第 7 章 結論
付録 1 底面摩擦模型実験
過年度にベースフリクション装置（底面摩擦装置）を用いて，模型実験を実施している．
本付録では，底面摩擦模型実験の実験方法や実験結果等についてまとめた．
1.1 実験装置の概説
本研究における実験では，ベースフリクション装置（写真 1）を用いた底面摩擦実験を行 う．この装置は図 1のように 2 次元平面上で重力場を擬似的に作用させ，重力場の作用下 では瞬間的に起こる地盤の挙動を静的に観察することができる装置である．写真 1 の中央 黒く見える実験槽枠内の底盤でもあるスライド板上に地山材料となるステンレス棒を敷き 詰め，トンネルモデルを作成する．この時点では擬似重力が作用しておらず，重さを持っ ていないことになるが，実験槽外枠を固定したまま底盤に当たるスライド板をスライドさ せることで地山材料とスライド板の間に摩擦力が発生し，その摩擦によって地山材料はス ライド方向に見掛けの重さを持つこととなる．この摩擦力を重力と考え，地山の挙動を静 的に観察する．地山とスライド板との間の摩擦力がその材料の重量をあらわすことになる．
スライド板と地山材料となるステンレス棒間の摩擦力は，スライド板上にマグネットシ ートを貼り付け，マグネットの持つ磁力により増加させた．なお通常のステンレスはマグ ネットに付かないが，本研究で用いたステンレス棒は特殊な加工をしており，マグネット に付くようになっている．図 2に，ベースフリクション装置の上面図を示す．
写真 1 ベースフリクション装置
135
（mm）
図 2 ベースフリクション装置上面図
スライド板（400×400）
上載荷重載荷用エアシリンダー 図 1 ベースフリクション装置による地山挙動
スラ イド 方 向
疑似重力作用
側方載荷用エアシリンダー
136 1.2 地山モデルとトンネルモデル
1.2.1 地山材料の物性値
平成22年度同様，本研究では，粒径φ2.5mmとφ5.0mmの円柱形のステンレス棒を使用 し，混合比を重量比で3：2とし混合した．一般的なアルミ棒地山を用いた落とし戸実験の 多くの研究事例において，アルミ棒の重量混合比が豊浦標準砂の粒径加積曲線を近似して，
φ1.6mm：φ3.0mm＝3：2 としていることから，本研究でもその研究を参考に地山モデルの
径および混合比を決定した．表 1がステンレス棒の物性値をまとめたものである．
材質 磁性ステンレス
高さ 40mm
断面形状 φ1=2.5 mm 円 φ2=5.0 mm 円 重量 1.48×10-2 N 5.92×10-2 N
ベースフリクション上におけるこの粒状体地山の見掛けの重量はスライド板に貼り付け たマグネットシートとの間の摩擦力に等しい．そこで本研究ではφ2.5mmとφ5.0mmそれぞ れのステンレス棒とマグネットシート間の摩擦力を計測し，地山モデルのベースフリクシ ョン上での見掛けの単位体積重量を算出した．また地山モデルの内部摩擦角は，安息角に ほぼ等しいとして安息角を計測することにより求めた．結果を表 2に示す．
表 2 地山モデルの物性値
径 φ1=2.5mm φ2=5.0mm 摩擦力 4.90×10-3 N 2.22×10-3 N 重量混合比 φ1：φ2 =3：2 見掛けの単位体積重量 3.75×10-4 N/mm2
内部摩擦角 27°
粘着力 0 N/mm2
表 1 ステンレス棒の物性値
137 1.2.2 地山モデルの配置
ステンレス棒を写真 2のように配置し，土かぶりはトンネル直径D=100mmに対して1D とする．ステンレス棒を並べた後，約20mm の間隔ごとに，写真 2のように頭部を白く塗 ったマーカーと置き換える．後述するが，このマーカーを画像解析ソフトで追跡すること により地山の挙動を把握する．
1.2.3 トンネルモデルおよび切羽形状
トンネルモデルおよび切羽形状は，写真 3 のように直壁型，円型，楕円型の計 3 種類の モデルを用いる．3種類の切羽形状は，ステンレス製の型枠（図 3）を作成し，トンネルモ デルの切羽面に沿ってステンレス棒を配置した．
写真 2 ステンレス棒配置状況および地山寸法
a) 直壁 b) 円 c) 楕円
写真 3 ステンレス棒配置状況および地山寸法
138
図 3 トンネル切羽模型 a) 直壁
b) 円
c) 楕円
139 1.3 実験内容および実験手順
本研究では未固結粒状体地山の全断面掘削を前提として，切羽に曲率を持たせたときの 形状効果に着目しているため，切羽形状は平成22年度までの実験と同様に，以下の3種類
（図 3参照）とした．
a) 直壁型（従来から行われている全断面掘削における切羽形状）
b) 円 型（直径100mmの半円形の切羽形状）
c) 楕円型（長径100mm，短径50mmの半楕円形の切羽形状））
また，崩壊挙動を観測するために，切羽面に支保を何も施さない無支保モデルについて の挙動を確認する．
140 1.3.1 模型実験の手順
本研究における実験準備から結果の整理までの手順を以下に示す．
① φ2.5mmとφ5.0mmステンレス棒の重量混合比が3：2になるように重量を測る．
② ベースフリクション装置のスライド板上にアルミ製のトンネルモデル，および各切羽 形状の型枠を取付ける．
③ 地山材料のステンレス棒に異常がないか確認したあと，スライド板上にステンレス棒 を並べる．ある程度並べるごとに金属の板などで地山を地表面部方向から地山下方向に押 し付けることで，地山内の空隙を少なくする．
④ ステンレス棒を土かぶり1Dまで積み上げた後，約20mm間隔でステンレス棒頭部を白 く塗ったマーカーに置き換える．
⑤ ベースフリクションのスイッチを入れ，地山モデルを密にし，切羽の型枠を外す．
⑥ 高解像度カメラを地山全体が撮影できるようにセットする．
⑦ ベースフリクションのスライド速度，カメラの録画インターバル・録画時間を以下の ように設定する．
スライド速度 0.5mm/sec（速度レンジ 高速 コントローラー値 0099）
録画インターバル 15fps（5分間隔で撮影）
録画時間 2100sec
⑧ カメラの録画をスタートする．
⑨ 録画開始と同時にベースフリクションのスイッチをONにして，スライド板をスライド させて実験をスタートする．
⑩ 実験開始後35分後にベースフリクションのスイッチをOFFにしてスライド板を停止す る．カメラは自動的にストップする．
⑪ 画像解析ソフトにより画像を取り込み，マーカーの追跡を行ってベクトル図の作成，
およびひずみ解析ソフトに取り込むために計測結果をT2Dファイル形式にて保存する．
⑫ ⑪で保存したT2Dファイルをひずみ解析ソフトで開き，三角形要素でメッシュ図を作 成し，最大せん断ひずみ図を描く．
141 1.3.2 模型実験後の画像解析
本研究では，地山挙動の様子をカメラで撮影し，変位ベクトル，地中ひずみの計測を行 った．変位などを計測するために，地山内に約 20mm の間隔で，格子状に頭部が白色のマ ーカーを配置する．地山モデル内に設けたマーカーを画像解析ソフト Move-Tr で自動追跡 して移動座標点を取得し，変位ベクトル図を作成する．さらにその結果を用いてひずみ解
析ソフトStrainを用いて最大せん断ひずみ図を作成した．解析は以下のような条件で行った．
142
① 画像の取り込み
ベースフリクション装置のスイッチを入れ，スライドを開始させると同時に高解像度カ メラで撮影を開始する．以後5分ごとに実験終了まで撮影を行い，撮影時間35分後つまり 計8枚の画像を取り込む．8枚目の画像はスライド量17.5mm時点の挙動となるため，画像 解析ソフトには 1 枚目から 7枚目までの画像を取り込み，解析を行う．カメラは三脚を脚 立に固定して，カメラ本体が装置直上に来るように設置した．設置状況を図 4および写真 4 に示す．
図 4 ビデオカメラ設置状況 写真 4 ビデオカメラ設置の様子
② マーカーの追跡
画像解析ソフトを使い，約20mm間隔の格子状に並べた白マーカーを追跡する
③ 座標軸の設定
地山部分の左上端を原点とするような座標系に変換する．
④ スケール計算
画像のスケールを実際のスケールに変換するために，画像上に設けたスケールによって スケール値を求める．
⑤ ベクトル図の作成
画像解析ソフトにより，ベクトル図を作成する．
⑥ メッシュ図の作成
画像解析ソフトの解析結果をひずみ計測ソフトに入れ，三角形要素のメッシュデータを 作成する．
⑦ 最大せん断ひずみ図の作成
⑥で作成したメッシュ図で，最大せん断ひずみ図を作成する．
143 1.4 無支保モデルの実験結果
1.4.1 直壁型切羽の挙動
図 5 に直壁型切羽の地山挙動の変位ベクトル図と最大せん断ひずみの進展の様子をスラ イド量5mm刻みで示す．最大せん断ひずみ図は，カラースケールを最小値0％，最大値20％
とした．なお，表示のひずみ量は初期ステップ（スライド量15mmは0mm→15mm）の間の ひずみ増分を示す．スライド量15mm（図 5 d））のとき，最大せん断ひずみの値は最も大 きい領域で45.1％となった．
変位ベクトル図をみると切羽中央付近がはらみだすように変位していること，変位は左斜 め下方向に向かっているがわかる．このことから，直壁型の切羽は崩壊後，斜面を形成する ものと考えられる．また，最大せん断ひずみ図をみると，最初は切羽のインバート部および 天端部からひずみが発生していることがわかる，その後最大せん断ひずみは，地山内でせん 断を起こしながら地表面に向かって約60°の角度で進展しており，これがすべり線となって いる．