JP2008025138A

JP2008025138A - 岩盤斜面の安全度評価方法

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Publication number: JP2008025138A
Application number: JP2006196517A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ishikawa; 博之石川; Yoshihiko Ito; 佳彦伊東; Hiroichi Kunimatsu; 博一國松; Hiroki Kusakabe; 祐基日下部; Kinya Miura; 均也三浦; Shinan Kamidosono; 四男上堂薗; Akira Tadano; 暁只野; Masahiro Yamamoto; 真裕山本; Masaru Nakada; 賢中田
Original assignee: Public Works Research Institute; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC; National Research and Development Agency Public Works Research Institute
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-07-19
Also published as: JP4887532B2

Abstract

【課題】特に複雑な形状の亀裂が入った岩盤斜面についても対処可能な岩盤斜面の安全度評価方法を提供することである。
【解決手段】対象となる岩盤について三次元座標データを取得する工程と、三次元座標データを基にして岩盤の１次模型を作成する工程と、１次模型から２次模型用型枠を作成する工程と、２次模型用型枠内の所定箇所に既存亀裂を模した異質材を設置し、かつ、岩盤の強度を目標強度として配合した固化材を２次模型用型枠に打設することによって２次模型を作成する工程と、２次模型について遠心力模型実験を行うことによって、２次模型の破壊時の遠心力を求める工程と、破壊時の安全率を基にして、岩盤の安全率を計算する工程とを含むことを特徴とする方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に、岩盤斜面の安全度評価方法に関する。より詳細には、本発明は、複雑な形状の亀裂が入った岩盤斜面についても対処可能な安全度評価方法に関する。

近年、大規模な岩盤崩落が数多く発生しており、岩盤斜面の安全対策の確立が緊急の課題となっている。従来、岩盤斜面に対する安全度を算出する方法としては、岩盤斜面を２次元又は３次元にモデル化して数値解析を行う方法や、岩盤斜面を単純モデル化した模型を作成し、当該模型に遠心力を作用させて破壊現象をシミュレートさせる方法が知られている。

しかしながら、前者の数値解析を行う方法では、解析に用いる各種パラメータの設定が難しいために求められる安全度の精度が悪く、また、対象となる岩盤斜面をモデル化するのに斜面の崩落形状や形態を特定する必要があるので精度の低下につながるという課題がある。また、後者の模型実験による方法では、高精度の岩盤模型の作成が難しいため、実斜面における岩盤斜面の安全度を求めることができないという課題がある。さらに、従来の模型実験では、模型に切り込みを入れることによって既存亀裂を模していたが、既存亀裂の形状が複雑な場合には、既存亀裂の形状に合致した切り込みを入れることが難しいため、対処できないという課題がある。このように、従来の方法では、満足すべき安全度の評価ができないという状況にあった。

本発明は、このような状況に鑑みて開発されたものであって、従来の方法における課題を克服し、特に複雑な形状の既存亀裂が入った岩盤斜面についても対処することができる岩盤斜面の安全度評価方法を提供することを目的としている。

本願請求項１に記載の岩盤斜面の安全度評価方法は、対象となる岩盤について三次元座標データを取得する工程と、前記三次元座標データを基にして、岩盤の１次模型を作成する工程と、前記１次模型から、２次模型用型枠を作成する工程と、前記２次模型用型枠内の所定箇所に既存亀裂を模した異質材を設置し、かつ、前記岩盤の強度を目標強度として配合した固化材を前記２次模型用型枠に打設することによって２次模型を作成する工程と、前記２次模型について遠心力模型実験を行うことによって、前記２次模型の破壊時の遠心力を求める工程と、前記破壊時の安全率を基にして、前記岩盤の安全率を計算する工程とを含むことを特徴とするものである。

本願請求項２に記載の岩盤斜面の安全度評価方法は、前記請求項１の方法において、前記異質材が、前記既存亀裂を模した１枚の塩化ビニル樹脂板、互いに接合された複数枚の塩化ビニル樹脂板、又は互いに分離した複数枚の塩化ビニル樹脂板で形成されていることを特徴とするものである。

本願請求項３に記載の岩盤斜面の安全度評価方法は、前記請求項２の方法において、前記塩化ビニル樹脂板が、平板又は湾曲板であることを特徴とするものである。

本発明の方法によれば、安全度を評価しようとする岩盤に複雑な形状の亀裂が入っている場合であっても、精度の良い評価方法を提供することができる。

次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る岩盤斜面の安全度評価方法について詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る岩盤斜面の安全度評価方法の全体工程を概略的に示したフロー図である。

まず最初に、安全度を評価しようとする岩盤について三次元座標データを取得する（第１工程）。三次元座標データを取得する方法として、三次元レーザスキャナを用いる方法、写真測量による方法、航空測量による方法、地形図の等高線から求める方法などがあるが、いずれの方法を用いてもよい。

なお、三次元レーザスキャナは、レーザ光を測定対象物に照射し、反射光が戻ってくる時間を計測することによって、測定対象物の正確な形状を三次元的に計測するものである。三次元レーザスキャナは、数百メートル先までの対象物をｍｍ単位の精度で計測することができるので、容易に接近できない場所や、接触して測定することが困難な構造物や特殊な形状をもつ地形の計測、直接触れることが許されない文化遺産などを高精度かつ迅速に計測することが可能であり、本発明の安全度評価方法の対象とする岩盤の計測に特に好適である。

三次元レーザスキャナなどを用いて、岩盤の三次元座標データＡ₁ （ｘ_1,ｙ_1,ｚ₁ ），Ａ₂ （ｘ₂,ｙ₂,ｚ₂ ），Ａ₃ （ｘ_3,ｙ_3,ｚ_3,），・・・・・，Ａ_n （ｘ_n,ｙ_n,ｚ_n ）を求める。好ましくは、このようにして求めた岩盤の三次元座標データを基にして岩盤の三次元画像を作成し、三次元画像を用いて岩盤の危険部位の検討を行い、切欠き位置および深さや、オーバーハング深さを決定する。

次いで、第１工程において求められた三次元座標データを基にして、岩盤模型を作成する。岩盤模型を作成するには、例えば、本願発明者の１人が開発したコンピュータ自動切削装置を利用するのがよい。この装置は、本来は印刷装置として開発されたものであって、一部の部品を取り換えることによって切削装置としても使用することができるように構成されている。

図２を参照して、このコンピュータ自動切削装置の概要について説明する。図２において全体として参照符号１０で示されるコンピュータ自動切削装置は、エンドミル等の切削工具１２ａを有する切削機１２と、切削機１２を移動させる切削機移動手段１４と、切削しようとする模型材料Ｍを載せる載置台１６と、切削機１２及び切削機移動手段１４に制御信号を出す制御ユニット１８とを備えている。制御ユニット１８は、通常のパーソナルコンピュータでよい。切削機移動手段１４は、切削機１２を模型材料Ｍ上で３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向に移動させることができるようになっている。すなわち、切削機移動手段１４は、各軸方向にボールネジ２０ａ、２０ｂ、２０ｃが設けられており、各ボールネジ２０ａ、２０ｂ、２０ｃに取付けられたモータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを駆動させることによって、切削機１２を所望の箇所に移動させることができる。

上述のコンピュータ自動切削装置を用いて、第１工程において求められた三次元座標データを基にして、岩盤の１次模型を作成する（第２工程）。より詳細に説明すると、制御ユニット１８に、対象となる岩盤の三次元座標データＡ₁ （ｘ_1,ｙ_1,ｚ₁ ），Ａ₂ （ｘ₂,ｙ₂,ｚ₂ ），Ａ₃ （ｘ_3,ｙ_3,ｚ_3,），・・・・・，Ａ_n （ｘ_n,ｙ_n,ｚ_n ）を入力する。制御ユニット１８は、これらの入力データに基づいて、切削機移動手段１４に制御信号を出して切削機１２を各座標位置に移動させ、切削工具１２ａを作動させて模型材料Ｍを切削する。このようにして、岩盤の三次元座標データに基づいて、岩盤の１次模型が作成される。

岩盤の１次模型は、切削し易いように、発泡スチロール等の軟質材料で形成するのが好ましい。なお、上述のコンピュータ自動切削装置の代わりに、他の適当な切削装置を用いて、岩盤の１次模型を作成してもよい。

上述のようにして形成された岩盤の１次模型から、２次模型用型枠を作成する（第３工程）。２次模型用型枠の作成には、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いる。ＦＲＰは２種類の液体とガラス繊維からなり、２種類の液体を混合すると、１時間程度で硬化してプラスチックになる。第３工程をより詳細に説明すると、２種類の液体を混合した液体（２液混合液）を１次模型に塗布するとともに、２液混合液に浸漬したガラス繊維を１次模型に貼付し、その上に更に２液混合液を塗布するという作業を繰り返し、塗布した２液混合液が硬化した後に１次模型から取り外すことによって、２次模型用型枠が作成される。

次いで、遠心力模型実験に使用する岩盤の２次模型を作成する（第４工程）。第４工程における２次模型の作成は、２次模型用型枠内の所定箇所に既存亀裂を模した異質材を設置した上で、現地斜面を形成する岩盤強度を目標強度として配合したモルタルを２次模型用型枠に打設することによって行われる。なお，異質材とは、２次模型を構成するモルタルとは異なる材料であることを意味し、例えば、塩化ビニル樹脂板などが用いられる。

２次模型にカッタ等で切り込みを入れることにより、既存亀裂を模する方法も考えられるが、既存亀裂を模した異質材を２次模型に設置することにより、切り込みによって既存亀裂を模する場合と異なり、既存亀裂の形状など（例えば、深さ、角度、段差）を現実の状態にできるだけ近いものとすることができるので、安全度評価の精度を高めることができる。

次いで、上述のようにして作成された岩盤の２次模型を遠心力載荷装置に載せ、装置を作動させて２次模型に遠心力を負荷し、２次模型が破壊するときの遠心力を求める（第５工程）。ここで、遠心力載荷装置とは、実験対象物に遠心加速度を負荷することができる装置である。地球上の重力加速度場にある物質の重さは、質量に重力加速度を乗じて求められる。例えば、質量１ｋｇの物質の重さは、重力加速度ｇ＝９．８１m/sec²を乗じて９．８１kgm/sec²＝９．８１Ｎとなる。これを遠心力載荷装置に搭載して、例えば重力加速度の１００倍の遠心力加速度を付与すると、遠心加速度場では重さが１００倍の９８１Ｎになる。遠心力模型実験とは、遠心力を利用して小型模型に実物と等しい自重応力を作用させ、その変形や破壊の挙動を調べようとするものである。

最後に、遠心力模型実験において求められた２次模型の破壊時の遠心力を基に岩盤斜面の安全率を求める（第６工程）。

破壊時の遠心力を基に岩盤斜面の安全率を求める基本原理は、以下のとおりである。図３は、極限つりあい式の破壊条件を示した模式図である。
崩落危険岩体の起動モーメントＭ_D は、式（１）で表される。

また、亀裂が進展する面に作用する抵抗モーメントＭ_C は、式（２）で表される。

ここで、σ：岩体の引張強度（Ｎ／ｍ² ），Ｂ：崩落危険岩体の高さ（ｍ），Ｌ：既存亀裂の深さ（ｍ），γ：岩体の単位体積重量（Ｎ／ｍ³ ），ｈ：崩落危険岩体の幅（ｍ）である。
式（１）及び式（２）より、実斜面の安全率Ｆ_P は、式（３）で表される。

また、実斜面と同じ材料で作った縮尺１／ｎの相似模型の安全率Ｆ_m （以下「模型斜面の安全率」という）は、式（４）で表される。

すなわち、重力場（１ｇ場：ｇは重力加速度）では、模型斜面の安全率が実物のｎ倍の値を示すことになる。そこで、この模型を重力場のｎ倍の遠心力場におくと、岩盤の単位体積重量γがｎ倍になり、分母がｎ・γとなってＦ_m ＝Ｆ_P となる。
一方、模型の破壊加速度ｎ_f ｇに着目とすると、（１／ｎ）模型斜面がｎ_f ｇの遠心力場で破壊したときの模型斜面の安全率Ｆ_m は、式（５）で表される。

式（５）より、実斜面の安全率Ｆ_P は、式（６）で表される。

したがって、実斜面の安全率Ｆ_P は、破壊加速度ｎ_f と模型縮尺ｎの比として求めることができる。

次に図４を参照して、北海道島牧村の岩盤斜面に対して、本発明の安全度評価方法を適用した実施例について説明する。まず、対象となる岩盤斜面（以下「対象斜面」という）について、三次元レーザスキャナを用いて、三次元座標データを取得した（図４（ａ）参照）。次いで、三次元座標データを基にして、コンピュータ自動切削装置１０を用いて（図４（ｂ）参照）、対象斜面の１次模型（縮尺１／３０）を作成した（図４（ｃ）参照）。次いで、１次模型に２液混合液を塗布するとともに、２液混合液に浸漬したガラス繊維を１次模型に貼付し、その上に更に２液混合液を塗布するという作業を繰り返し、塗布した２液混合液の硬化後に１次模型から取り外して、２次模型用型枠を作成した（図４（ｄ）参照）。このようにして作成された２次模型用型枠内の所定箇所に既存亀裂を模した塩化ビニル樹脂板を設置し（図４（ｅ）参照）、対象斜面を構成する岩石の一軸圧縮強度２０Ｎ/mm²を目標強度とした配合のモルタルを２次模型用型枠内に打設し（図４（ｆ）参照）、モルタルが硬化した後に２次模型用型枠を取り外して２次模型を得た（図４（ｇ）参照）。

図５（ａ）は、本実験に用いた既存亀裂用の塩化ビニル樹脂板を示した正面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の平面図である。塩化ビニル樹脂板は、図５（ａ）に示されるように、Ａ面、Ｂ面、Ｃ面の３面からなる。このうちＡ面は、模型の天端から底面まで連続した亀裂を模したものであり、Ｂ面とＣ面は、底面に進展亀裂面を有する亀裂を模したものである。また、図６は、本実験に用いた２次模型を示した概念図である。

上述のようにして作成された２次模型について遠心力模型実験を行った（図４（ｈ）参照）。遠心力模型実験では、亀裂の長さをパラメータとし、亀裂深さＬ＝２３３ｍｍ（実斜面深さＬ＝７．０ｍ）を１ケース、Ｌ＝２６７ｍｍ、２８３ｍｍ（実斜面深さＬ＝８．０ｍ、８．５ｍ）を各２ケースの計５ケースについて実施した。その結果は、図７に示すとおりである。なお、図７の表中には、実験ケース毎に室内試験で得られた強度特性も併記した。

各実験における２次模型の強度には、ばらつきが見られる。そこで、各模型の実測引張強度σ_t と目標引張強度σ_s （＝ｑ_u ／１０＝２．０Ｎ/mm²）の比をα（＝σ_t ／σ_s ）として、式（７）を用いて以下のように補正した。なお、引張強度は圧縮強度の１／１０と仮定した。

ここで、Ｆ_mt：模型斜面が引張強度σ_t の場合の安全率，Ｆ_ps：実斜面が引張強度σ_sの場合の安全率である。

式（７）より実斜面の安全率Ｆ_psが式（８）のように求められる。

図８は、実斜面の亀裂深さと安全率Ｆ_psの関係を示した図である。図８から、亀裂深さが大きい程、安全率Ｆ_psが減少することが分かる。

本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態においては、２次模型用型枠を作成するのにＦＲＰを使用しているが、ＦＲＰ以外の固化材を使用してもよい。また、２次模型をモルタルで作成しているが、石膏等の他の固化材、又は、モルタルとこれらの他の固化材を配合したものを使用して作成してもよい。

また、前記実施例では、互いに接合された３枚の塩化ビニル樹脂板が異質材として用いられているが、異質材を１枚の塩化ビニル樹脂板、又は互いに分離した複数枚の塩化ビニル樹脂板で形成してもよい。さらに、異質材を平板ではなく、湾曲した塩化ビニル樹脂板で形成してもよい。

本発明の好ましい実施の形態に係る岩盤斜面の安全度評価方法の全体工程を概略的に示したフロー図である。本発明の方法の第２工程で使用されるコンピュータ自動切削装置を示した斜視図である。極限つりあい式の破壊条件を示した模式図である。本発明の方法の一連の工程を示した模式図である。実験に用いた既存亀裂用の塩化ビニル樹脂板を示した図である。実験に用いた２次模型を示した概念図である。遠心力模型実験において得られた各模型についてのデータを示した表である。実斜面の亀裂深さと安全率の関係を示した図である。

符号の説明

１０コンピュータ自動切削装置
１２切削機
１４切削機移動手段
１６載置台
１８制御ユニット
２０ａ、２０ｂ、２０ｃボールネジ
２２ａ、２２ｂ、２２ｃモータ

Claims

岩盤斜面の安全度評価方法であって、
対象となる岩盤について三次元座標データを取得する工程と、
前記三次元座標データを基にして、岩盤の１次模型を作成する工程と、
前記１次模型から、２次模型用型枠を作成する工程と、
前記２次模型用型枠内の所定箇所に既存亀裂を模した異質材を設置し、かつ、前記岩盤の強度を目標強度として配合した固化材を前記２次模型用型枠に打設することによって２次模型を作成する工程と、
前記２次模型について遠心力模型実験を行うことによって、前記２次模型の破壊時の遠心力を求める工程と、
前記破壊時の安全率を基にして、前記岩盤の安全率を計算する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
前記異質材が、前記既存亀裂を模した１枚の塩化ビニル樹脂板、互いに接合された複数枚の塩化ビニル樹脂板、又は互いに分離した複数枚の塩化ビニル樹脂板で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記塩化ビニル樹脂板が、平板又は湾曲板であることを特徴とする請求項２に記載の方法。