深部地盤におけるアンカー体の周面摩擦抵抗に関する研究

１．はじめに近年，ケーソン基礎工法において，沈設精度の向上および沈下促進などを目的として反力アンカーを用いた圧入システムが導入されている．このシステ
ムでは大きな引抜き抵抗を得るために定着長の長いアンカーが採用されており，アンカー体長が 20～30m に及ぶ長大アンカーが用いられた実工事が報告されている．一方，地盤工学会「グラウンドアンカー設計・施工基準」（以下，「学会基準」）によると，アンカー体長は 3～10m が標準とされており 1)，これを上回るアンカーは通常用いられない．このため長大アンカー体の研究事例は少なく，長大アンカー体の力学的性状は不明確である．
本研究では，深部地盤における地盤とアンカー体の周面摩擦抵抗の関係を明らかにすることを目的とし，模擬アンカー体を作成し土被り荷重を載荷できる実験土槽を用いた室内引抜き試験を行なう．

防災設計工学研究室

飯島正泰

指導教官

海野隆哉

体は，模擬地盤完成後に，アンカー体作製用シースの引き抜きを行ってできる円柱状の孔に，早強ポルトランドセメントを用いた水セメント比50～55%のセメントペーストの打設を行って作製した．学会基準
でアンカー体の圧縮強度を仮設アンカーで18N/mm2以上と定義しているため，アンカー体打設時に作製した圧縮強度試験用供試体（φ50×100mm）の圧縮強度試験を行なってアンカー体の強度発現を確認した上で，引抜き試験を実施した．
表-2

模擬地盤のデータ

細平均粒径 D50（mm）
調整含水比（%）
均 等 係 数Uc
曲 率 係 数 U c’

砂0.215.5
1.860.94

礫まじり砂

砂礫

0.57
5.5
3.29
1.16

8.5
2.5
19.25
1.56

（3）試験方法
図-1に，アンカーの引抜き試験の概要と試験時における各種計測器の配置状況を示した．また，表-3
２．引抜き試験にアンカーおよび模擬地盤諸元を示した．なお，昨（1）試験ケース
表-1 に本研究で行なった試験ケースについて示す． 年度からの改良点として，上載圧載荷用電動油圧ポンプ及びリリーフ弁を導入し，引抜き試験中，上載地盤条件は砂礫・礫まじり砂・細砂の３種類のいず圧の上昇を回避し一定に保持できる制御を行った．
れかとし，それぞれ大小２種類の上載圧力を載荷す
試験ではアンカー体の引抜き荷重，アンカー頭部る試験とした．なお，本試験では全ケースを通じて防食処理を必要としない仮設アンカーを対象とした． 変位，アンカー体変位，テンドンひずみ（４ヶ所）ならびに土圧（２ヶ所）の計測を行なった．載荷方法は単調載荷とし，載荷速度0.05kN/minで引き抜き
表-1 試験ケースを行なった．また，センターホールジャッキのストCase
地盤条件
上載圧
備 考
ロークが最大20cmであることから，アンカー体を1-1
細 砂
180kPa
深度 15m 相当20cm引き抜いた段階で試験を終了することとした．
1-2
細 砂
180kPa
深度 15m 相当
1-3
1-4
2-1
2-2
3-1
3-2

細 砂
細 砂
礫まじり砂礫まじり砂
砂 礫
砂 礫

360kPa360kPa180kPa360kPa360kPa180kPa

深度 30m 相当
深度 30m 相当
深度 15m 相当
深度 30m 相当
深度 30m 相当
深度 15m 相当（2）試験材料および試験準備
模擬地盤には，砂礫・礫まじり砂・細砂を用いた(表-2)．模擬地盤は，ひずみゲージを接着したテンドン及びアンカー体作製用シースを土槽中央部に設置し，含水比調整を行なった試料を投入し，層厚約10cm毎に鋼製の皿（φ24cm）と落下高さ45cm，質量4.5kgのランマーを用いて相対密度70～80％を目標とする締固めを行い，模擬地盤を作製した．アンカー（4）試験結果および考察
試験結果を表-4 に，試験により得られたアンカー体の変位δと周面摩擦抵抗値τの関係を図-2 に示す．なお，縦軸の周面摩擦抵抗τは，試験終了後に模擬地盤内から取り出したアンカー体のアンカー体長とアンカー体周長を測定し，引抜き荷重をアンカー体周面積で除して導き出した値である．地盤とアンカー体との間の摩擦に終局限界状態の破壊が生じる状態，つまり周面摩擦抵抗τがピークとなる値を極限周面摩擦抵抗τu とする．また，昨年度本田らが行なった上載圧σv=０kPa の試験結果を参考データとして表示した．

定着板

溝付ナット
ロードセル

140

センターホールジャッキ

Case1-1(σ v =180kPa)

反力フレーム

上載圧載荷用H形鋼

850

4035

テンドン

加圧ジャッキ（4台）

模擬地盤

土槽壁面内側に

400

312

上載圧載荷板

テフロンシート貼付け
：変位計

450

アンカー体

1000

100
80

40

無載荷(σ v =0kPa)

0ナット

80

Case1-3(σ v =360kPa)

20

：土圧計

700

拘束具

0250

50
100150アンカー体頭部変位量 δt (mm)

単位（mm）
1000

図-1

Case1-2(σ v =180kPa)

Case1-4(σ v =360kPa)

60：ひずみゲージ
4201425φ140

周面摩擦抵抗 τ （kN/m 2）120200(a)細砂地盤

引抜き試験装置概要図140

地盤材料に細砂を用いた Case1 シリーズの中で，図-2(a)に示す Case1-1 の周面摩擦抵抗が他ケースに比べて突出して大きくなった。試験後にアンカー体を掘り出して目視確認を行なった結果，アンカー体の出来形がアンカー先端に向かって太くなる形状となっており，クサビ効果が働いたことにより引抜き抵抗が増加したためと考えられる．また，Case1-3
はアンカー体変位が小さい時点で周面摩擦抵抗がピークを迎え，以降は周面摩擦抵抗が漸減傾向となったが，他のケースでは無載荷も含めて周面摩擦抵抗にピークが認められず，アンカー体変位が増加するにつれ周面摩擦抵抗も漸増している。
地盤材料に礫まじり砂を用いた Case2 シリーズの結果を，図-2(b)に示す．無載荷も含め，いずれのケースでもアンカー体変位が小さい時点で周面摩擦抵抗がピークを迎え，以降は漸減傾向にある。極限周面摩擦抵抗に関しては，上載圧の大きさに応じて大きくなり，同一アンカー体長・同一地盤条件でも深部に設置されたアンカーの方がより大きな摩擦抵抗が期待できることを示している．

1.0
1.3
0.14

4.0D29345

周面摩擦抵抗 τ （kN/m 2）

80

Case2-1(σ v =180kPa)

6040

無載荷(σ v =0kPa)

200050100
150
アンカー体頭部変位量 δt (mm)200(b)礫まじり砂地盤
1000

アンカーおよび模擬地盤諸元
テンドン
テンドン長 ls(m)公称直径 φ(mm)
降伏点強度(N/mm2)

Case2-2(σ v =360kPa)

100

模擬地盤
高 さ(m) 1.4
幅(m)1.0
奥行き(m) 1.0

周面摩擦抵抗 τ（kN/m2）

表-3
アンカー体
アンカー体長 la(m)アンカー自由長 lf(m)削孔径 dB(m)120800

Case3-2(σ v =360kPa)

600

Case3-1(σ v =180kPa)

400

200

無載荷(σ v =0kPa)

0050100150
アンカー体頭部変位 δt（mm）(c)砂礫地盤図-2
表-4
模 擬 地 盤 試 料
上 載 圧 （ k P a ）平均 ア ン カ ー 体 長( c m )平均アンカー体周長(cm)
極限周面摩擦抵抗τu(kN/m2)

Case1-1
細 砂
180101.8
47.1
130.8

Case1-2
細 砂
18099.1
46.0
44.3

アンカー体頭部変位-周面摩擦抵抗の関係

各ケースの試験結果
Case1-3
細 砂
360
104.3
44.1
38.0

Case1-4
細 砂
360
98.4
45.6
50.8

Case2-1
礫まじり砂
180101.1
44.1
106.2

Case2-2
礫まじり砂
360
101.3
43.9
128.4

Case3-1
砂 礫
180103.2
44.7
542.6

Case3-2
砂 礫
360
102.5
45.5834.1

200

アンカー体頭部からの距離(cm)試験体頭部からの距離(cm)

図-3によると，自由長部では引抜き力とほぼ同じ地盤材料に砂礫を用いた Case3 シリーズの結果を，軸力が作用しているが，アンカー体内部においては図-2(c)に示す．無載荷も含め，いずれのケースでもアンカー体の周面摩擦抵抗の影響で軸力が減少し，アンカー体変位が小さい時点で周面摩擦抵抗がピーその減少割合も一様ではないことが分かる．また，クを迎え，以降は漸減傾向にある。極限周面摩擦抵
図-4によると，引抜き荷重T=10kNの時点ではアンカ
抗に関しては，細砂，礫まじり砂のケースに比べてー体頭部で周面摩擦抵抗が最も大きくなり先端に向非常に大きくなった．試験後にアンカー体を掘り出かって小さくなる傾向となっているが，引抜き荷重して目視確認を行なった結果，アンカー体表面に礫が大きくなるとアンカー体頭部ではあまり周面摩擦が付着していたり，アンカー体表面に礫が擦りつけ抵抗が増加しないものの，アンカー体中央部付近でられたような長さ方向の傷が多数存在するこが確認大きく増加していることが分かる．さらに，極限引された．これは細砂，礫まじり砂地盤のケースでは抜き荷重に達した以降ではアンカー体頭部での周面見られなかった現象であり，地盤中の礫とアンカー摩擦抵抗は小さくなり始め，残留状態においてはア体に付着した礫との噛み合わせや，地盤中の礫によンカー体頭部と先端部の周面摩擦抵抗が同程度といる強い拘束力があったことが考えられる．
う結果となった．つまり，アンカー体の引抜き荷重
次に，引抜き時における軸力と周面摩擦抵抗の分が増加して変位が大きくなるにつれ，アンカー体表布について説明する．テンドンに貼り付けたひずみ面に発生している摩擦の抵抗領域がアンカー頭部かゲージから軸力を求め，各引抜き荷重の時点でアンら先端部へ遷移していく傾向が明らかとなった．なカー体に生じる軸力の分布を図-3 に示す．また，各
お，図-3，図-4ではCase2-2の結果を代表例として示区間における軸力の減少分を，その区間でのアンカしているが，いずれのケースでもほぼ同様の結果とー体の周面積で除した値をその区間における周面摩なっている．
擦抵抗であると考え，アンカー体の長さ方向における周面摩擦抵抗の分布を図-4 に示す．
（5）数値解析および考察
150
アンカーの引抜き試験の結果を解析によって再現
Ｔ=10kN 20kN
30kN 40kN 残留域
T=40kNできるかどうかを確認するため，FEM（有限要素法）175(δ t =155mm)による数値解析を行なった．
自200
由
本解析では，PLAXISと呼ばれる既成のFEM解析ソフ
225
長部トを用い，以下の条件によって解析を行なうことと250した．
275
数値解析の各種条件
300
定・解析モデル：軸対象モデル
着325
極限・材料モデル：地盤－Mohr-Coulomb
長T=57kN部
350
アンカー体－Liner elastic(δ t =13.1mm)
375・有限要素メッシュ：６接点三角形要素400・入力パラメータ：単位体積重量γ，変形係数Eref，
0102030405060
ポアソン比ν，粘着力c，内部摩擦角φ，ダイレイタ
軸力N（kN）
ンシー角ψ，インターフェイス強度Rinter
図-3 アンカー引抜き時における軸力分布(Case2-2)
このうち，変形係数については模擬地盤において平板載荷試験を行なった結果から求め，ν=0.3，0極限
c=20kPa，φ=35～40°，ψ=0°，Rinter=0.8～1.0を与T=57kNえた．解析に用いる構造モデルおよび有限要素メッ(δ t =13.1mm)
Ｔ=10kN
シュを図-5に示す．このモデルは土槽深さ，アンカ
25
ー体寸法は引抜き試験と同一とし，土槽半径につい20kN
30kN 40kNては引抜き試験で用いた土槽と等価な断面積をもつ円形土槽を考えている．
50残留域
地盤条件を礫まじり砂および砂礫としたケースにつT=40kN(δ t =155mm)
いて，所定の上載圧を載荷した状態でアンカー体を7520cm引き抜いた場合の解析を行い，引き抜き試験の結果と比較を行なった．礫まじり砂地盤における両者を比較したものを図-6に示す．
100050100

150200周面摩擦抵抗τ（kN/m2）

図-4

ｱﾝｶｰ引抜き時における周面摩擦抵抗分布(Case2-2)

7cm

き時の挙動を再現することは困難であった．地盤条
件を砂礫とした場合の引抜き試験結果と解析結果の比較を図-7に示す．

上載圧力

模擬 アンカー体

450

引抜き荷重 Ｔ（kN）

水平 方 向 固 定

模擬地盤

100cm

140cm

350

解析（σv=0kPa）
解析（σv=180kPa）
解析（σv=360kPa）
無載荷

300

σv=360kPa

400

実験値

250200σv=180kPa

150

実験値

10050

強制変位
鉛直方向固定強制変位56cm（上方に-0.2m）0(a)構造モデル(b)有限要素メッシュ
図-5 構造モデルと有限要素メッシュ

図-760

引抜き荷重 Ｔ（kN）

実験値

40σv=180kPa 実験値

30

解析(σv=0kPa)
解析(σv=180kPa)
解析(σv=360kPa)

20

σv=0kPa 実験値

1000246810

アンカー体頭部変位 δt（mm）(a)アンカー体頭部変位量 0～10mm の範囲
60
σv=360kPa

引抜き荷重 Ｔ（kN）

50

実験値

4030

σv=180kPa 実験値

解析(σv=0kPa)
解析(σv=180kPa)
解析(σv=360kPa)
上載(

2050100150
アンカー体頭部変位 δt（mm）

200

引抜き試験結果と解析結果の比較（砂礫地盤）

σv=0kPaのケースでは引抜き試験結果と解析結果をほぼ一致させることができたが，σv=180kPa及びσv=360kPaのケースではいずれも解析結果が引抜き試験結果に比べて極めて小さい値となった．これは，前述の通り砂礫地盤の場合はアンカー体と周辺地盤との間生じている礫同士の噛み合わせの影響が大きいため，通常の土質定数のみによる解析モデルでは再現が困難と考えられる．

σv=360kPa

50σv=0kPa 実験値0)（5）結論および今後の課題
本研究により次の結論を得た．
① 地盤条件，上載圧力，アンカー体の形状によって，極限周面摩擦抵抗とその後の荷重－変位関係は大きな違いを示す．
② アンカー体の変位が大きくなるにつれ，アンカー体表面の摩擦抵抗領域がアンカー体先端へ向かって遷移する．
③ 今回行なった FEM 解析ではアンカー体と地盤との間のすべりが再現できず，大変位領域における引抜き挙動の解析は困難である．

10σv=0kPa 実験値

今後は解析モデルの見直しを行い，アンカー体と地盤との間のすべりや，アンカー体の変位による地050100150200
盤のダイレイタンシーの影響なども考慮し，解析精
アンカー体頭部変位 δt（mm）(b)アンカー体頭部変位量 0～200mm の範囲度の向上を図る必要がある．解析によって引抜き試
図-6 引抜き試験結果と解析結果の比較（礫まじり砂地盤）験結果の再現が可能となれば，解析モデルを拡張することによって，深部地盤における長大アンカー体
アンカー体変位が0～10mmまでの範囲では解析結果の引抜き時の挙動を明らかにしてもらいたい．
を引抜き試験結果にほぼ一致させることができた．
0

しかし，極限引抜き荷重以降ではアンカー体表面と周辺地盤との境界面に破壊が生じ，境界面にすべりが生じるなど物理的現象が複雑化しているため本解析で用いた解析ソフトでは大変位領域における引抜参考文献.
1)

地盤工学会基準

グラウンドアンカー設計・施工

基準

同解説（JGS4101－2000），社団法人地盤工学会，2003