超軟弱浚渫土埋立地の沈下予測手法とその検証－新北九州空港建設にかかわる技術的検討－
The Dredged Sand Reclamation Settlement Prediction Technique and Verification-Application to New Kitakyushu Airport Construction小林明夫*・勝海 務**
KOBAYASHI,Akio and KATSUUMI,Tsutomu* （財）沿岸開発技術研究センター** （財）沿岸開発技術研究センター

調査部 主任研究員

調査部 研究主幹・第二調査部長

The settlement prediction technique for a very soft reclaimed ground is applied to New Kitakyushu
Airport construction works. The present research proved that the prediction technique is effective to thevery soft reclaimed ground from the initial reclamation stage to the banking construction stage.
Key Words : settlement prediction technique, consolidation settlement, simulation by CONAN

1. はじめに２. 沈下予測

新北九州空港は周防灘沖約 3km に建設される海上空
2.1 沈下予測手法港である．そして，この新北九州空港建設における最大沈下予測のフローを図-2 に示す．また埋立から建設工の特徴は，周辺の関門航路，新門司航路などの港湾整備程までの埋立層表面高さの変化を図-3 に示す．
事業で発生する浚渫土砂の処分場を利用することである．
しかし，投入されるこれらの地域の海底土砂は，非常に埋立工程における沈下検討
粘土分が多く，浚渫された土砂は時には含水比が 2,000%
自重圧密解析（ＣＯＮＡＮ）による沈下検討を超え，埋立地内に堆積させても 300%に達するような非解析条件の設定
常に軟弱な粘土地盤を形成する．このような地盤は，そ埋立工程、土質条件、境界条件
解析結果
れ自身の重さで沈下する未圧密地盤であり，非常に大き含水比、単位体積重量、間隙水圧の深度分布な沈下が発生する．
埋立層厚、沈下量（泥面上昇、泥面沈下）
このような軟弱地盤上に滑走路等空港施設を計画通り土中の応力状態建設するためには，詳細な地盤挙動を把握することが必
建設工程における沈下検討要となる．このため，埋立造成過程における地盤の沈下挙動，また地盤改良初期の地盤特性を明確に推定するこCc 法による沈下検討とが極めて重要になる．
計算条件
ＣＯＮＡＮによる初期地盤条件の設定
本稿では，新北九州空港建設に適用した埋立沈下予測
覆土の水没による浮力効果の考慮手法（図-1 参照）を紹介し，今後行われる土砂処分場のドレーンのウェルレジスタンスの考慮
計画，さらにはその跡地利用のプロジェクトのために，計算結果
圧密沈下量の算出、覆土量の算出有効となる知見を報告する．
埋立工程

表層処理

埋立完了
護岸高さ

サンドマット
地盤改良

施工時沈下量覆土

施設建設

供用開始時残留沈下

海水位 ▽
覆土層

１工区

苅田工区
埋立土（浚渫粘土等）

10

施工時残留沈下量

供用開始▲

２工区

埋立工程および放置期間
ＣＯＮＡＮ自重圧密解析

整備水準

サンドマット
埋立層

標高（ｍ）

地盤高さ

15③事後解析②パラメータの修正①事前予測

図－2 沈下予測検討フロー

供 用

建設工程

50-5

地盤初期条件建設工程
Cc 法による予測

4070-100

旧海底地盤

CONAN
実測値
Cc法

表層処理

1020305060

経過時間

図－1 埋立沈下予測解析の概要

8090

埋立開始からの時間（月）図－3 沈下予測の概要

100110120浚渫土による埋立から放置期間までを埋立工程とし，埋立計画に基づいた解析を行った．用いた解析手法は，埋立工程を再現できる今井（1989）が示したＣＯＮＡＮを用いた．この解析手法は大変形理論で構築されているため，このような非常に軟弱で沈下量の大きい圧密挙動をシミュレートできる．
埋立工程に続く建設工程は，Cc 法によって圧縮量を，ウェルレジスタンスを考慮したバロンの式を用いてドレーン効果を表現し，時間沈下関係を求めた．初期状態としては，埋立過程をシミュレートしたＣＯＮＡＮの結果を用いた．浚渫粘土の埋立層は未圧密状態であるので，未圧密分を考慮した沈下計算を行った．
図-4 に未圧密分としての過剰間隙水圧の設定方法を示す．

ΔＰｉCh (水平方向圧密係数 )t ( 圧密時間）
d e (有効等価直径 ) 2

ded w (ドレーン径)2(4)以上，沈下検討には，埋立中の泥面変化を予測するＣＯＮＡＮと，建設過程として覆土による圧密沈下を予測す
るウェルレジスタンスを考慮した Cc 法を組み合わせた．

沖積粘土層

埋立完了時の過剰間隙水圧分布を考慮した鉛直有効応力分
布：Poi-ui

2.2 解析条件，パラメータ設定とその方法

ΔＰｉ+ｕｉΔＰｉ

Ｐoi－ｕi
Ｐoi

図－4 未圧密状態にある地盤の初期状態の考え方

具体的な解析方法は以下のとおりである．
多層地盤に鉛直増加応力：ΔPi が作用した場合，Cc 法における沈下量：Sf の算定式は式(1)となる。

Cc i
Pi Log  1 
HiPo i 
i 1 1  eo iinSf  (1)

ここに Cci：各層の圧縮指数（応力レベルにより変化→ｅ法による沈下量と同様になることが前提）
eoi：各層の初期間隙比
Poi：各層の初期鉛直有効応力
ΔPi：各層に対す鉛直増加応力
Hi：各層の層厚
この式を埋立直後の未圧密地盤に適用する場合，式(2)に示すように土中の過剰間隙水圧：ui を考慮する必要がある．
（図-4 参照）
Cc i
 Po i  u i   P i Log HiPo i  u i
i  1 1  eo ii nTh (時間係数 ) n23n 2  1
log(n)en2 14n 232 k  H Lw  2 c  k w  d w 埋立層Sf  

ここに， F ( n ) (3)

また，kc を不攪乱粘土の水平透水係数，kw をドレーンの縦方向透水係数，H をドレーン長さとしてウェルレジ
スタンス係数 LW を次式で与えた．

埋立後の鉛直有効応力分布:Poiｕｉ8
圧密度 U (Th)  1 exp  F (n)  0.8LwThn

埋立および覆土による最終鉛直有効応力分布

覆土層

過剰間隙水圧:ui は自重圧密沈下解析(CONAN)の結果を用いることとなる．
建設過程での時間-沈下関係の予測には，テルツァーギの圧密理論（沈下量：Cc 法、沈下時間：Cv 法）とウェルレジスタンスを考慮したバロンの式（吉国の修正式）にて地盤改良効果を考慮して実施する．

(2)

解析に用いる実質埋立高さは，浚渫土量，埋立面積，浚渫予定地での地山含水比から算出した．解析上の浚渫
土の初期含水比は，堆積した浚渫粘土表層の含水比の平均値より 250％に設定した．
また，埋立沈下解析では，有効上載荷重が 0.1kPa 程度の埋立層下部までのかなり広い応力範囲に対する圧密パラメータが必要となる．埋立層表層に近い応力範囲では，含水比が高く，非常に軟弱でサンプリングができず，通常の圧密試験を行えない．そこで，図-5 に示すような埋立工程を模擬した多層沈降実験を行い，その堆積物の含水比分布から圧縮性を示す体積比（f＝1+e）－圧密応力(p)の関係（以後 f－p 関係）を求めた，またこの f－p 関係を用いて，実験で得られた時間泥面高さ関係をシミュレートできる圧密係数(Cv)－圧密応力(p)の関係（以後 Cv－p関係）を試行錯誤的に求めた．ここでも解析には埋立過程をシミュレートできるＣＯＮＡＮを用いている．
多層沈降実験から得られる応力範囲は，せいぜい１kPa 程度であるので，同様に堆積させた試料に予圧密圧力を加えて作製した土塊を供試体とした圧密試験を行い，その関係と先に示した多層沈降実験の結果を内挿した関係を解析に用いた．その一例を図-6 に示す．

3. 検 証投 入
汲 み 取 り沈 降

海 水 位 の 調 整②泥 水 の 投 入

③

放置

④

以 降 ① ～ ③ を 繰 返 し た
後 自 重 圧 密 完 了 ま で 放 置

図－5 多層沈降実験の概要
100

標準圧密試験

体積比 , f (=1+e)

多層沈降実験

浚渫粘土による埋立が現在終了している，１工区の埋立履歴を基に，沈下解析手法を検証した結果をまとめる．
図-8 に，投入された浚渫土の累積結果を示す．地山体積で約 10,000,000m3 の浚渫土砂が投入された．１工区の面積は 774,000m2 であり旧海底面は DL-7.5m 程度，埋立高さは DL+7m であった．また，浚渫予定地の含水比は 80～120%の間にほとんどのものが分布し，場所によってはこの範囲から逸脱するものもあった．

砂 分 は ほ とん どな い
1012.0

砂 分 は 約 １０％
ＮＰ10.00001

0.00010.001

0.010.1

110100圧 密 圧 力 , p (kgf/cm 2 )3埋立土量(1,000,000m)
埋立土量(1,000,000m）①

自 重 圧 密10.0

実績（99.8）

8.0
6.0
4.0
2.00.00

図－6 多層沈降実験ならびに圧密試験から得られた圧縮パラメータの一例

圧密パラメータは前述の方法により，図-7 に示すように浚渫予定地より採取した圧密パラメータをベースとして，f－p 関係についてはその両対数軸上の傾きを，また，Cv－p 関係は，その大きさを平行移動させることによって以下に示す解析ケースを設定した．
･CASE-1 f－p 関係(0.80 倍) － Cv－p 関係(2 倍)･CASE-2 f－p 関係(0.80 倍) － Cv－p 関係(3 倍)･CASE-3 f－p 関係(0.75 倍) － Cv－p 関係(3 倍)･CASE-4 f－p 関係(0.70 倍) － Cv－p 関係(3 倍)1005101520経過時間（月）253035図－8 累積投入土砂

図-9 に，図-7 で設定した圧密パラメータを組み合わせて解析した埋立表面高さの経時変化を示す．同図には，深浅測量の結果ならびに水準測量の結果も示してある．
埋立開始後 23～26 カ月において，実測値が解析値の範囲を超えている．しかしながら，その範囲以外は，埋立後の放置期間も含めて，解析 CASE-3 0.75 倍の f－p 関係と 3 倍の Cv－p 関係の組合せが，実測値の平均的な沈下挙動をよく表現している．

埋立地試料の範囲
100.80.75倍
0.7

11E-0510.08.0

浚渫地地盤の平均値

6.00.000
10.001 0.01
0.1
122
圧密圧力
, p (kgf/cm)
圧密圧力、P（kgf/cm）

10100(a)体積比と圧密圧力の関係
10000

泥面高（ＤＬ＋ｍ泥面 高 （ Ｄ Ｌ ）－ ｍ ）体積比、ｆ（＝１+ e ）体積比 , f (=1+e)

12.0

4.0
2.0
f-p 0.80,cv-p 2
f-p 0.80,cv-p 3
f-p 0.75,cv-p 3
f-p 0.70,cv-p 3
計測値
計測値の平均値

0.0-2.0

圧密係数 cv(cm2/day )
圧密係数, cv(cm2/day)

-4.0
1000

埋立地試料の範囲

-6.0
100

3倍
2倍

-8.0
-10.01000.001

0.010.1

110101520253035404550

経時時間（月）浚渫地地盤の平均値
10.00015100

図－9 埋立表面高さの経時変化の比較

2
圧密圧力, p (kgf/cm2)
圧密圧力、P（kgf/cm）(b)圧密係数と圧密圧力の関係
図－7 圧密パラメータの設定

図-10 に、測定した埋立地盤内の含水比分布とその時点に相当する解析結果を示す．測定された含水比は，30～250%に分布しているが，含水比が試料の物性に大きく影均的な圧密パラメータは，ここで設定した組合せであるといえる．

響されていることを考慮し，高塑性粘土および砂分含有量が多いものを削除すると，解析結果は実測値を再現しているものとみなせる．
050100含水比（％）
200150250300

350

0A c=5 m
A c=3 m
西側 N o .7
西側 N o .8

4000Fs：大 → w：小-4
砂分が卓越（Ｆｓ）-6
深度（ｍ）-8-10(40)高塑性粘土

西側 N o .9
東側 N o .7
東側 N o .8
東側 N o .9(26)

(46)

(39)

wL, Ip, Fc ：大 → ｗ：高Ｆｓ：砂分含有量（％）
Ｆｃ：粘土分含有量（％）-12(79)-14-18(24)H10.10

-20

埋立層
埋立層
15

f-p;0.8, cv-p;2, hac=5m
f-p;0.8, cv-p;3, hac=5m
f-p;0.75, cv-p;3, hac=5m
f-p;0.7, cv-p;3, hac=5m
98/10 No.1, 2, 3
98/9 No.1, 2, 3, 5, 698/3 No.1, 2(29)-16510深度ＧＬ（ｍ）-2wL (Ip) Fc112(74)52102(63)5283(51)41101(66)6697(62)5282(51)452025

図－10 埋立層内の含水比分布-6-4-2024682
過剰間隙水圧（tf/m2）
過剰間隙水圧（tf/m）

図-11 に，埋立層内に設置した間隙水圧計で計測した過剰間隙水圧分布とその時点における解析結果を示す．解析は，先に示した泥面高さの経時変化を表現できるパラメータである．図中の楕円で囲んでいるデータは，砂分が多かったり，粘土と砂の互層といった解析では想定していない地盤である．これらのデータを無視すると，解析結果は実測値をよく表現していると判断できる．

w=69%,
Fs=37%

4No.1-1
No.1-2
No.1-30.75, 30埋立層

4w=40%,
Fs=47% -4-8沖積層

砂と粘土の互層

0-4-8-12-12-16-30 -20 -10 0

No.1-1
No.1-2
No.1-30.75,38

標高（ＤＬ＋ｍ）

標高（ＤＬ＋ｍ）

1998/12/2
81999/1/6-1610 2030 40

過剰水圧 ue（kPa）

50

01020 3040 50ue （kPa）

図－12 三成分ｺｰﾝを用いて測定した過剰間隙水圧と解析結果の比較

以上により今回適用した沈下予測手法によって，新北九州空港建設の沈下予測が行えること，また今後浚渫土による埋立を行う際に，投入する浚渫土の物性を調べることよって，ある程度の精度で埋立沈下解析が行えることが分かった．

4．あとがき現在（2001 年 3 月）
，新北九州空港は浚渫土による埋立が行われている 2 工区から，覆土工が終了した苅田工区まで，建設過程にある．今後，より詳細な検討や長期間に渡る計測結果など，今後の浚渫粘土地盤に関する知見もさらに積み重なっていくものと考える．それらの知見を取りまとめて，超軟弱粘土地盤の認識ならびに有効利用する上で対処方法を把握していくことが今後さらに重要と考えられる．

図－11 埋立層内に設置した間隙水圧による計測結果

謝辞
さらに，埋立完了後に三成分コーン貫入試験を用いて測定した過剰間隙水圧分布とその時点の解析結果を図-12 に示す．解析値は泥面高さを表現できた 0.75 倍の f－p 関係および 3 倍の Cv－p 関係の組合せである．沖積
粘土層の厚さによって，解析の結果は異なるが，埋立層下部と沖積層上部の境界付近に最大過剰間隙水圧が発生するような分布を示した．実測値は解析値よりもやや小さめの値を示す結果が多いが，おおむね解析結果と対応しているとみなせる．
このように泥面高さの経時変化を表現できる圧密パラメータで地盤内性状を説明できるか検討した結果，含水比分布においても過剰間隙水圧においても，解析値は実測値をよく表現することができた．
このことは、解析に用いた圧密パラメータの組合せが妥当であったことを意味している．すなわち，埋立地内の粘土の平

本稿は，「平成 12 年度新北九州空港埋立検討調査」（国土交通省 九州地方整備局 下関港湾空港技術調査事務所発注）において実施された研究成果をとりまとめたものである．ここに記して深甚なる謝意を表する．

参考文献
1) 佐藤,石貫,北澤,村川,吉福,片桐,寺師：浚渫土による埋立沈下予測と検証－観測手法の活用－，第 35 回地盤工学研究発
表会概要集，pp.1381-1382，2000.
2) Sato,Ishinuki,Katagiri,Terashi,Kitazawa;Reclamation
control of pump-dredged clay by CONAN，Proceedings of theinternational symposium on Coastal Geotechnical Engineeringin Practice (IS-YOKOHAMA 2000),pp.507-513.2000.