空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法
【課題】地盤の飽和度を低下させて液状化を防止すると共に、空気を供給する地盤の特定領域を変更することができる空気注入装置を得る。
【解決手段】空気注入装置２０は、空気供給管３２と、空気供給管３２に空気を供給する空気供給装置３４と、空気供給管３２よりも上方に吊下げられ拡径して有孔管２８を塞ぐ上部パッカー３６と、空気供給管３２よりも下方に吊下げられ拡径して有孔管２８を塞ぐ下部パッカー３８と、を有する。ここで、空気供給管３２から液状化対策層Ｓに空気が注入されことにより、軟弱地盤１８Ａの飽和度が低下し、液状化が防止される。さらに、上部パッカー３６と下部パッカー３８が空気供給管３２と独立して吊下げられているので、これらを独立して移動させることで、空気を供給する軟弱地盤１８Ａの特定領域を変更することができる。
【解決手段】空気注入装置２０は、空気供給管３２と、空気供給管３２に空気を供給する空気供給装置３４と、空気供給管３２よりも上方に吊下げられ拡径して有孔管２８を塞ぐ上部パッカー３６と、空気供給管３２よりも下方に吊下げられ拡径して有孔管２８を塞ぐ下部パッカー３８と、を有する。ここで、空気供給管３２から液状化対策層Ｓに空気が注入されことにより、軟弱地盤１８Ａの飽和度が低下し、液状化が防止される。さらに、上部パッカー３６と下部パッカー３８が空気供給管３２と独立して吊下げられているので、これらを独立して移動させることで、空気を供給する軟弱地盤１８Ａの特定領域を変更することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤の液状化は、砂地盤の水圧が地震による振動によって静水圧より高くなり（この水圧を過剰間隙水圧という）、過剰間隙水圧が各深度における上載圧に等しくなったときに、砂粒子同士の結合が外れて水中に浮かんだような状態となるために起こる。ここで、地盤の液状化防止方法の例として、地盤に気泡を注入して地盤の飽和度を低下させ、不飽和状態とする方法がある（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１の液状化防止方法では、地盤を掘削して形成した注入孔へ水溶液を注入し、発泡剤によって水溶液を発泡させることで、地盤中に気泡を注入している。また、特許文献２の液状化防止方法では、地盤を掘削して形成した注入用の孔に注入内管を配置し、注入内管に形成された注入口から微細気泡を分散させた注入水を注入している。
【０００４】
特許文献１、２の方法では、いずれも、地震により地盤中の水圧が上昇して過剰間隙水圧が発生しようとしたとき、気泡により形成された空隙が圧縮することによって水圧の上昇を抑えて液状化を防止している。
【０００５】
しかし、特許文献１の液状化防止方法では、地上から注入孔の底部までと対応する地盤全体が不飽和状態となるため、地盤の特定領域に気泡を注入することはできなかった。また、特許文献２の液状化防止方法では、注入内管に形成された注入口が一箇所のみであり、空気を供給する地盤の特定領域を拡大又は縮小することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３５５２２８
【特許文献２】特開２００８−２１７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、地盤の飽和度を低下させて液状化を防止すると共に、空気を供給する地盤の特定領域を変更することができる空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に係る空気注入装置は、地盤に形成された孔部へ挿入された有孔管内に吊下げられ、供給された空気が放出される空気孔が形成された空気供給管と、前記空気供給管に空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給管よりも上方に吊下げられ、拡径して前記有孔管を塞ぐ上部閉塞手段と、前記空気供給管よりも下方に吊下げられ、拡径して前記有孔管を塞ぐ下部閉塞手段と、を有する。
【０００９】
上記構成によれば、空気供給管が、有孔管内に吊下げられ位置決めされている。そして、空気供給管の上方の有孔管は上部閉塞手段によって塞がれており、空気供給管の下方の有孔管は下部閉塞手段によって塞がれている。ここで、空気供給手段から空気供給管に空気が供給されて空気孔から空気が放出されると、放出された空気は、上部閉塞手段と下部閉塞手段とで密閉された領域に相当する領域の地盤に供給される。これにより、地盤の特定領域に空気を供給して地盤の飽和度を低下させ、液状化を防止することができる。
【００１０】
さらに、上部閉塞手段と下部閉塞手段が空気供給管と独立して吊下げられているので、吊下げ長さを調整して上部閉塞手段と下部閉塞手段の間隔が変更可能となっている。これにより、空気を供給する地盤の特定領域を変更することができる。
【００１１】
本発明の請求項２に係る空気注入装置は、前記上部閉塞手段及び前記下部閉塞手段は、空気が供給されると内外に膨張するチューブである。この構成によれば、空気供給によるチューブの膨張だけで有孔管が閉塞されるので、上部閉塞手段及び下部閉塞手段を簡易な構成とすることができる。
【００１２】
本発明の請求項３に係る空気注入装置は、前記空気供給手段から前記空気供給管までの空気供給経路の途中には、前記空気供給管への空気の供給又は供給停止を行う切換手段が設けられている。この構成によれば、空気供給管への空気の供給を連続的又は断続的に行える。
【００１３】
本発明の請求項４に係る空気注入装置は、前記上部閉塞手段と前記下部閉塞手段の間に浸水した水の圧力を計測する水圧計が設けられ、前記切換手段が、設定された圧力設定値と前記水圧計で測定された圧力測定値との差異に応じて空気の供給又は供給停止を行う。
【００１４】
上記構成によれば、水圧計によって計測される水圧の変化が、空気供給管から供給される空気の供給量の変化と対応しているため、空気供給管から地盤へ所定の空気量が供給されているかどうかを検知することができる。また、空気供給経路の途中で空気漏れが発生しても、水圧計の水圧の変化で検知することができる。
【００１５】
本発明の請求項５に係る空気注入装置は、地盤の前記孔部と異なる位置に掘削された測定用孔部に配置され、該測定用孔部にて地盤の導電率又は比抵抗を測定する電気特性測定手段が設けられ、前記切換手段が、前記電気特性測定手段で測定された地盤の導電率又は比抵抗に応じて、前記空気供給管への空気の供給又は供給停止を行う。
【００１６】
空気は水（地下水）に較べて比抵抗が大きい。このため、地盤中の空気量が多くなると、比抵抗が大きくなり導電率が下がる。ここで、上記構成によれば、電気特性測定手段によって地盤の導電率又は比抵抗が測定され、この測定値に応じて地盤中の空気の過不足が判断される。これにより、地盤中の空気量を実測しなくても地盤中の空気の過不足状態を検知することができる。
【００１７】
本発明の請求項６に係る空気注入装置は、前記切換手段の空気の供給又は空気の供給停止を設定された時間で切換えるタイマーが設けられている。この構成によれば、切換手段の空気の供給又は空気の供給停止がタイマーで切換えられるので、地盤への空気注入を自動化できる。
【００１８】
本発明の請求項７に係る空気注入システムは、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の空気注入装置と、地盤の前記孔部と異なる位置に掘削された揚水用孔部から水を揚げる揚水手段と、前記揚水手段で揚げられた水を前記有孔管に注水する注水手段と、を有する。
【００１９】
上記構成によれば、揚水手段で地盤から水が揚げられることにより、空気注入装置が設置された孔部周辺の地盤と、揚水用孔部周辺の地盤との間で地下水位面の勾配が形成される。ここで、地下水位面は、空気注入装置が設置された孔部周辺の方が高い位置にあるため、地下水は、空気注入装置が設置された孔部周辺から揚水用孔部周辺へ移動する。この地下水の移動に合わせて、空気注入装置から注入された空気が揚水用孔部周辺へ移動するため、地盤内に空気を供給することができ、地盤の不飽和状態を保持することができる。
【００２０】
なお、揚水手段で揚げられた水は、注水手段によって孔部に注水すれば、地盤内の合計の地下水量はあまり変化しない。このため、地下水の減少による地盤沈下を防止することができる。
【００２１】
本発明の請求項８に係る地盤への空気注入方法は、地盤に孔部を形成する孔部形成工程と、前記孔部へ有孔管を挿入する挿入工程と、前記有孔管に請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の空気注入装置を吊下げる吊下げ工程と、前記孔部と前記有孔管との隙間に、上下が粘土層で囲まれ前記空気注入装置で注入された空気が透過する砂利層を形成する砂利層形成工程と、を有する。
【００２２】
上記構成によれば、空気注入装置から注入され有孔管から放出された空気は、粘土層を透過せず、砂利層のみを透過して地盤に注入される。これにより、地盤の特定領域のみに空気を注入することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、上記構成としたので、地盤の飽和度を低下させて液状化を防止すると共に、空気を供給する地盤の特定領域を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）本発明の第１実施形態に係る空気注入システムの構成図である。（ｂ）本発明の第１実施形態に係る空気注入システムの平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空気注入装置の構成図である。
【図３】（ａ）本発明の第１実施形態に係る空気注入装置の部分斜視図である。（ｂ）本発明の第１実施形態に係る空気注入装置の上部閉塞手段の横断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）本発明の第１実施形態に係る空気注入装置の設置工程を示す工程図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る空気注入装置を地盤の孔部に設置した状態を示す縦断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る空気注入システムによる地盤への空気注入状態を示す模式図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る空気注入システムを用いて地盤へ空気注入したときの時間と地盤の飽和度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る空気注入システムによる地盤への空気注入状態を示す模式図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る空気注入装置の電気特性測定手段の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る空気注入システムを用いて地盤へ空気注入したときの時間と地盤の飽和度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法の第１実施形態を図面に基づき説明する。図１（ａ）、（ｂ）には、地盤１２に設置された空気注入システム１０と、地盤１２上に構築された構造物としての建物１４が示されている。地盤１２は、不透水層としての非液状化地盤１６と、非液状化地盤１６の上層にある軟弱地盤１８とで構成されており、建物１４は軟弱地盤１８上に支持されている。
【００２６】
建物１４の周囲の軟弱地盤１８には、建物１４を取り囲んで、コンクリートやソイルセメントなどの連続壁からなる止水壁２２が構築されており、止水壁２２の下端部は非液状化地盤１６に到達している。また、建物１４の一組の側壁１４Ａ、１４Ｂに隣接した軟弱地盤１８の一部には、空気注入用の注入孔部２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ）と、揚水用の揚水孔部２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅ）とが、掘削により形成されている。
【００２７】
注入孔部２４Ａ〜２４Ｅは、建物１４を挟んで揚水孔部２６Ａ〜２６Ｅとそれぞれ対向配置状態となっている。なお、注入孔部２４Ａ〜２４Ｅはそれぞれ同様の掘削状態となっており、揚水孔部２６Ａ〜２６Ｅもそれぞれ同様の掘削状態となっているため、以後の説明では注入孔部２４、揚水孔部２６としてＡ〜Ｅの符号を省略して説明する。
【００２８】
注入孔部２４内には、塩化ビニルからなる断面円形状の有孔管２８が、開口を上側に向けて立設されている。有孔管２８は、注入孔部２４の深さと同程度の長さとなっており、空気注入を行う位置の側壁には後述する貫通孔２９（図５参照）が形成されている。なお、以後の説明では、図５を除いて有孔管２８の貫通孔の図示を省略する。
【００２９】
また、有孔管２８の外径は、注入孔部２４の孔径よりも小さくなっており、有孔管２８と注入孔部２４の間には、予め設定された幅の隙間が形成されている。ここで、軟弱地盤１８（１８Ａ）には、空気注入が必要とされる液状化対策層Ｓが設定され、この液状化対策層Ｓの深度に合わせて、有孔管２８と注入孔部２４の隙間に砂利層２５が形成されている。砂利層２５は、上下が粘土層２７で挟まれており、砂利層２５を通る空気が上方へ漏れることなく液状化対策層Ｓに注入されるようになっている。
【００３０】
一方、空気注入システム１０は、止水壁２２で囲まれた軟弱地盤１８Ａに注入孔部２４から空気を注入する空気注入装置２０（２０Ａ〜２０Ｅ）と、軟弱地盤１８中の地下水を揚水孔部２６から地上へ揚げる揚水装置３０（３０Ａ〜３０Ｅ）と、揚水装置３０で地上に揚げられた地下水を注入孔部２４の有孔管２８に注入する注入配管４０とで構成されている。なお、空気注入装置２０Ａ〜２０Ｅはそれぞれ同様の構成となっており、揚水装置３０Ａ〜３０Ｅもそれぞれ同様の構成となっているため、以後の説明では空気注入装置２０、揚水装置３０としてＡ〜Ｅの符号を省略して説明する。
【００３１】
図２に示すように、空気注入装置２０は、有孔管２８内に吊下げられた空気供給管３２と、空気供給管３２に空気を供給する空気供給装置３４と、空気供給管３２よりも上方に吊下げられた上部パッカー３６と、空気供給管３２よりも下方に吊下げられた下部パッカー３８と、を有している。空気供給管３２は、下端のみ硬質材となっており、それ以外の部位はビニール製チューブで構成されている。
【００３２】
空気供給装置３４は、箱状の筐体３４Ａを有しており、筐体３４Ａの側壁には、空気供給管３２の一端が連結された連結部４２が設けられている。また、空気供給装置３４には、連結部４２に連結された空気供給管３２に空気を供給するためのコンプレッサー４４、供給配管４６、バルブ４８、制御部５０、レギュレータ５２、圧力計５４、流量計５６、電磁弁５８、及びタイマー６１が設けられている。さらに、空気供給装置３４には、上部パッカー３６及び下部パッカー３８に配管（図示省略）を介して空気の注入を行い、又は上部パッカー３６及び下部パッカー３８から空気を排出するパッカー作動装置６０が設けられている。
【００３３】
空気供給装置３４の筐体３４Ａ内では、連結部４２とコンプレッサー４４が供給配管４６で接続されている。供給配管４６には、コンプレッサー４４側を上流側、連結部４２側を下流側として、上流側にバルブ４８が取付けられており、バルブ４８から下流側に向けて順にレギュレータ５２、圧力計５４、流量計５６、及び電磁弁５８が取付けられている。
【００３４】
コンプレッサー４４は、図示しない電源から電源供給されることにより作動して、供給配管４６へ空気を送出するようになっている。また、バルブ４８は、コンプレッサー４４の使用、未使用に合わせて供給配管４６を開放又は遮断させる。さらに、レギュレータ５２は、コンプレッサー４４から送出された空気の圧力を予め設定した設定圧力まで減圧させる構成となっている。
【００３５】
圧力計５４は、供給配管４６内に送り込まれた空気の圧力がレギュレータ５２によって設定圧力まで減圧されているかどうかを確認するためのものであり、流量計５６は、供給配管４６を空気が流れていることを確認するためのものである。また、電磁弁５８は、タイマー６１が接続されており、タイマー６１に設定された空気供給の時間に合わせて電気的にスイッチのＯＮ、ＯＦＦが行われ、供給配管４６を開放又は遮断させる。
【００３６】
制御部５０は、コンプレッサー４４、電磁弁５８、及びパッカー作動装置６０の動作スイッチのＯＮ、ＯＦＦを、予め設定された動作プログラムに基づき自動で行うようになっている。なお、タイマー６１への時間設定は、制御部５０を介して設定される。
【００３７】
一方、有孔管２８内にクレーン等の吊下手段（図示省略）を用いて吊下げられた空気供給管３２は、空気供給装置３４の連結部４２に連結されている。有孔管２８内の空気供給管３２には、砂利層２５の位置に合わせて複数の空気孔３２Ａが形成されている。
【００３８】
図３（ａ）に示すように、空気供給管３２の空気孔３２Ａよりも上側には、円筒状の上部パッカー３６が外挿されており、空気供給管３２の下側には、円筒状の下部パッカー３８が設けられている。なお、上部パッカー３６と下部パッカー３８の間には、空気供給管３２の空気孔３２Ａから空気が放出されていることを検知するための水圧計６５（図２参照）が設けられているが、ここでは図示を省略している。
【００３９】
上部パッカー３６は、全体が円筒状となっており、上端部と下端部に環状の円板部３６Ａ、３６Ｂが設けられている。円板部３６Ａ、３６Ｂの間には、膨張又は収縮が可能なゴム等の弾性素材からなる環状（チューブ状）のパッカー袋３６Ｃが設けられている。パッカー袋３６Ｃには、円板部３６Ａを貫通して上部パッカー用配管（図示省略）が接続されており、上部パッカー用配管の端部は、前述のパッカー作動装置６０（図２参照）に接続されている。
【００４０】
また、円板部３６Ａの上面には、上部パッカー３６を吊下げるための複数のワイヤー６２Ａの一端が取り付けられている。なお、ワイヤー６２Ａは円板部３６Ａの周方向で例えば４箇所に取り付けられるが、ここでは２本のワイヤー６２Ａのみを図示し、他のワイヤー６２Ａの図示を省略している。
【００４１】
図３（ｂ）には、図３（ａ）の上部パッカー３６を破線Ｄで切ったときの断面図が示されている。パッカー袋３６Ｃは環状であり、内部空間３６Ｄに空気が注入されることにより２点鎖線Ａ、Ｂで示すように内外へ膨張するようになっている。また、パッカー袋３６Ｃの穴部３６Ｅ内には、空気供給管３２と、下部パッカー３８に空気を注入するための下部パッカー用配管４１と、水圧計６５（図２参照）の配線６５Ａとが設けられている。
【００４２】
一方、図３（ａ）に示すように、下部パッカー３８は、全体が円柱状となっており、上端部と下端部に円形の円板部３８Ａ、３８Ｂが設けられている。円板部３８Ａ、３８Ｂの間には、膨張又は収縮が可能なゴム等の弾性素材からなる環状（チューブ状）のパッカー袋３８Ｃが設けられている。パッカー袋３８Ｃには、円板部３８Ａを貫通して下部パッカー用配管４１（図３（ｂ）参照）が接続されており、下部パッカー用配管４１の端部は、前述のパッカー作動装置６０（図２参照）に接続されている。なお、下部パッカー３８に空気供給管３２の下端は挿入されていないが、下部パッカー３８を上部パッカー３６と同じ構成として、空気供給管３２の下端を挿入させるようにしてもよい。
【００４３】
また、円板部３８Ａの上面には、下部パッカー３８を吊下げるための複数の鎖６３Ａの一端が取り付けられている。なお、鎖６３Ａは円板部３８Ａの周方向で例えば４箇所に取り付けられるが、ここでは２本の鎖６３Ａのみを図示し、他の鎖６３Ａの図示を省略している。
【００４４】
ここで、上部パッカー３６及び下部パッカー３８は、パッカー作動装置６０（図２参照）から気体が送り込まれ圧力がかけられることでパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃが膨張する。また、上部パッカー３６及び下部パッカー３８は、パッカー作動装置６０によってパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃから気体が抜かれることで圧力が下がり収縮する。なお、有孔管２８へ上部パッカー３６及び下部パッカー３８を吊下げるときは、パッカー袋３６Ｃ、３８Ｃが収縮状態となっている。
【００４５】
図２に示すように、上部パッカー３６に一端が取り付けられたワイヤー６２Ａは、他端が軟弱地盤１８上に設けられた巻取装置６２で巻き取られるようになっており、これにより、上部パッカー３６が有孔管２８内に吊下げられている。一方、下部パッカー３８に一端が取り付けられた鎖６３Ａは、他端が上部パッカー３６の円板部３６Ｂに取り付けられており、これにより、下部パッカー３８が有孔管２８内に吊下げられている。
【００４６】
ここで、巻取装置６２を動作させることで、有孔管２８内での上部パッカー３６の設置位置と、下部パッカー３８の設置位置とが変更される。なお、上部パッカー３６は、砂利層２５の上側の粘土層２７と対応する位置に設置され、下部パッカー３８は、砂利層２５の下側の粘土層２７と対応する位置に設置される。
【００４７】
水圧計６５は、上部パッカー３６と下部パッカー３８の間で且つ砂利層２５と対応する位置に配置されており、この位置での水圧の変化を計測する。なお、水圧計６５は、上部パッカー３６及び下部パッカー３８が有孔管２８内に配置された後、地下水が注入配管４０（図１（ｂ）参照）から有孔管２８内に注入されることで、水圧が計測可能となる。
【００４８】
また、水圧計６５は、前述の制御部５０と電気的に接続されている。制御部５０は、予め設定された圧力設定値と水圧計６５で測定された圧力測定値との差異に応じて、電磁弁５８を開放又は遮断して空気の供給又は供給停止を行うようになっている。
【００４９】
一方、図１に示すように、揚水孔部２６内には、塩化ビニルからなる断面円形状の有孔管３１が、開口を上側に向けて立設されている。有孔管３１は、揚水孔部２６の深さと同程度の長さとなっており、揚水を行う位置の側壁には複数の貫通孔（図示省略）が形成されている。また、有孔管２８の外径は、注入孔部２４の孔径よりも小さくなっており、有孔管２８と注入孔部２４の間には、予め設定された幅の隙間が形成されている。この隙間は、砂利層２５及び粘土層２７で埋められているが、一部土砂も用いられている。
【００５０】
揚水孔部２６の内側には、揚水孔部２６内に流入した地下水を揚水する揚水ポンプ３３が設けられている。揚水ポンプ３３は、空気供給装置３４の制御部５０（図２参照）に電気的に接続されており、制御部５０によってスイッチのＯＮ、ＯＦＦが行われる。また、揚水ポンプ３３には、揚水孔部２６内から地上へ向けて延設された揚水パイプ３５の一端が接続されており、揚水パイプ３５の他端は、地上に設けられた揚水タンク３７に接続されている。
【００５１】
揚水タンク３７は、前述の注入配管４０が接続されており、注入配管４０の接続部位には、内部に貯留された水を所定の圧力で注入配管へ送出する送出ポンプ（図示省略）が設けられている。ここで、揚水ポンプ３３、揚水パイプ３５、及び揚水タンク３７により揚水装置３０が構成されている。
【００５２】
次に、本発明の第１実施形態の作用について説明する。まず、空気注入システム１０の設置工程について説明する。
【００５３】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、建物１４を囲むようにして軟弱地盤１８から非液状化地盤１６まで止水壁２２を構築する。これにより、止水壁２２の外側にある周辺地盤と、建物１４の下側の軟弱地盤１８Ａとの水（地下水）の移動が遮断される。また、地盤１２上には、空気供給装置３４と揚水タンク３７を設置する。なお、止水壁２２で囲まれた軟弱地盤１８Ａについては、予めどの深度に液状化対策層Ｓを設けるかが決められている。
【００５４】
続いて、図４（ａ）に示すように、オーガー等の掘削機（図示省略）により軟弱地盤１８Ａに複数の注入孔部２４を形成する。そして、注入孔部２４内に有孔管２８を立設する。ここで、有孔管２８と注入孔部２４の間には隙間が形成されている。
【００５５】
続いて、図４（ｂ）に示すように、有孔管２８と注入孔部２４の隙間に粘土を充填して、粘土層２７Ａを形成する。なお、形成される粘土層２７Ａの上面の高さが、軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓの下面の高さとなるまで粘土の充填を行う。
【００５６】
続いて、有孔管２８と注入孔部２４の隙間で粘土層２７Ａ上に砂利を充填して、砂利層２５を形成する。なお、形成される砂利層２５の上面の高さが、軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓの上面の高さとなるまで砂利の充填を行う。また、砂利層２５は、空気の透過が十分可能となるように予め石及び砂が選定されているものとする。
【００５７】
続いて、有孔管２８と注入孔部２４の隙間で砂利層２５上に粘土を充填して、粘土層２７Ｂを形成する。これにより、有孔管２８が固定される。なお、粘土層２７Ｂについては、粘土を地上まで充填して形成しなくともよく、空気が上方に抜けない程度の層厚となった後に、注入孔部２４掘削時の土砂で埋めるようにしてもよい。
【００５８】
続いて、図４（ｃ）に示すように、有孔管２８内に空気供給管３２、下部パッカー３８、及び上部パッカー３６を一体で挿入する。下部パッカー３８は、予め鎖６３Ａの長さが調整されることにより位置調整されており、上面が液状化対策層Ｓの下面となる位置で保持される。
【００５９】
また、上部パッカー３６は、巻取装置６２でワイヤー６２Ａが引き出され又は巻き取られることにより位置調整され、下面が液状化対策層Ｓの上面となる位置で保持される。なお、上部パッカー３６の位置は、巻取装置６２において、ワイヤー６２Ａの巻取り量に基づいて検出される。
【００６０】
挿入された空気供給管３２は、接続されたチューブにスケールをつけておくことで位置検出が行われる。ここで、空気孔３２Ａが砂利層２５と対向する位置まで挿入された状態で、空気供給管３２の端部を空気供給装置３４の連結部４２に連結し、空気供給管３２の高さ位置を固定する。
【００６１】
続いて、パッカー作動装置６０（図２参照）を作動して、上部パッカー３６、下部パッカー３８のパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃ（図３（ａ）参照）にそれぞれ水または空気を注入する。空気が注入されたパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃは、膨張して有孔管２８内を密閉すると共に、有孔管２８に圧着され位置が固定される。なお、前述の水圧計６５（図２参照）は、上部パッカー３６と下部パッカー３８の間に配置されている。
【００６２】
このように空気注入装置２０の各部（空気供給管３２、空気供給装置３４、上部パッカー３６、及び下部パッカー３８）を軟弱地盤１８Ａに設置することで、図５に示すように、空気孔３２Ａから有孔管２８の貫通孔２９及び砂利層２５を通して、液状化対策層Ｓへ空気Ｐが送り込み可能となる。また、注入した空気が、有孔管２８内の上部パッカー３６、下部パッカー３８の上部や下部へ抜けないようにしている。
【００６３】
一方、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、建物１４を挟んで注入孔部２４と反対側において、オーガー等の掘削機（図示省略）により軟弱地盤１８Ａに複数の揚水孔部２６を形成する。そして、揚水孔部２６内に有孔管３１を立設する。ここで、有孔管３１と揚水孔部２６の隙間に土砂等を充填して有孔管３１を固定する。
【００６４】
続いて、クレーン（図示省略）等により揚水パイプ３５及び揚水ポンプ３３を吊下げると共に、有孔管３１内に挿入する。そして、揚水ポンプ３３が地下水面より十分深い位置まで挿入された状態で、揚水パイプ３５の端部を揚水タンク３７に接続し、揚水ポンプ３３の高さ位置を固定する。なお、空気孔３２Ａと揚水ポンプ３３は同じレベルでなくてもよい。揚水ポンプ３３は空気孔３２Ａと同じかより深い位置がよい。
【００６５】
続いて、各揚水タンク３７を複数のパイプで連通させた状態で、注入配管４０の一方の端部を揚水タンク３７に接続する。ここで、注入配管４０の他方の端部は、予め複数の注入孔部２４に合わせて分岐されており、各注入孔部２４に挿入することで、揚水タンク３７から送出された水が有孔管２８内に注入される。
【００６６】
次に、軟弱地盤１８Ａへの空気の注入作用について説明する。
【００６７】
図６に示すように、空気供給管３２の上方の有孔管２８は、上部パッカー３６によって塞がれており、空気供給管３２の下方の有孔管２８は、下部パッカー３８によって塞がれている。ここで、空気供給装置３４において、バルブ４８及び電磁弁５８（図２参照）を開放した状態でコンプレッサー４４（図２参照）が駆動されることにより、空気供給管３２内に空気が供給される。
【００６８】
図２、図５に示すように、空気注入装置２０では、上部パッカー３６と下部パッカー３８の間が地下水（図示省略）で浸水されており、この地下水による水圧が水圧計６５で計測される。そして、制御部５０及び電磁弁５８が、予め設定された圧力設定値と水圧計６５で測定された圧力測定値との差異に応じて、空気供給管３２への空気Ｐの供給又は供給停止を行う。
【００６９】
ここで、水圧計６５によって計測される水圧の変化が、空気供給管３２から供給される空気Ｐの供給量の変化と対応しているため、空気供給管３２から軟弱地盤１８Ａへ所定の空気量が供給されているかどうかを検知することができる。また、供給配管４６及び空気供給管３２の途中で空気漏れが発生することがあっても、水圧計６５の水圧の変化で検知することができる。
【００７０】
続いて、空気供給管３２に供給された空気Ｐが空気孔３２Ａから放出されると、放出された空気Ｐは、有孔管２８の貫通孔２９及び砂利層２５を通って、軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓに気泡となって注入される。空気Ｐが注入された軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓでは、地下水による間隙の飽和度が低下することになる。
【００７１】
ここで、液状化対策層Ｓの間隙に空気Ｐ（気泡）が存在し、飽和度が低下した状態において地盤１２に地震が発生すると、液状化対策層Ｓでは、空気Ｐの気泡が収縮することで間隙水圧の上昇が抑えられる。これにより、砂粒子同士が接触したままの状態が保持され、水中を砂粒子が自由に移動することが抑制されるので、軟弱地盤１８Ａの液状化を防止できる。
【００７２】
図７には、軟弱地盤１８Ａへの空気Ｐの注入時間と軟弱地盤１８Ａの飽和度との関係がグラフで示されている。なお、軟弱地盤１８Ａの飽和度とは、軟弱地盤１８Ａ中の土砂の間隙を地下水がどの程度埋めているかを比率で表したものであり、土砂の間隙が全て地下水で埋まっている場合には、飽和度が１００％となる。
【００７３】
図７に示すように、軟弱地盤１８Ａへの空気Ｐの注入時間が０からｔ１、ｔ２（ｔ１＜ｔ２）と長くなると、軟弱地盤１８Ａの飽和度は１００％からＡ％、Ｂ％（Ａ＞Ｂ）と減少している。これにより、軟弱地盤１８Ａに空気Ｐを注入することで、軟弱地盤１８Ａが不飽和状態となることが分かる。なお、不飽和状態は、土砂の間隙に空気Ｐの気泡が入り込み、地下水による土砂の間隙空間の占有率が低減することによる。
【００７４】
また、図７において、時間ｔ３では空気の注入が停止されることを示しており、時間ｔ４では空気の注入が再開されることを示している。時間ｔ３から時間ｔ４までの間は、空気の注入が停止されているため、地盤の飽和度が上昇することになる。一方、時間ｔ４以降は、空気の注入が再開されるため、地盤の飽和度が低下する。
【００７５】
ここで、図６に示すように、揚水ポンプ３３によって有孔管３１周辺の軟弱地盤１８Ａの地下水が汲み上げられると、軟弱地盤１８Ａ内の地下水の水位面Ｌは、注入孔部２４側が高く揚水孔部２６側が低くなる。このように、注入孔部２４から揚水孔部２６に向けて地下水の水位面Ｌに勾配が生じるため、注入孔部２４周辺の地下水は、揚水孔部２６に向けて移動する。この地下水の流れによって、軟弱地盤１８Ａ中に注入された空気Ｐ（気泡）は、揚水孔部２６に近い位置へ移動していく。これにより、液状化対策層Ｓの幅をより広く（より遠くまで設定）することができ、空気Ｐを軟弱地盤１８Ａ内に保持できる。
【００７６】
揚水ポンプ３３で揚げられた水は、注入配管４０によって注入孔部２４の有孔管２８内に注水されるため、軟弱地盤１８Ａ内の合計の地下水量はあまり変化しない。このため、空気注入システム１０では、揚水孔部２６周辺の地下水の減少による地盤沈下を防止することができる。このように、空気孔３２Ａから注入される空気を遠くまで到達させるには揚水量を多くする必要があるので、注入側へ水を戻しているが、この動作は必ず行われるものではない。例えば、注入孔部２４と揚水孔部２６が近ければ揚水量は少なくて済むので、揚水した水を注入側へ戻さないこともある。
【００７７】
なお、空気注入装置２０では、上部パッカー３６に対して鎖６３Ａで下部パッカー３８が吊下げられているので、鎖６３Ａの吊下げ長さを調整して上部パッカー３６と下部パッカー３８の間隔が変更可能となっている。これにより、液状化対策層Ｓの設定領域が変更されることがあっても、液状化対策層Ｓに空気を注入することができる。
【００７８】
また、空気注入装置２０では、上部パッカー３６、下部パッカー３８が、空気Ｐが供給されると内外に膨張するパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃを有しており、空気供給によるパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃの膨張だけで有孔管２８が閉塞されるので、上部パッカー３６及び下部パッカー３８を簡易な構成とすることができる。
【００７９】
さらに、空気注入装置２０では、電磁弁５８（図２参照）がタイマー６１（図２参照）で設定された時間に合わせて供給配管４６の開放又は遮断を行うことが可能となっているため、空気供給管３２への空気Ｐの供給を連続的又は断続的に行える。
【００８０】
次に、本発明の空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法の第２実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一の部品には、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【００８１】
図８には、空気注入システム７０が示されている。空気注入システム７０は、第１実施形態の空気注入システム１０（図１参照）に、さらに比抵抗測定装置８０を設けた構成となっている。
【００８２】
図８に示すように、建物１４の下部の軟弱地盤１８Ａには、比抵抗測定装置８０を設けるための測定用孔部７２が掘削されている。測定用孔部７２内には、図示しない複数の貫通孔が形成された有孔管７４が挿入され固定されている。また、有孔管７４内には、比抵抗測定装置８０の一部である電極ユニット７６が、図示しないケーブル及び巻取装置によって吊下げられている。電極ユニット７６には配線７３、７５の一端が電気的に接続されており、配線７３、７５の他端は、空気供給装置３４内の制御部５０に接続されている。
【００８３】
図９には、比抵抗測定装置８０の構成が示されている。比抵抗測定装置８０は、第１電極７７及び第３電極７８を有する電極ユニット７６と、軟弱地盤１８Ａの上面に固定された第２電極７９と、軟弱地盤１８Ａの上面で第２電極７９と異なる位置に固定された第４電極８１と、第１電極７７と第２電極７９の間に電流を流す電流供給源８２と、第４電極８１を基準として第３電極７８の電位を測定する電位計８４とを有している。なお、電極ユニット７６では、第１電極７７の鉛直上方に第３電極７８が取り付けられている。
【００８４】
第１電極７７と第２電極７９は、配線８３により電気的に接続されており、配線８３の経路途中に電流供給源８２が設けられている。電流供給源８２には、配線７３の一端が接続されており、配線７３の他端は制御部５０（図８参照）に接続されている。これにより、第１電極７７と第２電極７９の間に流した電流（Ｉ）が、制御部５０で記録されるようになっている。
【００８５】
一方、第３電極７８と第４電極８１は、配線８５により電気的に接続されており、配線８５の経路途中に電位計８４が設けられている。電位計８４には、配線７５の一端が接続されており、配線７５の他端は制御部５０（図８参照）に接続されている。これにより、第３電極７８を基準とした第４電極８１の電位（Ｖ）が、制御部５０で記録されるようになっている。
【００８６】
軟弱地盤１８Ａが等方均質媒体であるとすると、第１電極７７の周りの等電位面Ｍは球面となる。この等電位面Ｍの電位は、第３電極７８を基準とした第４電極８１の電位（Ｖ）として測定される。ここで、等電位面Ｍの電位Ｖは、軟弱地盤１８Ａの比抵抗ρｔに比例し、（１）式で求めることができる。（１）式において、Ｄは第１電極７７と第３電極７８の間隔、Ｖは第４電極８１の電位、Ｉは電流供給源８２で流された電流である。
【００８７】
【数１】
次に、軟弱地盤１８Ａの比抵抗測定方法について説明する。アーチー（Ａｒｃｈｉｅ）の法則によれば、岩石、土が水で飽和している場合、（２）式に示す関係式が成立する。
【００８８】
【数２】
（２）式において、ρｔは軟弱地盤１８Ａ（岩石、土）の比抵抗、ρｗは軟弱地盤１８Ａの岩石や土の間隙に存在する地下水（間隙水）の比抵抗であり、Ｆ（＝ρｔ／ρｗ）は地層比抵抗係数（フォーメーションファクタ）と呼ばれている。また、ａとｂは実験により求められる定数であり、Ｎは軟弱地盤１８Ａの岩石や土の間隙率である。
【００８９】
ここで、定数ａ、定数ｂ、及び間隙水の比抵抗ρｗが予め実験により得られており、軟弱地盤１８Ａの比抵抗ρｔの測定中に間隙水の比抵抗ρｗが変化しないとすると、（１）式を用いて比抵抗測定装置８０により測定された軟弱地盤１８Ａの比抵抗ρｔを（２）式に代入することで、軟弱地盤１８Ａの間隙率Ｎが求められる。
【００９０】
制御部５０（図８参照）では、軟弱地盤１８Ａに空気（気泡）が必要量注入されたときの基準間隙率Ｎ１が予め設定されており、測定により得られた間隙率Ｎと基準間隙率Ｎ１との差分がゼロに近づくように、空気供給装置３４（図８参照）を作動させるようになっている。
【００９１】
なお、本実施形態では比抵抗に着目して軟弱地盤１８Ａの間隙率Ｎを求めているが、比抵抗ρと導電率（σとする）は逆数の関係（ρ＝１／σ）にあるため、導電率計により軟弱地盤１８Ａの導電率σを測定し、比抵抗ρに変換して、（１）式、（２）式を用いて間隙率Ｎを求めるようにしてもよい。
【００９２】
次に、本発明の第２実施形態の作用について説明する。
【００９３】
図８、図９に示すように、第１実施形態と同様の工程により、止水壁２２で囲まれた軟弱地盤１８Ａに空気注入装置２０及び揚水装置３０を設置する。続いて、空気供給装置３４が作動し、空気供給管３２に供給された空気Ｐが空気孔３２Ａから放出されると、放出された空気Ｐは、有孔管２８の貫通孔２９及び砂利層２５を通って、軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓに気泡となって注入される。空気Ｐが注入された軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓでは、地下水による間隙の飽和度が低下することになる。
【００９４】
ここで、液状化対策層Ｓの間隙に空気Ｐ（気泡）が存在し、飽和度が低下した状態において地震が発生すると、液状化対策層Ｓでは、空気Ｐの気泡が収縮することで間隙水圧の上昇が抑えられる。これにより、砂粒子同士が接触したままの状態が保持され、水中を砂粒子が自由に移動することが抑制されるので、軟弱地盤１８Ａの液状化を防止できる。
【００９５】
また、比抵抗測定装置８０では、電流供給源８２の電流Ｉと、電位計８４の電位Ｖと、第１電極７７と第３電極７８の間隔Ｄと、（１）式とにより、軟弱地盤１８Ａの比抵抗ρｔが測定される。さらに、比抵抗測定装置８０では、得られた比抵抗ρｔと（２）式とにより、軟弱地盤１８Ａの間隙率Ｎが求められる。
【００９６】
ここで、空気供給装置３４の制御部５０では、求められた間隙率Ｎと予め設定されている基準間隙率Ｎ１との差に応じて、軟弱地盤１８Ａ中の空気Ｐの注入量の過不足が判断される。空気Ｐの注入量が不足と判断された場合は、引き続き空気Ｐの注入が行われる。また、空気Ｐの注入量が必要十分と判断された場合は、電磁弁５８（図２参照）が遮断され、空気Ｐの注入が停止される。これにより、軟弱地盤１８Ａ中の空気量を実測しなくても、軟弱地盤１８Ａ中の空気の過不足状態を検知して、必要な空気Ｐを注入することができる。
【００９７】
図１０には、空気の注入停止（時間ｔ３、ｔ５）又は注入再開（時間ｔ４）したときの時間と地盤の飽和度の関係が示されている。飽和度Ｃ％は、構造物の使用に有害とならない飽和度の下限値であり、飽和度Ｄ％は、液状化防止に必要な飽和度の上限値である。空気の注入を停止すると、地盤中の空気が減少する（上方へ抜ける、溶ける）ため飽和度が上昇する。また、空気注入を再開すれば、再び飽和度が低下する。
【００９８】
ここで、空気を注入して、比抵抗測定装置８０で得られる飽和度の値がＣ％に達したら、空気注入・揚水を自動停止させる。一方、比抵抗測定装置８０で得られる飽和度の値がＤ％を上回ったら、空気注入・揚水を再開する。このように、比抵抗測定装置８０を利用することにより、地盤の飽和度を所定の範囲に保つことができる。
【００９９】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。
【０１００】
注入孔部２４及び揚水孔部２６の数は、５だけでなく、１つ又は２つ以上の複数から自由に選択することができる。また、空気供給管３２の空気孔３２Ａの数も、１つ又は２つ以上の複数から自由に選択することができる。
【０１０１】
上部パッカー３６、下部パッカー３８におけるパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃの膨張又は収縮は、空気だけでなく液体を用いて行ってもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 空気注入システム
１８Ａ 軟弱地盤（地盤）
２０ 空気注入装置
２４ 注入孔部（孔部）
２５ 砂利層
２６ 揚水孔部（揚水用孔部）
２７ 粘土層
２８ 有孔管
３０ 揚水装置（揚水手段）
３２ 空気供給管
３２Ａ 空気孔
３４ 空気供給装置（空気供給手段）
３６ 上部パッカー（上部閉塞手段）
３６Ｃ パッカー袋（チューブ）
３７ 揚水タンク（注水手段）
３８ 下部パッカー（下部閉塞手段）
３８Ｃ パッカー袋（チューブ）
４０ 注入配管（注水手段）
５０ 制御部（切換手段）
５８ 電磁弁（切換手段）
６１ タイマー
６５ 水圧計
７２ 測定用孔部
８０ 比抵抗測定装置（電気特性測定手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤の液状化は、砂地盤の水圧が地震による振動によって静水圧より高くなり（この水圧を過剰間隙水圧という）、過剰間隙水圧が各深度における上載圧に等しくなったときに、砂粒子同士の結合が外れて水中に浮かんだような状態となるために起こる。ここで、地盤の液状化防止方法の例として、地盤に気泡を注入して地盤の飽和度を低下させ、不飽和状態とする方法がある（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１の液状化防止方法では、地盤を掘削して形成した注入孔へ水溶液を注入し、発泡剤によって水溶液を発泡させることで、地盤中に気泡を注入している。また、特許文献２の液状化防止方法では、地盤を掘削して形成した注入用の孔に注入内管を配置し、注入内管に形成された注入口から微細気泡を分散させた注入水を注入している。
【０００４】
特許文献１、２の方法では、いずれも、地震により地盤中の水圧が上昇して過剰間隙水圧が発生しようとしたとき、気泡により形成された空隙が圧縮することによって水圧の上昇を抑えて液状化を防止している。
【０００５】
しかし、特許文献１の液状化防止方法では、地上から注入孔の底部までと対応する地盤全体が不飽和状態となるため、地盤の特定領域に気泡を注入することはできなかった。また、特許文献２の液状化防止方法では、注入内管に形成された注入口が一箇所のみであり、空気を供給する地盤の特定領域を拡大又は縮小することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３５５２２８
【特許文献２】特開２００８−２１７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、地盤の飽和度を低下させて液状化を防止すると共に、空気を供給する地盤の特定領域を変更することができる空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に係る空気注入装置は、地盤に形成された孔部へ挿入された有孔管内に吊下げられ、供給された空気が放出される空気孔が形成された空気供給管と、前記空気供給管に空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給管よりも上方に吊下げられ、拡径して前記有孔管を塞ぐ上部閉塞手段と、前記空気供給管よりも下方に吊下げられ、拡径して前記有孔管を塞ぐ下部閉塞手段と、を有する。
【０００９】
上記構成によれば、空気供給管が、有孔管内に吊下げられ位置決めされている。そして、空気供給管の上方の有孔管は上部閉塞手段によって塞がれており、空気供給管の下方の有孔管は下部閉塞手段によって塞がれている。ここで、空気供給手段から空気供給管に空気が供給されて空気孔から空気が放出されると、放出された空気は、上部閉塞手段と下部閉塞手段とで密閉された領域に相当する領域の地盤に供給される。これにより、地盤の特定領域に空気を供給して地盤の飽和度を低下させ、液状化を防止することができる。
【００１０】
さらに、上部閉塞手段と下部閉塞手段が空気供給管と独立して吊下げられているので、吊下げ長さを調整して上部閉塞手段と下部閉塞手段の間隔が変更可能となっている。これにより、空気を供給する地盤の特定領域を変更することができる。
【００１１】
本発明の請求項２に係る空気注入装置は、前記上部閉塞手段及び前記下部閉塞手段は、空気が供給されると内外に膨張するチューブである。この構成によれば、空気供給によるチューブの膨張だけで有孔管が閉塞されるので、上部閉塞手段及び下部閉塞手段を簡易な構成とすることができる。
【００１２】
本発明の請求項３に係る空気注入装置は、前記空気供給手段から前記空気供給管までの空気供給経路の途中には、前記空気供給管への空気の供給又は供給停止を行う切換手段が設けられている。この構成によれば、空気供給管への空気の供給を連続的又は断続的に行える。
【００１３】
本発明の請求項４に係る空気注入装置は、前記上部閉塞手段と前記下部閉塞手段の間に浸水した水の圧力を計測する水圧計が設けられ、前記切換手段が、設定された圧力設定値と前記水圧計で測定された圧力測定値との差異に応じて空気の供給又は供給停止を行う。
【００１４】
上記構成によれば、水圧計によって計測される水圧の変化が、空気供給管から供給される空気の供給量の変化と対応しているため、空気供給管から地盤へ所定の空気量が供給されているかどうかを検知することができる。また、空気供給経路の途中で空気漏れが発生しても、水圧計の水圧の変化で検知することができる。
【００１５】
本発明の請求項５に係る空気注入装置は、地盤の前記孔部と異なる位置に掘削された測定用孔部に配置され、該測定用孔部にて地盤の導電率又は比抵抗を測定する電気特性測定手段が設けられ、前記切換手段が、前記電気特性測定手段で測定された地盤の導電率又は比抵抗に応じて、前記空気供給管への空気の供給又は供給停止を行う。
【００１６】
空気は水（地下水）に較べて比抵抗が大きい。このため、地盤中の空気量が多くなると、比抵抗が大きくなり導電率が下がる。ここで、上記構成によれば、電気特性測定手段によって地盤の導電率又は比抵抗が測定され、この測定値に応じて地盤中の空気の過不足が判断される。これにより、地盤中の空気量を実測しなくても地盤中の空気の過不足状態を検知することができる。
【００１７】
本発明の請求項６に係る空気注入装置は、前記切換手段の空気の供給又は空気の供給停止を設定された時間で切換えるタイマーが設けられている。この構成によれば、切換手段の空気の供給又は空気の供給停止がタイマーで切換えられるので、地盤への空気注入を自動化できる。
【００１８】
本発明の請求項７に係る空気注入システムは、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の空気注入装置と、地盤の前記孔部と異なる位置に掘削された揚水用孔部から水を揚げる揚水手段と、前記揚水手段で揚げられた水を前記有孔管に注水する注水手段と、を有する。
【００１９】
上記構成によれば、揚水手段で地盤から水が揚げられることにより、空気注入装置が設置された孔部周辺の地盤と、揚水用孔部周辺の地盤との間で地下水位面の勾配が形成される。ここで、地下水位面は、空気注入装置が設置された孔部周辺の方が高い位置にあるため、地下水は、空気注入装置が設置された孔部周辺から揚水用孔部周辺へ移動する。この地下水の移動に合わせて、空気注入装置から注入された空気が揚水用孔部周辺へ移動するため、地盤内に空気を供給することができ、地盤の不飽和状態を保持することができる。
【００２０】
なお、揚水手段で揚げられた水は、注水手段によって孔部に注水すれば、地盤内の合計の地下水量はあまり変化しない。このため、地下水の減少による地盤沈下を防止することができる。
【００２１】
本発明の請求項８に係る地盤への空気注入方法は、地盤に孔部を形成する孔部形成工程と、前記孔部へ有孔管を挿入する挿入工程と、前記有孔管に請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の空気注入装置を吊下げる吊下げ工程と、前記孔部と前記有孔管との隙間に、上下が粘土層で囲まれ前記空気注入装置で注入された空気が透過する砂利層を形成する砂利層形成工程と、を有する。
【００２２】
上記構成によれば、空気注入装置から注入され有孔管から放出された空気は、粘土層を透過せず、砂利層のみを透過して地盤に注入される。これにより、地盤の特定領域のみに空気を注入することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、上記構成としたので、地盤の飽和度を低下させて液状化を防止すると共に、空気を供給する地盤の特定領域を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）本発明の第１実施形態に係る空気注入システムの構成図である。（ｂ）本発明の第１実施形態に係る空気注入システムの平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空気注入装置の構成図である。
【図３】（ａ）本発明の第１実施形態に係る空気注入装置の部分斜視図である。（ｂ）本発明の第１実施形態に係る空気注入装置の上部閉塞手段の横断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）本発明の第１実施形態に係る空気注入装置の設置工程を示す工程図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る空気注入装置を地盤の孔部に設置した状態を示す縦断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る空気注入システムによる地盤への空気注入状態を示す模式図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る空気注入システムを用いて地盤へ空気注入したときの時間と地盤の飽和度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る空気注入システムによる地盤への空気注入状態を示す模式図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る空気注入装置の電気特性測定手段の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る空気注入システムを用いて地盤へ空気注入したときの時間と地盤の飽和度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法の第１実施形態を図面に基づき説明する。図１（ａ）、（ｂ）には、地盤１２に設置された空気注入システム１０と、地盤１２上に構築された構造物としての建物１４が示されている。地盤１２は、不透水層としての非液状化地盤１６と、非液状化地盤１６の上層にある軟弱地盤１８とで構成されており、建物１４は軟弱地盤１８上に支持されている。
【００２６】
建物１４の周囲の軟弱地盤１８には、建物１４を取り囲んで、コンクリートやソイルセメントなどの連続壁からなる止水壁２２が構築されており、止水壁２２の下端部は非液状化地盤１６に到達している。また、建物１４の一組の側壁１４Ａ、１４Ｂに隣接した軟弱地盤１８の一部には、空気注入用の注入孔部２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ）と、揚水用の揚水孔部２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅ）とが、掘削により形成されている。
【００２７】
注入孔部２４Ａ〜２４Ｅは、建物１４を挟んで揚水孔部２６Ａ〜２６Ｅとそれぞれ対向配置状態となっている。なお、注入孔部２４Ａ〜２４Ｅはそれぞれ同様の掘削状態となっており、揚水孔部２６Ａ〜２６Ｅもそれぞれ同様の掘削状態となっているため、以後の説明では注入孔部２４、揚水孔部２６としてＡ〜Ｅの符号を省略して説明する。
【００２８】
注入孔部２４内には、塩化ビニルからなる断面円形状の有孔管２８が、開口を上側に向けて立設されている。有孔管２８は、注入孔部２４の深さと同程度の長さとなっており、空気注入を行う位置の側壁には後述する貫通孔２９（図５参照）が形成されている。なお、以後の説明では、図５を除いて有孔管２８の貫通孔の図示を省略する。
【００２９】
また、有孔管２８の外径は、注入孔部２４の孔径よりも小さくなっており、有孔管２８と注入孔部２４の間には、予め設定された幅の隙間が形成されている。ここで、軟弱地盤１８（１８Ａ）には、空気注入が必要とされる液状化対策層Ｓが設定され、この液状化対策層Ｓの深度に合わせて、有孔管２８と注入孔部２４の隙間に砂利層２５が形成されている。砂利層２５は、上下が粘土層２７で挟まれており、砂利層２５を通る空気が上方へ漏れることなく液状化対策層Ｓに注入されるようになっている。
【００３０】
一方、空気注入システム１０は、止水壁２２で囲まれた軟弱地盤１８Ａに注入孔部２４から空気を注入する空気注入装置２０（２０Ａ〜２０Ｅ）と、軟弱地盤１８中の地下水を揚水孔部２６から地上へ揚げる揚水装置３０（３０Ａ〜３０Ｅ）と、揚水装置３０で地上に揚げられた地下水を注入孔部２４の有孔管２８に注入する注入配管４０とで構成されている。なお、空気注入装置２０Ａ〜２０Ｅはそれぞれ同様の構成となっており、揚水装置３０Ａ〜３０Ｅもそれぞれ同様の構成となっているため、以後の説明では空気注入装置２０、揚水装置３０としてＡ〜Ｅの符号を省略して説明する。
【００３１】
図２に示すように、空気注入装置２０は、有孔管２８内に吊下げられた空気供給管３２と、空気供給管３２に空気を供給する空気供給装置３４と、空気供給管３２よりも上方に吊下げられた上部パッカー３６と、空気供給管３２よりも下方に吊下げられた下部パッカー３８と、を有している。空気供給管３２は、下端のみ硬質材となっており、それ以外の部位はビニール製チューブで構成されている。
【００３２】
空気供給装置３４は、箱状の筐体３４Ａを有しており、筐体３４Ａの側壁には、空気供給管３２の一端が連結された連結部４２が設けられている。また、空気供給装置３４には、連結部４２に連結された空気供給管３２に空気を供給するためのコンプレッサー４４、供給配管４６、バルブ４８、制御部５０、レギュレータ５２、圧力計５４、流量計５６、電磁弁５８、及びタイマー６１が設けられている。さらに、空気供給装置３４には、上部パッカー３６及び下部パッカー３８に配管（図示省略）を介して空気の注入を行い、又は上部パッカー３６及び下部パッカー３８から空気を排出するパッカー作動装置６０が設けられている。
【００３３】
空気供給装置３４の筐体３４Ａ内では、連結部４２とコンプレッサー４４が供給配管４６で接続されている。供給配管４６には、コンプレッサー４４側を上流側、連結部４２側を下流側として、上流側にバルブ４８が取付けられており、バルブ４８から下流側に向けて順にレギュレータ５２、圧力計５４、流量計５６、及び電磁弁５８が取付けられている。
【００３４】
コンプレッサー４４は、図示しない電源から電源供給されることにより作動して、供給配管４６へ空気を送出するようになっている。また、バルブ４８は、コンプレッサー４４の使用、未使用に合わせて供給配管４６を開放又は遮断させる。さらに、レギュレータ５２は、コンプレッサー４４から送出された空気の圧力を予め設定した設定圧力まで減圧させる構成となっている。
【００３５】
圧力計５４は、供給配管４６内に送り込まれた空気の圧力がレギュレータ５２によって設定圧力まで減圧されているかどうかを確認するためのものであり、流量計５６は、供給配管４６を空気が流れていることを確認するためのものである。また、電磁弁５８は、タイマー６１が接続されており、タイマー６１に設定された空気供給の時間に合わせて電気的にスイッチのＯＮ、ＯＦＦが行われ、供給配管４６を開放又は遮断させる。
【００３６】
制御部５０は、コンプレッサー４４、電磁弁５８、及びパッカー作動装置６０の動作スイッチのＯＮ、ＯＦＦを、予め設定された動作プログラムに基づき自動で行うようになっている。なお、タイマー６１への時間設定は、制御部５０を介して設定される。
【００３７】
一方、有孔管２８内にクレーン等の吊下手段（図示省略）を用いて吊下げられた空気供給管３２は、空気供給装置３４の連結部４２に連結されている。有孔管２８内の空気供給管３２には、砂利層２５の位置に合わせて複数の空気孔３２Ａが形成されている。
【００３８】
図３（ａ）に示すように、空気供給管３２の空気孔３２Ａよりも上側には、円筒状の上部パッカー３６が外挿されており、空気供給管３２の下側には、円筒状の下部パッカー３８が設けられている。なお、上部パッカー３６と下部パッカー３８の間には、空気供給管３２の空気孔３２Ａから空気が放出されていることを検知するための水圧計６５（図２参照）が設けられているが、ここでは図示を省略している。
【００３９】
上部パッカー３６は、全体が円筒状となっており、上端部と下端部に環状の円板部３６Ａ、３６Ｂが設けられている。円板部３６Ａ、３６Ｂの間には、膨張又は収縮が可能なゴム等の弾性素材からなる環状（チューブ状）のパッカー袋３６Ｃが設けられている。パッカー袋３６Ｃには、円板部３６Ａを貫通して上部パッカー用配管（図示省略）が接続されており、上部パッカー用配管の端部は、前述のパッカー作動装置６０（図２参照）に接続されている。
【００４０】
また、円板部３６Ａの上面には、上部パッカー３６を吊下げるための複数のワイヤー６２Ａの一端が取り付けられている。なお、ワイヤー６２Ａは円板部３６Ａの周方向で例えば４箇所に取り付けられるが、ここでは２本のワイヤー６２Ａのみを図示し、他のワイヤー６２Ａの図示を省略している。
【００４１】
図３（ｂ）には、図３（ａ）の上部パッカー３６を破線Ｄで切ったときの断面図が示されている。パッカー袋３６Ｃは環状であり、内部空間３６Ｄに空気が注入されることにより２点鎖線Ａ、Ｂで示すように内外へ膨張するようになっている。また、パッカー袋３６Ｃの穴部３６Ｅ内には、空気供給管３２と、下部パッカー３８に空気を注入するための下部パッカー用配管４１と、水圧計６５（図２参照）の配線６５Ａとが設けられている。
【００４２】
一方、図３（ａ）に示すように、下部パッカー３８は、全体が円柱状となっており、上端部と下端部に円形の円板部３８Ａ、３８Ｂが設けられている。円板部３８Ａ、３８Ｂの間には、膨張又は収縮が可能なゴム等の弾性素材からなる環状（チューブ状）のパッカー袋３８Ｃが設けられている。パッカー袋３８Ｃには、円板部３８Ａを貫通して下部パッカー用配管４１（図３（ｂ）参照）が接続されており、下部パッカー用配管４１の端部は、前述のパッカー作動装置６０（図２参照）に接続されている。なお、下部パッカー３８に空気供給管３２の下端は挿入されていないが、下部パッカー３８を上部パッカー３６と同じ構成として、空気供給管３２の下端を挿入させるようにしてもよい。
【００４３】
また、円板部３８Ａの上面には、下部パッカー３８を吊下げるための複数の鎖６３Ａの一端が取り付けられている。なお、鎖６３Ａは円板部３８Ａの周方向で例えば４箇所に取り付けられるが、ここでは２本の鎖６３Ａのみを図示し、他の鎖６３Ａの図示を省略している。
【００４４】
ここで、上部パッカー３６及び下部パッカー３８は、パッカー作動装置６０（図２参照）から気体が送り込まれ圧力がかけられることでパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃが膨張する。また、上部パッカー３６及び下部パッカー３８は、パッカー作動装置６０によってパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃから気体が抜かれることで圧力が下がり収縮する。なお、有孔管２８へ上部パッカー３６及び下部パッカー３８を吊下げるときは、パッカー袋３６Ｃ、３８Ｃが収縮状態となっている。
【００４５】
図２に示すように、上部パッカー３６に一端が取り付けられたワイヤー６２Ａは、他端が軟弱地盤１８上に設けられた巻取装置６２で巻き取られるようになっており、これにより、上部パッカー３６が有孔管２８内に吊下げられている。一方、下部パッカー３８に一端が取り付けられた鎖６３Ａは、他端が上部パッカー３６の円板部３６Ｂに取り付けられており、これにより、下部パッカー３８が有孔管２８内に吊下げられている。
【００４６】
ここで、巻取装置６２を動作させることで、有孔管２８内での上部パッカー３６の設置位置と、下部パッカー３８の設置位置とが変更される。なお、上部パッカー３６は、砂利層２５の上側の粘土層２７と対応する位置に設置され、下部パッカー３８は、砂利層２５の下側の粘土層２７と対応する位置に設置される。
【００４７】
水圧計６５は、上部パッカー３６と下部パッカー３８の間で且つ砂利層２５と対応する位置に配置されており、この位置での水圧の変化を計測する。なお、水圧計６５は、上部パッカー３６及び下部パッカー３８が有孔管２８内に配置された後、地下水が注入配管４０（図１（ｂ）参照）から有孔管２８内に注入されることで、水圧が計測可能となる。
【００４８】
また、水圧計６５は、前述の制御部５０と電気的に接続されている。制御部５０は、予め設定された圧力設定値と水圧計６５で測定された圧力測定値との差異に応じて、電磁弁５８を開放又は遮断して空気の供給又は供給停止を行うようになっている。
【００４９】
一方、図１に示すように、揚水孔部２６内には、塩化ビニルからなる断面円形状の有孔管３１が、開口を上側に向けて立設されている。有孔管３１は、揚水孔部２６の深さと同程度の長さとなっており、揚水を行う位置の側壁には複数の貫通孔（図示省略）が形成されている。また、有孔管２８の外径は、注入孔部２４の孔径よりも小さくなっており、有孔管２８と注入孔部２４の間には、予め設定された幅の隙間が形成されている。この隙間は、砂利層２５及び粘土層２７で埋められているが、一部土砂も用いられている。
【００５０】
揚水孔部２６の内側には、揚水孔部２６内に流入した地下水を揚水する揚水ポンプ３３が設けられている。揚水ポンプ３３は、空気供給装置３４の制御部５０（図２参照）に電気的に接続されており、制御部５０によってスイッチのＯＮ、ＯＦＦが行われる。また、揚水ポンプ３３には、揚水孔部２６内から地上へ向けて延設された揚水パイプ３５の一端が接続されており、揚水パイプ３５の他端は、地上に設けられた揚水タンク３７に接続されている。
【００５１】
揚水タンク３７は、前述の注入配管４０が接続されており、注入配管４０の接続部位には、内部に貯留された水を所定の圧力で注入配管へ送出する送出ポンプ（図示省略）が設けられている。ここで、揚水ポンプ３３、揚水パイプ３５、及び揚水タンク３７により揚水装置３０が構成されている。
【００５２】
次に、本発明の第１実施形態の作用について説明する。まず、空気注入システム１０の設置工程について説明する。
【００５３】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、建物１４を囲むようにして軟弱地盤１８から非液状化地盤１６まで止水壁２２を構築する。これにより、止水壁２２の外側にある周辺地盤と、建物１４の下側の軟弱地盤１８Ａとの水（地下水）の移動が遮断される。また、地盤１２上には、空気供給装置３４と揚水タンク３７を設置する。なお、止水壁２２で囲まれた軟弱地盤１８Ａについては、予めどの深度に液状化対策層Ｓを設けるかが決められている。
【００５４】
続いて、図４（ａ）に示すように、オーガー等の掘削機（図示省略）により軟弱地盤１８Ａに複数の注入孔部２４を形成する。そして、注入孔部２４内に有孔管２８を立設する。ここで、有孔管２８と注入孔部２４の間には隙間が形成されている。
【００５５】
続いて、図４（ｂ）に示すように、有孔管２８と注入孔部２４の隙間に粘土を充填して、粘土層２７Ａを形成する。なお、形成される粘土層２７Ａの上面の高さが、軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓの下面の高さとなるまで粘土の充填を行う。
【００５６】
続いて、有孔管２８と注入孔部２４の隙間で粘土層２７Ａ上に砂利を充填して、砂利層２５を形成する。なお、形成される砂利層２５の上面の高さが、軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓの上面の高さとなるまで砂利の充填を行う。また、砂利層２５は、空気の透過が十分可能となるように予め石及び砂が選定されているものとする。
【００５７】
続いて、有孔管２８と注入孔部２４の隙間で砂利層２５上に粘土を充填して、粘土層２７Ｂを形成する。これにより、有孔管２８が固定される。なお、粘土層２７Ｂについては、粘土を地上まで充填して形成しなくともよく、空気が上方に抜けない程度の層厚となった後に、注入孔部２４掘削時の土砂で埋めるようにしてもよい。
【００５８】
続いて、図４（ｃ）に示すように、有孔管２８内に空気供給管３２、下部パッカー３８、及び上部パッカー３６を一体で挿入する。下部パッカー３８は、予め鎖６３Ａの長さが調整されることにより位置調整されており、上面が液状化対策層Ｓの下面となる位置で保持される。
【００５９】
また、上部パッカー３６は、巻取装置６２でワイヤー６２Ａが引き出され又は巻き取られることにより位置調整され、下面が液状化対策層Ｓの上面となる位置で保持される。なお、上部パッカー３６の位置は、巻取装置６２において、ワイヤー６２Ａの巻取り量に基づいて検出される。
【００６０】
挿入された空気供給管３２は、接続されたチューブにスケールをつけておくことで位置検出が行われる。ここで、空気孔３２Ａが砂利層２５と対向する位置まで挿入された状態で、空気供給管３２の端部を空気供給装置３４の連結部４２に連結し、空気供給管３２の高さ位置を固定する。
【００６１】
続いて、パッカー作動装置６０（図２参照）を作動して、上部パッカー３６、下部パッカー３８のパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃ（図３（ａ）参照）にそれぞれ水または空気を注入する。空気が注入されたパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃは、膨張して有孔管２８内を密閉すると共に、有孔管２８に圧着され位置が固定される。なお、前述の水圧計６５（図２参照）は、上部パッカー３６と下部パッカー３８の間に配置されている。
【００６２】
このように空気注入装置２０の各部（空気供給管３２、空気供給装置３４、上部パッカー３６、及び下部パッカー３８）を軟弱地盤１８Ａに設置することで、図５に示すように、空気孔３２Ａから有孔管２８の貫通孔２９及び砂利層２５を通して、液状化対策層Ｓへ空気Ｐが送り込み可能となる。また、注入した空気が、有孔管２８内の上部パッカー３６、下部パッカー３８の上部や下部へ抜けないようにしている。
【００６３】
一方、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、建物１４を挟んで注入孔部２４と反対側において、オーガー等の掘削機（図示省略）により軟弱地盤１８Ａに複数の揚水孔部２６を形成する。そして、揚水孔部２６内に有孔管３１を立設する。ここで、有孔管３１と揚水孔部２６の隙間に土砂等を充填して有孔管３１を固定する。
【００６４】
続いて、クレーン（図示省略）等により揚水パイプ３５及び揚水ポンプ３３を吊下げると共に、有孔管３１内に挿入する。そして、揚水ポンプ３３が地下水面より十分深い位置まで挿入された状態で、揚水パイプ３５の端部を揚水タンク３７に接続し、揚水ポンプ３３の高さ位置を固定する。なお、空気孔３２Ａと揚水ポンプ３３は同じレベルでなくてもよい。揚水ポンプ３３は空気孔３２Ａと同じかより深い位置がよい。
【００６５】
続いて、各揚水タンク３７を複数のパイプで連通させた状態で、注入配管４０の一方の端部を揚水タンク３７に接続する。ここで、注入配管４０の他方の端部は、予め複数の注入孔部２４に合わせて分岐されており、各注入孔部２４に挿入することで、揚水タンク３７から送出された水が有孔管２８内に注入される。
【００６６】
次に、軟弱地盤１８Ａへの空気の注入作用について説明する。
【００６７】
図６に示すように、空気供給管３２の上方の有孔管２８は、上部パッカー３６によって塞がれており、空気供給管３２の下方の有孔管２８は、下部パッカー３８によって塞がれている。ここで、空気供給装置３４において、バルブ４８及び電磁弁５８（図２参照）を開放した状態でコンプレッサー４４（図２参照）が駆動されることにより、空気供給管３２内に空気が供給される。
【００６８】
図２、図５に示すように、空気注入装置２０では、上部パッカー３６と下部パッカー３８の間が地下水（図示省略）で浸水されており、この地下水による水圧が水圧計６５で計測される。そして、制御部５０及び電磁弁５８が、予め設定された圧力設定値と水圧計６５で測定された圧力測定値との差異に応じて、空気供給管３２への空気Ｐの供給又は供給停止を行う。
【００６９】
ここで、水圧計６５によって計測される水圧の変化が、空気供給管３２から供給される空気Ｐの供給量の変化と対応しているため、空気供給管３２から軟弱地盤１８Ａへ所定の空気量が供給されているかどうかを検知することができる。また、供給配管４６及び空気供給管３２の途中で空気漏れが発生することがあっても、水圧計６５の水圧の変化で検知することができる。
【００７０】
続いて、空気供給管３２に供給された空気Ｐが空気孔３２Ａから放出されると、放出された空気Ｐは、有孔管２８の貫通孔２９及び砂利層２５を通って、軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓに気泡となって注入される。空気Ｐが注入された軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓでは、地下水による間隙の飽和度が低下することになる。
【００７１】
ここで、液状化対策層Ｓの間隙に空気Ｐ（気泡）が存在し、飽和度が低下した状態において地盤１２に地震が発生すると、液状化対策層Ｓでは、空気Ｐの気泡が収縮することで間隙水圧の上昇が抑えられる。これにより、砂粒子同士が接触したままの状態が保持され、水中を砂粒子が自由に移動することが抑制されるので、軟弱地盤１８Ａの液状化を防止できる。
【００７２】
図７には、軟弱地盤１８Ａへの空気Ｐの注入時間と軟弱地盤１８Ａの飽和度との関係がグラフで示されている。なお、軟弱地盤１８Ａの飽和度とは、軟弱地盤１８Ａ中の土砂の間隙を地下水がどの程度埋めているかを比率で表したものであり、土砂の間隙が全て地下水で埋まっている場合には、飽和度が１００％となる。
【００７３】
図７に示すように、軟弱地盤１８Ａへの空気Ｐの注入時間が０からｔ１、ｔ２（ｔ１＜ｔ２）と長くなると、軟弱地盤１８Ａの飽和度は１００％からＡ％、Ｂ％（Ａ＞Ｂ）と減少している。これにより、軟弱地盤１８Ａに空気Ｐを注入することで、軟弱地盤１８Ａが不飽和状態となることが分かる。なお、不飽和状態は、土砂の間隙に空気Ｐの気泡が入り込み、地下水による土砂の間隙空間の占有率が低減することによる。
【００７４】
また、図７において、時間ｔ３では空気の注入が停止されることを示しており、時間ｔ４では空気の注入が再開されることを示している。時間ｔ３から時間ｔ４までの間は、空気の注入が停止されているため、地盤の飽和度が上昇することになる。一方、時間ｔ４以降は、空気の注入が再開されるため、地盤の飽和度が低下する。
【００７５】
ここで、図６に示すように、揚水ポンプ３３によって有孔管３１周辺の軟弱地盤１８Ａの地下水が汲み上げられると、軟弱地盤１８Ａ内の地下水の水位面Ｌは、注入孔部２４側が高く揚水孔部２６側が低くなる。このように、注入孔部２４から揚水孔部２６に向けて地下水の水位面Ｌに勾配が生じるため、注入孔部２４周辺の地下水は、揚水孔部２６に向けて移動する。この地下水の流れによって、軟弱地盤１８Ａ中に注入された空気Ｐ（気泡）は、揚水孔部２６に近い位置へ移動していく。これにより、液状化対策層Ｓの幅をより広く（より遠くまで設定）することができ、空気Ｐを軟弱地盤１８Ａ内に保持できる。
【００７６】
揚水ポンプ３３で揚げられた水は、注入配管４０によって注入孔部２４の有孔管２８内に注水されるため、軟弱地盤１８Ａ内の合計の地下水量はあまり変化しない。このため、空気注入システム１０では、揚水孔部２６周辺の地下水の減少による地盤沈下を防止することができる。このように、空気孔３２Ａから注入される空気を遠くまで到達させるには揚水量を多くする必要があるので、注入側へ水を戻しているが、この動作は必ず行われるものではない。例えば、注入孔部２４と揚水孔部２６が近ければ揚水量は少なくて済むので、揚水した水を注入側へ戻さないこともある。
【００７７】
なお、空気注入装置２０では、上部パッカー３６に対して鎖６３Ａで下部パッカー３８が吊下げられているので、鎖６３Ａの吊下げ長さを調整して上部パッカー３６と下部パッカー３８の間隔が変更可能となっている。これにより、液状化対策層Ｓの設定領域が変更されることがあっても、液状化対策層Ｓに空気を注入することができる。
【００７８】
また、空気注入装置２０では、上部パッカー３６、下部パッカー３８が、空気Ｐが供給されると内外に膨張するパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃを有しており、空気供給によるパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃの膨張だけで有孔管２８が閉塞されるので、上部パッカー３６及び下部パッカー３８を簡易な構成とすることができる。
【００７９】
さらに、空気注入装置２０では、電磁弁５８（図２参照）がタイマー６１（図２参照）で設定された時間に合わせて供給配管４６の開放又は遮断を行うことが可能となっているため、空気供給管３２への空気Ｐの供給を連続的又は断続的に行える。
【００８０】
次に、本発明の空気注入装置、空気注入システム、及び地盤への空気注入方法の第２実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一の部品には、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【００８１】
図８には、空気注入システム７０が示されている。空気注入システム７０は、第１実施形態の空気注入システム１０（図１参照）に、さらに比抵抗測定装置８０を設けた構成となっている。
【００８２】
図８に示すように、建物１４の下部の軟弱地盤１８Ａには、比抵抗測定装置８０を設けるための測定用孔部７２が掘削されている。測定用孔部７２内には、図示しない複数の貫通孔が形成された有孔管７４が挿入され固定されている。また、有孔管７４内には、比抵抗測定装置８０の一部である電極ユニット７６が、図示しないケーブル及び巻取装置によって吊下げられている。電極ユニット７６には配線７３、７５の一端が電気的に接続されており、配線７３、７５の他端は、空気供給装置３４内の制御部５０に接続されている。
【００８３】
図９には、比抵抗測定装置８０の構成が示されている。比抵抗測定装置８０は、第１電極７７及び第３電極７８を有する電極ユニット７６と、軟弱地盤１８Ａの上面に固定された第２電極７９と、軟弱地盤１８Ａの上面で第２電極７９と異なる位置に固定された第４電極８１と、第１電極７７と第２電極７９の間に電流を流す電流供給源８２と、第４電極８１を基準として第３電極７８の電位を測定する電位計８４とを有している。なお、電極ユニット７６では、第１電極７７の鉛直上方に第３電極７８が取り付けられている。
【００８４】
第１電極７７と第２電極７９は、配線８３により電気的に接続されており、配線８３の経路途中に電流供給源８２が設けられている。電流供給源８２には、配線７３の一端が接続されており、配線７３の他端は制御部５０（図８参照）に接続されている。これにより、第１電極７７と第２電極７９の間に流した電流（Ｉ）が、制御部５０で記録されるようになっている。
【００８５】
一方、第３電極７８と第４電極８１は、配線８５により電気的に接続されており、配線８５の経路途中に電位計８４が設けられている。電位計８４には、配線７５の一端が接続されており、配線７５の他端は制御部５０（図８参照）に接続されている。これにより、第３電極７８を基準とした第４電極８１の電位（Ｖ）が、制御部５０で記録されるようになっている。
【００８６】
軟弱地盤１８Ａが等方均質媒体であるとすると、第１電極７７の周りの等電位面Ｍは球面となる。この等電位面Ｍの電位は、第３電極７８を基準とした第４電極８１の電位（Ｖ）として測定される。ここで、等電位面Ｍの電位Ｖは、軟弱地盤１８Ａの比抵抗ρｔに比例し、（１）式で求めることができる。（１）式において、Ｄは第１電極７７と第３電極７８の間隔、Ｖは第４電極８１の電位、Ｉは電流供給源８２で流された電流である。
【００８７】
【数１】
次に、軟弱地盤１８Ａの比抵抗測定方法について説明する。アーチー（Ａｒｃｈｉｅ）の法則によれば、岩石、土が水で飽和している場合、（２）式に示す関係式が成立する。
【００８８】
【数２】
（２）式において、ρｔは軟弱地盤１８Ａ（岩石、土）の比抵抗、ρｗは軟弱地盤１８Ａの岩石や土の間隙に存在する地下水（間隙水）の比抵抗であり、Ｆ（＝ρｔ／ρｗ）は地層比抵抗係数（フォーメーションファクタ）と呼ばれている。また、ａとｂは実験により求められる定数であり、Ｎは軟弱地盤１８Ａの岩石や土の間隙率である。
【００８９】
ここで、定数ａ、定数ｂ、及び間隙水の比抵抗ρｗが予め実験により得られており、軟弱地盤１８Ａの比抵抗ρｔの測定中に間隙水の比抵抗ρｗが変化しないとすると、（１）式を用いて比抵抗測定装置８０により測定された軟弱地盤１８Ａの比抵抗ρｔを（２）式に代入することで、軟弱地盤１８Ａの間隙率Ｎが求められる。
【００９０】
制御部５０（図８参照）では、軟弱地盤１８Ａに空気（気泡）が必要量注入されたときの基準間隙率Ｎ１が予め設定されており、測定により得られた間隙率Ｎと基準間隙率Ｎ１との差分がゼロに近づくように、空気供給装置３４（図８参照）を作動させるようになっている。
【００９１】
なお、本実施形態では比抵抗に着目して軟弱地盤１８Ａの間隙率Ｎを求めているが、比抵抗ρと導電率（σとする）は逆数の関係（ρ＝１／σ）にあるため、導電率計により軟弱地盤１８Ａの導電率σを測定し、比抵抗ρに変換して、（１）式、（２）式を用いて間隙率Ｎを求めるようにしてもよい。
【００９２】
次に、本発明の第２実施形態の作用について説明する。
【００９３】
図８、図９に示すように、第１実施形態と同様の工程により、止水壁２２で囲まれた軟弱地盤１８Ａに空気注入装置２０及び揚水装置３０を設置する。続いて、空気供給装置３４が作動し、空気供給管３２に供給された空気Ｐが空気孔３２Ａから放出されると、放出された空気Ｐは、有孔管２８の貫通孔２９及び砂利層２５を通って、軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓに気泡となって注入される。空気Ｐが注入された軟弱地盤１８Ａの液状化対策層Ｓでは、地下水による間隙の飽和度が低下することになる。
【００９４】
ここで、液状化対策層Ｓの間隙に空気Ｐ（気泡）が存在し、飽和度が低下した状態において地震が発生すると、液状化対策層Ｓでは、空気Ｐの気泡が収縮することで間隙水圧の上昇が抑えられる。これにより、砂粒子同士が接触したままの状態が保持され、水中を砂粒子が自由に移動することが抑制されるので、軟弱地盤１８Ａの液状化を防止できる。
【００９５】
また、比抵抗測定装置８０では、電流供給源８２の電流Ｉと、電位計８４の電位Ｖと、第１電極７７と第３電極７８の間隔Ｄと、（１）式とにより、軟弱地盤１８Ａの比抵抗ρｔが測定される。さらに、比抵抗測定装置８０では、得られた比抵抗ρｔと（２）式とにより、軟弱地盤１８Ａの間隙率Ｎが求められる。
【００９６】
ここで、空気供給装置３４の制御部５０では、求められた間隙率Ｎと予め設定されている基準間隙率Ｎ１との差に応じて、軟弱地盤１８Ａ中の空気Ｐの注入量の過不足が判断される。空気Ｐの注入量が不足と判断された場合は、引き続き空気Ｐの注入が行われる。また、空気Ｐの注入量が必要十分と判断された場合は、電磁弁５８（図２参照）が遮断され、空気Ｐの注入が停止される。これにより、軟弱地盤１８Ａ中の空気量を実測しなくても、軟弱地盤１８Ａ中の空気の過不足状態を検知して、必要な空気Ｐを注入することができる。
【００９７】
図１０には、空気の注入停止（時間ｔ３、ｔ５）又は注入再開（時間ｔ４）したときの時間と地盤の飽和度の関係が示されている。飽和度Ｃ％は、構造物の使用に有害とならない飽和度の下限値であり、飽和度Ｄ％は、液状化防止に必要な飽和度の上限値である。空気の注入を停止すると、地盤中の空気が減少する（上方へ抜ける、溶ける）ため飽和度が上昇する。また、空気注入を再開すれば、再び飽和度が低下する。
【００９８】
ここで、空気を注入して、比抵抗測定装置８０で得られる飽和度の値がＣ％に達したら、空気注入・揚水を自動停止させる。一方、比抵抗測定装置８０で得られる飽和度の値がＤ％を上回ったら、空気注入・揚水を再開する。このように、比抵抗測定装置８０を利用することにより、地盤の飽和度を所定の範囲に保つことができる。
【００９９】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。
【０１００】
注入孔部２４及び揚水孔部２６の数は、５だけでなく、１つ又は２つ以上の複数から自由に選択することができる。また、空気供給管３２の空気孔３２Ａの数も、１つ又は２つ以上の複数から自由に選択することができる。
【０１０１】
上部パッカー３６、下部パッカー３８におけるパッカー袋３６Ｃ、３８Ｃの膨張又は収縮は、空気だけでなく液体を用いて行ってもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 空気注入システム
１８Ａ 軟弱地盤（地盤）
２０ 空気注入装置
２４ 注入孔部（孔部）
２５ 砂利層
２６ 揚水孔部（揚水用孔部）
２７ 粘土層
２８ 有孔管
３０ 揚水装置（揚水手段）
３２ 空気供給管
３２Ａ 空気孔
３４ 空気供給装置（空気供給手段）
３６ 上部パッカー（上部閉塞手段）
３６Ｃ パッカー袋（チューブ）
３７ 揚水タンク（注水手段）
３８ 下部パッカー（下部閉塞手段）
３８Ｃ パッカー袋（チューブ）
４０ 注入配管（注水手段）
５０ 制御部（切換手段）
５８ 電磁弁（切換手段）
６１ タイマー
６５ 水圧計
７２ 測定用孔部
８０ 比抵抗測定装置（電気特性測定手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤に形成された孔部へ挿入された有孔管内に吊下げられ、供給された空気が放出される空気孔が形成された空気供給管と、
前記空気供給管に空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給管よりも上方に吊下げられ、拡径して前記有孔管を塞ぐ上部閉塞手段と、
前記空気供給管よりも下方に吊下げられ、拡径して前記有孔管を塞ぐ下部閉塞手段と、
を有する空気注入装置。
【請求項２】
前記上部閉塞手段及び前記下部閉塞手段は、空気が供給されると内外に膨張するチューブである請求項１に記載の空気注入装置。
【請求項３】
前記空気供給手段から前記空気供給管までの空気供給経路の途中には、前記空気供給管への空気の供給又は供給停止を行う切換手段が設けられている請求項１又は請求項２に記載の空気注入装置。
【請求項４】
前記上部閉塞手段と前記下部閉塞手段の間に浸水した水の圧力を計測する水圧計が設けられ、
前記切換手段が、設定された圧力設定値と前記水圧計で測定された圧力測定値との差異に応じて空気の供給又は供給停止を行う請求項３に記載の空気注入装置。
【請求項５】
地盤の前記孔部と異なる位置に掘削された測定用孔部に配置され、該測定用孔部にて地盤の導電率又は比抵抗を測定する電気特性測定手段が設けられ、
前記切換手段が、前記電気特性測定手段で測定された地盤の導電率又は比抵抗に応じて、前記空気供給管への空気の供給又は供給停止を行う請求項３又は請求項４に記載の空気注入装置。
【請求項６】
前記切換手段の空気の供給又は空気の供給停止を設定された時間で切換えるタイマーが設けられている請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の空気注入装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の空気注入装置と、
地盤の前記孔部と異なる位置に掘削された揚水用孔部から水を揚げる揚水手段と、
前記揚水手段で揚げられた水を前記有孔管に注水する注水手段と、
を有する空気注入システム。
【請求項８】
地盤に孔部を形成する孔部形成工程と、
前記孔部へ有孔管を挿入する挿入工程と、
前記有孔管に請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の空気注入装置を吊下げる吊下げ工程と、
前記孔部と前記有孔管との隙間に、上下が粘土層で囲まれ前記空気注入装置で注入された空気が透過する砂利層を形成する砂利層形成工程と、
を有する地盤への空気注入方法。
【請求項１】
地盤に形成された孔部へ挿入された有孔管内に吊下げられ、供給された空気が放出される空気孔が形成された空気供給管と、
前記空気供給管に空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給管よりも上方に吊下げられ、拡径して前記有孔管を塞ぐ上部閉塞手段と、
前記空気供給管よりも下方に吊下げられ、拡径して前記有孔管を塞ぐ下部閉塞手段と、
を有する空気注入装置。
【請求項２】
前記上部閉塞手段及び前記下部閉塞手段は、空気が供給されると内外に膨張するチューブである請求項１に記載の空気注入装置。
【請求項３】
前記空気供給手段から前記空気供給管までの空気供給経路の途中には、前記空気供給管への空気の供給又は供給停止を行う切換手段が設けられている請求項１又は請求項２に記載の空気注入装置。
【請求項４】
前記上部閉塞手段と前記下部閉塞手段の間に浸水した水の圧力を計測する水圧計が設けられ、
前記切換手段が、設定された圧力設定値と前記水圧計で測定された圧力測定値との差異に応じて空気の供給又は供給停止を行う請求項３に記載の空気注入装置。
【請求項５】
地盤の前記孔部と異なる位置に掘削された測定用孔部に配置され、該測定用孔部にて地盤の導電率又は比抵抗を測定する電気特性測定手段が設けられ、
前記切換手段が、前記電気特性測定手段で測定された地盤の導電率又は比抵抗に応じて、前記空気供給管への空気の供給又は供給停止を行う請求項３又は請求項４に記載の空気注入装置。
【請求項６】
前記切換手段の空気の供給又は空気の供給停止を設定された時間で切換えるタイマーが設けられている請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の空気注入装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の空気注入装置と、
地盤の前記孔部と異なる位置に掘削された揚水用孔部から水を揚げる揚水手段と、
前記揚水手段で揚げられた水を前記有孔管に注水する注水手段と、
を有する空気注入システム。
【請求項８】
地盤に孔部を形成する孔部形成工程と、
前記孔部へ有孔管を挿入する挿入工程と、
前記有孔管に請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の空気注入装置を吊下げる吊下げ工程と、
前記孔部と前記有孔管との隙間に、上下が粘土層で囲まれ前記空気注入装置で注入された空気が透過する砂利層を形成する砂利層形成工程と、
を有する地盤への空気注入方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１８９９６１（Ｐ２０１０−１８９９６１Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３６６００（Ｐ２００９−３６６００）
【出願日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【出願人】（０００００３６２１）株式会社竹中工務店 (1,669)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【出願人】（０００００３６２１）株式会社竹中工務店 (1,669)
【Ｆターム（参考）】
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