JP5314252B2

JP5314252B2 - 管路の構造

Info

Publication number: JP5314252B2
Application number: JP2007072683A
Authority: JP
Inventors: 矢内誠; 長岡信玄
Original assignee: 矢内誠
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008232266A

Description

本発明は、上下水管や、ガス管、配線ダクトなど（以下「管路」という）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、総称して「マンホール」という）に浮力が作用して管路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たことが知られている。
しかし実際にはマンホールだけでなく、長距離にわたって地中に配置してある管路も不規則に浮上し、その結果途中で切断したり、実用に供することができない程度に破損してしまう被害が発生している。

このような地震による管路の破損の原因は次のように考えられる。
そのひとつは、地震の横揺れで管路の延長方向に管路を伸縮させる力が作用し、管路の連結部分が外れたり、破損する場合である。
あるいは、地震による上下動で、あるいは地盤の不等沈下によって管路を上下にせん断する力が作用して管路が破壊する場合である。
あるいは、埋め戻し土砂の液状化現象によって管路が浮上したり、連結部分が外れたりして、管路が破壊する場合である。この場合には管路が破壊した時点で大量の液状化した土砂が管路内に流れ込み、管路が地表面まで突出するに至らないことが多い。
そのような問題を改善するために、例えば図１１に示すように、管路自体への対策ではなく、管路が接続しているマンホールａの浮上を阻止することで管路の破損を阻止するような技術が開発されている。
その例としてマンホール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の浮上を防止し、それに接続する管路ｃの破損をも防止するような構成である。（特許文献１参照）
このようなマンホールの浮上防止のためにカウンターウエイトとしてのコンクリートブロックｂを取り付け、その結果管路の浮上、破損を阻止する構造では、マンホールへ取り付けるコンクリートブロック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。
あるいは埋め戻し土砂を搬出し、搬出土砂もしくは他の現場の土砂をプラントにおいてセメントなどを混合し、液状化になりにくい改良土砂を製造し、それを現場に搬入して埋め戻しを行う、という方法も実施されている。
この方法では、土砂の混練のための設備や資材のコスト、運搬のコストがかかるという問題がある。
あるいは、従来の埋め戻しに使用している山砂の使用をやめ、これに代えて砕石を使用して埋め戻す工法も実施されている。
しかし砕石はコストが高く、管路に傷を付ける可能性がある。また砕石間の空隙に周囲の土砂を引き込み、周囲の地盤を弱める恐れもある。
特開２００６−１９４０３３公報。

上記のような課題において本発明の管路の構造は、地中に埋設する予定の管路、もしくは既に埋設してある管路と、浮上抑止板より構成し、浮上抑止板は、管路の下でかつ、管路と管路の連結部に、両管路にまたがって位置させ拘束材で拘束し、平面視的に、管路の外部に向けて、浮上抑止板を突設するように配置し、浮上抑止板の面積Ｓは、管路延長単位長さ当たり、Ｓ≧Ｖａ（１−γａ／γｂ）／Ｄであり、浮上抑止板の管路の延長方向の長さは、管路の直径以上とし、浮上抑止板の管路の横断方向の幅は、管路の直径の１．４倍以上であり、かつ管路の埋設のための掘削幅以下であるように構成したものである。
なお、
Ｄ：浮上抑止板の地上からの深さ。
Ｓ：浮上抑止板の平面面積。
Ｖａ：管路の体積。
γａ：管路の見かけの単位体積重量ＸｋＮ／ｍ ³
γｂ：飽和砂地盤の単位体積重量 20ｋＮ／ｍ ³
（水の単位体積重量＝10ｋＮ／ｍ ³ ）

また本発明の管路の構造は、管路の下に位置させる浮上抑止板の上面には、
管路の外型に沿った凹部を形成したものである。

本発明の管路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＞管路の浮上の防止のために、マンホールに取り付けた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るから、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＞管路の周囲の地盤を改良するような長時間の作業や、土砂の運搬作業を必要とせず、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＞従来から市販されている管路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、安価で容易に構築することができる。
＜４＞既に敷設されている管路に対しても、容易に適用することができ、上下水、電気、ガスなどの供給を停止することなく、土砂の液状化による管路の破壊を阻止することができる。
＜５＞コストが高く、管路を傷付ける可能性のある砕石を使用しないから経済的で高い信頼性を維持できる。特に砂質土地盤の海岸地域の都市下水道、電気、ガスのは管路の耐震性確保に有益である。

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＞管路。
上下水道用の上下水管、電気や通信線の配線ダクト、ガスの供給管などの管路が地中に埋設されている。
本発明の対象とする管路１は、コンクリート製、鋼製、鋳製、陶製、あるいは合成樹脂製などの市販の管路のすべてを対象とすることができる。
コンクリート製の管路としては、プレキャストコンクリート製の管路だけでなく、現場打ちコンクリート製の管路も対象とすることができる。

＜２＞浮上抑止板２。
管路１の外部には、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、金属製、合成樹脂製などで製造するが、地中で地震時の流動化した土砂の土圧や土砂の重量を受けても容易に変形、破損しない程度の強度を備えるように設計する。
その一部には平面部が形成してあり、管路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地中に配置する。
この浮上抑止板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、管路１の断面よりも外部に向けて突出した状態を構成する必要がある。
浮上抑止板は単なる平板でもよい。
しかしさらに断面が円形の管路１とのなじみを良くするために例えば浮上抑止板２の一面に凹部を突設した形状を採用することもできる。
この凹部はブロック体であり、その表面には円弧状にへこんだ円弧溝を形成することもできる。
この円弧溝の曲面の曲率を、管路１の外形の曲率とほぼ等しく形成する。
そして浮上抑止板２の上に管路１を搭載するに際して、円弧溝の上に管路１を配置する。
あるいは管路１を敷設した後に、管路１の上から浮上抑止板を配置し、円弧溝を管路１の上部の曲面と一致させる。
すると、平面状の浮上抑止板と円形断面の管路１とをなじみよく一体化させることができる。
あるいは図１０に示すように、浮上抑止板の表面の一部の厚みをブロック状に増加させ、この凸部の一部に凹部としてのへこみを形成するのではなく、浮上抑止板２の厚みを増加させずに、その一部に円弧状の円弧溝を形成し、この円弧溝の曲率を、管路１の外形の曲率とほぼ等しく形成することも可能である。

＜３＞浮上抑止板の設置位置。
浮上抑止板２は管路１と管路１の連結部に、両管路１にまたがって取り付けると効果的である。
しかし浮上抑止板２の設置位置は、連結部に限定するものではない。
また浮上抑止板２は管路１の延長方向の所定の位置に、線路の枕木のように間隔を介して配置することもでき、あるいは間隔を介さずに接近させて配置することもできる。
浮上抑止板２を管路１の連結部の上に設置する場合（図４、５）には、管路１の周囲を埋め戻す土砂が、管路１の頂部に至った段階で平板状の浮上抑止板２をその上に置くことによって設置することができる。
管路１がすでに地中に設置されている場合には、管路１の直上まで掘削し、管路１の上端を露出させ、あるいは上端の上にわずかに土砂の層が存在する状態でその上部に浮上抑止板２を搭載し、埋め戻しを行えば目的を達成することができる。
浮上抑止板２を管路１の連結部の下に設置する場合（図２）には、地中に水平に浮上抑止板２を敷設し、その上に管路１を設置する。
この場合に、管路１を敷設するために用いる、通常受け台と称するコンクリート板を浮上抑止板２として利用することもできる。
この場合に受け台は後述するような必要とする面積の広さを持った板とし、管路１の浮力や土砂の重量などを考慮して補強する必要があると同時に後述する拘束材を取り付けるための装置を設ける必要がある。
図３のように管路１を補強するための基礎コンクリートに平面部分を突出させて浮上抑止板２として利用することも可能である。
その場合にも後述する拘束材の取り付けが必要である。

＜４＞拘束材による固定。
浮上抑止板２を管路１の下に取り付ける場合には両者が離れることがないように拘束材が必要となる。
すなわち管路１と浮上抑止板２と一体にするには、帯状、線状の拘束材によって管路１の周囲を巻いて浮上抑止板２と一体化する。
この拘束材は、鉄筋、鉄棒、鉄板、ロープ、炭素繊維のベルトなどによって構成することができる。
そして、たとえば地中に水平に配置した平板状の浮上抑止板２の上に管路１を搭載し、浮上抑止板２に端部を固定した拘束材によって、平板状の浮上抑止板２の上に搭載した管路１を拘束する。
あるいは地中に設置した管路１の上に平板状の浮上抑止板２を水平に配置した場合には必ずしも拘束材によって管路１を拘束する必要はない。
浮上抑止板２の一面に円弧溝を形成した場合には、その円弧溝の内部に管路１の曲面の一部が納まる状態で、管路１の上または下に配置し、拘束材で拘束する。
浮上抑止板２と管路１との拘束位置は、管路１と管路１との連結部で行うことが、地震対策として有効であるが、その位置に限定するものではない。

＜５＞浮上抑止板２の寸法の決定。
以下に浮上抑止板２の寸法を定めるための根拠を説明する。

＜６＞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。」
本発明の管路１は、上記の理論を管路１の浮上の抑止のために応用したものである。

＜７＞従来の管路。
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６に示すような従来の管路の単純モデルを検討する。
管路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は管路の重量
W2は管路より上部の道路舗装、土砂等の重量
Ｆａは管路と周辺土砂との摩擦力
Ｕａは管路が受ける地下水による浮力

＜８＞地震時の現象。
上記の図６の従来の管路のモデルが、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、管路と液状の周辺土砂との間の摩擦力はゼロに近づく。（図７）
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、管路１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は管路と周辺土砂との摩擦力：Ｆｂ≒0
Ｕｂは管路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、従来の形状の管路１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管路１が浮き上がり、さらに管路１が地表面に飛び出す状態が発生する。
さらに問題となるのは、一般に管路１は断面形状が円形である点である。
管路１と液状化した土砂との間の摩擦力がゼロに近い状態では、管路１に影響するその上部土砂の重量は、管路１の円形断面の頂点の水平に近い付近だけである。
つまり「管路１より上部の道路舗装、土砂などの重量」であるW2はあまり期待できないことから、次の式が成立する状況であっても管路１が浮上してしまうという現象が想定される。
W1 + W2 + Ｆｂ＞Ｕｂ --------------------------式2´

＜９＞本発明の管路１の場合。
本発明の抑止板を装着した管路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８で説明する。
浮上抑止板２より上部の土砂によって管路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：前記の理由で期待できない。
W3は抑止板上部の土砂の重量
Ｆｂは管路の周辺土砂との摩擦力≒０
Ｕｂは管路が受ける液状化した土砂による浮力≒Ua×２

言い換えると本発明の抑止板２は、液状化した土砂の中で抑止板２が浮上しようとしたとき、土砂の抵抗で浮上しない点に着目した発明である。
抑止版２は土砂の抵抗を受けやすいように、平面形状が水平方向に広く構成してあれば十分にその機能を発揮する。

＜１０＞具体例。
以下、より具体的に説明する。
一般にコンクリート製管路１の見かけ比重は1.0〜0.6程度である。
また塩化ビニールや合成樹脂製の管路１の見かけ比重は0.2〜0.1程度と、きわめて小さい。
管路１の延長１ｍ当たりで、本発明の浮上抑止板２を用いた場合に、液状化した土砂の中で管路１が浮上しないことを計算式で示す。

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

Ｄ：浮上抑止板２の地上からの深さ。
Ｓ：浮上抑止板２の平面面積。
Ｖａ：管路の体積。
γａ：管路の見かけの単位体積重量ＸｋＮ／ｍ３
γｂ：飽和砂地盤の単位体積重量 20ｋＮ／ｍ３
（水の単位体積重量＝10ｋＮ／ｍ３）

W1＝Ｖａ×γａ
W2≒０（断面頂部が円形の場合は期待できないため）
W3＝Ｄ×Ｓ×γｂ
Ｆｂ≒０（液状であるため摩擦は期待できないため）
Ｕｂ＝Ｖａ×飽和砂地盤の単位体積重量＝Ｖａ×γｂ

上記を式３に代入すると以下のようになる。

W１＋０＋W３＋０≧Ｕｂ
Ｖａ×γａ＋ＤＳ×γｂ≧Ｖａ×γｂ
ＤＳ×γｂ≧Ｖａ×γｂ−Ｖａ×γａ
ＤＳ≧Ｖａ（１−γａ／γｂ）
Ｓ≧Ｖａ（１−γａ／γｂ）／Ｄ――――――――――――――式４

＜１１＞考察。
このように必要とされる浮上抑止板２の最小平面積は式４で示される。
この式から分かるように、浮上抑止板２の面積は埋設された管路１の見かけの比重と深さによって求められる。
また、浮上抑止板２を管路１の延長ｎメートルごとに設置する場合は、管路１の体積Ｖａをそのｎ倍することで浮上抑止板２の面積Ｓを算出することができる。
深さが大きい場合には浮上抑止板２の面積を小さくすることができるが、本発明においては以下の二点も浮上抑止板２の条件として加える。
すなわち第一点として浮上抑止板２として平面をもった板状であるこことが必要であり、浮上抑止板２の管路１延長方向の幅は、ほぼ管路１の直径以上とすることが望ましい。
第二点として、管路１が液状化現象によって浮上する現象を、浮上抑止板２が力で抑えるのであるが、地震の揺れの中であるため、浮上抑止板２が傾斜したり、ずれたりするおそれがある。
そのために浮上抑止板２の管路１横断方向の長さは、管路１の外径のほぼ２０％以上を断面の左右方向に長く構成すること、すなわち浮上抑止板２の全長で管路１の外径の４０％以上の長さに形成することが望まれる。
なお、浮上抑止板２は管路１が強度的に問題なければ、面積の大きい浮上抑止板を数メートルごとに設置することができるが、管路１の強度が低い場合には面積の小さい浮上抑止板２を多数、間隔を狭くして設置すればよい。

本発明の管路と浮上抑止板の組み合わせの実施例の斜視図。図１の実施例の断面図。他の実施例の斜視図。浮上抑止板を管路の上に配置した実施例の断面図。図４の実施例の斜視図。比較のための従来の構造の説明図。従来の構造の地震発生時の液状化状態の説明図。本発明の浮上抑止板を取り付けた管路の説明図。浮上抑止板の必要最小面積を示す説明図。浮上抑止板の他の実施例の説明図。従来のマンホールの液状化対策の説明図。

符号の説明

１：管路
２：浮上抑止板
３：拘束材

Claims

地中に埋設する予定の管路、もしくは既に埋設してある管路と、浮上抑止板より構成し、
浮上抑止板は、管路の下でかつ、管路と管路の連結部に、両管路にまたがって位置させ拘束材で拘束し、
平面視的に、管路の外部に向けて、浮上抑止板を突設するように配置し、
浮上抑止板の面積Ｓは、管路延長単位長さ当たり、
Ｓ≧Ｖａ（１−γａ／γｂ）／Ｄであり、
浮上抑止板の管路の延長方向の長さは、管路の直径以上とし、
浮上抑止板の管路の横断方向の幅は、管路の直径の１．４倍以上であり、
かつ管路の埋設のための掘削幅以下であるように構成した、
管路の構造。
なお、
Ｄ：浮上抑止板の地上からの深さ。
Ｓ：浮上抑止板の平面面積。
Ｖａ：管路の体積。
γａ：管路の見かけの単位体積重量ＸｋＮ／ｍ ³
γｂ：飽和砂地盤の単位体積重量 20ｋＮ／ｍ ³
（水の単位体積重量＝10ｋＮ／ｍ ³ ）
管路の下に位置させる浮上抑止板の上面には、
管路の外型に沿った凹部を形成した、
請求項１記載の管路の構造。