報告ハイブリッドバットレス型砂防堰堤の水通しコンクリートに発生したひび割れの原因と対策の検討

浅野慎一*

要旨: 近年の砂防堰堤には，鋼構造とコンクリート構造を組み合せたハイブリッド形式によるものが少なくない。堰堤のようにマッシブな構造物は，若い材齢で発生する温度ひび割れが問題となるが，コンクリート中に鋼部材を埋設する場合には，鋼部材が誘発目地と同様の役割をはたし，この位置にひび割れを誘導する傾向がある。本報告では鋼部材近傍のコンクリートにみられる応力集中や，ひび割れの制御について述べる。
キーワード: 収縮ひび割れ，温度ひび割れ，応力集中，ひび割れ誘発目地，温度ひび割れ対策(3) 配合：D種 19.5N/mm2-5cm-40mm(BB)

1. はじめにA種 27.0N/mm2-5cm-40mm(BB)

砂防堰堤（ハイブリッドバットレス型）の本体を分割施工する工事において，水通しコンク(4) 構造概要
図－１に正面図，図－２にリフト分割図をリートの先行ブロックに，上下流方向およびダム軸方向のひび割れが発生した。竣工前に発生示す。

した変状であるため，原因を推定し適当な処置を実施することがもとめられた。
ひび割れが発生

本業務は，上記の目的のために変状した堰堤

した最終リフトの外観を調査し，解析的検討を行ったものであ

2. 基本条件と構造概要

D種

7 200

水通し部 8 500

検討した結果を記述する。

1 300

A種る。以下では，変状とその原因，対策について(1) 施工場所：山間部（外気温－8～19℃）

10 000(2) コンクリート打設日：200X 年 10 月

図－２

リフト分割図（ダム軸面）

106 000
40 000

今回施工

図－１* (株)シー・アンド・アールコンサルタント

正面図

技術部課長

（正会員）

8 500

既施工部

水通し部

CL3. 外観調査結果
水通しコンクリートの最終リフトに発生したひび割れの状況を図－３に示す。
本堰堤の上下流面は埋設型枠で施工されており，この埋設型枠にはひび割れが発生していなかった。また，ひび割れ以外の特段の変状は認められなかった。
堰堤に発生したひび割れの特徴は，次のとおりである。
①

上下流方向のひび割れは鋼製バットレスに沿って発生している（写真－１）
。
②

写真－２

ダム軸方向のひび割れ

ダム軸方向のひび割れは水通し幅の中央付近に発生している（写真－２）。
これらは収縮ひび割れの一般的な特徴である

4. 変状原因の推定と推察された。平均ひび割れ幅は 0.33mm であ(1) 検討条件った。
10 80010 400①

ひび割れ発生時期：不明②

ひび割れの形態：直角 2 方向③

ひび割れの発生位置
上下流方向：断面欠損部(0.25)

(0.4)
(0.1)

(0.3)

(0.25)
(0.3)

(0.5)

(0.25)

(0.3)

(0.3)

(0.35)(0.35)④

形状寸法：マッシブな 2 方向スラブ⑤

ひび割れ幅：0.1～0.6mm⑥セメント：高炉セメント B 種（C=240～289kg/m3）(2) 推定された原因

横継目

図－３

ダム軸方向：中間部（ほぼ中央）
10 000(0.6)

ひび割れ状況図（平面図）

前述のように，ひび割れの形態は収縮ひび割れの特徴を示している。また，水通しコン
クリートはマッシブな部材であることから，水和熱による温度応力が問題となる反面，乾バットレスの先端から発生している燥は進みにくい。
これらのことから，堰堤に発生したひび割れは温度ひび割れである可能性が高いと推定し，事後解析を行った。
5. 温度応力解析(1) 検討方法
1) 温度解析：2 次元 FEM 法
2) 応力解析：CP 法

写真－１

上下流方向のひび割れ(2) 検討モデル
水通しコンクリート（高さ 8.5m，無筋コン

クリート）は 7 層に分けて打ち上げる構築順の推定は妥当性があると評価された。

序であった（図－２）。1 リフトから 6 リフト
は 14 日程度のサイクルで施工し，最終 7 リフトは 6 リフト上にバットレスを固定する作業を行うため，60 日程度の間隔をあけて打設さ内部れた。
このため，本検討では 6 リフトまでのコンクリートを既設コンクリートとみなし，最終 7

表面リフトは既設コンクリートの外部的な拘束を受けるスラブにモデル化して考えることとした。検討モデルを図－４に示す。
図－５

コンクリート温度の経時変化（7 リフト）（既設コンクリート）

7 200

8 500

1 300

熱伝達境界

表面の照査位置
内部の照査位置内部
断熱境界

固定温度境界図－４

表面図－６

水通しコンクリートの検討モデル

表面(3) 検討結果
検討結果は以下のとおりである。
①

温度応力の経時変化

ひび割れ発生確率 85%

7 リフトは既設コンクリートの拘束の影響を強く受ける。
②

最小ひび割れ指数は内部で 0.61，表面で 0.90 となり（図－７），いずれもひび内部割れ発生確率が 95%以上となる。
③

内部の温度応力が 2N/mm2 を超える材
齢 14 日程度までには，ひび割れが発生し

図－７

ひび割れ指数の経時変化ていたものと考えられる。
これらのことから，「堰堤のひび割れは温度ひび割れである可能性が高い」とする前記

6. バットレスがひび割れの発生に及ぼす影響(1) ひび割れ誘発効果

前章の温度応力解析では，バットレスの影響を考慮していない。したがって，堰堤のひ2N/mm2 のび割れはバットレスがなくても発生する可能
ここで，外部拘束が卓越する壁部材の温度固定引張応力を与えた性が高かったものである。

側鋼板

ひび割れ対策では，ひび割れ誘発目地を使用することが多い。これは，目地材で断面欠損を設け，部材の奥行き長さを分割することによって，目地位置にひび割れを誘導するものである。
本堰堤のバットレスは H 形鋼にチャンネル材を張ったもので（図－８），誘発目地と同様固定

図－９

バットレスが及ぼす影響の検討モデルの構造であることから，これがひび割れを誘発している可能性があることに着目した。
バットレスの先端にどの程度の応力集中が生じているのか検証したので次に述べる。
(2) 検討方法
2 次元 FEM 法により，平面ひずみ問題として解析した。

表－１

検討ケース

解条検討ケース

析件

断面欠損率

CASE1

バットレスなし

0%

CASE2

柱材のみ考慮

10%

CASE3側鋼板を考慮

60%(3) 検討モデル
図－８に示す 1 ブロックの 1/4 範囲をモデル化した。検討モデルを図－９（表－１のCASE3 に相当）に示す。

(5) 検討結果
検討結果を表－２および図－10，11 に示す。
これらは以下のように評価される。
①

断面欠損率と応力集中度との関係には，一次的な相関が認められた。
②H 形鋼ひび割れが発生したと考えられる材齢

14 日時点において，7 リフト標準部に2N/mm2 の応力が発生していたとき，バ側鋼板ットレス先端近傍のコンクリートには5N/mm2 を超える引張応力が発生していたと推定される。
1/4 範囲をモデル化

以上のことから，バットレスの鋼材がひび割れを誘発した可能性は十分に高いと考えられる。

図－８H 形鋼と側鋼板の配置(4) 検討ケース
表－１の 3 ケースとした。

表－２検討結果

検討ケース

断面欠損率

最大引張応力度 応力集中度

CASE10%2.0N/mm2

CASE210%

3.1N/mm21.55

CASE360%

5.5N/mm

22.75

14.0

(2) 構造物の要求性能

応力集中度

コンクリート標準示方書（維持管理編）に
3.0は、構造物の要求性能として図－12 のように示されている。水通しコンクリートの平均ひ2.0

び割れ幅は 0.33mm で，許容ひび割れ幅を前項のように考えれば，ほぼ許容値程度である

1.00102030405060

断面欠損率(%)

図－10 断面欠損率と応力集中度の関係ということができる。
これから，本堰堤のひび割れが要求性能に及ぼす影響を表－３のように評価した。

3.5N/mm2

5.0N/mm2

側鋼板の先端図－12 構造物（部材）の性能の分類 1)
図－11

側鋼板先端部の主応力分布(CASE3)表－３要求性能に及ぼす影響の評価結果

安全性能 使用性能

7. ひび割れが構造物の要求性能に及ぼす影響

―

第三者

―

―

美観・景観 耐久性能―●

(1) 許容ひび割れ幅
ひび割れが構造物の要求性能に及ぼす影響(3) 補修要否の判定

や，補修を実施すべきかどうかを判定する際

寒冷地に立地し，土石流の衝突を受け，洪には，ひび割れ幅を指標として考えることが水を流下させる使用条件を考えれば，許容ひ多い。

び割れ幅以上のひび割れを対象として，耐久本堰堤のように無筋の構造物であれば（用心目的の溶接金網は配置されている），ある程性能の確保を目的とする補修が必要であると評価された。

度過大なひび割れであっても許容されると考えられる。しかし，本堰堤はハイブリッドバットレス型の構造形式で，ひび割れはバット8. 補修方法
(1) 検討条件

レスの鋼材に沿って（または横断して）発生①

ひび割れ発生原因：セメントの水和熱している。

②

補修目的：耐久性能の確保

このようなことから，水通しコンクリート③

鉄筋腐食の有無：無筋構造物の許容ひび割れ幅は，標準的な鉄筋コンクリ④

ひび割れ幅：0.1～0.6mm

ート構造物の許容値に準じて 0.2mm 程度と⑤ひび割れ幅の変動：小さい考えることにした。

2.0(2) 補修方法
上記の条件から，注入工法あるいは充填工

1.5

填工法の場合、流下物の直撃によって補修部分が剥離、脱落することが考えられる。
このことから，本件では注入工法を採用すひび割れ指数法を適用することが考えられる。しかし，充1.00.5ることとした。
中心（原条件）中心（対策時）0.009. 次年度施工分の対策

306090120150180

材齢（日）はじめに述べたように，水通しコンクリート

図－13 内部のひび割れ指数の比較

は分割施工する計画であり，本工事の翌年に後2.0

行側を施工する工程であった。このため，後行部の対策についても検討した。

1.5

一般に，スラブ部材の温度ひび割れ対策としては，次のように考えられている。
①

セメント種類の変更②

表面を温める養生の採用

これらは，工事の経済性に影響を与えたり，ひび割れ指数(1) 対策の提案

1.00.5

表面（原条件）表面（対策時）0.0

養生の適否が対策効果を左右することが多い。

0306090120150180

材齢（日）このため，本検討ではこれらは変更せず，最図－14 表面のひび割れ指数の比較

終リフト高を低くする方法について検討した。
(3) ひび割れ幅の制御

壁部材の場合には，部材高さを低くしても温度上昇を抑制することができず，拘束が大前項のように，ひび割れの発生自体を防止きくなる分厳しい結果を招く。一方，スラブすることは困難である。このため，ひび割れは部材厚を薄くすれば温度上昇を低減するこ幅を制御できる鉄筋量を検討した。
この結果，D13@125mm 程度で配筋すれば，とができる。
本件では，最終 7 リフトを A 種コンクリー
ト（上層 50cm 部分）と D 種コンクリート（残許容ひび割れ幅の半分程度に抑えることができることがわかった。

り 80cm 部分）の境界で分割し，D 種部分を 1～6 リフトに振り分けることとした。

10. まとめ(2) 対策効果

砂防堰堤に発生したひび割れを調査し，その対策案の温度応力解析を実施し，原条件の原因と対策について検討した。この結果，最終場合と比較した結果を図－13 および図－14 にリフトの高さを制限して，ひび割れ制御鉄筋を示す。この結果は次のように評価される。

配置すれば，スラブの温度ひび割れ対策となり①

長期的な環境温度の変化を原因として，うることを確認した。

ひび割れが発生することは避けがたい。
②

材齢の早い段階においてひび割れが発生する危険は相当に改善される。

参考文献
1)

土木学会：2001 年制定コンクリート標準示
方書 [維持管理編], 2001.1