第4章
正弦波を対象とした場合の
実験結果と解析結果との比較およびその考察
4 - 1 共 振 曲 線 に つ い て
4 - 1 - 1 加 速 度 応 答 の 実 験 結 果
図 4 . 1 は 実 験 模 型 を 正 弦 波 で 加 振 し た 場 合 の , 地 盤 の み の 場 合 , セ グ メ ン ト の み の い も 継 ぎ の 場 合 ,セ グ メ ン ト の み の 千 鳥 組 の 場 合 ,二 次 覆 工 あ り の い も 継 ぎ の 場 合 ,お よ び 二 次 覆 工 あ り の 千 鳥 組 の 場 合 の そ れ ぞ れ で 得 ら れ た 共 振 曲 線 の 一 例 で あ る . 図 中 ,
A
-1
は図 2. 7 に 示 さ れ る 地 表 面 に お け る 加 速 度 で あ り ,A
-2
は ト ン ネ ル の 天 端 位 置 で の 加 速 度 で あ る . ま た ,表 4 .1 は そ れ ぞ れ の 計 測 断 面 に お け る 1 次 共 振 振 動 数 を 示 し た も の で あ る .共 振 振 動 数 は 計 測 点 に よ っ て 異 な る が , 各 断 面 の 中 心 ( 例 え ば ,図 2 . 7 のA
-1
) に お け る 共 振 振 動 数 を 参 考 に 決 定 し た .図 4 . 1 お よ び表 4.1 よ り ,地 盤 の み と セ グ メ ン ト の み の 実 験 結 果 と を 比 較 す る と , 地 表 に お け る 加 速 度 の 共 振 曲 線 は そ の 形 状 , 応 答 倍 率 の 最 大 値 ,
1
次 共 振 振 動 数 が ほ ぼ 同 じ で あ る こ と が わ か る .こ れ は ,本 実 験 で 用 い た セ グ メ ン ト の み で 構 成 さ れ る ト ン ネ ル が 埋 設 さ れ た こ と に よ る 地 盤 へ の 影 響 が 小 さ い こ と を 示 し て い る .ま た , ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 は , 地 盤 の み お よ び セ グ メ ン ト の み の 実 験 結 果 と 比 較 し て ,
1
次 共 振 振 動 数 が 若 干 大 き く な っ て い る こ と が わ か る .さ ら に ,千 鳥 組 の 場 合 に は ,最 大 値 の 応 答 倍 率 も 地 盤 の み の 結 果 よ り も 大 き く な っ て い る こ と が わ か る .こ の こ と は ,ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 に は ト ン ネ ル 全 体 で の 剛 性 が 大 き く な り ,ト ン ネ ル が 埋 設 さ れ た こ と に よ る 地 盤 へ の 影 響 が 出 て く る こ と を 示 し て い る .図 4 . 1 加 速 度 の 共 振 曲 線 ( 実 験 値 )
表 4 . 1 1 次 共 振 振 動 数 ( 単 位 :
Hz
)実 験 値 解 析 値
地 盤 の み
9.4 9.4
い も 継 ぎ
9.6 9.4
セ グ メ ン ト の み
千 鳥 組
9.6
―い も 継 ぎ
10.0 9.6
二 次 覆 工 あ り
千 鳥 組
10.0
―10.0
0 3 6 9 12 15
0 10 20 30 40
振動数(Hz)
加速度応答倍率
A-1
二次覆工ありのいも継ぎ 10.0
0 3 6 9 12 15
0 10 20 30 40
振動数(Hz)
加速度応答倍率 A-1
二次覆工ありの千鳥組 9.4
0 3 6 9 12 15
0 10 20 30 40
振動数(Hz)
加速度応答倍率
A-1 A-2 A-3 地盤のみ
9.6
0 3 6 9 12 15
0 10 20 30 40
加速度応答倍率 A-1
振動数(Hz)
セグメントのみのいも継ぎ
9.6
0 3 6 9 12 15
0 10 20 30 40
加速度応答倍率 A-1
振動数(Hz)
セグメントのみの千鳥組
150 A-1 B
C-2 D-2 C-1
C-3 加速度計
変位計
D-1 加速度計
(地盤のみの場合) A-2
A-3
断面A 断面B 断面C 断面D
10014550
単位mm トンネル埋設位置
加振方向正向き 相対変位正向き
加速度正向き
50 50 A'
150 50 C'
4 - 1 - 2 ひ ず み 応 答 の 実 験 結 果
図 4 . 2 は セ グ メ ン ト の み で 構 成 さ れ る ト ン ネ ル 模 型 に 発 生 す る 曲 げ ひ ず み と 軸 ひ ず み の 共 振 曲 線 で あ る .ま た ,図 4 . 3 は 二 次 覆 工 を 考 慮 し た ト ン ネ ル 模 型 に 発 生 す る 曲 げ ひ ず み と 軸 ひ ず み の 共 振 曲 線 で あ る .こ れ ら の ひ ず み 応 答 は す べ て 入 力
1gal
あ た り に 換 算 し て あ る . な お , 曲 げ ひ ず み と 軸 ひ ず み と は , ト ン ネ ル 模 型 に 貼 付 し た ひ ず み ゲ ー ジ に 発 生 す る ひ ず み を 曲 げ の 成 分 と 軸 圧 縮 お よ び 軸 引 張 り の 成 分 と に 分 離 し た も の で あ る .曲 げ ひ ず み に つ い て は ,ト ン ネ ル が 内 空 方 向 に 変 形 す る 場 合 を 正 , 軸 ひ ず み に つ い て は 圧 縮 を 正 と し た(図 2 . 8).図 4 .2 に お い て ,
1
-M
お よ び1
-N
は図 2 .8 に 示 さ れ る セ グ メ ン ト の み の ト ン ネ ル 模 型 の 天 端 か ら30
° 傾 い た と こ ろ ( 計 測 点S
-1
) に 発 生 す る 曲 げ ひ ず み と 軸 ひ ず み で あ る . さ ら に ,図 4 . 3 の1
-1
-M
お よ び1
-1
-N
は 二 次 覆 工 あ り の ト ン ネ ル 模 型 の 一 次 覆 工 の 天 端 か ら30
° 傾 い た と こ ろ ( 計 測 点S
-1
)に 発 生 す る 曲 げ ひ ず み と 軸 ひ ず み で あ り ,同 様 に2
-1
-M
お よ び2
-1
-N
は 二 次 覆 工 に 発 生 す る 曲 げ ひ ず み と 軸 ひ ず み で あ る .図 4 . 2 お よ び図 4.3 を 見 る と ,セ グ メ ン ト の み の 場 合 ,二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 の い ず れ に お い て も , ト ン ネ ル に 発 生 し た ひ ず み の 共 振 曲 線 は そ の 形 状 , 最 大 応 答 が 発 生 す る 共 振 振 動 数 が と も に 地 盤 の 加 速 度 の そ れ ら と ほ ぼ 一 致 す る .こ の こ と は ,ト ン ネ ル の 応 答 挙 動 が 周 辺 地 盤 の 挙 動 に 追 従 し て い る こ と を 示 し て い る .
ト ン ネ ル を 千 鳥 組 に し た 場 合 ,セ グ メ ン ト の み の 模 型 で は い も 継 ぎ の 場 合 と 比 べ て 2 倍 程 度 の ひ ず み が 生 じ て い る . ま た , 二 次 覆 工 あ り の 模 型 で は , 1 . 2 5 倍 程 度 の ひ ず み が 発 生 し て い る .こ れ ら は 千 鳥 組 に よ る 添 接 効 果 に よ る も の と 考 え ら れ ,本 実 験 で 用 い て い る 実 験 模 型 が 実 際 の ト ン ネ ル に か な り 近 い 状 態 で モ デ ル 化 で き て い る こ と を 示 し て い る .
い も 継 ぎ の 場 合 の 一 次 覆 工 と 二 次 覆 工 と に 発 生 す る ひ ず み を 比 較 す る と ,二 次 覆 工 に 発 生 す る ひ ず み の ほ う が 大 き い こ と が わ か る .こ れ は ,実 験 模 型 に お い て は 両 覆 工 に 同 じ 材 質 を 用 い て ,同 程 度 の 強 度 を 付 与 し て い る が ,一 次 覆 工 に は セ グ メ ン ト 継 手 が 考 慮 さ れ て お り ,リ ン グ 全 体 と し て の 剛 性 が 小 さ く な っ て い る た め と 考 え ら れ る .千 鳥 組 の 場 合 に つ い て も 二 次 覆 工 に 発 生 す る ひ ず み の 方 が 大 き な 値 と な っ て お り , 同 様 の こ と が い え る .
さ ら に , 加 速 度 応 答 の 実 験 結 果 に つ い て は
25Hz
,35Hz
付 近 に 2 次 , 3 次 の ピ ー ク が 見 ら れ る が ,ひ ず み 応 答 の 結 果 に つ い て は こ れ が 見 ら れ な い .こ の こ と は 地 盤 が 2 次 モ ー ド で 振 動 す る よ う な 振 動 数 領 域 に お い て は 地 盤 の 振 動 が ト ン ネ ル に 与 え る 影 響 が ほ と ん ど な い こ と を 示 し て い る .図 4 . 2 セ グ メ ン ト の み の 場 合 の ひ ず み の 共 振 曲 線 ( 実 験 値 ) 9.6
0 3 6 9 12
0 10 20 30 40
曲げひずみ(μ/gal)
1-M 3-M
振動数(Hz) セグメントのみのいも継ぎ
9.6
0 3 6 9 12
0 10 20 30 40
曲げひずみ(μ/gal)
1-M 3-M
振動数(Hz)
セグメントのみの千鳥組
9.6
0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 10 20 30 40
軸ひずみ(μ/gal)
1-N 3-N
振動数(Hz)
セグメントのみのいも継ぎ
9.6
0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 10 20 30 40
軸ひずみ(μ/gal)
1-N 3-N
振動数(Hz)
セグメントのみの千鳥組
一次覆工
30°
S-5
S-6 S-1
S-2
S-4 S-3
ひずみゲージ 6@60
=360 曲げひずみ正向き
+
軸ひずみ正向き
+
(トンネル内空方向の変形を正)
1-M:S-1
で の 曲 げ ひ ず み1-N: S-1
で の 軸 ひ ず み図
4.2
, 図4.3
図 4 . 3 二 次 覆 工 あ り の 場 合 の ひ ず み の 共 振 曲 線 ( 実 験 値 ) 二次覆工ありのいも継ぎ
10.0
10.0
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
0 10 20 30 40
曲げひずみ (μ/gal)
0 3 6 9 12 15 18 21 24
曲げひずみ (μ/gal)
1-1-M 1-3-M 2-1-M 2-3-M 一次覆工
振動数(Hz) 二次覆工
二次覆工ありの千鳥組
10.0
10.0
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
0 10 20 30 40
曲げひずみ (μ/gal)
0 3 6 9 12 15 18 21 24
曲げひずみ (μ/gal)
1-1-M 1-3-M 2-1-M 2-3-M 一次覆工
振動数(Hz) 二次覆工
二次覆工ありのいも継ぎ
10
-1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 10 20 30 40
軸ひずみ (μ/gal)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2
軸ひずみ (μ/gal)
1-1-N 1-3-N 2-1-N 2-3-N 一次覆工
振動数(Hz) 二次覆工
二次覆工ありの千鳥組
10.0
10.0
-1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 10 20 30 40
軸ひずみ (μ/gal)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2
軸ひずみ (μ/gal)
1-1-N 1-3-N 2-1-N 2-3-N 一次覆工
振動数(Hz) 二次覆工
曲げひずみ正向き
+
軸ひずみ正向き
+
(トンネル内空方向の変形を正)
30°
6@60
=360
ひずみゲージ
S-4 S-3
S-2 S-6 S-1
S-5
一次覆工 アイソレーション材
二次覆工
1-1-M: S-1
で の 一 次 覆 工 の 曲 げ ひ ず み1-1-N: S-1
で の 一 次 覆 工の 軸 ひ ず み
4 - 1 - 3 実 験 結 果 と 解 析 結 果 と の 比 較
図 4 . 4~図 4 . 6 は 2 次 元 動 的
FEM
に よ る 解 析 結 果 を 示 し た も の で あ る . ト ン ネ ル を 埋 設 し た も の は い も 継 ぎ の 場 合 に つ い て の み 示 し た .解 析 に よ っ て 得 ら れ た 1 次 共 振 振 動 数 を表 4 . 1 に あ わ せ て 示 す .図 4 .1 お よ び図 4 . 4 か ら ,加 速 度 の 共 振 曲 線 に つ い て 実 験 結 果 と 解 析 結 果 と の 比 較 を 行 う と ,応 答 倍 率 が 卓 越 し た 1 次 共 振 振 動 数 付 近 で は ,い ず れ の モ デ ル を 対 象 と し た 場 合 に つ い て も 実 験 値 と 解 析 値 が よ い 一 致 を 示 し て い る こ と が わ か る .一 方 ,1 次 モ ー ド よ り も 高 い 振 動 数 領 域 で は , 両 者 に 多 少 の 差 が 生 じ て い る こ と も わ か る .ま た ,図 4. 2 お よ び図 4 . 5 か ら セ グ メ ン ト の み の 場 合 の ひ ず み の 共 振 曲 線 に つ い て は ,そ の 形 状 ,応 答 倍 率 の 最 大 値 ,最 大 応 答 の 発 生 す る 振 動 数 な ど ,実 験 結 果 と 解 析 結 果 と は ほ ぼ 一 致 し て い る こ と が わ か る .さ ら に ,図 4 . 3 お よ び 図 4 . 6 か ら ,二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 で も ひ ず み 応 答 に つ い て ,実 験 結 果 と 解 析 結 果 と は ほ ぼ 一 致 し て い る こ と が わ か る .
以 上 の こ と か ら , 2 次 元 動 的
FEM
に よ る 解 析 法 は , 加 速 度 応 答 に つ い て は 1 次 モ ー ド よ り も 高 い 振 動 数 領 域 で は 実 験 結 果 と 解 析 結 果 と に 差 が 見 ら れ る も の の ,そ れ ら が ト ン ネ ル の 応 答 の 結 果 に 与 え る 影 響 は 小 さ く ,ト ン ネ ル の 応 答 が 卓 越 す る 1 次 モ ー ド に 関 し て は ,そ の 共 振 曲 線 を 求 め る 実 験 の 結 果 を 十 分 に 説 明 で き る .よ っ て ,い も 継 ぎ の 場 合 を 対 象 と し た 共 振 曲 線 を 求 め る 実 験 の 結 果 を 全 体 と し て は 十 分 に 説 明 す る こ と が で き る と 考 え ら れ る .図 4 . 4 加 速 度 の 共 振 曲 線 ( 解 析 値 ) 9.6
0 3 6 9 12 15
0 10 20 30 40
振動数(Hz)
加速度応答倍率 A-1
二次覆工ありのいも継ぎ 9.4
0 3 6 9 12 15
0 10 20 30 40
加速度応答倍率 A-1
振動数(Hz)
セグメントのみのいも継ぎ
150 A-1 B
C-2 D-2 C-1
C-3 加速度計
変位計
D-1 加速度計
(地盤のみの場合) A-2
A-3
断面A 断面B 断面C 断面D
10014550
単位mm トンネル埋設位置
加振方向正向き 相対変位正向き
加速度正向き
50 50 A'
150 50 C'
9.4
0 3 6 9 12 15
0 10 20 30 40
振動数(Hz)
加速度応答倍率
A-1 A-2 A-3 地盤のみ
図 4 . 5 セ グ メ ン ト の み の 場 合 の ひ ず み の 共 振 曲 線 ( 解 析 値 )
図 4 . 6 二 次 覆 工 あ り の 場 合 の ひ ず み の 共 振 曲 線 ( 解 析 値 ) 9.4
0 3 6 9 12
0 10 20 30 40
曲げひずみ(μ/gal)
1-M 3-M
振動数(Hz) セグメントのみのいも継ぎ
9.4
0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 10 20 30 40
軸ひずみ(μ/gal)
1-N 3-N
振動数(Hz)
セグメントのみのいも継ぎ
二次覆工ありのいも継ぎ
9.6
9.6
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
0 10 20 30 40
曲げひずみ (μ/gal)
0 3 6 9 12 15 18 21 24
曲げひずみ (μ/gal)
1-1-M 1-3-M 2-1-M 2-3-M 一次覆工
振動数(Hz) 二次覆工
二次覆工ありのいも継ぎ
9.6
9.6
-1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 10 20 30 40
軸ひずみ (μ/gal)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2
軸ひずみ (μ/gal)
1-1-N 1-3-N 2-1-N 2-3-N 一次覆工
振動数(Hz) 二次覆工
一次覆工
30°
S-5
S-6 S-1
S-2
S-4 S-3
ひずみゲージ 6@60
=360
曲げひずみ正向き
+
軸ひずみ正向き
+
(トンネル内空方向の変形を正)
1-M
:S-1 で の 曲 げ ひ ず み1-N: S-1
で の 軸 ひ ず み曲げひずみ正向き
+
軸ひずみ正向き
+
(トンネル内空方向の変形を正)
30°
6@60
=360
ひずみゲージ
S-4 S-3
S-2 S-6 S-1
S-5
一次覆工 アイソレーション材
二次覆工
1-1-M:S-1
で の 一 次 覆 工 の 曲 げ ひ ず み1-1-N: S-1
で の 一 次 覆 工の 軸 ひ ず み
4 - 2 ト ン ネ ル に 発 生 す る 断 面 力
4 - 2 - 1 は り - ば ね モ デ ル を 用 い た 応 答 変 位 法 に よ る 解 析 と の 比 較
( 1 ) 実 験 結 果 と 解 析 結 果 と の 比 較
図 4 . 7お よ び図 4 .8は 1 次 共 振 時 に ト ン ネ ル に 発 生 し た 断 面 力 の 実 験 結 果 と 解 析 結 果 と を 比 較 し た も の で あ る .こ れ ら の 図 は ,ト ン ネ ル 上 下 面 の 相 対 変 位 が 最 大 と な る 時 刻 を 対 象 と し た も の で あ る .解 析 モ デ ル に は ,2 次 元 動 的
FEM
に よ る 地 盤 の 応 答 解 析 か ら 求 ま っ た 地 盤 変 位 と 周 面 せ ん 断 力 と を 入 力 さ せ て い る .図 4 . 7 を 見 る と セ グ メ ン ト の み の ト ン ネ ル を い も 継 ぎ に し た 場 合 ,千 鳥 組 に し た 場 合 の い ず れ に お い て も ,実 験 結 果 と 解 析 結 果 と は 発 生 す る 断 面 力 の 分 布 形 状 ,そ の 最 大 値 と も に よ い 一 致 を 示 し て い る .ま た ,図 4 . 8 か ら ト ン ネ ル に
(a)
い も 継 ぎ 3.02.0 1.0 0 -1.0 -2.0
曲げモーメント N・m
-300 -200 -100 0 100
200 実験値
はり-ばね 継手位置
軸力 N
図 4 . 7 ト ン ネ ル に 発 生 す る 断 面 力 ( セ グ メ ン ト の み )
(b)
千 鳥 組3.6 2.4 1.2 0 -1.2 -2.4
曲げモーメント N・m
-450 -300 -150 0 150
300 実験値
はり-ばね 継手位置
軸力 N
(a)
い も 継 ぎ(b)
千 鳥 組 1.51.0 0.5 0 -0.5 -1.0
曲げモーメント N・m
-450 -300 -150 0 150
300 実験値
はり-ばね 継手位置
一次覆工 軸力
N
1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
曲げモーメント N・m
-450 -300 -150 0 150
300 実験値
はり-ばね 継手位置
二次覆工 軸力
N
3.0 2.0 1.0 0 -1.0 -2.0
曲げモーメント N・m
-750 -500 -250 0 250
500 実験値
はり-ばね 継手位置
一次覆工 軸力
N
3.0 2.0 1.0 0 -1.0 -2.0
曲げモーメント N・m
-750 -500 -250 0 250
500 実験値
はり-ばね 継手位置
二次覆工 軸力
N
図 4 . 8 ト ン ネ ル に 発 生 す る 断 面 力 ( 二 次 覆 工 あ り )
二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 の 実 験 結 果 と 解 析 結 果 と を 比 較 す る と ,ト ン ネ ル を い も 継 ぎ に し た 場 合 で は ,曲 げ モ ー メ ン ト に 関 し て は 一 次 覆 工 と 二 次 覆 工 の い ず れ に つ い て も 解 析 結 果 と 実 験 結 果 と は 発 生 す る 断 面 力 の 分 布 形 状 ,最 大 値 と も に よ い 一 致 を 示 し て い る .千 鳥 組 に し た 場 合 に も ,ト ン ネ ル に 発 生 す る 曲 げ モ ー メ ン ト は 一 次 覆 工 ,二 次 覆 工 と も に 全 断 面 に わ た り ,よ い 一 致 を 示 し て い る . 軸 力 に 関 し て は 一 次 覆 工 で は ト ン ネ ル 模 型 に 発 生 す る 軸 ひ ず み が 小 さ く ,信 頼 性 に 欠 け る た め ,解 析 結 果 と 実 験 結 果 と の 比 較 を 行 う こ と は で き な い .軸 力 に 関 す る 計 測 で は , 過 去 の 研 究 5 )や 計 測 事 例 6 )を は じ め と し て , そ の 精 度 が 曲 げ モ ー メ ン ト に 比 べ て 高 く な い こ と が 広 く 知 ら れ て お り , 本 研 究 に お い て も こ の 傾 向 が あ る と 考 え ら れ る .一 方 , 二 次 覆 工 に 発 生 す る 軸 力 に つ い て は ト ン ネ ル を い も 継 ぎ に し た 場 合 ,千 鳥 組 に し た 場 合 の い ず れ に お い て も 実 験 結 果 と 解 析 結 果 と は 分 布 形 状 , そ の 最 大 値 と も に よ い 一 致 を 示 し て い る .
以 上 の こ と は 地 盤 の 地 震 時 挙 動 ,す な わ ち 地 盤 の 相 対 変 位 お よ び 周 面 せ ん 断 力 を 精 度 よ く 推 定 で き れ ば ,ト ン ネ ル に 発 生 す る 断 面 力 を 十 分 に 算 出 で き る こ と を 示 し て い る .
図 4 . 9 お よ び図 4 .1 0 は , 作 用 さ せ た 地 盤 変 位 と 周 面 せ ん 断 力 と が 解 析 結 果 に 与 え る 影 響 に つ い て 検 討 を 加 え た も の で あ る .こ れ ら の 図 を 見 る と ,地 盤 変 位 の み を 作 用 さ せ た 場 合 ( 図 中 の 地 盤 変 位 ), お よ び 周 面 せ ん 断 力 の み を 作 用 さ せ た 場 合( 図 中 の せ ん 断 力 )で は ,ど ち ら も 解 析 値 は 実 験 値 に 比 べ て 明 ら か に 小 さ な 値 と な っ て お り ,い ず れ も 地 震 時 に ト ン ネ ル に 発 生 す る 応 力 状 態 を 十 分 に 表 現 で き て い な い と 考 え ら れ る .ま た ,ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 ,ト ン ネ ル の 自 重 が 大 き く な り ,慣 性 力 の 影 響 が 無 視 で き な く な る こ と が 考 え ら れ た が , 慣 性 力 は 解 析 値 全 体 の
0.3~0.6%
程 度 の 割 合 し か 占 め て い な い こ と が わ か っ た .こ れ ら の 結 果 よ り ,セ グ メ ン ト の み で 構 成 さ れ る ト ン ネ ル を 対 象 と し た 場 合 お よ び 二 次 覆 工 を 考 慮 し た ト ン ネ ル を 対 象 と し た 場 合 の い ず れ に つ い て も ,地 盤 変 位 と 周 面 せ ん 断 力 の 両 方 を 考 慮 し た 場 合( 図 中 の 変 位 ・ せ ん 断 力 )に 実 験 結 果 を 十 分 に 説 明 で き ,こ れ ら の 両 者 を 考 慮 す る 方 法 が 合 理 的 で あ る と 結 論 さ れ る .さ ら に ,地 盤 変 位 と 周 面 せ ん 断 力 と が 解 析 結 果 に 与 え る 影 響 は ,セ グ メ ン ト の み の 場 合 の 曲 げ モ ー メ ン ト に つ い て は ,そ れ ら の 比 率 が 5 対 5 と ほ ぼ 同 程 度 で あ り ,軸 力 に つ い て は ,4 対 6 程 度 で あ る こ と が わ か る .ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 で は ,曲 げ モ ー メ ン ト と 軸 力 の い ず れ に つ い て も , そ の 比 率 は 5 対 5 と ほ ぼ 同 程 度 で あ る こ と が わ か る .
図 4 . 1 1 に お い て ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 の 一 次 覆 工 と 二 次 覆 工 と に 発 生 す る 断 面 力 の 比 較 を 行 っ た . こ の 図 か ら 曲 げ モ ー メ ン ト に つ い て は , い も 継 ぎ ,千 鳥 組 の い ず れ の 場 合 に お い て も ,セ グ メ ン ト 継 手 の 位 置 で 二 次 覆 工 が セ グ メ ン ト に 発 生 す る 曲 げ モ ー メ ン ト を 受 け 持 っ て い る と 思 わ れ る .こ の こ と は ,ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 施 す こ と に よ っ て ,セ グ メ ン ト 継 手 に 発 生 す る 曲 げ モ ー メ ン ト を 低 減 さ せ る こ と が で き る と 考 え ら れ る .一 方 ,軸 力 に つ い て は ,曲 げ モ ー メ ン ト と 異 な り ,セ グ メ ン ト 継 手 の 位 置 で 二 次 覆 工 が セ グ メ ン ト の 軸 力 を 受 け 持 た な い と 思 わ れ る .ま た ,い も 継 ぎ ,千 鳥 組 の い ず れ の 場 合 に お い て も 二 次 覆 工 に 大 き な 軸 力 が 発 生 し て い る こ と が わ か る .
な お ,セ グ メ ン ト の み で 構 成 さ れ る ト ン ネ ル と 二 次 覆 工 を 考 慮 し た ト ン ネ ル の 構 造 特 性 に 着 目 し た 考 察 に つ い て は第 6 章に お い て 後 述 す る こ と と し た .
(a)
い も 継 ぎ図 4 . 9 地 震 力 が 解 析 結 果 に 与 え る 影 響 ( セ グ メ ン ト の み )
(b)
千 鳥 組 図 4 . 9 地 震 力 が 解 析 結 果 に 与 え る 影 響 ( セ グ メ ン ト の み ) 曲げモーメントN・m 3.0 2.0 1.0 0 -1.0 -2.0
軸力 N
-300 -200 -100 0 100 200
実験値 変位・せん断力 地盤変位 せん断力 継手位置 N
曲げモーメント N・m
4.5 3.0 1.5 0 -1.5 -3.0
軸力 N
-450 -300 -150 0 150 300
実験値 変位・せん断力 地盤変位 せん断力 継手位置
(a)
い も 継 ぎ(b)
千 鳥 組 曲げモーメントN・m 1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
軸力 N
-300 -200 -100 0 100
200 実験値
変位・せん断力 地盤変位 せん断力 継手位置
一次覆工
曲げモーメント N.・m
1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
軸力 N
-300 -200 -100 0 100
200 実験値
変位・せん断力 地盤変位 せん断力 継手位置
二次覆工
軸力 N
-300 -200 -100 0 100
200 実験値
変位・せん断力 地盤変位 せん断力 継手位置
一次覆工 曲げモーメント
N・m 1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
軸力 N
600 400 200 0 -200
-400 実験値
変位・せん断力 地盤変位 せん断力 継手位置
曲げモーメント 二次覆工 N・m
1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
(a)
い も 継 ぎ図 4 . 1 1 一 次 覆 工 と 二 次 覆 工 と に 発 生 す る 断 面 力 の 比 較
(b)
千 鳥 組1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
曲げモーメント N・m
-600 -400 -200 0 200
400 実験値
一次覆工 実験値 二次覆工 はり-ばね 一次覆工 はり-ばね 二次覆工 継手位置
軸力 N
1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
曲げモーメント N・m
-600 -400 -200 0 200
400 実験値
一次覆工 実験値 二次覆工 はり-ばね 一次覆工 はり-ばね 二次覆工 継手位置
軸力 N
( 2 ) ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 の 解 析 結 果 に 関 す る 考 察
共 振 曲 線 に 関 す る 実 験 結 果 お よ び 解 析 結 果 よ り ,本 研 究 で は ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 ,ト ン ネ ル が 埋 設 さ れ た こ と に よ る 地 盤 へ の 影 響 が 多 少 生 じ て く る こ と が わ か っ た .図 4 . 12 に お い て , 二 次 覆 工 を 有 す る ト ン ネ ル を 対 象 と し て ,ト ン ネ ル を 埋 設 し た 場 合 に 地 盤 が 一 次 共 振 を す る
10Hz
の 場 合 の 解 析 結 果 と ,地 盤 が 一 次 共 振 を す る9.4Hz
の 場 合 の 解 析 結 果 と の 比 較 を 行 っ た . こ れ ら の 図 を 見 る と , い も 継 ぎ , 千 鳥 組 の い ず れ の 場 合 に お い て も ,9.4Hz
の 解 析 結 果 は10Hz
の 結 果 よ り も 大 き く な っ て い る こ と が わ か る .地 盤 の 一 次 共 振 振 動 数 は 各 種 指 針 7 )~1 0 )に よ り 比 較 的 容 易 に 算 出 が で き る が ,そ の 一 方 で , ト ン ネ ル を 埋 設 し た 場 合 の 共 振 振 動 数 を 求 め る こ と は ,繁 雑 な 作 業 や 高 度 な 工 学 的 判 断 を 伴 う た め ,地 盤 の み の そ れ を 求 め る 場 合 と 比 較 し て ,は る か に 困 難 で あ る .し た が っ て ,耐 震 解 析 を 行 う 上 で の 実 務 を 考 慮 す る と ,地 盤 の 地 震 応 答 解 析 に よ り 地 盤 が 一 次 共 振 を す る 際 の 地 盤 変 位 と 周 面 せ ん 断 力 を 求 め ,そ れ を 用 い て 地 震 時 に ト ン ネ ル に 発 生 す る 断 面 力 を 求 め れ ば ,安 全 側 の 設 計 と な り , 合 理 的 で あ る と 考 え ら れ る .(a)
い も 継 ぎ(b)
千 鳥 組 3.02.0 1.0 0 -1.0 -2.0
曲げモーメント N・m
-600 -400 -200 0 200
400 9.4Hz
10Hz 継手位置
軸力 二次覆工 N 3.0
2.0 1.0 0 -1.0 -2.0
曲げモーメント N・m
-600 -400 -200 0 200
400 9.4Hz
10Hz 継手位置
軸力 一次覆工 N
3.0 2.0 1.0 0 -1.0 -2.0
曲げモーメント N・m
-1200 -800 -400 0 400
800 9.4Hz
10Hz 継手位置
軸力
N 一次覆工
3.0 2.0 1.0 0 -1.0 -2.0
曲げモーメント N・m
-1200 -800 -400 0 400
800 9.4Hz
10Hz 継手位置
二次覆工 軸力
N
図 4 . 1 2 想 定 し た 共 振 振 動 数 に よ る 解 析 結 果 の 比 較
4 - 2 - 2 2 次 元 FEM に よ る 動 的 な 解 析 と の 比 較
図 4 . 13お よ び図 4 . 14は一 次 共 振 時 に ト ン ネ ル に 発 生 す る 断 面 力 に つ い て 検 討 を 行 っ た 結 果 で あ る . こ れ ら の 図 を 見 る と , セ グ メ ン ト の み , 二 次 覆 工 あ り の い ず れ に つ い て も , ト ン ネ ル を い も 継 ぎ に し た 場 合 は , 2 次 元 動 的
FEM
に よ る 解 析 結 果 と 実 験 結 果 と が ト ン ネ ル の 全 断 面 に わ た っ て よ い 一 致 を 示 し て い る こ と が わ か る .千 鳥 組 の 場 合 に つ い て は ,第 3 章に 述 べ た よ う に ト ン ネ ル を 修 正 慣 用 計 算 法 の 考 え 方 に 基 づ い て 平 面 の は り 要 素 に 置 換 し ,ト ン ネ ル に 発 生 す る 断 面 力 を 求 め た . 表 4 . 2 お よ び表 4 . 3 は , そ の 結 果 得 ら れ た 曲 げ モ ー メ ン ト の 最 大 値 と 軸 力 の 最 大 値 と を 示 し た も の で あ る . 正 弦 波 を 対 象 と し た 場 合 に , は り - ば ね モ デ ル を 用 い た 応 答 変 位 法 は 実 験 結 果 を 十 分 に 説 明 で き る こ と は す で に 示 し た .そ こ で ,表 4 . 2 お よ び表 4 . 3 に は , 2 次 元 動 的
FEM
に よ る 解 析 結 果 と は り - ば ね モ デ ル を 用 い た 応 答 変 位 法 に よ る 結 果 と の 比 較 も あ わ せ て 示 し た .表 4 . 2 を 見 る と , セ グ メ ン ト の み の ト ン ネ ル を 対 象 と し た 場 合 の 2 次 元 動 的FEM
に よ る 結 果 は , は り - ば ね モ デ ル を 用 い た 応 答 変 位 法 に よ る 結 果 と 比 較 し て , 曲 げ モ ー メ ン ト に つ い て は 8 割 程 度 , 軸 力 に つ い て は 5 割 程 度 し か 表 現 で き て い な い こ と が わ か る . ま た , 表 4 . 3 を 見 る と , ト ン ネ ル に 二 次 覆 工 を 考 慮 し た 場 合 に つ い て も , 2 次 元 動 的FEM
に よ る 結 果 は ,曲 げ モ ー メ ン ト に つ い て も ,軸 力 に つ い て も 十 分 な 精 度 を 持 つ 解 析 結 果 と は い え な い こ と が わ か る .以 上 の こ と か ら , 2 次 元 動 的
FEM
は ト ン ネ ル を い も 継 ぎ に し た 場 合 に は , 正 弦 波 を 対 象 と し た 実 験 結 果 を よ く 説 明 で き る 一 方 で , ト ン ネ ル を 千 鳥 組 と し た 場 合 に は , こ こ で 述 べ た 方 法 で は 実 験 結 果 を あ ま り よ く 説 明 で き な い こ と が わ か っ た . こ れ は , 千 鳥 組 の 場 合 に , 発 生 す る 断 面 力 の 算 出 に 用 い た 曲 げ 剛 性 の 有 効 率 η と 割 増 率 ζ と が 常 時 荷 重 を 受 け る ト ン ネ ル か ら 算 出 さ ら た も の で あ り , 地 震 時 と は 荷 重 条 件 が 異 な る こ と が 原 因 と 思 わ れ る .図 4 . 1 3 解 析 結 果 と 実 験 結 果 と の 比 較 ( セ グ メ ン ト の み の い も 継 ぎ ) 3.0
2.0 1.0 0 -1.0 -2.0
曲げモーメント N・m
-300 -200 -100 0 100
200 実験値
動的FEM 継手位置
軸力 N
図 4 . 1 4 解 析 結 果 と 実 験 結 果 と の 比 較 ( 二 次 覆 工 あ り の い も 継 ぎ ) 1.5
1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
曲げモーメント N・m
-450 -300 -150 0 150
300 実験値
動的FEM 継手位置
一次覆工 軸力
N
1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0
曲げモーメント N・m
-450 -300 -150 0 150
300 実験値
動的FEM 継手位置
二次覆工 軸力
N
表 4 . 3 千 鳥 組 に 発 生 す る 断 面 力 の 比 較 ( 二 次 覆 工 あ り )
覆 工
動 的
FEM
最 大 値は り - ば ね 最 大 値
は り - ば ね と の 比
一 次
0.416 0.734 0.566
曲 げ モ ー メ ン ト
( N
・m )
二 次0.592 0.704 0.841
一 次
1.18
×10
21.45
×10
20.815
軸 力( N )
二 次2.09
×10
23.57
×10
20.585
表 4 . 2 千 鳥 組 に 発 生 す る 断 面 力 の 比 較 ( セ グ メ ン ト の み )動 的
FEM
最 大 値は り - ば ね 最 大 値
は り - ば ね と の 比 曲 げ モ ー メ ン ト
( N
・m ) 1.92 2.37 0.812
軸 力