技術資料

グラウンドアンカーに作用する凍上力抑制に関する試験施工
御厩敷

公平

山木正彦

林宏親

佐藤厚子

板直下への冷気の侵入が抑制されるとGAに作用する

１．はじめに凍上力も抑制される6)、といったことが示された。
北海道のような寒冷地における切土のり面に関して凍上対策の基本は、凍上の3要素 7)といわれる「温は、冬期間の凍上現象やその後の融解、春先の融雪

度」、「水分」、「土質」のうち、どれか1つ以上の要素水の影響を受けて崩壊する事例が多々確認されていを凍上が生じない条件にすることである。本技術資料る 。凍上現象とは、地盤が凍結する過程で地盤中には、これら3要素のうち温度に着目し、断熱によるGA発生した氷晶の成長によって、冷却面に向かって地盤の凍上対策に関する試験施工結果を紹介するものであが膨張することである。凍上による土の膨張が土留める。

1)

擁壁などの構造物によって抑えられると、その構造物には大きな力が加わることになる。これが凍上力ある
いは凍結土圧である2)。凍上による構造物の損傷事例として写真－1に示すようにグラウンドアンカー（以降GAとする）頭部の損傷が確認されている。GA工とはのり面の表層部にある地山あるいは構造物に作用する力を引張り力として地盤に伝達するシステムで、グラウトの注入によって造成されるアンカー体、引張り部、アンカー頭部によって構成されるものであり（図－1参照）3)、岩盤のり面・斜面において崩落または崩落が発生する恐れがある場合等に抑止力を付加する目的で用いられる工法である 1)。従来、GA工の設計時には凍上による応力は見込まれていなかった。そのため、GAが設置されている斜面において凍上現象が発

写真－1

凍上によるグラウンドアンカー頭部の損傷生した場合は、アンカー体が未凍結層に設置されているため、受圧構造物に凍上力が作用することによってアンカー引張り部に設計以上の荷重がかかり、アンカー材の破断や写真－1に示すような受圧構造物の頭部プレートの変形・損傷、アンカーの引き抜け等の被害アンカー頭部が生じる可能性がある1)。
既往研究では、実態を把握するために北海道各地で地盤引張り部

受圧板
アンカー体
（定着部）

施工されたGAの冬期の荷重を測定し、①GAの受圧構造物に作用する荷重は冬期間に増加し、春期には低下する、②その荷重増減は毎年繰り返される、という調査結果を得ている4)。また、寒地土木研究所が所有すグラウトによる造成

る苫小牧施工試験フィールドにおいて、凍上に関するGAの試験施工を行った結果、③GAの諸元によりGAに作用する凍上力は変わり、自由長を長くする、定着荷重を小さくする、受圧面積を小さくすることでGAに作用する凍上力を抑制することができる5)、④受圧
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2022年９月

図－1

グラウンドアンカーの基本要素3)

21

凍上性材料GA
置き換え（90cm） 荷重計

試験地盤（凍上性材料）の基本特性

地盤材料の工学的分類
自然含水比w n（%）
3
最大乾燥密度ρ dmax（g/cm ）締固め特性
最適含水比w opt（%）
凍上速度U h（mm/h）
凍上性（締固め度D c=94.6%）

SFG48.7
1.12542.9

05667

表－2

土の凍上性の判定指標

凍上速度U h (mm/h)

凍上性

0.1 未満凍上性が低い0.1 以上 0.3 未満

凍上性は中位

0.3 以上凍上性が高い火山灰
10
定着層158)

軽石混じり火山灰
泥炭・腐植混じり土

0.78

2

コーン指数q c（kN/m ）トラフィカビリティ（締固め度D c=96.9%）

受圧板
表土

N値
0 20 40

石炭灰

深さ(m)

表－1

砂礫

細砂

20

礫混じり砂
25

図－2

２．２

２．2020-2021年冬期のGAに関する試験施工

試験地盤GAの設置条件と計測方法

本試験ではGAに作用する凍上力を抑制する手法を２．１検討するために、受圧板に各種断熱対策を施した上で地盤条件

凍上によってGAに作用する荷重と温度の関係や具GAに作用する荷重を計測し、その効果を比較した。

体的な凍上対策を検討するために、実物大のGAを用表－3、図－3、写真－2に各GAの諸元と対策手法のいた試験施工を行った。試験場所は積雪が少なく、冬一覧およびその設置状況を示す。図－3中の着色箇所

期の気温が低い苫小牧市にある寒地土木研究所苫小牧は対策範囲を示している。いずれのGAも鋼製の独立施工試験フィールドである。

型受圧板である。GA-1は凍上によるアンカーの破断

試験地盤は、表層の90cmを表－1、2 に示す凍上を観測するためのケースで、初期定着荷重を降伏引張性の高い（凍上しやすい）地盤材料（凍上速度U h =力程度まで上げ、凍上を抑制するような対策は施し0.78mm/h）に置き換え、締固め度99.8%で造成した。ていない。GA-2～GA-5は植生マットやXPS（押出法

なお、90cm以深は石炭灰、軽石混じり火山灰、泥炭・ポリスチレンフォーム）、FFU（強化プラスチック発腐植混じり土、火山灰と比較的軟らかい土質が続き、泡体）を受圧板の下面もしくは上面に設置し、各々12m以深は比較的硬い土質となっている（図－2参照）。の凍上抑制効果を把握するケースである。XPSは建築

水平に造成した試験地盤に各種GAを鉛直方向に施工や土木において使用される一般的な断熱材の一つで、し、荷重および地中温度計測を行った。

FFUは既往研究6)により、その断熱効果が確認された

8)

表－3GA

アンカー仕様降伏引張力 極限引張力
（kN）
（kN）
（カタログ値）

12PC鋼より線φ15.2×1

定着 見かけ定着長
荷重 自由長（m）（kN） （m）
220

222

261

70

7.00
14.00

10.00

各GAの諸元等
受圧面積
2(m )

4.00
5.37

22

受圧板上面

植生マット
（≒受圧面積）植生マット（≒受圧面積）多重PC鋼より線7本より
φ9.5×7608

714

220

18.85

6.00

2.475.37

備考
破断試験用

XPS（厚さ5cm）≒受圧面積
熱伝導率：0.034 W/(m・K)（カタログ値）

56

受圧板下面

3.13

34

凍上抑制対策凍上抑制効
果検証

FFU（厚さ6cm）≒受圧面積＋α
熱伝導率：0.077 W/(m・K)（カタログ値）
FFU（厚さ6cm）≒受圧面積
熱伝導率：0.077 W/(m・K)（カタログ値）

18.71

無対策

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2022年９月

図－3

各GAの諸条件

距離で6mの間隔をもって設置している（図－3参照）。
GAに作用する凍上力は受圧板と支圧版の間に設置した荷重計により計測している。また、受圧板直下（アンカー頭部から30cmの距離）において、地表面から深さ50cmまで10cm間隔で地中温度の計測を行い、各種断熱対策の効果を把握している。その他、凍上による変位として、受圧板の高さを2週間に1回の頻度で測量により測定している。
２．３

原位置気象条件

原位置における日平均気温（℃）と日平均気温の累積値（℃・days）および試験地盤の凍結深（mm）を
写真－2

各GAの設置状況（2020年12月）

図－4に示す（図の作成上の都合からここでは凍結深をmmで表示する）。

独立型受圧板の一種である。なお、本試験で使用したXPSの厚さは5cm、FFUの厚さは6cmで、面積は同じ（240cm×240cm）である。また、GA-6はGA-2～GA-5と比較するための無対策のケースとなっている。
各GAは互いに干渉しないように、アンカー頭部間
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日平均気温は、原位置で計測した1時間毎の気温データから算出している。
凍結深は、試験地盤内において深さ100cmまで埋設した熱電対により1時間毎に地中温度を計測し、その日平均温度を基に、温度勾配から0℃の位置を推定し
23

+710
気温（℃）

1000-100-200-300-400-500-600-700-800-900

日平均気温
日平均気温の累積値
凍結深50-5-509-10-1511/30-2011/25 12/4

3/1012/1412/241/3

図－41/13

1/23

2/2

2/122/223/43/143/24

原位置の気象条件等（2020年11月～2021年3月）たものである。熱電対は地表面から深さ方向をマイナ

GA-1GA-2GA-3GA-4GA-5GA-60

スとし0、-10、-20、-30、-40、-50、-100cmの位置の累積値の最大値と最小値およびその日付を記している。これらより本期間における凍結指数は516℃・days程度となる。苫小牧市の10年確率凍結指数は370℃・days、20年確率凍結指数は410℃・days 程度であ-10凍結深（cm）に埋設している。図中には本期間における日平均気温-20-30-40る 9)ことから、2020-2021年冬期の気温は比較的低めであったといえる。なお、本試験範囲は適宜除雪を行-50
12/2 12 22 1/1 11 21 31 2/10 20 3/2 12 22

い、積雪深は常時10cm以下の状態を維持している。
２．４

図－5 各GA直下の凍結深の経時変化（2020年12月～2021年3月）

調査結果

２．４．１

日平均気温の累積値（℃・days）
凍結深（mm）

15

各種断熱効果

図－5はGAの受圧板直下で測定した地中温度から算出した原位置における凍結深の経時変化である。

500
500

なお、熱電対の最深度は-50cm（GA-1のみ最深度はていない。GA-3については、明らかに異常と思われるデータは削除し図示している。
この図より、無対策のGA-1とGA-6は急激に凍結深が深くなり、1月上旬には計測器を設置している最深度（GA-1で-40cm、GA-6で-50cm）に到達している。
GA-1、GA-6に次いで、植生マットを敷設・被覆した
GA-2、FFUを敷設したGA-5、GA-4、XPSを敷設し400400

荷重（kN）荷重（kN）-40cm）であるため、50cm以深の凍結深は計測でき

300
300

GA-1
GA-2
GA-3
GA-4
GA-5
GA-6200
200
10010000
12/2 1012 20
22 1/1
11 50
21 31
12 22
30 40
60 2/1070 20
80 3/290 100110120

たGA-3の順に凍結深が大きい結果となった（GA-3＜

図－6 各GAの荷重の経時変化（2020年12月～2021年3月）

GA-4＜GA-5＜GA-2＜GA-1、GA-6）。GA-2は無対策のGA-1、GA-6と比較し1月以降の凍結深の進行が緩やかであるものの、日平均気温の累積値が最小に向かう3月上旬（図－4参照）には凍結深が-50cmに到達しての凍結深が大きいもののほとんど差はなかった。まいる。GA-4とGA-5は凍上抑制対策として、同じサイた、受圧面積が等しく断熱対策の異なるGA-3とGA-5ズ、厚さのFFUを使用しているが、12月中の凍結深の比較から、FFUと比較しXPSの断熱性能の高さがはGA-5の方が最大で5cm程度大きく、1月以降もGA-5伺える。

24

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凍結深のピークは、確認できるGA-4とGA-5の結果

断時に支圧板が瞬間的に浮き上がる様子が捉えられてからではあるが、図－4に示す日平均の累積値の最低いた。アンカーを確認したところ、アンカー頭部の定値を示した2021/3/10付近であった。

着くさびの位置で、アンカーが破断している状況であ２．４．２った。GA-1は破断試験を目的とし、降伏引張力付近

荷重の経時変化

各GAにおける荷重の経時変化を図－6に示す。

で定着した条件ではあるものの、アンカーが緊張し、GA-4は2021/2/17以降取得データが乱れていたため、降伏している状態で凍上力が作用すると、破断に至りそのデータを削除している。図より、アンカーの定着得ることが確認された。

後一時的に荷重が低下するGAもあるが、いずれのGA凍上抑制として断熱対策を施したGA-2～GA-5は、も時間の経過に伴い凍結深が深くなり、荷重が増加しいずれもGA-6（無対策）と比較し、荷重が抑制されており、受圧板に凍上力が作用していることがわかる。ていた。作用した荷重の最大値の時期に着目すると、アンカー破断試験用のGA-1は、2021/2/7の12時にいずれも2月中旬であり、日平均気温の累積値が最低荷重が消失していることから、11時から12時の間に破となる時期よりも早い。これは既往研究の調査結果と断していることが確認できる。撮影した映像より、破同傾向である6)。

GA-2

GA-1
151510101010

変位量（cm）
変位量（cm）

変位量（cm）
変位量（cm）

測点1測点2
測点3測点4
測点5測点6
測点71515500-5−500−5-5−10-10-10−10-15−1555-15−15012/22
1 2 1/20
3 4 2/17
5 6 73/17
8 94/14
10 115/12
12 13 6/9
14 15012/22
1 2 1/20
3 4 2/17
5 6 73/17
8 94/14
10 115/12
12 136/9
14 15GA-3

1531515

1010

10
10

変位量（cm）
変位量（cm）

4変位量（cm）
変位量（cm）

GA-1～3、GA-5、6GA-4

15155500−5-5−10-10-15−1525500−5-5−10-10-15−15012/22
1 2 1/20
3 4 2/17
5 6 73/17
8 94/14
10 115/12
12 13 6/9
14 15012/22
1 2 1/20
3 4 2/17
5 6 73/17
8 94/1410 115/12
12 13 6/9
14 15GA-51

53変位量（cm）
変位量（cm）

74151510101010変位量（cm）
変位量（cm）

GA-45500-5−5-10−1026-15−152/17012/22
1 2 1/20
3 4 56 73/17
8 94/14
10 115/12
12 13 6/9
14 15

0-5−5-15−15012/22
1 2 1/20
3 4 2/17
5 6 73/17
8 94/14
10 115/12
12 13 6/914 15b） 測量結果
図－7№835

55-10−10a） 各 GA の測点

寒地土木研究所月報

GA-615152022年９月

各GAの変位量の測量結果（2020年12月～2021年6月）

25

２．４．３

受圧板変位量は確実に低減可能である。

各GAにおける変位量の測量結果を図－7に示す。

・GA受圧板直下の凍結深とGAに作用する荷重の計測

なお、測量を開始した2020/12/22の結果を変位量結果より、今回の検討の範囲では、植生マット＜0cmとし、受圧板上面方向への変位を正、下面方向へFFU＜XPSの順に断熱性能の高さが伺える。の変位を負とする。2021/2/7にアンカーが破断した・各GAの受圧板変位量の測量結果より、凍上抑制とGA-1は、アンカー破断以前の2021/2/3までのデータ

して断熱対策を施したケースはいずれも無対策と比を示し、植生マットを敷設・被覆したGA-2は、アン較し、受圧板の変位量は抑制されていた。

カー頭部の測量結果を示す。

・また、受圧板の変位量の大小関係は凍結深の大小の

この図より、測量を開始した12月下旬から2月中旬

結果と一致しており、断熱性能の高い断熱対策を施にかけて、すべてのGAで受圧板上面方向に変位が発すことで凍結深の侵入を抑制し、受圧板の変位量も生していることがわかる。凍結深の経時変化を示した抑制されることが確認された。

図－5と各GAにおける荷重の経時変化を示した図－6より、受圧板の変位は、凍結深の進行に伴い受圧板に参考文献凍上力が作用したためと考えられる。また、断熱対策の有無によらず、各GAに作用する凍上力が低下する31) 	 公益社団法人地盤工学会北海道支部 凍上対策工

月中旬以降に受圧板下面方向に変位が発生しており、の調査・設計法に関する研究委員会：斜面の凍上

4月以降は測量を開始した12月下旬と同程度またはそ対策の調査・設計マニュアル（案）、2016．

れ以下の高さとなっている。
GA-4とGA-5は凍上抑制対策として、同じサイズ、厚さのFFUを使用しているが、受圧板のサイズが小さいGA-4ではFFU端部で3cm～13cm程度の変位が発2) 	 社団法人地盤工学会：地盤工学用語辞典、p.78、
2006.
3) 	 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、2012.

生した（図－7、GA-4測点6、7参照）。受圧面積が対4) 	 佐藤厚子、畠山乃、野上敦、安達隆征：グラウン

策面積よりも小さい条件で、受圧板下面に凍上抑制対ドアンカー工および地山補強土工に作用する凍上策としてFFUを敷設する際には、凍上力の作用に伴力の測定例、地盤工学会北海道支部技術報告集、

いFFU端部で変位が発生する可能性がある。

第59号、pp.177-184、2019．

凍上抑制として断熱対策を施したGA-2～5は、い5) 	 山木正彦、佐藤厚子、畠山乃、池田淳、飯塚孝之、

ずれもGA-6（無対策）と比較し、受圧板の変位量

中村剛：寒冷地におけるグラウンドアンカーの荷は抑制されていた。受圧板の変位量はXPSを敷設し重挙動、令和元年度土木学会北海道支部論文報告

たGA-3が最も小さく、次いでFFUを敷設したGA-4、集、第76号、C-01、2020．

GA-5、植生マットを敷設・被覆したGA-2、無対策の6) 	 山木正彦、佐藤厚子、畠山乃、池田淳、飯塚孝之、

GA-6の順に小さい結果となった（GA-3＜GA-4＜GA-5

中村剛：グラウンドアンカーの凍上対策に関する＜GA-2＜GA-6）。これは、先述の凍結深の大小の結果試験施工、令和2年度土木学会全国大会第75回年と一致しており、断熱性能の高い断熱対策を施すこと

次学術講演会講演概要集、Ⅲ-304、2020．

で凍結深の侵入を抑制し、受圧板の変位量も抑制され

7) 	 社団法人地盤工学会北海道支部 地盤の凍上対策ることが確認された。

に関する研究委員会：寒冷地地盤工学～凍上被害とその対策～、pp.3-7、2009．
３．まとめ

8) 	 公益社団法人地盤工学会：地盤材料試験の方法と解説［第一回改訂版］―二分冊の1―、pp.253-272、2020-2021年の冬期に実施した、断熱によるGAの凍上対策に関する試験施工および調査・計測により、以下の結果を得た。

2020.
9) 	 社団法人日本道路協会：道路土工要綱、pp.377387、2009．

・GA受圧板もしくは地表面の断熱により、冬期の地中凍結深を低減することで、GAに作用する凍上力

26

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2022年９月

御厩敷 公平
ONMAYASHIKI Kohei

山木 正彦
YAMAKI Masahiko

林 宏親
HAYASHI Hirochika

佐藤 厚子
SATO Atsuko

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地地盤チーム
研究員

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地地盤チーム
主任研究員（現 土木研究所企画部研究企画課研究評価・国際室長）
博士（工学）

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地地盤チーム
上席研究員
博士（工学）
技術士（建設・総合技術監理）
APECエンジニア（Civil）

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地地盤チーム
特任研究員
博士（工学）
技術士（建設・総合技術監理）
APECエンジニア（Civil）

寒地土木研究所月報№835

2022年９月

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