砂と砕石を用いた互層緩衝構造の緩衝性能に及ぼす砕石層厚の影響

砂と砕石を用いた互層緩衝構造の緩衝性能に及ぼす砕石層厚の影響

Effects of thickness of gravel layer on the absorbing performance of alternating layer using sand and gravel

名古屋工業大学 ○学生員 内藤直人 (Naoto Naito) 名古屋工業大学 正 員 前田健一 (Kenichi Maeda) 構研エンジニアリング 正 員 牛渡裕二 (Yuji Ushiwatari) 室蘭工業大学 正 員 小室雅人 (Masato Komuro) 室蘭工業大学 正 員 山口悟 (Satoru Yamaguchi) 寒地土木研究所 正 員 荒木恒也 (Nobuya Araki)

1．はじめに

落石防護工の一つであるロックシェッド頂版上には，

落石が発生した場合にロックシェッドの直接的な損傷を 防ぐために地盤材料を用いた緩衝材が設置される．我が 国では，緩衝材に砂を用いることが推奨されているが，

スイス等の山岳地帯に位置する国では，砂は湖の浚渫土 等に限られていることから砕石のような礫質土を用いて いる．

砂と砕石を比較した場合，砕石に比べて砂の方が衝撃 力の最大値を2分の1程度に抑制できるが，貫入量は4 倍程度大きくなるケースがあることが分かっている ¹⁾． これより，斜面の経年変化による落石規模の増大によっ て超過外力が作用した場合には，敷砂緩衝材では落石を 受け止めきれずロックシェッドへの直撃を招く危険性が 考えられる．緩衝材の性能としては，想定内の外力に対 しては衝撃力を小さく抑え，超過外力に対しては防護工 への直撃を防ぐことが望ましいと考える．

そこで，著者らは砂と砕石を組み合わせた互層緩衝構 造の提案に向けた検討を進めている ²⁾．これは表層に砂，

中間層に砕石，下層に砂を配置する互層の緩衝構造であ る．本論文では，中間層の砕石層の厚さが異なる緩衝層 に対する重錘落下衝撃実験結果から，砕石層厚が互層緩 衝構造の耐衝撃性能に及ぼす影響について検討する．さ らに，緩衝層内の変形挙動についても併せて検討する．

2．実験概要 2.1実験装置

図－1 に本実験に使用した実験装置の概要を示す．緩 衝層は鋼製底盤にボルト結合した鋼製砂枠の中に敷き詰 め，載荷部直径 230mm，質量400kg の円柱型鋼製重錘

を 750mm の高さから自由落下させる実験を実施した．

実験では，落体衝撃力を重錘先端部に組み込まれている ロードセルで計測，落体貫入量はレーザ式変位計を用い て計測した．また，鋼製底盤を支持する9個の起歪柱型 ロードセル（受圧面の直径87mm、容量100kN）で計測 した値を合計することで伝達衝撃力を算出し，鋼製底盤 に面一で設置された起歪柱型ロードセル（受圧面の直径

20mm、容量 10MPa）で伝達衝撃応力を計測した．さら

に，緩衝層底面には富士フィルム製の感圧シートである プレスケールを設置することで，底面に伝達する衝撃応 力を面的に測定することを試みた³⁾．

1500

800 750

T=250

Thickness:9mm

350 350

1600

16@50

350350

1600 75

(mm)

Plan view Side view

Rigid foundation

Load cell for transmitted impact force Load cell for transmitted stress CL

Load cell for transmitted stress Load cell for transmitted impact force

Cushion layer

Mass 400kg

Sand frame made of steel 9898200404018 2

φ130 φ230 230

150

Cylindrical falling mass made of steel

Basal plate made of steel

図－1 実験装置概要

sand gravel

sand 83

84 83

sand gravel

sand 50

150 50

(a) SGS250-W4-H0.75 (b) SGS250S-W4-H0.75 図－2 中間層の砕石層厚が異なる互層緩衝構造の概要

2.2互層緩衝構造の設置条件

図－2 に衝撃実験で用いた緩衝層の概要図を示す．緩 衝層の全層厚は 250mmとして，砂：砕石：砂の比率が

およそ 1：1：1 である中間層の砕石層厚が 84mm のケ

ース（SGS250-W4-H0.75）と，中間層の砕石層が厚い 150mmのケース（SGS250S-W4-H0.75）の2つの緩衝層

平成27年度 土木学会北海道支部 論文報告集 第72号

Ａ－１３

について検討した．図－3 には互層を作製する際の砂と 砕石の粒度分布を示している，敷き均しは足踏みで緩詰 めとなるように締固めた．

0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100

0 20 40 60 80 100

Grain size (mm)

Percentage finer by weight (%)

sand gravel

図－3 実験試料の粒度分布

また，砕石層が厚いSGS250S-W4-H0.75のケースでは，

緩衝層設置時に着色した砕石を規則的に配置し，実験後 に着色砕石の座標を測定することで緩衝層内の変形挙動 の把握を試みた．

3．砕石層厚の異なる互層緩衝構造の緩衝性能の比較 3.1衝撃力・貫入量波形に及ぼす砕石層厚の影響

0 50 100 150

0 10 20 30 40 50

Impact force of falling mass, Ff (kN)

Time, t (ms)

SGS250-W4-H0.75 SGS250S-W4-H0.75

(a) 重錘衝撃力

0 50 100 150

0 10 20 30 40 50

Transmitted impact force, Ft (kN)

Time, t (ms)

SGS250-W4-H0.75 SGS250S-W4-H0.75

(b) 伝達衝撃力 図－4 各種応答波形

図－4(a)(b)(c)に落体衝撃力，伝達衝撃力，落体貫入量 の時刻歴波形を示す．砕石層が薄い SGS250-W4-H0.75 は破線，砕石層が厚いSGS250S-W4-H0.75は実線で示す．

0 50 100 150

0 50 100 150 200 250

Penetration depth, S (mm)

Time, t (ms)

SGS250-W4-H0.75 SGS250S-W4-H0.75

(c) 落体貫入量 図－4 各種応答波形

落体，伝達衝撃力はいずれも2つのピークが生じる波 形性状である．落体衝撃力は砕石層が薄い方（SGS250-

W4-H0.75）は第 2 ピークで最大値となるが，砕石層が

厚い方（SGS250S-W4-H0.75）は第 1 ピークで最大値と なる．伝達衝撃力はいずれも第1ピークで最大値となる．

また，両衝撃力とも砕石層の薄い方に比べて厚い方が第 1ピークは大きく，第2ピークは小さく傾向がある．貫 入量は中間層の砕石層の厚い方が小さくことが分かる．

砂に砕石を組み合わせた互層緩衝構造は，中間層の砕 石層を厚くするほど，落体，伝達衝撃力波形の第1波目 が大きくなるが，貫入量を小さくできることが分かった．

3.2底面応力分布に及ぼす砕石層厚の影響

図－5(a)(b)に底面に作用する伝達衝撃応力分布の継時 変化を示す．縦軸に伝達衝撃応力，横軸に重錘中心から の距離，奥行き方向の軸に時間を示している．図－5 よ り砕石層の厚い方が伝達衝撃応力の最大値は抑えられて いることが分かる．

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

0 100 200 300 400 500 600 0

200

100 120

140 160

180

80 60 40 20

Base stress, σ(MPa)

2.25-2.5 2.0-2.25 1.75-2.0 1.5-1.75 1.25-1.5

1.0-1.25 0.75-1.0 0.5-0.75 0.25-0.5 0-0.25

(a)SGS250-W4-H0.75

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

0 100 200 300 400 500 600 0

200

100 120

140 160

180

80 60 40 20

Base stress, σ(MPa)

2.25-2.5 2.0-2.25 1.75-2.0 1.5-1.75 1.25-1.5

1.0-1.25 0.75-1.0 0.5-0.75 0.25-0.5 0-0.25

(b)SGS250S-W4-H0.75 図－5 底面応力分布の時刻歴波形

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応力分布について定量的に比較するため，図－6(a)(b) に伝達衝撃力波形の第1ピークと第2ピーク時の応力分 布を示す．砕石層が薄い方は（SGS250-W4-H0.75）は破 線，砕石層が厚い方（SGS250S-W4-H0.75）は実線で示 している．

0 200 400 600 800

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Base stress, (MPa)

Distance from the center, L (mm) SGS250-W4-H0.75(t=7.8ms) SGS250S-W4-H0.75(t=8.9ms)

(a) 伝達衝撃力第1ピーク時の応力分布

0 200 400 600 800

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Base stress, (MPa)

Distance from the center, L (mm) SGS250-W4-H0.75(t=59.4ms) SGS250S-W4-H0.75(t=56.3ms)

(b) 伝達衝撃力第2ピーク時の応力分布 図－6 伝達衝撃力の第1・2ピークにおける応力分布

まず，衝撃力の第 1 ピーク時の結果を比較する．

図－6(a)の最大伝達衝撃応力は，砕石層が薄い方に比べ て厚い方が1.18倍大きくなる．図－4(b)に示す伝達衝撃 力の第 1ピーク値は，砕石層の厚い方が 1.22 倍大きく なっている．第1ピーク時においては，伝達衝撃力と最 大伝達衝撃応力の関係が概ね対応していると言える．

続いて，衝撃力の第 2 ピーク時の結果を比較する．

図－6(b)の最大伝達衝撃応力は，砕石層が薄い方が 1.49 倍大きくなる．図－4(b)に示す伝達衝撃力の第 2ピーク 値は，砕石層の厚い方が1.07倍大きくなっている．第2 ピーク時では，砕石層の厚い方が伝達衝撃力は大きいが 砕石層が薄い条件に比べて最大伝達衝撃応力は小さくな ることが分かった．これは，落体衝撃力の第2ピーク時 における残存層厚が異なることが原因の一つに考えられ る．残存層厚が厚ければ，同じ落体衝撃力だとしても底 面に伝達する応力は小さくなることが予想される．実際 に，落体衝撃力の第2ピーク時において，砕石層が薄い 場合の残存層厚は 75mm であることに対し，砕石層が 厚い場合の残存層厚は126mmであった．

3.3互層緩衝構造の変形挙動の可視化

砕石層が厚いSGS250S-W4-H0.75のケースでは，着色 砕石を用いて緩衝層内の変形挙動の把握を試みた．

図－7(a)(b)に着色砕石の配置状況と実験後の測定状況を 示す．着色砕石の初期位置は底面から 50，100，150，

200mm の高さに，落下中心から 0，120，240，480mm

の位置に配置している．

(a)設置状況

(b)実験後の測定状況 図－7 着色砕石概要

図－8 に着色砕石の初期位置（白抜きプロット）と重 錘落下後の位置（塗り潰しプロット）を示す．水平方向 に最も移動した砕石粒子は，底面から 100mm の高さで 落下中心から 120mm に位置する粒子であり，その水平 方向の移動量は 68mm であった．底面に最も近い位置 に設置した高さ 50mm，落下中心から 120mmの粒子で も46mm水平移動したことが分かった．

r = 115 Falling mass

0 100 200 300 400 500 600

0 100 200

Vertical position, Lv (mm)

Horizontal position,

(mm)

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0.00 1.41 2.81 4.22 5.63 7.04 (MPa) 40mm

400mm

図－9 感圧シートから得られた底面の最大応力分布

図－9には砕石層が厚いSGS250S-W4-H0.75のケース の感圧シートから得られた最大応力分布を示す ³⁾．図中 にはφ230mm の重錘落下位置を白色破線の円で示して いる．図中で不自然に赤く高い応力が作用している部分 は砕石が直接衝突していたことを確認している．図－9 から落下中心ほど高い応力が作用していることが分かる．

また，良く見ると落下中心から放射状にひっかき傷のよ うな線がある．目視で観察できる最長の放射状の線分の 長さは 40mm であった．これは底面から 50mm の高さ に配置した着色砕石の移動量に近い値である．

図－8，9 の結果から，緩衝層内の砕石粒子は水平方 向にも数十 mm に渡って移動していることが明らかと なった．また，感圧シートに記録された放射状の線分は 緩衝層底面に位置する砂粒子の移動経路を表している可 能性がある．

4．まとめ

本論文では，中間層の砕石層の厚さが異なる緩衝層に 対する重錘落下衝撃実験を実施し，緩衝層内の変形挙動 についても検討した．得られた主な結果は以下の通りで ある．

1) 砂に砕石を組み合わせた互層緩衝構造は，中間層の 砕石層を厚くするほど，落体，伝達衝撃力波形の第 1 波目が大きくなるが，貫入量を小さくできること が分かった．

2) 緩衝層内の砕石粒子は水平方向にも数十 mm に渡っ て移動していることが明らかとなった．また，感圧 シートに記録された放射状の線分は緩衝層底面に位 置する砂粒子の移動経路を表している可能性がある．

謝辞：本研究に用いた装置の一部は，日本学術振興会 科学研究費補助金基盤研究(B)26289152 及び特別研究員 奨励費(26・7908)の助成を受けたものである．ここに記 して感謝の意を表する．

参考文献

1) 山口悟, 木幡行宏, 小室雅人, 内藤直人, 岸徳光: 敷 砂あるいは砕石緩衝材の緩衝特性に関する大型重錘 落下衝撃実験, 構造工学論文集, Vol.60A, pp.983-995, 2014.

2) 田中敬大, 前田健一, 奥村勇太, 小室雅人, 山口悟:

異なる地盤材料を組み合わせた互層緩衝構造の緩衝 特性, 平成 27 年度土木学会北海道支部論文報告集，

Vol.72, 2015.（投稿中）

3) 奥村勇太, 前田健一, 内藤直人, 栗橋裕介, 川瀬良 司: 伝達衝撃応力測定のための感圧シートの利用, 平 成 27 年 度土 木学 会北海 道支 部論 文報 告集 ， Vol.72, 2015.（投稿中）

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