アルミパイプ軸ひずみ計によるダム堤体内縦方向ひずみの観測
株式会社シンク・フジイ開発部 小村芳生
はじめに島根県内のダムで堤体の補強工事が予定されており、補強方法は堤体上面から鉛直方向に堤体下の地盤に向けて複数の PS アンカーを設置し、ダム堤体と下の地盤を締め付ける方法で行われる。本施工に先立ち、昨年度（平成 30 年）試験アンカーを設置して堤体と地盤の締め付け応力を計測する試験が行われた。この試験では堤体内部や地盤の縦方向のひずみをモニタリングする必要があり、アルミパイプ軸ひずみ計という新たなセンサーを使用して堤体内部の縦方向ひずみの計測を行ったのでここに報告する。
アルミパイプ軸ひずみ計とは一般的に地すべりなどの災害現場で地盤調査に使用されるパイプひずみ計は縦（軸方向）に複数接続して埋設され、すべり面の深度付近で横方向から受けるひずみ応力（パイプの曲がり）を検知する構造になっている。これに対してアルミパイプ軸ひずみ計は径 25 ㎜
肉厚 3 ㎜のアルミパイプ（1m または 2m）にひずみゲージが取り付けられており、パイプひずみ計と同様に縦方向に複数接続して埋設するが、パイプの中心軸方向の応力（長手方向に対しての圧縮、伸長）を計測する。【4 ゲージ（表裏 2 ゲージ）で横方向ひずみをキャンセル】構造図 1・2 参照 これを堤体のコンクリートおよび地盤内に鉛直方向に挿入、全周をグラウトで埋設する。アンカー緊張時、堤体や地盤にかかる応力はグラウトを通して埋設されたアルミパイプに伝わり、パイプの圧縮、伸長方向のひずみとして観測される。
アルミパイプ軸ひずみ計（特注品） ；スペースエンジニアリング（株）製

アルミパイプ（1m）の中央部にひずみゲージが取り付けられており（黒色被覆部分）、これを袋ナットで接続してボーリング孔に挿入する。黒色被覆左側の楕円形部品はスペーサー（孔内でパイプを中心に保持するため）

1m 仕様×8 本（縦に接続して使用）

構造図 1
堤体内の縦方向ひずみ検出機序（模式図）
アルミパイプ軸ひずみ計は右図のようにアンカーとアンカーの間に埋設する。
軸ひずみ計の各ひずみゲージ貼り付け部分からは信号線が堤体上部まで伸びており、歪計測用多チャンネルデータ
ロガーに接続されている（図では省略）
両側に設置されたアンカーによって堤体が地盤に締め付けられると、中央に設置されたアルミパイプがグラウトを介して周囲に追従し、圧縮または伸長する。アンカーが固定されている岩盤とコンクリート堤体との間の地盤の部分で大きく圧縮方向のひずみが検出されることが予想される。

データ収集用ロガー；東京測器 TDS-150

構造図 2実際の試験は左図のように長深度さの異なる 2 本の試験アンカー（18m と 16m）の間に 18mの軸ひずみ計（両側アンカーから 1m の場所）、試験アンカーの外側にも 2 本、各 2m の軸ひ2mずみ計（アンカーから 0.5m の場所）を埋設した。
アルミパイプ軸歪計３2m

アルミパイプ軸歪計１ 18m5m

アルミパイプ軸歪計２2m

試験アンカー１
試験アンカー２
堤体と地盤の境界
地盤と岩盤の境界
アルミパイプ軸歪計は全ての深度にひずみゲージがあるわ
10m

けではなく、堤体上部の深度0.5m～2.5m（0.5m 間隔）と堤体下地盤、岩盤部分の深度9.5m～17.5m（1m 間隔）の点（図中 四角の点）にひずみゲージがある。
試験アンカーの上部にはロードセル、堤体内上部と深部パッカー付近のストランドにもひ16m

ずみゲージが張り付けられており（図中横線）、アンカー緊張時の張力も同時に計測した。また、熱電対も 7 か所に取18mり付け、温度も観測した。

計測結果
アルミパイプ軸歪計（以下、省略して「軸歪計」と呼ぶ）によって堤体内のひずみ計測結果は以下のように得られた。（紙面の都合により主な結果のみ紹介する）
軸歪計の埋設後 軸歪計 18m （深度 9.5m～17.5m）
深度 15.5m↑伸長方向

深度 16.5m

グラウト硬化時（圧縮→伸長）↓圧縮方向

アンカー適性試験

アンカー設置に先立ち、軸歪計が設置された。ボーリング孔に軸歪計を挿入してグラウトを注入すると、グラウトの硬化熱が発生し、グラウトやコンクリートが膨張する。上図グ
ラフは軸歪計の深度別ひずみグラフで、上が伸長方向、下が圧縮方向になる。地下温度約16℃の地下に最初に低温（約７℃）の水とグラウトが入り、一旦は圧縮された軸歪計がその後、グラウト硬化による熱膨張に追従して伸長方向に変位している。深度 15.5m や16.5m のグラフの途中に大きな変化があるが、この深度はボーリング時に孔壁が崩れた位置であり、グラウト硬化時に地盤とグラウトの間で断裂が生じたものと考えられる。
軸歪計 深度 0.5m～1.5m

浅い深度（0.5m～1.5m）の場所ではコンクリートの日当たりによる膨張・収縮が表れている。
（特に深度 1m で顕著。最も浅い 0.5m がそれほど変化していないのは、アルミパイプ上端が堤体の上に突き出しているためと考えられる。
（浅深度 3 か所の軸歪計で同様の結果）
以上のようにアルミパイプ軸歪計はコンクリートやグラウトの熱膨張による体積変化も捉えている。

アンカー適性試験時
アンカーの適性試験はアンカーに設計アンカー力の 15%から 150%までの荷重を繰り返し段階的にかけ（サイクル試験）、健全度を調べるために行われた。

載荷計画表

載荷計画図

アンカー適性試験時のアンカーストランドのひずみ観測結果と軸歪計の実際の観測結果を下図グラフに示す。ここではアンカー２の適性試験時の結果を示す。
（上；アンカーストランドのひずみ下；軸歪計のひずみ）

上図グラフの通り、アンカーに荷重がかかった時、同時に軸歪計のデータも変位しており、アンカーの締め付けによる応力は軸歪計まで伝わり、計測できていることがわかる。次にアンカーのひずみと軸歪計のひずみの変位の最大となる時刻について各データを拾い出し、深度との関係を調べた。

以下のグラフにアンカー2 と軸歪計の各深度観測点（堤体上部とアンカー固着部付近）における適性試験時のアンカーおよび軸歪計のひずみ最大変位との関係（荷重別）を示す。
堤体上部 ←

軸歪計（赤四角が観測点）

アンカー２（深度 16m）

→ 堤体下部

パッカー位置（これより下は固着部）

荷重別 アンカー2 ひずみ
1.50 TD
1.0 TD
0.5 TD

荷重別 軸歪計変位最大値↑伸長0.5 TD

1.0 TD↓圧縮1.50 TD

アンカーに荷重をかけた時、堤体下部に働く応力をアルミパイプ軸歪計が捉えている。アンカーのパッカーの上部（地盤）で圧縮方向、パッカーより下（アンカー固着部の岩盤）では逆に伸長方向の力が働いていることがわかる。
長期観測
軸歪計 2m×2 本、18m×1 本の平成 30 年 2 月 12 日（設置）～平成 31 年 3 月 16 日までの 13 か月間のデータグラフを次頁に示す。また、ダム水位と外気温のデータも下に示して比較した。
軸ひずみ計グラフのデータは大まかに 2 種類に分けられ、細かく上下（日変動）し、外気温に応じて緩やかに上下（年変動）しているグラフは浅い位置（0.5m～1.5ｍ）のひずみであり、日変動や年変動があまり見られないものは深い位置（9.5m～17.5m）のグラフである。
軸歪計データグラフとダム水位グラフの上にダム水位が上昇した（最大値付近）時間に縦線を入れてある。

深い位置グラフ

浅い位置グラフ

ダム水位が上昇すると軸歪計のほぼ全てに変動が見られた。貯水量の増加によって堰堤に応力が加わっている様子が、軸歪計のひずみ値の判別可能な変動として捉えられている。
浅い位置（0.5m～1.5m）のひずみの年変動は夏の気温が高い時に圧縮方向に変位しているが、温度が高ければコンクリートは膨張し、軸歪計は伸長方向に変位するはずである。
これについては、コンクリートとアルミの熱膨張係数の違いにより、アルミの熱膨張が周囲のコンクリートよりも大きいため、見かけ上、圧縮方向に変位しているものと考えられるが、この件については今後、検証が必要である。堤体の深い部分では温度がほぼ 16℃で一定であり、この部分では年変動は見られない。
おわりに鉄筋などにひずみゲージを貼り付けた軸歪計はすでに知られており、軸そのものに張力をかけてアンカーとして使用し、張力によるひずみをモニターして健全度を調べるものとして使用されている。
今回の試みでは鉄筋などより柔らかく、塩ビ管より耐久性と強度の高いアルミパイプにひずみゲージを張り付け、パイプそのものには荷重はかけず、グラウトで埋設して周囲のコンクリートや地盤と同様に圧縮や伸長させ、ひずみをモニターするという他に前例のない方法をとった。このため、この方法で本当にひずみ計測が可能か（アンカーから 1m離れた位置で堤体や地盤のひずみの変位が測定精度以上で得られるか）、グラウトを介して周囲の応力がアルミパイプまで上手く伝わるか、など心配も多かった。グラウトについては、固化後、固すぎれば周囲の応力が内部に伝わらず、また、柔らかすぎても周囲の応力を吸収してパイプまで伝わらないと考えられた。今回、アルミパイプ周囲に注入したグラウトは W：C＝１：１（W/C＝0.5）とし、固化後に計測結果を上手く得ることができたが、このグラウトの W/C 比が適正かどうかはわからない。グラウトの硬さを最適化出来れば、堤体のひずみをより正確に捉えられるかも知れない。また、長期観測における年変動から、周囲の温度変化がある場合、アルミ軸歪計と周囲のコンクリートとの熱膨張係数の違いにより、生データが実際の堤体の動きと異なる挙動をすると考えられ、詳細な検証とそこから温度補正方法を導く必要もある。これらは今後の課題と言える。
少なくとも温度条件が一定である堤体深部において、アルミパイプ軸歪計は縦方向のひずみを感度良く捉えており、1 年以上に渡り劣化など観測上の問題は見られない。ダム堤体に限らず、様々な構造物や地盤の軸方向のひずみ計測に応用が可能なセンサーと考えられる。今後（株）シンク・フジイではアルミパイプ軸歪計のさらなる活用、応用を目指していく。