JP6958527B2

JP6958527B2 - 地すべり抑止用杭およびその設計方法

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Publication number: JP6958527B2
Application number: JP2018186364A
Authority: JP
Inventors: 進吾粟津
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-10-01
Also published as: JP2020056191A

Description

本発明は、地中に推定されるすべり面を境にして、すべり面より下方の不動層に対して、すべり面より上方の移動層が、すべり面に沿って滑る地すべりを抑止するための地すべり抑止用杭およびその設計方法に関するものである。

地すべり抑止用杭に関しては、例えば特許文献１に、杭本体の経済性を高めると共に、効率よく設置することができること目的としたものが開示されている。
特許文献１に開示されたものを含め、一般的に地すべり抑止用杭は、推定されるすべり面に対する安全率の不足分を必要抑止力として設定し、必要抑止力を外力として杭に作用させたときの応力度の検討が行われる。

必要抑止力が作用したときに発生する応力の算定方法は、くさび杭、抑え杭、補強杭、せん断杭の４種類あり、地盤の条件や杭の設置位置によって設計式を選択する（非特許文献１参照）。これらの設計方法のうち、せん断杭を除く３種類の杭における設計式は、杭のたわみに一次比例した地盤反力が杭に作用するという考え方に基づいている。

地すべり抑止用杭として鋼管を用いる場合、従来はSKK400（長期許容曲げ応力度140N/mm²）、SKK490（長期許容曲げ応力度185N/mm²）、SM570（長期許容曲げ応力度255N/mm²）等が用いられ、発生応力に応じて管径や板厚が決定される。

また、用途上、地すべり抑止用杭は山間部に設置されることが多いため、運搬の容易性と施工の簡易性の観点から、多くの場合は直径550mm以下の鋼管であることが多い。それゆえ、杭の剛性の向上に管径を大きくするには限界があり、一般的には板厚を大きくすることで剛性を確保する必要がある。このため、発生する応力が大きい箇所では、板厚が大きくなり、それ故に鋼材重量が大きくなるという問題がある。

特開平１１−１７２６８７号公報

社団法人地すべり対策技術協会（現斜面防災対策技術協会）、「新版地すべり鋼管杭設計要領」、社団法人地すべり対策技術協会（現斜面防災対策技術協会）、2003年 6月、ｐ．29−93

前述のとおり、くさび杭、抑え杭、補強杭の手法で設計される地すべり抑止用杭は、杭のたわみに比例した地盤反力を抵抗力として考慮する。この点を、図７に基づいて説明する。なお、図７において、１は移動層、３は不動層、５はすべり面、９は地すべり抑止用杭（以下、単に「杭」という場合あり）であり、図７（ａ）では地すべり抑止用杭９に作用する地盤反力を矢印で、地すべり抑止用杭９に作用する曲げモーメントを曲線で示し、図７（ｂ）は地すべり抑止用杭９が作用力を受けたときのたわみを模式的に示している。
図７に示すように、板厚が薄い薄肉杭の場合には剛性が小さく、地すべり抑止用杭９のたわみが大きいので抵抗力として考慮する地盤反力が大きくなる。

作用力が一定である場合、板厚を厚くして地すべり抑止用杭９の剛性を大きくすると、図８（ｂ）で示すように、地すべり抑止用杭９のたわみが小さくなるため、抵抗力として考慮する地盤反力が小さくなる。その結果、地すべり抑止用杭９に発生する曲げモーメントが更に大きくなり、地すべり抑止用杭９の剛性を大きくするため、更に板厚を厚くしなければならず鋼材重量が益々増加するという悪循環に陥る。

また、地すべり抑止用杭９の剛性を大きくすると、杭のたわみが十分発揮されるために必要となる杭の不動層３への根入長も大きくなるため、この点でも鋼材重量が大きく不経済な設計となる。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、くさび杭で設計される場合に、鋼材重量を低減して建設コストを抑制できる地すべり抑止用杭およびその設計方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る地すべり抑止用杭は、地中のすべり面を境にして、該すべり面より下方の不動層に対して、前記すべり面より上方の移動層が、前記すべり面に沿って滑る地すべりを抑止するためのものであって、
前記地すべり抑止用杭はくさび杭である鋼管杭であり、かつ鋼管杭を構成する鋼材の許容応力度σ_ａと鋼管杭の剛性EIが下式を満たすものである。

（２）本発明に係る地すべり抑止用杭の設計方法は、地中のすべり面を境にして、該すべり面より下方の不動層に対して、前記すべり面より上方の移動層が、前記すべり面に沿って滑る地すべりを抑止するためのものであって、
前記地すべり抑止用杭はくさび杭の設計手法で設計された鋼管杭であり、かつ鋼管杭を構成する鋼材の許容応力度σ_ａと鋼管杭の剛性EIが下式を満たすように設計するものである。

本発明によれば、鋼材の許容応力度が大きく、鋼管杭の剛性が小さい地すべり抑止用杭となり、杭のたわみ性が十分に発揮され、鋼材重量を低減することができ、建設コストの抑制を実現できる。

本発明の実施の形態に係る地すべり抑止用杭の検討に用いた試計算モデルの説明図である。表１〜表３に示した全ケースについて、鋼材重量比率と許容応力度との関係を示したグラフである。表１に示したNo.1〜No.10のケースについて、杭の剛性と許容応力度との関係を示したグラフである。表１に示したNo.1〜No.10のケースについて、許容応力度の満たすべき範囲から杭の剛性が満たすべき範囲を求める手順を説明する説明図である。表１〜表３に示した全ケースについて、杭の剛性を縦軸に、発見したパラメータを横軸にして、抽出した杭の剛性をグラフ表示した図である。表１〜表３に示した全ケースについて、本発明で規定した鋼材の許容応力度と杭の剛性の妥当性を検証したグラフである。発明が解決しようする課題を説明する図である（その１）。発明が解決しようする課題を説明する図である（その２）。

本実施の形態に係る地すべり抑止用杭は、地中のすべり面を境にして、該すべり面より下方の不動層に対して、前記すべり面５より上方の移動層が、前記すべり面に沿って滑る地すべりを抑止するための地すべり抑止用杭であって、
前記地すべり抑止用杭はくさび杭の設計手法で設計された鋼管杭であり、かつ鋼管杭を構成する鋼材の許容応力度σ_ａと鋼管杭の剛性EIが下式（１）、（２）を満たすことを特徴とするものである。

以下、上記の数式を導き出した経緯について説明する。
地すべり抑止用杭がくさび杭で設計される場合に、鋼材重量を低減して建設コストを抑制するため、従来よりも降伏点の高い鋼管を、地すべり抑止用杭として活用することを考えた。すなわち、(ａ)鋼管杭を構成する鋼材として高強度鋼を用いて降伏点を高くする、換言すれば許容応力度を大きくして、杭が大きくたわんでも破壊しないようにするとともに、(ｂ)鋼管杭の剛性を小さくして鋼管杭を大きくたわませることで、十分な地盤反力を得ることにより合理的な設計にしようというものである。

そこで、さまざまな設計条件における、くさび杭の試計算を行った。試計算のモデルの概要を図１に示す。試計算のモデルは、厚みHの移動層１（N値=N₁）が不動層３（N値=N₂）の上方に傾斜角度θのすべり面５を介して配置され、地すべり抑止用杭である鋼管杭７は、移動層１からすべり面５を貫通して不動層３まで貫入されているものとした。

試計算の条件は次に示すとおりである。
奥行1mあたりの必要抑止力の大きさは700kN/m、800kN/mの２種類で、移動層１の厚みHは5m、7mの2種類とした。移動層１のN値(=N₁)は5、10の2種類とし、すべり面５の傾斜角θは15°、30°の2種類とした。
不動層３は硬質な地盤であることを想定し、N値(=N₂)は50の1種類とした。鋼管杭７は奥行1mにつき1本設置すると仮定し、管径を100mm〜550mmの範囲で変化させたときに必要となる板厚を計算した。
鋼材の長期曲げ許容応力度は、SKK400は140N/mm²、SKK490は185N/mm²、SM570は255N/mm²とした。それ以上の高強度材料については、300N/mm²、350N/mm²、400N/mm²、450N/mm²、500N/mm²、550N/mm²、600N/mm²とした。

試計算の結果を表１〜表３に示す。表中には、種々の地盤条件と鋼種に対して、くさび杭としての設計条件を満たすことで杭の安全性が確保され、かつ鋼材重量が最も小さくなった管径と板厚の組み合わせを代表して示している。

表１〜３に示した各数値の算出根拠となる数式は以下の通りである。

表１〜表３に示したNo.１〜No.160の全てについて、横軸を鋼材の許容応力度σ_a(N/mm²)、縦軸を鋼種ごとの鋼材重量W(t)の同じ地盤条件におけるSKK400での鋼材重量W₀(t)に対する鋼材重量比率(W/W₀)としたグラフに表示すると、図２に示す通りである。
図２のグラフにおいて、累乗近似すると近似式としてのW/W₀=1774.4σ_a ^-1.52と高い相関が得られることが分かった。

この近似式から、くさび杭の設計においては、鋼材の許容応力度が大きいほど鋼材重量を小さくできるが、許容応力度の増加に対して鋼材重量を小さくできる割合（累乗近似曲線の接線の傾きの絶対値）は、徐々に小さくなることが分かる。

この近似式を基に許容応力度をどのように設定することが、くさび杭として合理的な設計となるかについて検討した。
まず、鋼材の許容応力度が大きいほど鋼材重量を小さくできることから、鋼材重量を低減するという観点からは、許容応力度をできるだけ大きくすることが好ましい。
そして、許容応力度の増加に対して鋼材重量を小さくできる割合（累乗近似曲線の接線の傾きの絶対値）は、徐々に小さくなること、換言すれば、許容応力度が小さい領域では、許容応力度を少し大きくするだけで大きな鋼材重量低減が実現できることを考慮すれば、鋼材重量の低減率が高い領域、換言すれば許容応力度が小さい領域ではさらなる合理化ができることになるので、許容応力度としては下限値を設定することが、合理的な設計となる。

図２のグラフを見ると、例えば既往の技術として用いられているSM570（許容応力度255N/mm²）の段階では、鋼材重量を小さくする割合は比較的大きいため、この許容応力度よりもさらに大きな許容応力度にすることが合理的であると言える。
前述したように、許容応力度が大きくなればなるほど、許容応力度の増加に対して鋼材重量を小さくできる割合（累乗近似曲線の接線の傾きの絶対値）は、徐々に小さくなる。そして、許容応力度が300N/mm²（接線の傾き：−0.00154）あたりから曲線の接線の傾きが小さくなっており、このことから許容応力度が300N/mm²よりも小さい領域は鋼材重量低減率が高いので、この領域では十分な合理化が達成できていない、換言すれば許容応力度を300N/mm²以上に設定することが、合理的な設計となると言える。

次に、くさび杭として合理的な設計となるためには、杭の剛性をどの程度まで小さくする必要があるかについて検討した。設計の成り立つ杭の剛性は、地盤条件ごとに異なるため、各地盤条件に応じた杭の剛性の評価式が必要となる。
まず、試設計の結果をもとに、各地盤条件において、縦軸：杭の剛性(kN/m²)、横軸：鋼材の許容応力度で整理したところ、こちらも累乗近似で整理できることが分かった。一例として、地盤条件が共通する表１におけるNo.1〜No.10についての整理結果を図３のグラフに示す。図３中の点線は、累乗近似曲線を示す。ここで近似式は、EI=3.085×10⁸×σ_a ^-1.369であった。

表１〜表３の全ての地盤条件について、前述したように合理的な杭の設計となるための条件として鋼材の許容応力度を求めているので（図２参照）、この許容応力度を導出したときの条件を前提として、各地盤条件について許容応力度と杭の剛性との関係を求める必要がある。
表１〜表３の全ケースの検討において、許容応力度を300N/mm²以上としたのは、累乗近似曲線の接線の傾きに基づくものである。したがって、各地盤条件についても全ケースの場合と同様に、許容応力度と鋼材重量の比率との関係を示す近似式（近似曲線）を求め、この近似曲線の接線の傾きが−0.00154となるとき、すなわち図２において求めた許容応力度の下限値のとなるときの許容応力度を、近似式より算出する。
そして、算出した許容応力度のときの、杭の剛性を累乗近似式によって求める。
これらの手順を各地盤条件について行って、各地盤条件における杭の剛性を求め、全ての地盤条件における杭の剛性を整理することで、杭の剛性が満たすべき条件を求める。
以上のような手順によって、杭の剛性を求めたものが、式（２）の条件である。

上記の手順を地盤条件が共通するNo.1〜No.10について、図４に基づいて具体的に説明する。
図４（ａ）は、地盤条件が共通するNo.1〜No.10について、横軸を鋼材の許容応力度σ_a(N/mm²)、縦軸を図２と同様に、鋼種ごとの鋼材重量W(t)の同じ地盤条件におけるSKK400での鋼材重量W₀(t)に対する鋼材重量比率(W/W₀)としてグラフ表示したものであり、図４（ｂ）は、図３と同一のものである。また、図４（ａ），（ｂ）中の点線は、それぞれのデータの組に対する累乗近似曲線を示す。
図４（ａ）に示す近似曲線において、接線の傾きが-0.00154となるときの許容応力度を求めると、299N/mm²となり、許容応力度が299N/mm²のときの杭の剛性EIを図４（ｂ）で求めると、125756(kN・m²)となる。

以上の手順に従って地盤条件が共通するもの毎に杭の剛性EIを求め、求められた杭の剛性に対して近似式で整理できる地盤条件に応じたパラメータを探索したところ下式（３）に示すパラメータを発見した。

図５は、縦軸が抽出した杭の剛性(kN・m²)であり、横軸が上記の式（３）のパラメータの値を示しており、表１〜３の全ケースについてプロットしたものである。なお、図５において、プロットが大きくなっているのは、複数のプロットが重なっているためである。
図５を直線近似すると、下式（４）が求まる。

図５に示す直線よりも下方の領域（図中に示す丸が存在する領域）が、許容応力度を踏まえた杭の剛性の満たすべき領域である。
この領域を数式で示すと下式（２）となり、杭の剛性が（２）式を満たしていれば、合理的な設計となっているといえる。

（２）式の妥当性を調べるため、試設計の結果を、縦軸：杭の剛性(kN・m²)、横軸：（２）式のパラメータの値として図６のように整理した。なお、図６においては、全ケースのプロットのうち、図６に示した縦軸と横軸の範囲を逸脱するものは除外している。
許容応力度が300N/mm²以上では、概ね図６の破線の直線の下方の領域にあり、（２）式を満たす杭の剛性となっており、評価式に問題はないと言える。

以上のように、本発明によれば、鋼材の許容応力度が大きく、鋼管杭７の剛性が小さい地すべり抑止用杭となり、杭のたわみ性が十分に発揮され、鋼材重量を低減することができ、建設コストの抑制を実現できる。

表１〜表３に示されたものの一部について考察すると、例えば必要抑止力が700kN/m、移動層１の厚みが7m、移動層１のN値が5、すべり面５の傾斜角が15°の場合（表２のNo.81〜No.90）、鋼管の管径、板厚、鋼材重量、（２）式の上限値と杭剛性の比率は、SKK400（許容応力度140N/mm²）では、それぞれ管径550mm板厚32mm、6.22t、2.40である。
また、同条件において、SKK490（許容応力度185N/mm²）では、鋼管の管径、板厚、鋼材重量、（２）式の上限値と杭剛性の比率は、それぞれ管径550mm板厚21mm、3.96t、1.69である。
これらに対して、許容応力度300kN/mm²のものでは、鋼管の管径、板厚、鋼材重量、（２）式の上限値と杭剛性の比率は、それぞれ管径550mm板厚10mm、1.75t、0.87となる。
使用鋼材重量の比率をみると、SKK400を1.0とすると、SKK490は0.64、許容応力度300kN/mm²の場合には0.28となり、許容応力度を300kN/mm²にすると、大幅に鋼材重量を低減出来ることができる。

なお、高強度鋼を用いることによる、鋼材重量の低減割合は、許容応力度が大きくなるほど小さくなるが、その一方で材料コストが上昇するため、好ましくは、許容応力度が（５）式を満たすことがより望ましい。
300≦σ_a≦400 ・・・（５）

また、杭に発生する最大曲げモーメントの作用点は、理論上はすべり面５の付近であり、地表面付近や杭の下端に大きな曲げモーメントは発生しないが、実際は地点によってすべり面５の位置や地中の地盤条件が変化するため、杭の剛性および許容応力度は一律であることが望ましい。

１移動層
３不動層
５すべり面
７鋼管杭
９地すべり抑止用杭(従来例)

Claims

地中のすべり面を境にして、該すべり面より下方の不動層に対して、前記すべり面より上方の移動層が、前記すべり面に沿って滑る地すべりを抑止するための地すべり抑止用杭の施工方法であって、
前記地すべり抑止用杭としてくさび杭である鋼管杭であって、かつ鋼管杭を構成する鋼材の長期許容曲げ応力度である許容応力度σ_ａと鋼管杭の剛性EIが下式を満たすものを、すべり面を貫通して前記不動層まで貫入する地すべり抑止用杭の施工方法。
地中のすべり面を境にして、該すべり面より下方の不動層に対して、前記すべり面より上方の移動層が、前記すべり面に沿って滑る地すべりを抑止するための地すべり抑止用杭の設計方法であって、
前記地すべり抑止用杭はくさび杭の設計手法で設計された鋼管杭であり、かつ鋼管杭を構成する鋼材の長期許容曲げ応力度である許容応力度σ_ａと鋼管杭の剛性EIが下式を満たすように設計する地すべり抑止用杭の設計方法。
厚みHの移動層が、傾斜角度θのすべり面を介して不動層の上方に配置され、
地すべり抑止杭である鋼管杭が、前記移動層から前記すべり面を貫通して不動層まで貫入されている地すべり抑止構造であって、
前記鋼管杭はくさび杭であり、かつ前記鋼管杭を構成する鋼材の長期許容曲げ応力度である許容応力度σ _ａと前記鋼管杭の剛性EIが下式を満たす地すべり抑止構造。