振動台試験による粒子配向性に着目した液状化強度
長岡技術科学大学 環境社会基盤工学課程 4 年
地盤工学研究室 富士本南美
1. はじめに繰返し作用すると，負のダイレイタンシーが生2011 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋

じ，土骨格は体積が減少しようとする．間隙水が沖地震により，関東地方を中心に液状化や再液なければ実際に体積収縮を起こすが，土が完全状化が確認された．ここで，再液状化とは過去にに飽和している場合は，粒子間に介在する水が，液状化した地盤が別の地震で再度液状化する現砂がより密に詰まろうとするのを妨げるため粒象のことであり，場合によっては液状化した本子間に間隙水圧が発生し体積収縮を拘束する．

震より小さい余震によっても再液状化が発生す

これの反作用として土粒子間に作用する応力ることもある．液状化の過程で緩い砂地盤の間（有効応力）が減少する．この作用が繰り返され隙は減少するため，一度液状化した地盤は間隙ると，最終的には有効応力がゼロになり，土粒子が密になり，液状化しにくくなると考えられてが水中に浮いたような状態となる．その結果，地いる．しかし，実際に再液状化が発生した事例は盤は全体として液体のような挙動を示し，地盤多く報告されており，再液状化のメカニズムは沈下や側方流動などが生じる．

今もなお不明である．液状化強度に影響を与え液状化に伴って噴砂・噴射，地盤沈下，側方流る要因として密度，履歴効果，年代効果，粒子配動，地盤揺動，斜面の流動的崩壊，地盤の支持力向性などがあげられる．これまでのアプローチ低下，護岸や擁壁の崩壊，埋設構造物の浮き上がとして要素試験，模型振動台試験，原位置試験がりなどの現象が発生する．

行われてきた．そこで本研究では粒子配向性に液状化の発生に影響を及ぼす要因として密度，着目し，模型振動台試験にて粒子配向性で液状粒度，振動数，拘束圧，飽和度があげられる．

化強度がどう変化するか，液状化前後での粒子表-1 原位置の液状化に影響を及ぼす要因

配向の変化と液状化強度との関連性について検項目要因討する．そして，得られた結果より再液状化のし地盤材料

単位体積重量，粒度特性，細粒分含やすさを判定し，再液状化のメカニズムの解明

特性有率，平均粒径，粒度分含有率，塑に寄与することを目的とする．

性指数，土粒子比重，相対密度，粒子構造，せん断剛性，減衰定数，体2. 液状化特性

積圧縮係数，透水係数，飽和度

ゆるい砂地盤や砂礫地盤に限定せず，密な砂地盤環境

地下水位，地質年代，全応力，有効地盤や密な砂礫地盤さらに粘性土地盤でも地震特性

応力，過圧密比，静止土圧係数，初などを含む種々の外力によって有効応力が低下

期せん断応力，変形拘束条件，透水し，地盤の強度または剛性の低下により有害な境界条件

沈下や変形などが起こる現象を広い意味で液状地震動特

地表面水平加速度，マグニチュー化と呼んでいる．原位置での液状化に影響を及

性

ド，ひずみレベル，せん断力の方1）

ぼす 3 要因を表-1 に示す．液状化の起こりやす向，せん断応力の強さと繰り返し回い地盤は水で飽和した緩い砂質地盤であり，こ数又は継続時間のような地盤に地震動などによるせん断応力が3. 試験概要
3.1 試験試料及び装置
本研究では豊浦砂を使用した．表-2 に豊浦砂の物性値を示す．
図-1 に本試験で用いる模型振動台及び給水槽，
表-3 に振動台の仕様を示す．本研究では新たに

図-2 液状化土槽（0°，45°，90°）

完全密封型土槽を開発した．完全密封型としたのは真空で引いて飽和度を高めるためである．

表-3 振動台仕様

土槽の容積は奥行 20cm×幅 50cm×高さ 35cm で制御方式

パルスモーター制御方式ある．また，初期の粒子配向性をつけるために図振動台テーブル寸法(mm)700×400-2 に示す通り，液状化土槽を半時計周りに 0°，積載重量(kg)70

45°，90°に傾けることが可能である．黒い矢印

最大加振加速度(gal)1000

は砂を入れる箇所を示している．表-3.2 に振動最大加振変位(mm)±70

台試験機の仕様を示す．任意の値を入力するこ消費電力(kW)

1とで波形を出力し加振させることが可能である．
砂粒子の堆積角度測定には図-3 に示すマイクロスコープを使用した．
表-2 豊浦砂の物性値
土粒子密度ρs (g/㎤)2.650

最小間隙比 emin0.597

最大間隙比 emax0.990

細粒分含有率 Fc(%)

0

砂分含有率 Sc(%)

100

礫分含有率 Gc(%)

0
図-3 マイクロスコープ
3.2 角度の読み取り本研究では試料の配向を 0°，45°，90°とし，液状化前後を異なる模型で読み取るため，6 ケースの実験を行った．各ケースにおいて約 1200 粒の粒子角度を測定した．なお，粒子は図-4 に示すように 0°≦𝜃𝑖 ≦180°の範囲で読み取る．代表角及び集中度を算出する際は式（3.1）及び式（3.2）のクーレーの公式を用いる．ここで，式（3.1）に示す𝜃は 0°から 180°の範囲で表され，式（3.2）の n は各ケースにおける粒子の測定数である．集図-1 模型振動台及び槽中度 V.M は 0％から 100％の範囲で表され，V.M=0％の場合は完全にランダムな粒子配向であり，V.M=100％の場合は全粒子の向きが同じであ加速度，振動数で加振する．加振時の液状化判定ることを示す．

については間隙水圧の測定と目視によって行う．
4.1.5 脱水
液状化土槽下部より脱水を行う．脱水による粒子の配向性への影響を小さくするために，脱水速度を液状化土槽下部のバルブで調整する．
4.1.6 配向性撮影

図-4 粒子の読み取り

供試体を 9 分割し手前側と奥側の 18 ヶ所についてマイクロスコープを用いて，1 区画 3 箇所ず∑𝑛 sin 2𝜃

1

𝜃 = 2 tan−1 (∑𝑛𝑖=1 cos 2𝜃𝑖 ) 式（3.1）
𝑖=1𝑉. 𝑀 =100𝑛つ撮影する．供試体表面を削るにあたり粒子の𝑖22√(∑𝑛𝑖=1 𝑠𝑖𝑛2𝜃𝑖 ) + (∑𝑛𝑖=1 𝑐𝑜𝑠2𝜃𝑖 )配向性が乱れるのを防ぐために掃除機で吸引す式

る．

（3.2）
4．試験方法4.1 試験手順
4.1.1 初期の配向性
液状化土槽を半時計周りに傾けることで初期の粒子の配向性を付ける．
（0°,45°,90°）
4.1.2 供試体作製

図-5

供試体分割図図-6

配向性撮影

漏斗堆積法により落下高さ 0 で供試体を作製する．供試体作製終了後，45°及び 90°については土槽を元の位置に戻す．
4.1.3 飽和促進
真空ポンプを用いて約-70kPa から約-80kPa で約 1 時間脱気を行う．この際，液状化土槽の上下から脱気を行い，飽和を促進させていく．また，通水で使用する蒸留水についても脱気を行う．
脱気完了後，給水槽の真空は解除し，振動台本体は約-70kPa から約-80kPa で真空をかける．この状態で液状化土槽下部より通水を開始する．
この際，粒子の配向性への影響を小さくするために，通水速度を液状化土槽下部のバルブで調整する．供試体の半分までに水位が達したら真4.1.7 角度の読み取り
撮影した画像について DinoCapture 2.0 を用いて角度を読み取る．
ここで，液状化前の配向性を撮影する際は上

空を-10kPa に落とし，供試体上部まで通水させ記に示した手順の 4.1.4 を省く．

る．

4.2 水圧計

4.1.4 液状化
図-1 に示した振動台を用いて供試体を任意の供試体を作製する前に水圧計を深さ 5cm，14cm，28cm の 3 ヶ所に設置する．通水完了後，動ひずみアンプと接続する．

図-11 過剰間隙水圧比（深さ 28cm）
表-4 試験条件

図-7 水圧計の設置
5. 試験結果

波形

正弦波

配向90°

振動数

5Hzgal200galサイクル

20 回

5.1 水圧計
図-8 に加速度計，図-9 から図-11 に過剰間隙水圧比の結果を示す．試験条件は表-4 に示す通りである．加速度計及び過剰間隙水圧比のグラ
フより，加振の開始と同時に過剰間隙水圧比の上昇が始まっている．続いて加振中は過剰間隙水圧比が緩やかに上昇していき，加振終了時には 1 に近づいている．よって，水圧計及び目視にて液状化が発生したことが確認できた．

5.2 液状化による粒子配向の挙動
図-12 から図-14 に供試体作製時の角度が 0°，45°，90°の場合の液状化前後の粒子配向分布
図，表-5 に配向性読み取り結果を示す．粒子配向分布図及び代表角より，すべてのケースにおいて液状化後に粒子配向が 90°付近へ近づいたことが確認できる．また，集中度の値も液状化によって大きくなっており，ランダムな方向を向いていた粒子が液状化によって向きが揃ったといえる．液状化後に図-15 に示すように水の吹き出したような跡が確認できた．これは上向き浸透流の発生と関連性があると推測できる．以上
より，液状化により粒子の配向が 90°に近づい

図-8 加速度計

たのは上向き浸透流が影響していると考えられる．
全てのケースにおいて TOP，MIDDLE，BOTTOM の高さ方向の場所ごとに粒子配向に違いは見られたが，手前側と奥側の奥行方向に関する違いはさほど見られなかった．TOP，MIDDLE，BOTTOM で図-9 過剰間隙水圧比（深さ 5cm）

粒子配向分布に違いが生じたのは，場所によって上向き浸透流の影響の大きさの違いがあったためと推測される．

図-10 過剰間隙水圧比（深さ 14cm）

図-15 液状化後の供試体表面
図-12 粒子配向分布図(0°)

5.3 液状化強度
図-16 から図-18 に配向 45°と 90°における時間経過に伴う過剰間隙水圧比を比較したものを示す．これらの試験条件は表-6 に示すとおりである．
液状化強度は液状化が発生するまでの時間で比較することができ，液状化が発生するまでの時間が速いと液状化強度は弱く，遅いと液状化

図-13 粒子配向分布図(45°)

強度は強いということになる．深さ 14cm 及び28cm のグラフに着目すると，配向 45°の方が配向 90°よりも速く過剰間隙水圧比が 1 に近づいていることが読み取れる．したがって，液状化強度は配向 90°の方が強いと推測できる．しかし，土槽内を完全真空にすることができず，試験によって真空の値が違っていたため完全飽和していたか不明である．よって信頼性の面より，今回

図-14 粒子配向分布図(90°)

は液状化強度の比較は行わない．
図-17 に示す深さ 14cm に設置した水圧計の結表-5 試験結果
液状化
前

配向データ数代表角

集中度ることが確認できる．これは，動ひずみアンプの(°)

(個)

θ(°)

V.M(%)

ノイズを除去するフィルターがうまく働いてい

01986

172.9

16.98

なかったことが考えられる．ノイズが確認され

1267

85.3

36.48

たが，水圧上昇の傾向は確認できる．

76447.6

12.43

791

91.5

30.38

1031

87.0

40.60

1253

85.4

51.63

後前

45

後前
後

果に着目すると，加振前にノイズが発生してい90

図-16 過剰間隙水圧比の比較（5cm）

ができるが，本研究では完全飽和ができていたか不明であるために信頼できる結果は得られず，液状化強度の判断は行わなかった．そのため，再液状化のしやすさについても判断できない．
7．今後の展望図-17 過剰間隙水圧比の比較（14cm）

本研究で用いた液状化土槽は 6 個の窓からの真空漏れや漏水が発生したため，液状化土槽の改良が必要である．改良案として前パネル，横パネル及びアクリル窓の固定方法を見直すことなどがあげられる．
また，相対密度を変更して試験を行う．相対密度の違いが液状化による粒子配向にどのような図-18 過剰間隙水圧比の比較（28cm）影響を与えるのかを調べる．
液状化した模型地盤の供試体をサンプリング

表-6 試験条件
配向45°

して力学的特性を調べる．その力学的特性より
90°

液状化強度との関連性について検討する．

波形

正弦波

振動数

5Hz

参考文献

gal200gal

1) 社団法人 土質工学会：液状化対策の調査・サイクル

20 回

設計から施工まで –現場技術者のための土と基礎シリーズ 20-, 1993

6．まとめ
目視及び水圧計の結果より液状化が発生したことが確認できた．
配向 0°，45°，90°すべてのケースについて，液状化により粒子の配向は 90°付近に近づいたことが確認できた．また，液状化後には集中度が高くなっており，ランダムな方向を向いていた粒子が液状化により向きが揃ったといえる．これは，上向き浸透流が影響していると推測される．高さ方向の場所ごとに粒子配向に違いは見られたが，奥行き方向に関する違いはさほど見られなかった．高さ方向の場所によって違いが生じたのは，上向き浸透流の影響の大きさに違いがあったためと考えられる．
水圧計の結果より液状化強度を比較すること