(57)【要約】【課題】地下水から気泡含有液体への置換を効率良く確実に行って地盤を不飽和化する。【解決手段】地盤不飽和化システム１は地下水流生成システム４を備え、このシステム４は第１及び第２のドレーン材４１ａ，４１ｂを備える。ドレーン材４１ａ，４１ｂは、互いに所定の間隔Ｃを空けて平行に地盤２の改良対象領域３内に設置され、各々が鉛直方向に延在して通水性を有する。ドレーン材４１ａ，４１ｂは、その一方が改良対象領域３内への注水に用いられ、他方が改良対象領域３内からの揚水に用いられる。改良対象領域３内におけるドレーン材４１ａ，４１ｂ間には注入管７３の注入口７５が配置される。注入管７３にはマイクロバブル水生成装置７１からマイクロバブル水が供給される。注入管７３の注入口７５から改良対象領域３内に注入されたマイクロバブル水は、ドレーン材４１ａ，４１ｂ間に形成された地下水流によって改良対象領域３内に浸透する。【選択図】図１
2014221969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤の改良対象領域内に設置され、鉛直方向に延在して通水性を有し、地盤上から前記改良対象領域内への注水に用いられる第１のドレーン材と、
前記第１のドレーン材と平行に前記改良対象領域内に設置され、前記第１のドレーン材と所定の間隔を有し、鉛直方向に延在して通水性を有し、前記改良対象領域内から地盤上への揚水に用いられる第２のドレーン材と、
気泡を含有する液体を生成する気泡含有液体生成装置と、
前記気泡含有液体生成装置から供給される気泡含有液体を前記改良対象領域内に注入する注入口を有して前記改良対象領域内に設置される気泡含有液体注入管と、
を含んで構成され、
前記気泡含有液体注入管の注入口は、前記改良対象領域内における前記第１のドレーン材と前記第２のドレーン材との間に位置することを特徴とする地盤不飽和化システム。
【請求項２】
前記第１のドレーン材を、地盤上から前記改良対象領域への注水用と、前記改良対象領域から地盤上への揚水用と、に切り替える第１の切替手段と、
前記第２のドレーン材を、前記改良対象領域から地盤上への揚水用と、地盤上から前記改良対象領域への注水用と、に切り替える第２の切替手段と、
を更に含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の地盤不飽和化システム。
【請求項３】
前記改良対象領域の地盤上面を覆うように設置されるシール層を更に含んで構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の地盤不飽和化システム。
【請求項４】
複数の前記気泡含有液体注入管を含んで構成され、
各気泡含有液体注入管の注入口の、地盤上面からの深さ位置が互いに異なることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の地盤不飽和化システム。
【請求項５】
前記所定の間隔は、０．６ｍ〜５．０ｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の地盤不飽和化システム。
【請求項６】
前記気泡含有液体注入管の注入口から前記改良対象領域内への前記気泡含有液体の注入時に、前記気泡の平均径が１０μｍ〜６０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の地盤不飽和化システム。
【請求項７】
前記ドレーン材は、ペーパードレーン又はプラスチックボードドレーンであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の地盤不飽和化システム。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の地盤不飽和化システムを用いて地盤の改良を行う方法であって、
前記改良対象領域内に前記第１のドレーン材及び前記第２のドレーン材を設置し、
前記気泡含有液体注入管の注入口が、前記改良対象領域内における前記第１のドレーン材と前記第２のドレーン材との間に位置するように、前記気泡含有液体注入管を前記改良対象領域内に設置し、
前記第１のドレーン材から前記改良対象領域への注水と、前記第２のドレーン材を介する前記改良対象領域からの揚水と、を同時に行って、前記改良対象領域内における前記第１のドレーン材と前記第２のドレーン材との間に地下水の流れを生じさせ、
前記気泡含有液体注入管の注入口から、前記改良対象領域内における前記第１のドレーン材と前記第２のドレーン材との間に、気泡含有液体を注入する、地盤の改良方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の飽和度を低下させる地盤不飽和化システム、及び、このシステムを用いる地盤の改良方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、砂地盤等における地震時の液状化対策として、地盤内に空気を注入することで地盤の不飽和化を行うことが検討されている。そのうち、マイクロバブル水溶液（以下、「マイクロバブル水」という）を地盤内に注入することで地盤を不飽和化し、液状化対策に利用するものがある。ここで、マイクロバブル水とは、空気等の微細気泡を含有する水溶液を意味する。
このような液状化対策の一例として、特許文献１に記載の技術を挙げることができる。
【０００３】
特許文献１に記載の技術では、地盤の改良対象領域（液状化対策の対象領域）の一側にマイクロバブル水注入用の注入井戸（注入孔部）を形成する一方、地盤の改良対象領域の他側に揚水用の揚水井戸（揚水孔部）を形成している。注入井戸には、マイクロバブル水注入用の注入管（液体供給管）が設置されている。揚水井戸には、揚水ポンプ及び揚水管が設置されている。特許文献１では、上記注入管から地盤内にマイクロバブル水が注入されるときに、並行して、揚水井戸側にて揚水ポンプにより地下水が連続的に汲み上げられる。これにより、地下水の水位面の差（勾配）が生じるので、マイクロバブル水が、注入井戸側から揚水井戸側へ浸透していく。尚、地盤の改良対象領域において、地下水位差を生じさせて、マイクロバブル水の地盤内での浸透を図る技術については、特許文献２にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１４０７８９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０９６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、注入井戸及び揚水井戸を設置し、地下水位差を人工的に設け、地盤の改良対象領域内でのマイクロバブル水の流れに指向性を持たせて、改良対象領域内の地下水をマイクロバブル水に置換する場合には、揚水井戸側の地下水位が低下しているため、改良対象領域内の揚水井戸側では、マイクロバブル水に置換されるべき地下水が減少している。それゆえ、改良対象領域内の揚水井戸側では、地下水からマイクロバブル水への置換が十分に行われないおそれがある。また、揚水井戸（揚水ポンプ）の運転停止後には、改良対象領域内の揚水井戸側にて地下水位が回復し、これに伴って、マイクロバブル水ではない自然地下水が改良対象領域内に流入する可能性がある。それゆえ、改良対象領域内に浸透したマイクロバブルが、流入する自然地下水により当該領域外に押し出され、この結果、地盤の不飽和化作業の効率が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑み、マイクロバブル水等の気泡含有液体を用いる地盤の不飽和化作業において、地下水から気泡含有液体への置換を効率良く、確実に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのため本発明に係る地盤不飽和化システムは、地盤の改良対象領域内に設置され、鉛直方向に延在して通水性を有し、地盤上から改良対象領域内への注水に用いられる第１のドレーン材と、第１のドレーン材と平行に改良対象領域内に設置され、第１のドレーン材と所定の間隔を有し、鉛直方向に延在して通水性を有し、改良対象領域内から地盤上への揚水に用いられる第２のドレーン材と、気泡を含有する液体を生成する気泡含有液体生成装置と、気泡含有液体生成装置から供給される気泡含有液体を改良対象領域内に注入する注入口を有して改良対象領域内に設置される気泡含有液体注入管と、を含んで構成される。気泡含有液体注入管の注入口は、改良対象領域内における第１のドレーン材と第２のドレーン材との間に位置する。
【０００８】
また、本発明に係る地盤の改良方法では、改良対象領域内に第１のドレーン材及び第２のドレーン材を設置し、気泡含有液体注入管の注入口が、改良対象領域内における第１のドレーン材と第２のドレーン材との間に位置するように、気泡含有液体注入管を改良対象領域内に設置し、第１のドレーン材から改良対象領域への注水と、第２のドレーン材を介する改良対象領域からの揚水と、を同時に行って、改良対象領域内における第１のドレーン材と第２のドレーン材との間に地下水の流れを生じさせ、気泡含有液体注入管の注入口から、改良対象領域内における第１のドレーン材と第２のドレーン材との間に、気泡含有液体を注入する。
【０００９】
尚、本発明において、地盤の不飽和化とは、地盤の飽和度（地盤中の地下水の体積／地盤の間隙体積）を低下させることを意味する。地盤の液状化対策では、一般的に、地盤の飽和度が９０％程度まで低下するように、地盤の不飽和化作業が行われる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、地盤の改良対象領域内に第１のドレーン材及び第２のドレーン材が設置されて、気泡含有液体注入管の注入口が、改良対象領域内における第１のドレーン材と第２のドレーン材との間に位置する。これにより、第１のドレーン材から改良対象領域への注水と、第２のドレーン材を介する改良対象領域からの揚水と、を同時に行って、改良対象領域内における第１のドレーン材と第２のドレーン材との間に地下水の流れを生じさせ、この地下水の流れを気泡含有液体の地盤への浸透流として利用することができる。従って、地盤の改良対象領域内にて地下水位差を極端に設けることなく、改良対象領域内での気泡含有液体の流れに指向性を持たせて、改良対象領域内の地下水を気泡含有液体に置換することができるので、特に改良対象領域内の揚水側（第２のドレーン材側）においても、地下水から気泡含有液体への置換が確実に行われ得る。また、地盤の改良対象領域内にて地下水位差を極端に設ける必要がないので、揚水停止後に改良対象領域内に流入する自然地下水の流入量を抑制することができる。従って、改良対象領域内に浸透した気泡が、流入する自然地下水により当該領域外に押し出される可能性を大幅に低減でき、ひいては、地盤の不飽和化作業を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態における地盤不飽和化システムの概略構成を示す垂直断面図
【図２】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】図２において、地下水流生成システムの作動状態を変更した後の状態を示す図
【図４】地盤の地下水流と、地盤における間隙水圧、有効応力、及び、せん断応力との関係を示す図
【図５】実験装置の概略構成を示す図
【図６】図５に示す実験装置を用いて行った実験の条件及び結果を示す表
【図７】ドレーン材の配置の変形例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態における地盤不飽和化システムを示す。図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す。ここで、地盤不飽和化システムを構成する地下水流生成システムについては、その作動状態が、図１及び図２では、後述する第１の作動状態である一方、図３では、後述する第２の作動状態である。
【００１３】
尚、図１及び図２において、後述する第１のドレーン材４１ａ及び第２のドレーン材４１ｂのうち、注水用ドレーン材として機能しているものについては、斜線で図示している。また、揚水用ドレーン材として機能しているものについては、白抜きで図示している。
また、説明の便宜上、図１〜図３に示すように上下・前後・左右をそれぞれ規定して、以下説明する。
【００１４】
図１に示すように、地盤不飽和化システム１は、地盤２の改良対象領域３内及びその周辺（換言すれば、液状化対策の対象領域内及びその周辺）に設置される。
地盤不飽和化システム１は、地下水流生成システム４と、マイクロバブル水注入システム７とを備える。
【００１５】
地下水流生成システム４は、シール層４０、複数のドレーン材４１、バルブ４２、注水管４３ａ、揚水管４３ｂ、給水槽４４、真空ポンプ４５、集水タンク４６を含んで構成される。
シール層４０は、改良対象領域３の地盤上面を覆うように配置されている。シール層４０は例えば粘土により構成される。
【００１６】
ドレーン材４１は鉛直方向に延びる帯状であり、図２に示すドレーン材４１の配置では、６０個のドレーン材４１が、改良対象領域３内にて、平面視でマトリクス状（図では前後６個×左右１０個）に互いに平行に配置されている。尚、改良対象領域３内に配置されるドレーン材４１の個数はこれに限らない。
図２に示すドレーン材４１の配置では、帯状のドレーン材４１の幅方向が前後方向に沿うように配置され、また、帯状のドレーン材４１の厚さ方向が左右方向に沿うように配置されている。
【００１７】
本実施形態では、６０個のドレーン材４１が、３０個の第１のドレーン材４１ａと、３０個の第２のドレーン材４１ｂとにより構成されている。
左右方向に並ぶ１０個のドレーン材４１については、左側から右側に向かって、第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとが交互に配置されている。
【００１８】
また、図１に示すように、左右方向で隣り合う第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとについては、両者の間に、所定の間隔Ｃが空いている。ここで、所定の間隔Ｃについては、改良対象領域３の不飽和化を行うときの、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａの近傍の地下水位と、第２のドレーン材４１ｂの近傍の地下水位とを考慮して、予め設定される。また、所定の間隔Ｃの設定については、改良対象領域３の透水係数や、不飽和化作業の作業時間等も考慮され得る。これらを勘案すると、所定の間隔Ｃは０．６ｍ〜５．０ｍの範囲内であることが好ましい。
【００１９】
ドレーン材４１は、その上端がシール層４０の下面に位置するように、改良対象領域３内に埋設されている。
ドレーン材４１は、例えば、ペーパードレーン又はプラスチックボードドレーンである。ドレーン材４１は、例えば、通水路となる溝が延在方向（鉛直方向）に沿って形成されたプラスチック樹脂製の芯体（図示せず）と、この芯体を囲う透水性フィルタ（図示せず）とを備える。それゆえ、ドレーン材４１は、鉛直方向に延在して通水性を有する。また、ドレーン材４１は、透水性フィルタを介して、全面的に水の出し入れを行うことができる。ドレーン材４１は、専用の打設機（図示せず）を用いて改良対象領域３内に容易に打設され得る。
【００２０】
全てのドレーン材４１の上端には、ホース４８を有するキャップ４９が設けられている。キャップ４９は気密性を有する。ホース４８は、バルブ４２に接続されている。
全てのバルブ４２には、注水ホース５０ａ及び揚水ホース５０ｂが接続される。注水ホース５０ａは、注水管４３ａの枝管である。揚水ホース５０ｂは、揚水管４３ｂの枝管である。注水管４３ａは、給水槽４４に接続されている。揚水管４３ｂは、真空ポンプ４５及び集水タンク４６に接続されている。尚、注水管４３ａ、揚水管４３ｂ、給水槽４４、真空ポンプ４５、及び、集水タンク４６は、それぞれ、地盤２の表面上に配置されている。
【００２１】
各ドレーン材４１は、それぞれに接続されたバルブ４２によって流体の出入りを切り替えることにより、単独で揚水用と注水用とに切り替えが可能である。ドレーン材４１を注水用ドレーン材として用いる場合には、バルブ４２によって揚水ホース５０ｂ側の流れが遮断される。ドレーン材４１を揚水用ドレーン材として用いる場合には、バルブ４２によって注水ホース５０ａ側の流れが遮断される。ここで、注水用ドレーン材とは、地盤２の表面上から改良対象領域３内への注水に用いられるドレーン材を意味する。また、揚水用ドレーン材とは、改良対象領域３から地盤２の表面上への揚水（地下水の汲み上げ）に用いられるドレーン材を意味する。
【００２２】
尚、本実施形態では、図１及び図２に示す地下水流生成システム４の第１の作動状態において、第１のドレーン材４１ａが注水用ドレーン材として機能し、第２のドレーン材４１ｂが揚水用ドレーン材として機能する。また、図３に示す地下水流生成システム４の第２の作動状態において、第１のドレーン材４１ａが揚水用ドレーン材として機能し、第２のドレーン材４１ｂが注水用ドレーン材として機能する。
また、本実施形態では、第１のドレーン材４１ａに接続されたバルブ４２が、本発明の「第１の切替手段」に対応して、第１のドレーン材４１ａを、地盤２の表面上から改良対象領域３への注水用と、改良対象領域３から地盤２の表面上への揚水用と、に切り替える機能を実現する。同様に、第２のドレーン材４１ｂに接続されたバルブ４２が、本発明の「第２の切替手段」に対応して、第２のドレーン材４１ｂを、改良対象領域３から地盤２の表面上への揚水用と、地盤２の表面上から改良対象領域３への注水用と、に切り替える機能を実現する。
【００２３】
マイクロバブル水注入システム７は、マイクロバブル水製造装置７１、供給管７２、及び、複数の注入管７３を含んで構成される。尚、マイクロバブル水製造装置７１及び供給管７２は、それぞれ、地盤２の表面上に配置されている。
マイクロバブル水生成装置７１は、マイクロバブル水を生成して、供給管７２に送出する。マイクロバブル水生成装置７１では、例えば、空気と水とを同時に加圧して空気を水に溶解させた後にこの水を減圧して水中の空気を気化させることで、マイクロバブル水を生成する。又は、マイクロバブル発生用の特殊管路内に水を高速で流通させることで、マイクロバブル水を生成する。マイクロバブル水の生成に用いられる水の一例としては、集水タンク４６から還流された水を挙げることができる。マイクロバブル水生成装置７１は、例えば、株式会社ニクニ製のマイクロバブルジェネレータを含んで構成される。マイクロバブル水生成装置７１にて生成されたマイクロバブル水は、加圧状態で供給管７２に供給される。ここで、マイクロバブル水発生装置７１が、本発明の「気泡含有液体生成装置」に対応する。また、マイクロバブル水生成装置７１にて生成されたマイクロバブル水が、本発明の「気泡を含有する液体（気泡含有液体）」に対応する。
【００２４】
改良対象領域３内において、左右方向で隣り合う第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間（例えば中央部）には、孔部（図示せず）が予め掘削形成される。この孔部には、注入管７３が挿入される。
注入管７３は、供給管７２の枝管であり、鉛直方向に延びている。注入管７３は、その上端７４にて供給管７２に連通している。図２に示す注入管７３の配置では、５４個の注入管７３が、改良対象領域３内にて、平面視でマトリクス状（図では前後６個×左右９個）に配置されている。尚、改良対象領域３内に配置される注入管７３の個数はこれに限らない。
【００２５】
図１に示すように、注入管７３の下端には注入口７５が形成されている。この注入口７５は、改良対象領域３内において、左右方向で隣り合う第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間（例えば中央部）に位置している。マイクロバブル水生成装置７１から供給管７２に供給されたマイクロバブル水は、注入管７３内を通って、注入口７５から改良対象領域３内に注入される。尚、本実施形態では、注入管７３の下端部に逆止弁等を設置することで、改良対象領域３内への注入直前までマイクロバブル水の減圧を抑制する。これにより、マイクロバブル水の高圧状態が、改良対象領域３内への注入直前まで良好に維持され得るので、注入時の減圧による気泡径の拡大を抑制することができ、また、注入時の減圧による気泡量の減少を抑制することができる。従って、所望の平均径のマイクロバブルを多量に改良対象領域３内に注入することができる。尚、マイクロバブル水に含まれるマイクロバブル（微細気泡）については、注入管７３の注入口７５から改良対象領域３内へのマイクロバブル水の注入時に、マイクロバブルの平均径が２００μｍ以下であることが好ましく、平均径が１０μｍ〜６０μｍの範囲内であることが更に好ましい。また、このときのマイクロバブル水の注入圧は、例えば０．４ＭＰａ程度である。
【００２６】
複数の注入管７３については、各々の注入口７５の、地盤上面からの深さ位置が互いに異なるように配置され得る。換言すれば、複数の注入管７３については、各々から改良対象領域３内に注入されるマイクロバブル水の注入深さが互いに異なるように配置され得る。このように複数の注入管７３を配置することにより、比較的不均一な性状の改良対象領域３であっても、マイクロバブル水と地下水との置換をより確実に行うことができる。また、注入管７３から改良対象領域３内に注入されるマイクロバブル水の注入深さを適宜変更し、改良対象領域３内にマイクロバブル水を均質に注入することで、地盤不飽和化システム１の作動時間の短縮を図ることが可能である。
【００２７】
次に、地盤不飽和化システム１を用いて改良対象領域３を不飽和化する方法について説明する。
改良対象領域３を不飽和化するには、まず、改良対象領域３に複数のドレーン材４１（第１のドレーン材４１ａ及び第２のドレーン材４１ｂ）を埋設して、地下水流生成システム４を構築する。
次に、注入管７３の注入口７５が、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に位置するように、注入管７３を改良対象領域３内に設置して、マイクロバブル水注入システム７を構築する。
【００２８】
次に、第１のドレーン材４１ａを注水用ドレーン材として機能させ、第２のドレーン材４１ｂを揚水用ドレーン材として機能させて、地下水流生成システム４を第１の作動状態で作動させる。この作動では、真空ポンプ４５を用いた揚水により改良対象領域３内に負圧をかけ、改良対象領域３内から第２のドレーン材４１ｂ、揚水ホース５０ｂ、揚水管４３ｂを介して地下水を揚水する。同時に、給水槽４４から注水管４３ａ、注水ホース５０ａ、第１のドレーン材４１ａを介して改良対象領域３内に流体（例えば、集水タンク４６から還流された水）を注水し、改良対象領域３内に複数の水循環の流れを形成する。換言すれば、この工程では、第１のドレーン材４１ａから改良対象領域３への注水と、第２のドレーン材４１ｂを介する改良対象領域３からの揚水とが同時に行われて、改良対象領域３内に第１のドレーン材４１ａから第２のドレーン材４１ｂへ向かう地下水の流れが形成される。
【００２９】
次に、マイクロバブル水注入システム７を作動させて、注入管７３の注入口７５から、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に、マイクロバブル水を注入する。
注入されたマイクロバブル水は、第１のドレーン材４１ａから第２のドレーン材４１ｂへ向かう地下水の流れにより、改良対象領域３のうち、注入管７３と第２のドレーン材４１ｂとの間の部分（図２に示す一点鎖線によって囲まれた部分Ｓ１）に浸透する。これにより、部分Ｓ１の土粒子にマイクロバブルが吸着して固定化される。このようにして、部分Ｓ１の不飽和化が実現される。
この後、地盤不飽和化システム１の作動を一旦停止する。
【００３０】
次に、第１のドレーン材４１ａに接続されたバルブ４２を用いて、第１のドレーン材４１ａを、注水用から揚水用へ切り替える。また、第２のドレーン材４１ｂに接続されたバルブ４２を用いて、第２のドレーン材４１ｂを、揚水用から注水用へ切り替える。このようにして、第１のドレーン材４１ａを揚水用ドレーン材として機能させ、第２のドレーン材４１ｂを注水用ドレーン材として機能させるようにした上で、地下水流生成システム４を第２の作動状態で作動させる。
この作動状態では、真空ポンプ４５を用いた揚水により改良対象領域３内に負圧をかけ、改良対象領域３内から第１のドレーン材４１ａ、揚水ホース５０ｂ、揚水管４３ｂを介して地下水を揚水する。同時に、給水槽４４から注水管４３ａ、注水ホース５０ａ、第２のドレーン材４１ｂを介して改良対象領域３内に流体（例えば、集水タンク４６から還流された水）を注水し、改良対象領域３内に複数の水循環の流れを形成する。換言すれば、この工程では、第２のドレーン材４１ｂから改良対象領域３への注水と、第１のドレーン材４１ａを介する改良対象領域３からの揚水とが同時に行われて、改良対象領域３内に第２のドレーン材４１ｂから第１のドレーン材４１ａに向かう地下水の流れが形成される。
【００３１】
次に、マイクロバブル水注入システム７を再び作動させて、注入管７３の注入口７５から、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に、マイクロバブル水を注入する。
注入されたマイクロバブル水は、第２のドレーン材４１ｂから第１のドレーン材４１ａに向かう地下水の流れにより、改良対象領域３のうち、注入管７３と第１のドレーン材４１ａとの間の部分（図３に示す二点鎖線によって囲まれた部分Ｓ２）に浸透する。これにより、部分Ｓ２の土粒子にマイクロバブルが吸着して固定化される。このようにして、部分Ｓ２の不飽和化が実現される。
このようにして、改良対象領域３の全域にわたって効率良く不飽和化が行われ得る。
【００３２】
尚、揚水された地下水については、集水タンク４６にて貯留された後に、図示しない配管を通って、給水槽４４及び／又はマイクロバブル水生成装置７１に戻され得る。
また、本実施形態では、専用の打設機を用いて容易に打設できるドレーン材４１を用いて揚水及び注水を行うため、井戸を設置する場合と比較して、揚水・注水作業以前の準備に要する工期の短縮及び費用の削減が可能であり、また、多数のドレーン材４１を設置することができる。また、ドレーン材４１は打設深度の設定が容易であるため、改良対象領域３の地層構造が複雑な場合にも対応しやすい。更に、打設位置の変更を容易に行うことができるため、マイクロバブルによる地下水置換の均質性を向上させることができる。
また、本実施形態では、各ドレーン材４１を揚水用と注水用とに切り替えることにより水流を逆転できるので、ドレーン材４１の目詰まりの発生を抑制することができる。
【００３３】
ところで、一般に、地下水流が形成されていない状態でマイクロバブル水を地盤中に高圧状態で注入すると、その注入圧によって地盤が局所的に破壊されることで地盤の強度が低下する可能性があり、また、ボイリング現象が発生する可能性がある。また、マイクロバブル水注入用の注入管の打設に伴う地盤の乱れ（弱部形成）に対応するために、注入管周りにシールグラウト等の措置が必要となる。また、一般に、地盤中に何らかの液体を注入する場合、注入された液体は、地盤のうち透水性の高い部分を選択的に流れるため、地盤のうち透水性が低い部分には注入液体が通過しない可能性がある。これらの要因から、地下水流が形成されていない状態で単にマイクロバブル水を地盤中に注入しただけでは、地盤内の均一な不飽和化が難しい場合がある。
【００３４】
それゆえ、本実施形態では、マイクロバブル水を改良対象領域３内に均一に浸透させるため、複数のドレーン材４１及び複数の注入管７３を、それぞれ、上述のようにマトリクス状に配置している。また、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に地下水の流れを形成して、この地下水の流れにより、改良対象領域３の強度を上昇させた上で、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に、マイクロバブル水を注入している。
【００３５】
ここで、地盤の地下水流と、地盤の強度との関係について、図４を用いて説明する。
図４（ａ）は、地盤における最大主応力σ１と最小主応力σ３との関係を示す。図４（ｂ）は、最小主応力σ３に関して、地下水流が発生していない状態（静水圧状態α）の間隙水圧ｕ３α及び有効応力σ’３αと、地下水流が発生している状態（地下水流発生状態β）の間隙水圧ｕ３β及び有効応力σ’３βとの関係を示す。図４（ｃ）は、モールの応力円及び、モール・クローンの破壊包絡線を示す図である。尚、図４（ｃ）に示すモール・クローンの破壊包絡線において、ｃ’は粘着力を示し、また、ｔａｎφ’は摩擦係数を示す。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、地盤の全応力σについては、鉛直方向に作用する最大主応力σ１と、水平方向に作用する最小主応力σ３とが存在する。また、全応力σと、間隙水圧ｕと、有効応力σ’とについては、以下の式（１）の関係が成り立つ。
σ＝ｕ＋σ’    ・・・（１）
尚、有効応力σ’は、土粒子骨格が負担する応力を意味する。また、間隙水圧ｕは、通常、地下水圧を表す。
【００３７】
ここで、地盤の状態が、静水圧状態αから地下水流発生状態βに変化したとすると、最小主応力σ３については、図４（ｂ）に示すように、全応力σ（最小主応力σ３）は一定のままで、間隙水圧ｕ３αは間隙水圧ｕ３βにΔσ’３分減少する一方、有効応力σ’３αは有効応力σ’３βにΔσ’３分増加する。この地下水流形成に伴う有効応力増分をサクションと呼ぶ。
また、この有効応力の増加により、図４（ｃ）に示すように、モール・クローンの破壊包絡線に接するモールの応力円の半径が大きくなる。すなわち、せん断応力τについては、静水圧状態αにおける最大せん断応力ταｍａｘから地下水流発生状態βにおける最大せん断応力τβｍａｘにΔτ分増加する。それゆえ、地下水流の発生により、地盤の強度（せん断強度等）が上昇する。また、地下水流の流速が速いほど、上述の有効応力σ’及びせん断応力τが増大する傾向がある。
【００３８】
本実施形態では、シール層４０を設けた地下に地下水流を形成することで、改良対象領域３内の圧力と大気圧との差圧が改良対象領域３にサクションとして負荷され、この結果、全応力σが変わらないまま、間隙水圧ｕが低下して、その低下分だけ有効応力σ’が増加する。それゆえ、上述の図４に示したように、地下水流の発生により、改良対象領域３の強度（せん断強度等）が上昇する。このようにして、地下水流を発生させて、改良対象領域３の強度を上昇させた上で、改良対象領域３内にマイクロバブル水を注入することにより、高圧状態のマイクロバブル水の注入による地盤の破壊を抑制することができる。
【００３９】
次に、マイクロバブル水を用いて行った地盤の不飽和化に関する実験について図５及び図６を用いて説明する。
図５は、実験装置の概略構成を示す。図５（ａ）は実験装置の垂直断面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図６は実験の条件及び結果を示す表である。
【００４０】
〔１〕実験装置の概略構成
実験装置１００は、鋼製の容器１０１と、マイクロバブル水注入管１０２と、揚水用ドレーン材１０３と、注水用ドレーン材１０４と、を備える。
容器１０１は上面開口の直方体状であり、その寸法が、横Ｗ×縦Ｌ×高さＨ＝１０００ｍｍ×６００ｍｍ×１５００ｍｍである。
容器１０１内には、改良対象層１０５を作成した。改良対象層１０５については、容器１０１内に、ケイ砂７号（均等係数１．６）を水中落下法によって相対密度２８％に深さＤ＝１０００ｍｍで堆積させて作成した。
【００４１】
揚水用ドレーン材１０３及び注水用ドレーン材１０４は、それぞれ、鉛直方向に延びる帯状のプラスチックボードドレーンであり、容器１０１の横方向で互いに対向するように、改良対象層１０５内に設置されている。また、揚水用ドレーン材１０３と注水用ドレーン材１０４との間には、間隔Ｃ１＝６００ｍｍが空いている。
揚水用ドレーン材１０３の上端には、キャップ１０６を介して、揚水管１０７の一端が接続されている。揚水管１０７の他端には、図示しない負圧ポンプに接続されている。改良対象層１０５からの揚水は、揚水用ドレーン材１０３を介し、負圧ポンプに０．０８ＭＰａの負圧を作用させることで実現される。
注水用ドレーン材１０４の上端には、キャップ１０８を介して、注水管１０９の一端が接続されている。注水管１０９の他端には、図示しない給水槽に接続されている。
【００４２】
改良対象層１０５内において、揚水用ドレーン材１０３と注水用ドレーン材１０４との間には、マイクロバブル水注入管１０２が設置されている。マイクロバブル水注入管１０２の下端には注入口１１０が形成されており、この注入口１１０も、改良対象層１０５内において、揚水用ドレーン材１０３と注水用ドレーン材１０４との間に位置している。図示しないマイクロバブル水生成装置からマイクロバブル水注入管１０２に供給されたマイクロバブル水は、注入口１１０から改良対象層１０５内に注入される。尚、本実験において、マイクロバブル水生成装置では、それを構成する株式会社ニクニ製のマイクロバブルジェネレータ（MBG20ND07Z-1BH）によりマイクロバブル水を生成した。また、マイクロバブル生成圧を０．４ＭＰａとした。ここで、マイクロバブル水注入管１０２と揚水用ドレーン材１０３との間には、間隔Ｃ２＝５００ｍｍが空いている。
【００４３】
改良対象層１０５内において、マイクロバブル水注入管１０２と揚水用ドレーン材１０３との間には、その４箇所に、簡易土壌水分計１１１（デカゴン社製ECH20-EC-5）が設けられている。本実験では、簡易土壌水分計１１１を用いて、改良対象層１０５の飽和度を計測した。
【００４４】
〔２〕実験ケース
実験ケースとして、以下３つのケース（ケースＡ〜Ｃ）を実施した。
【００４５】
・ケースＡ：マイクロバブル水注入管１０２を介して、改良対象層１０５内にマイクロバブル水を注入した。尚、揚水用ドレーン材１０３を介する改良対象層１０５からの揚水を実施しなかった。また、注水用ドレーン材１０４を介する改良対象層１０５への注水も実施しなかった。
【００４６】
・ケースＢ：マイクロバブル水注入管１０２を介して、改良対象層１０５内にマイクロバブル水を注入した。また、揚水用ドレーン材１０３を介する改良対象層１０５からの揚水を実施した。尚、注水用ドレーン材１０４を介する改良対象層１０５への注水を実施しなかった。
【００４７】
・ケースＣ：マイクロバブル水注入管１０２を介して、改良対象層１０５内にマイクロバブル水を注入した。また、揚水用ドレーン材１０３を介する改良対象層１０５からの揚水を実施した。更に、注水用ドレーン材１０４を介する改良対象層１０５への注水も実施した。
【００４８】
尚、ケースＢ及びＣについては、改良対象層１０５の上面＋３００ｍｍに水位を設け、これを維持することによって、改良対象層１０５の上面から改良対象層１０５内に水を供給した。
また、ケースＡ〜Ｃにおけるマイクロバブル水の注入速度と、ケースＢ及びＣにおける改良対象層１０５の上面からの給水の速度（注水速度）及び揚水用ドレーン材１０３を介する揚水の速度（揚水速度）と、ケースＣにおける注水用ドレーン材１０４を介する注水の速度（注水速度）とについては、図６に示されている。
【００４９】
〔３〕実験結果
ケースＡ〜Ｃの実験結果が図６に示されている。ここで、図６に示す運転時間とは注水・揚水を行った総時間を意味し、また、最終飽和度とは運転終了後の改良対象層１０５内の飽和度を意味する。
【００５０】
ケースＡでは、改良対象層１０５の飽和度を殆ど低下できなかった。また、１００Ｌ／ｈ程度のマイクロバブル水の注入速度で実験を行ったが、注入圧によって改良対象層１０５に液状化が発生した。
ケースＢにおいて、改良対象層１０５内の飽和度を７〜１１％程度低下させるには、１８０ｈ程度の運転時間を要した。また、揚水及びマイクロバブル水注入を停止した状態で、改良対象層１０５内におけるマイクロバブルの滞留時間は５ｈ程度であり、この時間を超えると改良対象層１０５内の飽和度の上昇が顕著となるため、揚水及びマイクロバブル水注入を再開しなければならなかった。
【００５１】
ケースＣにおいて、改良対象層１０５内の飽和度を７〜１１％程度低下させるには、１１５ｈ程度の運転時間を要した。また、揚水、注水、及びマイクロバブル水注入を停止した状態で、改良対象層１０５内におけるマイクロバブルの滞留時間は２０ｈ程度であった。従って、ケースＢに比べて、マイクロバブルの滞留時間が長くなった。また、ケースＣでは、マイクロバブル水の注入速度をケースＡの約３倍まで増やしても、揚水用ドレーン材１０３を介する揚水と、注水用ドレーン材１０４を介する注水とを行って改良対象層１０５内に水流を形成することで、上述のサクションの効果によって、マイクロバブル水の注入圧による改良対象層１０５の破壊を抑制することができた。また、ケースＣでは、ケースＢよりも短時間でこれと同等の飽和度低下を実現することができた。
【００５２】
本実施形態によれば、地盤不飽和化システム１は、地盤２の改良対象領域３内に設置され、鉛直方向に延在して通水性を有し、地盤上から改良対象領域３内への注水に用いられる第１のドレーン材４１ａと、第１のドレーン材４１ａと平行に改良対象領域３内に設置され、第１のドレーン材４１ａと所定の間隔Ｃを有し、鉛直方向に延在して通水性を有し、改良対象領域３内から地盤上への揚水に用いられる第２のドレーン材４１ｂと、マイクロバブル水（気泡を含有する液体）を生成するマイクロバブル水生成装置７１（気泡含有液体生成装置）と、マイクロバブル水生成装置７１から供給されるマイクロバブル水を改良対象領域３内に注入する注入口７５を有して改良対象領域３内に設置される注入管７３（気泡含有液体注入管）と、を含んで構成される。注入管７３の注入口７５は、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に位置する。これにより、第１のドレーン材４１ａから改良対象領域３への注水と、第２のドレーン材４１ｂを介する改良対象領域３からの揚水と、を同時に行って、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に地下水の流れを生じさせ、この地下水の流れをマイクロバブル水の改良対象領域３への浸透流として利用することができる。従って、改良対象領域３内にて地下水位差を極端に設けることなく、改良対象領域３内でのマイクロバブル水の流れに指向性を持たせて、改良対象領域３内の地下水をマイクロバブル水に置換することができるので、特に改良対象領域３内の揚水側（第２のドレーン材４１ｂ側）においても、地下水からマイクロバブル水への置換が確実に行われ得る。また、改良対象領域３内にて地下水位差を極端に設ける必要がないので、揚水停止後に改良対象領域３内に流入する自然地下水の流入量を抑制することができる。従って、改良対象領域３内に浸透した気泡（マイクロバブル）が、流入する自然地下水により当該領域外に押し出される可能性を大幅に低減でき、ひいては、地盤の不飽和化作業を効率良く行うことができる。
【００５３】
また本実施形態によれば、地盤不飽和化システム１は、第１のドレーン材４１ａを、地盤上から改良対象領域３への注水用と、改良対象領域３から地盤上への揚水用と、に切り替える第１の切替手段（バルブ４２）と、第２のドレーン材４１ｂを、改良対象領域３から地盤上への揚水用と、地盤上から改良対象領域３への注水用と、に切り替える第２の切替手段（バルブ４２）と、を含んで構成される。これにより、第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に形成される地下水の流れの方向を容易に反転させることができるので、改良対象領域３内の地下水の流れ方向を容易に変更することができる。
【００５４】
また本実施形態によれば、地盤不飽和化システム１は、改良対象領域３の地盤上面を覆うように設置されるシール層４０を含んで構成される。これにより、改良対象領域３については、降雨等の地下浸透を抑制することができるので、降雨浸透に伴う下向きの地下水流によるマイクロバブル水の逸散を抑制することができる。また、真空ポンプ４５を用いて地下水を吸引するときに、地上から改良対象領域３内への空気の流入を抑制することができるので、真空ポンプ４５による地下水の汲み上げを効率良く行うことができる。
【００５５】
また本実施形態によれば、地盤不飽和化システム１は、複数の注入管７３（気泡含有液体注入管）を含んで構成され、各注入管７３の注入口７５の、地盤上面からの深さ位置が互いに異なる。このように複数の注入管７３を配置することで、改良対象領域３の地層構造が複雑な場合にも対応することができる。
【００５６】
また本実施形態によれば、第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間の所定の間隔Ｃは、０．６ｍ〜５．０ｍの範囲内である。これにより、改良対象領域３の揚水側にて極端な地下水位の低下を生じさせることなく、地下水の流れを形成することができるので、地下水位低下による地盤沈下のリスクを軽減することができる。尚、第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間の間隔については、改良対象領域３の排水性や透水性等に応じて、任意に狭めたり広げたりすることが可能である。
【００５７】
また本実施形態によれば、注入管７３（気泡含有液体注入管）の注入口７５から改良対象領域３内へのマイクロバブル水（気泡含有液体）の注入時に、気泡（マイクロバブル）の平均径が１０μｍ〜６０μｍの範囲内である。このように、一般的な気泡に比べて平均径が小さい気泡は、水中における気泡上昇速度が極めて低い。また、土粒子に吸着して固定しやすい。それゆえ、改良対象領域３内にて、気泡が比較的長期にわたって滞留することができ、ひいては、地盤の不飽和化の効果を、比較的長期にわたって持続することができる。
【００５８】
また本実施形態によれば、ドレーン材４１は、ペーパードレーン又はプラスチックボードドレーンである。これにより、ドレーン材４１を密集させた状態で任意の位置に配置できる。ドレーン材４１を平面的に細かく配置することで、改良対象領域３の透水係数が小さい場合でも、地下水流を効率的に形成することができる。
【００５９】
また本実施形態によれば、地盤不飽和化システム１を用いて地盤の改良を行う方法として、改良対象領域３内に第１のドレーン材４１ａ及び第２のドレーン材４１ｂを設置し、注入管７３（気泡含有液体注入管）の注入口７５が、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に位置するように、注入管７３を改良対象領域３内に設置し、第１のドレーン材４１ａから改良対象領域３への注水と、第２のドレーン材４１ｂを介する改良対象領域３からの揚水と、を同時に行って、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に地下水の流れを生じさせ、注入管７３の注入口７５から、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に、マイクロバブル水（気泡含有液体）を注入する。これにより、第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間の地下水の流れをマイクロバブル水の改良対象領域３への浸透流として利用することができる。従って、改良対象領域３内にて地下水位差を極端に設けることなく、改良対象領域３内でのマイクロバブル水の流れに指向性を持たせて、改良対象領域３内の地下水をマイクロバブル水に置換することができるので、特に改良対象領域３内の揚水側においても、地下水からマイクロバブル水への置換が確実に行われ得る。また、改良対象領域３内にて地下水位差を極端に設ける必要がないので、揚水停止後に改良対象領域３内に流入する自然地下水の流入量を抑制することができる。従って、改良対象領域３内に浸透した気泡（マイクロバブル）が、流入する自然地下水により当該領域外に押し出される可能性を大幅に低減でき、ひいては、地盤の不飽和化作業を効率良く行うことができる。
【００６０】
尚、上述の実施形態では、複数のドレーン材４１をマトリクス状に配置したが、ドレーン材４１の配置はこれに限らない。図７は、ドレーン材４の配置の変形例を示す。図７に示すように、複数のドレーン材４１（第１のドレーン材４１ａ及び第２のドレーン材４１ｂ）を千鳥状に配置してもよい。この場合においても、注入管７３の注入口７５が、改良対象領域３内における第１のドレーン材４１ａと第２のドレーン材４１ｂとの間に位置するように、注入管７３が改良対象領域３内に設置される。
また、上述の実施形態では、給水槽４４を用いてドレーン材４１への注水を行ったが、給水槽以外に給水ポンプや注水ポンプを使用してもよい。
また、上述の実施形態では、揚水された地下水を集水タンク４６にて貯留するように構成したが、これに代えて、揚水された地下水を場外排水するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１  地盤不飽和化システム
２  地盤
３  改良対象領域
４  地下水流生成システム
７  マイクロバブル水注入システム
４０  シール層
４１  ドレーン材
４１ａ  第１のドレーン材
４１ｂ  第２のドレーン材
４２  バルブ
４３ａ  注水管
４３ｂ  揚水管
４４  給水槽
４５  真空ポンプ
４６  集水タンク
４８  ホース
４９  キャップ
５０ａ  注水ホース
５０ｂ  揚水ホース
７１  マイクロバブル水生成装置
７２  供給管
７３  注入管
７４  上端
７５  注入口
１００  実験装置
１０１  容器
１０２  マイクロバブル水注入管
１０３  揚水用ドレーン材
１０４  注水用ドレーン材
１０５  改良対象層
１０６  キャップ
１０７  揚水管
１０８  キャップ
１０９  注水管
１１０  注入口
１１１  簡易土壌水分計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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