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令和４年度砂防学会研究発表会概要集

個別要素法による透過型砂防堰堤の押し込み変形の影響解析
防衛大学校 〇嶋川理 堀口俊行 別府万寿博 香月智
１．緒 言
平成26 年長野県南木曾町読書地区で発生した土石流により，梨子沢第 1 砂防堰堤の上部が被災した 1)．この際，堰堤残存部分は水平材の押し込みにより，柱部材に変形が生じていた．梨子沢流域砂防堰堤に関する検討会の報告書 1)では，継手部の損傷と越流礫によって堰堤の水平材および上支保斜材の一部が損傷し，堰堤上部流出に至ったと推定されて

写真－1いる．しかし，この損傷のメカニズムは不明確である．

衝突後の堰堤模型

表－1 連結ばねの諸元

そこで著者ら 2)は，押し込み変形を考慮した模型実験によ

項 目
軸剛性 EA (N)
降伏軸力 (N)
破断ひずみ
曲げ剛性 EI (N･m2)
降伏モーメント My (N･m)
破断回転角 θf (rad)せん断剛性 GA (N/m)
破断変形 (mm)って，堰堤模型に押し込み変形が生じた場合に堰堤の頑健性に与える影響を検討した．その際，水平材の直下まで先行堆積礫が存在した場合に，最も押し込み変形が生じ，上支保斜材に損傷が生起した．しかし，堰堤がどのようなメカニズムで損傷に至ったのか不明である．

先行堆積礫

そこで本研究は，押し込み変形を考慮した模型実験の再移動床現解析によって，破壊メカニズムを検証するものである．

鋼管部
1.89×105
2132
0.032
0.114
1.00.231
1079
3.75

継手部
1.25×105
1360
0.032
0.095
0.7
0.206
712
3.75

水平材

上支保斜材

柱部材

土石流モデル

２．実験の概要 2)

図－1

著者ら 2)は，先行堆積礫高さ 0 %，30 %，50%（それぞれ，初期配置S0，S30，S50）の 3 種類と母材強度比 100 %，母材強度比数はバルサ材の引張，曲げ，せん断試験から決定した．実験

70 %，母材強度比 70 %で押し込み変形を考慮したモデルので切り欠き部には継手部のばねを与え，その他の部分は鋼3 種類の堰堤モデル（それぞれ M100，M70，M70d）の組み管部のばねを与えた．また，実験の連結部材を再現するため，合わせで 9 ケースの実験を行った．写真－1 に，上支保斜材円柱形要素を複数剛結した集合体要素を用いた．に損傷を生じた先行堆積礫高さ 30 %，継手強度が母材の初期配置は，堰堤上流側の堆積部と後方の礫群に分け，上70 %，押し込み変形を考慮したケース（S30 - M70d）の衝突流から流速分布モデルを用いて礫群を流下させた．実験映後の状況を示す．屈曲している上流側柱材継手部と上支保像から，流速は v = 3.0 m/s として与えた．なお，堆積礫には斜材の継手部は破断には至っていないがやや毛羽立ってお後方の礫群が越流するまで流体力は作用しないものとした．

り，損傷が生じている．また水平材は結合部の空隙に約 7

図－1 に S30 の初期配置と名称を示す．解析においてもmm ほど押し込まれていた．

実験同様に，堆積高さが礫 1 個分の移動床を設置した．

同様に押し込み変形を考慮した S0 - M70d と S50 - M70d

解析は実験と同様に 9 ケース行ったが，そのうち押し込のケースでは，押し込み変形が約 2 - 3 mm 生じたが，継手み変形を考慮した 3 ケースの解析結果を示すこととする．

部に損傷および破断は生じなかった．

３．２ 解析結果
図－2 に S0 - M70d の衝突過程を示す．図－2(a)の t = t0 s

３．個別要素法による再現解析

では，土石流モデルの先頭部が堰堤に衝突し，堰堤高の約 3

３．１ 解析諸元割ほどまで礫が到達している．以降，S0 の先頭部が堰堤に礫モデルは，球形要素，水路床は三角形平面要素を使用した．堰堤モデルは，円柱形要素を連結ばねで結合した．
表－1 に，円柱形要素間の連結ばねの諸元を示す．ばね係

衝突した時間を t = t0 s とする．図－2(b)の t = t0 + 0.10 s では，堰堤天端付近まで礫が到達しており，この際水平材の押し込みは 7.5 mm となっており，その後は大きく増減してい－ 129 －(a) t = t0 s(b) t = t0 +0.10 s(d)(c) t = t0 +0.50 s(e)t = t0+0.70 s

t = t0+1.00 s

図－2 S0-M70d(a) t = t0 s(b) t = t0 +0.10 s(c) t = t0 +0.50 s
図－3 S30-M70d(d) t = t0+0.70 s(e) t = t0+1.00 s(a) t = t0 s(b) t = t0 +0.10 s(c) t = t0 +0.50 s
図－4 S50-M70d(d) t = t0+0.70 s(e) t = t0+1.00 s

350

ない．図－2(c)の t = t0 + 0.50 s，以降， 図－2(e)の堆積がS0 と比較して衝突が遅れており，土石流モデルの先頭部は堰堤に到達していない．図－3(b)の t = t0 + 0.10 s では，約 720015050

上支保斜材のうち 2 本の継手部が屈曲し降伏モーメントに0達した．この際，水平材の押し込みは 9.8 mm となっており，0以降も大きく増減していない．また，図－3(d)の t = t0 + 0.70
4 に S50 - M70d の衝突過程を示す．図－4(a)の t = t0 s では，S0，S30 と比較して，流下が遅れており，土石流モデルの先頭部は堰堤まで到達していない．図－4(b)の t = t0 + 0.10 s では，堰堤高の約 6 割ほどの高さまで礫が到達している．この際，水平材の押し込みは 6.7 mm となり，以降も大きく増減していない．図－4(c)の t = t0 + 0.50 s 以降，図－4(e)の堆積が完了した t = t0 + 1.00 s では，S0，S30 と比較して越流が生起しているが，各部材に損傷は生じなかった．図－3 のS30 - M70d のみ上支保斜材が降伏モーメントに達した原因を検討するため，集合体要素を介して上部支保斜材と連結されている上部水平材の軸力応答を確認した．図－5 に，各ケースにおける上部水平材 4 本に作用した軸力の合計値を示す．S30 - M70d では，最大値が 320 N と最も大きくなっており，唯一顕著にピークを生じている．また，上支保斜材が降伏モーメントに達した際には，軸力応答が低下している．これは S0 - M70d と比較して上部に礫が到達しやすく，かつ，捕捉面が S50 - M70d と比較して広く，捕捉面に作用S50100割の高さまで礫が到達している．図－3(c)の t = t0 + 0.50 s でs で上支保斜材 1 本が新たに降伏モーメントに達した．図－S30250

軸力 (N)

3 に S30 - M70d の衝突過程を示す．
図－3(a) の t = t0 s では，

S0300完了した t = t0 + 1.00 s でも部材に破断は生じなかった．図－0.20.4
0.60.8
時間 t (s)図－5 水平材の軸力応答1する荷重が大きくなったことが要因と推定される．

４．結 言本研究は，堰堤模型実験の再現解析により，破壊のメカニズムを検討したものである．以下に成果を示す．
1)押し込み変形を考慮し，下部水平材の直下まで先行堆積礫が存在した場合に上支保斜材が降伏した．
2)個別要素法解析によって上支保斜材の継手部は曲げによって降伏したことを示した．
3)継手部が降伏した要因は，押し込み変形の作用する水平材付近への作用荷重が大きくなることによると推定される．
参考文献
1)国土交通省中部地方整備局多治見砂防国道事務所：梨子沢流域砂防堰堤に関する検討会, 2014.
2)嶋川理，堀口俊行，別府万寿博，香月智：鋼製堰堤の全体破壊に及ぼす接合部の押し込み変形の影響，構造工学論文集，Vol.68A，pp.896-906，2022．

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