〈技術士 1次試験〉H30年度・4問目 土圧

本日の技術の勉強は土質力学。

土質力学は平成30年は4問も出ている。苦手な科目なのに・・・。

 

 

今日は土圧について勉強する。

技術士の過去問、平成30年 1次試験の4問目 土圧について。

 

問題文は「公益社団法人 日本技術士会」のHPで閲覧ができるようです。

「公益社団法人 日本技術士会」過去問(平成30年度 第1次試験)

 

 

 

選択肢➀ 主働土圧

 

その前に土圧とは何かを考える。

基本、水圧と一緒。

土の重さが擁壁などに、のしかかると、擁壁に土圧がかかっているという、言い方をする。

 

 

L型擁壁、重力式擁壁、もたれ擁壁、垂直の補強土壁などを想像してほしい。

それぞれ、水平方向の土圧に抵抗するのが擁壁の役割の一つである。

検討する項目は2点。

滑動、つまり土圧によって擁壁自体が水平に押し流されないか。

転倒。これは下部が動かす上部が回転するようにコロリンと転がってしまわないか。

と、この2点を検討しなければいけない。

 

 

次に想像しやすいように土を水と比較してみる。

水槽に水を入れると、水槽の壁と下面には水圧がかかる。

かりにこの水槽が大きな水槽で10mほどの深さがあると仮定する(構造物を作るときは、数cmの土圧とか検討することがないので)

 

 

鉛直方向、つまり重力方向、つまり水槽の下面にかかる水圧を計算する。

水の密度=1(g/cm)なので1000(kg/m

深さ10mまでの水の重さ =1000(k g/m3)×10(m)×1(m)×1(m)×9.8(m/s

水圧は水の重さと同じなので、同様に10mの深さでは

水圧=10×9.8=98(kN/m

水圧の場合、全方向に同じ水圧がかかるので、10mの深さでの水平方向の水圧も98(kN/m

 

 

では、土圧はどうなのか?

まず、土の密度=1.4~2(g/cm)なので、ここでは2000(kg/m)とする。

ちなみに、ここでは密度を2(g/cm)と置いたけど、土の密度は砂や粘土などによって異なる。

密度を2(g/m)と仮定すると、鉛直方向では

鉛直方向の土圧 = 2000×98=196(kN/m

しかし、水平方向は水圧のように全方向に同じようには働かない。

なぜなら、土粒子自身が結合力をもっているから、擁壁の後ろの土すべてが擁壁にもたれ掛かっている、というわけではない。

なので、水よりも水平方向の土圧は弱まる

砂質土の場合、弱まる割合は0.4~0.7程度になる、と言われている。

なので、水平方向の土圧 = 196 ×(0.4~0.7)=78~137(kN/m2)

つまり、水平方向の土圧は、水圧と比べると、水圧より小さくなる場合も大きくなる場合もある、ということ。

鉛直方向は2倍くらいになるけど。

 

 

主働土圧、受動土圧、静止土圧など、土圧の種類は3種類ある。

冒頭で擁壁にのしかかる土の圧力を土圧という、といったように、土圧は擁壁と一緒に考える。

これは水平方向に働く土圧は、擁壁に変形が見られると変化するから、そのように3パターンを考えなければいけない、ということ。

 

主働土圧・・・これは擁壁が土から離れる方向に動いたときの土圧。

と、教科書には載っている。

どうもよく分からない。それもそのはず。教科書では擁壁目線で解説されている。

何が主なのか?誰から目線?

これは、本当は土から目線。

土が崩れそうになると、擁壁にもたれかかる。

そのときに擁壁が微小に動く。

やがて、擁壁の動きも土の移動しようとする力も落ち着く。

このときの土圧が主働土圧、ということ。

だから、くずれかけた土が擁壁にかける圧力のことをいう。

 

受動土圧・・・主働土圧と逆で擁壁が土に近づいてくるときの土圧。

これは、擁壁が何らかの原因で土を押す場合。

例えば

L型擁壁の場合、転倒に対して抵抗する。

ということは、擁壁の上の方は土から離れる方向に動こうとする。

そのとき、擁壁の下面は土を押す方向に動こうとする。

この場合、擁壁の上面は主働土圧で下面は受動土圧といえる。

 

静止土圧・・・土が動かないときの土圧。

 

となっている。

しかし、擁壁が土から離れるとか土に近づくとか、そんなことって想定する必要があるのか?

そんな構造物が動くこと自体、その設計がおかしいのではないか、と思うかもしれない。

実は、この擁壁が動くというのは、ほんの少し、微小な動きも主働土圧や受動土圧として計算する。

なので、静止土圧というのは理想上というか、計算上の基準となる土圧というぐらいのイメージで。

 

 

長くなったけど、選択肢をみる。

土が水平方向に緩む、これは土が崩れるような場合。

土が擁壁を押し、擁壁が微小に動き、やがて水平土圧が減少する、そして落ち着いたときの土圧。

これは主働土圧になる。

 

 

 

選択肢② クーロンの土圧

 

土圧を計算する式は有名なものは3種類。

クーロンの土圧

ランキンの土圧

テルツァギーの土圧

この中で実務で使われるのはクーロンが多いらしい。

 

選択肢の問いに出てくる「土くさび」というのは、擁壁の背面の土を断面でみたとき、くさび(逆三角形)の部分について検討することから、出た言葉。

で、この「土くさび形」のモデルで検討したのがクーロン。

 

 

 

選択肢③ 受動土圧

 

選択肢➀でかなり書いた。

土を水平に圧縮する、という表現から壁が動いているのが分かる。

土が水平に壁からの力を受けて圧縮される、ということ。

すると、壁から圧を受けるので土圧が増大する。

そして、やがて落ち着いた状態での土圧。

 

主働土圧も受動土圧も、両方とも最終的に落ち着いた状態の土圧をいっている。

壁が離れた後に落ち着いた時の土圧が主働土圧

壁が土を押し上げようとして落ち着いた時の土圧が受動土圧

 

 

 

選択肢④ 土被り圧

 

管路など、土中深くに埋設する構造物の場合、その上にのっかっている土により土圧を受ける。

このとき、鉛直方向の圧力が大きい。

 

これは選択肢➀のときに書いたこと。

鉛直方向の土圧 = 2000×98=196(kN/m

しかし、水平方向は水圧のように全方向に同じようには働かない。

弱まる割合は0.4~0.7程度になる、と言われている。

なので、水平方向の土圧 = 196 ×(0.4~0.7)=78~137(kN/m2)

 

と、書いた。

だから、鉛直方向を基本に設計や検討をすることになる。

 

 

 

選択肢⑤ 静止土圧

 

静止土圧の説明どおり。

地盤の水平変位が生じない状態における水平方向の土圧。

復習になるけど、地盤の土崩れたとき、つまり土が緩んだときは主働土圧。

地盤の土が壁から力を受け、土が圧縮されたときは受動土圧。

 

なので一般には、受動土圧 > 静止土圧 > 主働土圧 となる。

 

 

今日も中々、骨が折れた。

やっぱり、絶対学生の方が有利だ。

構造力学や土質、水理学なんか覚えてないよ、もう。

 

 

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