2015 Fiscal Year Research-status Report
地中構造物の累積損傷に対する構造の崩壊過程と地盤の変形解放の関連性の解明
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15K06220
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| Research Institution | Public Works Research Institute |
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Principal Investigator |
砂金 伸治 国立研究開発法人土木研究所, その他部局等, 研究員 (10355878)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | トンネル / 覆工 / 地山 / 変状 / 外力 / 変形エネルギー / 措置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我が国では多数の地中構造物があり，例えば山岳道路トンネルでは約10,000本が存在しているが，これらすべてが健全な状態にあるわけではない．例えば膨張性地山にある場合は，トンネルにせん断ひび割れが発生し，表面からコンクリートがはく離する事例や，巨大な直下型地震の影響で鉄筋の露出や数は多くないが覆工コンクリートが落下する事例が報告されている．これらの事例を分析すると，前者に関しては当初は微細なひび割れが発生し，それが徐々に進行して変状が累積し，最終的にせん断ひび割れを生じて破壊を生じるもので，変状の進行が比較的緩慢，すなわち中～長期的に変状が生じると予想される．また，後者では構造が大規模に衝撃的かつ急激に破壊，すなわち極短期～短期的に荷重が作用したと予想される．
より安全性の高い地下構造物を構築するためには，上述の荷重の作用に関するメカニズムを解明し，地山と構造を同一の系で考えることに加え，時間要素を考慮した外力作用による影響が存在することを把握する必要がある．平成27年度は，地山の変形・地中構造物の崩壊データの分析として，過去にトンネルで観測された変形や崩壊に関する事例をもとに，それらをいくつかのパターンに分け，トンネルに作用していると想定される外力の傾向の把握や時間依存性を示す地山の挙動の簡易評価手法を検討した．また，作成したトンネル模型に対して，時間要素の影響を考慮した外力を作用させた場合の構造の変形，崩壊の状況，および模型地山の変形について検討し，その結果を用いて変形解放エネルギーと累積変状エネルギーを試算し，その傾向を明らかにした．すなわち荷重の制御方法として荷重制御と変位制御に区別し，地山部分と構造部分の変状の進展の状況に関する傾向を把握し，それぞれで変状が累積する状況を比較し，最大荷重と最大変位のみならず，エネルギーの考慮も指標の1つになり得ることを導出した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，地山の変形やトンネルの崩壊データの分析として，様々なトンネルの変形や崩壊に関する事例をもとに，作用していると想定される外力を時間要素の観点から分析を行っている．また，地山に関する変形解放エネルギーに関して，地山の変形等の分析結果をもとに得られた数値に基づき，エネルギーの試算および考え方の整理を試みている．さらに，時間要素を考慮した外力作用による地中構造物に関する模型実験として，2次元実験土槽を使用し，作成したトンネル模型に対して，時間要素の影響を考慮した外力を作用させた場合の構造の変形，崩壊の状況，および模型地山の変形について検討し，その結果を用いて変形解放エネルギー等の比較を行っている．特に平成27年度は，実際に模型実験を実施し，基礎的なデータを収集し，実際の崩壊のメカニズムを把握できたことに加え，想定したこれらの指標の関連性を検討し，次年度以降の方向性を構築できたものと考えており，本課題の進捗状況は順調に進展していると評価している．
また，上述の結果をもとに，時間要素を考慮した外力作用によるトンネル構造に関する数値解析として，実験条件をシミュレートした地山および構造に対して，時間要素を考慮した作用外力を用いた場合において，地中構造に生じる変状や変形性能の差異について検討を行い，その再現性を確認していることから，概ね順調に進展したと評価している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度以降は，地山の変形や地中構造物の崩壊データの分析として，さらに様々な諸元を持つトンネル等の地中構造物や地山で観測された変形や崩壊に関する事例の分析を深度化させ，地中構造物に作用していると想定される外力を時間要素の観点から定量的に分析を行うことを想定している．
また，時間要素を考慮した外力作用による地中構造物に関する模型実験として，27年度に実施した2次元実験土槽を使用し，作成したトンネル模型に対して，載荷の繰り返し回数の影響を加味した場合の模型実験の実施の可能性を摸索し，上記の現象の再現を試みることを想定している．また，平成27年度に実施した変形を止める構造に加え，「力をいなす構造」であるトンネル構造に対しても実験の実施の可能性を摸索し，挙動のメカニズムや損傷の累積の状態を実験的に明らかにすることを想定している．
さらに，時間要素を考慮した外力作用によるトンネル構造に関する数値解析として，種々の数値解析手法による検証を実施し，解析的に時間要素を考慮した作用外力を用いた場合において，地中構造に生じる変状や変形性能の差異について検討するとともに，さらに構造および地山に変状が累積する状態をもとに，地盤の変形解放エネルギー，および地中構造物の崩壊ポテンシャルの定義および試計算を行うことを想定している．
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| Causes of Carryover |
平成27年度は実際に模型実験の実施を通じて基礎的なデータを収集し，実際の崩壊のメカニズムを把握することができたが，実験の実施にあたってはさらなる実験の追加が必要であり，平成27年度の費用のみでは合理的な実験の実施が不可能と判断した．そのため，平成27年度の費用を翌年度以降に繰り越し，次年度以降の実験を効率的に実施したいと判断した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度以降は，平成27年度に実施した模型実験の継続として，載荷の繰り返し回数の影響を加味した場合の模型実験や，平成27年度に実施した変形を止める構造に加え，「力をいなす構造」であるトンネル構造に対しても実験の実施の可能性を摸索し，挙動のメカニズムや損傷の累積の状態を実験的に明らかにすることを想定している．
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