グラウト充填時の鋼管に作用する浮力の考え方｜段階施工と浮力算定方法を解説

鋼管を矩形断面内に設置し、その周囲をグラウトで充填する施工では、グラウトの流動時に鋼管が浮き上がる「浮力」が問題になることがあります。特に、全断面を一度に充填する場合と、何回かに分けて充填する場合では、鋼管に作用する浮力の考え方が変わります。

段階的にグラウトを施工する場合、硬化したグラウトがどの範囲まで鋼管を拘束しているか、また新たに充填するグラウトが鋼管下面へ回り込む可能性があるかを考慮する必要があります。

この記事では、鋼管周囲へのグラウト充填時に発生する浮力の基本的な考え方、施工ケースごとの違い、部分充填時の浮力算定の考え方について解説します。

グラウト充填時に鋼管へ浮力が発生する理由

グラウトは充填直後には液体に近い状態であり、水やモルタルと同じように圧力を発生させます。この圧力が鋼管の下面に作用すると、鋼管を上方向へ押し上げる力になります。

浮力の基本的な考え方は、液体中にある物体が押しのけた流体の重量に相当する上向きの力を受けるというものです。グラウトの場合も、硬化前で流動性がある範囲では同様に考えます。

つまり、鋼管全断面がグラウトに包まれている場合、鋼管下面までグラウト圧が伝わるため、大きな浮力が発生します。

ケース①のように矩形断面内を一度にグラウト充填する場合、鋼管の下側にもグラウトが回り込みます。そのため、鋼管断面積に相当する体積分の浮力が作用すると考えます。

例えば、鋼管の外径をD、長さをLとすると、浮力は概念的には以下のように表されます。

浮力＝グラウトの単位体積重量×鋼管が押しのける体積

円形鋼管の場合は、円断面全体が押しのけた部分として評価するため、断面積はπD²/4を基本として考えます。

ケース②では、一次充填を鋼管中心まで行い、そのグラウトが硬化した後に残りの部分を充填する施工方法です。

一次充填時については、鋼管の下半分にグラウトが存在するため、その範囲に対応する浮力が発生します。円形断面で中心まで充填する場合、単純化すれば鋼管断面積の半分程度が浮力算定の対象になります。

一方、一次充填したグラウトが完全に硬化し、二次充填時にグラウトが鋼管下面へ回り込まない場合は、鋼管下面に新たな流動圧が作用しないため、大きな浮力は発生しません。

したがって、ケース②の考え方は「一次充填部分が十分硬化しており、二次充填材が鋼管下部へ侵入しない」という条件を満たす場合には成立します。

ただし、実際の施工では完全に回り込みがない状態を確保できるかが重要です。鋼管と硬化グラウトの間に隙間がある場合や、二次充填時の圧力によってグラウトが下側へ流れる場合には、浮力が再び発生する可能性があります。

また、一次充填したグラウトの硬化状態も重要です。十分な強度が発現していない段階で二次充填を行うと、一次充填部が変形したり、鋼管下部へ圧力が伝達されたりする可能性があります。

そのため、設計上は「硬化したグラウトが鋼管をどの程度拘束するか」「施工時に新しいグラウト圧がどこへ作用するか」を確認する必要があります。

ケース③のように鋼管中心下30度まで一次充填する場合、浮力に相当する面積は単純な半円ではなく、円の一部（円弧で囲まれた部分）の面積として求めます。

円の半径をr、中心角をθ（ラジアン）とすると、円弧部分の面積は扇形と三角形の差として求めることができます。

円弧部分の面積＝(1/2)r²θ－(1/2)r²sinθ

例えば、鋼管中心から下方向30度の範囲を充填する場合、どの角度範囲のグラウトが鋼管下面を押しているかを確認し、その部分の面積を浮力算定面積として使用します。

ただし、実際の浮力は単純な断面積だけではなく、グラウトの流動性、施工高さによる液圧、鋼管とグラウトの付着条件なども影響します。

鋼管の浮き上がりを防ぐためには、充填方法だけでなく、施工中の固定方法も重要です。例えば、鋼管を仮固定する治具を設置したり、充填速度を管理したりすることで浮力による移動を防止できます。

また、段階充填を採用する場合は、一次充填材が十分硬化した後に次工程へ進むことが重要です。硬化時間を短縮しすぎると、設計時に想定した拘束効果が得られない可能性があります。

施工計画では、最も浮力が大きくなる充填段階を想定して、安全側で検討することが一般的です。

グラウト充填時の鋼管浮力は、鋼管下面に流動状態のグラウト圧が作用するかどうかによって決まります。

全断面を一度に充填する場合は鋼管全断面が浮力対象になりますが、中心まで一次充填して硬化後に二次充填するケースでは、二次充填材が鋼管下へ回り込まない条件なら浮力を低減できます。

部分充填の場合は、充填された円形部分の面積を幾何学的に求めて浮力を評価します。ただし、実施工ではグラウトの流動性や硬化状態による影響もあるため、理論計算だけでなく施工条件を含めた検討が重要です。