鋼管間止水凍土 鋼管間止水凍土 鋼管間止水凍土

鋼管間止水凍土 鋼管間止水凍土 鋼管間止水凍土

鋼管間止水凍土の の の の内部応力 内部応力 内部応力および 内部応力 および および凍着応力 および 凍着応力 凍着応力 凍着応力の の の の安全性評価 安全性評価 安全性評価 安全性評価

（株）精研    正会員  ○森内  浩史

（株）精研    正会員    上田  保司

（株）精研    正会員    生頼  孝博 １

１ １

１．．．．目的目的目的目的             パイプルーフ工法において，凍土に よる鋼管間の止水が考えられる．前報¹⁾では，鋼 管に荷重を作用させた場合の凍土の鋼管変形への 追随性を調べた．本報では，実施工で想定される 凍土に荷重が作用する場合の実験と構造解析から，

凍土の内部応力および凍着応力の安全性を評価し た．また，地山掘削時における鋼管の露出が，鋼 管間止水凍土の安全性に及ぼす影響を調べた．

２２

２２．．．．実験実験実験実験およびおよびおよび解析方法および解析方法解析方法解析方法             図１に実験模 式図を示す．鋼管はＳＧＰ（φ27.2mm）を，

試料土は豊浦硅砂を用いた．供試体は鋼管 全周を凍土で覆った全周包含梁と，鋼管の 下端部を露出させた掘削想定梁の２つを用 いた．歪速度は0.15％/min，実験温度は

−2〜−20℃で三等分点曲げ実験を行った．

この２種類の梁について，鋼管と凍土の 凍着が切れない完全合成梁として構造解析²⁾ を行った．鋼管および凍土単体の曲げ実験 から，解析に必要な鋼管および凍土の応力

−歪曲線のモデル化を行った．

３ ３ ３

３．．．．実験結果実験結果実験結果実験結果ととと構造解析結果と構造解析結果構造解析結果   構造解析結果          図２に，実線で各温度における荷重−たわみ曲線の実験値を，破線で構造解 析による解析値を示す．比較のため，図中に２点鎖線で鋼管単体の結果も示す．

すべての荷重−たわみ曲線の実験値において，載荷初期はたわみの増加に伴って荷重がほぼ直線的に増加す る．その後，荷重の増加は緩やかになり，より小さな増加勾配に移行する．全周包含梁および掘削想定梁の荷 重は，温度が低いほど鋼管単体の荷重を大きく上廻る．これは，凍土の力学的寄与によると考えられる．また，

いずれの温度でも，掘削想定梁の荷重は全周包含梁を下廻る．これは，掘削想定梁では凍着面積が全周包含梁 よりも小さく凍着が切れやすいので，凍土による補強効果²⁾が小さいためと考えられる．

  載荷初期の荷重がほぼ直線的に増加する領域では，解析値は実験値とほぼ一致しているが，荷重の増加勾配 が緩やかな領域では，解析値は実験値を上廻る．また，解析値と実験値との差は，掘削想定梁の方が全周包含 梁よりも大きい．これは，掘削想定梁が全周包含梁よりも早期に凍着が切れるため，構造解析の条件である完 全合成梁として挙動する期間が短いことが原因と考えられる．

全周包含梁および掘削想定梁について，梁中央部における凍土の圧縮縁および引張縁での応力，鋼管の引張 応力，凍土と鋼管の凍着応力を解析した．図３に−5℃における解析結果を示す．図中に破線で，凍土単体の 実験から求めた凍土の圧縮および引張強度，凍着せん断実験から求めた凍着せん断強度³⁾も併記する．凍土の

キーワード  凍土，パイプルーフ工法，凍着，止水 

連絡先      〒542-0066 大阪市中央区瓦屋町2丁目11番16号 (株)精研   TEL:06-6768-5031 FAX:06-6768-1508 図１ 実験模式図

支持スパン 30cm たわみ測定

（梁中央部）

荷重

幅 10cm 幅 10cm 3.5cm

露出厚1.0cm 鋼管 φ27.2mm-t2.8mm

全周包含梁 掘削想定梁 圧縮縁

引張縁

図１ 実験模式図 支持スパン 30cm

たわみ測定

（梁中央部）

荷重

幅 10cm

幅 10cm 幅 幅 10cm10cm 3.5cm

露出厚1.0cm 鋼管 φ27.2mm-t2.8mm

全周包含梁 掘削想定梁 圧縮縁

引張縁

0 10 20 30 40

0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15

図２ 荷重−たわみ曲線の例

荷 重

たわみ (mm) (kN)

−2℃ −5℃ −10℃

実験値   掘削想定梁       全周包含梁       鋼管単体

解析値   掘削想定梁       全周包含梁

0 10 20 30 40

0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0

10 20 30 40

0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15

図２ 荷重−たわみ曲線の例

荷 重

たわみ (mm) (kN)

−2℃ −5℃ −10℃

実験値   掘削想定梁       全周包含梁       鋼管単体

解析値   掘削想定梁       全周包含梁 実験値   掘削想定梁

      全周包含梁       鋼管単体

解析値   掘削想定梁       全周包含梁 土木学会第59回年次学術講演会（平成16年9月）

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圧縮および引張応力は，どちらの梁でもたわみの増加に伴って増加す る．凍土の圧縮応力は二つの梁の間に差はほとんどなく，凍土の圧縮 強度の1/2以下である．凍土の引張応力は全周包含梁の方が掘削想定 梁よりも大きく，最終的には凍土の引張強度近くに達する．凍着応力 もたわみの増加に伴って増加するが，掘削想定梁の方が全周包含梁よ りも大きく，たわみ増加の途中で凍着せん断強度を上廻る．以上の結 果から−5℃の場合，全周包含梁は凍土の引張縁における凍土の破壊，

掘削想定梁では凍着切れによって梁が破壊すると考えられる．

４ ４ ４

４．．．．鋼管間止水凍土鋼管間止水凍土鋼管間止水凍土鋼管間止水凍土ののの安全性評価の安全性評価安全性評価安全性評価             図３に縦の一点鎖線で示すよ うに，鋼管の引張応力がパイプルーフ工法における短期許容応力度⁴⁾

（設計強度）に達するたわみでは，二つの梁ともに各応力の解析値 はそれぞれの強度を下廻っており，この範囲内の荷重では，凍土は 凍着切れやクラックを生じることなく鋼管変形に追随するといえる．

鋼管応力が短期許容応力度⁴⁾に達した時点での各応力の計算値を，

実験より得た各強度で除した応力比によって，全周包含梁および掘 削想定梁の安全性を評価した．

応力比と温度との関係を図４に示す．全周包含梁では，いずれの 温度でも凍土の引張応力比が最も小さいことから，その安全性は凍 土の引張応力で評価するべきである．一方，掘削想定梁では，いず れの温度でも凍着応力比が最も小さいので，その安全性は凍着応力 で評価するべきである．凍着応力比は，0℃〜−10℃の間では−5℃

付近でピークを示し，−10℃以降では温度が低いほど増加する．鋼 管と凍土との凍着力を高めるには凍土温度を低くすることが望まし いが，掘削想定梁では，−5℃付近の高い温度で凍土を維持しても，

−20℃で維持する場合と同程度の安全性を確保できる．

  −5℃の条件で，掘削想定梁における露出厚を変化させて応力比 を求めた結果を，図５に示す．露出厚が小さい場合は，凍土の引張 応力比が最も小さい．露出厚が増加すると，凍土の引張応力比は増 加するのに対して凍着応力比は減少し，露出厚が3mm（凍着面積 が全周包含梁の78％）となる時点で両者の大小関係は逆転する．

なお，凍土の圧縮応力比は露出厚によってほとんど変化せず，３種 類の応力比の中で最小になることはない．以上から，鋼管の露出が 小さい場合は梁の安全性は凍土の引張応力で評価するべきであり，

露出が大きい場合には梁の安全性は凍着応力で評価するべきである．

５５

５５．．．．まとめまとめまとめまとめ          １）鋼管間止水凍土の安全性は，鋼管の露出が少な い場合は凍土の引張応力で決まり，露出が多くなると凍着応力で決 まる．  ２）−5℃付近の高い凍土温度でも，−20℃の凍土と同程 度の凍着安全性を確保できる．  ３）鋼管の露出の有無に係わらず，

パイプルーフ工法の設計の範囲では，凍土は凍着切れやクラックを 生じずに鋼管変形に追随する．

文献 文献 文献

文献     1) 森内他：土木講演予稿集,Ⅲ-377,pp.753-754,2003.  2) 上田他：土木論文集,No.694,Ⅲ-57,pp.81-90,2001.

3) 森内他：雪氷予稿集,pp.186,2003.  4) 斉藤重治：パイプルーフ工法・地盤，理工図書,pp.58-61,1982.

-20 -15 -10 -5 0 0 5 10 15 20

-20 -15 -10 -5 0

図４ 応力比と温度との関係 温度（℃）

応 力 比

全周包含梁 掘削想定梁 凍土の圧縮応力比

凍土の引張応力比 凍着応力比

-20 -15 -10 -5 0 0 5 10 15 20

-20 -15 -10 -5 0

図４ 応力比と温度との関係 温度（℃）

応 力 比

全周包含梁 掘削想定梁 凍土の圧縮応力比

凍土の引張応力比 凍着応力比 凍土の圧縮応力比 凍土の引張応力比 凍着応力比

図５ 応力比と露出厚との関係（−5℃）

0 5 10 15

0 5 10 15 20 25 30

露出厚（mm）

応 力 比

凍土の圧縮応力比 凍土の引張応力比 凍着応力比 鋼管径

図５ 応力比と露出厚との関係（−5℃）

0 5 10 15

0 5 10 15 20 25 30

露出厚（mm）

応 力 比

凍土の圧縮応力比 凍土の引張応力比 凍着応力比 鋼管径

0 5 10 15

0 5 10 15 20 25 30

露出厚（mm）

応 力 比

凍土の圧縮応力比 凍土の引張応力比 凍着応力比 凍土の圧縮応力比 凍土の引張応力比 凍着応力比 鋼管径 0

200 400 600

0 5 10 15

0 0.3 0.6 0.90 5 10 150 5 10 15

図３ 応力分布の解析例（−５℃）

たわみ (mm) 全周包含梁

鋼管の短期許容応力度 凍土と鋼管の

凍土の引張強度 凍土の

(MPa)

掘削想定梁 鋼管の引張応力が短期許 容応力度に達する時点

凍着せん断強度 圧縮強度

鋼管引張応力凍土引張応力凍土圧縮応力凍着応力

0 200 400 600

0 5 10 15

0 0.3 0.6 0.90 5 10 150 5 10 15

0 200 400 600

0 5 10 15

0 0.3 0.6 0.90 5 10 150 5 10 15

図３ 応力分布の解析例（−５℃）

たわみ (mm) 全周包含梁

鋼管の短期許容応力度 凍土と鋼管の

凍土の引張強度 凍土の

(MPa)

掘削想定梁 鋼管の引張応力が短期許 容応力度に達する時点

凍着せん断強度 圧縮強度

鋼管引張応力凍土引張応力凍土圧縮応力凍着応力

土木学会第59回年次学術講演会（平成16年9月）

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