JP6580789B2 - 応力の自己診断が可能な地盤アンカー及びその施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、土木や建築工事に用いられる地盤アンカー及びその施工方法に関する。

地盤アンカー工法（Earth Anchor又はGround Anchor）とは、地盤を穿孔し、アンカー体を構成する引張材を設置し、グラウトを注入硬化させて定着力を確保し、アンカー体を構成する引張材に引張力を加えて地圧に対応する土留め工法、斜面補強工法などを意味する。１８７４年に最初に試行された地盤アンカー工法は、その後工法の優秀さが認められ、土木及び建設現場での深い掘削、擁壁補強、水圧対応、トンネル、切土斜面の安定など様々な分野で幅広く活用されており、関連技術も継続して発展している。

地盤アンカーは、アンカーの応力を発揮する部分である定着長（bond length）、定着長で発揮した応力を伝達する部分である自由長（free length）、及びアンカーの所要応力を構造体に直接伝達する要素である定着部（anchorage zone）を有する。定着長は、地盤の種類、定着方式、引張材の種類、グラウト方式などを考慮して所要応力を十分に発揮できるように設計され、地盤の種類に応じた適切な付着応力（τ）の選定に留意する必要がある。特殊な場合を除き、アンカーの破壊のほとんどは自由長で発生することが知られており、それほど自由長の機能は重要である。自由長には鋼棒、鋼撚線、鋼線などが用いられ、使用目的及び要求耐久年限に応じて適切な防食処理をしなければならない。定着部にはボタン型、くさび型、ナット型などがあり、今後の維持管理や使用目的などを考慮して決定する。使用期間の面で、地盤アンカーは、２年未満程度用いて除去する仮設アンカーと、構造物と共に永久適用される永久アンカーに分けられる。

地盤アンカーには、時間の経過に応じて地盤のクリープ特性などによる長期的な応力損失現象が必然的に現れる。このような現象は地盤内に位置して地盤アンカーの定着力を発揮する地盤アンカー定着長の周辺地盤の挙動及び変位に支配されるものであり、定着長周辺地盤の挙動を正確に予測して確認することは非常に難しい。

地盤アンカーの保有応力を確認する方法として知られている技術には、アンカーのそれぞれにロードセルを設置する方法、リフトオフ（lift off）試験により確認する方法などがある。ロードセルを設置する方法の場合、ロードセルの設置コストがかかり、計測のための電源、データロガーなどを必要とするので計測のためのコストが高く、計測時点を正確に定めることが困難である。また、長期計測において、ロードセルが野外に設置されるので、耐久性が低下して測定精度が低下するなどの欠点がある。

リフトオフ試験により地盤アンカーの保有応力を確認する方法も、試験場費、試験人件費など試験に要するコストが多大であるため、実際にはそれほど用いられていない。これらの理由から、従来の地盤アンカーの保有応力を確認する方法は、設置された地盤アンカーの全体ではなく、一部のみを選別する標本調査の形態で行われている現状である。

本発明は、上記問題を解決するものであり、本発明の目的は、設置された地盤アンカーの保有応力を簡単に確認できるように地盤アンカーを構成することにより、設置されるあらゆる地盤アンカーに対して、健全性及び適合性の合否を判断して維持管理を容易に行えるようにすることにある。

本発明における地盤アンカーは、地盤の対象表面から掘削された穿孔孔の所定深さに位置する定着長と、前記対象表面の付近に位置するヘッド部と、引張力を受けた状態で前記定着長と前記ヘッド部の間を連結し、前記定着長の定着力を構造体に伝達するように設置される引張材と、その一端は前記定着長の所定位置に固定され、その他端は前記ヘッド部に自由端の形態で配置され、前記定着長に対する前記ヘッド部の相対変位を把握できるように設置される変位測定材とを含んでもよい。

本発明の一態様において、前記地盤アンカーは、前記ヘッド部の基準位置と前記変位測定材の他端の位置を比較できるように形成される比較マーカーをさらに含んでもよい。

本発明の一態様において、前記比較マーカーは、前記変位測定材の他端を囲んで前記ヘッド部に取り付けられる栓を含んでもよい。

本発明の一態様において、前記比較マーカーは、前記変位測定材の他端が接触して押す力により前記ヘッド部から分離されるように形成された着脱形状部をさらに含んでもよい。

本発明の一態様において、前記変位測定材は、鋼棒又は鋼線状に形成されてもよい。

本発明の一態様において、前記地盤アンカーは、前記穿孔孔に充填されるグラウトをさらに含み、前記変位測定材は、前記グラウトに付着しないようにホースで保護されて設置されてもよい。

本発明の一態様において、前記構造体は、前記ヘッド部と前記対象表面の間に配置されてもよい。

本発明の一態様において、前記ヘッド部は、前記変位測定材が自由に通過できるように形成された貫通孔をさらに含んでもよい。

本発明の一態様において、前記ヘッド部は、前記引張材を固定できるように形成され、中間に前記変位測定材が通過するための第１孔を有する定着ヘッドと、前記定着ヘッドと前記構造体の間に配置される支圧板と、前記定着ヘッド及び前記引張材を保護するように形成され、前記変位測定材が通過するための第２孔を有する保護キャップとを含んでもよい。

また、本発明は、地盤の対象表面から穿孔孔を掘削するステップと、前記穿孔孔の内部に引張材及び変位測定材を挿入するステップと、前記穿孔孔の所定深さに定着長を形成できるように前記穿孔孔にグラウトを注入するステップであって、前記変位測定材が前記グラウトに接触しないように前記変位測定材をホースで保護するステップと、前記対象表面に構造体及びヘッド部を設置し、前記引張材を所定の力で引張した状態で前記引張材を前記ヘッド部に固定するステップであって、前記変位測定材が前記ヘッド部を自由に通過するように設置するステップとを含む、保有応力の自己診断が可能な地盤アンカーの施工方法を開示する。

本発明の一態様において、前記施工方法は、前記対象表面の基準位置と前記変位測定材の端部の位置を比較できるように形成される比較マーカーを設置するステップをさらに含んでもよい。

本発明の一態様において、前記比較マーカーは、前記変位測定材の端部が接触して押す力により前記ヘッド部から分離されるように形成された着脱形状部を有する栓を含んでもよい。

本発明における応力の自己診断が可能な地盤アンカー及びその施工方法によれば、一端が前記定着長の任意位置に固定され、他端がヘッド部に自由端の形態で配置され、定着長に対するヘッド部の相対変位を把握できるように設置される変位測定材を含むことにより、別途の装置や計測機器を用いることなく肉眼で地盤アンカーの保有応力を簡単に確認することができる。

本発明における一態様によれば、変位測定材が鋼線や鋼棒で構成されるので、地盤アンカーの個別の保有応力の確認のための構造及び施工方法が簡単であり、低コストであらゆるアンカーに対して保有応力を確認することができ、それにより地盤アンカーの保有応力を確認するための計測コストと試験コストを大幅に減らすことができる。

本発明における他の態様によれば、ヘッド部の基準位置と変位測定材の他端の位置を比較できるように形成される比較マーカーは、変位測定材の端部が接触して押す力によりヘッド部から分離されるように形成された着脱形状部を有する栓を含んでもよい。それにより、定着長とヘッド部の間に許容値以上の変位が発生すると、変位測定材の端部が栓を押してヘッド部から離脱させるので、地盤アンカーの適合性の合否を肉眼で現場にて即時に確認することができ、地盤アンカーが設置された構造物の維持管理が容易になる。

本発明における保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー１００の一例を示す概略的な断面図である。 図１の地盤アンカー１００により保有応力を自己診断する一例を示す作動状態図である。 本発明におけるヘッド部１５０及び比較マーカー１７０を拡大して示す概略的な断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明における応力の自己診断が可能な地盤アンカー及びその施工方法を詳細に説明する。

図１は本発明における保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー１００の一例を示す概略的な断面図であり、図２は図１の地盤アンカー１００により保有応力を自己診断する一例を示す作動状態図であり、図３は本発明におけるヘッド部１５０及び比較マーカー１７０を拡大して示す概略的な断面図である。

本発明における保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー１００は、定着長１１０、引張材１４０、ヘッド部１５０及び変位測定材１６０を含んでもよい。定着長１１０は、地盤１０１の対象表面１０２から掘削された穿孔孔１０３の所定深さに位置するものであり、地盤アンカーの応力を発揮する部分である。ヘッド部１５０は、対象表面１０２の付近に位置してアンカーの所要応力を構造体１０５に直接伝達する。構造体１０５は、ヘッド部１５０と対象表面１０２の間に位置しており、ヘッド部１５０に作用した応力を支持して力を分散させる。引張材１４０は、引張力を受けた状態で定着長１１０とヘッド部１５０の間を連結し、定着長１１０の定着力を構造体１０５に伝達できるように設置されている。穿孔孔１０３には、定着長１１０の固定のためのグラウト１３０が充填される。よって、地盤アンカーの定着力は、地盤１０１とグラウト１３０の間の摩擦力と、定着長１１０内に位置する高強度の引張材１４０とグラウト１３０の間の付着力により発揮される。定着長１１０とヘッド部１５０の間はいわゆる自由長１２０であり、引張材１４０がグラウト１３０により付着しないように構成される。自由長１２０内の引張材１４０には、引張材１４０の弾性係数、引張材１４０の断面積や長さなどの引張材１４０の材料特性とフックの法則により作用荷重に比例する変形が発生する。

変位測定材１６０は、その一端が定着長１１０の所定位置に固定され、その他端はヘッド部１５０に自由端の形態で配置されており、定着長１１０に対するヘッド部１５０の相対変位を把握できるように設置される。変位測定材１６０には、鋼棒や鋼線などの細長い部材が用いられてもよい。ここで、変位測定材１６０は、その一部が定着長１１０に付着するが、自由長１２０にある残りの部分はグラウト１３０に直接付着しないようにホース１６１で保護されてもよい。ヘッド部１５０は、変位測定材１６０が自由に通過できるように形成された貫通孔１５２、１５６を含んでもよい。構成面において、ヘッド部１５０は、引張材１４０を固定する定着ヘッド１５１と、定着ヘッド１５１と構造体１０５の間に配置される支圧板１５３と、定着ヘッド１５１及び引張材を保護するように形成される保護キャップ１５５とを含む。定着ヘッド１５１の中間には、変位測定材１６０が自由に通過できるように第１孔１５２が形成され、さらに、保護キャップ１５５の中間には、変位測定材１６０が通過するように第２孔１５６が形成されてもよい。

図３に示すように、変位測定材１６０の端部にはヘッド部１５０の基準位置と変位測定材１６０の端部の位置を比較できるように形成される比較マーカー１７０が備えられてもよい。比較マーカー１７０は、変位測定材１６０の端部を囲んでヘッド部１５０に取り付けられる栓１７１を含んでもよい。ここで、比較マーカー１７０は、変位測定材１６０の端部が接触して押す力によりヘッド部１５０から分離されるように形成された着脱形状部１７２を含んでもよい。

定着長１１０の任意位置に設置された変位測定材１６０は引張力を受けていない状態であり、初期状態では引張力を受けて弾性的に伸張した引張材１４０の長さと同じである。しかし、図２に示すように、施工された地盤アンカーの保有応力に変化が生じた場合、地盤アンカーの自由長１２０部分の引張材１４０に発生する伸張長さも変化する。すなわち、地盤アンカーの保有応力が何らかの理由で減少すると、減少した荷重に対応して伸張長さが減少することになる。地盤アンカーの保有応力減少は、定着長１１０部分のクリープによる変位又は導入されるアンカー力による地盤の沈下に起因することが多い。すなわち、地盤アンカーに導入される作用力により基礎地盤が沈下（ΔＬ１）するか、地盤アンカー定着長１１０の境界部１１５が上方に移動して変位（ΔＬ２）が発生する。そうすると、自由長１２０に長さ変化が生じ、この２つの要因により発生した変位は、地盤アンカーの保有応力を減少させる直接的な原因となり、このとき２つの要因により発生した変位量は、定着長１１０の任意部分に設置されて定着ヘッド１５１と保護キャップ１５５を貫通して延設された変位測定材１６０の変位（ΔＬ）として現れる。ここで、変位測定材１６０の変位（ΔＬ）を測定することにより、現在の地盤アンカーの保有応力を計算することができる。

変位測定材１６０の変位（ΔＬ）として現れる過程において、設置されるアンカーの保有応力管理基準に基づいた許容損失応力による変位量を予め設定しておき、変位測定材１６０の上端部から許容変位量だけ栓１７１を離隔して設置した状態で、設置された地盤アンカーの応力損失を誘発する変位量が許容値を超えて変位測定材１６０に現れると、変位測定材１６０の端部が上方に移動し、保護キャップ１５５に着脱可能に設けられた栓１７１が離脱することにより、設置された地盤アンカーの適合性の合否を簡単に肉眼で判定することができる（図３参照）。

以下、本発明における応力の自己診断が可能な地盤アンカーの施工方法について説明する。

まず、地盤１０１の対象表面１０２から穿孔孔１０３を掘削する（Ｓ１０）。ここで、対象表面１０２とは、建設や土木現場で地盤アンカーが設置される様々な対象面を意味し、切土面などが含まれる。

次に、穿孔孔１０３の内部に引張材１１３、１４０及び変位測定材１６０を挿入する（Ｓ２０）。高強度の引張材１１３は、定着長１１０を形成する部分であり、グラウト１３０との付着力により引張材１４０に定着力を供給する。

引張材１１３、１４０及び変位測定材１６０が挿入された状態で、穿孔孔１０３の所定深さに定着長１１０を形成できるように穿孔孔１０３にグラウト１３０を注入する（Ｓ３０）。ここで、自由長１２０を形成する引張材１４０及び変位測定材１６０がグラウト１３０に接触しないように、引張材１４０及び変位測定材１６０をステップＳ２０において予めホース１６１で保護する。

次に、対象表面１０２に構造体１０５及びヘッド部１５０を設置し、引張材１４０を所定の力で引張した状態で引張材１４０をヘッド部１５０に固定する（Ｓ４０）。ここで、変位測定材１６０は、ヘッド部１５０を自由に通過するように設置する。

変位測定材１６０の端部には比較マーカー１７０を設置してもよい（Ｓ５０）。比較マーカー１７０は、ヘッド部１５０の保護キャップ１５５から分離可能な着脱形状部１７２を有する栓１７１を含んでもよい。栓１７１が分離したか否かを容易に識別できるように、栓１７１に所定のカラーや蛍光色などを適用してもよい。

このような応力の自己診断が可能な地盤アンカー及びその施工方法は、上記実施形態の構成と作動方式に限定されるものではない。上記実施形態は、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせることにより様々な変形が行われるように構成されてもよい。

Claims (8)

1. 地盤の対象表面から掘削された穿孔孔の所定深さに位置する定着長と、
   前記対象表面の付近に位置するヘッド部と、
   引張力を受けた状態で前記定着長と前記ヘッド部の間を連結し、前記定着長の定着力を構造体に伝達するように設置される引張材と、
   その一端は前記定着長の所定位置に固定され、その他端は前記ヘッド部に自由端の形態で配置され、前記定着長に対する前記ヘッド部の相対変位を把握できるように設置される変位測定材とを含み、
   前記ヘッド部の基準位置と前記変位測定材の他端の位置を比較できるように形成される比較マーカーをさらに含み、
   前記比較マーカーは、
   前記変位測定材の他端を囲んで前記ヘッド部に取り付けられる栓を含む、保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー。
2. 前記比較マーカーは、
   前記変位測定材の他端が接触して押す力により前記ヘッド部から分離されるように形成された着脱形状部をさらに含む、請求項１に記載の保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー。
3. 前記変位測定材は、鋼棒又は鋼線状に形成された、請求項１に記載の保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー。
4. 前記穿孔孔に充填されるグラウトをさらに含み、
   前記変位測定材は、前記グラウトに付着しないようにホースで保護されて設置された、請求項３に記載の保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー。
5. 前記構造体は、前記ヘッド部と前記対象表面の間に配置された、請求項１に記載の保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー。
6. 前記ヘッド部は、前記変位測定材が自由に通過できるように形成された貫通孔をさらに含む、請求項１に記載の保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー。
7. 前記ヘッド部は、
   前記引張材を固定できるように形成され、中間に前記変位測定材が通過するための第１孔を有する定着ヘッドと、
   前記定着ヘッドと前記構造体の間に配置される支圧板と、
   前記定着ヘッド及び前記引張材を保護するように形成され、前記変位測定材が通過するための第２孔を有する保護キャップとを含む、請求項１に記載の保有応力の自己診断が可能な地盤アンカー。
8. 地盤の対象表面から穿孔孔を掘削するステップと、
   前記穿孔孔の内部に引張材及び変位測定材を挿入するステップと、
   前記穿孔孔の所定深さに定着長を形成できるように前記穿孔孔にグラウトを注入するステップであって、前記変位測定材が前記グラウトに接触しないように前記変位測定材をホースで保護するステップと、
   前記対象表面に構造体及びヘッド部を設置し、前記引張材を所定の力で引張した状態で前記引張材を前記ヘッド部に固定するステップであって、前記変位測定材が前記ヘッド部を自由に通過するように設置するステップとを含み、
   前記対象表面の基準位置と前記変位測定材の端部の位置を比較できるように形成される比較マーカーを設置するステップをさらに含み、
   前記比較マーカーは、
   前記変位測定材の端部が接触して押す力により前記ヘッド部から分離されるように形成された着脱形状部を有する栓を含む、保有応力の自己診断が可能な地盤アンカーの施工方法。