JP7103843B2

JP7103843B2 - 港湾構造物の構築方法

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Publication number: JP7103843B2
Application number: JP2018093210A
Authority: JP
Inventors: 辰哉江守; 哲平秋本; 一彦上野
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-05-14
Also published as: JP2019199700A

Description

本発明は、港湾構造物の施工時の安定性を評価する技術に関する。

セルラーブロック、置き式セル等の港湾構造物は中詰材の投入（以下、「中詰施工」という）を要する。中詰施工に関する技術を開示している特許文献として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、置き式鋼板セル工法においてセル殻設置後の中詰施工の初期段階における安定性を向上する技術が提案されている。

特開２００９－１６７７９４号公報

中詰施工時に、港湾構造物内における泥水密度の上昇に伴い港湾構造物の内外に水頭差（以下、「内外水頭差」という）が生じる場合がある。この内外水頭差は時間の経過とともに解消するが、内外水頭差による港湾構造物内の水位低下が、港湾構造物に変形を生じさせる危険性がある。

従来、中詰施工を要する港湾構造物の設計検討時には、完成時の港湾構造物の安定性を確保するために、中詰材の単位体積重量及び内部摩擦角が考慮されている。しかしながら、中詰施工時の泥水密度の上昇に伴い変化する港湾構造物の安定性については考慮されていない。

上記の事情に鑑み、本発明は、港湾構造物の工事関係者が、中詰施工時の港湾構造物の安定性が確保されているか否かを設計時に知ることができる港湾構造物の構築手段を提供する。

上述した課題を解決するために、本発明は、中詰施工を要する底版を有さない港湾構造物の構築方法であって、中詰施工の条件として与えられる港湾構造物の底面積と、中詰材の物性と、中詰材の投入スケジュールと、前記港湾構造物の壁体の外側の水位とに基づき、時系列で変化する前記壁体の内外水位差を算出するステップと、前記内外水位差と閾値との比較結果に基づき、中詰施工時における前記港湾構造物の安定性を評価するステップと、前記評価するステップにおいて安定性が確保されると評価された条件の下で中詰施工を行うステップとを備える港湾構造物の構築方法を第１の態様として提供する。

第１の態様の港湾構造物の構築方法によれば、港湾構造物の工事関係者は、中詰施工時の港湾構造物の安定性が確保されているか否かを設計時に知ることができる。

第１の態様の港湾構造物の構築方法において、前記算出するステップは、中詰材に含まれる粒子の沈降速度を粒径区分毎に算出するステップを含む、という構成が第２の態様として採用されてもよい。

第２の態様の港湾構造物の構築方法によれば、粒径区分によらず単一の代表粒径で算出した沈降速度を用いて安定性を評価する場合と比較し、高い精度で中詰施工時の港湾構造物の安定性が評価された港湾構造物の構築が行われる。

中詰施工時の港湾構造物の状態変化を示した図。一実施形態に係る港湾構造物の構築方法の手順を示した図。一実施形態に係る港湾構造物の構築方法において算出される堆積高と内外水位差の経時変化を示したグラフ。一実施形態に係る港湾構造物の構築方法において算出される堆積高と内外水位差の経時変化を示したグラフ。

［実施形態］
本発明の一実施形態に係る港湾構造物の構築方法（以下、「構築方法Ｃ」という）の説明に先立ち、中詰施工時の港湾構造物の状態変化について説明する。

図１は、中詰施工時の港湾構造物の状態変化を示した図である。港湾構造物１は、セルラーブロック、置き式セル等の中詰施工を要する港湾構造物である。港湾構造物１は筒形状を有し、底版は有さない。港湾構造物１は、海底上に築造された基礎捨石２の上に設置され、上端部は港湾構造物１の外側の水面Ｗｏより高い位置に達している。

図１（Ａ）は、港湾構造物１に対する中詰施工が開始される前の状態を示している。図１（Ａ）の状態において、港湾構造物１の外側の水面Ｗｏの水位である構造物外水位Ｈｏｕｔと、港湾構造物１の内側の水面Ｗｉの水位である構造物内水位Ｈｉｎは等しい。なお、本実施形態において、水位は、特に断らない限り、基礎捨石２の天端を基準とする高さを意味する。

図１（Ｂ）は、港湾構造物１に対する中詰施工の途中の状態を示している。図１（Ｂ）の状態において、港湾構造物１の内部には中詰材３が投入されているが、港湾構造物１の内部に堆積している中詰材３の高さ（基礎捨石２の天端を基準とする高さ）である堆積高ｈは、要求される高さにまだ達していない。

なお、以下の説明において、要求される堆積高ｈは港湾構造物１の壁体４と等しいものとするが、これに限られない。

図１（Ｂ）に示される水柱高Ｈは、中詰材３の上の水柱の高さ、すなわち港湾構造物１内に堆積している中詰材３の天端を基準とする構造物内水位Ｈｉｎの高さである。

図１（Ｂ）は、内外水頭差が０でない（すなわち、港湾構造物１の下端部における圧力の釣り合いがとれていない不安定な）状態を示しており、港湾構造物１の下端部において、構造物１の内側から外側に向かう圧力（浸透圧）が発生している。この圧力により、中詰材３の上にあった水が中詰材３及び基礎捨石２を通って港湾構造物１の外側に移動し、構造物内水位Ｈｉｎが低下する。

図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）の状態から構造物内水位Ｈｉｎが低下して、内外水頭差が０になった（すなわち、港湾構造物１の下端部における圧力の釣り合いがとれて安定した）状態を示している。この時点で、外側の水面Ｗｏが内側の水面Ｗｉより高いと、港湾構造物１に作用する外力の影響で港湾構造物１に変形が生じる危険性が高くなる。

図１（Ｄ）は、中詰施工が完了し、しばらく時間が経過した状態を示している。図１（Ｄ）の状態において、内外水頭差は０である。

なお、本願において、港湾構造物１の安定性とは、港湾構造物１に変形が生じる危険性の低さを意味する。

続いて、本発明の一実施形態に係る港湾構造物１の構築方法（構築方法Ｃ）の説明をする。図２は、構築方法Ｃの手順を示した図である。

構築方法Ｃにおいて、まず、港湾構造物１の中詰施工に関する条件を示す各種情報を準備する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１において準備される情報には、構造物外水位Ｈｏｕｔ、港湾構造物１の底面積Ｓ、中詰材３の物性値、及び中詰材３の投入スケジュールが含まれる。

中詰材３の物性値は、具体的には粒子密度、粒度分布及び乾燥密度を示す。中詰材３の粒子密度は、例えばＪＩＳＡ１２０２に従う密度試験により求められる。また、中詰材３の粒度分布は、例えばＪＩＳＡ１２０４に従う粒度試験により求められる。

中詰材３の投入スケジュールは、中詰材３の投入速度（ｔｏｎ／ｍｉｎ）の経時変化であり、一般的には、使用する作業船（ガット船、ベルトコンベア船、他）に応じて標準的な速度を設定し、投入開始から投入終了まで一定値とする。

続いて、中詰材３の物性値を用いて、Ｒｕｂｅｙ式として知られる以下の式１に従い、中詰材３の投入開始から所定時間間隔で設定される複数の算出時点の各々における粒径区分毎に中詰材３に含まれる粒子の沈降速度を算出する（ステップＳ１０２）。

ただし、
ｗｆ：粒子の沈降速度（ｃｍ／ｓｅｃ）、
ｓ：粒子の水中比重、すなわち（粒子密度－（海・泥）水密度）（ｇ／ｃｍ³）、
ｇ：重力加速度（ｃｍ／ｓｅｃ²）、
ｄ：粒子の粒径（ｃｍ）、
ν：（海・泥）水の動粘性係数（ｃｍ／ｓｅｃ）
である。

なお、本実施形態においては、算出時点は中詰材３の投入開始から投入終了まで１０分間隔で設定されるものとし、以下、中詰材３の投入開始からの経過時間（例えば４０分）に応じた算出時点を「４０分算出時点」という。

粒子の水中比重ｓは、経過時間により泥水密度が変化するため、時間変化のある値である。１０分算出時点における沈降速度ｗｆの算出においては、泥水密度の初期値である海水密度が用いられる。また、２０分算出時点以降における沈降速度ｗｆの算出においては、後述のステップＳ１０５において算出される、１つ前の算出時点における泥水密度が用いられる。例えば、２０分算出時点における沈降速度ｗｆの算出においては、ステップＳ１０５において算出される１０分算出時点における泥水密度が用いられる。重力加速度ｇは定数であり、９８０ｃｍ／ｓｅｃ²である。（海・泥）水の動粘性係数νは、本実施形態では簡便化のため、０．０１ｃｍ／ｓｅｃの定数とする。

続いて、構造物外水位と、中詰材３の物性値と、投入スケジュールと、沈降速度を用いて、既に投入された中詰材３の各々に関し、粒径区分毎に、算出時点の各々における粒子の水中浮遊量（以下、単に「水中浮遊量」という場合がある）を算出する（ステップＳ１０３）。

粒子の水中浮遊量は、粒子が沈降に要する時間（以下、「沈降時間」という）、粒子を投入する時間（以下、「投入時間」という）、粒子の投入開始からの経過時間（以下、「経過時間」という）、粒子を投入していない時間（以下、「放置時間」という）の大小関係により異なる式により算出される。以下に、それらの式を示す。

（ケース１）沈降時間＜放置時間の場合
水中浮遊量（ｔｏｎ）＝０（ｔｏｎ）・・・（式２）
（ケース２）沈降時間＜投入時間の場合
水中浮遊量（ｔｏｎ）＝粒径毎の投入量（ｔｏｎ）×沈降時間（ｓｅｃ）÷投入時間（ｓｅｃ）・・・（式３）
（ケース３）投入時間＜沈降時間＜経過時間の場合
水中浮遊量（ｔｏｎ）＝粒径毎の投入量（ｔｏｎ）×沈降時間（ｓｅｃ）÷経過時間（ｓｅｃ）・・・（式４）
（ケース４）経過時間＜沈降時間の場合
水中浮遊量（ｔｏｎ）＝粒径毎の投入量（ｔｏｎ）・・・（式５）

水中浮遊量の算出においては、既に投入された中詰材３の各々に関し、粒径区分毎に、算出時点の各々において上述のケース１～４のいずれに該当するかを特定し、特定したケースに応じた式に従い算出した水中浮遊量の合計を、その時点における水中浮遊量ｍｆとして算出する。

続いて、中詰材３の物性値と、投入スケジュールと、水中浮遊量と、底面積を用いて、算出時点の各々における中詰材３の堆積高ｈを算出する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０４においては、まず、堆積量を以下の式６に従い算出する。
堆積量（ｔｏｎ）＝全投入量（ｔｏｎ）－全浮遊量（ｔｏｎ）・・・（式６）

続いて、堆積高ｈを以下の式７に従い算出する。
堆積高ｈ（ｍ）＝堆積量（ｔｏｎ）÷（乾燥密度ρｄ（ｔｏｎ／ｍ³）×底面積Ｓ（ｍ²））・・・（式７）

続いて、水中浮遊量データ、堆積高データを用いて、算出時点の各々に関し、港湾構造物１内の泥水の密度である泥水密度ρ（ｔｏｎ／ｍ³）を以下の式８～式１１に従い算出する（ステップＳ１０５）。

ただし、
Ｓ：港湾構造物１の底面積、
Ｈ：水柱高、
ρｓ：粒子密度（ｔｏｎ／ｍ³）、
ρｗ：海水の密度（ｔｏｎ／ｍ³）、
ｍf：水中浮遊量（ｔｏｎ）、
ｍｗ：水柱質量（ｔｏｎ）、
Ｖｗ：水柱体積（ｍ³）、
Ｖｆ：粒子の体積（ｍ³）
である。

水柱高Ｈは１つ前の算出時点における水柱高Ｈから堆積高ｈを減算して算出される。

続いて、堆積高、泥水密度を用いて、算出時点の各々における港湾構造物１の内側下端部の水圧である内水圧Ｐｉｎ（ｋＰａ）を以下の式１２に従い算出する（ステップＳ１０６）。

ただし、
ρ：泥水密度（ｔｏｎ／ｍ³）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓｅｃ²）、
Ｈ：水柱高（ｍ）、
ρｗ：海水の密度（ｔｏｎ／ｍ³）、
ｈ：堆積高（ｍ）
である。

本実施形態においては、中詰材３が堆積した部分は静水分布と仮定し、海水の密度（１．０３ｔｏｎ／ｍ³）を用いる。

続いて、堆積高、泥水密度、内水圧、構造物外水位を用いて、算出時点の各々における内外水位差ΔＨを算出する（ステップＳ１０７）。本実施形態において、内外水位差ΔＨの算出は、「港湾構造物１の下端部における内外水圧が釣り合うまで、水が港湾構造物１の下端部において港湾構造物１の内外を移動する」という仮定と、「水の移動の前後で、堆積高ｈと泥水密度ρは変化しない」という仮定の下で行われる。

まず、港湾構造物１の外側下端部の水圧である外水圧Ｐｏｕｔは以下の式１３に従い算出される。

ただし、
ρｗ：海水の密度（ｔｏｎ／ｍ³）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓｅｃ²）、
Ｈｏｕｔ：構造物外水位（ｍ）
である。

上述した仮定により、式１２で算出される内水圧Ｐｉｎと、式１３で算出される外水圧Ｐｏｕｔは水の移動後には一致する。従って、水の移動後の水柱高Ｈをｘとすると、以下の式１４が成り立つ。

ただし、
Ｈｏｕｔ：構造物外水位（ｍ）、
ｈ：堆積高（ｍ）、
ρｗ：海水の密度（ｔｏｎ／ｍ³）、
ρ：泥水密度（ｔｏｎ／ｍ³）
である。

構造物内水位Ｈｉｎは以下の式１５に従い算出される。

内外水位差ΔＨは以下の式１６に従い算出される。

上記の式１３～式１６に従い、算出時点の各々における内外水位差ΔＨを算出する。

続いて、ステップＳ１０７において算出された内外水位差ΔＨと閾値との比較結果に基づき、中詰施工時における港湾構造物１の安定性を評価する（ステップＳ１０８）。

図３は、以下の条件の検討ケースＡに関し、ステップＳ１０４において時系列で算出された堆積高ｈと、ステップＳ１０７において時系列で算出された内外水位差ΔＨを示したグラフである。

投入速度（一定）：１８（ｔｏｎ／ｍｉｎ）
底面積Ｓ：１００（ｍ²）
乾燥密度：１．４５（ｔｏｎ／ｍ³）
構造物外水位Ｈｏｕｔ：２４（ｍ）
粒子密度：２．６７４（ｔｏｎ／ｍ³）
海水の密度：１．０３（ｔｏｎ／ｍ³）
動粘性係数：０．０１（ｃｍ／ｓｅｃ）
重力加速度：９８０（ｃｍ／ｓｅｃ²）
粒径０．０７５ｍｍ以下細粒分含有率：１５％（粒径区分別質量比は省略）

図４は、検討ケースＡとは異なる以下の条件の検討ケースＢに関し、ステップＳ１０４において時系列で算出された堆積高ｈと、ステップＳ１０７において時系列で算出された内外水位差ΔＨを示したグラフである。

投入速度（一定）：１８（ｔｏｎ／ｍｉｎ）
底面積Ｓ：１００（ｍ²）
乾燥密度：１．４５（ｔｏｎ／ｍ³）
構造物外水位Ｈｏｕｔ：２４（ｍ）
粒子密度：２．６７４（ｔｏｎ／ｍ³）
海水の密度：１．０３（ｔｏｎ／ｍ³）
動粘性係数：０．０１（ｃｍ／ｓｅｃ）
重力加速度：９８０（ｃｍ／ｓｅｃ²）
粒径０．０７５ｍｍ以下細粒分含有率：５％（粒径区分別質量比は省略）

ここで、港湾構造物１に変形が生じ始める内外水位差を限界水位差ＨＢとする。ＨＢは、例えば、図１の壁体４に作用する外力（主として波圧力）の影響による最大曲げモーメント発生箇所において、壁体の曲げ剛性を考慮した構造物の応力度照査結果に基づいて算出される。

次に、上記の限界水位差ＨＢに対して、中詰材の物性のばらつき、中詰材投入速度のばらつき、等を考慮した安全率（例えば、１．２）で除算を行った値を許容水位差ＨＡとする。このＨＡを内外水位差の閾値として、港湾構造物の中詰施工時の安定性評価における判断基準とする。

検討ケースＡにおいては、許容水位差ＨＡを２ｍとした場合、図３のグラフに示される期間Ｔにおいて、内外水位差ΔＨが許容水位差ＨＡを超過する。従って、検討ケースＡの条件下においては、中詰施工時に港湾構造物１の安定性が確保されない、と評価される。

一方、検討ケースＢにおいては、図４のグラフに示されるように、中詰材の投入開始から投入終了まで、内外水位差ΔＨが許容水位差ＨＡを超過することはない。従って、検討ケースＢの条件下においては、中詰施工時に港湾構造物１の安定性が確保されている、と評価される。

上記の検討ケースＡのように、中詰施工時おける港湾構造物１の安定性が確保されないことが判明した場合、港湾構造物１の工事関係者が取り得る対策としては、例えば以下が挙げられる。
（対策１）中詰材の変更
（対策２）中詰材の投入スケジュールの変更（投入速度の変更等）
（対策３）港湾構造物１（壁体４）の剛性の変更（弱部の補強を含む）

従って、中詰施工時おける港湾構造物１の安定性が確保されないと評価された場合（ステップＳ１０９；Ｎｏ）、まず、中詰材の変更を行うか否かを検討する。中詰材の変更を行う場合（ステップＳ１１０；Ｙｅｓ）、中詰材の物性値を変更し（ステップＳ１１１）、変更した物性値を用いてステップＳ１０２以降の工程を行う。

中詰材の変更を行わない場合（ステップＳ１１０；Ｎｏ）、続いて、中詰材の投入スケジュールの変更を行うか否かを検討する。中詰材の投入スケジュールの変更を行う場合（ステップＳ１１２；Ｙｅｓ）、中詰材の投入スケジュールを変更し（ステップＳ１１３）、変更した投入スケジュールを用いてステップＳ１０２以降の工程を行う。

中詰材の投入スケジュールの変更を行わない場合（ステップＳ１１２；Ｎｏ）、続いて、港湾構造物１（壁体４）の剛性を変更し（ステップＳ１１４）、剛性を変更した後の許容水位差ＨＡを算出し（ステップＳ１１５）、新たに算出した許容水位差ＨＡを用いてステップＳ１０８以降の工程を行う。

なお、ステップＳ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１４の順序は適宜変更可能である。

ステップＳ１０８の評価において、中詰施工時おける港湾構造物１の安定性が確保されると評価された場合（ステップＳ１０９；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８において安定性が確保されると評価された剛性を有する壁体４を基礎捨石２の上の所定位置に設置する（ステップＳ２０１）。

続いて、ステップＳ１０８において安定性が確保されると評価された物性の中詰材を、ステップＳ１０８において安定性が確保されると評価された投入スケジュールに従い、壁体４に投入する（ステップＳ２０２）。以上の工程により、港湾構造物１の構築が行われる。

上述した構築方法Ｃによれば、港湾構造物１の工事関係者は、中詰施工時おける港湾構造物１の安定性が確保されているか否かを設計時に知ることができる。

［変形例］
上述した実施形態は様々に変形することができる。以下のそれらの変形の例を示す。なお、上述した実施形態及び以下の示す変形例は適宜組み合わされてもよい。

（１）上述した実施形態における沈降速度や水中浮遊量の算出は、粒径区分毎に行われる。本発明において利用可能な粒径区分として、例えば、公知の日本統一分類がある。ただし、算出結果の精度と算出プロセスの効率を考慮し、粒径区分は適宜変更されてよい。

（２）上述した実施形態の中詰材投入スケジュールにおいては、中詰材投入速度を一定としたが、内外水頭差が過大にならないよう投入作業を一時中断し、内外水頭差が十分小さくなってから投入作業を再開するようにしてもよい。

（３）上述した実施形態において用いた具体的な数値は例示であって、様々に変更されてよい。例えば、上述した実施形態においては、算出時点の時間間隔は１０分としたが、算出時点の時間間隔は１０分に限られない。

（４）構築方法Ｃに含まれる工程のうち、設計時に行われるステップＳ１０１～Ｓ１１５がデータ処理装置により行われてもよい。その場合、データ処理装置は、コンピュータが本発明に係るプログラムに従う処理を行うことにより実現されてもよい。

１…港湾構造物、２…基礎捨石、３…中詰材、４・・・壁体。

Claims

中詰施工を要する底版を有さない港湾構造物の構築方法であって、
中詰施工の条件として与えられる港湾構造物の底面積と、中詰材の物性と、中詰材の投入スケジュールと、前記港湾構造物の壁体の外側の水位とに基づき、時系列で変化する前記壁体の内外水位差を算出するステップと、
前記内外水位差と閾値との比較結果に基づき、中詰施工時における前記港湾構造物の安定性を評価するステップと、
前記評価するステップにおいて安定性が確保されると評価された条件の下で中詰施工を行うステップと
を備える港湾構造物の構築方法。
前記算出するステップは、中詰材に含まれる粒子の沈降速度を粒径区分毎に算出するステップを含む
請求項１に記載の港湾構造物の構築方法。