JP4866713B2 - マンホールの構造 - Google Patents

Description

本発明は、マンホール、ハンドホールの構造に関するものである。

地震によって地盤が液状化した場合に、その振動でマンホール、ハンドホール（以下、本明細書、特許請求の範囲の記載を含めて、総称して「マンホール」という）に浮力が作用して配管と絶縁してマンホールとしての機能を喪失するばかりか、マンホールの上部が路面の上に飛び出して、交通の障害になるような事故が発生している。
そのような問題を改善するために、例えば図１４に示すように、マンホールａの下に大きなコンクリートブロックｂを形成し、そのブロックｂの重量によって地盤の液状化に対するマンホールａの浮上を防止するような構成が開発されている。（特許文献１参照）
あるいはマンホールの周囲の地盤が液状化しないように地盤改良する方法も提案されている。（特許文献２参照）
あるいは、液状化した土砂をマンホールの内部に導入して浮力を吸収するような方法も提案されている。（特許文献３参照）
特開２００６−１９４０３３公報。 特開２００６−１８３２４４号公報。 特開２００６−１２４９６６号公報。

前記した従来のマンホールの構造にあっては、次のような問題点がある。
＜１＞ マンホールの浮上防止のためにカウンターウエイトを取り付ける構造では、カウンターウエイトの設置作業に多大な労力を要し、掘削量も大きくなり不経済なものである。
＜２＞ マンホールの周囲の地盤を改良する方法では、マンホールの設置前後に地盤改良の工事が必要となり、道路を遮断する時間が長時間にわたるとともに高価な作業となる。
＜３＞ 液状化した土砂をマンホールの内部に導入する構造は、実際の地震時に瞬間的に土砂が移動するとは考えにくく、実施化には疑問を有するものである。

上記のような課題を解決するために、本発明のマンホールの構造は、筒状のマンホールと基礎コンクリートと浮上抑止板より構成し、マンホールの直下に打設した基礎コンクリートと浮上抑止板は一体構造であり、浮上抑止板は、平面視的にマンホールの外部に向けて突設して構成し、浮上抑止板とマンホールとは、係合部材によって係合可能に構成したものである。

あるいは本発明のマンホールの構造は、マンホールの短筒相互の分離を抑止可能であるように、浮上抑止板とマンホールの上部とを、鉄筋、鉄棒、鉄板、ロープ、炭素繊維のベルトなどの係合部材によって係合可能に構成したものである。

あるいは本発明のマンホールの構造は、浮上抑止板は、平面視的に、マンホールの外部に向けて、マンホールの外形寸法の少なくとも１０％を突設して構成したものである。

本発明のマンホールの構造は以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜１＞ カウンターウエイトの重量を利用するのではなく、浮上抑止板の上に位置する、地上に至るまでの土塊の重量を利用するものであから、簡単な構造によって大きな浮上抑止力を得ることができる。
＜２＞ マンホールの周囲の地盤を改良するような長時間の作業を必要とせず、したがって交通へ与える影響を最小限に抑えることができる。
＜３＞ 液状化した土砂をマンホール内部に導入するような不確定な要素がなく、確実にマンホールの浮上の抑止をはかることができる。
＜４＞ 従来の公知のマンホールに浮上抑止板を取り付けるだけの簡単な構造であるから、従来の市販のマンホール体や、現場打設のマンホールの構築方法をそのまま利用できる。

以下図面を参照にしながら本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。

＜１＞マンホール。
地中の下水道、電気や電話線の配管路などの検査、補修のために人の出入りが自由な中空の筒体をマンホール１として設ける。
本発明の対象とするマンホール１は、プレキャストコンクリート製のマンホール１、あるいは現場打ちコンクリート製のマンホール１、鋼製、合成樹脂製のマンホール１である。
マンホール１の基本形は中空の円筒形であるが、水平断面が正方形のもの、長方形のもの、楕円形のものなども対象とすることができる。

＜２＞浮上抑止板２。
マンホール１の外周には、鍔状に浮上抑止板２を突設する。
この浮上抑止板２はコンクリート製、鋼製、合成樹脂製の板体であり、マンホール１を地中に設置した場合に、ほぼ水平の方向に位置するように構成する。
そして浮上抑止板２の寸法は、平面図として見た場合に、すなわち平面視的に、マンホール１の外部に向けて突出した状態を構成する必要がある。
そのために例えば、浮上抑止板２は、浮上抑止板２は内側にマンホール１の外形とほぼ等しい形状の穴を開口した鍔状の板体を採用する。（図１、２の実施例）
あるいは浮上抑止板２は、マンホール１の外形よりも外形の大きく、穴を開口していない板体を採用する。（図３の実施例）

＜３＞浮上抑止板２の取り付け。
マンホール１に浮上抑止板２を取り付けるには各種の構成を採用することができる。
例えば（１）従来の構造のマンホール１を工場、あるいは現場で製造する際に、マンホール１の底版と一体で、かつ平面視的に、マンホール１の外部に向けて突出した浮上抑止板２を形成する方法を採用することができる。
あるいは（２）マンホール１の直下に基礎コンクリートを打設する場合に、その基礎コンクリートの外周に、平面視的に、マンホール１の外部に向けて突出した状態で浮上抑止板２を一体構造として形成する方法を採用することができる。
あるいは（３）筒状のマンホール１の外周に、外向きに係止突起を突設し、一方、浮上抑止板２は内側にマンホール１の外形とほぼ等しい形状の穴を貫通した鍔状の板体として構成し、係止突起の上側に、浮上抑止板２を配置して構成することができる。（図１，２の実施例）
平面視的に見た場合に、係止突起はマンホール１の外周に外向きに突出しているから、この突起が、その上側に搭載した浮上抑止板２を支持する。
あるいは（４）筒状のマンホール１の外周に係止突起を突設し、浮上抑止板２はマンホール１の外形よりも外形の大きい板体で構成し、浮上抑止板２には係止突起に契合する係止具３を設け、この係止具３と係止突起とを係合可能に構成することもできる。（図３の実施例）
あるいは、（５）複数の短筒を積み重ねて構成したマンホール１の場合に、地震時の上下動によって相互に外れる可能性が考えられるが、浮上抑止板２をマンホール１の底部に配置し、その浮上抑止板２とマンホール１の上部とを鉄筋、鉄棒、鉄板、ロープ、炭素繊維のベルトなどの係止具３で連結しておけば、マンホール１は上下から拘束されることになり、浮上の抑止だけでなく、短筒相互の分離をも抑止することができる。
その場合に、浮上抑止板２は穴のない平板とし、その上にマンホール１を搭載する構成でもよいが（図１２）、貫通穴を開口した構成の浮上抑止板２を採用することもできる。（図１３）
また図１３に示すように、鉄筋、鉄棒、鉄板、ロープ、炭素繊維のベルトなどの係止具３の端を浮上抑止板２に固定し、中間をマンホール１の上部に掛け回しておく構成を採用することもできる。

＜４＞浮上抑止板２形状の決定。
マンホール１の周囲に設けた浮上抑止板２は、マンホール１の外周面から少なくともマンホール１の外形、外寸法の１０％以上、平面視的に周囲に向けて突出させることが望ましい。
その根拠を以下に検討する。

＜５＞液状化の検討。
文献「新編 土と基礎の設計計算演習」（社団法人地盤工学会発刊）421ページに記載されている一節を以下に記述する。「液状化した地盤は、液体としての力学的挙動に似た挙動を示す。その単位体積重量は液状化する前の飽和砂地盤のそれと同じであり、水の単位体積重量の約2倍である。」
本発明のマンホール１は、上記の理論をマンホール１の浮上の抑止のために応用したものである。

＜６＞従来のマンホール。
ここで単純化したモデルで本発明の考え方を示す。
まず比較のために図８に示すような従来のマンホールの単純モデルを検討する。
マンホールが支持地盤上に安定した状態を表している。この状態を数式で表すと下記のようになる。

W1 + W2 + Ｆａ ≧ Uａ --------------------------式1
ここで W1はマンホールの重量
W2はマンホールより上部の道路舗装、土砂等の重量
Ｆａはマンホールと周辺土砂との摩擦力
Ｕａはマンホールが受ける地下水による浮力

＜７＞地震時の現象。
上記の従来のマンホールのモデルが、地震の発生で周辺土砂の一部もしくは全てが液状化した場合には、マンホールと液状の周辺土砂との間の摩擦力はゼロに近づく。（図９）
また、周辺土砂は液状化して水の単位体積重量の２倍の単位体積重量をもった液体と想定することができる。つまり浮力は２倍になる。
そして下記のような数式で表される状態で、マンホールが浮かび始めると考えられる。

W1 + W2 + Ｆｂ ＜ Ｕｂ --------------------------式2

ここで
W1は式1と同じ
W2は式1と同じ
Ｆｂはマンホールと周辺土砂との摩擦力 ：Ｆｂ≒0
Ｕｂはマンホールが受ける液状化した土砂による浮力：Ｕｂ≒Ｕａ×2

以上からわかるように、従来の形状のマンホールの場合には、液状化現象によって、周辺摩擦力がゼロに近づき、かつ浮力が２倍近くになることからマンホールが浮き上がり、さらにマンホールが地表面に飛び出す状態が発生する。

＜８＞本発明のマンホール１の場合。
本発明の抑止板を装着したマンホール１が地震時の液状化した周辺土砂の中にある時の単純モデルを図１０で検討する。
浮上抑止板２より上部の土砂によってマンホール１の浮き上がりを防いでいる状態を下記の数式で表すことができる。

W1 + W2 + W3 ＋ Ｆｂ ≧ Ｕｂ --------------------式3

ここで W1は式2と同じ
W2は式2と同じ
W3は抑止板上部の土砂の重量
Ｆｂは式2と同じ
Ｕｂは式2と同じ

言い換えると本発明の抑止板２は、空中で落下傘が空気の抵抗で落下しないように、液状化した土砂の中で抑止板２は土砂の抵抗で浮上しない点に着目した発明である。その抵抗力は液状化した土砂の重量である。

＜９＞計算例。
図１１に示すような単純なモデルで一般的な数値を使っての計算例を示す。

Ｖ1：マンホールの体積
Ｖ2：マンホールの内部空間
γｃ：コンクリートの単位体積重量：25ｋＮ/ｍ3
γ1：周辺土砂の単位体積重量：20ｋＮ/ｍ3
γ2：マンホール上部の土砂その他の単位体積重量：20ｋＮ/ｍ3

V1＝1.0×1.0×3.14×3.0 ＝9.42 ｍ3
V2＝0.8×0.8×3.14×2.6 ＝5.22 ｍ3

W1＝（V1-V2）×γｃ＝（9.42-5.22）×25ｋN/ｍ3 ＝105 ｋN
W2=1.0×1.0×3.14×1.0×20 ＝62.8 ｋN
W3=（1.2×1.2-1.0×1.0）3.14×3.6×20 ＝99.5 ｋN

Ua＝V1×水の単位体積重量 ＝9.42×10 ＝ 94.2 ｋN
Ub＝V1×γ2 ＝9.42×20 ＝ 188.4 ｋN

＜１０＞平常時の本発明のマンホール１。
ここで、図4の単純モデルが通常状態にあるときの関係式は以下のようであり、周辺摩擦力Ｆａを無視しても安定状態にあると言える。

W1 + W2 + Ｆａ ≧ Uａ ------------------------------式1
105ｋＮ+62.8ｋＮ+α ＞ 94.2ｋＮ

＜１１＞地震時の本発明のマンホール１。
次に、地震時に本発明のマンホール１が液状化した土砂の中にある状態では、以下の式のように周辺摩擦力Ｆｂは期待できないのでゼロとなり、浮力は２倍となる。
この状態は右辺の浮力が左辺より大きくなり、マンホールは不安定で浮上する状態にあると言える。

W1 + W2 + Ｆｂ ＜ Ｕｂ -----------------------------式2
105ｋＮ+62.8ｋＮ+ 0 ＜ 188.4ｋＮ

しかし本発明のマンホール１の周囲にマンホール１の外形の１０％以上の抑止板２を装着した場合には、下記の式において、右辺の浮力より左辺のマンホール１自重と上部土砂の重量が大きくなり、したがってマンホール１は浮上しない。

W1 + W2 + W3 ＋ Ｆｂ ≧ Ｕｂ -----------------式3
105ｋＮ+62.8ｋＮ+99.5ｋＮ+ 0 ＞ 188.4ｋＮ

＜１２＞本発明の評価。
実際にはマンホール１の大きさ形状は様々であり、また、マンホール１が設置される深さも様々である。周辺土砂の土質も一定ではない。
現状では液状化した土砂の粘性や流動性の程度は不明であるが、液状化した土砂内部の水は上昇し、水より比重の重い土砂は沈降する傾向がある。
そして液状化状態の土砂であっても、重量があることは確かである。
このように不明確な点もあるが、抑止板２の面積を余裕のある広さで計画することで、液状化した土砂の中からマンホール１の地表への飛び出し、露出を阻止できるだけでなく、液状化の後にも実用に供すことができる深さと位置に留めておくことができる。
以上のモデルからマンホール１躯体外側にマンホール１の外形の１０％以上の幅を持った抑止板２を設置することで浮き上がりに抵抗する効果が現れると想定できる。

＜１３＞その他の評価。
マンホール１の平面視的形状と異なった平面形状の浮上抑止板２を設置する場合、例えばマンホール１の平面視的形状が円形で、浮上抑止板２が多角形の平板である場合、浮上抑止板２の総面積が、マンホール１の平面積の0.44倍以上であることが好ましい。
また浮上抑止板２がマンホール１の外周に突出している面積が小さい場合でもその抑止効果は期待できる。
しかし、地震時にマンホール１が傾斜せず、供用が可能な位置を確保するためには、平面視的にマンホール１の外周に44％以上の面積を維持し、かつマンホール１の重心を中心として前後左右のバランスのよい面積配分を行うことが好ましい。

＜１４＞模型実験。
本発明の発明者による室内実験について説明する。
マンホールの深さ、形状はさまざまであることから、深さ、形状別にいくつかに分類し、実物大の実験によって抑止板の幅、面積を定めることで、実用化できるが、今回は牛乳瓶をマンホールとして実験を行った。
まず直径が約５ｃｍの牛乳瓶を２本用意し、１本には浮上抑止板２として薄板をその全周の外側に１ｃｍの幅だけ突設させた。
他の１本は比較例とし、同じ規格の牛乳瓶において、浮上抑止板２は取り付けなかった。
そして大型のプラスチック製のバケツの底に約１０ｃｍの厚さの砂層を形成し、その砂層の上に上記の２本の牛乳瓶を設置した。（図４）
その後、牛乳瓶の周囲を、口元まで砂を付き固めながら埋めた。（図５）
次に砂が水の飽和状態に近づくように散水した後、バケツに急激な振動を与えた。
振動を与えている時間にしたがって、浮上抑止板２を取り付けていない比較例の牛乳瓶は簡単に上昇をはじめた。（図６）
そして、約２０秒後には全体が砂層の表面に飛び出して横転してしまった。（図７右）
それに対して、周囲に浮上抑止板２を取り付けた牛乳瓶は、砂の液状化が始まっても、まったくその位置を移動せず、浮上をすることもなかった。（図７左）
そして振動を停止した後にも引き上げようとしても、浮上抑止板２上の砂層が締まった状態になり引き上げの抵抗が大きくなっていた。
このように、本発明のマンホール１が液状化に対して安定していることが模型でも立証された。

本発明のマンホールの構造の実施例の斜視図。 図１の実施例の側面図。 他の実施例の側面図。 模型実験の説明図。 模型実験の説明図。 模型実験の説明図。 模型実験の説明図。 従来のマンホールのモデルの説明図。 従来のマンホールのモデルの地震時の説明図。 本発明のモデルの説明図。 本発明のマンホールの実施例の寸法図。 他の実施例の側面図。 他の実施例の側面図。 従来のマンホールの説明図。

符号の説明

１：マンホール
２：浮上抑止板
３：係止具

Claims (3)

1. 筒状のマンホールと基礎コンクリートと浮上抑止板より構成し、
   マンホールの直下に打設した基礎コンクリートと浮上抑止板は一体構造であり、
   浮上抑止板は、平面視的にマンホールの外部に向けて突設して構成し、
   浮上抑止板とマンホールとは、係合部材によって係合可能に構成した、
   マンホールの構造。
2. マンホールの短筒相互の分離を抑止可能であるように、浮上抑止板とマンホールの上部とを、鉄筋、鉄棒、鉄板、ロープ、炭素繊維のベルトなどの係合部材によって係合可能に構成した、
   請求項１記載のマンホールの構造。
3. 浮上抑止板は、
   平面視的に、マンホールの外部に向けて、マンホールの外形寸法の少なくとも１０％を突設して構成した、
   請求項１または２記載のマンホールの構造

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