U型水路の設計｜側壁・底版・水路蓋の構造計算

計算方法と適用範囲

このツールで計算できること

現場打ちU型水路（左右の側壁と底版が一体のU字断面。延長1mあたり）の構造計算を行います。部材の安全性（側壁・底版の断面照査）、水路蓋の断面計算、浮上がりに対する検討、躯体自体の安定性（滑動・転倒・支持）を照査します。空虚時（内水なし）と満水時（設計水深まで通水）を自動で両方解き、項目ごとに不利な側を採用します。常時に加えて地震時の照査に対応します。

計算方法・使用式

• 躯体の設計は、道路土工 擁壁工指針の掘割式U型擁壁（5-7-6）の考え方に準じます（指針は水路を対象に挙げていないため、準用は本ツールの扱いです）。
• 荷重の組合せ: 常時は自重＋土圧に、背面の載荷重と蓋上の活荷重を載せる・載せないの組を計算し、照査ごとに不利な組を採ります。地震時は自重＋地震の影響とし、載荷重・蓋上の活荷重は組み合わせません（指針 4-2-1(2)）。
• 土圧: 常時は静止土圧（p = K0・(γ・z + q)、式 解5-5）です。地震時は、指針 5-7-6 が示す道路橋示方書Ⅴ耐震設計編の地震時土圧（修正物部・岡部式）とし、地震時主働土圧係数 KEA を同編 式(4.2.2)の「背面が土とコンクリートの場合」で自動入力します。躯体・内水・蓋の死荷重の慣性力も考慮します。
• 側壁: 底版との結合部を固定端とする片持ばりです。内水圧が背面土圧を上回るときの内側引張も考慮し、外側・内側の両方の主鉄筋を照査します。地震時の内側引張の照査では、慣性力を外向きに取ります。
• 底版: 弾性床上のはりとして解きます（地盤ばねは引張を受け持たないものとします）。曲げの向きに応じて下側・上側の主鉄筋で照査し、側壁から伝わる軸方向力（満水時は引張になることがあります）も入れます。張出しがあるときは、そのつけ根も照査します。
• 水路蓋: コンクリート蓋は単純版として照査します。輪荷重の曲げは道路橋示方書Ⅲ（平成14年3月）表-7.4.1 の式（T荷重、衝撃を含む）で求め、せん断は同 7.2(2) により照査せず、蓋厚が 7.3.1 の最小全厚以上かを照査します。
• 浮上がり: Fs = (WB＋WS＋QS)/(US＋UD)（指針 式 解5-42）。WS には張出し上の土と側壁外面のテーパーの上の土を入れます。
• 安定性: 滑動は Fs = (V0・μ＋cB・B′)/H0（式 解5-10）、転倒は合力作用位置の偏心量（常時 |e|≦B/6、地震時 |e|≦B/3）、支持は地盤反力度と許容鉛直支持力度（地震時は1.5倍）の比較で照査します（指針 5-3-2）。張出し・テーパーの上の載荷重と蓋上の活荷重は、支持の照査だけに入れます。
• 部材計算は許容応力度法（単鉄筋長方形断面、ヤング係数比n=15）です。

入力と出力

入力: 検討ケース・水路の用途・地盤種別・地域別補正係数cz・設計水平震度kh、躯体形状（高さH・内空幅・側壁厚・底版厚・張出し）、設計水深・地下水位、水路蓋の条件（種別・厚さ・活荷重・車両の進行方向）、左右別々の土砂形状、材料（γ・σck・鉄筋材・部材の設置環境）、静止土圧係数K0・背面土の土質・地震時主働土圧係数KEA・上載荷重q、基礎条件（鉛直方向地盤反力係数kv・摩擦係数μ・付着力cB・許容鉛直支持力度）、浮上がりのその他荷重、配筋、許容値。

出力: 空虚時・満水時と荷重の組合せの各ケースについて、側壁（外側・内側）・底版の応力度照査、水路蓋の照査、浮上がりの安全率、滑動・転倒（偏心量）・支持の照査結果のOK/NG判定と、照査ごとに採ったケース。計算過程つきの帳票（計算書）を出力できます。

適用範囲・計算上の仮定

• 延長1mあたりの2次元断面の構造計算です。通水能力（流量・流速）の水理計算は行いません。開水路の水理計算ツールと連携して流下能力を確認できます。
• 躯体は左右対称とし、土砂形状のみ左右別々に与えられます。
• 常時の背面土圧は静止土圧です。主働土圧への低減は行いません。
• 内水は静水圧として扱います。流水による動水圧・摩耗と、地震時の内水の動水圧は考慮しません。
• 底版の解析は鉛直方向地盤反力係数kvに依存します。kvの設定が結果に大きく影響します。
• 地震時土圧係数の自動入力は、道路橋示方書Ⅳ下部構造編 7.9を満たす良質な背面土を前提とした近似式です。これを満たさない背面土では、別途評価した値を直接入力してください。
• 水路蓋の輪荷重の曲げに用いる表-7.4.1 は、延長方向に連続する版（支間4m以下）の値です。1枚の長さが支間に比べて短いプレキャストの蓋では、値が小さく出すぎることがあります。
• 施工時の底版中央部の照査、側方地盤の液状化による側壁への土圧の増加、地盤変位の影響が大きい場合の応答変位法などによる検討は扱いません。
• 法担ぎは換算等分布荷重として上載荷重に加算します（基準に記述の無い、本ツールの扱いです）。
• プレキャスト製品の選定計算ではありません（現場打ちの構造計算です）。

使用基準・参考文献・設計者が確認すべき事項

• 道路土工 擁壁工指針（平成24年7月、日本道路協会）: U型擁壁の設計（5-7-6）、荷重の組合せ（4-2-1）、自重と載荷重の載荷方法（4-2-2・4-2-3、解図4-1・4-2）、静止土圧（式 解5-5）、設計水平震度（解表5-1）、浮上がりの照査（式 解5-42）、滑動（式 解5-10）・転倒・支持の照査（5-3-2）、許容鉛直支持力度と摩擦係数（解表4-8・解表4-9）、コンクリートのヤング係数（表4-1）、許容応力度（表4-2〜表4-5・表4-10）。 Amazonで見る
• 道路橋示方書・同解説Ⅴ耐震設計編（平成29年11月、日本道路協会）: 地震時土圧（4.2、式(4.2.2)）。 Amazonで見る
• 道路橋示方書・同解説Ⅳ下部構造編（平成29年11月、日本道路協会）: 鉛直方向地盤反力係数 kv（式(8.5.2)・(8.5.3)、表-8.5.1、表-9.6.1）。 Amazonで見る
• 道路橋示方書・同解説Ⅰ共通編（平成29年11月、日本道路協会）: 床版を設計する場合の活荷重（T荷重・群集荷重、8.2(4)）、地震時土圧を算出する場合の壁面摩擦角（表-解8.7.1）。
• 道路橋示方書・同解説Ⅲコンクリート橋編（平成14年3月、日本道路協会）: 床版の設計一般（7.2）、床版の最小全厚（7.3.1、表-7.3.1）、T荷重による床版の設計曲げモーメント（7.4.2、表-7.4.1・表-7.4.2）。
• 道路土工要綱（平成21年度版、日本道路協会）: 地域別補正係数（資料-1）。 Amazonで見る

設計水平震度・許容安全率・許容応力度・土質定数・鉛直方向地盤反力係数・活荷重は参考の既定値を自動入力しますが、用途・地域・地盤条件により異なります。採用値の妥当性、揚圧力の設定、水路の縦断計画（勾配・水位）、凍上・すりへりへの配慮は、設計者が別途確認してください。

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