[背景・ねらい] 築造年代が古い農業用ため池は、締固めの不十分な砂質土堤体が多く、豪雨時にすべり 破壊が発生する事例が毎年のように報告されている。緩い不飽和砂質地盤に水が浸透する と、飽和コラプス等の発生を伴い、複雑な変形挙動を示すことが知られている。本研究で は、模型実験を行い、緩い砂質土の模型堤体に浸透が作用するときの変形・崩壊挙動を明 らかにした。また、向後らによって提案されている不飽和土を対象とした飽和不飽和浸透 連成解析を用いて、模型実験のシミュレーションを行い、解析手法の妥当性について検証 する。 [成果の内容・特徴] １． 図-1に実験に用いた模型堤体の形状およびセンサーの配置を示す。模型の材料は、初 期含水比6.8％、相対密度1.0％の緩詰めの霞ヶ浦砂である。PS1∼8にテンシオメータ、 DH1∼ DH4に水平方向の変位計、 DV1∼ DV5に鉛直方向の変位計を設置し、実験中の 間隙水圧、変位を測定した。 ２． 緩い砂質土堤体の場合、浸透に伴って天端及び法肩部分が上流側に傾くように変形・ 沈下し、下流法尻部分は法先方向へと変形することを明らかにした。更に、変形に伴 って、引張クラックが生じ、クラックを起点として下流法先を通るすべり破壊に進展 することを明らかにした（図-2上段）。 ３． 不飽和土を対象とした飽和不飽和浸透連成解析を行った結果、間隙水圧については斜 面表層部で若干の誤差があるものの、全体として実験結果を再現することができた。 また、模型実験から得られた変形挙動を良く再現できることが明らかとなった（図-2 中段および下段）。浸透によって、飽和コラプスによる体積圧縮現象やそれに伴う下 流斜面法肩の引張応力が発生することが明らかとなった（図-3、図-4）。 [成果の活用面・留意点] 本解析手法によって、緩い砂質土を対象とした降雨時や貯水位上昇時のため池堤体の安 定性を精度良く評価することが可能である。今後は、降雨浸透の境界条件を明らかにして いく必要がある。 緩い砂質土のため池堤体の浸透による変形・崩壊挙動とシミュレーション [要約] 築造年代の古いため池堤体は、緩い砂質土で築堤されていることが多く、浸透 に 伴 う 飽 和 コ ラ プ ス や 引 張 ク ラ ッ ク の 発 生 に よ っ て 下 流 斜 面 の 安 定 性 が 大 き く 低 下 す る可能性がある。また、浸透によって飽和コラプスが発生する複雑な堤体の変形を飽和 不飽和浸透連成解析によって良く再現することができる。 農業工学研究所・造構部・土質研究室 区 分 研究 連絡先 029-838-7575 [email protected] 分 類 参考
[具体的データ] [その他] 研究課題名：貯水位変動によるため池崩壊のメカニズム解明 中期計画大課題名：豪雨特性やため池崩壊機能の解明及び防災予測技術の開発 予算区分 ：交付金プロ〔集中豪雨〕 研究期間 ：2001 ∼ 2003 年度 研究担当者：堀俊和、毛利栄征、松島健一 発表論文等： 1) 堀俊和・毛利栄征・松島健一・青山咸康、豪雨による農業用ため池の破壊原因と被災 の特徴、 農業土木学会論文集、218、 127-137、 2002 2) 堀俊和・毛利栄征・向後雄二、緩い砂模型斜面の浸透による崩壊実験と飽和不飽和有 限要素解析、第38回地盤工学研究発表会、1283-1284、2003 PS7 PS8 PS1 DV4 DV5 DV3 DV1 DV2 PS2 PS3 EP2 EP1 EP5 EP4 PS4 PS5 PS6 EP3 DH3 DH2 DH1 DH4 Dense sand Loose sand Drain W.L.=0cm W.L.=40 W.L.=20 130 50 80 W.L.=0 単 位 ： cm 図-1 実験模型の概要とセンサーの配置 -3.0 -2.5 W.L.= 20cm -2.5 -2.0 0.0 -1 .0 -3.0 -2.5 W.L.= 20cm -2.5 -2.0 0.0 -1 .0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 W.L.= 20cm 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 W.L.= 20cm W.L.= 20cm 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 crack1 W.L.= 20cm 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 crack1 W.L.= 20cm W.L.= 20cm 1.0 0.0 -1.0 -2.0 3.0 2.0 Crack2 (open crack) crack3 crack1 W.L.= 40cm -3.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 3.0 2.0 Crack2 (open crack) crack3 crack1 W.L.= 40cm W.L.= 40cm -3.0 (a) 浸 透 開 始 15 分 後 (b)浸 透 開 始 200 分 後 (c)浸 透 開 始 1000 分 後 ク ラ ッ ク 発 生 (d)浸 透 開 始 1230 分 後 （ 水 位 40cm 上 昇後 30 分） 図-2 浸透による堤体の間隙水圧(kPa)と変形 上段：実験結果、中段：解析による変位計算結果、下段：解析による間隙水圧計算結果 図中の矢印は変位を表し、大きさ 20 倍としたベクトルで示す。 単 位 (%) 図-3 体積ひずみ分布計算結果(浸透開始 1000 分後） 単 位 (kPa) 図-4 引張応力分布計算結果(浸透開始 1000 分後)
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43 Behaviors of deformation and collapse of loose sand soil levee body of irrigation
pond due to infiltration and the simulation analysis
[Abstract] For the irrigation ponds that have been standing for many years since construction, their levee bodies are often made up from loose sandy soil and the stability of the downstream slope can be drastically deteriorated due to the collapse of saturated soil or tensile cracks caused by infiltration. The complicated behavior of the deformation of a levee body leading to the collapse of saturated soil due to infiltration may be well simulated by the saturated-unsaturated infiltration coupled analysis.
Laboratory of Soil Mechanics, Dept. of Geotechnical Engineering, National institute for Rural Engineering
Classification: Research
Telephone number and e-mail address: 029-838-7575, [email protected] Class: Reference
〔Background and objectives〕
For the agricultural reservoirs that have been standing for many years since construction, their levee bodies are mostly made up from insufficiently compacted sandy soil and in fact sliding failures during heavy rain have been reported almost every year. It is common knowledge that when loose, unsaturated sandy soil soaks up water, collapse of saturated soil or other failures can occur, involving complicated deforming behaviors. This study explains by model experiments the behaviors of deformation and collapse of a loose sandy soil levee body exposed to water seepage. In addition, by the saturated-unsaturated infiltration coupled analysis for unsaturated soil proposed by Kohgo and his colleagues, simulation of model experiments was conducted to validate the analytical method.
〔Contents and characteristics of the results〕
1. Figure 1 is the sectional view of a model levee body used in the experiments including the sensor positions. The model was constructed with loosely compacted Kasumigaura sand of initial water content of 6.8% and relative density of 1.0%. For measurements of pore water pressure and dislocation during the experiments, tensiometers were installed at PS1 to PS8, and horizontal displacement gages at DH1 to DH4 and vertical displacement gages at DV1 to DV5. 2. It was revealed that, in the case of a levee body of loose sandy soil, the crown and the top of the slope first deformed inclining toward the upstream and subsided, and the toe of the slope in the downstream deformed toward the bottom of the slope. In addition, it was also observed that the deformation caused tensile cracks which led to sliding failure propagating into the downstream slope toe (Top diagram of Figure 2).
3. By the saturated-unsaturated infiltration coupled analysis for unsaturated soil, the experimental results could be successfully reproduced on the whole, though some differences were observed for the pore water pressures in the surface layer of the slope. In addition, it was observed that the analysis was also able to satisfactorily reproduce the deforming behaviors identified by the model experiments (Middle and Bottom diagrams of Figure 2). Then it was
revealed that infiltration could cause volume compression due to collapse of saturated soil and resultant buildup of tensile stresses in the top of the slope in the downstream (Figure 3 and Figure 4).
〔Utilization of the results and points to be considered〕
Our analytical method allows precise evaluation of the stability of a loose sandy soil levee body of an irrigation pond when exposed to heavy rain or increased reservation water level. Identification of the boundary conditions of rainfall infiltration is one of the next challenges. 〔Specific data〕
Unit: cm
3/4 Unit (%)
Figure 3 Profile of volumetric strains (1000 minutes after start of infiltration) &
Unit (kPa)
Figure 4 Profile of tensile stresses (1000 minutes after start of percolation)
1 (a) 15 min. after start of infiltration
(b) 200 min. after start of infiltration
(c) Cracks developed 1000 min. after start of infiltration
(d) 1230 min. after start of infiltration (30 min. after 40 cm increase in water level)
Figure 2 Pore water pressure (kPa) and deformation in a model levee body due to infiltration
2 Top: Experimental results, Middle: Dislocation determined by analysis, Bottom: Pore
water pressure determined by analysis
Arrows in the diagrams refer to dislocation expressed by vector showing 20 times magnified magnitude.
