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いさぼうネット事務局 佐藤 裕司

 

1. 地山補強土工法の概要

1-1 地山補強土工法とは

現在切土法面や地山の安定化工法として用いられている工法として切土補強土工法があります。一方で鉄筋挿入工,補強鉄筋工など多くの名称が使われています。実務としては,設計計算,設計図,材料調達,施工と一連で行うため,名称のバラツキによる実質的な問題はほとんどありませんが,本工法がより確立した永久工法となるためには実情に応じて理解・整理する必要があります。
 
本工法の基本は土を補強するところであり,広義の”補強土工法”に含まれ,ここから整理します。補強土工法には地山系の工法と盛土系の工法に分けられます。このうち地山系の工法は,人工切土法面か自然地山かで,切土補強土工法,地山補強土工法の名称が使われることが多いようです。また盛土系の工法は,壁のイメージか否かで補強土壁工法,盛土補強土工法の名称が使われているようです。これらは補強する対象による分類と言えます(図−1)。
 

図−1 補強土工法の分類


 
 
 
 
 
 
 
 

1-2 地山補強土工の歴史

地山補強土工は,1950年代にヨーロッパで斜面や切土面を安定化する工法として開発されました。日本には1980年ころに導入され始めましたが,それは斜面ではなくトンネル(NATM工法)でした。吹付コンクリートとロックボルトを用いることによって当時のトンネル支保の考えを一新し早期のトンネル施工を可能としたNATM工法は急速に広まりました。
 
この吹付コンクリートとロックボルト工は,まもなくトンネル坑口などの斜面安定化工法としても採用されるようになりました。
 
1998年には当時の日本道路公団が「切土補強土工法設計・施工要領(案)」を刊行しました。これを機に第二東名などの建設に使われるようになり,特に道路行政域を主体として,日本で急速に斜面に用いられるようになりました。この過程では切土補強土工法という名称が定着しつつありました。
 
一方で掘削仮土留め工や基礎の補強工事など,用途が拡大するようになり,また補強材としても鉄筋以外のものも使用されるようになってきたのを受け,「地山補強土工法」と呼ばれるようになってきました。
 

1-3 地山補強土工の目的

地山補強土工は,斜面に鉄筋やロックボルトなどの比較的短い棒状の補強材を法面や地山に多数挿入することにより,土と補強材の相互作用によって移動土塊や斜面上の岩塊等を安定化させる工法です(写真−1)。
 

写真−1 地山補強土工の施工例


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
多くの場合,法面工(表面工)との併用がなされ,補強材と法面工が一体となり補強効果を増します。一般的には補強材の長さはアンカー工よりも短く,比較的崩壊規模の小さい斜面に適用されます。本工法の採用は,以下の目的が多いようです。
 
①用地制限などにより自然地盤で標準勾配よりも急勾配に切土を行う場合
②既設切土法面を用地の有効利用等の目的で急勾配化する場合
 
 

2. 地山補強土工に用いる補強材

地山補強土工に用いる補強材は,剛性や形状(細長比)の違いにより,①ネイリング(小径補強材),②マイクロパイリング(中径補強材),③ダウアリング(大径補強材)の3種に分類されます(図−2)。
 

図−2 地山補強土工に用いる補強材の分類


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
これら補強材の一般的な選定方法としては,硬い地山で引張り補強効果やせん断補強効果を期待したい場合にはネイリングが,軟らかい地山で引張り補強効果だけではなく曲げや圧縮補強効果も期待したい場合にはマイクロパイリングやダウアリングが選定されます。日本国内では平成10年に当時の日本道路公団から「切土補強土工法設計・施工要領」が発刊されて以来,上記の分類上では”ネイリング”の考え,設計が急速に浸透してきました。
 
①ネイリング(Nailing)
細長比が大きく曲げ剛性の小さい補強材を地山に配置して,主として補強材の引張抵抗によって地山の安定性を向上させる工法。現在日本で用いられているロックボルトや鉄筋補強土工法の補強材のほとんどはこの分類に含まれます。
 
②マイクロパイリング(Micropiling)
ネイリングとダウアリングの中間的な細長比,曲げ剛性を有する補強材を地山に配置して,補強材の引張り抵抗のほか,曲げ抵抗および圧縮抵抗によって地山を補強する工法。代表的な工法として,SP フィックスパイル工法があります。
 
③ダウアリング(Dowelling)
細長比が小さく曲げ剛性の大きい補強材を地山に配置して,補強材の引張り抵抗のほか,曲げ抵抗および圧縮抵抗によって地山の安定性を向上させる工法。代表的な工法として,ラディッシュアンカー工法があります。
 
 
現在,国内で使用されている補強材は,材質から図−3のように分類できます。
 

図−3 補強材の材質による分類


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
また,実際に補強材として商品市場にあるものを紹介します(表−1)。
 

表-1 現在使用されている主な補強材


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. 地山補強土工の表面工

法面工(表面工)には,吹付工や場所打ちの受圧板,プレキャスト製パネルなどがありますが,そのうち場所打ちの受圧板は以下のように分類できます(図−4)。
 

図−4 受圧板の分類


 
 
 
 
 
 
 
 
この中で板は,強度が高く,設置面積が大きいという長所を持ちますが,地下水を遮断したり,施工性に劣るといった短所もあります。そしてこの中で施工例として圧倒的に多いのは吹付枠工です。
 
通常は,地山の地質状況,法面規模,勾配,緑化の有無,永久・仮設,補強効果などを考慮して数種類の法面工を比較して採用工法を決定しています(図−5)。
 

図−5 法面工の工法選定


 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. 地山補強土工における吹付枠工設計のポイント

平成18年11月(社)全国特定法面保護協会から「法枠工の設計・施工指針(改訂版)」が発行されました。地山補強土工における法枠工,特に吹付枠工は,同指針を基本とし,国土交通省も随時新指針によることを通達しています。
 
ここでは地山補強土工+吹付枠工の設計で特に注意を要するポイントを解説します。
 
地山補強土工+吹付枠工の設計でよく問題となるのが,端部の張出しです。この問題については会計検査で問題となりました。上記の指針ではこの問題に対して,アンカー工と補強鉄筋工に明確な考え方の差を示しています(表−2)。
 

表−2 アンカー工と補強鉄筋工


 
 
 
 
 
 
 
 
補強鉄筋工の計算では,設計計算においても,施工においても,張出し部という考え方をしなくてもよい。つまり,設計計算では張出しが極端に長いモデルも,張出しがないモデルも,シンプルな十字の法枠モデルで考えるのです。また,吹付枠工にグラウンドアンカー工を併用する場合は,スターラップを配置することを原則としますが,補強鉄筋工ではこの限りではないとされています。
 
実際に受圧板として商品市場にあるものを紹介します(表−3)。
 

表−3 現在市販されている主な受圧板


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. 補強鉄筋工の設計

5-1 設計図書となる文献

地山補強土工法の設計参考図書としては,表−4に示す文献があります。大別して道路系の流れと鉄道系の流れがあります。ここでは,よくある流れとしての事例を紹介します。
 

表−4 地山補強土工の設計参考図書


 
 
 
 
 
 
 
 
①土木の道路関連の事業
土木の道路関連の事業は概ねが「道路土工−切土工・斜面安定工指針」が優先文献となります。この文献では「極限釣り合い法,疑似擁壁工,2ウェッジ法など様々な考え方が提案されているが,施工実績の多い高速道路の斜面安定に用いられている極限釣り合い法の1つを参考に示す。」としています。基本は設計者責任で行うとのことですが,ほとんどは「切土補強土工法設計・施工要領」で設計されています。
 
②土木の砂防関連の事業
地山補強土工法が多く施工されている急傾斜事業では,「新・斜面崩壊防止工事の設計と実例」が優先文献です。本書では地山補強土工法はロックボルト工として取り扱われていますが,詳細な設計方法の記載はありません。このため多くのケースで「切土補強土工法設計・施工要領」で設計されています。
 
③土地改良の道路関連の事業
「土地改良事業計画設計基準設計(農道)」が優先文献ですが,「道路土工−切土工・斜面安定工指針」に従うこととしています。したがって土地改良の場合もほとんどは「切土補強土工法設計・施工要領」で設計されています。
 
④鉄道関連の事業
鉄道事業の場合は「鉄道構造物等設計標準・同解説 土構造物」に準拠し,「補強土留め壁設計・施工の手引き」によります。ただしRRR 工法は,「RRR−C工法設計・施工マニュアル」によって設計されます。
 
以上のように,特に公共事業の場合はほとんどが極限釣り合い法である「切土補強土工法設計・施工要領」に沿って設計されています。
 

5-2 設計の流れ

 
地山補強土工の設計というと専用工法も多く,鉄筋を主体に考えるのか,表面工を主体に考えるのか,わかりにくくなっています。本工法はあくまでも補強鉄筋による工法であり,鉄筋を主体に決め,その後表面工を決定するのが本質です(図−6)。
 

図−6 設計の全体フロー


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ここでは,「切土補強土工法設計・施工要領」の設計法にしたがって解説します。
 
①地盤定数
このような設計で最も重要性が高いのが地盤定数の決め方です。
 
安定度の基本となる地盤定数の決め方を一律的にまとめることは難しく,事実多くの技術者はそれぞれ独自の考え方を持っています。現実的には技術者がその現場毎で判断することですから,それでいいのですが,近接現場でも全く相異なった考え方がされているケースもあり,最低限の統一的な決め方は必要と思われます。その中で最近の動向を見ていると,図−7の概念を基本としている技術者が多いようです。この問題は設計の最も基本の部分であり,地山補強とはまた別次元の話です。現地での今後予想される危険事象を想定して決定する必要があります。
 

図−7 地盤定数を決める際の考え方


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
②安定計算
安定計算はスライス分割法による極限つり合い安定解析法を用い,所要の計画安全率を確保します。
 
ここで問題なのは地下水の扱いです。本工法は基本的に地下水がある場合,適用しないか,または適切な排水処理を行うことを前提とすることが多いようです。基本設定としては土中の間隙水圧を考慮しないことを目指すべきでしょう。一方で近年,ダム水没(SWL)斜面における本工法の計画も耳にします。実際に地下水位が生ずると予想される場合は,上記のように間隙水圧を考慮しないことが基本であるため,現場ごとに十分な検討と理由づけが必要とされています。例えば,残留間隙水圧が作用しないと判断する理由,地下水が出たり入ったりしても,τが変わらないと判断する理由等は最低限必要でしょう。別の切り口では,近年,道路管理者は維持管理を低減しようとしています。その意味では排水施設を設置することは維持管理が前提となるため,間隙水圧でみて抑止に頼る傾向が増えているのも事実です。
 
③安全率,許容応力度
(1)補強斜面の計画安全率
補強斜面の計画安全率については注意を要するところです。切土補強土工法設計・施工要領では永久(長期)Fsp≧1.20,仮設(短期)Fsp≧1.05,1.10と示されています。しかしその説明では,「永久」とは本線などの永久法面とされています。
 
運用上注意しなければならないのは,同要領はNEXCOの要領であり,この記載は高速道路本線を対象としているのです。同社の事業は別として,公共事業に「同要領に書かれているから……」といっても的外れな説明となります。あくまでも一般の公共事業などの設計では,各現場での計画機関との確認・協議によって決定すべき事項であるのです。
 
ちなみに(公社)全国防災協会が行っている災害復旧技術講習では,表−5の値が参考とされています。また経験上,災害時の計画安全率は同値を使って実施するケースも多いです。
 

表−5 補強斜面の計画安全率


 
 
 
 
 
 
 
 
 
(2)補強材の材質
補強材はSD345を用いることが基本であり,許容引張応力度は表−6がとられています。また仮設の場合の補強材の許容引張応力度は永久の1.5倍が通例です。
 

表−6 補強材の許容引張応力度


 
 
 
 
 
(3)極限周面摩擦抵抗と安全率
よく参考とされる「切土補強土工法設計・施工要領」では,極限周面摩擦抵抗の地盤別の推定値は,「グラウンドアンカー設計・施工基準,同解説」を0.8倍したものとなっています。まずこの意味を理解します。これはアンカー工の極限周面摩擦抵抗が加圧注入した場合の実績値を参考として設定されているのに対して,切土補強土工法ではほとんど無加圧注入されていることによるのです。
 
一方,極限周面摩擦抵抗の安全率は,アンカー工と比較して設計荷重レベルが小さく,プレストレスとして常時緊張力が作用しないことなどを勘案して永久を2.0(アンカー工の0.8倍),仮設を1.5(アンカー工と同じ)としています。
 
切土補強土工法の新工法では加圧注入が可能な工法もあります。この場合,各メーカーはアンカー工と同じ周面摩擦抵抗値を用いることが可能と考え,加えて安全率は永久で2.0をとることとなるため,かなり効率がよくなるとしています。その理由は上記のようであり,合理的な裏付けもあります。極限周面摩擦抵抗値が低い時は新工法を検討することも有効です。
 
 

6. 補強材の配置計画

6-1 補強材の配置範囲

現状では多くの設計者が何の疑いもなく全区間に補強材を配置していますが,想定される不安定化に対し効果的な範囲を詳細検討する必要があります。
 
法尻の補強材はすべりに対して効果が薄く配置すると計算上それが過大な安全率の増加として評価され,危険となる場合があります。配置する場合も計算上の考慮はしない方がよいでしょう。
 
また土被りの少ない法肩の補強材もすべりに対しての抑止効果は薄く,過剰な安全率の上昇として表現されやすいといえます。配置する場合も計算上の考慮はしない方がよいでしょう(図−8)。
 

図−8 法尻・法肩の補強


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
また経済性などの理由から,斜面上部などの補強材の配置を省く場合は,上部の斜面の十分な安全性を確保する必要があります。経済性を求めすぎると,すべり深度の薄い斜面下部に補強材が集中するケースが見られます。特に保全対象が斜面の上部にある場合は上を重点として配置すべきであり,そのための理論武装としてもこの検討は役に立つことがあります(図−9)。
 

図−9 斜面上部の補強


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6-2 配置間隔,配置密度

現状では詳細な検討なしで1本/2m2で補強材を配置しているケースもあります。いわゆる「経験的手法」です。これを使ってよいと明確に書かれているのは「切土補強土工法設計・施工要領」であり,これは高速道路法面でかつ軽微な崩壊のみに適用が認められているだけであり,通常は効果的な配置を目指すべきです。
 
「切土補強土工法設計・施工要領」では,補強材打設間隔は,1.0 〜1.5mとしていますが,十分な付着のとれる岩などに定着し,法枠工など比較的中抜けの発生しにくい堅固な法面工を併用する場合は,2.0mまで飛ばしてもよいとしています。事実,配置間隔が飛んだために破壊した事例はあまりなく,最近は2.0mまでを上限として検討することが多くなっています。
 
特に十分な付着のとれる岩などに定着し,法枠工,コンクリート張工などの堅固な法面工を併用する場合は,1.0 〜2.0mの間で経済的な配置を検討する必要があります。不動層として風化岩以上の岩盤やN値の高い硬質な地盤が存在する場合,一般的にはピッチが大きい方が経済的となります。
 
また実際の検討では枠間隔の他,補強材の削孔径や長さなども経済性の対象となります。主な比較項目は以下の通りです。
 
● 補強材の材料
● 補強材の長さ
● 補強材の配置(水平打設間隔,1断面当たりの設置段数)
● 補強材の削孔径
 

6-3 補強材の打設角度

補強材の打設角度は,基本的には水平面から−10゜〜−45゜で設計します。アンカー工と同じです。
 
理由は注入効率のことを考え,0 〜−10゜は避けた方がよいからです。しかし,もともとトンネルのNATM工法から来ているので0 〜−10゜や上向きが施工できないというわけではないですが,施工に注意が必要なことは事実です。斜面補強においてあえて計画する必要はないでしょう。
 
また,削孔角度を変えると補強効果が変わるため経済性が変わります。上記の配置と同様に,打設傾角での経済比較をすべきという意見もありますが,自然斜面にも適用し,また表層付近の補強であることから,工法の本質としては法面に垂直方向の打設で考えたいものですが,それを踏まえて,次の扱いが妥当でしょう。
 
①施工本数が多く,安定性,経済性を第1に重視した方がよい現場では,すべり面の垂線と補強材のなす角度θ=30 〜40゜を標準とし,地山の土性を考慮して検討する(図−10)。
 

図−10 すべり面の垂線と補強材のなす角度


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
②施工性を第1に重視した方がよい現場では,法面に垂直方向の打設角度で設計する。
※法枠工を反力板として使用する場合は箱抜きの存在を含め,法枠工の配筋が可能か否かを考慮する必要がある。
 

6-4 補強材と削孔径

異形棒鋼を用いる場合はD19 〜D25,削孔径φ65 〜90mmを標準としています。その他新技術を用いる場合は各技術要領などによっています。補強材の材料に関してはプレストレスもないため,アンカー工ほど厳格に規定されていません。
 
次に削孔径ですが,設計の段階で注意を要する決定項目です。削孔径を計画する場合,施工できなければ話になりません。
 
重要ポイントとして,まず孔壁が自立するか否かが問題となります。自立しない場合はφ90mmが前提となり,自立する場合は削孔方法,削孔長などによって,削孔径が変わります。孔壁が自立し,その他条件でもφ65mmの施工が可能な場合は,市場単価の適用が可能であるため,φ90mmよりもかなり経済的な計画となるケースが多いのです。
 
一方,τ値により経済性が逆になるケースもあり地山補強土工の設計積算資料 公表価格版 ’16.05 特集 9ます。τ値が小さく,削孔φ65mmが可能であってもその径では周面摩擦抵抗力が足りず,削孔φ90mmとした方が効率的な計画となるケースもあります。この辺のイメージはアンカー工の設計と同じです。
 
したがってφ65mm,φ90mm両方につき新工法などを含めて検討をするほうがよいでしょう。特に不動層として風化岩やN 値の高い硬質な地盤が存在する場合,一般的にはピッチをとばし芯材強度の大きい材料を用いた方が経済的となります。
 
なお,市場単価の適用には適用条件には明確な制限があります。適用条件外の採用をした場合,現場トラブルとなりやすいので注意が必要です。
 

6-5 補強材長

補強材長さは,施工性と経済性を十分に検討の上決定しなければならない項目です。一般的に,補強材長さは2.0 〜5.0mとされていますが,削孔可能ならそれ以上の実績もあります。
 
補強材の長さに上限を設ける工学的な根拠は無いとされており,現実的にはドリルタイプの削孔機で削孔可能な長さが補強材の最大長となっています。そのため削孔方法や材料の強度などを考慮すると2.0m〜5.0mで考えるのが一般とされているのです。しかしそれらの基準が書かれたのはもう10年以上前の話であり,最近では高性能ドリフタや長いガイドセルを使うことで近年7m程度の長尺削孔も可能となってきています。新工法などで強度の高い材料を使用する場合などは,特に長尺についても検討する必要があります。
 
また,切土補強土工法設計・施工要領では1断面での補強材長さを変化させないのが一般的であるとしていますが,流れ盤のすべりやすべり位置が特定されている場合等は補強材長さを変化させる場合があるともしています。これらは高速道路の法面であり,重要度が高く,施工規模が大きいことが根底となっています。
 
現場によりすべり面の位置や形状に合わせ,また施工規模や施工性にも配慮し,効率的な長さを決定するのが良いでしょう。
 
特に1段1段の長さを変える時など根入れ長については詳細な見極めが必要となります。表−7は実際の検討例ですが,各補強材の補強強度が鋼材強度(Tsa)で決まっているにもかかわらず,T2paが大きすぎ,不動土塊内の付着長が過大となっています。設計スタンスにもよりますが,計算上の無駄は省けます。このような場合は根入れ長を短くしても計算上の安全性は同一なのです。
 

表−7 補強材長さの検証結果


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7. 補強材の許容補強材力

7-1 許容補強材力

地山補強土工法の設計の基本です。補強材の挿入によって安定度が上がるメカニズムは口頭で説明できなくてはなりません。
 
補強材の許容補強材力Tpaは,補強材が移動土塊から受ける許容引抜き抵抗力T1pa,不動地山から受ける許容引抜き抵抗力T2paおよび補強材の許容引張り力Tsaのうち最小のものを用います。3者のうち最弱部で破壊するという考えです。
 
この計算方法は基本です。ただし移動土塊が極めて薄いような現場では,T1paが極端に小さくなる場合があります。このような設計計算ではこの補強鉄筋に抑止力はほとんどないことになってしまいます。このような場合には,「切土補強土工法設計・施工要領」で書かれている「吹付枠工相当以上の法面工を用いた場合にはT1paの検討を無視してもよい」を参考とします。プレストレスはないですが,アンカーのようなイメージで設計するのです。この場合はT2paとTsaのうち弱い抵抗値で設計することができるのです。
 
ただし,この設計法はT1paが受け持っていた分を法面工に全部受け持たせる,ということですので,「吹付枠工相当以上」ではない法面工を用いる場合(特に2次製品の反力板が多いですが),メーカーに資料があることが多く,問い合わせをするのがよいでしょう(図−11)。
 

図−11 補強材の許容補強材力Tpaの考え方


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7-2 腐食代

また,もうひとつ誤りが多いのが,腐食代の問題です。「切土補強土工法設計・施工要領」では,「永久目的で使用する場合は腐食代1mmを鉄筋公称径に対して考慮する。」と示されています。亜鉛メッキによる防食が前提となっています。過去の会計検査では亜鉛メッキが施されていない現場は設計過小とされた事例もあり,設計においてはメッキして更に1mmの腐食代を考慮することがよいでしょう。
 
補強材径=鉄筋公称径−1.0mm
 
 

8. 経験的設計法のチェックをしてみました

先日ある発注者から,「予算がないから経験的手法で……」といわれ,疑問に思いました。それが本当なら,全て経験的手法で行ってもよいことになります。そういえば確認したことがなかったので,この際……と思い検証した事例を紹介します。事例として,風化岩の分布斜面に置いて1:1.0勾配で切ったところ表層が緩み,切土補強土工法にて補強するケースを考えます。
 
まずは自立する地山の表層崩壊に対する対策であったので,「経験的設計法」で計画してみました。10m当たりの工事費は約400万円でした(図−12)。
 

図−12 経験的設計法の場合のコスト検証結果


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

図−13 すべり解析を行った場合のコスト検証結果


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
一方,きちんとすべり解析をし,最も効率的な鉄筋配置や長さとした場合の工事費は,230万円でした(図−13)。
 
以上のように,詳細な解析をした方が合理的な設計計画が可能な場合の方が多いのです。したがって基本的には詳細な検討を行う方が望ましいといえます。詳細な検討といっても,市販のソフトを使えば簡単にできるのですから。
 
 
【出典】


積算資料公表価格版2016年05月号_1

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

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