JP4388242B2

JP4388242B2 - 地盤の崩壊・破壊予測方法

Info

Publication number: JP4388242B2
Application number: JP2001163776A
Authority: JP
Inventors: 年恭長尾; 秀幸村山; 卓朗加藤
Original assignee: Fujita Corp; Tokai University Educational Systems
Current assignee: Fujita Corp; Tokai University Educational Systems
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: JP2002357666A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、盛土や切土等による斜面工事やトンネル掘削等の各種土木工事により不安定になると予想される地盤、或いは風化等により成層が不安定になっていると予想される地盤における地すべりや土砂崩れ、トンネル切羽の破壊といった地盤崩壊或いは破壊現象の発生を予測するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
わが国では、土や岩を削り取ったり盛土したりして土木工事を行った人工改変地の斜面はもとより、地盤構成の安定した自然斜面でも、地すべりや土砂崩れ、岩盤崩壊や土石流などの斜面災害が、特に梅雨期や台風による豪雨時に多数発生し、大きな社会問題となっている。特に、人的被害を伴った福井県越前海岸の斜面崩落事故（１９８９年）や、北海道豊浜トンネルの坑口岩盤崩落事故（１９９６年）は、記憶に新しい。
【０００３】
国道や県道などの一般道路や、高速道路、鉄道、新幹線などのインフラ設備は特に公共性が高く、その建設に伴い盛土や切土により形成される後背斜面の安全監視が課題となっている。また、全国各地において、急傾斜崩壊危険地が約６４，０００箇所、土石流危険渓流が約６２，０００箇所、地すべり危険地が約６，０００箇所指定されており、その対策として、さまざまな地すべり対策工事や砂防ダム建設などの治山工事が進められている。
【０００４】
このような不安定斜面における危険を回避するためには、地盤災害の発生を予測することが有効であり、従来、このような予測手段として、次のような方法が採用されている。
ａ．地すべり伸縮計（不動杭と可動杭間）、ボーリング孔内傾斜計、或いは光波測量等による地盤変位測定
ｂ．鉄筋歪計、アンカー軸力計、ボーリング孔内パイプ歪計等による地盤の歪（応力）の測定
ｃ．地盤が破壊する際に、地盤がそれまで蓄えていた歪エネルギを開放する結果として発生する微小音であるＡＥ（アコースティック・エミッション）を、アンカーボルト等に設置したＡＥセンサによって測定
ｄ．短時間降雨量、累積降雨量、温度、湿度等の気象観測
ｅ．地盤のクラック、覆工コンクリートの打音による判定やクラック進展等の目視による観察
【０００５】
上記従来の方法のうちａ及びｂは、崩壊する可能性が高いと考えられる、或いはすでに変動がある（現在又は過去に変動の形跡がある）領域を挟んで、地表或いは地中に計器を設置して測定するものであり、崩壊領域などの滑動や滑動履歴がある程度明らかになっている場合に有効な手法である。なお、鉄筋歪計やアンカー軸力計は、対策工として地盤への鉄筋の挿入やグランドアンカー工を施工した場合にのみ測定することが可能である。
【０００６】
上記従来の方法のうちｃは、地盤が変形或いは破壊する際に発生するＡＥが微小音であるため、伝播の際のエネルギ減衰が著しく、破壊発生地点のごく近傍でなければ、測定が困難である。
【０００７】
上記従来の方法のうちｄは、地盤の変動を直接測定するものではなく、地盤崩壊を誘発すると考えられる気象条件、特に降雨量、更にはそれによる地下水の変動から、地盤崩壊の危険性を判断するものである。
【０００８】
上記従来の方法のうちｅは、人間による目視点検であり、現実的には、高速道路や鉄道などの後背斜面の監視は、主にこの手法が採用されている。判断基準が定量的でなく、経験や勘に左右されがちで、大きな労力や費用を要するが、比較的信頼性が高い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の方法では、地盤災害の発生位置や、発生規模、発生時期などを予測することは非常に困難である。また、各種測定機器の設置やメンテナンスのコストが高く、設置に時間がかかり、しかも人や器械が立ち入ることができないために測定機器の設置が困難な地形条件である場合が少なくなく、測定機器の電気的な誤動作の可能性もある。
【００１０】
また、上述した従来の方法では、測定又は観測された地盤の変位、歪、ＡＥ音、降雨量など各種の物理値から、地盤崩壊の発生を予測するための評価方法に普遍性がなく、測定値がある値を超えたら地盤が崩壊すると判定するしきい値の設定や、その物理的な根拠を求めることが困難である。
【００１１】
また、地盤の破壊や崩壊が発生する可能性があると予測される領域やすべり面が、予め明確となっているようなケースは稀で、このため、上述した従来の方法では、殆どの場合、測定機器の設置位置の選定が困難である。
【００１２】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題とするところは、地盤の破壊及び崩壊の予測を容易に行うことができ、かつ予測の信頼性を高めることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、岩石や鉱物などに圧縮力、張力或いは剪断力等による歪を与えることによって、この鉱物に誘電分極や電界を生じ、破壊される直前に大きな電気エネルギを放出するといった、ピエゾ効果などによる地電位の変化を利用して、地盤の崩壊や破壊の発生を予測するもので、地震予知のための有効な手段であると言われている手法を応用したものである。すなわち、請求項１の発明に係る地盤の崩壊・破壊予測方法は、地盤が不安定になると予想される予測対象領域に、互いに長さの異なる複数の測線を設定してその両端に電極を設置し、各電極間で測定される地電位差の変化データから、前記予測対象領域の地盤の崩壊又は破壊前兆現象を評価するものであって、各電極がデータロガーに接続され、地盤に設置された複数の電極のうち、前記データロガーの陽極側入力端子に接続する電極と陰極側入力端子に接続する電極の選択により、各一対の電極間の絶対的電位差を測定、又は単一の共通電極と他の複数の電極との間で相対的電位差を測定可能とすることを特徴とする。
【００１４】
なお、本発明でいう「地盤」とは、土層や礫層からなる地盤のほか、岩石が主体の岩盤も含めて総称するものである。また「地電位差」とは、良く知られているように地盤内の電位差のことであり、「地電流」と言い換えることもできる。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る地盤の崩壊・破壊予測方法は、先に説明したように、地盤の歪による地電位の変化を評価することによって、地盤の崩壊や破壊の発生を予測するものである。その評価の根拠を検証するため、図１は、室内で岩石に圧縮力による歪を与えて破壊させる過程で岩石内の絶対的電位差の変化を測定するポイントロード試験を示す説明図である。
【００２４】
すなわち図１に示されるポイントロード試験においては、互いに対向した一対の押圧子１０１，１０１間に岩石試料１００を配置し、この岩石試料１００の両端に電極１０２，１０２を貼着して、データロガー１０３の入力端子にそれぞれ接続する。押圧子１０１，１０１はベークライト等の絶縁材料からなるものであって、その両側の台座１０４，１０４との間もそれぞれ絶縁紙１０５によって絶縁されている。押圧子１０１，１０１は岩石試料１００と点接触するように、先端が尖った形状に形成されており、この押圧子１０１，１０１のうちの一方は、螺旋軸１０６の推進力によって対向方向へ進退可能となっている。
【００２５】
図２は、図１に示されるポイントロード試験による測定結果を示す線図である。すなわち、岩石試料１００への載荷開始前の無負荷状態では、電極１０２，１０２間で測定される電位差は、０．５ｍＶ前後の小振幅での変化を示すが、押圧子１０１，１０１間で岩石試料１００への載荷を開始すると、その初期においては、電極１０２，１０２間の電位差が比較的長い周期で数ｍＶの振幅で変化しながら、全体として測定値が上昇トレンドを示す。そして、更に載荷する荷重を増大させていくと、岩石試料１００の内部組織の微小破壊が始まることによって、電位差の変化の周期が急激に短くなり、やがて岩石試料１００の破壊に至り、その際に電気エネルギの放出によって急激に電位が低下する。実際の地盤破壊過程でも、地電位差の変化は近似したパターンを示すものと考えられる。
【００２６】
したがって、例えば地盤の崩壊や破壊が発生する恐れがあると予想される地盤領域から、予めボーリングによって円柱コア状の地盤サンプルを採取し、上述のようなポイントロード試験によって、この地盤サンプルに含水率を変える等の種々の条件のもとで歪を与えて、歪量と地盤歪信号との相関関係を把握しておけば、地盤の崩壊や破壊の規模及び時期を推定するのに有効である。
【００２７】
次に、図３は室内で簡易盛土斜面の崩壊試験を行う方法示す説明図である。この試験においては、高さｈ＝１５０ｍｍ、下面長さａ＝３５０ｍｍ、斜面勾配θ＝４５°となるように、砂材で模擬盛土１１０を形成し、その幅方向両側面を一対の平行な支持板１１２で支持した。模擬盛土１１０の表層部（上層部）、中層部、及び下層部（下層部）には、模擬盛土１１０の形成過程で、斜面１１０ａの近傍及び斜面１１０ａと反対側の端部近傍に位置する各一対の電極１１１を埋め込み、各層の電極１１１，１１１間に、それぞれ図示されていない電圧計（データロガー）を接続した。また、模擬盛土１１０の上面１１０ｂにおける斜面１１０ａ寄りの位置を、載荷装置１１３で鉛直方向に押圧するようにした。
【００２８】
図４は、図３に示される簡易盛土斜面の崩壊試験による測定結果を示す線図である。すなわち、載荷装置１１３による載荷を増大させていくと、模擬盛土１１０の内部に、周期的にクラックが発生し、その度に、載荷増大に伴う絶対的電位差の緩やかな上昇と、クラックの発生或いは進展の際の放電による急激な絶対的電位差の低下といった、図２と同様の変化を繰り返すことがわかる。また、模擬盛土１１０の下層部では、破壊が起こらないため電位変化が殆ど見られないのに対して、上層ほど電位変化が大きいことがわかる。
【００２９】
次に、図５は図３より大規模な盛土斜面の崩壊試験を示す説明図である。この試験においては、高さｈ＝５００ｍｍ、下面長さａ＝１０００ｍｍ、斜面勾配θ＝４５°となるように、砂材で模擬盛土１２０を形成し、その幅方向両側面を一対の平行な支持板（図示省略）で支持した。模擬盛土１２０の表層部、中層部、及び下層部には、データロガー（図示省略）の陽極に接続される複数の電極１２１ａ〜１２１ｃ，１２１ｄ〜１２１ｇ，１２１ｈ〜１２１ｊをそれぞれ水平方向適当な間隔で埋め込み、下層部における斜面１２０ａと反対側の端部に前記データロガーの陰極に接続される共通電極１２２を埋め込んだ。また、模擬盛土１２０の上面１２０ｂにおける斜面１２０ａ寄りの位置を、載荷装置１２３で鉛直方向に押圧するようにした。
【００３０】
なお、載荷装置１２３により与えられる荷重は、ロードセル１２４により測定できるようにした。また、模擬盛土１２０の上方には、シャワーによる給水手段（図示省略）を配置し、模擬降雨を与えることができるようにした。更に、模擬盛土１２０の上面１２０ｂには鉛直変位計１２５を配置し、模擬盛土１２０の斜面１２０ａには、表層部、中層部、及び下層部と対応する高さにそれぞれ変位測定ターゲットＴを配置して、その変位をそれぞれレーザ変位計１２６で測定することにより、載荷装置１２３からの荷重による模擬盛土１２０の変位を測定できるようにした。
【００３１】
先の図３に示される試験では、表層部、中層部、及び下層部に埋め込んだ各一対の電極間での絶対的電位差の変化を測定したのに対し、図５に示される試験では、電極１２２を共通陰極として各電極１２１ａ〜１２１ｊとの間の相対的電位差を測定し、ｍＶ／ｍｍで評価した（ｍＶ：両極間の電位差，ｍｍ：両極間の距離）。図６は、この試験により測定されたｍＶ／ｍｍの値から、模擬盛土１２０の断面内の相対的電位差分布を点の粗密で表した説明図で、図中白く見える領域は、ｍＶ／ｍｍの値が−であり、密な点で表された領域はｍＶ／ｍｍの値が＋である。また、黒い長方形は電極の位置を表す。すなわち、載荷装置１２３による載荷を増大させていくと、模擬盛土１２０内に分極が起こり、相対的電位差の＋側と−側との境界が曲線状に明瞭に現われ、この曲線に沿って、図５に示されるようなすべり面ＬＳが形成されることがわかる。
【００３２】
図７は本発明によって切土斜面の崩壊予測を実施する場合を概略的に示す説明図である。この図７において、参照符号Ａは図中一点鎖線で示す自然斜面を有する地盤を切土することによって施工した切土斜面である。崩壊する恐れがあると予想される切土斜面Ａの近傍地盤を予測対象地盤領域Ｇ_Ａとして、この地盤領域Ｇ_Ａ及びその近傍に複数の電極１，１，…を埋設し、この電極１，１，…を導線及び図示されていない増幅器を介して高精度のデータロガー２の陽極側入力端子及び陰極側入力端子に接続し、地電位差（地電流）を測定する。
【００３３】
複数の電極１，１，…のうち、どの電極をデータロガー２の陽極側入力端子に接続し、どの電極を陰極側入力端子に接続するかによって、先の図３及び図５で説明したように、各一対の電極間で絶対的電位差を計測する場合と、複数の陽極と一つの共通陰極とによる相対的電位差を測定する場合を、現場の状況等に応じて選択することができる。
【００３４】
電極１としては、例えば地盤表層部に設置する場合は、鉄筋或いはロックボルトに導線を繋いだものが好適に用いられ、地中に設置する場合は、ボーリング孔を穿孔してその中に亜鉛又は鉛の電極を埋め込んだものなどが採用される。ボーリング孔内への電極の設置方法は、先に説明した従来の技術におけるボーリング孔内傾斜計、或いはボーリング孔内パイプ歪計等の設置と同様であるため、これらに比較して特に困難性はない。
【００３５】
データロガー２は、電極１，１間の地電位差を一定時間（１〜１０秒）の間隔で測定して、時刻歴で記録するものであり、この測定データは、無線モデム３によって、データロガー２による測定間隔よりも長い一定時間（例えば１０分〜１時間）の間隔で、現場事務所の受信機５に送信され、更に、電話回線等の通信ネットワーク６を介して、観測基地に設置されたパーソナルコンピュータ７に送信される。また、データロガー２及び無線モデム３は、後述するような人工ノイズの発生原因とならないソーラ電源４によって駆動される。ソーラ電源４は、太陽電池（ソーラパネル）４１と、ここで発生した起電力を蓄えるバッテリ４２とからなるものである。
【００３６】
データロガー２は複数の入力チャンネルを有するため、電極１，１間の地電位差以外の測定データも同時に得られるようにすることができる。例えば、予測対象地盤領域Ｇ_Ａの地形的条件等によって、アンカー軸力計や、地すべり計などを設置し、それらによる測定
を、電極１，１間の地電位差測定と同期して行い、そのデータを取り込むことができる。
【００３７】
観測基地のパーソナルコンピュータ７は、各観測現場のデータロガー２から送られるデータを処理し、例えば先に説明したノイズ除去や、相対的電位差の差分計算など、必要な処理を行い、その結果をリアルタイムで評価し、評価データをディスプレイ７１あるいはプリンタ７２等に出力するものである。
【００３８】
データロガー２は、地盤の崩壊・破壊予測においては、いくつかの異なる地点の観測データを比較検討することが重要であるため、データロガー２の測定動作は無線モデム３を介して、遠隔操作を行うことができるようになっている。また、異なる地点（観測現場）の複数のデータロガー２は、測定されたデータの同期性が補償されている必要があるため、ＧＰＳ内蔵時計（図示省略）によって測定タイミングが互いに同期されている。
【００３９】
電極１，１間で実際に測定される地電位データには、さまざまなノイズが含まれている。ノイズには、太陽の黒点活動に伴う地磁気の変動による地電位の変動や、海面の干潮，満潮などに由来する地電位の変動など、地球的規模のノイズ（グローバルノイズ）と、人間の活動に由来して、例えば工場や家庭の電気機器或いは電車等からの漏洩電流や電磁波等によって地電位が変動する人工ノイズや、降雨による地下水の変化や落雷に伴う地電位の変化などの地域的なノイズ（ローカルノイズ）がある。そしてこのようなノイズは、ほぼ完全に除去しないと、予測対象地盤領域の歪応力のみに対応した地電位差（以下、地盤歪信号という）の変化を的確に判別することが困難である。
【００４０】
ノイズの大部分はグローバルノイズである。グローバルノイズを除去するには、予測対象地盤領域Ｇ_Ａから十分に離れた地点に設定したノイズ測線（図示省略）でノイズを測定する。すなわち、グローバルノイズは各測線の電極間での全ての測定信号に同時に現れるが、予測対象地盤領域Ｇ_Ａの歪応力による地盤歪信号の変化は局地的であるため、予測対象地盤領域Ｇ_Ａの電極１，１によって測定される地電位データは、予測対象地盤領域Ｇ_Ａの歪応力に対応した地盤歪信号とノイズが混在したものであり、一方、ノイズ測線で測定された地電位データは地盤歪信号を殆ど含まないので、その全てをノイズとみなすことができる。したがってこのノイズによって、予測対象地盤領域Ｇ_Ａでの地電位データをフィルタリングすれば、グローバルノイズを除去することができる。
【００４１】
一方、ローカルノイズは、例えば近くの鉄道を電車が通過している時の地電位差の波形など、測定実績によって周辺の電磁波環境を評価し、除去することができる。また、先に説明したように、データロガー２及び無線モデム３は、ソーラ電源４によって駆動されるため、ノイズを含む商用電源（ＡＣ１００Ｖ）を用いる場合と比較して、それ自体が人工ノイズの発生原因とならない。しかも、ソーラ電源４を用いることによって、近隣の落雷等による外的ノイズの影響を受けにくく、商用電源が確保できない山間部や、人が立ち入ることの困難な危険箇所への設置も容易にできるといった種々の利点がある。
【００４２】
上述のようにして、グローバルノイズ及びローカルノイズを除去して得られた信号は、予測対象地盤領域Ｇ_Ａの歪応力に対応した地盤歪信号とみなすことができる。したがって、この地盤歪信号の変化データから、先に説明した評価方法によって、予測対象地盤領域Ｇ_Ａの地盤崩壊時期や規模などを予測することができる。
【００４３】
図８は自然斜面における広範な地すべり危険地域において本発明を実施する場合の電極１の配置例を示す説明図で、図中の破線は等高線である。図８に示される地域の地盤は火山灰が堆積したもので、急勾配となっている部分に、崩落による崖Ｂが形成されており、そこから谷筋Ｃが延びている。崖Ｂの近傍には、それぞれ一対の電極１，１によって、地盤崩落方向に沿った短測線Ｓ１と、これにほぼ直交する方向に延びる複数の短測線Ｓ２が設定されている。また、谷筋Ｃのほぼ全長にわたって、その全体的な方向に沿うように、それぞれ一対の電極１，１によって、長測線Ｌ１と、これにほぼ直交する方向に延びる長測線Ｌ２が設定されている。
【００４４】
短測線Ｓ１，Ｓ２は、急勾配における地すべりの監視を行うものであり、５０〜１００ｍ程度の長さを有する。長測線Ｌ１，Ｌ２は谷筋Ｖにおける土石流の監視を行うもので、１〜数ｋｍの長さを有する。
【００４５】
このような、電極間距離の異なる複数の測線を設定することによって、各電極間の距離（測線の長さ）と各電極間の地電位差の変化量から、その差分の大きい領域の地盤が不安定であることを同定することができる。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１の発明に係る地盤の崩壊・破壊予測方法によれば、長さの異なる複数の測線を設定してその両端に電極を設置し、各電極間で測定される地電位差の変化データから、前記予測対象領域の地盤の崩壊又は破壊前兆現象を評価するものであり、信頼性の高い予測を行うことができる。
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】
しかも、地盤に設置された複数の電極のうち、データロガーの陽極側入力端子に接続する電極と陰極側入力端子に接続する電極を任意に選択することにより、各一対の電極間の絶対的電位差を測定する方法と、一つの共通電極と他の複数の電極との間で相対的電位差を測定する方法を選択することができるので、現場の状況等に応じて、適切な測定方法を採用することによって、信頼性の高い予測を行うことができる。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【図１】室内で岩石に圧縮力による歪を与えて破壊させる過程で岩石内の絶対的電位差の変化を測定するポイントロード試験を示す説明図である。
【図２】図１に示されるポイントロード試験による測定結果を示す線図である。
【図３】室内で簡易盛土斜面の崩壊試験を行う方法を示す説明図である。
【図４】図３に示される簡易盛土斜面の崩壊試験による測定結果を示す線図である。
【図５】図３に示される簡易盛土斜面の崩壊試験より大規模な盛土斜面の崩壊試験を示す説明図である。
【図６】図５に示される試験により測定された値から、模擬盛土の断面内の相対的電位差分布を濃淡で表した説明図である。
【図７】本発明によって切土斜面の崩壊予測を実施する場合を概略的に示す説明図である。
【図８】自然斜面における広範な地すべり危険地域において本発明を実施する場合の電極１の配置例を示す説明図である。
【符号の説明】
Ａ切土斜面
Ｇ _Ａ予測対象領域
１，１０２，１２１ａ〜１２１ｊ，１２２電極
２，１０３データロガー
３無線モデム（データ送信手段）
４ソーラ電源
６通信ネットワーク
７パーソナルコンピュータ
１００岩石試料（地盤試料）
１０１押圧子

Claims

地盤が不安定になると予想される予測対象領域に、互いに長さの異なる複数の測線を設定してその両端に電極を設置し、各電極間で測定される地電位差の変化データから、前記予測対象領域の地盤の崩壊又は破壊前兆現象を評価するものであって、各電極がデータロガーに接続され、地盤に設置された複数の電極のうち、前記データロガーの陽極側入力端子に接続する電極と陰極側入力端子に接続する電極の選択により、各一対の電極間の絶対的電位差を測定、又は単一の共通電極と他の複数の電極との間で相対的電位差を測定可能とすることを特徴とする地盤の崩壊・破壊予測方法。