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ロックアンカーのプレストレス特性に関する研究

研 究 年 度：令和４年度～
研 究 分 野： PS アンカーに関する研究
調査研究名： ロックアンカーのプレストレス特性に関する研究研

究者：川崎秀明【要約】
堤体、基礎岩盤の安定のために用いられるダム用 PS アンカーの最大の特徴は、堤体や基礎岩盤の硬いものを対象とするロックアンカーであることである。これに対して、従来、国内で用いられている斜面安定用や建築地盤用のアンカーは、岩盤以外を対象とするソイルアンカーが主体であり、アンカー対象物の違いによってアンカーの設計方法に多くの違いが生じる。
本論文では、硬いアンカー対象物にプレストレスを積極的に導入するロックアンカーとソイルアンカーの設計法の違い、一般土木で多用される挿し筋との違い、フルボンドとアンボンドの違い、緊張方法の違い等について、従来工法と比較しながら述べる。
なお、ダム用 PS アンカーは、2021 年 9 月の「ダム用 PS アンカー設計施工マニュアル」の発刊以降、技術普及を鋭意進めているところである（参考：本書巻末の 2023 年 1 月ダム技術センター
研究発表会の特別講演におけるパワーポイント資料）。ちなみに、千本ダムの堤体 PS アンカーと川俣ダムの岩盤 PS アンカーにおける施工実績が土木学会技術賞等の著名な賞を立て続けに受賞し、その合理性や経済性から注目の技術となっている。
【キーワード】PS アンカー、緊張力、定着、軸力計測、フルボンド【背景・目的】

ンドアンカー等）の二つに大きく区分できる。両者

ダム用 PS アンカーについては、ダム技術センターにおける 10 余年の研究と川俣ダムと千本ダムのは対象物が異なることから、設計や緊張力管理において異なる対応となる場合が多い。むしろロックア設計・施工実績を基に、2021 年 9 月に「ダム用 PSンカーは、プレストレス技術という点で PC 橋梁にアンカー設計施工マニュアル」1)を刊行した。

近く、両者は共通部分の多い類似技術である。

ダム用 PS アンカーは、堤体、基礎岩盤などの硬い対象物を大緊張力でもって岩盤に緊2)結・固定するもので、施工時に貯水位の低下や大規模な仮設もなく対象物の3)安定性を大きく向上させ得ることから、今後のダム再生や補修・補強に大いに期待される技術である。メカニズ
ム上は、所定の緊張力を長期的に保持することが前提となる。
図 1 に設計体系から見た PS アンカ
ーの分類を示すが、岩盤等の硬いもの

1)を対象とするロックアンカー（ダム用ＰＳアンカー等）と土砂等の岩盤以外を対象とするソイルアンカー（グラウ

図 1 設計体系から見た PS アンカーの分類

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(1) ダム用 PS アンカーとは何か

なお、欧米では PS アンカーと PC 橋梁の設計は同国内標準の地盤工学会グラウンドアンカー設計・一の会社が行うことが多いが、これも両技術が兄弟

2)

施工基準 （p21）によると、「グラウンドアンカーとは，作用する引張力を地盤に伝達するためのシスの関係にあることに依っている。

テムで，グラウトの注入によって造成される，定着長，自由長，アンカー頭部によって構成されるもの」である。その概念図を図 2 に示す。

締付け力

付着抵抗

引抜き抵抗

図 2 グラウンドアンカーの概念図 2)

図 3 PC 橋梁と PS アンカーの違い

一方、世界標準規格といえる PTI 技術勧告（PTI：世界最初のプレストレス構造物は、堤体の嵩上げ米国ポストテンション学会）4)によると、「岩盤や土砂に削孔後に孔内に設置され、深部がグラウト定着補強のために実施されたアルジェリアのシェファーダム（図 4）である。PC 橋梁に 10 年ほど先立って、1931 年から 1935 年にかけて PS アンカー緊結、Anchor: A
された後に緊張されたテンドン」（p2）
tendon installed in a drilled and grouted hole in the ground(soil or rock) that is stressed after installation.”である。

による堤体補強と嵩上げが実施された。

ここで、構造的には両者の違いはほぼ無いが後者はプレストレスが強調されている点が異なる。海外でのアンカーの呼び方も prestressed anchor (PS アン

図 4 Cheurfas Dam
シェファーダム、アルジェリアカー)、Post-tensioned anchor (or Post-tensioning anchor )が一般的である。ところが、国内アンカーにおいては、プレストレスの認識が希薄であるため、ロック

堤高 30m、堤体施工 1880-1882 年、アン カ ー 補 強 1934
年、1,500ton x 37 孔
（4m 間隔）、アンカー長 60m

アンカーの設計をソイルアンカーの設計法で行ってしまう事例がこれまで多かった。このため、「ダム用1)PS アンカー設計施工マニュアル」 のようなロックアンカー専用の基準類の発刊が急務であった。
(2) PC 橋梁との違い(3) ロックボルトとの違い

PS アンカーの基本原理は、PC 橋梁と同じくポストテンション方式による緊張締め付けであり、対象近年、トンネル等地中構造物の工事においてロックボルトが用いられ、これにプレストレスが導入さ物が地盤か橋梁桁かの違いによって区別される。
特に顕著であるのは緊張力の与え方の違いであPC 橋梁ではコンクリート部材の両端においてテり、れる例も多い。この場合、PS アンカーとの区別は、アンカー長が原則的に自由長 4m 以上＋定着長（PSンドンが緊張されるが、PS アンカーの場合、地盤側定着長）3m 以上（計 7m 以上）であるか否かでもっにはグラウト等により定着長を造成して地盤と一体化され、地表側だけで緊張材が緊張・定着される。て判断される。即ち、PS アンカーは引抜け事故がな

このため、PS アンカーでは、より複雑な応力条件付けられており、安全性はより高い。一方、ロック下となり、緊張材とグラウト間の抵抗とグラウトとボルトは地山の状況を見ながら設置数を多くするこ岩盤間の抵抗のうち低い方で安全性は規定される。とで、より合理的に安全性を担保している。

いように十分な長さの定着長を確保することが義務

4-2

(4) 挿し筋との違い(5) フルボンドタイプとアンボンドタイプの違い

一般土木工事で多く使用される挿し筋であるが、PS アンカーには、テンドンをシース（さや管）内PS アンカーとの違いはプレストレスの有無である。
ただし、力学上は「PS アンカーはプレストレス荷重に入れて周囲にグリースを詰めることで自由長を保つアンボンドとテンドン周囲をグラウトで固化してまでは変位を許さない」に対し、「挿し筋は荷重作用メンテナンスフリーとするフルボンドの 2 タイプが直後から変位が生じる」の違いがある。両者の違いをイメージとして表すと以下になる。

ある。世界的にも、防食性能やテンドン拘束に対する見解が異なっており、米国内でも陸軍工兵隊がア①ンボンド推奨、開拓局がフルボンド推奨と、どちら引張力に対しての挙動

PS アンカーの場合： PS 荷重に達した後に変位が生じるので、予想される引張力を打ち消すだけのプレストレスを与えておけば PS 荷重まで変位が良いか議論の分かれるところである。
ただし、防食性能については、建設後 50 年経過した川俣ダム既設アンカー健全性調査により、フルボは生じない（図 5 の上図参照）。

ンドタイプの方が、アンボンドタイプに比べて腐食が格段に少なく耐久性において優れることが判った。

挿し筋の場合： 鋼棒の軸方向に引張力がかかると、鋼棒とその周りのグラウトに軸方向変位がこのため、100 年耐久性能を目ざす川俣ダムや千本ダムの PS アンカーでは、防食性能に優れた内部充てん型エポキシ樹脂被覆 PC 鋼より線（略称：ECF即発生する（図 5 の下図参照）。

ストランド）をテンドンに用いて、その周囲を高流＝PS 荷重

PS 鋼材/挿し筋の応力-ひずみ関係の違い動性と無収縮を両立させた無収縮グラウトで充填する高品質のフルボンドタイプを採用した。
テンドンの拘束については、フルボンドタイプの方が剛性は高くなるのでアンカー対象物の変位をより低く抑えることができる。なお、米国で最も管轄ダム数が多くその大半は中小ダムである連邦エネル

対象構造物における荷重- 変位関係

ギー庁は、荷重の経年劣化に対してメンテナンスフリーであるフルボンドタイプを推奨している。
ただし、フルボンドタイプの短所は、再緊張や緊張力計測が困難ということであり、国内の従来 PS アンカーはダム用を除いて基本的にアンボンドタイプを採用している。
この点、川俣ダムや千本ダムでは、軸力計測ストランドを新たに開発して、フルボンドタイプであっても荷重計測を可能としている。

図 5 PS 鋼材と挿し筋の引張力に対する挙動の違い（同じ鋼材量として考えた場合）② せん断力に対しての挙動
PS アンカーの場合： 締め付けによる摩擦抵抗でせん断力に対抗できるプレストレスを与えておけば、PS 荷重まで変位は生じない。
挿し筋の場合： せん断力がかかると、鋼棒とその周りのグラウトにせん断変位が即発生する。

ECF ス ト ラ ン
ド：内部充てん型③ 総括
構造物の安定性は変位によって決まる。PS アンカ

エポキシ樹脂被覆 PC 鋼より線ーの方が、PS 荷重までの対象構造物の変位を抑えることで、鋼材使用量を大きく減らすことができる。
ちなみに、挿し筋の方が変位増や荷重増に対する

図 6 アンボン
ドタイプとフル余裕があるという見方があるが、待ち受けでない限ボンドタイプのり、構造物の変位を抑えることが優先する。

違い

4-3一方、ロックアンカーは、すべり面に対してより(6) ソイルアンカーとロックアンカーの違い
アンカーによるすべり抵抗力は「引止め抵抗（す高角度に設置することで締付け分力を高めて、設計べり面接線方向の分力）と締付け抵抗（すべり面直角分力による摩擦力）」によって構成される。すべりアンカー力以上を保つことで、効果的に事前補強を行うものである。川俣ダム等のアーチダムの岩盤 PS出すまでは締付け分力が卓越し、滑動後は引止め分アンカーでは、重要構造物を支える上で変位を許容力が卓越する。
ソイルアンカーの対象となる地盤は、剛体でないしないという設計思想に立っており、傾角は想定すべり面に対して高角度である。

ので締付け分力にあまり期待できず内部摩擦角 φ も

図 9 は、堤体 PS アンカーの例であるが、すべり小さい。従って、すべり面滑動後に発生する引止め分力に期待してアンカー力を発揮させる方が有利であり、待ち受け的なアンカーとなる。

（滑動）面に対してほぼ直角としている。

図 7 は、グラウンドアンカー設計・施工基準（地盤工学会）2)にある斜面用アンカー例であるが、引止め分力に期待してすべり面に緩く斜交させ、導入緊張力は設計 PS アンカー力の 50%程度としている。
なお、待ち受けを前提として設計するので、変位に
図 9 ダム用アンカーの傾角の例

対してはある程度動くことを前提としている。

これらの荷重と抵抗の関係を図示したのが、図10 である。ソイルアンカーはすべり面に斜交するように設置するほど、引止め分力を大きくすることができる。このことで、非岩盤の斜面がわずかに動いた後に効果的にすべりを止めることができる。
図 7 斜面用グラウンドアンカーの傾角の例

一方、ロックアンカーは、すべり面に高角度で設置することで、締付け分力を高めることができる。

2)

このことによって変位を抑制することができること
ただし、斜面用アンカーでも引止め分力を主体として設計した例もある。図 8 は、高速道路 Nexco 各から、事前補強といえる。
アンカーの設計においては、アンカー対象物の硬社による「グラウンドアンカー設計・施工要領

さ（岩盤か非岩盤か）によって、アンカー傾角と保5)（2007.8）」 にある斜面用アンカーの例であるが、すべり面に対して直角に近い傾角としている。背景

持緊張力を変えるべきである。ダム周辺には、大規模斜面が生じやすいが、岩盤にアンカーを使用するとして、当時、高速道路の長大切土面においてアン場合は、ロックアンカーの設計とするように注意す

カー破断による事故が多発したことから、斜面の安全性を高めるために、待ち受けではなくて事前補強る必要がある。に切り替え、その結果、高角度の傾角に変えたものと考えられる。即ち、高速道路の岩盤斜面においては、締付け分力によって分割片を斜面に固定することで、変位自体を抑制する方向になっている。

図 8 高速道路法面におけるアンカー傾角の例

図 10 斜面におけるソイルアンカー（緑線）とロックアンカー（青線）の作用の違い

5)

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緊張したアンカーは、定着具の滑りや戻りによって(7) アンカー緊張力の考え方

定着時緊張力 Pt に減少し、その後も残存緊張力 Pe

アンカー緊張力の与え方と保持すべき範囲につは微減すると想定されている。このため、供用期間中に Pe が設計アンカーカ Pd を下回らないように定いて、いくつかの考え方がある。
①

グラウンドアンカーの緊張力管理

着時緊張力 Pt を決定することが重要である。

グラウンドアンカーの緊張力は、基本的に図 11に示すように普段は設計アンカー力の半分程度に下げておき、すべり発生後に設計アンカー力に達することで効果を発現することが期待されている。いわば待ち受けアンカーの設計思想である。

図 13 アンカーに作用する荷重の経時変化 3)③

ダム用 PS アンカーの緊張力管理

ダム用 PS アンカーの緊張力は、図 12 に示すように緊張力を高めに導入する建築地盤アンカーと低めに導入するグラウンドアンカーの中間域に入るよう
図 11 経時的な荷重の推移と設計アンカー力

2)に、かつ設計アンカー力以上を保持するように緊張力を管理することにしている。また、定着時緊張力② 建築地盤アンカーの緊張力管理
アンカーの緊張力は、一般に経過時間とともに図でもって荷重調整することで、より精度の高い緊張力管理を行うことにしている。

13 に示すような経時変化を示す。初期緊張力 Pi で

図 12 ダム用 PS アンカーに作用する緊張力 1)

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参考文献

(8) おわりに1)

表 1 に PS アンカーの機能と手法による分類を挙げるが、この中でソイルアンカーとロックアンカーの設計の考え方がかなり異なることがわかる。
即ち、一般財団法人ダム技術センター、「ダム用 PS アンカー設計施工マニュアル」、2021 年 9 月2)

硬いものを対象とする場合はロックアンカーとして

公益社団法人地盤工学会、「グラウンドアンカー設計・施工基準、同解説(JGS4101-2012)」、2012 年 5 月改定

設計すべきであり、「傾角をすべり面に対して高角度化する、緊張力は設計アンカー力以上を保持する」

3)

一般社団法人日本建築学会、「建築地盤アンカー設計施工指針・同解説 第 3 版」
、2018 年 1 月改定

が重要である。同時に、孔当り緊張力の増大（大孔4)径化）によってアンカー数を減らし、経済性を高めることも重要である。
これまではロックアンカーに関する国内基準類

Post-Tensioning Institute（米国ポストテンショニング研究所、略称 PTI）, “Recommendations for Prestressed Rock and SoilAnchors”, Third edition 2014, printed in USA5)が無かったために、固い岩盤の斜面についてもソイルアンカーの設計法が準用されていた。このため、

東日本高速道路株式会社、「グラウンドアンカー設計・施工要領」、2007 年 8 月

変位を許容しない条件であっても、従来アンカー基準に従って待ち受け前提のアンカー設計となってしまい、アンカーが有効でなかった事例もあった。
しかし、ロックアンカー専用である「ダム用 PS アンカー設計施工マニュアル」が刊行されたことによって、今後は岩盤等の硬い対象物については、ロックアンカーとしてのより合理的な設計が為されることを切に期待する。特に、ダムの基礎や堤体は、変位を極力抑止する設計が必須となるが、そのような場合、プレストレストを積極活用したロックアンカーの専用書として当マニュアルを活用していただきたい。
ロックアンカーの設計は、若干複雑な面があるが、まずはソイルアンカーとの違いと適用範囲について認識することが、事始めとなる。
表 1 PS アンカーの機能と手法による分類

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