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コンクリートダムの物性値分布特性及び動的特性に関する研究

研 究 年 度：令和３年度
研 究 分 野：ダム構造・設計及び施工に関する調査研究
調 査 研 究 名：コンクリートダムの物性値分布特性及び動的特性に関する研究
研

究者：安田成夫【要約】
本研究は、重要な社会基盤施設の一つであるコンクリートダムを対象として、堤体構造の物理特性を踏まえた地震時安定性の評価手法を開発するものである。1995 年兵庫県南部地震を契機に、「大規模地震に対するダムの耐震性性能照査指針（案）」が作成され、ダムの耐震性能評価が試行されている。現在、既設ダムの耐震性能の評価は、当該ダムで記録された地震波を用いて弾性係数・減衰定数といった物理特性を同定して検討するが、当初想定の物理特性と乖離している事例が少なからず存在する。耐震性能照査によりダムの安定性を合理的に説明するために、実際の物性値を用いて評価する必要がある。
本研究は、ダム堤体の物理特性をダム堤体で記録された地震動および原位置試験によって把握する手法を開発すること目的としている。なお本研究の成果はマスコンクリートで築造された、ダム以外の大規模構造物にも適用が可能と考える。
【キーワード】コンクリ-トダム、弾性係数、動的挙動【背景・目的】

以上、実際の応力状態の違いによる弾性係数への地球温暖化による気候の極端化現象により、近年影響を明確にすることにより、コンクリートダムの我が国は未曽有の水害に見舞われるようになった。

精緻な耐震性能評価が可能となる。本研究は、室内・行政的にも国土強靭化に向けた施策が発出されてい原位置といった試験法の違いにより得られる物理特るところであり、地震国である我が国は、南関東直性を評価することであり、学術的かつ実務的に意義下型地震、相模湾を震源とした関東大地震、東南海・があると考える。

南海地震の連動型地震が想定されている。大規模構造物であるダムは一旦変状があれば、ダム下流域住１．コンクリ-トの弾性係数の拘束圧依存性民の人的・経済的被害は甚大となる。したがって、ダムの物理特性を正確に把握することによって様々

本研究は、コンクリートダムの堤体材料であるな事象下におけるダムの耐震安定性を確認しておく

コンクリート弾性係数の同定方法の明確化を目的と必要がある。

している。そのため、実際の力学特性が明確な既設①コンクリートダムの堤体材料であるマスコンクリ

コンクリートダムの弾性係数を、原位置試験であるート（以下、コンクリート）の力学特性は、室内試

孔内水平載荷試験、弾性波探査試験によって求める。

験結果に基づいて設定されている。しかしながら、

孔内水平載荷試験のためのボーリングは、ダム堤体室内試験体としての寸法効果、あるいは室内一軸試天端から鉛直方向に穿孔することになり、計測され験は原位置の応力状態が再現されていないことから、 る弾性係数が深度方向に増加することが予想される。
過小な値として評価される傾向にある。

孔内水平載荷試験は、試験機を孔壁に圧着すること②大規模なコンクリート構造物の弾性係数は、構造により孔壁を拡張させる引張側の弾性係数を深度毎物全体に一様ではなく拘束条件に対応した分布特性に計測することになる。弾性波探査試験は、ボーリを有していると考えられる。室内試験では、試験機

ング孔内に受振器を圧着して、起震源からの振動の器の制約から分布特性を評価することはできない。

到達時間を計測することにより、弾性波速度・弾性1-1

係数・ポアソン比を求める。過去に沢田ら（1977）あるのに対して、実際の構造物内部の応力状態は試が幾つかのロックフィルダムにおいて、ダム堤体の験とは異なっており、完成後の構造物の弾性係数は弾性波速度を求めている。

設計時に得られた弾性係数とは大きく異なるのでは、との着想に至ったものである。

次に、原位置試験で得られたコンクリートダムの物性値を、ダム堤体-基礎岩盤解析モデルの入力値とロックフィルダムを構成する岩石質粗粒材料の拘し、当該ダムで記録された地震波形による同定・再束 圧 依 存 性 は 、 沢 田 ら （ 1977 ）、 Yasuda and

現解析を通じて設定した入力値の妥当性を検証する。 Matsumoto (1994)によって明らかにされている。図既往の重力式コンクリートダム堤体の動的応答解析-1 に示す粗粒材料の弾性係数は、七ヶ宿ダムロック

では、設計時の物性値が過小評価される傾向にある。

材の繰返し三軸試験結果（図中の〇）から求めた。

既設コンクリートダムの耐震性能照査では、堤体その成果に、コンリートの弾性係数と拘束圧に関すコンクリートの物理特性を設計時の室内試験結果、る志知ら(2005)の研究結果(図中の□)と CSG の弾性あるいは堤体表層部から採取したコンクリートコア係数と拘束圧の関係（図中の△）を予想して示した。

を用いた室内試験結果から設定している事例が多い。
本研究は、第一に、コンクリートの物性値を堤体内部において直接計測する手法を確立し、計測値は建設当初に設定した弾性係数値と異なること、第二に、大規模構造物の物性値は深度方向に一様ではなく拘束圧依存性を有することを明らかにすることであり、ここに独自性がある。
原位置試験を実施するダムは地震波形記録が蓄積されていることが前提である。有限要素法によってダムをモデル化して地震時の再現解析を実施する。
その同定過程において、原位置試験で直接得られた物性値分布の妥当性を検証することに創造性がある。

図-1 弾性係数と拘束圧との関係

震源近傍に位置するコンクリートダムの地震時安(コンクリート、CSG、粗粒材料)定性を有限要素法によって検討する際、堤体の物性値である弾性係数として、設計時の値を用いるのが岩石質粗粒材料とコンクリートの弾性係数は、室一般的であるが、固有値解析によって求まる弾性係内試験結果を示している。本図には、CSG の弾性係数値との間に大きな乖離が認められる場合がある。

数と拘束圧依存性も模式的に示している。ここで、堤体天端/基礎に関する伝達関数が、解析値と実測値

岩石質粗粒材料、CSG、コンクリートの弾性係数とでは一次固有周波数が一致しない。近年、岩石質材

拘束圧を両対数表示している。コンクリートの弾性料にセメントと水を混合（CSG：Cemented Sand

係数は、他の材料よりも高い値を示すものの、拘束and Gravel）して堤体を構築する台形 CSG ダムが圧依存性は低い(志知ら,2005)。
CSG についてもコン建設されている。CSG は、コンクリートとロッククリートと同様の傾向が確認されているが、弾性係フィル材の中間的特性を有している。北海道胆振東数の拘束圧依存性は高くはないと予想された。一方、部地震の震源近傍に位置する台形 CSG ダムで、大岩石質粗粒材料は、粒状体であるため拘束応力の影きな地震加速度が記録され、地震時再現解析を実施

響 を 受 け や す い と 考 え ら れ る (Yasuda andしたところ、固有値解析から求めた弾性係数は設計

Matsumoto, 1994)。実際に、CSG の供試体を作製時のそれの 3 倍程度大きな値であった。このことかし室内三軸試験を実施したところ、弾性係数の拘束ら、設計時の弾性係数は室内一軸試験で求めた値で圧依存性を確認した。

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大規模な土木構造物の弾性係数は、構成材料のセメントの有無にかかわらず、深度方向に増加するのではないかとの発想を得た。また、セメント系 CSGの弾性係数について、原位置試験の値と設計時の値が乖離していること、さらに、拘束圧依存性があることが室内試験により明らかになった。このことから、コンクリートの弾性係数についても同様の傾向があり、何らかの方法により確認する必要があるとの着想に至った。
図-2 三軸試験における応力-ひずみ（CSG）
２．室内試験による CSG の弾性係数の拘束圧依存性
構造材料としてのコンクリートの弾性係数の拘束圧依存性は、志知ら(2005)をはじめ、他の研究者らによって指摘されていたものの、実際の構造物を対象とした試験手法の限界から研究事例が極めて少ないのが現状である。
本研究では、コンクリートの実際の弾性係数を明らかにするとともに、その拘束圧依存性を原位置試験により明確にする。ただし、室内試験での弾性係数の確認は試験機の制約から困難と判断した。
コンクリート構造物から採取したボーリングコアの変形・強度特性は、一軸圧縮試験で求められる。

図-3 弾性係数と拘束圧との関係(CSG)

しかしながら、構造物内部の応力状態を再現するためには、高拘束圧下の三軸状態下で試験を実施する

３．原位置試験によるコンクリートの拘束圧依存性必要があり、使用する試験機の能力に制限されるため、実際は困難である。また、室内試験の三軸状態

本研究では、図-4 に示すように、実際のコンクリは、いわゆる平面応力状態であり、変位拘束となるートダム天端から穿孔したφ66mm のボーリング実際の状況とは異なると考えられる。

孔を活用した孔内水平載荷試験を実施した。図-1 に

図-2 は、実際にダム本体に使用されるセメントで示した室内試験結果のように、コンクリートの弾性固化した岩石質材料（CSG）の 91 日材齢の三軸圧係数も軽微であるものの拘束圧依存性が考えられる。

縮試験結果である。拘束圧は 0.1、0.2、0.4、0.6

側方変位が拘束された平面ひずみ状態であり、実際N/mm2 である。試験は同一供試体を用いて弾性領域の拘束応力状態を再現した変形試験と考えられる。

内における段階的昇圧試験である。CSG は、コンク

しかも拘束応力状態は深度が深くなるにつれて大きリートに比べて弾性係数が低く、拘束圧が上昇するくなり、弾性係数の値もそれに伴い上昇し、その上につれて初期弾性係数が上昇する。

昇量は、室内試験の場合に比べて高いことが想定さ供試体 3 本の室内試験結果を、弾性係数と拘束圧れる。の関係について図-3 に示す。同一物理条件の供試体であり、バラツキがあるものの弾性係数の拘束圧依存性が認められる。

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が可能となる。

図-4 実ダムでの孔内水平載荷試験
図-5 は、セメント系 CSG で築造されている台形CSG ダムに、φ66mm のボーリングを穿孔し孔内

図-5 深さと弾性係数の関係(GSG)

水平載荷試験により、深度方向の弾性係数を求めた結果である。弾性係数は、原位置試験によっても、深度方向に増加することが明らかとなった。弾性係数のデータが深度方向に離散的になっているのは、ダム堤体材料である CSG の単位セメント量を発生する応力に応じて変えていることによる。単位セメント量が 60 ㎏/ から 80 ㎏/ に増えると弾性係数は急激に増加している。弾性係数が深度方向に増える傾向にあることは、拘束圧の増加に伴い弾性係数が増加することを意味する。
孔内水平載荷試験機は、風袋を孔壁に押しつけて弾性係数を計測する機構であり、引張側の弾性係数

図-6 弾性波探査試験を表すことになる。そこで、孔水平載荷試験で利用したボーリング孔を再度用いて弾性波探査試験(図-原位置試験を実施するコンクリートダムは、安全6 参照)を実施した。この試験は、縦波である P 波と管理用の地震計によって多数の地震波形が記録され横波である S 波を計測することが可能であり、S 波ていることが基本となる。それらの地震波形記録かとコンクリート密度によって弾性係数が、P 波と Sら、ダム堤体の固有値解析によって固有周波数を求波によってポアソン比が求められる。弾性波探査とめることにより、堤体の弾性係数を同定することが孔水平載荷試験の弾性係数を比較することによって可能となる。さらに、当該ダムで記録された地震波検証が可能となる。

形を用いて三次元モデルによる動的応答解析を実施

以上の考察により、コンクリートの弾性係数の拘し、応答加速度時刻歴の比較を行うことで弾性係数

束圧依存性を明らかにする原位置試験として、孔内の検証精度を高めることが可能となる。

水平載荷試験及び弾性波探査試験が有効であると考近年の地球温暖化による気候の極端化現象を踏えられる。加えて、ボーリング穿孔時に採取したコまえ、既設ダムの再生事業が推進されている。ダムア自体の強度を、エコーチップ硬さ試験機により明再生では、既設ダムの健全性確認はボーリング調査らかにすることによって、原位置試験結果との対比

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によるコア性状の確認、採取コアによる物理・力学【参考文献】試験が実施される。ボーリング孔を利用した原位置

1)

試験からも有益な情報が得られると考えられる。

沢田義博，高橋 忠，櫻井章雄，矢島 浩(1977），“ロックフィルダムの物性値分布特性および堤原位置試験で使用する孔内水平載荷試験機、弾性体の動的的特性 ―弾性波動に基づく考察―”，

波探査試験機、エコーチップ硬さ試験機は全国的に電力中研究所，No.377008.

数量が限られているものの調達が可能である。ただ2)

志知昌人、伊藤睦、水野英二(2005), “三軸圧縮し、ボーリング削孔については既設ダムの健全性調下におけるコンクリートの応力－ひずみ関係査時期と調整が必要となる。の定式化”,土木学会第 60 回年次学術講演会、土木学会,pp.1147－1148.

おわりに3)

Ya s u d a N . a n d M a t s u m o t o , N .
(1994):"Comparisons of deforma tion

本研究は、令和 4 年度科学研究費助成事業科研費とch arac te risti cs of r ockfill materials

して独立行政法人日本学術振興会へ申請したもので

using monotonic, cyclic loading and in-situ

あるtests", Canadian Geotechnical Journal, Vol.31,
No.2, pp.162-174. 1994.4

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