技術資料

液状化する火山灰質地盤における杭基礎耐震性評価手法の実地震波への適用性に関する考察
江川拓也

林宏親

磯部公一

化手法の不規則な実地震波への適用性を確認すること

１．はじめにを目的に、図－1に示すケース2と同条件の実験模型に北海道は総面積の約40%が未固結な火山噴出物で覆われており、火山灰質土の種類が多くその性質も多様である

1），2），3）

対し実施した実地震波実験およびその再現解析より検証した。

。平成30年北海道胆振東部地震では、主に火山灰質土で構成される地盤の液状化により甚大造物の液状化被害軽減のためには、液状化に対する各㗽800g

ࣔࢹࣝ

㻯㻴㻟㻤㻯㻴㻞㻜である。そのためには、構造物周辺地盤の液状化が構㻼㻼㼀㻙㻡㻼㻼㼀㻙㻠

造物基礎へ及ぼす影響を事前に適切に評価できること

ࢣ࣮ࢫ 1が重要である。
これまでに筆者らは、広く複雑に堆積する火山灰質ࢣ࣮ࢫ 2㻯㻴㻞㻝ࢣ࣮ࢫ 3ࢣ࣮ࢫ 5㻯㻴㻞㻥

P4P3㻯㻴㻞㻤

㻼㻼㼀㻙㻝

P2㻯㻴㻞㻣P1㻯㻴㻞㻢

Dr=95%

ᾮ≧໬ᒙ

ࢣ࣮ࢫ 4㻼㻼㼀㻙㻞㠀ᾮ≧໬ᒙᾮ≧໬ᒙ

◡◁3 ྕ Dr=90%㻯㻴㻞㻡㻌に、液状化が生じる火山灰質地盤の堆積状況の異なりら把握し、実験による火山灰質土の液状化挙動と杭基㻯㻴㻟㻡㻯㻴㻟㻠㻯㻴㻟㻟㻯㻴㻟㻞
㻯㻴㻟㻝㻯㻴㻟㻜

㻼㻼㼀㻙㻟

Dr=85%

地盤における杭基礎の耐震性評価技術の開発を目的

地盤反力係数の低減に及ぼす影響を遠心力模型実験か㻯㻴㻟㻣 㟼ⓗ㍕ⲴⅬ㻯㻴㻟㻢

P11P10P9P8P7P6P5㻼㻼㼀㻙㻣㻼㻼㼀㻙㻢

種構造物の耐震性能をより適切に評価することが必要

が地震時の杭基礎挙動、特に、液状化に伴う杭の水平㸸㛫㝽Ỉᅽィ㸸ຍ㏿ᗘィ
P 㸸ࡦࡎࡳࢤ࣮ࢪ
: ࣮ࣞࢨ࣮ኚ఩ィຍ᣺᪉ྥ

な被害が発生した例えば4）。次なる大地震による各種構

ᇶ┙ࡢຍ㏿ᗘィ

700

4545790

༢఩㸸PP

図－1

実験模型模式図（5ケースを同一断面で比較）
参考文献5）の図－1を一部修正

礎の挙動を再現・評価できる動的有効応力解析のモデル化手法の検討を行っている。図－1および表－1に示す5ケースに対し同一の正弦波（sine20波、1.5Hz、200

表－1cm/s2）を基盤から入力したこれまでの遠心力模型実験の結果、ケース2、4において、杭の水平地盤反力係数

実験ケース参考文献5）の表－1を一部修正ࢣ࣮ࢫ ᆅ┙ᮦᩱ┦ᑐᐦᗘᒙཌⅆᒣ⅊㉁ᅵ

D r=85%15㹫 ⅆᒣ⅊㉁ᅵ
D r=85%ⅆᒣ⅊㉁ᅵ

D r=85%10㹫

こと、ケース4では、非液状化層とした上層の過剰間㇏ᾆ◁D r=95%5㹫

隙水圧比が1.0に至らないものの比較的大きく、中層でⅆᒣ⅊㉁ᅵ

D r=85%5㹫㇏ᾆ◁

D r=95%10㹫

がその他のケースよりも大きく低減することが確認された。これは、ケース2では、地盤の固有周波数が入力1周波数に近く、全層において比較的継続して発生したせん断ひずみが地盤の液状化や剛性低下を助長させた急激に上昇した過剰間隙水圧が伝播し上層地盤の初期剛性が大きく低下したことが要因と推察された5），6）。
さらに、これまでに検討した動的有効応力解析のモデ

3234ル化手法により、各種実験計測値を概ね再現できており、実験から推察された杭の水平地盤反力係数の低減
要因を裏づける結果が解析より得られている7）。

ᇶ┙ධຊᆅ㟈ືᾮ≧໬ᙉᗘẚ5㇏ᾆ◁

D r=95%5㹫ⅆᒣ⅊㉁ᅵ

D r=85%5㹫㇏ᾆ◁

D r=95%5㹫ⅆᒣ⅊㉁ᅵ

D r=85%5㹫㇏ᾆ◁

D r=95%5㹫ⅆᒣ⅊㉁ᅵ

D r=85%5㹫䠄ρ d=1.094g/cm 䠅R L 20=0.242
sine20Ἴ࿘Ἴᩘ1.5Hz
2
᭱኱200cm/s ⛬ᗘ3䠄ρ d=1.624g/cm 䠅༢Ⓨຍ᣺
R L 20=0.976

㇏ᾆ◁
D r=95%σ '0=50kPa
DA =5%ࠉ᫬ͤᐇ≀᥮⟬್

本検討では、一連の検討の中で今後の課題の1つとして挙げられた、提案した動的有効応力解析のモデル
12

寒地土木研究所月報№825

2021年12月

ຍ᣺᪉ྥ

２．実験および解析手法の概要

㟼ⓗ㍕ⲴⅬ

２．１

遠心力模型実験の概要

遠心力模型実験は、図－2に示す1/50縮尺模型に50g

ᾮ≧໬ᒙⅆᒣ⅊㉁ᅵ Dr=85%の遠心加速度を作用させ加振実験を実施した。使用した模型材料、模型の作製方法等は参考文献5）に詳し㠀ᾮ≧໬ᒙ㇏ᾆ◁ D=95%

い。なお、実験に用いた火山灰質土（支笏軽石流堆積物Spfl）は、平成15年十勝沖地震、平成30年北海道胆◡◁3 ྕ Dr=90%
㻯㻴㻞㻡㻌

振東部地震において札幌市内で大規模な液状化が生じたSpflと起源を同じとするものであり、土粒子密度ρsが小さく、細粒分含有率FCが大きく、かつ、非塑性であることが特徴である。
加振実験に用いた実地震波は、道路橋示方書8）に示される動的解析用地震動波形2-Ⅰ-Ⅰ-1（レベル2地震動タイプⅠ、Ⅰ種地盤、平成15年十勝沖地震）とし、図－2土槽底面から入力した。ここで、十勝沖地震としたの実験模型断面（ケース2の例）

参考文献5）の図－2を一部修正

は火山灰質土が広く堆積する北海道では東方沖の千島海溝を震源とする巨大地震の発生が切迫しているこ基盤での応答波形に相当すると考えられるためである。図－3に実験土槽底面（基盤）で計測された入力波形の加速度フーリエスペクトル・加速度応答スペクトルを示す。加振装置の制約により長周期成分に道路橋示方書との差異があるものの、本実験条件において事前に求められた地盤の固有周波数 f ＝2.5Hz、杭の固有周波数 f ＝0.5Hzは道路橋示方書2-Ⅰ-Ⅰ-1波形相当の強度が入力されている。
２．２

10000

1000
䝣䜱䝹䝍䞊↓䛧hʻ5ˍ

100
ຍ㏿ᗘᛂ⟅䝇䝨䜽䝖䝹䠄gal䠅

べて表層地盤の非線形性の影響が少なく、概ね工学的ຍ㏿ᗘ䝣䞊䝸䜶䝇䝨䜽䝖䝹䠄gal䞉s䠅と、Ⅰ種地盤波形としたのはⅡ種・Ⅲ種地盤波形に比1000

1010.10.010.0010.001

10010㐨♧2-I-I-1Ἴᙧ
ᇶ┙ධຊἼᙧ CH25

㐨♧2-I-I-1Ἴᙧ
ᇶ┙ධຊἼᙧ CH250.010.11࿘Ἴᩘ䠄Hz䠅

1010010.010.1

࿘ᮇ䠄sec䠅

110（a）加速度フーリエスペクトル （b）加速度応答スペクトル図－3

入力波形（基盤）の加速度スペクトル図－4

3次元動的有効応力解析（LIQCA）の解析モデル（ケース2の例）7）

動的有効応力解析モデル化手法の概要

動的有効応力解析にはOka et al9）によるLIQCAを用いた。ケース2の解析モデルを図－4に示す。解析モ
デルは模型地盤の対称性から半断面とし、モデル側面は鉛直ローラー、モデル底面は固定とした。杭は杭底部を変位・回転全拘束、錘と杭の境界は回転拘束とした。杭と地盤の境界にはジョイント要素等は導入していない。解析基盤面への入力加速度波形は、加振実験において基盤で計測された加速度波形とした。
杭および地盤のモデル化手法は参考文献7）に詳し
いが、これまでの検討において以下の知見を示している。杭のモデル化にあたっては、弾性ビーム要素に杭の体積を考慮すること、杭のRayleigh減衰に杭の固有周波数を考慮した剛性比例型の減衰定数を設定すること、また、地盤のモデル化にあたっては、同一の物理特性を示す土層であっても拘束圧の影響を考慮するこ
寒地土木研究所月報№825

2021年12月 13

と、地盤のRayleigh減衰に地盤の固有周波数および拘３．解析結果と実験結果の比較および考察

束圧を考慮した剛性比例型の減衰定数を設定すること、非液状化層であっても有効応力モデルを適用する

図－5に、実地震波加振より得られた主要な計測値こと、特に、ダイレイタンシー量が大きいにも関わらず、時刻歴の実験と解析結果を、既往の正弦波加振の結果有効応力の減少傾向が緩やかといった、細粒分の多いと比較して示す。杭頭変位は、主要動部分において振火山灰質粗粒土の液状化挙動の特徴を的確に再現する

幅値や位相に実験結果と概ね良い整合が認められた。

＊＊には、変相応力比Mm 、ダイレイタンシー係数D 、n

地盤内の応答加速度は、実験結果に加振中の加速度計の適切な設定が重要なポイントであること等である。の傾きと思われる大きなノイズが含まれるが、振幅値

ኚ఩䠄cm䠅

ᮺ㢌ኚ఩ 㗽ᐇ㦂
2040

ゎᯒ

6080100
G.L. -2.0m P9⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅

120

᭤䛢䝰䞊䝯䞁䝖
䠄kN䡡m䠅

᭤䛢䝰䞊䝯䞁䝖
䠄kN䡡m䠅

ኚ఩
䠄cm䠅

15
1050-5-10-15
600 03000ᐇ㦂᭤䛢䝰䞊䝯䞁䝖
䠄kN䡡m䠅

-600
600 02040

6080100⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅
G.L. -6.0m P5120

3000-300ᐇ㦂ᮺ㢌ኚ఩ 㗽ᐇ㦂510⤒㐣᫬㛫 䠄sec䠅

-600200ᐇ㦂-600
600 0510⤒㐣᫬㛫 䠄sec䠅ゎᯒ

15G.L. -6.0m P5203000-300

ゎᯒゎᯒ

15
G.L. -2.0m P9300-300ゎᯒ᭤䛢䝰䞊䝯䞁䝖
䠄kN䡡m䠅

-300

15
1050-5-10-15
600 0ᐇ㦂

ゎᯒ

-600
02040

6080
⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅

100

120

0510
⤒㐣᫬㛫 䠄sec䠅

15

20

40

60
80
100120⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅
G.L. -6.0m PPT4

20

40

6080
⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅ᐇ㦂

120

G.L. -12.0m PPT1
ᐇ㦂
ゎᯒ
20

40

60
80
100
120
G.L. -2.0m CH34⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅ຍ㏿ᗘ
䠄cm/s2䠅

3000
ᐇ㦂

-600
600 0ຍ㏿ᗘ䠄cm/s2䠅

ゎᯒ

100

2040

60
80
100120⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅
G.L. -6.0m CH30

0-300

ᐇ㦂
2040510⤒㐣᫬㛫 䠄sec䠅

510⤒㐣᫬㛫 䠄sec䠅

0

ᐇ㦂

-600

ゎᯒ

1520

G.L. -12.0m PPT1
ᐇ㦂
ゎᯒ
510
⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅

510⤒㐣᫬㛫 䠄sec䠅

510⤒㐣᫬㛫 䠄sec䠅

510⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅

15
20
G.L. -2.0m CH340
ᐇ㦂

ゎᯒ

1520
G.L. -6.0m CH30

3000
ᐇ㦂

-600
600 0

ゎᯒ

1520
G.L. -12.0m CH27

300
0-300

ゎᯒ

1520
G.L. -6.0m PPT4

300

-600
600 0ຍ㏿ᗘ䠄cm/s2䠅300

ᐇ㦂

G.L. -2.0m PPT6ᐇ㦂
ゎᯒ

-300

ゎᯒ

60
80
100120⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅
G.L. -12.0m CH27-300

120100806040200-20
120 01008060
40
200-20120 0100
80
60
40
20
0-20
600 0-300

ゎᯒ

300-600
600 0㐣๫㛫㝽Ỉᅽ
䠄kPa䠅

20-300ຍ㏿ᗘ䠄cm/s2䠅㐣๫㛫㝽Ỉᅽ
䠄kPa䠅

G.L. -2.0m PPT6ᐇ㦂ゎᯒ㐣๫㛫㝽Ỉᅽ
䠄kPa䠅

120
100
80
60
40
20
0-20
120 0100
80
60
40
20
0-20
120 01008060
40
200-20600 0ຍ㏿ᗘ䠄cm/s2䠅ຍ㏿ᗘ
䠄cm/s2䠅㐣๫㛫㝽Ỉᅽ
䠄kPa䠅㐣๫㛫㝽Ỉᅽ
䠄kPa䠅㐣๫㛫㝽Ỉᅽ䠄kPa䠅（a）杭頭変位、杭曲げモーメント

ᐇ㦂

ゎᯒ

-600
020406080⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅

100

120

0

1520（b）地盤内の過剰間隙水圧、応答加速度600ᇶ┙ධຊຍ㏿ᗘ

300

ຍ㏿ᗘ
䠄cm/s2䠅ຍ㏿ᗘ
䠄cm/s2䠅

600

0-300

ᇶ┙ධຊຍ㏿ᗘ

300
0-300

CH25-600

CH25-600
020406080⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅

1001200510⤒㐣᫬㛫䠄sec䠅

1520（c）土槽底面（解析基盤面への入力）加速度波形
図－514

主要な計測値時刻歴の実験・解析結果の比較（左：実地震波120sec、右：正弦波20sec）
寒地土木研究所月報№825

2021年12月

や位相、減衰傾向は概ね良い整合を示した。地盤内のするシンポジウム発表論文集、地盤工学会、pp.1-

過剰間隙水圧は、正弦波では上昇傾向含め実験結果と122、1995.

良い整合を示したが、実地震波では実験結果では見ら

2） 破砕性地盤の工学的諸問題に関する研究委員会：

れない主要動前の小さな振幅時より水圧が上昇し始め破砕性地盤の工学的諸問題に関する研究委員会報ていることが分かる。しかし、動水圧成分を除く最大

告書およびシンポジウム発表論文集、地盤工学

値、また、G.L.-12.0mを除いて最大値に至る時刻は概会、pp.1-74、1999.

ね良い整合を示した。一方、杭の曲げモーメントは正3） 北海道の火山灰質土の性質と利用に関する研究委

弦波と同様に実験結果よりも過小評価されており精度

員会：実務家のための火山灰質土～特徴と設計・が良いとは言えない。実験では生じている杭の回転挙施工、被災事例～、地盤工学会北海道支部、pp.1-

動が再現されていないことが考えられたため、解析モ

130、2010.

デルにおいて杭底部、また、錘と杭の境界を回転拘束

4） 土木学会地震工学委員会：地震被害調査シリーズとしない解析をそれぞれ別途実施したが、解析結果にNo.2、2018年北海道胆振東部地震被害調査報告違いは認められなかった。

書、土木学会、pp.1-372、2019.
5） 江川拓也、山梨高裕、冨澤幸一、磯部公一：火山灰質地盤における杭基礎の耐震性能に関する実験

４．おわりに的検討、寒地土木研究所月報、No.778、pp.2-8、
これまでに検討・提案した、液状化する火山灰質地

2018.

盤における杭基礎耐震性評価手法の不規則な実地震波

6） 江川拓也、畠山乃、磯部公一：火山灰質地盤におへの適用性を確認することを目的とした遠心力模型実ける杭基礎に及ぼす液状化層厚の影響に関する一

験およびその再現解析の結果、様々な周波数が含ま考察、寒地土木研究所月報、No.799、pp.32-37、

れ、かつ、継続時間の長い不規則な実地震波への提案

2019.

手法の適用性が概ね確認できた。過剰間隙水圧の早期

7） 江川拓也、畠山乃、磯部公一：液状化した火山灰の上昇は実務においては安全側の評価と考えられる質地盤における杭の水平地盤反力係数に関する解が、杭の曲げモーメントの過小評価は課題であり、杭析的検討、寒地土木研究所月報、No.813、pp.2-の回転挙動を再現できるモデル化や拘束条件など継続12、2021.

して検討を続けたいと考えている。

8） 日本道路協会：道路橋示方書・同解説、Ⅴ耐震設計編、pp.71-80、2017.
9） Oka, F., Yashima, A., Shibata, T. and Kato, M.：

参考文献

A finite element analysis of liquefaction of1） 火山灰質土の工学的性質とその利用に関する研究
委員会：火山灰質土の性質とその設計・施工に関seabed due to wave action, Geo-Coast'91, pp.621626, 1991.

江川 拓也
EGAWA Takuya

林 宏親
HAYASHI Hirochika

磯部 公一
ISOBE Koichi

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地地盤チーム
主任研究員
博士（工学）
技術士（建設）寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地地盤チーム
上席研究員
博士（工学）
技術士（建設・総合技術監理）
APEC エンジニア（Civil）

北海道大学
大学院工学研究院
土木工学部門
准教授
博士（工学）

寒地土木研究所月報№825

2021年12月 15