落石防護柵基礎の安定性照査手法の提案に向けた基礎的実験｜建設情報クリップ

2023-05-29
特集斜面防災 | 積算資料公表価格版

落石防護柵基礎の安定性照査手法の提案に向けた基礎的実験

はじめに

山岳部や海岸線の道路沿いには、落石災害を防止するための落石防護施設が数多く設置されている。
そのうち従来型落石防護柵（以下、防護柵、写真－1）は、H形鋼支柱、ひし形金網、ワイヤロープ等の部材を組み合わせた施設で、広く採用されている。
この防護柵の基礎の形式は、落石防護擁壁（以下、擁壁）を兼ねるものや土中にコンクリート基礎を設けるものがある。
そのうち、擁壁を基礎とするものは、支柱を無筋コンクリートの擁壁躯体内に埋設する。
この支柱や基礎に関する防護柵の設計は、落石対策便覧_1）（以下、便覧）に基づいて行われているが、擁壁を基礎とした場合の落石防護柵の安定照査は以下の様な課題が指摘されている_2）。

1）落石に関する入力条件としては落石の衝突位置のみであり、落石の質量、衝突速度、運動エネルギーといった条件が考慮されていない。

2）落石の衝突位置が落石防護柵の下方になるほど、また支柱の降伏モーメントが大きくなるほど基礎の転倒に対する安定度が小さくなる。

写真－1　従来型落石防護柵

これらの課題解決のため、本研究では落石防護柵に落石が衝突した場合の落石防護柵基礎の保有性能を把握するための実証実験を実施し、落石防護柵基礎の安定性に関する合理的な照査手法を確立することを最終目標としている。
本稿では、中間支柱を埋設した擁壁基礎に対し落石が中間支柱に直撃する場合について、落石を模擬した重錘の衝突位置および落下高さを変化させた実験を行い、鋼製支柱の変形や擁壁基礎の回転挙動を検討した既報_3）を一部修正して紹介する。

１.実験概要

１．１試験体概要

試験体の形状寸法図を図－1に示す。
擁壁基礎の断面形状は、高さH=2m、天端および基部の壁厚がそれぞれB₁=0.5m、B₂=1.3m、擁壁背面（重錘衝突面）は鉛直、擁壁前面（衝突背面）は1：0.4の勾配とした。
この断面は、擁壁延長を10mと想定し便覧の慣用設計法を用いた安定性照査を行い決定した。
この10mという延長は落石防護柵延長30mに対し施工打ち継ぎ目地を仮定して設定したものであるが、中間支柱を鋼製のH-200×100×5.5×8、SS400とした条件下で、落石の衝突位置を擁壁天端から高さ1.4mとした場合に安定性が確保される結果を得る。
この断面は実構造物においても使用実績がある。
一方、実験に用いた試験体の擁壁延長は、実験環境の制約および中間支柱の設置実態が擁壁上に3m間隔に設置されていることから、支柱1本が分担する擁壁延長である3mとしている。

中間支柱の根入れ深さは、図－1に示すように擁壁底面までの2mの深さとした。
また、載荷位置にはフランジの局部座屈を防止するためにスティフナーを溶接している。

図－1　試験体の形状寸法

１．２試験体の設計照査方法による評価

ここでは、実験結果と比較するために、擁壁延長3mの試験体に対し、支柱の変形や擁壁回転運動について便覧に示されている安定照査方法等による評価を行う。
製作した試験体の安定性を、図－2（a）に示すような力のモーメントのつり合い式（1）から計算すると、水平荷重によるモーメントが試験体の自重による抵抗モーメントを超えると回転運動を開始することになり、その条件は下記式となる。

Pl=WX_G （1）
ここに、P：水平荷重（kN）、l：擁壁底面からの作用高さ（m）、W：試験体の自重（kN）、X_G：試験体の重心からつま先までの距離（m）である。

いま、水平荷重の載荷位置を擁壁底面からそれぞれ3.4m（擁壁天端から高さ1.4m）、2.6m（擁壁天端から高さ0.6m）の高さとすると、擁壁が回転を開始する荷重は、上式からそれぞれP=29.8kN、39.0kNとなる。

また、支柱の下端が塑性ヒンジを形成するのに要する力F_yは、次式_1）より求められる（図－2（b）参照）。

F_y=M₀/h₂=σ_yZ/h₂ （2）
ここに、M₀：塑性モーメント（kN･m）、h₂：荷重の作用高さ（m）、σ_y：支柱H形鋼の降伏強度（SS400で235N/mm²）_1）、Z：H形鋼の断面係数（181×10³mm³）である。
式（2）より載荷位置が1.4m、0.6mの場合には、F_yはそれぞれ30.4kN、70.9kNとして算出される。

以上より、擁壁が回転を開始する水平荷重Pと支柱基部に塑性ヒンジが形成される荷重F_yを比較すると、いずれの載荷位置においても、Pyとなる。
このことから本実験の載荷設定においては、静的な力のつり合いによる試算上は、支柱が塑性ヒンジを形成せずに、擁壁は回転することとなる。

さらに便覧の慣用設計法に基づく本試験体の安定性の照査を行う。
便覧では、支柱の基部に塑性ヒンジが形成される時の荷重F_yと自重との合力が作用する点の偏心量を求め、その値が底版幅Bの1/3以下であれば安定性が確保されるとしているが、計算では衝突位置に係わらずB/3<eとなる（B/3=0.433m、e=0.662m）。

図－2　荷重と作用位置の関係

１．３実験方法および計測項目

実験概要図およびロードセル一体型重錘の形状寸法を図－3に、実験状況を写真－2に示す。
衝撃荷重は、質量1,000kgのロードセル一体型重錘（以下、重錘）を、高さ約10mの門型フレームの上部吊桁から4本のPC鋼棒（Φ17mm）を用いて吊り下げ、振り子運動により支柱に衝突させることによって載荷した。

擁壁は直接基礎の場合、地盤が良好な箇所か良質土等に置き換えた地盤に設置される。
今回の実験では、既往の実験結果_4）において、動的挙動に対し基礎地盤による影響が認められなかったことから、擁壁をコンクリート基盤上に設置している。
また、載荷による擁壁の運動を回転のみに制限するため、コンクリート基盤上に擁壁つま先部に接するストッパー（L型アングル）（図－3参照）を設けることとした。

実験は、表－1に示すように重錘の載荷位置、落下高さを変化させた全8ケースについて実施した。
表中の試験体名は、第一項目目は擁壁天端からの載荷点高さ（L1.4：載荷位置1.4m、L0.6：載荷位置0.6m）を表し、第二項目目のHに続く数値は衝突位置を基準とした重錘の落下高さの設定値を示している。
また、表中には高速度カメラ画像から算定した重錘衝突速度、重錘衝突速度から算定した重錘衝突エネルギー、実験時のコンクリート擁壁の圧縮強度および使用したH形鋼の降伏点を記載している。
なお、載荷位置はそれぞれ実防護柵において落石が下から5本目と6本目のロープの中間部および2本目と3本目のロープの中間部に衝突する場合と同じ高さの、擁壁天端から1.4mおよび0.6mとした。

本実験における計測項目は、（1）上面から撮影した高速度カメラ画像に基づいて算定したH形鋼支柱の天端および擁壁天端の変位、（2）側面から撮影した高速度カメラ画像に基づいて算定したH形鋼支柱および擁壁の変位・回転角、（3）重錘先端部に配置したロードセルによる衝撃荷重である。
なお、高速度カメラの有効画素数は1,600×1,200、フレームレートは2,000fpsである。
ロードセルから得られる荷重は、サンプリング周波数を10kHzとしてデジタルデータレコーダにて収録した。

図－3　実験概要図

表－1　試験ケース一覧

写真－2　実験状況

２.実験結果および考察

２．１重錘衝突による支柱の変形挙動

側面に設置した高速度カメラから撮影したL0.6-H2.0のケースを重錘衝突時から300ms後までの画像を写真－3に示す。
また、擁壁の真上に設置した高速度カメラ画像より算定した支柱天端の最大変位と残留変位を表－2に示す。
前述の試算では、支柱は塑性変形に至らずに擁壁が回転する結果となった。
しかしながら、実験結果は、全ケースにおいて支柱は塑性変形するとともに残留変位が認められる結果となった。
また、後述するように支柱の塑性変形とともに擁壁も回転（浮き上がり）していることが確認されている。
またL1.4-H1.5、L1.4-H2.0、L0.6-H4.0では支柱の載荷方向と直角方向に大きな変位が現れており、これらについては支柱の弱軸方向にも比較的大きな変形が生じている。

重錘衝突エネルギーと支柱の最大変位角の関係を図－4に示す。
支柱の最大変位角は、重錘衝突エネルギーの増加に応じて増加する傾向を示している。
なお、支柱の強軸方向の変形がピークに至るまでは、弱軸方向の変形が小さいことを確認している。
また重錘衝突エネルギーが同じ場合には、載荷位置が低い方が支柱の最大変位角は小さくなることが分かる。

写真－3　高速度カメラ画像（L0.6-H2.0）

表－2　支柱の天端変位

図－4　衝突エネルギーと支柱最大変位角の関係

２．２重錘衝突による擁壁の回転挙動

本実験では、重錘衝突による擁壁の回転挙動が確認された。
一方、擁壁本体の損傷は天端の支柱フランジ端部近傍に深さの浅いひび割れや剥離が発生する程度であったことから、衝突は擁壁本体構造に損傷を及ぼさないと仮定し、擁壁の回転挙動に限定して検討を行うこととした。

重錘衝突エネルギーと擁壁の最大回転角の関係を図－5に示す。
図には、重錘衝突点の支柱高さ別に実験結果をマーカーで示している。
また、破線は便覧にある擁壁の安定照査の計算法から求めた擁壁の回転角であり、便覧の計算例に即して擁壁の天端（地盤から高さ2m）を落石の作用位置として試算したものである。
その他の条件については、コンクリート地盤のN値をN=100_5）、反発係数をe=1（完全弾性衝突）およびe=0（完全非弾性衝突）とした。

図から、弱軸方向の変形が大きいケース（L1.4-H2.0、L0.6-H4.0）以外は、重錘衝突エネルギーの増加に伴い擁壁の最大回転角は増加する傾向にあり、実験値は擁壁天端部を衝突点とした計算値（破線、e=0）と近似している。
なお、実験値がe=0の破線に近いことについては、写真－3に示されているように支柱に衝突した後の重錘が変形後の支柱、擁壁とほぼ一体となり運動しているためと考えられるが、今後、FEM等による数値解析による分析を加え、検討を進める予定である。

図－5　衝突エネルギーと擁壁最大回転角の関係

おわりに

本稿では、擁壁を基礎とする落石防護柵の安定性照査手法の提案に向けた基礎的検討として、落石が支柱に直撃した場合を想定し、重錘の衝突位置および落下高さを変化させた場合の鋼製支柱の変形および擁壁の回転挙動に着目した実験を行った。
本実験の範囲内で明らかになった事項を整理すると、以下の通りである。

（1）本実験ケースにおいて、落石対策便覧の安定性照査では不合格となるが、実験においては衝撃荷重により支柱は塑性変形し、擁壁は回転するものの転倒には至らなかった。

（2）支柱の変位角は衝突エネルギーの増加に伴い増加し、衝突エネルギーが同じ場合には載荷位置が低いほど小さくなる傾向にある。

（3）支柱が弱軸方向に大きく変形しなければ、擁壁の最大回転角は衝突エネルギーの増加に伴い増加する。

参考文献
1）（公社）日本道路協会：落石対策便覧、2017.12.
2）（公社）地盤工学会：落石対策工の設計法と計算例、pp.215-217、2014.12
3) 山澤文雄、今野久志、中村拓郎、寺澤貴裕、安中新太郎：擁壁を基礎とした落石防護柵の安定性照査手法の提案に向けた基礎的実験、寒地土木研究所月報、No.825、pp.27-32、2021.12.
4) 山澤文雄、今野久志、小室雅人、岸徳光：基礎地盤が異なる落石防護擁壁の耐衝撃挙動、コンクリート工学年次論文集、Vol.39、No.2、p.649-654、2017.7
5）（社）地盤工学会四国支部：落石対策Q＆A、pp.181、2009.12.