JP2022120069A - ハット形鋼矢板および鋼矢板壁の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハット形鋼矢板の打設時に発生するばたつきを効果的に低減する。【解決手段】ハット形鋼矢板は、長手方向に直交する断面において、厚さ方向の第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、かつ厚さ方向の第２の側に向かって延びる１対のフランジと、厚さ方向の第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、有効幅Ｗが１０５ｃｍ以上であり、かつ断面におけるウェブ、１対のフランジ、および１対のアームの合計長さＢＴＴＬ（ｃｍ）と、長手方向に対して平行な側面における単位面積あたりのハット形鋼矢板の重量ｗｔ（Ｎ／ｃｍ２）とが式（ｉ）を満たす。TIFF2022120069000011.tif19137【選択図】図１

Description

本発明は、ハット形鋼矢板および鋼矢板壁の製造方法に関する。

ハット形鋼矢板は、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。ハット形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、鋼矢板壁の壁幅１ｍあたりの単位重量と断面二次モーメントとの関係、およびハット形鋼矢板の有効幅とフランジ幅の関係を規定することによって、断面性能を確保しつつ単位重量が小さい経済性に優れたハット形鋼矢板を提供する技術が記載されている。

特許第３４５８１０９号公報

一方、図５Ａおよび図５Ｂに示すようにバイブロハンマ工法でハット形鋼矢板を打設する際には、ハット形鋼矢板にばたつきが生じることがある。図５Ａに示されるように、バイブロハンマ工法は、バイブロハンマ６を用いてハット形鋼矢板１に打設進行方向（図中のｚ方向）の縦振動Ｖ_Ｖを与えながら打設する工法である。このようなバイブロハンマ工法では、先行して打設されたハット形鋼矢板１Ｐとの継手の嵌合による拘束、地盤抵抗、およびバイブロハンマ６から与えられる縦振動Ｖ_Ｖの方向が打設進行方向からわずかにずれることの影響などによって、ハット形鋼矢板１の厚さ方向に膜振動Ｖ_Ｍが発生する。図５Ｂに模式的に示すように、膜振動Ｖ_Ｍが視認可能な程度にまで増幅されたものが、ハット形鋼矢板１のばたつきと呼ばれる。

上記のようなハット形鋼矢板１のばたつきが生じると、先行して打設したハット形鋼矢板１Ｐとの継手の嵌合部において、膜振動Ｖ_Ｍによって厚さ方向（図中のｙ方向）に振動するハット形鋼矢板１の継手が振動しないハット形鋼矢板１Ｐの継手に打ち付けられることになり、騒音が増大したり継手が損傷したりする可能性がある。また、ハット形鋼矢板１の膜振動Ｖ_Ｍはハット形鋼矢板１の打設進行方向（図中のｚ方向）への直進性を損ね、施工品質の悪化につながる場合もある。従って、ハット形鋼矢板１の施工上はばたつきを低減することが望ましいが、そのための方法は特許文献１のような従来技術には示されていない。

そこで、本発明は、ハット形鋼矢板の打設時に発生するばたつきを効果的に低減することが可能な、新規かつ改良されたハット形鋼矢板および鋼矢板壁の製造方法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、ハット形鋼矢板は、長手方向に直交する断面において、厚さ方向の第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、かつ厚さ方向の第２の側に向かって延びる１対のフランジと、厚さ方向の第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、有効幅Ｗが１０５ｃｍ以上であり、かつ断面におけるウェブ、１対のフランジ、および１対のアームの合計長さＢ_ＴＴＬ（ｃｍ）と、長手方向に対して平行な側面における単位面積あたりのハット形鋼矢板の重量ｗｔ（Ｎ／ｃｍ^２）とが以下の式（ｉ）の関係を満たす。

上記のハット形鋼矢板において、有効幅Ｗが１２０ｃｍ以上であり、かつ合計長さＢ_ＴＴＬと重量ｗｔとが以下の式（ii）の関係を満たしてもよい。

本発明の別の観点によれば、上記のハット形鋼矢板を用いた鋼矢板壁の製造方法が提供される。鋼矢板壁の製造方法は、バイブロハンマを用いてハット形鋼矢板に打設進行方向の縦振動を与えながらハット形鋼矢板を地中に打設する工程を含んでもよい。

上記の構成によれば、ハット形鋼矢板の打設時に発生するばたつき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ハット形鋼矢板の断面図である。 図１に示されたハット形鋼矢板の嵌合中心について説明するための図である。 比較例および実施例について、有効幅を縦軸に、膜振動の振動数に関する指標を横軸にして示すグラフである。 騒音の周波数重み付け特性を示すグラフである。 ハット形鋼矢板の打設時に発生するばたつきについて説明するための図である。 ハット形鋼矢板の打設時に発生するばたつきについて説明するための図である。

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ハット形鋼矢板の断面図である。図１に示されるように、ハット形鋼矢板１は、長手方向（図中のｚ方向）に直交する断面において、厚さ方向の第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、かつ厚さ方向の第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、厚さ方向の第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、ハット形鋼矢板１の各部分の寸法、具体的には、ウェブ２の長さＢｗおよび板厚ｔｗと、フランジ３Ａ，３Ｂの長さＢｆと、アーム４Ａ，４Ｂの長さＢａとが示されている。ここで、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。同様に、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。また、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、ハット形鋼矢板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であり、アーム４Ｂについてもアーム４Ａと同様に長さＢａである。

さらに、図１には、ハット形鋼矢板１の有効幅Ｗおよび合計長さＢ_ＴＴＬ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。合計長さＢ_ＴＴＬは、図示された断面におけるウェブ２、フランジ３Ａ，３Ｂ、およびアーム４Ａ，４Ｂの長さの合計であり、長さＢｗ、長さＢｆ、および長さＢａを用いてＢ_ＴＴＬ＝Ｂｗ＋２Ｂｆ＋２Ｂａと表すことができる。後述するように、本実施形態に係るハット形鋼矢板１では、有効幅Ｗが１０５ｃｍ以上であり、かつ合計長さＢ_ＴＴＬと長手方向に対して平行な側面における単位面積あたりのハット形鋼矢板１の重量ｗｔとが所定の関係を満たす。

なお、図１に示されたハット形鋼矢板１の形状が幾何学的に成り立つ場合、有効幅Ｗ、ウェブ長さＢｗ、断面高さＨおよびフランジ角度θは、Ｗ－Ｂｗ－２Ｈ／tanθ＞０の関係を満たしている。ここで、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ハット形鋼矢板１の断面の高さである。

図２は、図１に示されたハット形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、ハット形鋼矢板１の嵌合継手５Ａには、隣接して打設される別のハット形鋼矢板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、別のハット形鋼矢板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。ハット形鋼矢板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。

本発明の実施形態に係るハット形鋼矢板において打設時に発生するばたつきを効果的に低減するために本発明者らが検討した結果を以下で説明する。まず、ばたつきを低減するためには、ハット形鋼矢板１の厚さ方向に生じる膜振動Ｖ_Ｍ（図５Ａおよび図５Ｂ参照）を低周波化することが望ましい。ばたつきは、打設の初期において生じ、打設が進行すると徐々に収まることが経験上知られているが、これはハット形鋼矢板１の天端部から地表面までの距離が、打設の初期において最も長く、打設が進行すると徐々に短くなるためと考えられる。バイブロハンマ６で把持されるハット形鋼矢板１の天端部と、地盤および先行して打設された別のハット形鋼矢板１Ｐの継手でハット形鋼矢板１の厚さ方向の変位が拘束される地表面近くの部分とは、いずれもハット形鋼矢板１の厚さ方向の振動の固定点になる。従って、固定点の間の距離が最も長い打設の初期にはハット形鋼矢板１の固有振動数が低く、この段階でハット形鋼矢板１が膜振動Ｖ_Ｍに共振すると、振動数の低い、従って振幅の大きい振動が発生し、膜振動Ｖ_Ｍは増幅されることになる。換言すれば、打設の初期において膜振動Ｖ_Ｍの振動数がハット形鋼矢板１の固有振動数よりも低ければ膜振動Ｖ_Ｍは増幅されない。ハット形鋼矢板１の打設が進行して固定点の間の距離が短くなれば固有振動数はより高くなるため、打設の初期において膜振動Ｖ_Ｍの振動数がハット形鋼矢板１の固有振動数よりも低ければ、打設が進行しても膜振動Ｖ_Ｍの増幅、すなわちハット形鋼矢板１のばたつきは発生しない。

辺長ａ，ｂの矩形の板における膜振動の振動数ｆ_ｍｎは、モード数ｍ，ｎ、重力加速度ｇ、単位面積あたりの板の重量ｗｔ、および面内の張力Ｓを用いて、以下の式（１）のように表すことができる。式（１）から、重量ｗｔが大きく、また辺長ａ，ｂが長いほど、振動数ｆ_ｍｎが小さくなる、すなわち膜振動が低周波化されることがわかる。

ここで、膜振動を例えば従来のハット形鋼矢板よりも低周波化する、すなわちハット形鋼矢板１の膜振動の振動数ｆ_ｍｎ’を従来のハット形鋼矢板の膜振動の振動数ｆ_ｍｎよりも小さくするための条件を考える。基本モード（ｍ＝ｎ＝１）で、重量ｗおよび辺長ａが異なり、それ以外の条件を共通とした場合、膜振動の振動数の従来のハット形鋼矢板に対する比ｆ’／ｆは、以下の式（２）のように表すことができる。なお、高次モード（ｍ＞１またはｎ＞１）については、振幅が小さくなるためハット形鋼矢板１のばたつきの原因としては考慮しなくてよい。

さらに、辺長ａ，ｂの矩形の板をハット形鋼矢板の形状にあてはめた場合、ハット形鋼矢板の長手方向の辺長ｂは断面方向の辺長ａよりも十分に長い（打設の初期において、辺長ｂは辺長ａの１０倍以上）ため、式（２）における（ａ’／ｂ）^２および（ａ／ｂ）^２の項は十分に小さいものとして無視できる。その結果、振動数の比ｆ’／ｆは、以下の式（３）のように表すことができる。

上記の式（３）によれば、ハット形鋼矢板１の膜振動の振動数の従来のハット形鋼矢板に対する比ｆ’／ｆを小さくするためには、ハット形鋼矢板の断面方向の辺長ａ、すなわち図１に示した合計長さＢ_ＴＴＬを大きくするか、または長手方向に対して平行な側面における単位面積あたりのハット形鋼矢板１の重量ｗｔ（ウェブ２、フランジ３Ａ，３Ｂ、およびアーム４Ａ，４Ｂでの平均値）を大きくすればよい。つまり、以下の式（４）のように定義されるＫ（ハット形鋼矢板１の膜振動に関する指標）について、従来のハット形鋼矢板におけるＫよりもハット形鋼矢板１におけるＫが小さければ、膜振動が低減される。まず、合計長さＢ_ＴＴＬについては、ハット形鋼矢板１の有効幅Ｗを拡大することで大きくすることができる。有効幅Ｗの拡大は、同じ壁幅の鋼矢板壁を構成するハット形鋼矢板１の数が少なくなることで施工が経済的になるため、以下では有効幅Ｗを１０５ｃｍ以上とした上で、適切な合計長さＢ_ＴＴＬおよび重量ｗｔを検討した。

表１に、従来のハット形鋼矢板（比較例１～比較例３）、および本発明の実施形態に係るハット形鋼矢板（実施例１～実施例９）の断面諸元を示す。表１において、Ｗは有効幅（ｃｍ）、Ｉは鋼矢板壁の壁幅１ｍあたりの断面二次モーメント（ｃｍ^４／ｍ）、Ｂ_ＴＴＬは合計長さ（ｃｍ）、ｗｔ（Ｎ／ｃｍ^２）は長手方向に対して平行な側面における単位面積あたりの重量、Ｋ（Ｎ^－１／２）は上記の式（４）で算出される指標である。また、表１における振動数比ｒ_ｆは、各実施例と同等の断面二次モーメントＩを有する従来のハット形鋼矢板との間での膜振動の振動数の比として、上記の式（３）で辺長ａに合計長さＢ_ＴＴＬを代入して算出される。

図３は、上記の比較例１～比較例３および実施例１～実施例９について、有効幅Ｗ（ｃｍ）を縦軸に、表１に示したＫ（Ｎ^－１／２）を横軸にして示すグラフである。図３のグラフを参照すると、実施例１～実施例９は、有効幅Ｗが１０５ｃｍ以上であり、かつ式（４）によって算出される指標Ｋが０．０３０Ｎ^－１／２以下の領域に含まれている。実施例１～実施例９のハット形鋼矢板では、いずれも振動数比ｒ_ｆが１を下回っており、比較例１～比較例３よりも膜振動が低周波化されている。また、振動数比ｒ_ｆが０．９未満であり、比較例１～比較例３よりも膜振動が大幅に低周波化されている実施例２、実施例３、実施例５、実施例６、実施例８、および実施例９では、有効幅Ｗが１２０ｃｍ以上であり、かつ指標Ｋが０．０２７Ｎ^－１／２以下である。

図４は、騒音の周波数重み付け特性を示すグラフである。図５Ａおよび図５Ｂに示したバイブロハンマ６による縦振動Ｖ_Ｖの起振周波数は一般に２０Ｈｚ～６０Ｈｚ程度である。ハット形鋼矢板１にばたつきが発生したときに膜振動Ｖ_Ｍの振動数が起振周波数に一致するとすると、膜振動Ｖ_Ｍの振動数も２０Ｈｚ～６０Ｈｚになる。図４にＡ特性として示される人間の聴覚特性によれば、この周波数範囲では周波数が小さくなるほど感じられる音圧レベル（ｄＢ）が小さくなるため、上記で説明したような本発明の実施形態による膜振動Ｖ_Ｍの低周波化は、施工性の向上だけではなく、騒音の低減にも有効である。本発明者らが実施した施工試験では、膜振動Ｖ_Ｍの周波数を下げることによって、図４に示した相対レスポンスの低下と同程度の騒音の低減が確認されている。

以上で説明したような本発明の実施形態によれば、打設時に発生するばたつきが効果的に低減される断面形状のハット形鋼矢板が提供される。このようなハット形鋼矢板は、例えば上述のようにバイブロハンマを用いてハット形鋼矢板に打設進行方向の縦振動を与えながらハット形鋼矢板を地中に打設する工程を含む鋼矢板壁の製造方法において、特に有利である。上記で図５Ａおよび図５Ｂを参照して説明したのは、ハット形鋼矢板の両方のフランジ部分に縦振動を加える所謂ダブルチャック型のバイブロハンマ（例えば、特許第３９１６６２１号公報参照）であるが、本発明の実施形態によって打設時に発生するばたつきが低減されれば、ハット形鋼矢板のウェブ部分に縦振動を加える所謂シングルチャック型のバイブロハンマによる施工も可能である。

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、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…ハット形鋼矢板、１Ｐ…ハット形鋼矢板、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 (3)

1. ハット形鋼矢板であって、
   長手方向に直交する断面において、厚さ方向の第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、かつ前記厚さ方向の第２の側に向かって延びる１対のフランジと、前記厚さ方向の第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、
   有効幅Ｗが１０５ｃｍ以上であり、かつ前記断面における前記ウェブ、前記１対のフランジ、および前記１対のアームの合計長さＢ_ＴＴＬ（ｃｍ）と、前記長手方向に対して平行な側面における単位面積あたりの前記ハット形鋼矢板の重量ｗｔ（Ｎ／ｃｍ^２）とが以下の式（ｉ）の関係を満たすハット形鋼矢板。
   

   
2. 有効幅Ｗが１２０ｃｍ以上であり、かつ前記合計長さＢ_ＴＴＬと前記重量ｗｔとが以下の式（ii）の関係を満たす、請求項１に記載のハット形鋼矢板。
   

   
3. 請求項１または請求項２に記載のハット形鋼矢板を用いた鋼矢板壁の製造方法であって、
   バイブロハンマを用いて前記ハット形鋼矢板に打設進行方向の縦振動を与えながら前記ハット形鋼矢板を地中に打設する工程を含む鋼矢板壁の製造方法。

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