02-12
降雨履歴が湿潤線降下に伴う斜面変形挙動に与える影響(独) 防災科学技術研究所○石澤友浩
高知大学 笹原克夫(独) 防災科学技術研究所 酒井直樹
(独) 防災科学技術研究所 福囿輝旗1 はじめに
近年，降雨時の土砂災害警戒情報は，広域な範囲での警戒情報が発せられる．一般的に，降雨時の斜面を不安定化させる原因は，降雨により地下水面が形成され，その後地下水が上昇し崩壊に至る場合が考えられる．しかし，地下水位が形成されない不飽和状態において，飽和度上昇に伴い斜面変形が進行して崩壊する場合も存在する 1)．今
後，局所的な斜面の危険性を客観的な情報で知らせる土砂災害
WL: Water gauge
SW: Soil moisture meter
TM: Tensiometer
SD: Inver wire extensometer
IC: Inclinometer
VD: Displacement meter

発生予測支援システムの開発が望まれているため，これらのメカニズムを把握することは重要である．これらのメカニズムを10cm20cm把握するため，単純化した模型斜面を用いた降雨実験をおこな10cm10cm

SW11SW10SW09WL04った．本稿では，湿潤線降下に伴う斜面の変形挙動について着10cm目し，繰返し降雨履歴を与えた実験に基づいた基礎的な検討を10cm20cmした．
2.実験概要図-1 は当研究所が所有する模型斜面の概要図を示している．

30°

図-1 模型実験の概要図

模型斜面の形状は，斜面長 6.0m，幅 1.5m，深さ 0.55m，斜面傾

表-1 試験条件

斜角 30°の傾斜部と，長さ 3.0m，幅 1.5m，深さ 0.5m の平坦部試験試料である．また，この斜面は底面，側面は鋼製で，片側面は斜面変形が観察できるガラス製であり，斜面下端には排水のできる仕切り板を設置した．試験試料はまさ土（茨城県笠間産）を用いており，物理特性を表-1 に示している．模型斜面の作成方法
は，乾燥密度 ρd=1.6g/㎝ 3 となるように層厚 20 ㎝毎に湿潤密度ρsat，含水比ωを確認しながら，人力による締め固めで作成した．
また，計測機器の設置は，上記作業と同時におこなった．
この実験での計測は，表-2 に示す計測機器を図-1 に示す位置に設置した．

SW03
SW02
SW01
WL02

WL01

Drainage

TM01
TM02
TM03
TM04
TM05

SW08
SW07
SW06
SW05
VD05 SW04
VD04 WL03
VD03
VD02
VD01

SD00
IC06
IC05
IC04
IC03
IC02
IC01

期間

まさ土

備考

自然降雨期間NR

2010/6/21,15時～

模型斜面に自然降雨を与えた期間
7/29,10時10分（茨城県笠間産）
防護期間(7/29, 10時10分～9/10,13時17分) 防護シートを設置し，降雨影響はない．
D10=0.3mm,
人工降雨：計10回
D50=1.2mm
降雨履歴01～09：ρd=2.643g/cm3
2010/9/10,13時17分～ （時間降雨量30mm/h，2時間：計9回）
k 15=5.0×10-3cm/s 人工降雨期間AR
降雨履歴1010/18, 16時55分
w0=7.1%（時間降雨量50mm/h，変形が生じるまρs =1.601g/cm3で散水した．：計1回）

表-2 計測機器
設置カ所・設置場所

計測機器

記号

水圧式水位計

WL01～04

4カ所

土槽底面上

テンシオメータ

TM01～05

5カ所

5深度（10cm毎）（斜面下から約3.0m）
斜面上（斜面下から約3.0m）

伸縮計

SD01

1カ所

地表面変位計VD00

1カ所

斜面上（斜面下から約3.0m）

鉛直変位計

VD01～05

5カ所

5深度（10cm毎）（斜面下から約3.0m）

連結式傾斜計IC01～06

6連

盛土内(9.2cm毎）（斜面下から約3.0m）

土壌水分計

SW01～11

11カ所

中段5深度(10cm毎）（斜面下から約3.0m）

雨量計

RG01

1カ所

土槽脇

上段3深度（地表面から10cm,30cm,50cm）の降雨履歴を与えた実験の後，計 10 回の人工降雨履歴を与えた

下段3深度（地表面から10cm,30cm,50cm）
注) 計測期間中,停電などの影響で，欠測機器や欠測期間がある．

実験をおこなった(表-1 参照)．

腹部の模型地盤内の浸透挙動，変形挙動を把握するため，体積含水率θ，圧縮ひずみε，せん断ひずみτに着目した．そのため，体積含水率θは FDR 式土壌水分計（SW04～08），斜面内部の圧縮ひずみεは斜面内に設置した鉛直変位計 2)（VD01～05），せん断ひずみτは 6 連結式傾斜計（IC01～06）より得た計測結果を分析した．
図-2 は，斜面中腹部に設置した設置深度の異なる土壌水分計（SW04-08）より得られた体積含水率の経時変化を示している．

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Rainfall history
1 st 2 nd 3 rd

4 th

Rainfall intensity

SW04 SW05

5 th

6 th

7 th

9 th10th

Precipitation
intensity

SW06

SW07

8 th

SW08

Water con. by vol.
SW08(GL-5cm)
SW07(GL-15cm)
SW06(GL-25cm)
SW05(GL-35cm)
SW04(GL-45cm)

201020 /09
10 /120 /09 0
10 /120 /09 3
10 /120 /09 610 /120 /09 910 /2
20 /09 210 /220 /09 510 /220 /10 810 /0
20 /10 1
10 /0
20 /10 410 /0
20 /10 710 /120 /10 0
10 /120 /10 310 /1/1 60/19

本稿では，自然降雨後の繰返し人工降雨実験における斜面中

Water content by volume (%)

3.実験結果605550454035302520151050図-2 体積含水率の経時変化と降雨履歴

0102030405060708090100110120

Precipitation intensity (mm/hour)

この実験における降雨条件は同一模型斜面に約 40 日間の自然同図より，降雨を与えることに応じて，体積含水率が上昇し，

20

Water content by volume (%)

降雨が終わると体積含水率は減少することが明瞭である．また，降雨開始時の初期体積含水率θini に着目すると，このθini がほぼ同様な値を示しており，降雨履歴 1 を除いて，斜面内の初期水分状態がほぼ同様な条件下で実験を行えたことがわかる．
結果の一例として，図-3 は，降雨履歴 04 における体積含水率，圧縮ひずみ，せん断ひずみθ，ε，τの経時変化を示している．

(a)体積含水率
降雨時間

15GL-0～10cm

δθ
GL-15cmに湿潤前線が到達

5GL-30～40cm

GL-45cmに湿潤線が到達

らの平均値εave, τave を同図に示している．図-3(a)は体積含水率0.0030

θの経時変化を示しているが，表層（GL.0～10cm）では，体積0.0025
Compressive strain ε0

ともに減少している．また，深度が深くなるほど，θの急激な上昇，下降する時刻が遅くなることより，湿潤線が降下する過程が推察できる．そこで，この急激にθが上昇した時点を湿潤線が到達した時刻と仮定し，同図に穴ぬき記号で示している．

03600

GL-5cmに湿潤前線が到達

7200

10800

14400

Time (Sec.)(b)圧縮ひずみ

ε01(GL- 0-10cm)
ε02(GL-10-20cm)
ε03(GL-20-30cm)
ε04(GL-30-40cm)
ε05(GL-40-50cm)
εave

降雨時間

0.00200.0015

GL-45cmに湿潤線が到達

GL-0～10cm

δε

ε ave.

GL-１0～20cm

0.0010GL-5cmに湿潤前線が到達

0.0005

GL-20～30cm GL-30～40cm

GL-40～50cm

0.00000

この到達した時刻に着目すると，隣接する点との時刻差はほぼ

3600

7200

10800

τ01(GL-0-10cm)
τ02(GL-10-20cm)
τ03(GL-20-30cm)
τ04(GL-30-40cm)
τ05(GL-40-50cm)
τave(c)せん断ひずみ
降雨時間0.0015
Shear strain τ

ことから，模型斜面が均質な層であることがわかる．
次に，図-3(b),(c)は，圧縮ひずみ，せん断ひずみε，τの経時変化を示している．同図より，土槽底面付近（GL.30～50 ㎝）の変化は小さいが，表層付近（GL.0～30 ㎝）では降雨開始から14400

Time (Sec.)

0.0020

同様なため，湿潤線の降下速度（浸透速度）は同様な値となる

GL-１0～20cm

0.0010τ ave.

GL-30～40cm

GL-5cmに湿潤前線が到達

GL-20～30cm
GL-0～10cm

GL-40～50cm0.0005
δτのε，τは増加しており，降雨後の排水過程においても変形が0.0000進行していることがわかる．

03600

ここで，湿潤線の降下に伴う変形挙動を把握するため，前述した湿潤線が当該深度に到達した時点と下方の隣接深度でθがGL-40～50cm

GL-20～30cm
GL-１0～20cm

10

同図には計測結果を 10cm 毎の計測深度域に分類し，また，これ含水率θが降雨の散水開始より上昇が始まり，散水が終わるとSW08(GL-5cm)
SW07(GL-15cm)
SW06(GL-25cm)
SW05(GL-35cm)
SW04(GL-45cm)

7200
Time(Sec.)

10800

14400

図-3 体積含水率，圧縮ひずみ，せん断ひずみの経時変化

上昇した時点（同図に塗り潰し記号で示している）での差を，記の体積含水率，圧縮ひずみ，せん断ひずみの変化量を示している．なお，圧縮ひずみ，せん断ひずみの最小精度は，それぞれ 10-4 である．同図よりばらつきが見られるが，体積含水率の変化量δθが増加するほど，圧縮ひずみ，せん断ひずみの変化に伴う吸水過程中の不飽和状態でも変形が進行することがわか

0.00050.0005σε0.0004

0.0004στ0.00030.00030.00020.00020.0001量δε，δτは増加する傾向が見える．これより，湿潤線低下

GL. :δε , δτ
,0-10cm:,10-20cm:20-30cm:,30-40cm:,40-50cm:,

23456789 10 11
Water content by volume δθ

12Shear atrain |δτ|

図-4 は，同条件でおこなった降雨履歴 02～09 の結果より，上Compressive strain |δε|δτとして整理した（図-3 参照）．

0.00060.0006

体積含水率，圧縮ひずみ，せん断ひずみの変化量δθ，δε，0.0001
13

図-4 体積含水率と圧縮ひずみおよびせん断ひずみの変化量った．
４．まとめ
繰り返し降雨履歴を与えた模型実験より，湿潤線降下に伴う変形挙動に着目した結果，湿潤線低下に伴う吸水過程中の不飽和状態でも，斜面変形が進行することがわかった．その変形挙動は，体積含水率の変化量が増加するほど，圧縮ひずみ，せん断ひずみの変化量も増加する傾向がわかった．
[参考文献](1) 笹原克夫，海老原和重，綱木亮介：急勾配斜面の発生機構に関する実験的研究，地すべり，Vol.32, No.4，pp.1-8.
(2) 笹原 克夫, 山口純平, 酒井直樹, 植竹政輝: 降雨浸透に伴う砂質斜面の吸水・排水過程における圧縮・せん断変形，地盤工学
ジャーナル, Vol.6, No.1, pp.129-140, 2011.

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