JP2006188854A - 地山の地質構成予測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】地山の明かり掘削部の周辺領域に任意数の観測点を設定し、発破掘削の前後において前記観測点の変位を測定した結果から変位計測データを取得し、掘削進行状況を反映した3次元解析モデルにおいて、予め地質分布に基づきブロック割りを行い、各ブロック領域内において地盤定数は一定値であるとする条件の下で、前記変位計測データを与条件として逆解析を行うことにより、ブロック領域毎に地山の地盤定数を同定する。
【選択図】図1
Description
図2に示される地山に対して、水平ボーリング等の地質調査を行い、この調査結果に基づいて、地山を複数の領域に、図示例では7つの領域にブロック割りする。各ブロック割り領域には、土質試験に基づいて岩級区分が設定される。図示例では、ブロック1、3、7が岩級区分CLに設定され、ブロック2,4,5,6が岩級区分CMに設定されている。
《地山の地盤定数予測》
(3次元有限要素法解析モデルによる解析)
前記トータルステーションなどの測量機器によって計測された変位計測データは、現場事務所に設置されたコンピュータに入力され、3次元解析モデルにおいて、前記変位計測データを与条件として逆解析を行うことにより、ブロック毎に地山の地盤定数を同定される。すなわち、地山物性値(ヤング係数)を逆解析の対象とし、所定区間の掘削によって生じる観測点の計算変位と、観測点の実測変位との残差2乗和が最小となる地山定数(ヤング係数)を最適化手法によって求めることにより、各ブロックごとに地盤定数(ヤング係数)を同定する。なお、地盤定数としては、本形態例では変形係数を未知パラメータとするが、ポアソン比、粘着力や側圧係数などを対象とすることもできる。
《逆解析の定式化》
1.順解析
同定計算の基本となる3次元線形弾性体の有限要素方程式は、下式(1)となる。
地盤定数のうち、ヤング係数を未知パラメータとした場合の同定解析について述べる。
(1)評価関数の勾配の計算
評価関数の未知パラメータであるヤング係数Eに関する評価関数の勾配dを計算する。上式(3)の評価関数Jは変位の汎関数である。また、変位は有限要素方程式(1)式で示すように、ヤング係数を未知パラメータとしている。そこで、勾配dは、下式(4)であらわされる。
(2)感度行列の計算
3次元線形弾性体の有限要素方程式は、前述したように、(1)式であらわされる。
上記(1)式をm番目の未知パラメータEmについて偏微分すると、下式(5)となる。
3.ステップ幅αの計算
収束計算のために、収束のステップ幅αを計算する。ステップ幅は上式(3)の評価関数Jを一次項までテーラー展開し、さらにαで偏微分して求める。
[step0]:パラメータE(0)の初期値および、評価関数がこの数値以下になった時に収束したとみなす数値である収束判定の値εJを定める。
[step1]:繰り返し回数 i=0 をセットする。
[step2]:(3)式の{u}(i)を下式(15)に示すように計算する。
[Step14(収束判定)]:
〔第2解析手法〕
本第2解析手法は、前記地山の地質構成予測方法に先立って或いは途中段階で行われるもので、地山の明かり掘削又はトンネル坑内掘削において、任意数の観測点を設定し、発破時における前記観測点の時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかを測定し、3次元解析モデルにおいて、前記時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかの計測データを与条件として与えた逆解析を、繰り返し行うことによって、地山の地盤定数(主として、ヤング係数)を同定するものである。前述した解析手法を静的解析手法とすれば、本第2解析手法は地山の地盤定数の同定を動的解析によって行う手法である。
(1)上記形態例では、3次元解析モデルを有限要素法解析モデルとしたが、解析方法としては、有限要素法以外に、写像関数を使用した解析解を用いる方法、有限差分法、境界要素法(グリーン関数法)、個別要素法、有限体積法、RBSM等およびこれらの組合せからなる解析手法を用いても良い。
(2)上記形態例では、ロック材採取のための地山掘削を例に採ったが、ダム堤体の基礎構築工事においては、堅岩部まで掘削したことを確かめる必要があるが、本方法は、根切り掘削の支持層同定などに対しても適用が可能である。
本実施例1では簡単な解析モデルを設定し、本解析手法の妥当性を検証した。検証解析は、先ず順解析を行って観測点の変位を計算し、これを観測データと仮定した。そして、逆解析による同定解析において、前記観測データを与条件として与えて地盤の定数を同定し、その結果が順解析で設定した地盤定数となるかを検証した。
(1)順解析による変位計算
具体的には、図8に示される解析モデルを想定した。また、順解析に用いた地盤定数は、下表2のように設定した。
逆解析は、図10に示されるように、ブロック数を4とした解析モデルとし、観測点に上記順解析による変位量を変位計測データとして与えた。
本実施例2では、上記第2解析手法について、簡単な解析モデルを設定しその妥当性を検証した。検証解析は、先ず順解析を行って観測点の時刻歴変位速度を計算し、これを逆解析による同定計算において、観測データとして与えて地盤の定数を同定し、その結果が順解析で設定した地盤定数となるかを検証を行った。
具体的には、図12に示される解析モデルを設定し、解析領域の左側面全体に1000(kN/m2)の等分布荷重を時間t=0.01(s)だけ作用させた場合の観測点(A〜C)の時刻歴変位速度を動的順解析により求めた。なお、順解析に用いた地盤定数は、領域全体のヤング係数E=10000(tf/m2)、地盤密度ρ=2.0(kN/m3)、ポアソン比μ=0.3とした。上記順解析による観測点A〜Cの時刻歴変位速度は図13のようになった。
以上の結果に基づき、今度は逆解析により、図13に示される時刻歴変位速度を与条件として与えるとともに、ヤング係数初期値を5000(tf/m2)とし、ヤング係数を繰り返し計算により求めた。図14にその同定計算結果を示す。同図14より、40回の繰り返し計算で、正解のヤング係数10000(tf/m2)の数値が得られ、本第2解析手法の妥当性が検証できた。
Claims (5)
- 地山の明かり掘削部の周辺領域に任意数の観測点を設定し、発破掘削の前後において前記観測点の変位を測定した結果から変位計測データを取得し、掘削進行状況を反映した3次元解析モデルにおいて、予め地質分布に基づきブロック割りを行い、各ブロック領域内において地盤定数は一定値であるとする条件の下で、前記変位計測データを与条件として逆解析を行うことにより、ブロック領域毎に地山の地盤定数を同定することを特徴とする地山の地質構成予測方法。
- 前記観測点は、掘削面の高さをDとした際の、掘削面上端を中心とする1.5D領域内および掘削面下端を中心とする1.5D領域内の地山表面に設置してある請求項1記載の地山の地質構成予測方法。
- 前記観測点の変位計測データは、1〜3軸方向変位成分のいずれか又は組合せとする請求項1、2いずれかに記載の地山の地質構成予測方法。
- 掘削の進行に伴い、掘削面の観察及び/又は前記3次元解析結果に基づき、逐次前記地質分布に基づくブロック割りを修正する請求項1〜3いずれかに記載の地山の地質予測方法。
- 掘削部の周辺領域に任意数の観測点を設定し、発破時における前記観測点の時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかを測定し、3次元解析モデルにおいて、前記時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかの計測データを与条件として逆解析を行うことにより、地山の地盤定数を同定することを特徴とする地山の地質構成予測方法。
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CN100465998C (zh) * | 2007-04-29 | 2009-03-04 | 中国地质大学(北京) | 基于三维建模的立方体预测模型找矿方法 |
JP2011052373A (ja) * | 2009-08-31 | 2011-03-17 | Nishimatsu Constr Co Ltd | トンネル施工管理方法 |
JP2012255320A (ja) * | 2011-06-10 | 2012-12-27 | Kajima Corp | 情報化施工装置及び情報化施工プログラム |
JP2020066843A (ja) * | 2018-10-22 | 2020-04-30 | 株式会社大林組 | トンネルの変形予測方法及び、変形予測システム |
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