JP5257989B2 - 地山安定性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、切土または掘削施工時及び施工後の地山の安定性を評価するための地山安定性評価方法に関するものである。

道路建設や造成工事などの土工事においては、切土または掘削施工時及び施工後の地山の安定は重要な課題であり、近年、施工後の耐用年数の長期化及び維持コストの削減につながる高精度な地山安定性評価方法の開発が要求されている。

切土または堀削施工により、地山は除荷（応力開放）によるリバウンド（地山の緩み）やすべりが発生して、潜在的に地山の内部に弱層が存在する場合には地山の安定性が低下することになる。それに併せて、雨水、地下水の浸透が、地山緩みによるクラックによって加速されると、弱層では吸水膨張によりさらに強度が低下する。

そこで、従来の地山安定性評価方法は、基本的には、地山を切土または掘削施工する施工ステップと、地山の内部の変形を計測する計測ステップと、該変形データに基いて解析パラメータを逆解析する逆解析ステップと、該解析パラメータにより地山の安定性をＦＥＭ解析する解析ステップと、該解析結果に基いて地山の安定性を評価する安定性評価ステップとを備えている（非特許文献１参照）。

従来の地山安定性評価方法における計測ステップでは、主に、ボーリング孔を利用した傾斜計による変位計測または地中ひずみ計によるひずみ計測が行われている。しかしながら、前者の変位計測による計測データに基いて、ＦＥＭ解析に必要な解析パラメータを逆解析しようとする場合、該計測データでは、地山の不均質な各地質の応力−ひずみ特性（各地質の材料特性）を逆解析することが難しい。すなわち、この計測データ（変位）は各地質の変位角の積分値であるため、この計測データから不均質の各地質の応力−ひずみ特性を逆解析することは困難であった。
一方、後者の地中ひずみ計においては、物理的な制約からひずみ計測点の間隔が大きく（１ｍ程度）なるために、切土または掘削施工によって発生するひずみレベルであると、ひずみの発生は検知できるもののひずみ量及び方向などを高精度に計測することが不可能である。

しかも、前者の傾斜計による変位計測及び後者の地中ひずみ計によるひずみ計測の両者とも、深度方向（ボーリング孔の軸方向）に対して直交する方向の変位またはひずみしか計測できないため、除荷に伴う地山のリバウンド挙動（膨張）を計測するには不向きである。さらに、これらの計測方法では、応力開放に伴うリバウンド挙動とすべり挙動との判別が難しく、かつ地山挙動は、切土または掘削施工がある程度進行してから反応し始めるため、地山のリバウンド挙動による緩みを連続的に把握することが困難であり、深度方向のひずみを併せて計測する必要があった。

また、従来の地山安定性評価方法に採用されたＦＥＭ解析ステップでは、線形弾性などの非常に単純化した解析手法が採用されており、上述した計測ステップにて計測した地山の変位量から地山の単純な材料特性等の解析パラメータを逆解析ステップにて逆解析して、該解析パラメータに基いてＦＥＭ解析が行われていた。そのため、地山内の各地質の応力−ひずみ特性（詳細な材料特性）等が全然反映されておらず、その解析結果の信頼性（予測精度）が低かった。

石原研而，地盤工学・実務シリーズ５「切土法面の調査・設計から施工まで」，社団法人 地盤工学会，平成１０年１月１５日，ｐ．３１４−３３１

上述したように、従来の地山安定性評価方法では、特に、計測ステップにて、深度に対するひずみを高精度に計測することができず、また、解析ステップにて解析される解析結果においても信頼性が低く、切土または掘削施工時及び施工後の地山の安定性を高い精度で評価することが困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、切土または掘削施工時及び施工後の地山安定性を高い精度で評価可能な地山安定性評価方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明は、切土または掘削施工時及び施工後の深度方向のひずみと、該深度方向に対して直交する方向のひずみの計測が可能な既存計測手法を採用し、地山の安定性を評価する地山安定性評価方法であって、地山の内部に、深度に対するひずみを計測可能なひずみ計測センサーを設置するセンサー設置ステップと、該センサー設置ステップ後、地山を切土または掘削施工する施工ステップと、該施工ステップ後、前記ひずみ計測センサーにより地山の深度に対するひずみを計測するひずみ計測ステップと、該ひずみ計測ステップによる計測結果に基いて、弾塑性ＦＥＭ解析に必要な解析パラメータを逆解析する逆解析ステップと、該逆解析ステップにて逆解析した解析パラメータに基いて、切土または掘削施工による地山の安定性を弾塑性ＦＥＭにより解析する解析ステップと、を備えたことを特徴とするものである。
請求項１の発明では、特に、計測ステップにて、ひずみ計測センサーを採用して地山内部の深度に対するひずみを計測しているので、従来不可能であった、不均質な各地質の応力−ひずみ特性の解析パラメータを逆解析することが可能であり、しかも、解析ステップでは、切土または掘削施工によるリバウンド挙動や弱層の剛性低下などのすべり挙動等を高い精度で予測可能な弾塑性ＦＥＭが採用され、該弾塑性ＦＥＭにおいて、不均質な各地質の応力−ひずみ特性等の解析パラメータにより地山挙動を解析するので、切土または掘削施工時及び施工後の地山の安定性を高い精度で評価することができる。
本発明の地山安定性評価方法に用いるひずみ計測センサーとしては、例えば、光ファイバセンサー（特開２００６−３８７９４号公報）がある。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明において、前記解析ステップによる解析結果の妥当性を評価する妥当性評価ステップと、該妥当性評価ステップにて、解析結果に妥当性があると判断された場合には該解析結果に基いて地山の安定性を評価する安定性評価ステップと、を備えたことを特徴とするものである。
請求項２の発明では、信頼性の高い地山安定性の評価が可能であるので、施工時の補強工事の有無を判断できると共に、補強工事の内容についても最適なものを選択することができ、しかも、施工後の耐用年数の長期化及び維持コストの削減が可能になる。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した発明において、前記逆解析ステップは、深度方向のひずみと、該深度方向に対して直交する方向のひずみ計測結果に基いて実施されることを特徴とするものである。

本発明の地山安定性評価方法によれば、切土または掘削施工時及び施工後の地山の安定性を高い精度で評価することができる。

図１は、切土または掘削施工後の地山を模式的に示した図である。 図２は、ひずみ計測センサーにより計測された深度に対するひずみの計測結果を示す図であり、（ａ）は深度方向のひずみの計測結果を示し、（ｂ）は深度方向に対して直交する方向のひずみの計測結果を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る地山安定性評価方法のフロー図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図３に基いて詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る地山安定性評価方法は、図１に示す切土または掘削施工（以下、掘削施工として説明する）時及び施工後の地山１のリバウンド挙動、すべり挙動及び沈下挙動等を把握し、施工時及び施工後の地山１の安定性を正確に評価するものである。
本発明の実施の形態に係る地山安定性評価方法を、図３のフローに基いて図１及び図２も参照しながら説明する。
まず、地質調査ステップＳ１では、地山１の表面から調査ボーリング孔を開け、ボーリングコアにより地質調査が行われる。その後、地質分布図作成ステップＳ２にて、地質分布図が作成される。
次に、事前予測ステップＳ３では、堀削施工の前段階で、堀削施工時の地山挙動を弾塑性ＦＥＭにて簡易的に解析する。該弾塑性ＦＥＭでは、地質分布図より把握される解析パラメータに基いて解析が行われ、掘削施工による要留意項目等が抽出される。
次に、センサー設置ステップＳ４では、図１に示すように、地山１の要留意地点にボーリング孔２を所定深さで開け、該ボーリング孔２内に、深度に対するひずみを計測可能なひずみ計測センサー３が設置される。なお、ひずみ計測センサー３は、光ファイバセンサーを採用してもよい。
該ひずみ計測センサー３は、深度に対する、深度方向のひずみと深度方向と直交する方向のひずみとがそれぞれ計測可能であり、図２（ａ）は、深度に対する深度方向のひずみの計測結果で、図２（ｂ）は、深度に対する、深度方向と直交する方向のひずみの計測結果である。

次に、施工ステップＳ５では、図１に示すように、地山１の一部を掘削施工する。この時、地山１の試料を採取して、物性及び力学試験（例えば、三軸圧縮／引張試験やせん断試験）が並行して行われ、採取した試料の応力−ひずみ特性等を計測する。
次に、計測ステップＳ６では、ひずみ計測センサー３により地山内部の深度に対するひずみが連続的に計測される。
次に、逆解析ステップＳ７では、計測ステップＳ６による計測結果及び採取した試料の特性等現在まで取得したデータに基いて、弾塑性ＦＥＭ解析に必要な解析パラメータを逆解析する。この解析パラメータは、従来まで取得が困難であった、特に、地山１の各地質の弾塑性解析パラメータ、すなわち地山１の各地質の応力−ひずみ特性等である。
次に、解析ステップＳ８では、逆解析ステップＳ７にて逆解析した解析パラメータに基いて、施工後の地山１の安定性を弾塑性ＦＥＭにより解析する。この解析結果は、施工後の地山１全体のひずみ−応力分布図等にて出力される。
該弾塑性ＦＥＭ解析（ｔｉｊ-ｍｏｄｅｌ）は、地山１の各地質の材料それぞれの特性に応じて、硬化／軟化，圧縮／膨張などの力学挙動を詳細に解析可能であり、これにより、掘削施工によるリバウンド挙動や弱層の剛性低下などのすべり挙動等の再現性が高く、かつ定量的な予測精度の高い解析能力を有している。

次に、妥当性評価ステップＳ９では、解析ステップＳ８による解析結果に妥当性があるか否かが判断される。この判断により妥当性があると判断された場合には、解析パラメータの同定ステップＳ１２を経由して、次段階の施工における１次地山安定性評価ステップＳ１３に進む。一方、妥当性評価ステップＳ９において、解析ステップＳ８による解析結果に妥当性がないと判断された場合には追加調査・計測の評価ステップＳ１０に進む。
次に、追加調査・計測の評価ステップＳ１０では、新にボーリング孔を施工して該ボーリング孔内にひずみ計測センサー３を設置する必要性があるか否かが判断される。この判断により必要性があると判断された場合には、新にボーリング孔を施工して該ボーリング孔内にひずみ計測センサー３を設置するひずみ計測センサー設置ステップＳ１１を経由して計測ステップＳ６に進む。一方、追加調査・計測の評価ステップＳ１１において、新たなボーリング孔内にひずみ計測センサー３を設置する必要性がないと判断された場合には、解析ステップＳ８に戻り、解析パラメータの内容等を再度検討・確認し、再び、弾塑性ＦＥＭにて解析する。

一方、妥当性評価ステップＳ９にて、解析ステップＳ８による解析結果に妥当性があると判断された場合には、解析パラメータの同定ステップＳ１２を経由して、１次地山安定性評価ステップＳ１３に進む。該１次地山安定性評価ステップＳ１３では、解析ステップＳ８による解析結果に基いて、１次補強工事Ｓ１４の必要性が判断される。その結果、１次補強工事Ｓ１４が必要ないと判断された場合には、施工ステップＳ５に進み、次段階の堀削施工が行われ、以後フローが実行される。一方、１次補強工事Ｓ１４が必要であると判断された場合には、１次補強工事Ｓ１４、例えばロックボルト、押え盛土及び水抜き等が行われる。その後、２次地山安定性評価ステップＳ１５において、事前に実施された、１次補強工事Ｓ１４に基づくＦＥＭ解析の解析結果に基いて、より強度を高くする２次補強工事Ｓ１６の必要性が判断される。その結果、２次補強工事Ｓ１６が必要ないと判断された場合には、施工ステップＳ５に進み、次段階の堀削施工が行われ、以後フローが実行される。一方、２次補強工事Ｓ１６が必要であると判断された場合には、２次補強工事Ｓ１６、例えばグランドアンカー、抑止杭及びマイクロバイル等が行われる。その後、３次地山安定性評価ステップＳ１７において、事前に実施された、２次補強工事Ｓ１６に基づくＦＥＭ解析の解析結果に基いて、さらに強度を高くする高次補強工事の必要性が判断される。その結果、高次補強工事が必要ないと判断された場合には、施工ステップＳ５に進み、次段階の堀削施工が行われ、以後フローが実行される。高次補強工事が必要であると判断された場合には、その旨、高次補強工事が行われる。
なお、図３のフローに沿って地山安定性評価が行われている間、ひずみ計測センサー３はボーリング孔２内に設置された状態が維持される。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る地山安定性評価方法では、ひずみ計測センサー３により、切土または掘削施工時の深度に対するひずみを計測することが可能になり、逆解析ステップＳ７において、弾塑性ＦＥＭの解析パラメータとして、特に、地山１の各地質の応力−ひずみ特性を逆解析することができ、解析ステップＳ８において、該解析パラメータに基いて弾塑性ＦＥＭにて地山挙動を解析するので、切土または掘削施工時及び施工後の地山安定性を高い精度で評価することができる。
しかも、本発明の実施の形態に係る地山安定性評価方法では、地山１の切土または掘削施工が完了した後でも、地山安定性が高い精度で把握できているので、耐用年数の長期化及び維持コストの削減を実現することが可能になる。

１ 地山，２ ボーリング孔，３ ひずみ計測センサー

Claims (3)

1. 切土または掘削施工時及び施工後の深度方向のひずみと、該深度方向に対して直交する方向のひずみの計測が可能な既存計測手法を採用し、地山の安定性を評価する地山安定性評価方法であって、
   地山の内部に、深度に対するひずみを計測可能なひずみ計測センサーを設置するセンサー設置ステップと、
   該センサー設置ステップ後、地山を切土または掘削施工する施工ステップと、
   該施工ステップ後、前記ひずみ計測センサーにより地山の深度に対するひずみを計測するひずみ計測ステップと、
   該ひずみ計測ステップによる計測結果に基いて、弾塑性ＦＥＭ解析に必要な解析パラメータを逆解析する逆解析ステップと、
   該逆解析ステップにて逆解析した解析パラメータに基いて、切土または掘削施工による地山の安定性を弾塑性ＦＥＭにより解析する解析ステップと、
   を備えたことを特徴とする地山安定性評価方法。
2. 前記解析ステップによる解析結果の妥当性を評価する妥当性評価ステップと、
   該妥当性評価ステップにて、解析結果に妥当性があると判断された場合には該解析結果に基いて地山の安定性を評価する安定性評価ステップと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の地山安定性評価方法。
3. 前記逆解析ステップは、深度方向のひずみと、該深度方向に対して直交する方向のひずみ計測結果に基いて実施されることを特徴とする請求項１または２に記載の地山安定性評価方法。