JP6958527B2 - 地すべり抑止用杭およびその設計方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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σaと鋼管杭の剛性EIが下式を満たすものである。
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σa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。
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。
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。
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=1774.4σa -1.52と高い相関が得られることが分かった。
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。
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。
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×σa -1.369であった。
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。
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σa(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。
図5を直線近似すると、下式(4)が求まる。
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。
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。
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。
300≦σa≦400 ・・・(5)
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)
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