である。 本発明に係る地盤改良用負圧発生装置の他の実施態様の一例を示す概略断面図である。 従来の地盤改良用負圧発生装置の原理を用いた効果確認実験装置を示す概略断面図である。 本発明に係る地盤改良用負圧発生装置の原理を用いた効果確認実験装置を示す概略断面図である。 本発明に係る地盤改良用負圧発生装置の実施態様の他の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る地盤改良用負圧発生装置の実施態様のさらに他の一例を示す概略断面図である。

次に、本発明に係る地盤改良用負圧発生装置の第1の実施態様を図１、図２に示した実施例に基づいて説明する。尚、図中符号１は、真空圧密工法によって改良しようとする軟弱地盤、符号２は軟弱地盤中に埋設したドレーン材である。

各ドレーン材２，２…は、例えば、キャップ付きのプラスチックボードドレーンを使用し、特に図示しないが、波型断面を有する芯材の両面が不織布等の透水性被覆材で被覆され、内外で土砂の流入が防止された状態で通水性が確保されている。

また、ドレーン材２，２…は、上端部に気密性が維持できる不透水部３（キャップ）を備え、不透水部３の端部が気密性を維持した状態で集水管４に連結されている。

各集水管４は、図には詳示してないが、１本の吸水パイプ５に集約して連結され、吸水パイプ５の端部が地盤改良用負圧発生装置６Ａに連結されている。

地盤改良用負圧発生装置６Ａは、ドレーン材２，２…と連通した吸水パイプ５と、吸水パイプ５が吸引ポート７に連通されたエジェクター８と、エジェクター８の排出ポート９より吐出された水が貯留される貯水槽１０と、貯水槽１０内の底部に配置された排水ポンプ１１とを備え、貯水槽１０内の水を駆動流体としてエジェクター８を作動させ、吸水パイプ５内を減圧し、吸水パイプ５を通して吸引された水が貯水槽１０に排水されるようにしている。

貯水槽１０は、中空函状に形成され、地表下に埋設されている。

また、貯水槽１０は、所定の高さの溢流堰３０によって貯水槽本体部３１と排水部３２とに隔てられ、貯水槽本体部３１内が一定の水位に保たれるようにしている。

この貯水槽１０は、貯水槽本体部３１の底部に駆動水供給ポンプ１６が設置され、貯水槽本体部３１内の水を駆動水としてエジェクター８に供給するようになっている。

また、貯水槽１０には、排水部３２の底部に排水ポンプ１１が設置され、溢流堰３０を越流して排水部３２内に流入した水を排水ポンプ１１によって汲み上げ、外部に排水するようになっている。

排水ポンプ１１には、揚水ポンプを使用し、所定の高さに取り付けられたセンサーによって水を検知した時に自動的に作動するようにしている。

エジェクター８は、貯水槽１０内の水面より上の位置に排出ポート９を下向きにして設置され、貯水槽本体部３１の底部に設置された駆動水供給ポンプ１６より給水管１７を通して駆動水が供給されるようになっている。尚、エジェクター８の向きは、噴射時に重力が最も効率的に作用する鉛直下向きとすることが望ましい。

駆動水供給ポンプ１６は、揚水ポンプ等を使用し、底部に開口した取水口１８と、駆動モータ１９によって動作される水流発生機構（図示せず）と、水流発生機構から駆動水が送り出される送水口２０とを備え、この送水口２０から給水管１７を介してエジェクター８の噴射ノズル２１に駆動水が供給されるようになっている。

エジェクター８は、図２に示すように、吸引ポート７を有する中空のエジェクター本体２２と、エジェクター本体２２の一方から挿入された噴射ノズル２１と、エジェクター本体２２の他方から挿入されたディフューザー２３（混合管）とを備え、ディフューザー２３の絞り部に向けて噴射ノズル２１から高速の駆動水が噴射される。

吸引ポート７には、吸水パイプ５の端部が気密性を維持させた状態で連結され、噴射ノズル２１からディフューザー２３に駆動水が噴射されることによってエジェクター本体２２内が減圧され、それに伴い吸水パイプ５を通してドレーン材２，２…内を減圧し、軟弱地盤１の圧密が促進されるようになっている。

ディフューザー２３の排出ポート９は、ラッパ状に拡開された形状をしており、駆動水はエジェクター８内でエネルギー損失が生じるような乱流状態になることなく滑らかにこの排出ポート９から貯水槽１０に排出されるようになっている。

このエジェクター８は、特に図示しない支持体によって貯水槽１０内の所望高さに設置され、常に貯水槽本体３１内の水面より上の位置に排出ポート９を鉛直下向きにして設置されているので、排出ポート９の開口部が常に気中にあって前方抵抗が少なくなっている。また、重力の作用方向に従って鉛直下向きに噴射するため、噴射効率が高い。

また、このエジェクター８は、貯水槽１０が地表下に設置されているので、エジェクター８と吸水パイプ５との水頭差によるサイフォン効果によって吸水が促進されるようになっている。

このように構成された地盤改良用負圧発生装置６Ａでは、先ず、エジェクター８が動作可能な水位、即ち、排水ポンプ１１及び駆動水供給ポンプ１６の取水口が常に水面下となる水位となるように貯水槽１０の貯水槽本体部３１及び排水部３２に予備水を注水しておく。

次に、駆動水供給ポンプ１６を作動させてエジェクター８への駆動水の供給を開始し、エジェクター本体２２内を減圧させ、吸水パイプ５を介してドレーン材２，２…内の水を吸い上げる。

この吸い上げられた水は、駆動水と共にエジェクター８の排出ポート９から貯水槽本体部３１内に噴出されて貯水槽本体部３１内に一時的に貯留され、駆動水として利用する。

その際、エジェクター８が排出ポート９を鉛直下向きにして設置されているので、噴射ノズル２１より噴射される水は、駆動水供給ポンプ１６の供給圧に加え重力が作用し、その状態で高速噴射される。

一方、貯水槽本体部３１内の水位が一定以上に達すると、貯水槽本体部３１内の水が溢流堰３０を越流して排水部３２内に流入し、その余剰水が排水ポンプ１１によって汲み上げられ、外部に排水される。

貯水槽本体部３１内の水位は、一定水位以下に抑えられ、常にエジェクター８の排出ポート９が水面上に位置するようになっており、エジェクター８は、常に、気中で鉛直下向きに噴射するため、排水時の前方抵抗が抑制されるとともに、重力を効果的に利用することができる。

よって、このエジェクター８は、駆動水供給ポンプ１６に高価な高揚程のポンプを使用しなくとも高い吸水性能を発揮することができ、その分、コストを抑えることができる。また、エジェクター８は、豊富な水の供給源を必要とせず、かつドレーン材２，２…から吸引した水を循環して使用するための貯水場所の確保を必要としない。

尚、上述の実施例では、貯水槽１０に溢流堰３０で隔てられた貯留槽本体３１と排水部３２とを備えた例について説明したが、本発明はこの態様に限定されず、溢流堰３０を設けなくともよい。その場合、駆動水供給ポンプ１６よりも高い位置に排水ポンプ１１を設置することによって、貯水槽１０内の水位を所定の水位以下に維持しつつ、好適に駆動水をエジェクター８に供給できる。

次に、本発明に係る地盤改良用負圧発生装置の第２の実施態様を図３に示した実施例に基づいて説明する。尚、上述の実施例と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する。

この地盤改良用負圧発生装置６Ｂは、上述の装置６Ａと同様に、吸水パイプ５が吸引ポート７に連通されたエジェクター８と、エジェクター８の排出ポート９より吐出された水が貯留される貯水槽１０と、貯水槽１０内の底部に配置された排水ポンプ１１とを備え、貯水槽１０内の水を駆動流体としてエジェクター８を作動させ、吸水パイプ５内を減圧し、吸水パイプ５を通して吸引された水が貯水槽１０に排水されるようにしている。

また、地盤改良用負圧発生装置６Ｂは、貯水槽１０上に駆動水用貯水槽１２を備え、貯水槽１０内の水が排水ポンプ１１によって駆動水用貯水槽１２に汲み上げられ、貯水槽１０内の水が駆動水用貯水槽１２を経てエジェクター８に駆動水として供給されるようになっている。

貯水槽１０は、上面が閉鎖された中空函状に形成され、地表下に埋設されている。

また、この貯水槽１０は、その底部に排水ポンプ１１が設置され、排水ポンプ１１により貯水槽１０内の水が汲み上げられる。

排水ポンプ１１には、揚水ポンプを使用し、所定の高さに取り付けられたセンサーによって水を検知した時に自動的に作動し、貯水槽１０内の水位が所定の高さ以上にならないようにしている。

駆動水用貯水槽１２は、排水ポンプ１１より汲み上げた水が貯留される駆動水貯水槽本体１３と、駆動水貯水槽本体１３と越流堰１４によって隔てられた排水槽１５とを備え、駆動水貯水槽本体１３に常に駆動水を貯留しておくとともに、一定量を超えた水が排水槽１５に越流し、排水槽１５から外部に排水されるようになっている。

エジェクター８は、駆動水用貯水槽１２より下、且つ、貯水槽１０内の水面より上の位置に排出ポート９を鉛直下向きにして設置され、駆動水貯水槽本体１３の底部に設置された駆動水供給ポンプ１６より給水管１７を通して駆動水が供給されるようになっている。

また、このエジェクター８では、駆動水用貯水槽１２及び駆動水供給ポンプ１６がエジェクター８よりも所定の高さ分だけ高い位置にあり、その分、水の重力によって駆動水を供給する圧力が高くなっている。

このように構成された地盤改良用負圧発生装置６Ｂでは、先ず、エジェクター８が動作可能な水位、即ち、排水ポンプ１１及び駆動水供給ポンプ１６の取水口が常に水面下となる水位となるように貯水槽１０及び駆動水用貯水槽１２内に予備水を注水しておく。

次に、駆動水供給ポンプ１６を作動させてエジェクター８への駆動水の供給を開始し、エジェクター本体２２内を減圧させ、吸水パイプ５を介してドレーン材２，２…内の水を吸い上げる。

この吸い上げられた水は、駆動水と共にエジェクター８の排出ポート９から貯水槽１０内に噴出されて貯水槽１０内に一時的に貯留され、駆動水として利用する。

その際、エジェクター８が駆動水用貯水槽１２及び駆動水供給ポンプ１６よりも低い位置にあり、また、排出ポート９を鉛直下向きにして設置されているので、噴射ノズル２１には、駆動水供給ポンプ１６の供給圧に加え、重力作用が加わり、その状態で駆動水が高速噴射される。

一方、貯水槽１０内に貯留された水は、排水ポンプ１１によって駆動水貯水槽本体１３に汲み上げられ、貯水槽１０内の水位は常に一定水位以下に抑えられ、常にエジェクター８の排出ポート９が水面上に位置するようになっており、エジェクター８は、常に、気中で鉛直下向きに噴射するため、排水時の前方抵抗が抑制されるとともに、重力を効果的に利用した状態になっている。

よって、このエジェクター８は、駆動水供給ポンプ１６に高価な高揚程のポンプ使用しなくとも高い吸水性能を発揮することができ、その分、コストを抑えることができる。また、エジェクター８は、豊富な水の供給源を必要とせず、かつドレーン材２，２…から吸引した水を循環して使用するための貯水場所の確保を必要としない。

駆動水用貯水槽１２内に貯留される水は、排水ポンプ１１による汲み上げ量に比べ駆動水として供給する量が少なく、貯留水の水位が越流堰１４より高くなると排水槽１５側に越流し、排水槽１５から外部に排出される。即ち、駆動水として利用する量以外の水は、外部に排水されるようになっている。

更に、エジェクター８を地表下に設置された貯水槽１０内の所定の位置に設置することで、吸引ポート７を貯水槽１０内の低い部分に位置させることができるため、ドレーン材２，２…からの揚程を低くでき、吸水時の負圧損失を低減できる。

以下に、本発明に係る地盤改良用負圧発生装置の効果確認実験の結果について説明する。尚、上述の実施例と同一の構成には同一符号を付して説明する。

図４は、従来の地盤改良用負圧発生装置の原理を使用した装置（ケース１という）であって、貯水槽１０内に駆動水供給ポンプ１６及びエジェクター８を配置し、エジェクター８がその排出ポート９を水中且つ横向きにして設置されている。尚、本ケースでは、実験の便宜上、貯水槽１０内の水をエジェクター８によって吸引し、その吸引流量を流量計２４によって測定した。

図５は、本発明に係る地盤改良用負圧発生装置６Ｂの原理を使用した装置であって、貯水槽１０上に排水ポンプ１１で汲み上げた水が貯留される駆動水用貯水槽１２を備え、エジェクター８は、駆動水用貯水槽１２より下、且つ、貯水槽１０内の水面より上の位置に排出ポート９を下向きにして設置されている。

尚、ケース２乃至３では、実験の便宜上、貯水槽１０内の水を吸引用貯水槽２５にポンプで汲み上げ、吸引用貯水槽２５内の水をエジェクター８で吸引し、その吸引流量を流量計２４によって測定した。また、図５の装置では、ケース３における吸引用貯水槽２５の位置をケース２の場合よりも高い位置とし、吸水水頭が異なる場合についても実験を行った。

尚、ケース１乃至３で使用する排水ポンプ１１、駆動水供給ポンプ１６及びエジェクター８は、ケース１乃至３において同一のものを使用している。

表１にケース１乃至３の効果を比較した結果を示す。

ケース２に示す本発明に係る地盤改良用負圧発生装置６Ｂは、エジェクター８が駆動水用貯水槽１２及び駆動水供給ポンプ１６より低い位置にあり、また、排出ポート９を下向きにして設置されているので、噴射ノズル２１には、駆動水供給ポンプ１６の供給圧に加え、重力作用が加わり、且つ、常に、気中に向けて排水するため、排水時の前方抵抗が抑制された状態になっており、ケース１に比べ吸水流量が増大した。

さらに、ケース３では、水頭差を大きくしたことでサイフォン効果によって、ケース２よりもさらに吸水流量が増大した。

尚、この地盤改良用負圧発生装置６は、上述の実施例に限定されず、例えば、図６に示す装置６Ｃのように、貯水槽１０及び駆動水用貯水槽１２を一本の鋼管２６によって構成してもよい。

また、上述の実施例では、貯水槽１０内の水を駆動水用貯水槽１２に排水ポンプ１１で汲み上げ、それを駆動水として利用した例について説明したが、図７に示す装置６Ｄのように、貯水槽１０内を気密状態とした上で駆動水用貯水槽１２を水中に設置し、取水口２７を通して外部より取り込めるようにしてもよい。その際、貯水槽１０内の水は、排水ポンプ１１によって直接外部に排水される。

また、本発明に係る地盤改良用負圧発生装置６では、貯水槽１０を気密構造とし、貯水槽１０内を真空ポンプにて減圧させるようにしてもよく、その場合には、エジェクター８による吸引効果に真空ポンプの吸引効果が加わることにより高い圧密効果を確保することができる。

１ 軟弱地盤
２ ドレーン材
３ 不透水部
４ 集水管
５ 吸水パイプ
６ 地盤改良用負圧発生装置
７ 吸引ポート
８ エジェクター
９ 排出ポート
１０ 貯水槽
１１ 排水ポンプ
１２ 駆動水用貯水槽
１３ 駆動水貯水槽本体
１４ 越流堰
１５ 排水槽
１６ 駆動水供給ポンプ
１７ 給水管
１８ 取水口
１９ 駆動モータ
２０ 送水口
２１ 噴射ノズル
２２ エジェクター本体
２３ ディフューザー
２４ 流量計
２５ 吸水用貯水槽
２６ 鋼管

Claims (5)

1. 地盤改良用のドレーン材と連通した吸水パイプと、該吸水パイプが吸引ポートに連通されたエジェクターと、該エジェクターの排出ポートより吐出された水が貯留される貯水槽と、該貯水槽内の底部に配置された排水ポンプとを備え、前記貯水槽内の水を駆動流体としてエジェクターを作動させ、前記吸水パイプ内を減圧し、該吸水パイプを通して吸引された水が前記貯水槽に排水されるようにした地盤改良用負圧発生装置において、
   前記貯水槽上に駆動水用貯水槽を備え、
   前記エジェクターは、前記駆動水用貯水槽より下、且つ、前記貯水槽内の水面より上の位置に排水ポートを下向きにして設置され、
   前記エジェクターに駆動水を供給する駆動水供給ポンプを前記駆動水用貯水槽に備えていることを特徴とする地盤改良用負圧発生装置。
2. 前記駆動水用貯水槽は、前記排水ポンプで汲み上げた水が貯留され、且つ、所定量を超えた水が外部に排水されるようにした請求項１に記載の地盤改良用負圧発生装置。
3. 前記貯水槽を気密構造とするとともに、前記駆動水用貯水槽は、水中に設置され、取水口を通して外部より取水するようにした請求項１に記載の地盤改良用負圧発生装置。
4. 前記貯水槽及び前記エジェクターを地表下に設置し、前記エジェクターと前記吸水パイプとの水頭差によるサイフォン効果によって吸水が促進されるようにした請求項１〜３の何れか一に記載の地盤改良用負圧発生装置。
5. 前記貯水槽を気密構造とするとともに、該貯水槽内の空気を吸引して減圧する真空ポンプを備えた請求項１〜４の何れか一に記載の地盤改良用負圧発生装置。

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