第 2 章 軸対称応力場におけるトンネル挙動に関する模型実験
2.2 ロックボルトで支保された軸対称応力場のトンネル模型実験
2.2.3 ベアリングプレートの有無による挙動の差違
第 2 章 軸対称応⼒場におけるトンネル挙動に関する模型実験
表-2.3 実験ケース 実験ケース※1
ボルト打設間隔 ボルト数 ボルト長
軸方向 (cm) (cm)
円周方向 (deg.)
軸方向 段数
円周方向 本数
033025 2.5
30
5
12
033040 4.0 3 3
053025※2 2.5 5
053040 4.0 3 5
103025※2 2.5 5
103040 4.0 3 10
※1 実験ケースにおいて，左二桁：ボルト長(cm)，中二桁：周方向間隔(deg.)，下二桁：
軸方向間隔(mm)を表す．
※2 053025および103025の2ケースは，ベアリングプレートを設置しない実験も実施 している．ベアリングプレートの有無を比較する場合には，ケース名6桁の後に，
B（あり），N（なし）と付すことがある．
ル内壁とポテンショメータをつなぐ針金の移動量から壁面変位を計測する．ロックボルト 軸力については，前述の通り４本の計測用ロックボルトに貼付されたひずみゲージのひず み値に，あらかじめ引張り試験によって求めた校正値を乗じて軸力を求める．これらの計測 値は載荷開始と同時に10秒間隔で取り込む．
（4）実験ケースおよびモデル物性
実験ケースは表-2.3 に示されているように，ボルト長，およびトンネル軸方向と円周方 向の打設間隔をパラメータとして６ケース実施した．
地山モデル，ロックボルトモデルおよび地山－ロックボルト間の地山物性は前出表-2.2 の通りである.
に軸力の最大値を有する分布となっている．ベアリングプレートがないと，ロックボルト頭 部においては自由境界であるため軸力は生じない．このことが実験でも確認された．それに 対してベアリングプレートを設置した場合の(a)では，トンネル壁面において地山とロック ボルトの相対変位が生じない．そのため地山奥にいくにしたがってボルトの周面に作用す る摩擦力は，いわゆるアンカー作用として働く方向に生じ，その結果ロックボルト軸力がト ンネル壁面すなわちロックボルト頭部で最大値となる上に凸の軸力分布となっている．
つぎに，ベアリングプレートの有無による軸力分布の差違がボルト長によってどうなる かについて見てみる．図-2.18(a)および(b)は，それぞれ載荷圧 300kPa 時のボルト長 5cm および10cmにおけるベアリングプレートの有無による軸力分布を表している．先に述べた
0 5
-20.0 0.0 20.0 40.0
トンネル壁面からの距離 (cm )
軸力(N)
100 200 300
0 5
-20.0 0.0 20.0 40.0
トンネル壁面からの距離 (cm )
軸力(N)
100 200 300
載荷圧
(kP a)
載荷圧
(kP a)
(a) 053025B (b) 053025N
(kPa)
図-2.17 載荷にともなう軸力分布の変化
0 5
-20.0 0.0 20.0 40.0
トンネル壁面からの距離 (cm )
軸力(N)
ベアリングプレートなし ベアリングプレートあり
0 5 10
-20.0 0.0 20.0 40.0
トンネル壁面からの距離 (cm )
ベアリングプレートなし ベアリングプレートあり
(a)
ボルト長5.0cm (b)
ボルト長10.0cm
図-2.18 ボルト長の違いによる軸力分布の差違(300kPa載荷時)
（a）ボルト長5cm （b）ボルト長10cm
第 2 章 軸対称応⼒場におけるトンネル挙動に関する模型実験
のと同様に，ボルト長が10cmにおいてもベアリングプレートがある場合にはほぼロックボ ルト頭部で最大値を呈し，ない場合にはボルト頭部の軸力はゼロに近い値となっている．な お，ボルト長が10cmにおいて地山奥側に圧縮力（マイナス値）となっているのは，外圧載 荷実験に生じる特有の現象である．このことについては，2.2.4（1）の後半で詳述する．完 全弾塑性理論に基づいて地山内変位分布を求めると，ちょうどロックボルトの存在する位 置で最小値を有する下に凸の曲線となる．この最小値からトンネル内空側においては軸力 が引張となり，逆に地山奥側において圧縮となる．この最小値の位置は，支保内圧がない，
つまりベアリングプレートがない場合には約7cm，ある場合には 5cm となり，実験におけ る引張－圧縮遷移点とほぼ一致していることが確認された．
図-2.19(a)および(b)は，それぞれボルト長5cmのベアリングプレートのある場合とない 場合の載荷圧 300kPa におけるロックボルト周面に作用するせん断応力分布を示している．
このせん断応力は，ひずみ計測ポイント間の軸力差と計測ポイント間の距離から求めてい る．図中，マイナスのせん断応力は，地山がロックボルトの変位を抑制する方向に作用する せん断応力で，アンカー作用が働いていることを意味し，逆にプラスのせん断応力はロック ボルトが地山の変位を抑制する方向に働きピックアップ作用が働いていることを意味する 前者のアンカー作用は，グランドアンカーにおける効果と類似である．つまり，アンカー頭 部が最大で先端部に至るまですべて引張力として作用する．したがって，周面に作用するア ンカー作用は，ロックボルト全長にわたって引張力を発揮させる極めて効果的な作用とい える．
図から明らかなように，ベアリングプレートを有する(a)の場合には，ロックボルト全長に わたってほとんどアンカー作用として機能していることがわかる．一方，ベアリングプレー
0 5.0
-30.0 0 30.0
トンネル壁面からの距離 (cm )
せん断応力(kPa)
0 5.0
トンネル壁面からの距離 (cm )
(a) 053025B (b) 053025N
図-2.19 ボルト周面に生じるせん断応力（300kPa載荷時）
0 5 0 5
トのない場合には，トンネル壁面側ではピックアップ作用，地山奥側にいくと逆にアンカー 作用となる形態を示している．ベアリングプレートのない場合のこうした形状は従来から 概念として提示されているが，ベアリングプレートがある場合の形状は本研究を除いて確 認されていないと思われる．
（2）トンネル壁面変位抑制効果
図-2.20は，無支保，053025N（ベアリングプレートなし）および053025B（ベアリング プレートあり）の，載荷に伴う壁面変位を示している．縦軸は，トンネル壁面変位をトンネ ル半径（5cm）で除した割合（壁面変位率）を表している．
これによれば，無支保，ベアリングプレートなし，そしてベアリングプレートありの順に 壁面変位抑制効果が発揮されていることがわかる．無支保の場合には，載荷圧が増すに従っ て壁面変位も急増する傾向になるが，ベアリングプレートがある場合には，載荷圧が増加す ると壁面変位は増えるものの，その増加率はそれほど高くない．ベアリングプレートのない 場合は，無支保とある場合の中間的な挙動となっている．ただし，載荷圧が200kPaを超え たあたりで曲線の傾きが大きくなっていることから，この点でロックボルトのみによる支 保の限界に達したのではないかと考えられる．この現象については，第 4 章で数値解析的に 考察する．
図-2.20 載荷圧と壁面変位率との関係（ボルト長5cm）
0 100 200 300
0 10 20
載荷圧(kP a)
壁面変位率(%)
無支保
ベアリングプレートなし ベアリングプレートあり
載荷圧 po （kPa）
壁面変位率ݑ/ܽ（%）
第 2 章 軸対称応⼒場におけるトンネル挙動に関する模型実験