JP6142538B2 - 山留め壁 - Google Patents

Description

本発明は、山留め壁およびその構築方法に関する。

従来より、発電所などの地下構造物を構築するための山留め壁として、地盤改良山留めが提案されている。この地盤改良山留めは、地下構造物の周囲の地盤を地盤改良した地盤改良体である（特許文献１、２参照）。この地盤改良体の厚さは、地盤改良体に作用する転倒モーメント、せん断力、曲げ引張り力を計算し、これらに対する耐力を確保できるように設定される。

特開２００２−２０６２３９号公報 特開平１１−８１３１７号公報

ところで、この地盤改良体の厚さを決定するプロセスにおいては、曲げ引張り力に対する地盤改良体の耐力が最も厳しくなることが多い。この場合、曲げ引張り力に対する耐力を確保できるように、地盤改良体の厚さを決定する。

しかしながら、地盤改良体の厚みが大きくなると、地盤改良を施す土の体積が増大するため、施工費が増大するうえに工期が長期化する、という問題があった。

本発明は、施工費を抑制しつつ、工期を短縮できる山留め壁を提供することを目的とする。

請求項１に記載の山留め壁は、地下構造物（例えば、後述の地下構造物２）を構築するための山留め壁（例えば、後述の山留め壁１）であって、当該地下構造物の周囲の地盤（例えば、後述の地盤３）を地盤改良して構築された地盤改良体（例えば、後述の地盤改良体１０）と、当該地盤改良体の前記地下構造物とは反対側の壁面に沿って略鉛直方向に延びてかつ前記地盤改良体の直下の地盤に根入れされた引張り材（例えば、後述の鋼材２０）と、前記地下構造物の直下の地盤を地盤改良して構築されてかつ前記地盤改良体に連続する底部地盤改良体と、を備えることを特徴とする。

本発明の山留め壁の構築方法は、地下構造物を構築するための山留め壁の構築方法であって、当該地下構造物の周囲の地盤を地盤改良して地盤改良体を構築する工程と、引張り材を、当該地盤改良体の前記地下構造物とは反対側の壁面に沿って略鉛直方向に打ち込んで、前記地盤改良体の直下の地盤まで根入れする工程と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、山留め壁に作用する曲げ引張り力を引張り材が負担する。よって、従来のように地盤改良体の厚さを大きくする必要がなくなり、地盤改良体の厚みが小さくなるので、施工費を抑制しつつ、工期を短縮できる。

本発明の一実施形態に係る山留め壁の縦断面図および平面図である。 前記実施形態に係る山留め壁の外部安定の計算に用いる主働側圧を示す図である。 前記実施形態に係る山留め壁に作用する転倒モーメントを求めるための図である。 前記実施形態に係る山留め壁による抵抗モーメントを求めるための図である。 前記実施形態に係る山留め壁の内部安定の計算に用いる静止側圧および水圧を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る山留め壁１の縦断面図および平面図である。
山留め壁１は、地下構造物２を構築するためのものである。この山留め壁１は、地下構造物２の周囲の地盤３を深層混合処理工法により地盤改良して構築された地盤改良体１０と、この地盤改良体１０の外側つまり地下構造物２とは反対側の壁面に沿って設けられた引張り材としての鋼材２０と、を備える。

地下構造物２の直下には、地盤改良体１０と同様に、地盤３を深層混合処理工法により地盤改良して構築された底部地盤改良体３０が構築されており、地盤改良体１０は、この底部地盤改良体３０に連続している。
鋼材２０は、略鉛直方向に延びるＨ鋼であり、水平方向に所定間隔おきに設けられている。これら鋼材２０は、地盤改良体１０の直下の地盤３に根入れされている。

山留め壁１は、以下の手順で構築される。
まず、地下構造物２の周囲の地盤を地盤改良して地盤改良体１０を構築する。
次に、鋼材２０を、地盤改良体１０の地下構造物２とは反対側の壁面に沿って略鉛直方向に打ち込んで、地盤改良体１０の直下の地盤まで根入れする。

以下、山留め壁１に必要な厚みの検討を行う。
山留め壁１の外部安定では、山留め壁１の滑動、転倒、沈下に対する安全性を検討する必要があるが、山留め壁１の地盤改良体１０は底部地盤改良体３０に連続しているため、滑動および沈下は生じないと考えてよく、滑動および沈下についての検討を省略する。
一方、山留め壁１の内部安定では、山留め壁の水平せん断および曲げ引張りに対する安全性を検討する必要がある。

まず、山留め壁１の地盤改良体１０および鋼材２０について、以下のように設定する。
地盤改良体１０の深さ（高さ）をＨ、厚みをＤとする。
また、地盤改良体１０の単位体積重量をγ、許容圧縮応力度をσｃａ、許容せん断応力度をτａ、許容引張応力度をσｔａとする。ここで、許容せん断応力度τａおよび許容引張応力度σｔａは、以下の式（１）、（２）で表される。

また、鋼材２０の１本当たりの断面係数をＺｓ、ピッチをＬ、許容引張応力度をσｔａｓとする。

［転倒についての検討］
転倒についての計算では、山留め壁の地盤改良体の重量により、側圧による転倒モーメントに抵抗するものとする。
以下、転倒に対して必要な地盤改良体の厚みＤ１を求める。

外部安定の計算では、側圧として主働側圧Ｐａを用いる。この主働側圧Ｐａを、図２に示すように設定する。すなわち、地盤改良体の上端の主働側圧をＰａ０、地盤改良体の下端の主働側圧をＰａＨとし、主働側圧Ｐａは台形状に分布しているものとする。
転倒モーメントＭｐａの想定する回転中心Ｏは、地盤改良体の地下構造物側の壁面の下端となる。
すると、転倒モーメントＭｐａは、以下の式（３）で表される。式（３）では、図３に示すように、主働側圧Ｐａの分布を２つに分割して求めている。

転倒に対する抵抗モーメントＭｗは、図４に示すように、以下の式（４）で表される。

例えば安全率をＦｓとすると、転倒モーメントＭｐａおよび抵抗モーメントＭｗを用いて、以下の式（５）を満たすように、地盤改良体の厚みＤ１を設定すればよい。

［水平せん断についての検討］
水平せん断についての計算では、山留め壁の地盤改良体により、側圧による総せん断力に抵抗するものとする。
以下、地盤改良体の水平せん断に対して必要な厚みＤ２を求める。
内部安定の計算では、側圧として、静止側圧および水圧を用いる。これら静止側圧および水圧を、図５に示すように設定する。
すなわち、水位を深さＨｗとすると、水圧は三角形状に分布する。すると、上端の水圧Ｐｗ１、下端の水圧Ｐｗ２は、以下の式（６）、（７）で表される。

よって、水圧による総せん断力Ｐｗは、以下の式（８）で表される。

また、地盤改良体の上端の静止側圧をＰｋｏ１、水位の位置の静止側圧をＰｋｏ２、地盤改良体の下端の静止側圧をＰｋｏ３とし、静止側圧は略台形状に分布しているものとする。
これら静止側圧Ｐｋｏ１、Ｐｋｏ２、Ｐｋｏ３は、側圧係数ｋｏ、上載加重Ｐｓ、上述の地盤改良体の単位体積重量γを用いて、以下の式（９）〜（１１）で表される。

よって、静止側圧による総せん断力Ｐｋｏは、以下の式（１２）で表される。式（１２）では、図５（ａ）に示すように、静止側圧の分布を４つに分割して求めている。

以上より、総せん断応力度τｈは、以下の式（１３）で表される。式（１３）中の１．０は、地盤改良体の単位幅を表す。

したがって、地盤改良体の許容せん断応力度τａ＞総せん断応力度τｈとなるように、地盤改良体の厚みＤ２を設定すればよい。

［曲げ引張りについての検討］
曲げ引張りについての計算では、側圧による曲げモーメントに対して、鋼材にかかる引張り力のみで抵抗し、山留め壁１の地盤改良体１０による抵抗は考慮しないものとする。
以下、地盤改良体の曲げ引張りに対して必要な鋼材の仕様およびピッチを求める。
曲げ引張りについては、回転中心Ｏに対する水圧による曲げモーメントＭｐｗは、水圧による総せん断力Ｐｗを用いて、以下の式（１４）で表される。

回転中心Ｏに対する静止側圧による曲げモーメントＭｐｋｏは、静止側圧による総せん断力Ｐｋｏを用いて、以下の式（１５）で表される。式（１５）では、図５（ａ）に示すように、静止側圧の分布を４つに分割して求めている。

以上より、総曲げモーメントＭは、以下の式（１６）で表される。

一方、鋼材の単位幅当たりの断面係数Ｚは、鋼材の断面係数Ｚｓおよび鋼材のピッチＬを用いて、以下の式（１７）で表される。

よって、鋼材に作用する引張応力度σｈｓは、以下の式（１８）で表される。

したがって、鋼材の許容引張応力度σｔａｓ＞鋼材に作用する引張応力度σｈｓとなるように、鋼材の仕様および間隔を設定すればよい。

さらに、鋼材にかかる引張り力については、鋼材と地盤改良体との付着力、および、鋼材と地盤との摩擦力についても検討し、これら鋼材と地盤改良体との付着力、および、鋼材と地盤との摩擦力が、鋼材に作用する引張応力度σｈｓを上回ることを確認しておく必要がある。

［鋼材を設けない場合の曲げ引張りについての検討］
比較のため、鋼材を設けない場合の曲げ引張りについても検討する。この場合、山留め壁１の地盤改良体１０により、側圧による曲げモーメントに抵抗するものとする。
以下、地盤改良体の曲げ引張りに対して必要な厚みＤ３を求める。
地盤改良体の単位幅当たりの断面係数Ｚは、以下の式（１９）で表される。

よって、地盤改良体に作用する引張応力度σｈａは、以下の式（２０）で表される。

したがって、地盤改良体の許容引張応力度σｔａ＞地盤改良体に作用する引張応力度σｈａとなるように、Ｄ３を設定すればよい。

次に、上述の式に具体的な数値を適用して本発明の効果を検証する。鋼材を設けた場合を実施例とし、鋼材を設けない場合を比較例とする。
［実施例］
Ｈ＝６（ｍ）、γ＝１９（ｋＮ／ｍ^３）、σｃａ＝４００（ｋＮ／ｍ^２）とすると、σｔａ＝６０（ｋＮ／ｍ^２）、τａ＝２００（ｋＮ／ｍ^２）となる。

１．転倒についての検討
Ｐａ０＝５．３０（ｋＮ）、ＰａＨ＝６５．７２（ｋＮ）とすると、Ｍｐａ＝４５７．９２（ｋＮｍ）となる。
また、Ｍｗ＝５７．００（Ｄ１）^２となる。
よって、Ｆｓ＝１．２とすると、Ｄ１＝３．１０（ｍ）となる。

２．水平せん断についての検討
Ｐｗ＝８０．０（ｋＮ）となる。
また、ｋｏ＝０．５、Ｐｓ＝１０．０（ｋＮ）とすると、Ｐｋｏ１＝５．０（ｋＮ）、Ｐｋｏ２＝２４．０（ｋＮ）、Ｐｋｏ３＝４２．０（ｋＮ）となり、Ｐｋｏ＝１６１．０（ｋＮ）となる。
よって、τｈ＝２４１．０／Ｄ２（ｋＮ／ｍ^２）となるので、Ｄ２＝１．２１（ｍ）となる。

３．曲げ引張りについての検討
Ｍｐｗ＝１０６．６７（ｋＮｍ）、Ｍｐｋｏ＝３７８．６７（ｋＮｍ）となり、Ｍ＝４８５．３４（ｋＮｍ）となる。
また、鋼材としてＨ−４００×４００を用いて、この鋼材を１ｍ間隔で設置するものとする。すると、Ｚｓ＝０．００２９５（ｍ^３）、Ｌ＝１．０（ｍ）、σｔａｓ＝１８８０００（ｋＮ／ｍ^２）となる。
さらに、σｈｓ＝１６４５２２．０１（ｋＮ／ｍ２）となるので、σｈｓ＜σｔａｓとなり、Ｈ−４００×４００を１ｍ間隔で設置することにより、曲げ引張りに対する耐力を確保できることが判る。

以上より、実施例では、地盤改良体の厚みは、曲げ引張りに対する耐力に影響を受けず、３．１０（ｍ）となる。

［比較例］
鋼材を設けない場合、曲げ引張りについて検討すると、σｈａ＝６０（ｋＮ／ｍ^２）となるＤ３を求めればよいので、Ｄ３＝７．００（ｍ）となる。
よって、地盤改良体の厚みは、曲げ引張りに対する耐力で決定されて、７．０ｍとなる。

したがって、実施例では、比較例に比べて、地盤改良体の厚みを約半分にできることが判る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）山留め壁１に作用する曲げ引張り力を鋼材２０が負担する。よって、従来のように地盤改良体の厚さを大きくする必要がなくなり、地盤改良体１０の厚みが小さくなるので、施工費を抑制しつつ、工期を短縮できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１…山留め壁
２…地下構造物
３…地盤
１０…地盤改良体
２０…鋼材（引張り材）
３０…底部地盤改良体
Ｈ…地盤改良体の高さ（深さ）
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…地盤改良体の厚み
γ…地盤改良体の単位体積重量
σｃａ…地盤改良体の許容圧縮応力度
τａ…地盤改良体の許容せん断応力度
σｔａ…地盤改良体の許容引張応力度
Ｚ…鋼材の単位幅当たりの断面係数
Ｚs…鋼材の１本当たりの断面係数
Ｌ…鋼材のピッチ
σｔａｓ…鋼材の許容引張応力度
Ｏ…回転中心
Ｍｐａ…転倒モーメント
Ｍｗ…抵抗モーメント
Ｆｓ…安全率
Ｐａ…主働側圧
Ｈｗ…水位の深さ
Ｐｗ…水圧による総せん断力
ｋｏ…側圧係数
Ｐｓ…上載加重
Ｐｋｏ…静止側圧による総せん断力
τｈ…総せん断応力度
Ｍｐｗ…水圧による曲げモーメント
Ｍｐｋｏ…静止側圧によるモーメント
Ｍ…総曲げモーメント
σｈｓ…鋼材に作用する引張応力度
σｈａ…地盤改良体に作用する引張応力度

Claims (1)

1. 地下構造物を構築するための山留め壁であって、
   当該地下構造物の周囲の地盤を地盤改良して構築された地盤改良体と、当該地盤改良体の前記地下構造物とは反対側の壁面に沿って略鉛直方向に延びてかつ前記地盤改良体の直下の地盤に根入れされた鋼材と、前記地下構造物の直下の地盤を地盤改良して構築されてかつ前記地盤改良体に連続する底部地盤改良体と、を備え、
   前記地盤改良体の水平せん断力により、当該地盤改良体に作用する側圧による総水平せん断力に抵抗することを特徴とする山留め壁。

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