徳山　英之

リングせん断試験機を用いたシールド機周りの摩擦特性に関する研究

杉本　光隆

シールド機が地中を掘進していく際、ジャッキ力に最も影響を与える要因は、シールド機と地山、グリスとセグメントとの摩擦抵抗である。しかし、シールド機に関連した摩擦特性に関する研究結果がないのが現状である。
そのため、本研究はシールド機周りの摩擦特性を求めることを目的とする。シールド機が地中を掘進していく際、シールド機と地盤には摩擦が働くとともに、ワイヤーブラシ間にはグリスが詰まっていることから、セグメントとグリスの間にも摩擦が働く。シールド機周りの摩擦特性として、本研究では、シールド機と地山、セグメントとグリスの摩擦特性に注目した。鉄と試料との摩擦力はシールド機と地山の摩擦力を、コンクリートとグリスとの摩擦力はセグメントとグリスの摩擦力を表すことになる。
本研究では、シールド機が地盤中を掘進している際の摩擦特性を求めるため、動摩擦力に注目した。動摩擦力とは残留強度と同じ意味であることから、残留強度測定に適しているリングせん断試験により試験を行った。
摩擦特性に影響を与える因子として今回の試験では、試料はカオリン、砂、グリスを用いて、せん断速度、部材の表面の粗さ、介在物を因子として取り上げた。その結果、以下のことが明らかとなった。
1） ピーク強度：せん断速度が50mm/minだと計測時間間隔が長すぎて、ピーク値をとらえられない場合がある。残留強度を求める場合には、鉛直応力を増加させながら、連続して実験しても良い。カオリンはtanφr/tanφp=0.56。砂はピーク強度がない。
2） せん断速度：残留強度にせん断速度は影響しない。
3） 鉄の粗さ：鉄の粗さが普通、滑らか、粗い場合の検討をした。カオリンは今回の普通と滑らかとの粗さの違いでは影響はないが、粗い部材はそれらより強度は強くなった。砂は粗い部材が一番強くて次に普通、滑らかの順になった。
4） 介在物：カオリンを用いた時、鉄の粗さが普通、滑らかな場合、何も無い時と水がある時は同じくらいで、それらよりも泥水がある時は小さくなった。水がある場合カオリンは透水性が小さいため全て排水され何も無い状態になり、泥水の場合は試料の表面にベントナイトが残ることによってそれらより小さい値を示したと考えられる。鉄の粗さが粗い場合一番強度が大きいのが何も無い場合、次が水、泥水の順になった。これは表面に介在物がより残っている影響であると考えられる。
砂を用いた場合、試験を繰り返し行うことによって部材の表面が削られ滑らかになっていることが判明したので、砂で試験を行う場合、試験ごとに同一条件の部材を用いらなければならない。
5） 試料：カオリンの摩擦抵抗角は13.2°。砂は22.5°であった。
6） グリス：コンクリートとの摩擦抵抗角は6.1°、鉄とは6.5°であった。