JP3914577B2 - パイル打ち込み抵抗を低減したｕ字型シートパイル - Google Patents

Description

産業上の利用分野
本発明はパイル打ち込み抵抗を低減したＵ字型シートパイルに関する。
従来の技術
過去８０年余りにわたり、堀削工事における作業、ダム、水路、及び貯水池の建設作業における支持壁の設置工事のため、全世界で数百万トンものＵ字型シートパイルが使用されてきている。
Ｕ字型のシートパイルは、連結部材を有する２つの脚部（シートパイルのウェブと称される）が接続される平坦な背面（シートパイルのフランジと称される）を有しており、シートパイルは背部に対して垂直な対称面を有している。支持壁を形成するために、これらのＵ字型シートパイルは連結部材によって、これらの背面が結合部材の中心軸を通る面の一側及び他側に交互に位置するように組み立てられる。この平面は、従ってＵ字型シートパイル壁の中立屈曲面（neutral bending plane）を形成する。
シートパイルを地中に打ちこむための標準的な方法としては、打撃による打ち込みと振動とがある。パイル打ち込みの作業では大量のエネルギーを生じさせることが必要であり、このエネルギーは打ち込みに対するシートパイルの抵抗に比例している。パイルの打ち込みにいずれの方法を採用する場合でも、パイルの打ち込みに対する抵抗は、主に土壌の特性とシートパイルの横断面積との関数である。
Ｕ字型シートパイルの「高さ」すなわち「深さ」は、２つの結合部材の中心軸を通る平面とフランジの外面の距離で定められ、Ｕ字型シートパイルの「有効幅」は、２つの結合部材の中心軸の間の距離により定められる。一般的に、有効幅の大きなシートパイルを用いれば、所定の長さの壁を形成するために地中に打ち込まれる必要なシートパイルの数は少なくなるので、作業コストを低減することができる。深いシートパイルでは、高い断面係数を保持しながらフランジ及びウェブの部位における素材の厚さを減らすことができるため、当然のことシートパイルのコストを削減することができる。このように、フランジ及びウェブの部位における素材の厚さを抑えた幅広で深いシートパイルを使用することに興味がおかれている。
今日の市場において標準的な部材として入手可能なＵ字型シートパイルは、有効幅が４００〜６００ｍｍであって、「深さ／有効幅」の比が０．１８〜０．５４のものである。もっとも一般的なＵ字型シートパイルは、「深さ／有効幅」の比が０．２５以上のものであり、０．３を超えるものもある。フランジの厚さは７〜２０ｍｍであり、ウェブの厚さは６〜１２ｍｍである。
発明が解決しようとする課題
しかしながら、フランジ及びウェブの部位における厚さを抑えた幅広で深いシートパイルは、困難なパイル打ち込み条件下では、急激に安定性を失うことにも着目しなければならない。このため、パイル打ち込みにおいては、シートパイルに対する応力を制限すること、即ち、パイル打ち込みにおけるシートパイルの抵抗を低減することが重要とされる。フランジ及びウェブの部位における素材の厚さを減らすことは、パイル打ち込みに有効であることは疑いがないが、「深さ／有効幅」の比の増加は、Ｕ字型シートパイルの打ち込みの抵抗において、極めて悪い影響を及ぼす。
課題を解決するための手段
このような事情により、本発明は、シートパイルを使用する際の安定性を向上させつつ、Ｕ字型シートパイルのパイル打ち込みにおける抵抗を低減する解決策を見出したものである。
この解決策は請求項１に定義されている。
まず第１に、従来技術の場合と異なり、パイル打ち込みにおける抵抗の低減はシートパイルの横断面の厚さを減らすのではなく、２つのフランジ／ウェブ接続部によって与えられる凹状の角部の部位の材料の厚さを増加することによってもたらされる。
シートパイルの２つのウェブによって限定される凹状の角部の材料の厚さをアングル・アイアンの形で増すことは、１９３９年のベルギー国特許第４３４４９７号公報（ＢＥ−Ａ−４３３７０４）に既に開示されている。この特許では、本質的には、材料の厚さを増すことによりシートパイルアングルの頂点の補強を行うものである。
アメリカ合衆国特許第１０１２１２４号公報（ＵＳ−Ａ−１０１２１２４）に対応するフランス国特許第４３４４９７号公報（ＦＲ−Ａ−４３４４９７）より周知の特殊なシートパイルは、湾曲したフランジと、このフランジに接続される２つの非常に高さの低い湾曲した側部部材を持っており、側部部材のそれぞれに連結部材が設けられている。このような重厚なシートパイルは、フランジの中央における壁の厚さの合計が２つの結合された結合部材の厚さを超えないような条件で壁を建設することができるよう、牽引された状態で使用されて平坦なシートパイルを置きかえることを前提としている。このため、これらは、本発明の対象であるＵ字型シートパイルと比較すべきものではない。事実、Ｕ字型シートパイルは、曲げモードにおいても使用できるよう、はるかに深いものとなっている。さらに、前記のフランス特許において開示された好ましい実施の形態においては、外面がその全幅にわたって実質的に平坦となるように、側部部材との２つの接続点において、湾曲したフランジの材料厚さを増した構造となっていることに注目すべきである。前記フランス特許では、湾曲したフランジの外面において材料の厚さを増加させることにより、シートパイルの慣性モーメント及び断面係数を向上させ、シートパイルの横断面を強化し、圧力下における湾曲したフランジの変形を防止することを特に言及している。
本発明のように材料厚さを増加させることにより、これと同様な効果を勿論得ることができる。とりわけ、Ｕ字型シートパイルのねじれに対する抵抗を高めることができる。接続される角部の材料を増加させることにより、ウェブ及びフランジが強固なものとなり、ゆがみが抑制される。さらに、シートパイルの全塑性モーメント及び曲げモードにおける許容回転量が著しく増加するので、Ｕ字型シートパイルは、破壊点に至る前に相当の塑性変形に耐えることができる。
しかしながら、本発明の主たる利点は、凹状の角部の部位の材料を増加させることにより、所定の横断面を持ったＵ字型のシートパイルを打ち込みする場合に、その抵抗を低減しうることにある。事実、本発明によれば、凹状の角部において局部的に材料の厚みを増加させることは、主としてフランジ／ウェブの接続位置における凹状の角部を平坦化する効果があり、これらの凹状の角部をより開いたものとする。シートパイルを、打撃又は振動によって打ち込む間、このように凹状の角部が平坦化していることにより、角部の外側で土壌の粒子が流れやすくなる。つまり、凹状の角部において土壌の締固め（compaction）を軽減することができるため、シートパイルの打ち込み抵抗を低減することができる。このような効果は、砂の多い土壌において特に顕著である。
円柱状の接続面は、前記凹面状の角部の各フランジ及びウェブの面のほぼ接線となっており、パイル打ち込みにおけるシートパイルの抵抗を軽減するために最も適しているといえる。しかしながら、このような結論は、凹状の角部がこれらの外側の土壌の粒子を流れやすくするように平坦である限り、凹面状の角部を決定するにあたって、各フランジ及びウェブの面を接線としまたは接線としないような面、さらには多角形の面又は単純な平面のようなあらゆる種類の湾曲面を利用することを排除するものではない。
標準化された砂床で行われた打ち込み試験によれば、凹状の角部の対応するフランジ及びウェブの面を接線とする円柱状の接続面の半径が７５ｍｍになると打ち込みエネルギーの実質的な減少がみられる。この結果から、打ち込みの時間を実質的に減らすためには、前記厚みの増加は、フランジ／ウェブの接続部の凹状の角部が少なくとも半径７５ｍｍの接線円柱状接続部のように開いたものでなければならない。より定量的には、例えば、前記の局部的に増加した厚さは、少なくとも７５ｍｍの半径を持った仮想的な円柱面であって、増加された厚みが存在しないと仮定した場合に各フランジ／ウェブを接続する凹面角部を形成することとなる２つの平面を接線とする円柱面を十分に含み、円柱面が２つの接線面間において完全に増加した厚さの内側に位置するということである。
フランジ／ウェブの接続位置にある凸状の角部は、好ましくは僅かに丸みを帯びており（丸みの半径≦２５ｍｍ）、ウェブの外側の部分に材料を最大限に集中させることにより、型材にできるだけ大きな慣性モーメントを与えるようになっていることに注目すべきである。
さらに、本発明のシートパイルは、熱間圧延された鋼製のシートパイルであることが望ましい。
本発明のシートパイルの好ましい実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
図において、
図１はシートパイルの半分部分の横断面図、
図２は、図１のシートパイルのフランジ／ウェブ接続部分の拡大図である。
発明の実施の形態
図１は、本発明のＵ字型シートパイルの半分の横断面図である。他方の半分は、参照番号８によって示される平面について図示した半分と完全に対称である。このシートパイルは、断面図の対称面８に垂直でほぼ平坦なフランジ１０を有している。２つのほぼ平坦なウェブ１２はこのフランジ１０に接続されており、図１には、左側のウェブのみが示されている。これらのウェブ１２は、それぞれが連結部材１４を持っており、他のシートパイルの対応する連結部材と結合することにより、多かれ少なかれ不浸透性のジョイントを形成する。連結部材１４の中心軸は、図面の紙面に対して垂直であって、参照番号１５によって示されている。フランジ１０は、一般的には、ウェブ１２に比較して実質的に厚くなっている。
図示したシートパイルでは、ウェブとフランジに平行な面とのなす角αは約７４°である。この角度は、さらに大きく又は小さくすることができることは明白であろう。本発明に関連するシートパイルでは、鋭角αは、通常４０°〜８０°の間となる。
さらに、図１の参照番号１６の矢印によって示されるシートパイルの外側の角部及びこれと対称な図示しない角部を「フランジ／ウェブ接続部によって限定される凸状の角部」（又は、単に「凸状の角部」）と称することとし、図１の参照番号１８の矢印によって図示されるシートパイルの内側の角部及びこれに対称な図示しない角部を「「フランジ／ウェブ接続部によって限定される凹状の角部」（又は、単に「凹状の角部」）と称することとする。
凸状の角部１６はウェブ１２の平坦な外面２０をフランジ１０の平坦な外面２２に接続する（図２参照）。これらの凸面状の角部１６は、圧延における制約及び／又は安全面での配慮（鋭い端面を避ける）によって決定される曲率半径ｒで湾曲されている。ｒの値は通常１０ｍｍよりも大きくかつ２５ｍｍよりも小さくされる。ｒの値が小さければ、型材の曲げ断面係数（section bending modulus）が大きくなる。
地中に打ちこまれるシートパイルの抵抗を低減するために、本発明における凹状の角部１８は、これらの場所において局部的に厚みを増加することにより実質的に平坦化されている。周知のＵ字型シートパイルに対するこのような変形を以下図２を参照して詳述する。図２では、標準的なシートパイルの凹状のフランジ／ウェブの角部が破線（図２に参照番号２４で示した線を参照）で示されている。この凹状の角部２４は、圧延における制約によって決定される曲率半径で湾曲され、凸状角部１６の半径ｒにほぼ対応している。標準的な凹状の角部２４を平坦化し角部をより開いたものとすることができる局部的に増加した厚みは同図の斜線領域２６によって示されている。この増加した厚み２６により、凹状の接続面３０が与えられる。対称位置にある凹状の角部も同様な外形を持っていることを指摘しておく。
図１及び２に示したシートパイルでは、凹状の接続面３０は、フランジ１０の平坦な内面１０及びウェブ１２の平坦な内面３４を接線とする円柱状の連続面である。図２の矢印３６により、土壌の粒子が円柱状の接続面３０に沿って自由に流れて、Ｕ字型シートパイルの打ち込みにおいて、打ち込みを妨げるような土壌の締固めの形成がいかにして避けられるかが示されている。
標準化された砂床で行われた打ち込み試験では、フランジ／ウェブの接続部の凹状の角部の各フランジ及びウェブの面を接線とする円柱状の連続面の半径が７５ｍｍになると打ちみエネルギーが著しく減少することが示された。図２において、この「最小の」円柱状接続の経路は、参照番号３８によって示されかつ破線で示した円弧によって表されている。この円弧３８は、増加した厚み２６が存在しない場合にフランジ及びウェブを接続する凹状の角部を形成することとなる２つの平面３２及び３４を接線とするものであり、打ち込みにおけるエネルギーの著しい低減に必要な、凹状角部における最小の追加厚さを決定するものであると考えられる。円柱状の接続面３０に対応する増加材料厚さが大きくなると、パイル打ち込みにおけるエネルギーをさらに減少させるのみならず、塑性モーメントを増加させ、かつ曲げモードにおける型材の許容回転量を増加させる。参照番号４０は、面３０と最小の材料の面３８との間の多角形状の接続面を示す。
以上で説明したシートパイルは、周知のＵ字型シートパイルと、特に以下の点において異なる。
(a) パイル打ち込み時における抵抗が低減されており、その効果は砂まじりの土壌における打ち込み又は振動による作業において顕著である。
(b) 全塑性モーメント及び曲げモードにおける許容回転量が大幅に増加し、パイル打ち込みにおける抵抗の低減とあいまって工事現場における作業効率を著しく向上させることができる。
(c) シートパイルのねじれに対する抵抗が向上している。
(d) フランジ／ウェブ接続の外側のウェブ／フランジの厚みを節減できるため、このようなシートパイルによって形成されるスクリーン（screen）は良好な「弾性断面係数／重量」比を得ることができる。
(e) 腹起こし（waling）及び／もしくはアンカー・プレートによって設けられた支持スクリーンにおいて、力をより良好に伝達することができる。
以上のように、本発明は、困難な条件下での使用において理想的な、杭打ち及びパイル打ち込みのための形状を有している。

Claims (9)

1. 全幅にわたってほぼ平坦なフランジ（１０）と、フランジ（１０）に対して垂直な平面（８）について対称となるようにフランジ（１０）に接続される２つの平坦なウェブ（１２）と、２つのウェブ（１２）の各々の端部に設けられた連結部材とを有するＵ字型シートパイルであって、当該シートパイルは深さ／有効幅の比が０．１８以上であり、該有効幅が連結部材（１４）の中心軸間の距離によって定められ、前記深さが２つの連結部材（１４）の中心軸を通る平面とフランジ（１０）の外面（２２）とを隔てる距離によって与えられるものであり、２つのフランジ／ウェブ接続部によって限定される凹状の角部（１８）が増加した厚み（２６）によって大幅に平坦化されて、シートパイルの打ち込み抵抗を低減させるシートパイル。
2. 前記増加した厚み（２６）が仮想的な円柱面（３８）に十分なものであり、該円柱面は少なくとも７５ｍｍの半径を有しかつフランジ及びウェブ（３２，３４）の内面を延長した面を接線とするものであり、これら２つの接線面間において完全に前記増加した厚み（２６）の内側に位置する請求項１に記載のシートパイル。
3. 凸状の角部（１６）が僅かに湾曲しており、その曲率半径が２５ｍｍ以下である請求項１又は２に記載のシートパイル。
4. 凹状の角部（１８）を限定する接続面が湾曲した面（３０）である請求項１〜３のいずれかに記載のシートパイル。
5. 凹状の角部（１８）がフランジ及びウェブ（３２、３４）の内面を接線とする湾曲した面（３０）によって構成される請求項４に記載のシートパイル。
6. 凹状の角部（１８）を限定する接続面が多角形の面（４０）である請求項１〜５のいずれかに記載のシートパイル。
7. 凹状の角部（１８）を限定する接続面が平坦な面である請求項１〜６のいずれかに記載のシートパイル。
8. 当該シートパイルは熱間圧延成形された鋼製のシートパイルである請求項１〜７のいずれかに記載のシートパイル。
9. 深さ／有効幅の比が０．２５以上である請求項１〜８のいずれかに記載のシートパイル。

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