技−56

ＲＣアーチ構造物の実物衝撃実験
─二つ岩覆道実規模衝撃実験─

札幌開発建設部滝川道路事務所（独）土木研究所

寒地土木研究所

○大工秀樹

山口賢司

岡田慎哉

まえがき
我が国の国土は、狭く細長い上に脊梁山脈を形成し、急峻な地形を呈している。そのため、海岸線や山岳部の急な崖斜面に沿って建設された道路は多くのトンネル箇所を有している。また、そのトンネル坑口部は一般的に斜面を背負っており、アーチ構造形式のトンネル坑口部は、落石による衝撃力を受ける場合が想定されることから、鉄筋コンクリート（以後ＲＣ）とし、かつ衝撃力緩和より一般的に敷砂緩衝材や内面補 強 等 の 対 策 工 が 施 さ れ て い る 。（ 図 － １ ）しかしながら、耐衝撃性能についての研究例がほとんど行われていないのが現状である。
本実験は、実物を用いた重錘落下衝撃実験を行い、ＲＣアーチ構造に対する落石衝撃挙動を把握し、アーチ構造の終局耐力を知ることの他、従来の検討では終局耐力を探る手法として用いられている３次元弾性衝撃応答解析（以後ＦＥ

図－１

対策工概念図解析）結果との比較を行い、今後の適切な対策工の計画や実施に向けた可能性を報告するものである。

１．実験の目的
道 内 に は 落 石 対 策 が 必 要 と 思 わ れ る Ｒ Ｃ ア ー チ 構 造 の ト ン ネ ル 坑 口 が あ り 、ま た 、ＲＣアーチ構造の衝撃に関する研究例がほとんどない。
今後、ＲＣアーチ構造の適切な対策工の計画及び、実施を可能とするために、本実験の目的を以下に挙げる。
①ＲＣアーチ構造の終局耐力を知る。
②ＲＣアーチ構造におけるHideki Daiku,,Kenji Yaguchi,Shinya Okada

図－２

解析モデルによる解析耐力限界状態設計法への適用の可能性を探る。

２．事前解析
本実験にあたり過年度において行った、許容応力度法による設計耐力と、ＦＥＭ解析による推定実耐力（図－２）との相違結果、及び考察を以下に挙げる。
１）結果①補強無しでは４０倍以上の耐力の相違が

写真－１

基礎実験状況あると推察される。
②３層緩衝構造、ＲＣ巻立て併用による補強有りでは４倍の耐力の相違があると推察される。
２）考察①実証実験により数値解
析の妥当性を検証しすることによって適切なSTART
寒地土木研究所､室蘭工業大学にて､実施中

効果を確認済み
アーチ構造の衝撃に関する基礎実験（H17～H18
H18実施）

実物大実験を踏まえた事前解析（H17実施）（３次元弾塑性衝撃応答解析）対策工の設定が考えられる。
②２０数カ所（仮定数）
で３層緩衝構造＋ＲＣ

札幌開発建設部、寒地土木研修所、室蘭工業大学にて､実施中

事前参考解析（H16実施）
３次元弾塑性衝撃応答解析

実物大実験（H18実施）

基礎解析（３次元弾塑性衝撃応答解析）

事後解析による検証（３次元弾塑性衝撃応答解析）

アーチ構造における耐荷力算出の定式化
評 価

巻立て＋内面補強の対策工を行った場合約２４億円の工費が想定で限界状態設計法の適用図－３

イメージフロー

きるが、３層緩衝構造のみの対策工では約６億円、３層緩衝構造＋内面補強の対策工の場合は約１２億円となり、適切な対策工の選定によるコスト縮減が考えられる。

３．限界状態設計法に向けて２ ．に お け る 事 前 解 析 の 他 、継 続 し て 行 わ れ て い る 基 礎（ 模 型 ）実 験（ 写 真 － １ ）、
本実験での結果を併せて評価することにより、限界状態設計法の適用が可能となればより精度の高い設計手法を導き出せると考えられる。
（図－３）４．実物衝撃実験
１）実験箇所
本実験対象区間は、一般国道２３１号の旧道となっている二つ岩覆道を利用して、重錘落下衝撃実験を行っ た 。（ 図 － ４ ）（ 写 真 － ２ ）図－４対象区間位置

写真－２

二つ岩覆道区間２）実験モデル・ケース

図－５
表－１

実験モデル

実験ケース

緩衝工の有無の他に、内面補強工として一般的なアラミド繊維、新工法であるスマー
トショットを設定した。
（図－５、表－１）
ここで表－１内、※１）計算耐力は主鉄筋応力度３４５ＭＰａ時の静的荷重（２次元フレーム解析）から振動便覧式を用いて落下高さを算出し、位置エネルギーとして算出。
※２）実験時入力エネルギーは、重錘質量×重力加速度×落下高さにより算出。
３）実験方法・測定方法
実験は、鋼製重錘をクローラークレーンを用いて所定の高さまで吊り上げ、アーチ部中央点に自由落下させることにより行った。なお、落下高さは、ク
レ ー ン 能 力 の 最 大 吊 り 高 さ （ 30m） と し て い る 。
また、重錘頂部表面に設置したひずみゲージ型加速度計による重錘衝撃波形、アーチ内縁に設置した非接触式レーザー変位計による変位波形を測定した。
４）実験結果表－２には実験結果の一覧を示している。なお、判定結果については、道路利用者の安全の考慮から、

写真－３

実験状況

ひび割れだけでは問題ないと考え、剥落があった場合は、コンクリート片が通行車両に衝突、二次災害につながる恐れがあるものとし、アーチコンクリート内面のかぶり剥落を破壊とみなすこととして、判定結果をＮＧとした。
ま た 、 各 実 験 後 の 主 な ケ ー ス の 写 真 を 以 下 に 示 す 。（ 写 真 － ４ ～ ９ ）写真－４

緩 衝 材 無 、 内 面 補 強 無 (300KJ)

写真－５

緩 衝 材 (敷 砂 50 ㎝ )、内 面 補 強 無 (3,000KJ)

写真－６

緩 衝 材 (敷 砂 90 ㎝ )、写真－７

内 面 補 強 無 (3,000KJ)

写真－６

緩 衝 材 (敷 砂 90 ㎝ )、ア ラ ミ ド 繊 維 (3,000KJ)

緩 衝 材 (３ 層 緩 衝 構 造 )、内 面 補 強 無 (3,000KJ)

写真－７

緩 衝 材 (敷 砂 90 ㎝ )、ス マ ー ト シ ョ ッ ト (3,000KJ)

５）ＦＥＭ解析結果と実験結果の比較
実物衝撃実験結果（表－２）と併せ、ＦＥＭ解析と衝撃実験の該当ケース（表－３）を示す。
また、全てデータが揃わないものもあるが、表－３内の肌色着色の比較できるケースデータをグラフ化し、衝撃実験結果からのデータを赤、ＦＥＭ解析結果を青として重錘衝撃力波形、載荷点鉛直変位波形、各最大応答値と衝撃エネルギーの関係性をグラフ化し、比較を行った。

表－２

実験結果表

表－３

各種応答波形比較より、緩衝材
無の場合、重錘衝撃波形の最大値は合っていないものの、変位波形についてはほぼ同様な傾向を示す。
緩 衝 材 （ 敷 砂 90 ㎝ ） の 場 合 は 、波形の他いずれの解析結果とも、

FEM 解 析 該 当 ケ ー ス
重錘質量(ton)

解
析
ケース名

該当する実験実施ケース

N-H1

○130

N-H5○5150

緩衝材

緩衝工
無3

落下高さ(m)

衝突エネルギー(kJ)

N-H7.5○7.5225

N-H10○（変位計測不良）

10300

N-H20○（未計測）

20600

S-H2.5○2.5250

S-H5○

5500

S-H7.5－7.5750S-H10○

101,000

S-H12.5－

12.5

1,250

S-H15－

S-H20○

S-H25－

S-H30

○

T-H5－

2.5250

T-H10○

5500

T-H15－

101,000

T-H20○

202,000

T-H30○

303,000

敷砂
緩衝材
90cm
10

三層
緩衝構造

151,500

202,000

252,500

303,000

同様な傾向を示す。
緩 衝 材 （ ３ 層 緩 衝 構 造 ） の 場 合 に は 、 敷 砂 90 ㎝ の 場 合 と 異 な り 、 波 形 、 最 大 応
答 値 プ ロ ッ ト の グ ラ フ に 関 し て 、 落 下 高 さ 10m ま で は 同 様 の 傾 向 を 示 し て い る 。

図－６

緩衝材無各種応答波形、衝撃エネルギーとの関係

図－７

緩 衝 材 (敷 砂 90 ㎝ )図－８

緩 衝 材 (３ 層 緩 衝 構 造 )各種応答波形、衝撃エネルギーとの関係

各種応答波形、衝撃エネルギーとの関係

５．まとめ
本実験の結果、ＦＥＭ解析による比較結果を踏まえて以下にまとめる。
①ＲＣアーチ構造の終局耐力について
緩 衝 材 無 し の 場 合 は 、300kJ 程 度 の 衝 突 エ ネ ル ギ ー で 剥 落 が 生 じ 終 局 を 迎 え る 。
緩 衝 材 （ 敷 砂 50 ㎝ ） の 場 合 は 、 3,000kJ 程 度 の 衝 撃 エ ネ ル ギ ー で 剥 落 が 生 じ 終局を迎える。
緩 衝 材 （ 敷 砂 90 ㎝ 、 ３ 層 緩 衝 構 造 ） の 場 合 は 、 3,000kJ 程 度 の 衝 撃 に 対 し て も未だ終局に至らない。
②ＦＥＭ解析との比較について
緩 衝 材 無 し 、 緩 衝 材 （ 敷 砂 90 ㎝ ） の 場 合 は 、 グ ラ フ 化 に よ る 比 較 に お い て 大きくかけ離れた傾向はみられない。
ただし、３層緩衝構造においては、心材ＲＣ版の破壊や、ＥＰＳの大変形の再現が難しいものと考えられるため、実験結果と解析結果との相違な部分がみられる。
③ＲＣアーチ構造における限界状態設計法への適用について
本実験の結果を踏まえ、解析結果との関係等を検討し、定量的な数値、係数の 設 定 を 導 き 出 す こ と に よ っ て 、限 界 状 態 設 計 法 へ の 適 用 が 可 能 と 考 え ら れ る 。

あとがき
本実験結果、解析結果を基に、落石等の被災条件による適切な緩衝工の選定判断が可能となるよう、検討を進め、設計法の確立が可能となれば、本実験結果がより適切な計画、設計に反映できるものと期待する。

【参考文献】
寒地土木研究所、室蘭工業大学、構研エンジニアリング
・敷砂緩衝材を設置したトンネル坑口部の落石衝撃挙動に関する実物実験
・実トンネル巻き出し工を用いた各種重錘落下衝撃実験
・アーチ構造の衝撃荷重作用時における三層緩衝構造の緩衝効果
・アーチ構造の衝撃荷重作用時における敷砂緩衝材の緩衝効果