橋の沈下を防ぐ技術

 (practical.engineering)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-07-04 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 橋は下を川・鉄道・道路が通る空間を空けておく必要があるため、上部荷重が橋脚と橋台に集中し、軟弱な河川・海洋地盤でも耐えられる深い基礎が必要になる
  • 杭基礎は長い部材を地盤に打ち込む、または掘って挿入し、硬い地層に達する先端支持と周囲の土との周面摩擦で鉛直荷重を支える
  • 打込み杭は設置プロセス自体が一種の荷重検証のように機能するが、騒音・振動、地盤隆起、経路逸脱、硬い地層の貫通の難しさといった制約を伴う
  • 場所打ち杭である drilled shaft は、掘削後に鉄筋とコンクリートを入れる方式で、水中ではケーシングとトレミーを使って孔の崩壊とコンクリートの希釈を防ぐ
  • Millennium Tower と2004年の Tampa Lee Roy Selmon Expressway の橋脚沈下事例は、深い基礎でも失敗し得ること、そして地盤工学の複雑さがコスト・工程上の問題につながり得ることを示している

橋の荷重が地盤に集中する理由

  • 橋の本質は、単に何かを「越える」ことではなく、その下に川・鉄道・道路が通る空間を確保することにある
  • 一般的な道路では力が地盤へ直接伝わるが、橋では支間に作用する力が両側の橋脚や橋台に集まる
  • 下部構造は非常に強固に設計されるが、実際の設置場所は荷重を受けるのに適していない場合が多い
    • 河川や海には柔らかくぬかるんだ土が多く、大きな重量をうまく支えられない
    • 多くの橋梁基礎は水中に設置される
  • 地盤が耐えられない荷重を受けると支持力破壊が起こり、基礎が土の中へ沈み込む
  • このように荷重をかけ続けてさらに深く入っていくようにする考え方が、広く使われる構造部材である基礎杭につながる

打込み杭の材料と設置原理

  • 杭は地中に打ち込む、または掘って挿入する、長い柱状の構造部材である
  • Federal Highway Administration の Design and Construction of Driven Pile Foundations 第1巻は500ページを超え、記号11ページと略語2ページの後でようやく序論が出てくるほど、関連する工学は複雑である
  • 打込み杭の歴史は記録以前にまでさかのぼり、基本概念は棒を地面に打ち込むことにある

  • 杭材料別の特性

    • 木杭
      • 安価で打込み時の力に強く、設置しやすい
      • 腐る可能性があり、木の大きさのため長さに限界があり、代替材料より強度が低い
    • コンクリート杭
      • さまざまなサイズと形状で製作され、深い基礎に広く使われる
      • 地盤に打ち込む際に必要な力に耐えるには大型である必要があり、一部のコンクリート杭は幅が30インチ、または75cm以上ある
    • 鋼杭
      • コンクリートより細く作れる
      • pipe pile と H-pile が主な形式である

  • ハンマーで打ち込む理由

    • 杭を深く押し込むには、同じ大きさの反力が必要になる
    • 巨大な重量物や地盤に固定された強固な構造物を使う代わりに、通常はハンマーを使う
    • 高い場所から落とした比較的小さな重りの位置エネルギーが運動エネルギーに変わり、落下を止める力が杭へ伝わる
    • 多くの pile driver は、大きなハンマーや振動ヘッドで必要な力を生み出す

杭が荷重を支える仕組み

  • 基礎の主な目的は、荷重を受けても動かないことである
  • 杭は鉛直荷重に対して、大きく2つの方法で抵抗する

  • 先端支持と周面摩擦

    • 先端支持は、杭の先端、つまり toe が硬い土層や岩盤層に達し、より大きな荷重に耐える方式である
    • 実際の地質は「bedrock」という単純な概念より複雑で、常に合理的な深さに硬い地層があるわけではない
    • 周面摩擦または shaft resistance は、杭を打ち込む過程で周囲の土が締め固められて密になり、杭の壁面との摩擦が生じる方式である
    • 杭がより深く入るほど、摩擦抵抗は大きくなる

  • 設置自体が検証になる特性

    • 同じ高さから落としたハンマーで杭を繰り返し打撃すると、最初は一定の深さずつ入っていくが、徐々に1回の打撃あたりの移動量が減る
    • 杭がほとんど動かない地点は、技術的には refusal に達した状態である
    • 深さ別の打撃回数をグラフにすると、杭が深く入るほど鉛直荷重への抵抗が大きくなる様子が分かる
    • Pile Driving Contractors Association の “A Driven Pile is a Tested Pile” は、打込み杭が設置過程で一定の力に耐えられることを確認できるという特性を示している
    • 十分な抵抗が見られなければ、多くの場合、さらに深く打ち込んで望む抵抗に到達できる

水平荷重と打込み杭の限界

  • 構造物は下向きに押す力だけを受けるわけではない
  • 建物は風による水平荷重を受け、橋は流水・氷・船舶の接触によっても水平荷重を受けることがある
  • 洪水による浮力や強風は、重力に反対する引抜き荷重を生じさせることがある
  • 橋梁周辺の土は、施工直後と数回の洪水後で状態が変わる可能性がある
    • エンジニアは自然な河床変化と橋自体が生む変化を考慮して洗掘を予測しなければならない
    • 基礎は、長期的に変化した地盤条件でも強度を維持するよう設計される必要がある
  • 橋脚荷重は pile cap を通じて杭へ伝達・分散される
  • 大きな水平荷重が予想される場合、一部の杭を傾けて設置する battered pile を使う
    • 斜杭は周面摩擦をよりよく活用し、水平荷重に対する基礎の強度を高める

  • 打込み杭の制約

    • 打込み杭の設置は騒音と振動が大きく、密集した都市部では受け入れにくい
    • 設置時の振動は周辺インフラに影響を与える可能性がある
    • 多くの場合、杭は最終構造物の荷重より、設置中に受けるはるかに大きな力に耐えるよう設計されなければならない
    • 硬い地質層、砂利、大きな石を容易には通過できない
    • 地中で進む経路を直接見られないため、経路から外れることがある
    • 土を取り除かずに押し込むため、地盤隆起が生じることがある

Drilled shaft と水中コンクリート施工

  • drilled shaft は、穴を深く掘り、鉄筋を入れてからコンクリートで満たす方式である
  • FHWA の Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methods マニュアルは747ページ規模である
  • 軟弱地盤や湿った条件では、穴の壁が崩れないようケーシングを使用する
    • ケーシングは通常、掘削中に auger に沿って下げながら設置される
    • ケーシングが水面上まで立ち上がっていても、底から水が漏れ入ることがある
  • コンクリートの水セメント比は強度と性能に重要なため、水中でそのまま落とすと水と混ざって希釈される
  • トレミーは穴の底まで下ろす管で、先端をコンクリート表面の下に保つと、コンクリートが水と混ざらない
  • コンクリートは水より密度が高いため、穴の下から満ち上がり、水を上へ押し出す

  • ケーシングと pile cap 方式

    • 水中設置では、ケーシングをそのまま残す場合が多い
    • ケーシングを活用すれば、大きな cofferdam を作って作業区域を乾かす代わりに、pile cap を水面内または水面上に持ち上げて施工の複雑さを減らせる
    • このような high rise pile cap は洋上風力タービンで多く使われる
    • 状況によっては、コンクリート充填後にケーシングを引き抜き、巨大な鋼管のコストを削減できる
    • コンクリートの圧力が穴の壁に作用し、土の崩壊を防ぐことができる
    • drilled shaft は打込み杭よりはるかに大きく作れるため、複数の杭と pile cap が不要な場合もある
    • 風力タービン、高速道路標識などは、単一の drilled shaft である mono-pile foundation の上に建てられることがある
    • drilled shaft の底を広げる reaming は、toe の表面積を増やして沈下傾向を減らし、引抜き抵抗にも役立つことがある

さまざまな深い基礎と失敗事例

  • 深い基礎システムは、打込み杭と drilled shaft だけに限られない
  • Continuous flight auger pile は hollow-stem auger を使って掘削とコンクリート打設を実質的に1段階で処理し、その後、まだ固まっていないコンクリートに鉄筋を入れる
  • stone column または商標名 Geopier は、圧縮荷重だけを考慮する場合に、コンクリートの代わりに締め固めた骨材で穴を満たす方式である
  • helical pile または screw pile は、打ち込む代わりに回転させて地盤に入れ、振動と撹乱を減らす
  • micropile は、アクセス制限や地質上の制約があるときに使う小型の drilled shaft に近い
  • sheet pile は、基礎というより壁や障壁を作るために打ち込む杭である

  • 深い基礎でも失敗することがある

    • 杭は浅い基礎より通常ははるかに強いが、失敗することもある
    • San Francisco の Millennium Tower は、杭基礎の上の高層建物が地盤内へ沈み込んで傾いた事例である
    • 大部分は修正されたように見えるが、今でも時折ニュースに登場する
    • 2004年、Florida Tampa の Lee Roy Selmon Expressway の橋脚は、複雑な地質のため工事中に11フィート、3m以上沈下した
    • 復旧費用は9,000万ドルで、プロジェクト完了は1年遅れた
    • 重い荷重を地盤に委ねる設計では、地盤工学の科学と技術が大きな比重を占める

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-07-04
Hacker Newsの意見

  • Pile Driving Contractors Associationの標語「A Driven Pile is a Tested Pile」が特に良かった
    杭は打ち込まれた瞬間に、すでに一定の力に耐えられることを検証したも同然であり、抵抗が足りなければたいてい十分な抵抗が出るまでさらに深く打ち込めばよい、という理屈である

    • ゆっくりした静荷重では沈むかもしれないが、動的な衝撃には耐えられる可能性もありそう
      土壌の液状化は奇妙な現象で、ゆっくり触ると柔らかいが素早く衝撃を与えると硬くなるシリーパティに似ているように見える
    • 自分のコードについても似たようなことを言う人は多い
    • 「ほとんどの場合、十分な抵抗が出るまで下へ打ち続ければよい」という言葉からすると、その方法が通用しない場合のほうがむしろ聞く価値のある話になりそう
      ただ非常に長い間打ち続けるのか、どれくらい長く打つのか気になる
    • 地震時の液状化に対して、その検証がどう持ちこたえるのか気になる
    • 設置時点での試験が、30年後にも有効な試験だという意味ではない

  • 同じ鋼材形状がI-beamでありながらH-pileとも呼ばれる理由は、実際の形状が異なるためである
    I形梁は曲げに対応するためフランジに質量を集めることが目的なのでウェブがより細く、H杭は軸荷重と施工性のためウェブ厚がフランジと同程度に厚い傾向がある
    標準形状ではI形梁はW（ワイドフランジ）断面とS断面に分かれ、H形梁はHP断面と呼ばれる
    基礎工事では互いに代替指定されることがあるが、地上構造物では通常、HPよりもWやSのような効率のよい断面を選ぶことが多い

    • 大学時代、コンピュータサイエンスの人たちより建築専攻の人たちとよく付き合っていたが、彼らが言っていたWフランジは私にはI-beamのように聞こえた
      あえて尋ねたり訂正しようとはしなかったが、そんなことをしていたらかなり面倒な人になっていたと思う
    • 背景知識として、I字断面の横方向の要素がフランジで、縦方向の要素がウェブである
      参考図: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)

  • 「荷重を加え続けて、さらに深く沈ませたら？」という発想は、『Monty Python and the Holy Grail』でHerbertの父親が湿地に使った基本的な工学手法と同じに見える
    https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA

    • 最初にここへ来た時は、全部が湿地だった
      みんな湿地の上に城を建てるなんて正気の沙汰ではないと言ったが、見返すように建て、そしてその城は湿地に沈んだ
      2つ目の城も沈み、3つ目の城は燃えて崩れたあと湿地に沈んだが、4つ目の城は持ちこたえた
      だからお前が受け継ぐのは、この島々で最も頑丈な城なのだ、という台詞である
    • 「いつかこのすべてがお前のものになるぞ、息子よ！」
      「何が、カーテンですか？」

  • 引用符付きの基盤岩は単純な概念だが、実際の地質ははるかに複雑である
    基盤岩は常に存在するものの、場所によってはそこに到達するには杭が本当に長くなければならない
    たとえばミュンヘン南部の砂礫堆積層は深さ100m（330ft）まであり、北へ行くほど浅くなるという
    https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain

    • ニュージーランドのOtira Gorge ViaductはSouthern Alpsを越える高速道路を支えているが、その基礎は何世紀にもわたりHills Peakから崩れ落ちて堆積した深い崖錐層の上にある
      その岩石移動のために既存道路を置き換える目的で高架橋が建設され、斜面侵食により道路を次第に上へ移し、悪名高いZig Zagにさらに多くのヘアピンカーブを追加しなければならなかった
      落石も道路を危険にしており、基盤岩まで到達しようとしたものの、あまりにも深く埋もれていた
      https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
      https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...

  • 沈まない橋もある。浮いているから
    https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge

  • Ken Burns の Brooklyn Bridge 建設ドキュメンタリーは、当時の19世紀後半には革新的だった工学手法と難題を扱っていて本当に面白い
    長さも1時間程度と短いので強くおすすめする
    https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/

  • 日本の杭施工会社 Giken には、無騒音の杭施工技術とユニークな活用事例を紹介する優れた工学動画がある
    溶岩流を食い止めたり、都心の地下自転車駐輪場を作ったりする事例もある
    https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos

  • 「Piledriver」が WWE で発明されたわけではなかったことを今日知った

    • WWE が発明したわけではないが、完成させたのは WWE だ

  • 一部の橋は意図的に沈むこともあり、一部は設計ミスで沈む
    https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...

  • 筆者は Grady Hillhouse だ
    動画: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
    ブログ: https://practical.engineering/blog/
    フィード: https://practical.engineering/blog?format=rss