JP2021183757A - 鋼矢板および鋼矢板壁 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼矢板の打設時に発生する断面の回転変形を効果的に低減することが可能な、鋼矢板及び鋼矢板壁を提供する。【解決手段】鋼矢板１は、長手方向に直交する断面において、断面高さ方向の第１の側で幅方向に延びるウェブ２と、ウェブ２の幅方向の両端部から幅方向の両側、かつ断面高さ方向の第２の側に向かって延びる１対のフランジ３Ａ，３Ｂと、断面高さ方向の第２の側で１対のフランジ３Ａ，３Ｂの端部から幅方向に、かつ幅方向の両側に向かって延びる１対のアーム４Ａ，４Ｂと、この１対のアーム４Ａ，４Ｂのフランジ３Ａ，３Ｂとは反対側の端部に形成される１対の嵌合継手５Ａ，５Ｂとを備える。断面における１対の嵌合継手５Ａ，５Ｂのうちの一方の嵌合中心を中心とする断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０５ｃｍ４よりも大きく、幅方向におけるウェブの長さＢｗと１対のアームのうちの一方の長さＢａとがＢａ／Ｂｗ＞０．２の関係を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼矢板および鋼矢板壁に関する。

鋼矢板は、土木建築工事において、土留めや止水のための壁体を構築するために広く利用されている。鋼矢板の施工性や断面性能を向上させるための技術は、これまでにも種々提案されている。例えば、特許文献１には、打設時の貫入抵抗が最小限に抑えられるように、ハット形鋼矢板の断面におけるフランジ角度、すなわちフランジがウェブおよびアームとの間になす角度を設定する技術が記載されている。特許文献２にも、貫入抵抗Ｒに着目して、ハット形鋼矢板の経済性、施工性および健全性をともに最適化する断面形状を決定するための技術が記載されている。特許文献３には、動的抵抗から評価される施工性評価指標、および経済性評価指標のうち少なくとも一方に優れた鋼矢板の断面形状が記載されている。特許文献４には、断面性能のうち断面二次モーメントに優れたハット形鋼矢板の形状設定方法が記載されている。一方、非特許文献１では、鋼矢板の施工時の留意点として、鋼矢板が継手を中心にして回転し、位置のずれを生じることがあることが記載されている。

特許第３４８８２３３号公報 特開２０１２−１５８９１０号公報 国際公開第２０１５／１５９４４５号 特開２００８−６９６３１号公報

一般社団法人 鋼管杭・鋼矢板技術協会、「鋼矢板 設計から施工まで」、２０１４年１０月

上記の特許文献１から特許文献４では、非特許文献１に記載されたような鋼矢板の回転については言及されていない。非特許文献１では、観測を入念に行うことや、回転が生じた場合は一旦抜き上げて再打込みを行うことで対処することが記載されているが、鋼矢板の断面性能として地中における断面の回転変形を低減させることができれば、鋼矢板の施工を効率化するために有利である。

そこで、本発明は、鋼矢板の打設時に発生する断面の回転変形を効果的に低減することが可能な、新規かつ改良された鋼矢板および鋼矢板壁を提供することを目的とする。

本発明のある観点によれば、鋼矢板は、長手方向に直交する断面において、断面高さ方向の第１の側で幅方向に沿って延びるウェブと、ウェブの幅方向の両端部から幅方向の両側、かつ断面高さ方向の第２の側に向かって延びる１対のフランジと、断面高さ方向の第２の側で１対のフランジのそれぞれの端部から幅方向に沿って、かつ幅方向の両側に向かって延びる１対のアームと、１対のアームのそれぞれの１対のフランジとは反対側の端部に形成される１対の嵌合継手とを備える。断面における１対の嵌合継手のうちの一方の嵌合中心を中心とする断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きく、幅方向におけるウェブの長さＢｗと１対のアームのうちの一方の長さＢａとがＢａ／Ｂｗ＞０．２の関係を満たす。

上記の構成によれば、鋼矢板の打設時に発生する断面の回転変形を効果的に低減することができる。

本発明の一実施形態に係る鋼矢板の断面図である。 図１に示された鋼矢板の嵌合中心について説明するための図である。 打設時の鋼矢板に発生する断面の回転変形について概念的に説明するための図である。 本実施形態における鋼矢板の断面形状の検討の概要について説明するための図である。 本実施形態における鋼矢板の断面形状の検討の概要について説明するための図である。 本実施形態における鋼矢板の断面形状の検討の概要について説明するための図である。 比較例、実施例、および参考例について、構造計算で算出された回転角度を縦軸に、嵌合中心回りの断面二次極モーメントを横軸にして示すグラフである。 図７とは異なる条件で、比較例、実施例、および参考例について、構造計算で算出された回転角度を縦軸に、嵌合中心回りの断面二次極モーメントを横軸にして示すグラフである。 比較例、実施例、および参考例について、鋼矢板壁の壁幅１ｍあたりの断面積を縦軸に、同じく壁幅１ｍあたりの断面係数を横軸にして示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る鋼矢板の断面図である。図１に示されるように、鋼矢板１は、長手方向（図中のｚ方向）に直交する断面において、断面高さ方向の第１の側（図中のｙ方向の奥側）で幅方向（図中のｘ方向）に沿って延びるウェブ２と、ウェブ２の幅方向の両端部から幅方向の両側、かつ断面高さ方向の第２の側（図中のｙ方向の手前側）に向かって延びるフランジ３Ａ，３Ｂと、断面高さ方向の第２の側でフランジ３Ａ，３Ｂのそれぞれの端部から幅方向に沿って、かつ幅方向の両側に向かって延びるアーム４Ａ，４Ｂと、アーム４Ａ，４Ｂのそれぞれのフランジ３Ａ，３Ｂとは反対側の端部に形成される嵌合継手５Ａ，５Ｂとを含む。

ここで、図１には、鋼矢板１の各部分の寸法が記載されている。まず、ウェブ２については、長さＢｗ、板厚ｔｗである。長さＢｗは、ウェブ２の板厚中心線と、フランジ３Ａ，３Ｂのそれぞれの板厚中心線との間に形成される２つの交点の間の距離である。フランジ３Ａについては、長さＢｆ、板厚ｔｆである。長さＢｆは、フランジ３Ａの板厚中心線と、ウェブ２およびアーム４Ａのそれぞれの板厚中心線との間に形成される２つの交点の間の距離である。アーム４Ａについては、長さＢａ、板厚ｔａである。長さＢａは、アーム４Ａの板厚中心線とフランジ３Ａの板厚中心線との間に形成される交点と、嵌合継手５Ａの嵌合中心Ｅ_Ａとの間の距離である。なお、鋼矢板１の断面形状は幅方向の中立軸（図中のｙ軸）について対称であるため、フランジ３Ｂについてもフランジ３Ａと同様に長さＢｆ、板厚ｔｆであり、アーム４Ｂについてもアーム４Ａと同様に長さＢａ、板厚ｔａである。

さらに、図１には、鋼矢板１の有効幅Ｗ、高さＨ、有効高さＨｃ、嵌合中心Ｅ_Ａから幅方向の中立軸（図中のｙ軸）までの距離Ｄｙ、および嵌合中心Ｅ_Ａから断面高さ方向の中立軸（図中のｘ軸）までの距離Ｄｘが示されている。ここで、有効幅Ｗは、嵌合継手５Ａ，５Ｂのそれぞれの嵌合中心Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂの間の距離である。高さＨは、ウェブ２およびアーム４Ａ，４Ｂの板厚を含み嵌合継手５Ａ，５Ｂの張り出しを含まない鋼矢板１の断面の高さであり、有効高さＨｃは高さＨからウェブ２およびアーム４Ａ，４Ｂの板厚の半分を差し引いたもの、すなわちＨｃ＝Ｈ−（ｔｗ／２＋ｔａ／２）である。

後述するように、本実施形態に係る鋼矢板１では、嵌合中心Ｅ_Ａを中心とする断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きい。また、ウェブ２の長さＢｗとアーム４Ａの長さＢａとはＢａ／Ｂｗ＞０．２の関係を満たす。なお、鋼矢板１の断面形状は幅方向の中心軸について対称であるため、嵌合継手５Ｂの嵌合中心Ｅ_Ｂを中心とした断面二次極モーメントＩｐｏについても同様である。また、ウェブ２の長さＢｗとアーム４Ｂの長さＢａとの間でもＢａ／Ｂｗ＞０．２となる。

図２は、図１に示された鋼矢板の嵌合中心について説明するための図である。図示されているように、鋼矢板１の嵌合継手５Ａには、隣接して打設される別の鋼矢板１の嵌合継手５Ｂが嵌合する。嵌合継手５Ａの嵌合中心Ｅ_Ａは、別の鋼矢板１のアーム４Ｂおよび嵌合継手５Ｂを仮想的に配置した場合に、嵌合継手５Ａが形成されるアーム４Ａの端部位置と、仮想的な嵌合継手５Ｂが形成されるアーム４Ｂの端部位置との中間に位置する、アーム４Ａおよびアーム４Ｂの設計上の板厚中心線上の点として定義することができる。鋼矢板１の反対側に位置する嵌合継手５Ｂの嵌合中心Ｅ_Ｂも、同様に定義することができる。

図３は、打設時の鋼矢板に発生する断面の回転変形について概念的に説明するための図である。図３に示されるように、鋼矢板１は、先行して打設された鋼矢板１Ｐの嵌合継手５Ｂに嵌合継手５Ａを嵌合させながら地中に打設される。従って、打設時の鋼矢板１に発生する断面の回転変形は、嵌合継手５Ａの嵌合中心Ｅ_Ａを中心にして発生する。そこで、本発明者らは、打設時の回転変形を効果的に低減できる鋼矢板１の断面形状の条件について、嵌合中心Ｅ_Ａを中心とする断面二次極モーメントＩｐｏに着目して検討した。

以下では、図４から図６をあわせて参照しながら、本実施形態における鋼矢板の断面形状の検討の概要について説明する。本実施形態における検討では、鋼矢板の回転変形を構造計算によって算出するために、鋼矢板１の長手方向（図１に示すｚ方向）について１００ｃｍの区間におけるウェブ２、フランジ３Ａ，３Ｂおよびアーム４Ａ，４Ｂをそれぞれ梁とみなして、断面内（図１に示すｘ−ｙ平面内）の曲げ変形量を算出した。この場合、ウェブ２、フランジ３Ａ，３Ｂおよびアーム４Ａ，４Ｂは、それぞれ、幅が１００ｃｍで、高さが板厚ｔｗ、ｔｆまたはｔａに等しい矩形断面の梁を形成する。

図４に示すように、検討にあたっては、鋼矢板１にかかる力として、ウェブ２およびフランジ３Ａ，３Ｂによって囲まれる閉塞領域側に作用する分布荷重ｑ（ｋＮ／ｍ^２）と、分布荷重に抵抗する形で反対側からウェブ２、フランジ３Ａ，３Ｂ、およびアーム４Ａ，４Ｂに作用する地盤反力の地盤反力係数ｋ（ｋＮ／ｍ^３）とを設定した。さらに、図５に示すように、嵌合継手５Ａの嵌合中心Ｅ_Ａを通りｘ軸（図１参照）に平行なｘ_Ｏ軸、および嵌合中心Ｅ_Ａを通りｙ軸（図１参照）に平行なｙ_Ｏ軸を設定し、嵌合中心Ｅ_Ａではｘ_Ｏ軸およびｙ_Ｏ軸ともに鋼矢板１の変位が固定される一方で、ｘ_Ｏ軸とｙ_Ｏ軸との交点、すなわち嵌合中心Ｅ_Ａを中心にした回転が許容されるものとした。図６は、図５のような鋼矢板１の断面の回転変形が生じた場合の回転角度θ_Ｏの定義を示す。回転角度θ_Ｏは、断面におけるフランジ３Ａ，３Ｂのそれぞれの長さ方向の中点Ｆ１，Ｆ２を通る直線と、中点Ｆ１を通りｘ_Ｏ軸に平行な直線とがなす角度である。

以下の表１に、従来の鋼矢板（比較例１〜比較例４）、本実施形態に係る鋼矢板（実施例１〜実施例２７）および参考例に係る鋼矢板（参考例１〜参考例４）の断面諸元を示す。なお、各例に係る鋼矢板は、いずれもハット形鋼矢板である。表１において、Ｗは有効幅（ｃｍ）、Ｈは高さ（ｃｍ）、ｔｗはウェブの板厚（ｃｍ）、Ａは断面積（ｃｍ^２）、Ｚは断面係数（ｃｍ^３）であり、ＡおよびＺについては鋼矢板の１枚あたりの値である。Ｉｘは図１に示す断面高さ方向の中立軸（ｘ軸）回りの断面二次モーメント（ｃｍ^４）、Ｉｙは同じく幅方向の中立軸（ｙ軸）回りの断面二次モーメント（ｃｍ^４）、Ｉｐはそれぞれの中立軸の交点、すなわち断面の図心回りの断面二次極モーメント（ｃｍ^４）である。なお、断面二次極モーメントＩｐは、Ｉｐ＝Ｉｘ＋Ｉｙとして求めることができる。また、それぞれの中立軸、およびＩｘ，Ｉｙは、ウェブとフランジとの間、およびフランジとアームとの間の曲線形状、および嵌合継手の形状を考慮して算出されている。

一方、表１において、Ｉｘｏは図４に示すｘ_Ｏ軸回りの断面二次モーメント（ｃｍ^４）、Ｉｙｏは同じくｙ_Ｏ軸回りの断面二次モーメント（ｃｍ^４）、Ｉｐｏはｘ_Ｏ軸とｙ_Ｏ軸との交点、すなわち嵌合中心Ｅ_Ａ回りの断面二次極モーメント（ｃｍ^４）である。なお、Ｉｘｏは、鋼矢板の断面積Ａ（ｃｍ^２）、およびｘ軸とｘ_Ｏ軸との間の距離Ｄｘ（ｃｍ）を用いて、Ｉｘｏ＝Ｉｘ＋Ａ×Ｄｘ^２として求めることができる。また、Ｉｙｏは、断面積Ａ（ｃｍ^２）およびｙ軸とｙ_Ｏ軸との間の距離Ｄｙ（ｃｍ）を用いて、Ｉｙｏ＝Ｉｙ＋Ａ×Ｄｙ^２として求めることができる。Ｉｐｏは、Ｉｐｏ＝Ｉｘｏ＋Ｉｙｏとして求めることができる。なお、上記の断面二次モーメント、断面二次極モーメント、および断面積は、いずれも鋼矢板１枚あたりの値である。

図７は、上記の比較例１〜比較例４、実施例１〜実施例２７、および参考例１〜参考例４について、図４を参照して説明した分布荷重ｑを１００ｋＮ／ｍ^２、地盤反力係数を２．０×１０^４ｋＮ／ｍ^３とした構造計算で算出された回転角度θ_Ｏ（ｄｅｇ）を縦軸に、鋼矢板１の嵌合中心Ｅ_Ａ回りの断面二次極モーメントＩｐｏ（ｃｍ^４）を横軸にして示すグラフである。図７のグラフを参照すると、断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４未満の比較例１〜比較例４に比べて、断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きい実施例１〜実施例２７（最も小さいのは実施例３でＩｐｏ＝８．３７×１０^５ｃｍ^４）では回転角度θ_Ｏが小さくなっている。

図８は、比較例１〜比較例４、実施例１〜実施例２７、および参考例１〜参考例４について、図７の例とは異なる条件、すなわち分布荷重ｑを１．０×１０^３ｋＮ／ｍ^２、地盤反力係数を２．０×１０^４ｋＮ／ｍ^３とした構造計算で算出された回転角度θ_Ｏ（ｄｅｇ）を縦軸に、鋼矢板１の嵌合中心Ｅ_Ａ回りの断面二次極モーメントＩｐｏ（ｃｍ^４）を横軸にして示すグラフである。図８のグラフでも、図７のグラフと同様に、断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４未満の比較例１〜比較例４に比べて、断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きい実施例１〜実施例２７では回転角度θ_Ｏが小さくなっている。

図７および図８に示した構造計算の結果から、断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きいことは、鋼矢板１の打設時の回転変形を低減するための断面形状の条件の１つである可能性がある。

一方、図７および図８に示した結果において、参考例１〜参考例３では、断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きいにもかかわらず、回転角度θ_Ｏが低減されていない。また、参考例４では、断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも小さいにもかかわらず、回転角度θ_Ｏが低減されている。そこで、断面形状にさらなる条件がある可能性を考慮し、実施例１〜実施例２７および参考例１〜参考例４のウェブおよびアームの長さを比較した結果を表２に示す。

表２において、実施例１〜実施例２７では鋼矢板のウェブの長さＢｗおよびアームの長さＢａがＢａ／Ｂｗ＞０．２の関係を満たす（最も小さいのは実施例１９および実施例２５でＢａ／Ｂｗ＝０．２９８）のに対して、参考例１〜参考例３ではＢａ／Ｂｗ＜０．２である。Ｂａ／Ｂｗが小さい場合、ウェブの長さがアームの長さよりも極端に長くなるため、図４に示した分布荷重ｑを受ける領域が広くなり、結果として断面二次極モーメントＩｐｏが大きくても回転角度θ_Ｏが低減されないと考えられる。従って、上記の例から、鋼矢板１の打設時の回転変形を低減するための断面形状の条件として、断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きく、かつウェブの長さＢｗとアームの長さＢａとがＢａ／Ｂｗ＞０．２の関係を満たすことが特定できる。

一方、表２において、実施例１〜実施例２７では鋼矢板のウェブの長さＢｗおよびアームの長さＢａがＢａ／Ｂｗ＜０．６の関係を満たす（最も大きいのは実施例２１でＢａ／Ｂｗ＝０．５０２）のに対して、参考例４ではＢａ／Ｂｗ＝０．８０６である。Ｂａ／Ｂｗが大きい場合、上述した参考例１〜参考例３の場合とは逆に、ウェブの長さがアームの長さよりも極端に短くなるため、図４に示した分布荷重ｑを受ける領域が狭くなり、結果として断面二次極モーメントＩｐｏを大きくしなくても回転角度θ_Ｏが低減されると考えられる。しかしながら、以下に説明する通り、このような鋼矢板の断面設計は、例えば鋼矢板壁の軽量化の観点において必ずしも合理的ではない。

図９は、上記の比較例１〜比較例４、実施例１〜実施例２７、および参考例１〜参考例４について、鋼矢板の嵌合継手を互いに嵌合させて幅方向につなぎ合わせた鋼矢板壁の壁幅１ｍあたりの断面積Ａ_１（ｃｍ^２／ｍ）を縦軸に、同じく壁幅１ｍあたりの、幅方向に延びる中立軸回りの断面係数Ｚ_１（ｃｍ^３／ｍ）を横軸にして示すグラフである。比較例１〜比較例４の鋼矢板壁における断面積Ａ_１と断面係数Ｚ_１の関係を近似直線Ｌ_１（Ａ_１＝０．０５４Ｚ_１＋７０）で表した場合、実施例１〜実施例２７の鋼矢板壁はいずれも近似直線Ｌ_１よりも右下側、すなわち、Ａ_１＜０．０５４Ｚ_１＋７０となる領域に位置し、比較例１〜比較例４の鋼矢板壁よりも軽量化されている。一方、参考例４の鋼矢板壁は近似直線Ｌ_１よりも左上側に位置し、比較例１〜比較例４の鋼矢板壁よりも軽量化されているとはいえない。

以上より、本実施形態に係る鋼矢板１の打設時の断面の回転変形を低減するための条件、すなわち断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きく、かつウェブの長さＢｗとアームの長さＢａとがＢａ／Ｂｗ＞０．２の関係を満たすことに、鋼矢板壁を軽量化するための条件として、Ｂａ／Ｂｗ＜０．６であること、および鋼矢板壁の壁幅１ｍあたりの断面積Ａ_１（ｃｍ^２／ｍ）と、幅方向に延びる中立軸回りの断面係数Ｚ_１（ｃｍ^３／ｍ）とがＡ_１＜０．０５４Ｚ_１＋７０の関係を満たすことを加えてもよい。

なお、上記の検討は、鋼矢板１の有効幅Ｗを拡大する検討の中で実施されたため、実施例１〜実施例２７において有効幅Ｗは１０５ｃｍ≦Ｗ≦１５０ｃｍの範囲にある。しかしながら、例えば有効幅Ｗが１０５ｃｍ未満、または１５０ｃｍよりも大きい場合であっても、上記の範囲に近い値であれば、同様の条件が適用可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１…鋼矢板、１Ｐ…鋼矢板、２…ウェブ、３Ａ，３Ｂ…フランジ、４Ａ，４Ｂ…アーム、５Ａ，５Ｂ…嵌合継手、Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂ…嵌合中心。

Claims (5)

1. 鋼矢板であって、
   長手方向に直交する断面において、断面高さ方向の第１の側で幅方向に沿って延びるウェブと、前記ウェブの前記幅方向の両端部から前記幅方向の両側、かつ前記断面高さ方向の第２の側に向かって延びる１対のフランジと、前記断面高さ方向の第２の側で前記１対のフランジのそれぞれの端部から前記幅方向に沿って、かつ前記幅方向の両側に向かって延びる１対のアームと、前記１対のアームのそれぞれの前記１対のフランジとは反対側の端部に形成される１対の嵌合継手とを備え、
   前記断面における前記１対の嵌合継手のうちの一方の嵌合中心を中心とする断面二次極モーメントＩｐｏが８．０×１０^５ｃｍ^４よりも大きく、前記幅方向における前記ウェブの長さＢｗと前記１対のアームのうちの一方の長さＢａとがＢａ／Ｂｗ＞０．２の関係を満たす鋼矢板。
2. 前記幅方向における前記ウェブの長さＢｗと前記１対のアームのうちの一方の長さＢａとがＢａ／Ｂｗ＜０．６の関係を満たす、請求項１に記載の鋼矢板。
3. 有効幅Ｗが１０５ｃｍ≦Ｗ≦１５０ｃｍの範囲にある、請求項１または請求項２に記載の鋼矢板。
4. 複数の前記鋼矢板を前記１対の嵌合継手で互いに嵌合させて前記幅方向につなぎ合わせた鋼矢板壁の壁幅１ｍあたりで、前記鋼矢板壁の断面積Ａ_１（ｃｍ^２／ｍ）と、前記幅方向に延びる前記鋼矢板壁の中立軸回りの断面係数Ｚ_１（ｃｍ^３／ｍ）とがＡ_１＜０．０５４Ｚ_１＋７０の関係を満たす、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鋼矢板。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鋼矢板の前記１対の嵌合継手を互いに嵌合させて前記幅方向につなぎ合わせた鋼矢板壁であって、
   前記鋼矢板壁の壁幅１ｍあたりの断面積Ａ_１（ｃｍ^２／ｍ）と、前記幅方向に延びる中立軸回りの断面係数Ｚ_１（ｃｍ^３／ｍ）とがＡ_１＜０．０５４Ｚ_１＋７０の関係を満たす鋼矢板壁。

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