JP3600596B2

JP3600596B2 - ロックボルトとグラウトの付着強度試験方法

Info

Publication number: JP3600596B2
Application number: JP2002135889A
Authority: JP
Inventors: 宇静蒋; 裕樹米田
Original assignee: Pacific Consultants Co Ltd
Current assignee: Pacific Consultants Co Ltd
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: JP2003329574A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、支保部材として用いられているロックボルトの付着強度に関するデータを求めるためのロックボルトとグラウトの付着強度試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロックボルトは、トンネルや地下空洞などにおいて不可欠な支保部材として用いられている。そして、その付着強度の評価については、例えば、特開平１１−３０３５９８号公報に記載されているように引抜き試験を実施し、引抜き強度によりその評価を行っているのが現状である。
【０００３】
図７（ａ）は従来の引抜き試験装置の一例および（ｂ）は応力分布を示す図で、引抜き試験装置はグラウト３を被覆したロックボルト２が埋め込まれた模型岩盤２１に支持板２２を介して支持され、ロックボルト２は電動油圧ポンプ２３で作動するセンターホールジャッキ２４に接続され、引抜きにより変位計２５で変位を測定し、荷重と変位の関係から引抜き耐力を求めている。
【０００４】
また、ロックボルトの支保効果を定量的に評価するために数値解析的評価法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７（ａ）に示すように引抜き試験方法では、図７（ｂ）の応力分布に示すように、ロックボルトを荷重Ｐで引抜く際に生じる周辺地山への反力によってロックボルトの周囲には一様分布な垂直応力は作用せず、ロックボルト表面に沿ったせん断応力も局部的集中を起こしやすくなり、付着強度を的確に評価することができないという問題点がある。
【０００６】
また、数値解析的評価法は、入力値としての付着強度や変形剛性の値が客観的に設定できない課題が未だに残されている。
【０００７】
そこで、本発明は、ロックボルトの支保効果を的確に定量的に評価するためのデータを得ることができる、ロックボルトとグラウトの付着強度試験方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のロックボルトとグラウトの付着強度試験方法は、ロックボルトとロックボルトを取り囲んでいるグラウトを平面状に展開し、展開したロックボルト部の表面に展開したグラウト部が積層された形状の供試体に対してロックボルト部かグラウト部のいずれか一方にせん断荷重を加えるとともに、供試体に垂直荷重を加え、且つ垂直剛性を一定に制御する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の付着強度試験方法に供する供試体の説明図である。図１（ａ）に示すように、トンネルの吹き付けコンクリート１にロックボルト２が固定されており、図１（ｂ）の拡大図に示すようにロックボルト２の周りはグラウト３が被覆されている。ロックボルト２の表面にはグラウト３との付着性能をよくするために横方向および軸方向に突起４ａ、４ｂが形成されている。
【００１１】
供試体としては、ロックボルト２とそれを取り囲むグラウト３だけを取り出し、図１（ｃ）に示す矢印方向にロックボルト２とグラウト３を平面状に展開した形にし、展開によりロックボルト部５の表面にグラウト部６が積層された直方体の形状となるようにした供試体７が得られる。展開した形状の供試体７に垂直応力を作用させることにより、垂直応力を周辺地山からの拘束圧として均一に与えることが可能となる。
【００１２】
供試体７を作成するにあたり、ロックボルト（例えば、ＫＦＣ異形棒鋼ロックボルトＤ２５）２の表面形状を測定し、図２のロックボルトの表面形状の平面図に示す突起４ａ、４ｂが形成された付着面に忠実に倣ったロックボルト平面展開模型５を作成する。ここで、供試体の奥行きの長さは２０ｃｍとし、また、幅の長さは本来ここで対象としているロックボルトの断面の直径２．７５ｃｍから円周は８．６３ｃｍとなり、これがロックボルトの幅に相当するが、ここではせん断試験装置のサイズに合わせ、両端に余白部分を付け足して１０ｃｍとしている。
【００１３】
グラウト部６は圧縮強度（σｃ）、が実現場で用いられているグラウトの物性値（１４日材令でσｃ＝６０ＭＰａ）に近い石膏（１４日養生でσｃ＝５６．８ＭＰａ）を用いることができる。以上より、図１（ｄ）に示すように幅１０ｃｍ、奥行き２０ｃｍ、高さ１０ｃｍ（ロックボルト部分５ｃｍ、石膏部分５ｃｍ）の供試体７となる。
【００１４】
供試体の作成手順を図３の供試体作成の説明図を参照して説明する。
【００１５】
（１）型枠８を用意し、その中にロックボルト平面展開模型５を設置する。
【００１６】
（２）型枠８の内側にはグリスを塗って型枠をグラウト部６となる石膏から取り外しやすいようにする。
【００１７】
（３）石膏：水：遅延材＝１：０．２３：０．００５の質量比でこれらを混ぜ合わせる。
【００１８】
（４）混ぜ合わせたものを、３層に分けて途中気泡を取り除きつつ型枠に流し込む。気泡は型枠の側面をゴムハンマーで叩いて振動を与えることで取り除く。
【００１９】
（５）石膏がある程度固まってきたところで、型枠上部にはみだした石膏を平らにし、形を整える。
【００２０】
（６）石膏が固まったところで（３０分程度）型枠８を取り外す。その後１４日養生する。
【００２１】
次ぎに、試験方法について説明する。図４（ａ）は本発明の試験方法を実施するための試験装置の概略図、（ｂ）は供試体を容器に収納した状態の概略図である。
【００２２】
図４（ｂ）において、試験装置に供試体７をセットする際、ロックボルト部となるロックボルト平面展開模型を下部容器１１にスペーサ１０を介して収納し、グラウト部６をスペーサ１０を介して上部容器９に収納して供試体７を保護する。上部容器９の上部には開口が設けられ、加圧板１２を介して供試体７に垂直荷重を加えることができる。
【００２３】
図４（ａ）において、試験装置はグラウト部６を収納した上部容器９を固定し、ロックボルト部５を収納した下部容器１１に電気油圧式サーボジャッキでせん断荷重を加えるようにし、下部容器１１は移動可能とするためにローラ１３上に支持する。上部容器９には電気油圧式サーボジャッキで加圧板１２を介して供試体７に垂直荷重を加えるようにする。上部容器９は、基礎に立設した支持部材１５で支持したダイヤルゲージ式、あるいは電気式の変位計１４で垂直変位を計測し、下部容器１１に取り付けた支持部材１５で支持したダイヤルゲージ式、あるいは電気式の変位計１６でせん断変位を計測する。
【００２４】
【実施例】
本発明の試験方法の一例について説明する。本発明の試験方法では、前述の図７（ｂ）に示すように、ロックボルト引抜き試験の問題点の一つである、ボルト表面の凹凸が引抜きに伴い周辺地山を押し広げるようにボルト半径方向にダイレーションを生じさせ、周辺岩盤の拘束効果がグラウトの付着強度に影響を及ぼし、ロックボルトの引抜き抵抗が変わるという問題点があることから、周辺地山の垂直剛性（Ｋｎ）を一定に制御する。
【００２５】
初期垂直応力（σ_０）の設定については、ＮＡＴＭ工法を用いた山岳トンネルを対象としているので、土被り（Ｈ）は５０〜１００ｍと想定し、トンネル周辺の最大垂直応力が２．５〜５ＭＰａとなるため、せん断試験では、σ_０を１、３、５ＭＰａと３段階に変化させる。
【００２６】
また、ロックボルトの表面形状には凹凸があるため、引抜きに伴い周辺地山を押し広げるようにダイレーションが生じることから、周辺岩盤の拘束効果がグラウトの付着強度に影響を及ぼし、ロックボルトの引抜き抵抗が変わる可能性があるため、周辺地山の垂直剛性（Ｋｎ）を一定に制御しなければならない。ここで周辺地山垂直剛性（Ｋｎ）は、
【００２７】
【式１】

（但し、ν：ポアソン比、ｒ：影響範囲）
となるようにその変形係数とポアソン比によって決定することができるので、ここで堆積岩を想定した地山は日本道路公団分類によるＣ、ＤＩ級物性値を用いて、σ_０＝３０〜１００ＭＰａ、Ｅ＝（１０〜３０）×１０^３ＭＰａ、ν＝０．３から、Ｋｎが２５６〜７６９ＭＰａ／ｍと求められるため、せん断試験ではＫｎを０、３００、５００、７００、１０００ＭＰａ／ｍと５段階に変化させた。すなわち、本実施例のせん断試験では表１に示すとおり１５の試験パターンを行う。
【００２８】
【表１】

周辺地山の拘束効果による影響を比較するため、垂直応力を一定とし地山の変形特性を考慮しない境界条件（ＣＮＬ、Ｋｎ＝０ＭＰａ／ｍ）と、考慮する場合（ＣＮＳ、Ｋｎ＝３００、５００、７００、１０００ＭＰａ／ｍ）に分けてせん断試験を行う。ＣＮＬは初めに所定の垂直応力（１、３、５ＭＰａ）を供試体にかける。そしてそのままの状態でせん断速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎに設定し、５ｍｍまでせん断を続け、垂直荷重、垂直変位、せん断荷重、せん断変位、垂直応力、せん断応力などを５秒おきに記録する。せん断後は、変位を元の状態に戻し、垂直応力を０に戻す。一方ＣＮＳは垂直応力をかけた後、垂直剛性を一定に制御しながら、同様な手順で試験を行う。
【００２９】
図５および図６に本発明の試験方法で得られた結果の一例について示す。
【００３０】
図５（ａ）はせん断に伴うせん断応力の変化を示すグラフ、（ｂ）はピークせん断応力の比較を示すグラフ、（ｃ）はせん断に伴う垂直変位の変化を示すグラフである。また、図６（ａ）はピーク応力時の粘着力ｃ_ｐｓおよび摩擦角φ_ｐの比較のグラフ、（ｂ）は残留強度時の粘着力ｃ_ｒおよび摩擦角φ_ｒの比較を示すグラフ、（ｃ）はせん断剛性の比較を示すグラフである。このように、本発明の試験方法によりロックボルトの付着に関する各種のデータを定量的に求めることが可能となる。その結果、ロックボルトの最適表面形状の設計や合理的設計法が可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の試験方法によりロックボルトとグラウトとの付着強度および変形剛性を定量的に的確に求めることができる。本発明の試験方法では、垂直応力のみならず、地山の変形特性を考慮した垂直剛性の制御も可能となったため、本発明の試験方法を用いることで、ロックボルトの作用効果を定量的に評価するのに必要な特性値を定量的に求めることができる。その結果、ロックボルトの最適表面形状の設計が可能となり、また、ロックボルトの付着特性を考慮した作用効果を定量的に評価した上で、ロックボルトの合理的設計法が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の付着強度試験方法に供する供試体の説明図である。
【図２】（ａ）はロックボルトの表面形状の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図、（ｃ）はＢ−Ｂ矢視図である。
【図３】本発明の供試体作成の説明図である。
【図４】（ａ）は本発明の試験方法を実施するための試験装置の概略図、（ｂ）は供試体を容器に収納した状態の概略図である。
【図５】（ａ）はせん断に伴うせん断応力の変化を示すグラフ、（ｂ）はピークせん断比較を示すグラフ、（ｃ）はせん断に伴う垂直変位の変化を示すグラフである。
【図６】（ａ）はピーク応力時の粘着力ｃ_ｐｓおよび摩擦角φ_ｐの比較のグラフ、（ｂ）は残留強度時の粘着力ｃ_ｒおよび摩擦角φ_ｒの比較を示すグラフ、（ｃ）はせん断剛性の比較を示すグラフである。
【図７】（ａ）は従来の引抜き試験装置の一例および（ｂ）は応力分布を示す図である。
【符号の説明】
１：吹き付けコンクリート
２：ロックボルト
３：グラウト
４ａ、４ｂ：突起
５：ロックボルト部（ロックボルト平面展開模型）
６：グラウト部
７：供試体
８：型枠
９：上部容器
１０：スペーサ
１１：下部容器
１２：加圧板
１３：ローラ
１４：変位計
１５：支持部材
１６：変位計
２１：模型岩盤
２２：支圧板
２３：電動油圧ポンプ
２４：センターホールジャッキ
２５：変位計

Claims

ロックボルトとロックボルトを取り囲んでいるグラウトを平面状に展開し、展開したロックボルト部の表面に展開したグラウト部が積層された形状の供試体に対してロックボルト部かグラウト部のいずれか一方にせん断荷重を加えるとともに、供試体に垂直荷重を加え、且つ垂直剛性を一定に制御することを特徴とするロックボルトとグラウトの付着強度試験方法。
ロックボルト部およびグラウト部のそれぞれを別々の容器に収納し、いずれか一方の容器にせん断荷重を加えることを特徴とする請求項１記載のロックボルトとグラウトの付着強度試験方法。