JP2005113464A - 遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法及びこの設計方法を用いた遮水壁用鋼矢板の継手部構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 遮水壁用鋼矢板の嵌合状態によらず、確実に継手部の止水性能を確保できる遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法を提供する。
【解決手段】 鋼矢板の互いに対向する継手部間に水膨潤性止水材を拘束させて遮水する遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法において、鋼矢板の嵌合状態によって継手部間に最大隙間が生じたときにも、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材の接触応力が鋼矢板の両側での水圧差を上回るように、継手部間の最大隙間、水膨潤性止水材の厚さ及び材質を設計する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、遮水壁用鋼矢板の継手部に関し、特に廃棄物最終処分場や汚染土壌等から流出する汚染水の拡散防止を目的とする遮水鋼矢板の継手構造に関する。

廃棄物最終処分場の遮水壁として鋼矢板を用いる場合がある。この場合、鋼矢板の継手部に事前に水膨潤性止水材を塗布後、鋼矢板を地盤中に打設する。水中や土中の水分と反応して膨張した水膨潤性止水材が、互いに対向する継手間の隙間を埋めることにより、継手部からの漏水を防止する（特許文献１〜３参照）。

水膨潤性止水材としては種々の材料が提案されているが、特許文献４に示される、５〜１０倍程度に膨潤する湿気硬化型の特殊ポリウレタン樹脂を用いるのが実用化されて広く普及している。

しかしながら鋼矢板の打設時に、周辺地盤や嵌合する継手との摩擦により水膨潤性止水材の一部が剥離し、遮水性能に悪影響を及ぼすことがある。継手部同士の接触による水膨潤性止水材の剥離を防止する手段として、継手の嵌合部の軸長方向に凹条溝を穿設し、この凹条溝に水膨潤性止水材を充填する方法（特許文献５参照）や、間隔保持用突起体を設ける方法（特許文献６参照）、雄雌非同一断面形状にして止水材装着用の空隙を確保する方法（特許文献７参照）が考案されている。

実公昭４６−３３９７７号公報 特公昭４７−４３６１２号公報 特公平６−９６６８８号公報 特許第１７３７４４５号公報 実用新案登録第２０９３３９５号公報 特開２０００−１９２４５１号公報 特開２０００−１９２４５２号公報

一般に鋼矢板の継手部は、地盤への打設時の作業性を考慮して嵌合させたときに隙間が発生するように作られている。上記の水膨潤性止水材による継手部の漏水防止方法では、止水材の体積膨張によりその隙間を充填して水路の形成を防止している。従来の設計方法の考え方は、水を通さない水膨潤性止水材が隙間内にみっちり充填されればよいという考え方、すなわち塗布された水膨潤性止水材の体積と隙間の体積との比が水膨潤性止水材の体積膨張率よりも小さければ隙間が塞がれるという考え方にしたがって塗布量を決定していた。

しかし、鋼矢板の継手間の隙間量は一定ではない。Ｕ型鋼矢板の場合、中立状態の場合では２〜５ｍｍ程度の隙間が発生する一方、隣接する鋼矢板の嵌合状態が最も圧縮側になると継手部内に１０ｍｍ前後の隙間が発生し、逆に引張り側になると止水材が塗布される継手部の底部が対向する継手部と接触する。継手間に１０ｍｍ前後の隙間が発生すると、水膨潤性止水材が継手内の隙間を完全に充填できない場合があり、また水膨潤性止水材の膨張圧が遮水壁両面の水圧差よりも小さいために変形して水路が形成され、これにより継手部から漏水することがあった。

そこで本発明は、遮水壁用鋼矢板の嵌合状態によらず、確実に継手部の止水性能を確保できる遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法及び継手部の構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者は、膨潤後の水膨潤性止水材と継手部との接触面での接触応力が、作用水圧よりも大きければ漏れないという原理を適用し、継手間に最大隙間が生じても、水膨潤性止水材の接触応力が鋼矢板の両側での水圧差を上回るように、継手部間の最大隙間、水膨潤性止水材の厚さ及び材質を設計した。

すなわち請求項１の発明は、鋼矢板の互いに対向する継手部間に水膨潤性止水材を拘束させる遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法において、鋼矢板の嵌合状態によって継手部間に最大隙間が生じたときにも、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材の接触応力が鋼矢板の両側での水圧差を上回るように、継手部間の最大隙間、水膨潤性止水材の厚さ及び材質を設計することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法において、所定の厚さ及び材質の水膨潤性止水材を用いた場合における、継手部間の隙間と、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材との接触応力との関係を予め求め、この関係に基づいて、継手間の最大隙間、止水材の厚さ及び材質を設計することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法において、継手部の一方に水膨潤性止水材が収容される窪みを設けることにより、継手部の他方と水膨潤前の水膨潤性との隙間を増加させ、且つ水膨潤性止水材の厚さを増加させたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法において、水膨潤前の水膨潤性止水材の断面形状は、直径が８〜１８ｍｍの実質的な円形状に設定され、水膨潤前の水膨潤性止水材の継手部の一方からの突出量は１〜２ｍｍに設定されることを特徴とする。

請求項５の発明は、鋼矢板の互いに対向する継手部間に水膨潤性止水材を拘束させる遮水壁用鋼矢板の継手部構造において、鋼矢板の嵌合状態によって継手部間に最大隙間が生じたときにも、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材の接触応力が鋼矢板の両側での水圧差を上回ることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部構造において、互いに対向する継手部の一方に水膨潤性止水材が収容される窪みが形成されることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部構造において、水膨潤前の水膨潤性止水材の断面形状は、直径が８〜１８ｍｍの実質的な円形状に設定され、前記継手部の一方からの水膨潤前の水膨潤性止水材の突出量は１〜２ｍｍに設定されることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、遮水壁用鋼矢板の嵌合状態によらず、確実に継手部の止水性を確保できる。

請求項２の発明によれば、継手部間の隙間と接触応力との関係をあらかじめ求めておくことで、継手部間の最大隙間、水膨潤性止水材の設計が容易になる。

一般に水膨潤性止水材の厚さを増加させた方が、継手の許容隙間量が大きくなり（詳しくは後述する）、鋼矢板の製造や地盤への打設時の施工性において有利になる。しかし、膨潤前の止水材の厚さが大きいと、地盤への打設時に継手部の嵌合抵抗が増加したり、対向する継手部や地盤との摩擦により、水膨潤性止水材が剥離する。このため請求項３の発明では、継手部に水膨潤性止水材が収容される窪みを設けて水膨潤性止水材の大部分を収容することにより、止水材を保護しつつ厚さを確保した。

請求項４の発明によれば、水膨潤性止水材の突出量が１〜２ｍｍに設定されるので、地盤への打設時に継手部の嵌合抵抗が増加したり、対向する継手部や地盤との摩擦により、水膨潤性止水材が剥離したりするおそれがない。また、水膨潤性止水材の直径が８ｍｍ以下になると止水が困難になり、１８ｍｍ以上になると鋼矢板を製造することが困難になる。

また本発明は請求項５〜７に記載されるように、遮水壁用鋼矢板の継手部構造の発明として構成されてもよい。

以下添付図面を参照しつつ本発明の遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法の一実施形態を説明する。

最初に断面視で継手部の内面側に水膨潤性止水材（以下止水材という）が充填される窪みが形成されるＵ型の鋼矢板を設計する例について説明する。図１はこのような窪みが形成される鋼矢板を示す。この鋼矢板は、断面視で、水平なウェブ１と、その幅方向両端を同じ向きに傾斜させたフランジ部２と、該フランジ部２の先端に設けられた爪状の継手部３（所謂ラルゼン継手）を備える。継手部３の爪底部の内面側には止水材を収容する窪み４が熱間圧延で形成される。

図２は嵌合させた一対の継手部の断面図を示す。継手部３の窪み４には断面円形状の止水材６（水膨張性弾性ゴムシール材）の大部分が収容される。互いに対向する鋼矢板の継手部３，３は、地盤への打設時の作業性を考慮して嵌合させたときに、一方の継手部３の爪底部内面と、他方の継手部３の爪先端部５の外面との間に隙間が発生するように作られている。Ｕ型の鋼矢板の場合、図２（Ａ）に示される中立状態の場合では、２〜５ｍｍ程度の隙間量ｇｎが発生する。一方、図２（Ｂ）に示されるように、隣接する鋼矢板の嵌合状態が最も圧縮側になると継手部３，３内に１０ｍｍ前後の隙間が発生する。嵌合状態が最も圧縮側になったときに継手部３，３間に生じる隙間を最大隙間量ｇｍａｘと定義する。

図３に示されるように、止水材６が水膨潤後、継手部間の隙間が最大になったときに漏水が発生しないためには、止水材６と継手部との接触応力が鋼矢板の両側の水圧差（止水材に作用する作用水圧Ｐｗ）を上回ることが必要である。逆にいえば、水圧差が接触応力σを上回ってしまうと止水材６が変形して水が漏れることになる。この止水の原理を本発明の設計方法に適用する。

以下具体的な設計方法について説明する。まず、所定の厚さ及び材質の水膨潤性止水材を用いた場合における、継手部間の隙間と、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材との接触応力との関係を求める。この実施形態では、止水材の接触応力を評価するため、継手部の窪みを模した試験体を製作し、水膨張性弾性ゴムシール材からなる止水材を２週間水に浸し、水膨潤させた状態で隙間量と反力との関係を測定した。止水材の断面は円形（この場合円の直径が厚さに相当する）である。隙間量に応じて接触面積が変化するため、各荷重段階において止水材両端部における接触長をも計測している。図４は試験装置の概要図を示す。

図５は、継手部の窪みに断面円形の止水材を収容した場合の、継手間の隙間量と止水材の接触応力との関係をプロットしたものである。止水材の直径が８ｍｍ以下になると止水が困難になり、１８ｍｍ以上になると鋼矢板を製造することが困難になる。このため止水材の直径は８ｍｍ、１２ｍｍ、１８ｍｍの３種類を用意した。対応する窪みの内径はそれぞれ８ｍｍ、１２ｍｍ、１７ｍｍとしている。またそれぞれの径の試験体において、窪みの開口幅を内径と同じ寸法にしたものと、内径よりわずかに狭くした２タイプで試験を行った。窪みの深さもパラメータとして考えられるが、製造可能な深さの範囲内で止水材の突出量ｈが１〜２ｍｍ程度（図２参照）になるように決定した。この突出量は、継手部の嵌合状態が中立のときに水膨張していない止水材が対向する継手部に接触しないように決めている。図５には窪みの開口幅を内径と同じ寸法としたタイプの隙間量と接触応力との関係を示す。図５には示されていないが、開口幅の影響は隙間量が２ｍｍ以下と小さい場合を除き、比較的影響は少なかった。この図５によれば、一般に隙間量が大きくなれば止水材に発生する接触応力が大きくなるのがわかる。

次に、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材の接触応力が鋼矢板の両側での水圧差を上回るように、継手部間の最大隙間、水膨潤性止水材の直径を求める。目標とする止水圧を例えば０．２ＭＰａ（２０ｍの水頭差の相当）とすると、接触応力が止水圧を上回るために必要な最大許容隙間量が求まる。このときゴムシール材径と最大許容隙間量の関係をプロットしたところ、図６に示されるような関係が得られる。この図６から鋼矢板の両側での水圧差が０．２ＭＰａの条件で止水可能な隙間量の最大値と止水材の直径との関係が得られる。以上の方法により、継手の嵌合状態によらず、所定の水圧差で漏水が発生しない止水材の直径と継手の隙間量の最大値の関係が得られる。なお、求められた最大許容隙間量以下の鋼矢板を使用すればよいことになるが、鋼矢板の最大許容隙間量を調整する場合、継手部の爪部先端の折り曲げ角度を変化させてもよいし、継手部の厚みを厚くしてもよい。

また図６に示されるように、止水材の直径を大きくした方が、継手の許容隙間量が大きくなり、鋼矢板の製造や地盤への打設時の施工性において有利である。しかし、水膨潤前の止水材の体積が大きい場合、地盤への打設時に継手部の嵌合抵抗が増加したり、対向する継手部や地盤との摩擦により止水材が剥離・損傷したりする。そこで図２に示されるように、継手部３の一部に窪み４を設け、止水材６の大部分を収容する。これにより、継手部３の他方と水膨潤前の止水材６との隙間を増加させ、且つ止水材６の厚さを増加させる。

次に断面視で継手部の爪底部の内面側に窪みが形成されないＵ型の鋼矢板を設計する例について説明する。Ｕ型の鋼矢板自体は上記図１に示される鋼矢板と同じ構造であるが、継手部に窪みが形成されていない点が異なる。図７は窪みが形成されていない鋼矢板の継手部が嵌合した状態を示す。一方の継手部３の爪底部内面と、他方の継手部３の爪先端部５の外面との間に隙間が空けられている。隣接する鋼矢板の嵌合状態が最も圧縮側になると継手部３，３内に１０ｍｍ前後の隙間が発生する。継手部３の爪底部内面側には、体積膨脹率が５倍程度の湿気硬化型の特殊ポリウレタン樹脂製の止水材７が塗布される。

図８はこの止水材を塗布した場合の、継手部の隙間量と止水材の接触応力の関係をプロットしたものである。この図８によれば、隙間量が大きくなれば止水材に発生する接触応力が小さくなるのがわかる。また隙間量が同じであれば、止水材の塗布厚が大きいほど接触応力は大きくなる。

この図から止水材の接触応力が０．２ＭＰａになる許容隙間量を読み取り、止水材の塗布厚さを横軸としてプロットしたのが図９である。この図９から継手部の両側での水圧差が例えば０．２ＭＰａの条件で止水可能な許容隙間量の最大値と止水材の塗布厚との関係が得られる。

なお上記実施形態では、ラルゼン継手を有する鋼矢板を用いた例で説明したが、本発明では、ラルゼン継手を有する鋼矢板に限られることなく、直線型継手を有する鋼矢板を用いてもよい。

鋼矢板の断面図。 嵌合させた一対の継手部の断面図。 止水の原理を示す模式図。 試験装置の概要図。 継手間の隙間量と止水材の接触応力との関係を示すグラフ。 ゴムシール材径（止水材）と許容隙間量との関係を示すグラフ。 窪みが形成されてない一対の継手部の断面図。 継手間の隙間量と止水材の接触応力の関係を示すグラフ。 止水材の塗布厚さと許容隙間量との関係を示すグラフ。

符号の説明

３…継手部
６，７…止水材
ｇｎ…隙間量
ｇｍａｘ…最大隙間量
Ｐｗ…作用水圧（水圧差）
σ…接触応力

Claims (7)

1. 鋼矢板の互いに対向する継手部間に水膨潤性止水材を拘束させる遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法において、
   鋼矢板の嵌合状態によって継手部間に最大隙間が生じたときにも、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材の接触応力が鋼矢板の両側での水圧差を上回るように、継手部間の最大隙間、水膨潤性止水材の厚さ及び材質を設計することを特徴とする遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法。
2. 所定の厚さ及び材質の水膨潤性止水材を用いた場合における、継手部間の隙間と、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材との接触応力との関係を予め求め、この関係に基づいて、継手間の最大隙間、止水材の厚さ及び材質を設計することを特徴とする請求項１に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法。
3. 継手部の一方に水膨潤性止水材が収容される窪みを設けることにより、継手部の他方と水膨潤前の水膨潤性止水材との隙間を増加させ、且つ水膨潤性止水材の厚さを増加させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法。
4. 水膨潤前の水膨潤性止水材の断面形状は、直径が８〜１８ｍｍの実質的な円形状に設定され、水膨潤前の水膨潤性止水材の継手部の一方からの突出量は１〜２ｍｍに設定されることを特徴とする請求項３に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部の設計方法。
5. 鋼矢板の互いに対向する継手部間に水膨潤性止水材を拘束させる遮水壁用鋼矢板の継手部構造において、
   鋼矢板の嵌合状態によって継手部間に最大隙間が生じたときにも、継手部と水膨潤後の水膨潤性止水材の接触応力が鋼矢板の両側での水圧差を上回ることを特徴とする遮水壁用鋼矢板の継手部構造。
6. 互いに対向する継手部の一方に水膨潤性止水材が収容される窪みが形成されることを特徴とする請求項５に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部構造。
7. 水膨潤前の水膨潤性止水材の断面形状は、直径が８〜１８ｍｍの実質的な円形状に設定され、前記継手部の一方からの水膨潤前の水膨潤性止水材の突出量は１〜２ｍｍに設定されることを特徴とする請求項６に記載の遮水壁用鋼矢板の継手部構造。

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