「南九州から南西諸島における総合的防災研究の推進と地域防災体制の構築」報告書

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ほだかもてぎ
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1 急傾斜しらす斜面に適用可能な現場一面せん断試験装置の開発とその実証試験工学部農学部山本健太郎寺本行芳平瑞樹 1.はじめに日本は森林が国土の約 7%を占め斜面崩壊の大半は表層崩壊で誘因である降雨の影響がかなり大きいしかし崩壊現場においては表層崩壊が生じた斜面と生じなかった斜面もあり斜面そのものの素因植生森林生育状況や地盤特性を調べることが重要であると考えているまた一般的な斜面安定解析においては生態系を考慮した植生による斜面安定性評価や植生の遷移に伴う根系効果表層土層特性や浸透能特性が反映されていないそこで我が国において真っ先に亜熱帯化が懸念される九州地方の最南端に位置する鹿児島県において森林生態学的と地盤工学的観点から火山灰降下軽石被覆斜面の表層崩壊跡地において現地調査並びに原位置試験を行い自然斜面の安定性を調査してきた 1), ), 3), ) そしてより実務的な斜面安定性評価や安定解析の実施には現場にて地盤強度パラメータを許容できる精度で求めることができる現場せん断試験の開発が精度時間コスト面でも重要であると再認識した本研究ではこれまでの成果を踏まえ新たにしらす斜面に適用可能な現場一面せん断試験装置の開発を実施した山間部でも持ち運びが困難でなく試験の実施がシンプルとなるコンパクトな設計を目指した試験装置の開発後はテストフィールドにて現場一面せん断試験を実施し地盤強度パラメータである粘着力(c)と内部摩擦角(φ)を現場にて求めることが可能となった.現地調査テストフィールドを鹿児島県垂水市に位置する鹿児島大学農学部附属高隅演習林に設定した図-1 参照テストフィールドは業務資料空中写真や現地調査を基に表層崩壊の発生年が同定されたものを選定し 13 年度時点で表層崩壊発生後の経過年数は 5 年の範囲となった現在同じ領域内でかつ北向きほぼ同じ標高約 5 m の地点のしらす自然斜面を表-1 に示すように設定した表層崩壊跡地は 35 度程度の急傾斜を成し表層崩壊面積は 9 11m の範囲である写真-1にはテストフィールドでの現地写真の一例を示す No.&5 No.では経過年数と崩壊地面積が最も大きいこれを見ると (a) No.では大きな樹木である常緑広葉樹が多く見られた樹高1m以上ではアラカシスダジイタブノキなどの常緑性高木や常緑性小高木のヒサカキネズミモチが優占していた樹高5m以上を構成する樹種は常緑性高木のアラカシスダジイヤブニッケイタブノキヤブツバキクロキであり樹高m以上を構成する樹種はアラカシスダジイタブノキクロキであった樹高1m未満ではイズセンリョウイヌビワなどが多く出現していたなお最大樹高を示した樹種はアラカシでその樹高は13.mであった桜島調査地鹿児島県表-1 テストフィールドでの表層崩壊特性 No.3 No.5 No.1 No. No. No. 調査地点No. N テストフィールド No. 1 No. No. 3 No. No. 5 No. 表層崩壊発生後の経過年数年 5 斜面平均傾斜崩壊地の面積 m m 図-1 テストフィールド地点国土地理院地形図より作成 173

5m であったこれまでの現地調査により崩壊跡地への森林の侵入は森林の回復に伴う根系の発達や森林による有機物の供給を通じて土壌化を促しこれらの作用は比較的土壌の表層から進行していくことがわかったまた全般的には表層崩壊発生後の経過年数が大きくなるほどさらに地表面に近いほど細粒化が進行している傾向があることが観察された 3.

2 (a) No. (b) No.5 写真-1 テストフィールドの現地写真試験実施後一方 (b) No.5 の樹高 1m 以上では落葉広葉樹に加えてアラカシタブノキなどの後継樹種が侵入していた樹高 5m 以上を構成する樹種は落葉広葉樹のアカメガシワ常緑性高木のアラカシタブノキクロキであった樹高 1m 未満ではイズセンリョウイヌビワなどが出現していた最大樹高を示した樹種はアラカシでその樹高は 7.5m であったこれまでの現地調査により崩壊跡地への森林の侵入は森林の回復に伴う根系の発達や森林による有機物の供給を通じて土壌化を促しこれらの作用は比較的土壌の表層から進行していくことがわかったまた全般的には表層崩壊発生後の経過年数が大きくなるほどさらに地表面に近いほど細粒化が進行している傾向があることが観察された 3.現場一面せん断試験の開発写真- には今回製作した現場一面せん断試験装置 5)を示す現地調査や原位置試験と並行して現場に手軽に運べその場で一面せん断試験ができるように設計製作した試料の寸法は cm cm cm せん断面 5cm 断面積 cm 下部可動型の cm3 と大きくした現場での不撹乱試料を採取して軽石や礫ひげ根などの根系を含んだ試験が可能であるちなみに室内一面せん断試験装置の供試体寸法は直径 cm 高さ cm の断面積.7 cm 体積 5.55 cm3 であるせん断荷重は手動スクリュージャッキ方式で負荷し垂直荷重は垂直応力載荷装置を用いて手動ハンドルにより載荷する両方の力計ともに kn であるせん断速度はストップウォッチで計測しながら 1 mm/min のゆっくりとしたスピードでせん断変位が 3mm まで実施した 5mm まで実施可能せん断変位の測定にはスケール直読と 1 周が 1 mm のダイヤルゲージを用いたそして 1 mm 毎にプルービングリングを目視したなお軽量化を図るために主としてステンレス製とし強度や剛性が要求される箇所においてはステンレス製としていない. 現場一面せん断試験写真-3 にはテストフィールドからの試料採取の状況を示す試料採取はまずスコップで斜面土層の切り出しを行いそれからせん断箱の端をハンドスコップで掘りせん断箱をゆっくりと掘り下げていくことにより試料採取を実施したなお試料採取の深さは地表面から 3cm 程度と設定した写真-3(a), (b)を見ると斜面上部が斜面下部に比べてひげ根などの根系の存在が多いことが観察された写真- には試料採取後の試料の整形状況を示す現地斜面からはスコップを用いて底部から掘り出した写真-(a)はストレートエッジを使って整形中の写真で写真-(b)は整形後のものである写真-5 には試験後にせん断箱内の試料を持ち帰り室内にて 3 日ほど自然乾燥させた時の試料の写真を示すこれを見ると No. 斜面の下部と上部では試料の色が異なり斜面上部が下部に比べて軽石や礫ひげ根などの根系を多く含んでいることが観察できたこのことは写真-3 からも推定できる次に図-, 3 には現場一面せん断試験結果の No. 斜面下部に対するせん断変位とせん断応力 17

3 (a) 上面 (b) 側面写真- 現場一面せん断試験装置 (a) No. 斜面下部 (b) No. 斜面上部写真-3 テストフィールドの試料採取 (a) 整形中 (b) 整形後写真- 試料の整形 No.5 斜面下部 (a) No. 斜面下部 (b) No. 斜面上部写真-5 試験後の乾燥させたせん断箱内の試料 175

4 1 せん断応力 (kn/m ) =. kn/m =9. kn/m =19. kn/m せん断変位 (mm) 図 - せん断変位とせん断応力の関係 (No. 斜面下部 ) せん断強さ (kn/m ) 1 y =.397x R² = 垂直応力 (kn/m ) 図 -3 垂直応力とせん断強さとの関係 (No. 斜面下部 ) せん断応力 (kn/m ) =. kn/m =9. kn/m =19. kn/m せん断強さ (kn/m ) y =.3x R² = 垂直応力 (kn/m ) せん断変位 (mm) 図 - せん断変位とせん断応力の関係 (No. 斜面上部 ) 図 -5 垂直応力とせん断強さとの関係 (No. 斜面上部 ) せん断応力 (kn/m ) =. kn/m =9. kn/m =19. kn/m せん断変位 (mm) 図 - せん断変位とせん断応力の関係 (No.5 斜面下部 ) せん断強さ (kn/m ) y =.3x R² = 垂直応力 (kn/m ) 図 -7 垂直応力とせん断強さとの関係 (No.5 斜面下部 )

5 表 - 現場一面せん断試験から得られた地盤強度パラメータテストフィールド地盤強度パラメータ粘着力 c (kn/m ) 内部摩擦角 φ ( ) No. 斜面下部..3 No. 斜面上部 No.5 斜面下部の関係と垂直応力とせん断強さの関係を示す垂直応力は表層崩壊現象を想定しているため. kn/m 9. kn/m 19. kn/m の 3 通りと設定したまず図 - を見るとせん断応力がせん断変位の増加並びに垂直応力の増加とともに大きくなっていることがわかる図 - ではせん断変位が 3mm までであるが 5mm まで実施しており 3mm まで実施するとせん断応力の最大値であるせん断強さが得られることを確認している図 -3 は図 - から得られたせん断応力の最大値であるせん断強さと垂直応力の関係である 3 つのプロットをまとめ回帰直線とその決定係数 (R ) を示したものであるこれを見ると垂直応力の増大とともにせん断強さが大きくなっており ( 拘束圧依存 ) 良い相関があることがわかる回帰直線から切片と傾きで表される粘着力 (c) と内部摩擦角 (φ) を求めるとそれぞれ c=. kn/m φ=.3 となったなお No. 斜面下部においては乾燥密度. g/m 3 含水比 7.1% であった同様に図 -~7 には現場一面せん断試験結果の No. 斜面上部と No.5 斜面下部に対するせん断変位とせん断応力の関係と垂直応力とせん断強さの関係を示すこれらを見ると図 -, 3 と同様な試験結果の傾向が見られ表 - には現場一面せん断試験から得られた地盤強度パラメータを示すこれを見ると No. 斜面下部が No. 斜面上部よりも斜面傾斜によるゆるみの影響などにより c φともに大きいことがわかるまた原位置試験である土層強度検査棒の試験結果 ) から得られた c φと比較すると c はかなり良好に φは大きく評価していることがわかるこれは土層強度検査棒では人力で垂直応力を与えているためそれほど大きな垂直応力を与えることができず土層強度検査棒では拘束圧依存性を小さめに評価せざるを得ないことに起因しているものと考えられるなお No. 斜面上部においては乾燥密度.97 g/m 3 含水比 3.% No.5 斜面下部においては乾燥密度. g/m 3 含水比 59.1% であったさらに No. 斜面下部 No. 斜面上部 No.5 斜面下部での土粒子密度はそれぞれ.57 g/m 3.1 g/m 3.5 g/m 3 となった 5. おわりに現地調査や原位置試験と並行して現場に手軽に運べその場で一面せん断試験が実施可能な現場一面せん断試験装置を製作したそして火山灰降下軽石被覆斜面の表層崩壊跡地の斜面上部と下部において現場一面せん断試験を実施し現場で地盤強度パラメータである粘着力 (c) ) と内部摩擦角 (φ) を求めることができた得られたパラメータはこれまでの原位置試験結果と比較して比較的良好であったただ本報告では試験結果も限られており妥当性の検証や考察も十分ではない今後はテストフィールドや鹿児島県以外の斜面においても現場一面せん断試験の実施を予定しているそして原位置試験である土層強度検査棒の試験結果との比較検討も実施するまた生態系を考慮した植生による斜面安定性評価や樹木根系が斜面安定効果に与える影響や効果を定量的に評価していきたいと考えているところである謝辞現場試験等については鹿児島大学工学部海洋土木工学科年生笹原駿徳君と九反郁実君の協力を得て実施したここに深く謝意を表します

6 参考文献 1) 寺本行芳山本健太郎岡勝下川悦郎 : 火山灰降下軽石被覆斜面の表層崩壊跡地における森林の回復が土壌の発達と浸透能に及ぼす影響, Journal of Rainwater Catchment Systems Vol., No. 1, pp.3-9, 1. ) 山本健太郎寺本行芳永川勝久平瑞樹伊藤泰隆 : 火山灰降下軽石被覆斜面の表層崩壊跡地における植生回復と表層土の発達について, 第 11 回環境地盤工学シンポジウム論文集, pp.33-, ) 平瑞樹山本健太郎寺本行芳永川勝久 : 南九州の火山灰砂質斜面における表層崩壊予測に関する現地調査と崩壊危険度指標, 地域性を考慮した地盤防災減災技術に関するシンポジウム論文集, pp.57-, ) 永川勝久山本健太郎平瑞樹寺本行芳 : 火山灰降下軽石被覆斜面における表層崩壊予測の現地調査と斜面崩壊リスクの低減, 斜面災害における予知と対策技術の最前線に関するシンポジウム福岡 15 論文集, pp , ) 海堀正博佐々恭二 : 砂防調査用現場面せん断試験機の試作と崩壊調査への適用, 京大農学部演習林報告, No. 53, pp ,

リサーチダイジェスト KR-051 自然斜面崩壊に及ぼす樹木根系の抑止効果と降雨時の危険度評価に関する研究京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻特定教授杉山友康 1. はじめに鉄道や道路などの交通インフラ設備の土工施設はこれまでの防災対策工事の進捗で降雨に対する耐性が向上しつつある一方で

リサーチダイジェスト KR-051 自然斜面崩壊に及ぼす樹木根系の抑止効果と降雨時の危険度評価に関する研究京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻特定教授杉山友康 1. はじめに鉄道や道路などの交通インフラ設備の土工施設はこれまでの防災対策工事の進捗で降雨に対する耐性が向上しつつある一方で自然斜面崩壊に及ぼす樹木根系の抑止効果と降雨時の危険度評価に関する研究京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻特定教授杉山友康 1. はじめに鉄道や道路などの交通インフラ設備の土工施設はこれまでの防災対策工事の進捗で降雨に対する耐性が向上しつつある一方で近年の短時間豪雨の頻度の増加などもあり路線近傍の自然斜面崩壊やこれを原因とする土砂流入などによる被害割合が増加傾向にあるこうした被害を少しでも減少させるためには危険個所の抽出と箇所ごとの特性に合った対策が求められる