第54回地盤工学研究発表会

立体骨組解析の適用による鋼管矢板基礎の設計合理化に向けた基礎的検討
立体骨組解析 鋼管矢板基礎 高耐力継手
阪神高速道路技術センター 正会員 ○服部匡洋

非会員

前川和彦

阪神高速道路株式会社

非会員

小坂崇

京都大学大学院

非会員

西海能史

学生会員 草場翔馬

学生会員 宮﨑祐輔

国際会員 澤村康生

国際会員 木村亮

1. はじめに

550.00

鋼管矢板基礎設計施工便覧 1)にも示される立体骨組解析は任意な基礎形状のモデ

84.00

ル化が可能であり，脚付鋼管矢板基礎や部分的に継手を省略した鋼管矢板基礎なレーザー変位計

ど，合理的な基礎構造の設計が可能になると考えられる．しかし，鋼管矢板基礎

ひずみゲージの設計において立体骨組解析は通常基礎の規模や形状が特殊な場合に限り適用されている．このため，本検討では鋼管矢板基礎の設計における立体骨組解析の積極的な導入に向けて，そのモデルの妥当性の確認を行うことを目的に，継手管の形状を考慮した鋼管矢板基礎を構成する各要素の抵抗に着目した水平載荷試験が豊浦乾燥砂
Dr=90%実施されている 2)．本稿では，この遠心載荷実験に対し立体骨組解析を用いた再現解析を行い，立体骨組解析の解析精度について報告するものである．
2. 鋼管矢板基礎模型に対する遠心載荷実験

ロードセル

ガイド

図-1 に鋼管矢板基礎の遠心載荷実験の概要図を示す．鋼管矢板基礎の模型供試
ジャッキ

体は 1/50 スケールで製作したことから，遠心載荷装置により土槽を回転させ 50Gに相当する遠心力を作用させた状態で模型供試体に水平力を載荷した．
表-1 及び図-2 に実験ケースを示す．①鋼管 1 本，②1×3 直列，③3×1 並列，④3×3 矩形の計 4 ケースの水平載荷試験を実施した．①〜③は，立体骨組解析の妥当性を確認するにあたり，鋼管，継手部，地盤の各部の抵抗を確認することを目的として実施されている．

図-1 供試体設置状況

3. 解析対象及び解析条件

表-1 実験ケース

表-1 に示した 4 ケースに対し再現解析を実施した．本検討では 3 次元鋼管矢板3)

Engineer’s Studio4)

番号

ケース

抵抗を使用した．本解析では使用プログラムの①鋼管1本鋼管

仕様上 50G 場での遠心載荷実験を 1G 場の実大構造物のスケールに換算しモデル②1×3直列鋼管+継手+地盤に反映した．

③3×1並列鋼管+継手+地盤④

3×3矩形鋼管+継手+地盤①②

基礎の設計計算 及び鋼管は材料非線形性を考慮できるファイバー要素とし，ヤング係数は鋼材の設計値 200,000N/mm2 を，降伏強度は実測値である 293N/mm2 を採用した．また，継+地盤③

手は鉛直方向せん断，水平方向圧縮引張，水平方向せん断の 3 方向についてモデル化し，それぞれバイリニア型とした．ばね剛性及び耐力については表-2 に示す継手の要素試験より得られた値を入力した．なお，実験装置の制約により最大耐力が確認できなかった方向のばね耐力については，実験にて載荷できた最大荷重を上限値として入力した．地盤は，基礎前面水平方向，基礎外周面水平方向，基(a) 鋼管 1 本(b) 1×3④

礎外周面及び内周面の鉛直方向，それぞれバイリニア型とし，基礎底面の水平及び鉛直方向は実験条件に合わせ固定としてモデル化した．ここで，各地盤抵抗の初期剛性は地盤反力係数から求められる．地盤反力係数は N 値の関数であるが，実験地盤の N 値は計測が難しいことから，鋼管 1 本の再現解析において初期剛性が近くなるような N 値を逆算することとした．その結果，N=10 の場合初期剛性が最も近くなることから，その他の解析ケースについても N=10 として解析を実施し(c) 3×3 矩形

図-2 実験ケース及び断面図
表-2 継手のばね特性方向剛性(kN/m 2 )引張

3.7×10 552.9

求め地盤反力係数を算出している．例えば，鋼管 1 本の場合は井筒を形成してい圧縮

4.0×105- (70)ないが抵抗幅を鋼管の外形 750mm として算出した．解析は実験での載荷点位置に鉛直せん断

2.8×104- (10)強制変位を作用させる Pushover 解析とし，実験と同様に強制変位を鋼管径 750mm

水平せん断

1.0×105- (200)た．このとき，鋼管 1 本，1×3 直列，3×1 並列の場合も井筒とみなして抵抗幅を耐力(kN/m)

Fundamental study to rationalize the design of

HATTORI, Masahiro. MAEKAWA, Kazuhiko Hanshin Expressway Technology Center

steel pipe sheet pile foundation calculated byNISHIUMI, Yoshifumi. KOSAKA Takashi Hanshin Expressway Company Limited

space frame analysis

KUSABA, Shoma. MIYAZAKI, Yusuke. SAWAMUWA, Yasuo. KIMURA, Makoto
Kyoto University12

実線：実験
10④3×3 矩形

点線：解析

水平力（kN）

86②1×3 直列
4③3×1 並列2①鋼管 1 本

0020406080

100

正規化した変位d/D（％）

図-3 水平力-水平変位関係の比較(a) 鋼管 1 本(b) 1×3 直列(c) 3×3 矩形
05551010101520

点線：解析

25-4000

-2000

1520

実線：実験

深さ（m）

0

深さ（m）

深さ（m）

図-4 変形モードの比較
020

実線：実験
点線：解析

02000

25-40004000

ひずみ（ ）

-2000

実線：実験
点線：解析

02000

4000

ひずみ（ ）(a) 鋼管 1 本( /D=19%)15(b) 1×3 直列( /D=25%)

25-4000

-2000

02000

4000

ひずみ（ ）(c) 3×3 矩形( /D=52%)

図-5 鋼管ひずみ分布の比較の 200％(1500mm)まで載荷した．
4. 実験結果と再現解析結果の比較（1）水平荷重-水平変位関係
図-3 に水平力-水平変位関係の実験結果と再現解析結果の比較を示す．ここで，縦軸は遠心模型実験におけるジャッキ反力を，横軸には解析より得られた載荷点における水平変位δを鋼管径 D で除したものを示す．全てのケースについて，初期剛性は実験に比べわずかに大きく，また降伏耐力は小さい傾向が見られる．実験における地盤の剛性は緩やかな低下する挙動を示すと考えられるのに対し，再現解析では文献 1)に則り 2 次剛性を 0 とした完全弾塑性型で表すことから水平荷重-水平変位関係がある時点で頭打ちとなる傾向を示す．このため，実験と再現解析で降伏耐力に乖離が生じると考えられる．また，各ケースの大小関係を比較すると，実験結果では①鋼管 1 本，③3×1 並列，②1×3 直列，④3×3
矩形の順に初期剛性及び降伏耐力が大きくなる傾向にある．再現解析でも同様の傾向を捉えられることを示した．
（2）変形モード図-4 に変形モードの実験結果と再現解析結果の比較を示す．ここで，実験では水平載荷終了後除荷したのち取り出した時点での写真を，再現解析では最大変位 200％時点での変形図を示す．変形モードは実験と再現解析で概ね一致することがわかる．
（3）鋼管ひずみ分布
図-5 に実験における鋼管降伏時の鋼管ひずみ分布の比較を示す．①鋼管 1 本，②1×3 直列では深さ 0m〜10m 程度でわずかにひずみ分布が異なる．また，④3×3 矩形では 10m 以深でも実験と解析のひずみ分布に乖離が見られる．これは，④の場合基礎構造体の抵抗に比べ地盤抵抗が支配的になり，地盤の非線形性の影響が大きく現れていると考えられる．
今後感度分析等を行い地盤の非線形特性について検証を進めていく予定である．
5. おわりに立体骨組解析により過去に実施された遠心模型実験に対する再現解析を実施した．その結果，水平力-水平変位関係の初期剛性や変形モードは概ね再現したが，降伏耐力は実験に比べ小さく評価された．また，鋼管のひずみ分布は 3×3 矩形のケースで実験と解析の乖離が大きくなり，地盤の非線形特性に関して更なる検証が必要であることが示唆された．
参考文献
1)日本道路協会：鋼管矢板基礎設計施工便覧, 1997.12.

2)草場ら：鋼管矢板継手部の力学試験および遠心場での矩形型基礎に対する水平載荷試験, 第 73 回年次学術講演会Ⅲ-383, 2019.8. 3)フォーラムエイト：3 次元鋼管矢板基礎の設計計算
Ver.4 ヘルプ4)フォーラムエイト：Engineers Studio Ver 5.00.04 Help