JP2009162296A - 埋設管路の沈下応力緩和方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の管同士の接合部が角度を有する場合において、管路の管上の土が取り除かれ、凹凸のある地盤上に露出された埋設管の応力を、有限要素法を用いず容易に解析でき、その応力値に基づいて埋設管の応力緩和を行う方法を提供する。
【解決手段】管路の上部の土を除去し、変形した管１の３点の測定点を決定する。次いで、３点の測定点を１１、１３、１５とし、各測定点１１、１３、１５の測定基準９からの鉛直方向の変位量δ_１、δ_２、δ_３を測定する。次に測定した管１の変位量δ_１、δ_２、δ_３を式（１）に代入し管１の応力を算出する。
σ＝ＥＤ｛ａ（δ_３−δ_２）−ｂ（δ_２−δ_１）｝／｛ａｂ（ａ＋ｂ）｝（１）
【選択図】図４

Description

本発明は、地中に埋設された管路の沈下応力の算出および沈下応力の緩和方法に関するものである。

地中に埋設された埋設管路は、地盤沈下により土圧を受けて変形し各所に応力が発生する。その応力が基準レベル以上になった場合には、土圧解放などによって応力緩和工事が行われるが、そのためには地盤沈下を受けた埋設管路に発生している応力を求める必要がある。

従来、埋設管路の応力を求めるには、適切な間隔で埋設管の沈下量、あるいは埋設管の応力を測定し、この測定した沈下量、あるいは応力の多点データをもとに有限要素法を用い、評価対象延長の埋設管の応力分布をもとめる方法がある。
埋設管の沈下量を測定するために埋設管に沈下棒と呼ばれる沈下量測定冶具を取り付けておき沈下量を測定する。埋設管の応力を測定するためには管路の一部を掘削し、埋設管を露出させ、磁歪応力測定装置などの非破壊応力測定装置を用いて測定が行われる。このような応力解析方法として、下記特許文献１あるいは特許文献２記載の方法が提案されている。

また、応力緩和工事の一つとしては、地盤沈下をうけた埋設管路の上部の土を取り除いて露出させ、当該埋設管路をワイヤーで吊り上げて応力を低減させた後に、地山と管路の間に流動化埋め戻し剤などを流して固まらせるという方法があるが、この場合も土を取り除いて露出させた埋設管の応力を求めることが必要となる。凹凸のある地盤上に露出された埋設管について応力を求める方法として、埋設管の管軸方向に沿っての基準点からの高さを密な間隔で測定し、その多点データをプログラムに入力して、管上の土が無い状態の応力を求める特許文献３の方法が提案されている。

特願平０８―０７７７８７号公報 特開平９−２４２９３３号公報 特開２００５−１８８６８３号公報

しかし、特許文献１あるいは特許文献２記載の発明では、管路の埋設時の沈下量の測定値、あるいは埋設管の応力値が必要であり、沈下量の測定には建設当初から沈下棒を多数、管路に取り付けておく必要があり、応力の測定には磁歪応力測定装置などの高価な非破壊応力測定装置が必要となる。
仮に沈下棒が管路に取り付けてあったとしても、沈下棒で得られる沈下量は建設時点からの変化が正しく反映されていないケースがある。それらは、建設時点と沈下測定開始時点の時間的なズレ、沈下速度が大きくなったときに、既存の沈下棒の間に沈下棒を増設してより密な間隔で管路の線形の変化を測定したような場合においてである。

また、上記発明では埋設管の応力状態を解析するために有限要素法が用いられるが、有限要素法で解析するには時間と費用と熟練者を必要とするという問題がある。

さらに、本質的な問題としてこれらの方法によって得られる応力は埋設状態におけるものであり、例え沈下によって発生した管下の地盤の凹凸の形状が、管上の土を取り除いたときの管下の凹凸形状とほとんど同じであったとしても、後者の場合の応力は前者とは大きく異なるという点である。何故ならば、応力値を決めるのは局所的な管路の曲率であり、この曲率は、管上に土がある場合と無い場合ではかなり異なるという理由による。特に埋設状態で大きな応力が発生していた箇所では、土圧による拘束の影響は大きいため、土圧有無による曲率の差は大きいとみなされるからである。

特許文献３に記載の発明は、管上の土を取り除いた時の管の応力を求めるものであるが、解析のために多点データを用いる。多点データを用いる限り、建設時点からの線形の変化が正しく捉えられていないケースに対しては正しい応力が得られないというという特許文献１あるいは特許文献２と同じ問題がある。

またさらに、特許文献１、特許文献２あるいは特許文献３には共通の問題がある。即ち、複数の管が接続して構成されている埋設管路においては、複数の管は厳密には必ずしも管と管とが角度を持たないように接合されているとは限らない場合が多く、このような複数の管が角度をもって接続されている管路を複数の管にまたがる多点データを用いて解析しても正しい応力が得られないという問題である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数の管同士の接合部が角度を有する場合において、管路の管上の土が取り除かれ、凹凸のある地盤上に露出された埋設管の応力を、有限要素法を用いず容易に解析でき、その応力値に基づいて埋設管の応力緩和を行う方法を提供することにある。

前述した目的を達成するため、本発明は、複数の管が接続され地盤中に埋設された埋設管路の沈下応力緩和方法であって、前記複数の管上の土を取り除く工程（ａ）と、前記複数の管の、変位量を測定する工程（ｂ）と、前記変位量から、前記複数の管にそれぞれ生じる応力を求める工程（ｃ）と、前記複数の管それぞれに生じる応力から、最大応力を発生する管を特定する工程（ｄ）と、前記最大応力を発生する管を吊り上げる工程（ｅ）と、前記工程（ｂ）から前記工程（ｅ）を、前記最大応力が基準値以下となるまで繰り返す工程（ｆ）と、前記複数の管を埋め戻す工程（ｇ）と、を具備することを特徴とする埋設管路の沈下応力緩和方法である。

前記工程（ｂ）では、前記複数の管それぞれ３点の変位量を測定し、前記工程（ｃ）では、式（１）により前記複数の管それぞれの応力を算出することが望ましい。
σ＝ＥＤ｛ａ（δ_３−δ_２）−ｂ（δ_２−δ_１）｝／｛ａｂ（ａ＋ｂ）｝（１）
但し、σは３点のうち中の点での応力、Ｅはヤング率、Ｄは管の外径、δ_１、δ_３は３点の測定点のうち両端の変位量、δ_２は３点の測定点のうち中央の変位量、ａはδ_１とδ_２のスパン、ｂはδ_２とδ_３のスパンである。

前記工程（ｂ）で測定する３点の変位量は、前記管の両端および略中央であることが望ましい。

本発明にかかる埋設管路の沈下応力緩和方法によれば、露出した管の変位量を測定するので変位量の測定は正確且つ容易に行うことができる。変位量に基づき管応力を計算し、最大応力を示す管を吊り上げると管路の位置が変化するが、変化した管路について直ちに管の応力が再び計算され、管を吊り上げた後の各管の応力を知ることができる。また管ごとの変位量を測定することで、管ごとの応力を求めることができるため、管同士の接合が角度を有している場合でも、埋設管路の応力を正確に知ることができる。このため、管の吊り上げにより管に思わぬ過大な応力を発生させる恐れも無く、容易に効率よく埋設管路の応力緩和を行うことができる。

本発明によれば、その目的とするところは、複数の管同士の接合部が角度を有する場合において、管路の管上の土が取り除かれ、凹凸のある地盤上に露出された埋設管の応力を、有限要素法を用いず容易に解析でき、また、管応力を磁歪応力測定装置などを用いることなく、容易に応力緩和工事が行いうる応力緩和方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態にかかる埋設管路の沈下応力緩和方法を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる埋設管路の建設当初の初期管路Ｌｓを示す図である。

地面５に管路が埋設されており、建設当初の管路は初期管路Ｌｓの位置にある。初期管路Ｌｓは管１ａ、１ｂ、・・・１ｆから成り、それぞれ管接続部３ａ、３ｂ、・・・３ｅで接続されている。通常、初期管路Ｌｓは図１に示すように、それぞれの管は真直ぐであっても、接続部で隣接した管と厳密には真直ぐに接続されておらず、管路は角度を持って接続されている。
また、この場合には沈下による変位量と設置時の接続角度による変位量を区別できないため、各管が真直ぐに接続されているとの前提に立った従来の変位量測定に基づく解析方法では正しい応力は得られない。

ここで、管は例えば鋼管であり、それぞれの管の長さは１０ｍ程度である。また、管接続部は溶接、あるいはフランジで隣接する管と接合されている。

図２は地中に埋設されていた管路Ｌｓが地盤の不等沈下等により管路Ｌ_０の位置に沈下している様子を示す。不等沈下等による管路の沈下発生範囲は管１ｂから１ｅの範囲であり、管１ａおよび管１ｆは沈下発生範囲外であり沈下していない。管１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅが不等沈下等による土圧を受け、それぞれ変形するので管路Ｌｓは管路Ｌ_０に位置が変化している。
管の変形量に応じて管に曲げ応力が発生し、発生した応力が管の許容応力を越える場合、管は損傷を受けることもあり、応力を緩和する応力緩和工事が必要になる。

応力緩和工事はまず、管路Ｌ_０上の土を取り除く。図３は図２の沈下発生範囲およびその前後の管路Ｌ_０の上部の土を取り除き、管路Ｌ_０を露出させた状態の図である。管路Ｌ_０は上部の土が取り除かれたため、土圧が解放され、管路Ｌ_１にその位置が変化している。沈下後地盤ライン７は管路Ｌ_０が地中にあった時との管路Ｌ_０の管下部の位置とは管上の土圧が解放された分若干異なるものの概ね一致するが、土圧が解放された管路Ｌ_１と沈下後地盤ラインの間には隙間が生じることもある。

次に各管の変位量を測定する。図４は、管１の変位量の測定方法を示した図である。まず、測定基準９を決定する。測定基準９は水平であれば管１から任意の高さにとってよい。

次いで、変形した管１の３点の測定点を決定する。３点の測定点は、管の接続部３をまたがず、両端の管接続部３、３間であれば任意の場所でよい。なお、各測定点の間隔（ａ、ｂ）は小さいほど精度の高い計算が可能となる。しかし、測定間隔を小さくすることで、変位量の測定誤差が計算結果へ与える影響が大きくなるため、測定間隔はこれらを考慮して決定することが望ましい。

次いで、３点の測定点を１１、１３、１５とし、各測定点１１、１３、１５の測定基準９からの鉛直方向の変位量δ_１、δ_２、δ_３を測定する。

次に測定した管１の変位量δ_１、δ_２、δ_３を式（１）に代入し管１の応力を算出する。
σ＝ＥＤ｛ａ（δ_３−δ_２）−ｂ（δ_２−δ_１）｝／｛ａｂ（ａ＋ｂ）｝（１）
但し、σは３点のうち、測定点１３での応力、Ｅはヤング率、Ｄは管の外径、ａはδ_１とδ_２のスパン、ｂはδ_２とδ_３のスパンである。式（１）は、両端の変位δ_１、δ_３に対する、δ_２の変位量により、部材の変形状態を求め、δ_２における応力値を算出するための式である。

図５は、実際の管路Ｌ_１での管の応力を求める方法を示した図である。図４に示すように、地中に埋設されていた管路Ｌ_０の上部の土を取り除き、管路Ｌ_０を露出させた時の管路の位置が管路Ｌ_１である時、管路の応力緩和方法は前述の式（１）を使って以下のように行う。

まず、測定基準９を決定する。図５においては、測定基準９を管１ａと管１ｂとの管接続部３ａとする。管接続部３ａは、前述の通り、沈下発生範囲外である。

次に、管路Ｌ_１を構成する管１ｂ、・・・１ｅのそれぞれの測定点を決定する。本実施の形態においては、それぞれの管の両端の点、およびその中央点を測定点とする例を示す。管１ｃを例に取れば、その両端の点３ｂ、３ｃ、を測定点１１ｃ、１５ｃとし、中央の点を測定点１３ｃとする。次いで、測定基準９からの測定点１１ｃ、１３ｃ、１５ｃの変位量をδ_１、δ_２、δ_３測定する。次に測定点１１ｃと１３ｃ間のスパンａおよび測定点１３ｃと１５ｃ間のスパンｂを測定する。

本実施の形態では、管１ａの管接続部３ａを測定基準９としているが、この測定基準は水平であれば管１ａから任意の高さに設けてもよい。また、この測定基準は各管によって異なってもよい。３点の測定点は、管１ａの両端と中央とする場合は、測定点１１ｃを管１ｂの１５ｂとして共有することもできる。また、測定点１３ｃが管の中心であれば、ａ、ｂは同一値となる。他の管についても同様に基準点および測定点の設定を行い、それぞれの管の変位量δ_１、δ_２、δ_３およびスパンａ、ｂを測定する。

測定したδ_１、δ_２、δ_３およびａ、ｂを式（１）に代入し、測定点１３ｃにおける応力σを求める。得られたσは、管１ｃの中央点１３ｃでの応力である。なお、本実施の形態では、管の中心が最大応力であるとしたが、１本の管における測定点をより細かくして、１本の管の各測定点における応力を求めることもできる。この場合、より詳細に管の応力を知ることが可能となる。

その他の管についても同様の手順でそれぞれの管の測定点１３ｂ、１３ｄ、１３ｅの応力を求める。図６はこうして求めた管路Ｌ_１の管１ｂ、・・・１ｅの中央の測定点の応力（σ）分布を示した図である。この図６から管路Ｌ_１では管１ｃの測定点１３ｃの応力が最大であることがわかる。なお、最大応力部については、滋歪計を併用して応力値の確認を行っても良い。

次に、各管を吊り上げて管に生じている応力を解放する。図７は管１ｃを吊り上げた後の管路Ｌ_１の位置管路Ｌ_２を示す図である。管を吊り上げるには、まず、各管の所定の位置に図示を省略したワイヤーを掛ける。ワイヤーの掛け位置は、例えば測定点である管の中央及び各管の両端等でよい。各管について、より細かな測定行った場合には、一本の管に複数のワイヤーを掛けることもできる。

まず、前述の応力算出値が最大であると特定された管について吊り上げる。本実施の形態においては、応力が最大である管１ｃの応力を吊り上げる。管１ｃを吊り上げるにはワイヤーを測定点である管中央点１３ｃに掛け、管１ｃを所定の量吊り上げる。管の吊り上げ量は、例えば数ｃｍ等一定幅で吊り上げてもよく、または吊り上げる管の応力や変位量によって吊り上げ量を決定しても良い。

ワイヤーには荷重計（ロードセル）と電気変換式変位形を取り付け、吊り上げ点荷重と変位量をモニターしながら行ってもよい。この場合、管路に過大な吊り上げ荷重が掛かることはない。また、管を所定量吊り上げた後、直ちに各管の変位量を知ることができる。すなわち、管を所定量の吊り上げ後、直ちに、その状態での管の応力を算出することができる。なお、管１ｃを吊り上げると管１ｃのみならず、他の管１ｂ、１ｄ、１ｅも吊り上り、図７に示すように、管路Ｌ_１全体の位置が管路Ｌ_２へ変化する。

次に、管路Ｌ_２について管路Ｌ_１で行ったと同様にして、それぞれの管１ｂ、・・・１ｅの測定基準９からの相対変位量δ_１、δ_２、δ_３を測定し、式（１）に代入し、それぞれの管の中央の測定点の応力を求め、管路Ｌ_２での最大応力を示す管を特定し、最大応力を示す管を所定量吊り上げる。管の吊り上げにより変化する各管の測定点の変位量を電気変換式変位計で自動的に逐次測定しながら、管の応力計算を行えば、吊り上げ直後に各管の応力値が即座に算出される。

以上の作業を各管の応力が基準値以下となるまで繰り返す。
図８は上記工程を繰り返し、管路の測定点１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅの各応力が応力基準値１７を下回った時の各管の応力を示し、図９はこの際の管路Ｌｎを示す。管路の測定点１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅの全ての管（測定点）の応力が基準値１７以下となったところで吊り上げ作業が終了する

次に管路を埋め戻す。図１０は応力を緩和した管路を埋め戻した図である。管路の測定点１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅの各応力が基準値１７以下になった後、まず、管路Ｌｎと露出した沈下後地盤ライン７の間に流動化埋め戻し剤などを流して固まらせる。次いで、上から土等をかぶせて管路を埋め戻す。以上で埋設管路の応力解放作業が終了する。

次に、本応力算出方法と有限要素法により算出した応力分布との比較試験結果について説明する。

図１１は地盤の凹凸形状を示し、図１２は、図１１に示す地盤上に比較試験に供する部材を配置し、本発明における方法と同様の方法で算出した応力と有限要素法で解析した応力結果とを比較した図である。試験は、まず、凸凹形状の地盤上に継ぎ目のない１本の平鋼部材（幅５０ｍｍ、板厚５ｍｍ、長さ１６ｍ）を置く。平鋼部材は、本発明の実施の形態における鋼管に該当する。

平鋼部材は、地盤の凹凸形状に応じて変形する。平鋼部材の変位量を２５ｃｍ間隔で測定し、隣接する３点の各測定点から、本発明における式（１）により、平鋼部材の各測定部位での応力を算出し、平鋼部材の応力分布を算出する。図１２において、実線は平鋼部材の応力分布を示す。一方、地盤の凹凸形状を基に平鋼部材に生じる応力を有限要素法により算出する。図１２において、破線は有限要素法で解析した応力分布である。図１２に示すとおり、両者はよく一致しており、本方法によって簡易に十分精度の高い応力を得られることが分かる。

このように、本実施の形態にかかる沈下応力緩和方法によれば、各管に最低３点の変位量を測定すれば、凹凸のある地盤上に露出された状態での各管の応力算出が可能であり、管をまたがずに測定するので、管接続部が角度を有していても適用可能で簡単な測定で正確な応力値が得られる。更に、各管において測定点を増やせば、より高い精度で応力分布を知ることができる。電気変換式変位計と式（１）を読込んだパソコンを接続し、変位量をパソコンに取り込み、式（１）で自動計算すれば、吊り上げ作業と共に変化する管路の応力が作業現場で簡単且つ正確に把握でき、迅速で的確な応力緩和工事が可能となる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

建設当初の管路Ｌｓを示す図である。 建設当初の管路Ｌｓが地盤沈下により管路Ｌ_０の位置に沈下している状態を示す図である。 管路Ｌ_０を露出させた状態を示す図である。 管１が変位している場合の管中央部の応力を算出するための図である。 管路Ｌ_１の応力分布を算出するための図である。 管路Ｌ_１の応力分布を示す図である。 管路Ｌ_２の応力分布を算出するための図である。 図８の管路Ｌｎの応力分布を示す図である。 応力が基準値以下になった管路Ｌｎを示す図である。 管路Ｌｎを埋め戻した図である。 地盤の凹凸形状を示す図。 式（１）と有限要素法で解析した応力を比較した図である。

符号の説明

１………管
１ａ、１ｂ、・・・１ｆ………管路Ｌを構成する管
３………管１の接続点
３ａ、３ｂ、・・・３ｅ………管路Ｌの管接続部
５………地面
７………沈下後地盤ライン
１１、１３、１５………管１の測定点
１１ｃ、１３ｃ、１５ｃ………管１ｃの測定点
１３ｂ、１３ｄ、１３ｅ………管１ｂ、１ｄ、１ｅの測定点

Claims (3)

1. 複数の管が接続され地盤中に埋設された埋設管路の沈下応力緩和方法であって、
   前記複数の管上の土を取り除く工程（ａ）と、
   前記複数の管の、変位量を測定する工程（ｂ）と、
   前記変位量から、前記複数の管にそれぞれ生じる応力を求める工程（ｃ）と、
   前記複数の管それぞれに生じる応力から、最大応力を発生する管を特定する工程（ｄ）と、
   前記最大応力を発生する管を吊り上げる工程（ｅ）と、
   前記工程（ｂ）から前記工程（ｅ）を、前記最大応力が基準値以下となるまで繰り返す工程（ｆ）と、
   前記複数の管を埋め戻す工程（ｇ）と、
   を具備することを特徴とする埋設管路の沈下応力緩和方法。
2. 前記工程（ｂ）では、前記複数の管それぞれ３点の変位量を測定し、
   前記工程（ｃ）では、式（１）により前記複数の管それぞれの応力を算出することを特徴とする請求項１記載の埋設管路の沈下応力緩和方法。
   σ＝ＥＤ｛ａ（δ_３−δ_２）−ｂ（δ_２−δ_１）｝／｛ａｂ（ａ＋ｂ）｝（１）
   但し、σは３点のうち中の点での応力、Ｅはヤング率、Ｄは管の外径、δ_１、δ_３は３点の測定点のうち両端の変位量、δ_２は３点の測定点のうち中の点の変位量、ａはδ_１とδ_２のスパン、ｂはδ_２とδ_３のスパンである。
3. 前記工程（ｂ）で測定する３点の変位量は、前記管の両端および略中央であることを特徴とする請求項２記載の埋設管路の沈下応力緩和方法。

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