土砂トンネルの切羽安定性評価に基づく地山分類法 に関する研究

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Kyushu University Institutional Repository

土砂トンネルの切羽安定性評価に基づく地山分類法 に関する研究

木谷, 日出男

Graduate School of Engineering, Kyushu University

https://doi.org/10.11501/3166597

出版情報：Kyushu University, 1999, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：

第5章 砂 質 土 地 盤 の ト ン ネ ル 切 羽 崩 壊 モ デ ル 実 験

5. 

1 

はじめに

前章で述べた一次元浸透崩壊実験は， ト ン ネ ル 切 羽 に 作 用 す る 地 下 水 浸 透 力 をモデル化し，切羽の自立 性 を 評 価 す る こ と を 目 的 と し て 考 案 し た。こ の 実 験 手法に よ る 検 討 ， 考 察 の 結 果 ， 切 羽 を 構 成 す る 未 回 結 地 盤 の 限 界 勤 水 勾 配 は 相 対密度および粒度分布の特徴をボす細粒分含有率や彦経分含有率と密接な関係に あることがわかった。一方 ， 実 際 の ト ン ネ ル 切 羽 は 3次元応えj状態、に置かれ，

かつ浸透 力 も 切 羽 に 向 か う 地 下 水 流 動 に 伴 っ て 3次元的に発生する。このよう なトンネル切羽周辺の地山中の変形や地下水の挙動は， ト ン ネ ル 掘 削 時 の 観 察・計測 に よ る 検 討 が 有 効 で あ る が ， 切 羽 の 崩 壊 や 流 出 に 至 る 発 生 過 程 を実際 のトンネル現場で再現することはできない。

このため，本章では実地盤の状態、に近い条件で切羽や地下水の挙動を観察，

計測できる方法を提案し， 3次 元 的 な 検 討 を 行 う と と も に ， そ の結 果によ り前 章までの検討結果の検証を併せて行う 。

5. 2実験の目的と方法1) ~ 4 ) 

5.  2.  1 実験の目的

3次元的 な 切 羽 の 状 態 を 実 験 的 に 再 現 す る こ と を 目的 と し て ， 後 述 す る 土 糟 中に模型地盤およびトンネルを作成した。実 験 は ト ン ネ ル 切 羽 付 近 に 発 生 す る 変形や崩壊等の一連 の 状 態 変 化 と ， そ の 発 生 時 の 地 下 水 条 件 を主な 観 察 ， 計 測 項目 として，次の点を主な 検 討 項 目 と し た。

①モデル地盤は粒度の異なる

2

種類の砂質土を材料として用い，密度， 層状 構 造の影響を検討する。

e

切羽周辺で発生する変形や崩壊の発生状況を観察し，モデル地盤の条件との 関係を検討する。

3

水頭条 件 を 変 え る こ と に よ り ， 変 形 や 崩 壊 が 発 生 す る 時 点 の 動 水 勾 配 等 の 地 ド水条件を検討する。

5. 2. 2実験装置

本実験で用いた実験 装置の 形 状 ， 寸 法 等 の 概 要 を 図 5.2.  1に 示 す 。 装 置 の 構 成は図中のハッ チで示す 模 型 地 盤 を 作 成 す る 土 槽 部 ， 給 水 と 定 水 位 調 整 を 行 ; 同 およ、び水位測 定用マノメ ータからなるo な お ， 土 槽 の 上 面 に は 密 閉 ￨ 九

145 

保持するための鉄製の上ぶたをつけた。また，土槽前面の下から 45cm，水平方 向の中央位置を中心とする直径 10cmの 円 形 断 面 の 模 擬 ト ン ネ ル を 設 け た。模擬

トンネルは模擬覆工となるステンレス製の筒を 挿 入 し な が ら 掘 削 し た。

土 槽 の 片 側 側 面 お よ び 前 面 は ， 土 槽 内 の 状 況 が わ か る よ う に 透 明 の 強 化 ガ ラ スとアクリル板製とした。土槽内水位観測のためのマノメータの管は，模擬ト ンネル軸方向に直線的に配置し，掘削方向の底面圧力水頭を随時測定できるよ うにした。

00円N

水槽

コ

コ~ ^{模擬トンネル}

100 

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水 位 測 定 用 マ ノ メ ー タ ー 3  5  7  9  11 

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1100 

実 験 装 置 概 略 図 図 5.2.  1 

146 

5.  2.  3 土 材 料 の 土 質 条 件

実 験 に 使 用 し た 士 材 料 は 稲 城 砂 ， 佐 原 砂 の

2

種 類 の 砂 質 土 お よ び ロ ー ム で あ る。砂質上は 2mm以 上 の 際 粒 径 分 を 事 前 に 除 去 し た 。 ロ ー ム は 鉄 道 総 研 の 所 在 位 置 に 分 布 す る 立 川 ロ ー ム 層 か ら 採 取 し た 黄 褐 色 の 砂 質ロームで， 層 状 に 挟 在 される粘性上層の材料として一部の実験で使用した。

両砂質土の土質試験結果を表 5.2.  1に整理する。

( 1 )稲 城 砂

稲城砂 (SA材 と 祢 す 〉 は 細 粒 分 含 有 率 Fc=13.2%， 均 等 係 数 Uc=8.9の 粒 度 分布を呈し，細粒分混じり砂 (S‑F)に 分 類 さ れ る 。 中 粒 砂 で 土 粒 子 の 密 度 は ρ s=2. 71g/ cm³で あ る 。 最 大 ・ 最 小 乾 燥 密 度 はρmax=l.49g/cm³，ρmin=l.  12g/ cm³ 

で，相対密度 Dr=50~90児の範四で行った CD 条件での有効応ノJ三事rh)王縮試験で は?粘着力 c'=O， 内 部 摩 擦 角 ゆ '=30._{3~3 1.} 9⁰ _{で あ る ( 図} 5.2.  2)。

( 2 ^{)佐 原 砂}

佐原砂

(S B

材 と 称 す 〉 は 千 葉 県 佐 原 市 付 近 に 産 出 す る 粗 粒 砂 で 細 粒 分 含 有 宅Fc=2.6 % ， 均 等 係 数 Uc=2.7の 粒 度 分 布 を 持 ち ， 粒 度 の 悪 い 砂 (SP)に 分 類 される。土粒子の宇野度は ρs=2.77g/cm³で あ る 。 最 大 ・ 最 小 乾 燥 密 度 は ρ max= 1.  64g/ cm³， ρmin=l.  32g/cm³で ， 相 対 密 度 Dr=40~ 80児の範囲で行った CD

条件での有効応力三 軸 圧 縮 試 験 で は ， 粘 着 力 c'=0，̲̲，0.014MPa， 内 部 摩 擦 角 十=34.3^r‑‑.‑

4 0 .  

9⁰ で ， 相 対 密 度 に 伴 っ た 強 度 の 向 上 が 見 ら れ る (図 5.2.  2)。

5.  2. 4 モ デ ル 地 盤 の 作 成 と 締 め 固 め 条 件

両 砂 質 土 材 料 ご と に 裕 度 条 件 を 変 え た 均 質 砂 層 モ デ ル4ケ ー ス ， お よ び 複 数 種の砂質土とロー ム を 用 い た層 構 造モ デ ル 4ケ ー ス を ， 図 5.2.3に 示 す 模 式 図 のように作成した。 ま た ， 本実 験 に 先 行 し て 締 め 固 め 試 験 を 兼 ね た 稲 城 砂 を 用 叱均質砂層モ デ ル で の 予 備実 験 を 2ケー ス 行 っ た。モ デ ル 地 盤 の 締 め 固 め 条 年は，予備実験時の実績により各ケ ースごとに撒き出し厚，転圧回数(タ コ(ram)

による)を 決 め ， 士 僧 を 充 填 す る ま で 繰 返 す 方 法 を と っ た 。 ま た ， モ デ ル 地 盤 の 作成時に所定の箇所(図 5.2.4)で 8，̲̲，12箇所，さらに実験後 5，̲̲，10箇 所 で 100cm³

a

密度缶を用いた密度測定を行っ た。

各 実 験 ケ ー ス で の 材 料 ご と の 締 め 固 め 条 件 お よ び 密 度 測 定 結 果 を 表 5.2.2に 沢す。な お ， ケ ー ス ご と の 密 度 測 定 の 結 果 に は 各 材 料 で 大 き な ば らつ き が な い

;とから，実験前後の平均値を各材料からなる地盤の密度とした。また，表中 で各地盤の締め固め棺度は相対密度で示す。

147 

」 項 ア 主 竺

民密度(g/cm³)

展示密度(g/cm³) 

圧 粒 子 の 密 度 融分含有率(O;o)  ゆ分含有率(%) 附分含有率(%) 閣等係数

土質分類

高言語試験

表 5.2. 1 実 験 試 料 の 土 質 試 験 結 果

稲 城 砂(S A材)

1.49  1 .12  2.71 

0.2  86.6  13.2  8.9 

S‑F(細粒分混じり砂)

佐 原 砂(S B材)

1.64  1.32  2.77  2.7  94.7 

2.6  27 

S P(粒度の悪い砂)

相対密度(%) 50  : 60  70 : 80  : 90  40  : 50  60  : 70  : 80  初期間隙比

三竺三竺と竺巴

1.11 3 :1.08710.931

三 竺 :

^{0.840 : 0.794 : 0.745} 

粘着力(MPa) 10.000: 0.000 : 0.000 : 0.000 : 0.000 10.000 : 0.003 : 0.003 : 0.010 : 0.014  内部摩僚角(0)130.3: 29.8: 30.5: 31.3: 31.91343 : 35.1 :36.3 : 39.7 : 40.9  変形係数(M‑Pa)[5.29 : 5.47 : 5.69 : 5.73 : 5.79 

I 

^{30.5  36.2: 44.7 : 58.8 : 66.3} 

50 

し 40

も

事E

S

経 幽 詰 30

K 

20 

40  50  60  70  80  90  相 対 密 度 Dパ%)

図5.2. 2 {沙質土材料の三軸 圧 縮 試 験 結 果

148 

司7

50 

切羽

切羽

CASE ‑1 '"'‑' 4 

切羽

CASE‑5 

稲 城 砂 (SA材〉

佐 原 砂 (S B材)

CASE‑7 

稲 城 砂 (SA材〉

佐 原 砂 (SB材 )

均 質地盤 モ デ ル

C A S E ‑

 ，l

2

稲 城 砂 (SA材〉

C A S E ‑ 3

，

4

佐 原砂

( S B

材〉

単 位 mm

CASE‑6 

佐 原 砂 (S B材 )

切羽

稲 城 砂 (SA材 )

CASE‑8 

稲 城 砂 (SA材〉

切 羽

佐 原 砂 (S B材 )

図

5 .2 .   3 

モ デ ル 地 盤 の 構造および切羽位置

1 4 9  

司7

単 位 mm

士槽縦断面図(試料採取高さ〉

モ デ ル 地

水 槽 E 

土槽水 平 断 面 図 (試料採取水 平 位 置)

モ デ ル 地 ^④ 

①  ② 

③ 

注〉記号 I，IT，ruは密度測定試料の採取高さ， ① ④は各高さで・の水平

j

立 置 の 分 布 を 示 す。よ っ て ， 採 取 箇 所 は 最 大 で 12箇 所 と し た。

図 5.2. 4 密 度 測 定 試 料 採 取 位 置

150 

表 5.2.2 モデル地盤の締め同め条件と密度測定結果

} ω

‑

実 験 締め固め条件 密度測定結果

ケース 材料種別 撒き出し厚 転圧回数 測定時期 湿潤密度 乾燥密度 含水比 相対密度

cm  回 g/cm³  g/cm³  %  CASE‑1  稲城砂 15  10  実験前 1.87  1. 52  18.44  92. 11 

'噌・・・ ー・・・・ ・・・ ..  ー・................................................  ..........ー・・・ー・ー ・・・・ ....................・・^b・， 喝・・ーー

(S A材) 実験後 1.81  1.47  18.42  81. 63  CASE‑2  柏城砂 25  3  ^実験前 1.82  1. 50  17.53  88. 00  (S A材) ^‑・実験後^{・ ・ 噌・・・} 1^・・.80^{... ........... 噌..........}1^噌噌.^..4^..6^{... ......・・・ ー....... ・.}1^・8^....^{ー .}46^{. .......̲. ‑・・・・a ・}7^.9^..‑・. ^・45 ^・ CASE‑3  佐原砂 15  _...ー^実験前 1._ー.6_..7_.. ........ 1. 41  15.61  30. 83 

‑ ・ ・ . .........  咽トー・ ・......... ー ・.. ‑・・ ・・・・...................

(S B材) 実験後 1.54  1.40  9.  48  27.17  CASE‑4  佐原砂 10  10  _ー....^実験前_{..............・.} 1.78  1. 50  15.73  61. 58 

‑・....・・ ーーー .  ........・ーー・ ・・ ・.......ーー‑・・・ ...........・.・............・ 4

(S B材) 実験後 1. 62  1.47  9. 42  .  51.75  fIEl城砂 15  10  _ー・‑・^実験前_{・・............・..............}1_...._.8_...5_{.. ..........}  1. 54  16.67  96. 10 

‑

ー・・・・・ .司.......ー・・・・ ・ー・・・・‑・・・ .・.. ・ー.

(S A材) 実験後 1. 83  1. 55  15. 41  98. 06  CASE‑5  _ローム 10  10  実験前

‑・・・........ ・・ ....・. ‑・・..........ー・ ー・・ ー...  噌......・・... "・.... ...噌咽..，.・ー..........・・ー..‑・・ ・・・・・....・・ ー.....・.....

実験後 1.37 

  . o

78  42. 95 

佐原砂 10  10  実験前 1.  71  1.49  12.65  58.34 

畠

ーー ー ・ . ..........  .......  ............  .......  ‑・.......................... ‑・・・・・ ・ ・・....‑ ー..̲̲.. 

(S B材) 実験後 1.59  1.43  10. 41  38. 00  白芳、砂 10  10  実験前 1.68  1.48  12.48  55. 07 

e・・・・・・・ .. ー・・・・・・・ー・・・・・ ・... ‑・・ ..  ・・ーー.....ー・ー・..........  ー ・ー..ー・.................・ー

CASE‑6  (S B材) 実験後 1.61  1.40  13.41  27. 17  fIEl城砂 15  10  _......^実験前_{...........  ー ・・.......}1_{.. ・}.81  1.52  16.23  92. 11 

aー・....... ‑ー・ー・・・ ・・・・・・・・・・・. ‑・ ・・・・・・・ ・・・ ー .......ー..ー.......

(S A材) 実験後 1. 85  1.55  16.35  98. 06  稲城砂 15  10  実験前 1.  87  1.54  17.34  96. 10 

‑

ー・・・・ ・・・⁴・..  ー・・・... ・ー .•...... .........・・...・・ ・ーー................... '  .......... ・・・ .....ー・

CASE‑7  (S A材) 実験後 1. 81  1.52  16.02  92.11  佐原砂 10  10  実験前 1. 64  1.44  12.12  41.50 

.........  ・・..・・・・. ・ .........圃^e・・噌・ ・...‑ーー ・・・・・ ・・.. ‑・ ・....・・ ー・・・ー・・・・ ・・・4・ ー・ーー・...司........・・ー ・.......

(S B材) 実験後 1. 59  1.43  10.57  38. 00  稲城砂 15  10  _....・.実験前_{・.ー.............} 1.87  1.55  16.86  98. 06 

‑・ー・ ・合・.......... ‑・ー・・・ ・・・ ・ーー ・...............・......ーー..  ー・・・・・・ ...  噌唱・ ー・...

(S A材) 実験後 1.  83  1.53  16. 50  94.12  CASE‑8  ローム

佐原砂 10  10  実験前 _..........1_...._..7_..3_{.ー .........}. ‑・・・・・・・・...1.51  ・h・..............1..2..... 5事惨咽9 ・ー・ー・ ー・・ ー6ー4.... 7.・・7 ・........

(S B材) 実験後 1.  66  1.49  9. 63  58. 34 

4 

5.2.  5 観察と計測

モ デ ル 地 盤 作 成 の 後 ， 上 ぶ た等を装 着 し，以下の手)1債で実験を行っ た。まず， モデル地盤の背後の水槽に

3 0

^から

4 0 c m

の水位になるように水を入れ， 上村?~ ¹¹  のモデル地盤を充分に湿潤させる 。 次に， 土糟前而から模擬トンネルを掘

r~

^Jiす

る。こ の 際 ， 前 面 蓋 か ら モ デ ル 地 盤 側 に 模 擬 ト ン ネ ル覆 工を

8 c m

押入し，この 先 端 位 置 を 実 験 開 始 時 の 切 羽 面 と す る。

ト ン ネ ル 掴 削 後 ， 水 槽 に 段 階 的 に 定 め た 水 位 ま で 給 水 し ， モ デ ル 地 盤中に浸 透流を形成する。水 糟 水 位 は 定 水 位 と し ， 切 羽 の 変 化 が 観 察 さ れ ず ， か つ マ ノ

メ ー タ に よ る 計 測 圧 力 水 頭 が 一定 の 時 間 内 に 変 化 し な い こ と を 位 認 し た 段 階 で さ ら に 水 槽 水 位 を 上 げ ， こ れ を 切 羽 が 崩 峻 し ， 砂質上 が 流 出 す る ま で 繰 返 し た。 この実験 の 聞 に 次 の 測 定 ， 観 察 を 行 っ た。

①マ ノ メ ー タ に よ る モ デ ル 地 盤 中 の 土 槽 底 部 で の 圧 力水頭 の 測 定

②切 羽 か ら の 湧 水量測定

③切 羽 の 状 態 変 化 の 観 察 (ビデ オ 撮 影 ， ス ケ ッ チ〉

④切 羽 深 部 の空洞の形状計測

また， 実験 終 了 後 は ， 土 槽 お よ び 水 糟 の 排 水 を 行 い ， モ デ ル 地 盤 を 上 面 側 か ら徐々 に す き 取 り な が ら 掘 削 し ， 崩 壊 ， 流 出 により形成されたモデル地盤中の 空洞 の 形 状 や 周 辺 の ゆ る み 状 況 を 観 察 ， 記 録 し た。

5.  3 崩壊 現 象 の 特 徴 と 考 察 1) ~ 4 ) 

5. 3. 1 実験結果

各 実 験 ケ ー ス の 結 果 を 整 理 す る に あ た り ， 実 験 中 に ト ンネ ル 切 羽 で 観 察 さ れ た 特 徴 的 な 変 形 や 崩 壊 を ， 状 態 変 化 を 示 す

3

つのステー ジとして定義する。こ れらは， 一部 の 層 状 地 盤 の ケースを除き， 一般 的 に 切 羽 の 崩 壊 過 程 で 観 察 さ れ ることから，以降の比較検討を進める ため の 定 性 的 な 状 態 区 分 の 指 標 と す る。

[表 層 崩 壊] 切羽面を形成する一部 と 表 層 の 浅 い 部 分 を す べ り 面 と す る 崩 壊 が発生した時点を表 層 崩 壊 の 発 生 時 と し ， そ の 後 す べ り 面 の 深 さが変わらず崩壊が広がる よう に 進 行 す る 段 階 を 表層崩壊のス テージとする。

[深層崩壊] :表 層 崩 壊より も 明 ら か に 深 い す べ り 面 の 形 成 を 伴 う 崩 壊 が 発 生 す る ， あ る いはす べ り 面 は 顕 著 で な い が 切 羽 近 辺 の よ り 外 側 深 部から砂質土が断続的に運搬されるような状態、の発生するステ ージとする。

1 5 2 

150 

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一

50  1 00  150  200  予備実験‑1

50  100  150  200  切羽面からの水平距離(cm)

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50  100  150  200  切羽面からの水平距離(cm) 0 

0  CASE‑1 

50  100  150  200  切羽面からの水平距離(cm)

。 。

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150 

CASE‑4 

50  100  150  200  切羽面からの水平距離(cm) 200 

CASE‑3 

50  100  150  切羽面からの水平距離(cm) 150 

ε 。

四 100

問主主

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︒

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崩 壊 過 程 で の 圧 力 水 頭 分 布 計 測 結 果 (その 1) 

4

ゐ』←

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ^{F 鴎}

153 

図 5.3.  1 

司司「

150  150 

腕 制 一一 J

始 定 層 壕

‑ J ‑

関 安 表 崩 一

J

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CASE‑6  0 

0 

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50  100  150 

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200 

。

_{50  100  150} 

切羽面からの水平距離(cm) 200 

300  300 

250  250 

，〆/ 

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25

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50 

一一一ー-_:..~】〕戸ーー』

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50  100  150 

切羽面からの水平距離(cm)

200 

CASE‑8 

。 。

_{50  100  150} 

切羽面からの水平距離(cm)

200 

図 5.3.  1 崩 壊 過 程 で の 圧 力 水 頭 分 布 計 測 結 果 ( そ の 2)  154 

4

企 』 ←

七 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ^{E 由一}

相対密度92%

100  100 

〉、80

60  60 

40  40 

20  20 

。

_{× 一一→ 50} 

。

50 

Z

一 一 一

10

相対密度83%

700￨  ^k  100 

60  60 

40 

20 

。

_{× 一一→ 50} 

。

50  _{Z一一一→ 10} 図 5.

3 .  2 

崩壊 過程お よ び 終 了 後 の空洞形状 (その

1 ) 

155 

相対密度31% 

相対密度62%

図 5.3.2 崩 壊 過 程 お よ び 終 了 後 の 空 洞 形 状 (その 2) 

156 

トm

‑ υ李総足利Q巡h︹

立' わけ 吋提 出南 部直

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図

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。

50  _{Z一一一→10}

40 

〉、

20  20 

‑50 

。

_{× 一一→ 50} 

。

50  _Z一一̲̲.10 

図

5 . 3 .  2 

崩 壊 過 程 お よ び 終 了 後 の 空 洞 形 状 (その

4 ) 

1 5 8