JP2021183758A - 鋼矢板 - Google Patents

Abstract

【課題】貫入抵抗を小さくした鋼矢板を提供する。【解決手段】鋼矢板１は、幅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に向かって延び、幅方向との間にフランジ角度θをなすフランジ３Ａ、３Ｂと、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の端部に形成される嵌合継手５Ａ、５Ｂとを備える。ウェブ２を上辺、１対のフランジ３Ａ、３Ｂを両脚とする台形の上辺と下辺との平均長さＷ、台形の高さｈ、フランジ角度θ、および鋼矢板が打設される地盤の摩擦角比Ｒ＊が、以下の式（ｉ）および式（ii）の条件を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼矢板に関する。

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。鋼矢板は打設時に地盤に貫入させられるため、貫入抵抗をより小さくすることによって施工性を向上させる技術が提案されている。例えば、特許文献１では、貫入抵抗の主な要因である鋼矢板断面における凹部で発生する抵抗を小さくするために、ハット形鋼矢板の断面においてそれぞれのフランジの中央を通る垂線の交点が鋼矢板の溝断面外に位置するようにフランジ角度、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によって、打設時の排土圧を抑制して施工性を向上させる技術が記載されている。特許文献２にも、フランジ角度を最適化することによって貫入抵抗を最小化する技術が記載されている。また、特許文献３には、経済性指標と、鋼矢板下端での貫入抵抗を示す施工性指標とに基づいてフランジ角度を設定する技術が記載されている。

特許第３４８８２３０号公報 特許第３４８８２３３号公報 特許第５７６４９４５号公報

上記の従来技術では、貫入抵抗の主な要因である鋼矢板断面における凹部で発生する抵抗が、フランジ角度に比例する関数として扱われている。従って、従来技術において貫入抵抗（凹部で発生する抵抗）を０に近づけることは、フランジ角度が０に近づき、ハット形鋼矢板の基本的な断面形状が成り立たなくなることを意味する。つまり、従来技術の評価方法は貫入抵抗がある程度の大きさになることを前提として成り立っており、貫入抵抗を大幅に小さくする条件を示すようなものではない。

そこで、本発明は、鋼矢板の基本的な断面形状を維持しつつ、鋼矢板断面における凹部で発生する抵抗を０に近づけることで、貫入抵抗を大幅に小さくすることが可能な、新規かつ改良された鋼矢板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、幅方向との間にフランジ角度θをなす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。ウェブを上辺とし、１対のフランジを両脚とする台形の上辺と下辺との平均長さＷ、台形の高さｈ、フランジ角度θ、および鋼矢板が打設される地盤の摩擦角比Ｒ^＊が、以下の式（ｉ）および式（ii）の条件を満たす。

上記の鋼矢板において、摩擦角比Ｒ^＊は、例えば０．７７としてもよいし、０．８としてもよいし、あるいは０．８４としてもよい。

上記の構成によれば、鋼矢板の基本的な断面形状を維持しつつ、鋼矢板断面における凹部で発生する抵抗を０に近づけることで、貫入抵抗を大幅に小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係る鋼矢板の断面図である。 鋼矢板の貫入抵抗に関する検討について説明するための図である。 本発明の実施例および比較例について、フランジ角度を縦軸に、アスペクト比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、幅方向との間にフランジ角度θ（鋭角側）をなすフランジ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。

図２は、鋼矢板の貫入抵抗に関する検討について説明するための図である。以下の検討では、図１に示したような鋼矢板１において、ウェブ２とフランジ３Ａ，３Ｂとで囲まれる台形断面の土塊Ｌに作用する力のつり合いを考慮した。図示されているように、土塊Ｌの断面は等脚台形であり、上辺の長さＷ_１、下辺の長さＷ_２、高さｈ、底角（鋼矢板１のフランジ角度）θ、断面積Ａである。土塊Ｌの断面において鋼矢板１に接する部分の長さＳは、上辺および両脚の長さの合計である。また、土塊Ｌの鉛直方向（鋼矢板１の長手方向）の長さをｄｚとする。

上記のような土塊Ｌに作用する力は、上面に作用する鉛直応力σ、下面に作用する鉛直応力σ＋ｄσ、土塊Ｌが属する地盤の単位体積重量γ’、地盤間で作用するせん断応力τ_ｆ、地盤と鋼材との間に作用するせん断応力τ_Ｓを用いて表される以下の式（１）のようにつり合う。なお、式（１）では鉛直方向下向きを正としている。

上記の式（１）を式（２）および式（３）を用いて整理すると、式（４）が得られる。なお、Ｗは台形の上辺および下辺の平均長さである。

上記の式（４）を式（５）および式（６）を用いて整理すると式（７）が得られ、式（７）は式（８）および式（９）のようにさらに整理することができる。なお、Ｒ^＊は鋼矢板１が打設される地盤の摩擦角比である。

ここで、式（１０）で表される台形のアスペクト比Ａｒを代入すると、式（９）は式（１１）のように表される。

上記の式（１１）は、地盤内で土塊Ｌに作用する鉛直応力σの鉛直方向ｚでの変化率ｄσ／ｄｚを表す式になっている。鋼矢板１が存在しない場合、変化率ｄσ／ｄｚは地盤の単位体積重量γ’に等しくなるので、これに加えられる部分、すなわち式（１１）の右辺第２項が、鋼矢板１が貫入することによって土塊Ｌに作用する力を表す。式（１１）の右辺第２項が正の値である場合、鉛直応力σは鋼矢板１が存在しない場合よりも増大しており、この増大した分の反力が鋼矢板１に貫入抵抗として作用することになる。それゆえ、土塊Ｌに作用する力を原因として鋼矢板１の貫入抵抗を増大させないための条件は、式（１１）の右辺第２項を０または負の値にすること、すなわち式（１２）である。つまり、式（１２）を満たすことにより、鋼矢板断面における凹部で発生する抵抗を０に近づけることができる。式（１２）をアスペクト比Ａｒについて整理すると、式（１３）が得られる。

一方、図１に示したような鋼矢板１の断面形状が成り立つ場合、土塊Ｌの断面の寸法は以下の式（１４）の条件を満たす。

ここで、上記の寸法のうち、上辺の長さＷ_１および高さｈは、いずれも台形の底角θ、すなわち鋼矢板１のフランジ角度が小さくなると０に近づくが、高さｈが０でなくても、底角θが小さく鋼矢板１の幅が狭い場合には上辺の長さＷ_１が０になる場合がありうる。従って、上記の式（１４）で表される条件のうち、考慮すべきは上辺の長さＷ_１についての条件である。この条件を式（１５）のように整理すると、アスペクト比Ａｒ（＝Ｗ／ｈ）についての式（１６）が得られる。

以上のような検討から、鋼矢板の基本的な断面形状を維持しつつ鋼矢板断面における凹部で発生する抵抗を０に近づけるための条件として、以下の式（１３）および式（１６）を得ることができた。

上記の式（１３）は、アスペクト比Ａｒの範囲をフランジ角度θおよび摩擦角比Ｒ^＊によって規定する。摩擦角比Ｒ^＊については、各種地盤と鋼材との間の一面せん断試験の結果から、以下の表１のように特定することができる。上記の式（６）に対応付けると、内部摩擦角が地盤間で作用するせん断応力τ_ｆの大きさに対応し、壁面摩擦角が地盤と鋼材との間に作用するせん断応力τ_Ｓの大きさに対応する。なお、地盤については代表的な３種類を選定し、鋼材については未使用の圧延材や機械加工した鋼板など数サンプルを使用した（壁面摩擦角に範囲があるのはそのためである）。

上記の試験結果から、摩擦角比Ｒ^＊は地盤および鋼材によって異なるものの、最大では０．８３〜０．８５の範囲にあることがわかる。そこで、これらの平均値として摩擦角比Ｒ^＊を０．８４とすると、式（１３）の条件は以下の式（１７）のようになる。

一方、摩擦角比Ｒ^＊の範囲については、既往の研究も存在する。例えば、Randolph et al, "One-dimensional analysis of soil plugs in pipe piles", 1991, Geotechnique 41, No. 4, pp. 587-598によれば、一般的に摩擦角比Ｒ^＊０．７〜０．９の範囲にある。そこで、この範囲の平均値として摩擦角比Ｒ＊を０．８とすると、式（１３）の条件は以下の式（１８）のようになる。

上記の式（６）から明らかなように、摩擦角比Ｒ^＊は、地盤と鋼材との間の摩擦力が大きければ大きくなる。従って、例えば錆などのために鋼材の表面の粗度が高い場合には上記の式（１７）を用いることが適切であるものの、多くの場合において鋼材の表面はもっと平滑であり、従って摩擦角比Ｒ^＊としてより小さい値を用いてもよい。例えば、摩擦角比Ｒ^＊を０．７７とすると、式（１３）の条件は以下の式（１９）のようになる。

表２に、従来の鋼矢板（比較例１〜比較例３）、および本発明の実施形態に係る鋼矢板（実施例１〜実施例８）の断面諸元を示す。表２には、図１に示された鋼矢板１の全幅Ｂ（ｍｍ）、断面高さＨ（ｍｍ）、フランジ角度θ（ｄｅｇ）、ウェブ幅Ｂｗ（ｍｍ）が示されている。ここで、全幅Ｂは、いずれも鋼矢板１の幅方向（図１に示すｘ方向）に沿って定義されるウェブ幅Ｂｗ、フランジ幅Ｂｆ、およびアーム幅Ｂａを用いて、Ｂ＝Ｂｗ＋２Ｂｆ＋２Ｂａと表される。ウェブ幅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交点の間の距離であり、フランジ幅Ｂｆはフランジ３Ａ，３Ｂのそれぞれの板厚中心線とウェブ２、およびアーム４Ａ，４Ｂのそれぞれの板厚中心線との交点の間の幅方向での距離である。また、フランジ幅Ｂｆは、断面高さＨとフランジ角度θとを用いて、Ｂｆ＝Ｈ／ｔａｎθと表される。断面高さ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の断面の高さである。

また、表２には、鋼矢板１のウェブ２とフランジ３Ａ，３Ｂで囲まれる土塊Ｌの台形断面の上辺の長さＷ_１（ｍｍ）、下辺の長さＷ_２（ｍｍ）、上辺と下辺との平均長さＷ（ｍｍ）、およびアスペクト比Ａｒが示されている。以下に示す例では、台形断面の上辺の長さＷ_１がウェブ幅Ｂｗに一致し（Ｗ_１＝Ｂｗ）、高さｈが鋼矢板１の断面高さＨに一致する（ｈ＝Ｈ）ものとする。

図３は、上記の比較例１〜比較例３（点Ｐ１〜Ｐ３）および実施例１〜実施例８（点Ｅ１〜Ｅ８）について、フランジ角度θを縦軸に、アスペクト比Ａｒを横軸にして示すグラフである。図３のグラフには、鋼矢板の基本的な断面形状を維持するための条件を示す式（１６）に対応する曲線Ｃ１と、鋼矢板断面における凹部で発生する抵抗を０に近づけるための条件を示す式（１９）、式（１８）、および式（１７）にそれぞれ対応する曲線Ｃ２（Ｒ^＊＝０．７７）、曲線Ｃ３（Ｒ^＊＝０．８）、および曲線Ｃ４（Ｒ^＊＝０．８４）とが示されている。式（１６）の条件を満たす例を示す点は曲線Ｃ１よりも上方（縦軸の正方向）にあり、式（１９）、式（１８）、または式（１７）を満たす例を示す点は曲線Ｃ２、曲線Ｃ３または曲線Ｃ４よりも下方（縦軸の負方向）にある。図３に示されるように、実施例１〜実施例８を示す点はいずれも曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とに挟まれた領域に含まれ、従って式（１６）および式（１９）の条件を満たす。これらの点は曲線Ｃ１と曲線Ｃ３とに挟まれた領域にも含まれ、従って式（１６）および式（１９）に加えて式（１８）の条件をも満たす。さらに、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６、および実施例７を示す点は、曲線Ｃ１と曲線Ｃ４とに挟まれた領域にあり、従って式（１６）、式（１９）、および式（１８）に加えて式（１７）の条件をも満たす。以上の結果から、地盤と鋼材との間の摩擦力を比較的小さく見積もることが可能である場合（Ｒ^＊＝０．７７）には実施例１〜実施例８のいずれにおいても貫入抵抗を大幅に低減する効果が得られることがわかる。また、摩擦角比Ｒ^＊について既往の研究結果を参照した場合（Ｒ^＊＝０．８）にも、実施例１〜実施例８のそれぞれで貫入抵抗を大幅に低減する効果が得られることがわかる。さらに、地盤と鋼材との間の摩擦力をより大きく見積もった場合（Ｒ^＊＝０．８４）でも、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６、および実施例７では貫入抵抗を大幅に低減する効果が得られることがわかる。

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、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 (4)

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、前記幅方向との間にフランジ角度θをなす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、
   前記ウェブを上辺とし、前記１対のフランジを両脚とする台形の上辺と下辺との平均長さＷ、前記台形の高さｈ、およびフランジ角度θ、および前記鋼矢板が打設される地盤の摩擦角比Ｒ^＊が、以下の式（ｉ）および式（ii）の条件を満たす鋼矢板。
   

   

   
2. 前記摩擦角比Ｒ^＊が０．７７である、請求項１に記載の鋼矢板。
3. 前記摩擦角比Ｒ^＊が０．８である、請求項１に記載の鋼矢板。
4. 前記摩擦角比Ｒ^＊が０．８４である、請求項１に記載の鋼矢板。

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