波による海底地盤の液状化に関する調査研究
Study of Wave-induced Liquefaction of Seabed
増山琢也*MASUYAMA Takuya* （財）沿岸開発技術研究センター

調査部 主任研究員

It's sometimes reported that under the sever wave conditions, breakwatere’s caissons are damaged by
impulsive breaking wave forces mainly caused by settling of wave dissipating concrete blocks. The
settlement of breakwaters in seabed sands due to severe wave loading is one of the long-standing
problems, calling for closer examination on the mechanism of wave-induced seabed instability. We
performed systematic field measurements of the changes of pore water pressures in a bed offine-grained sands at Higashi Daiichi Breakwater site of Kochi port under the passage of storm waves
generated by Typhoon No. 9 in 2002. The present paper describes the field observations to investigate
the liquefaction process at the toe of breakwater slope paying attention to the measured pore waterpressure distributions.
Key Words : liquefaction, breakwater, seabed
防波堤等における沈下現象の発生

1. はじめに大波浪が来襲する港湾域に設置された防波堤等において，消波ブロック等が沈下しており，ケーソンへの衝撃砕破力の発生や，消波ブロックの沈下に伴うケーソン側壁の損傷等の被害が見られることから，原因の検討および対策が必要とされている．沈下の原因は，防波堤前面が波浪により洗掘される，あるいは消波ブロック設置マウンドの砂の吸出しの可能性が指摘されているが，海底地盤の液状化の可能性も指摘されている．
本論文は，高波浪来襲の頻度が高い太平洋に面する高知港東第一防波堤において実施した現地観測の結果と今後検討すべき項目についてまとめたものである．

沈下現象の解明に関する検討を行う必要がある①沈下原因の把握が必要（洗掘あるいは液状化）②沈下被害の把握が必要

Ⅰ．沈下原因の検討（海底地盤液状化の有無確認）

Ⅱ．沈下被害の把握（沈下現象の定量的把握）
防波堤の断面形状の計測
1)台風来襲前後の変化

海底地盤間隙水圧の計測① 液状化判定② 来襲波浪との関連① 来襲波浪との関連

沈下現象と液状化現象の関連

沈下現象の解明

2.現地観測の概要
本年度の調査フローを図-1 に示す．
調査内容は，Ⅰ．沈下原因の検討とⅡ．沈下被害の把握に大別できる．Ⅰは海底地盤の液状化の有無を把握することを目的に，現地海底地盤に水圧計・間隙水圧計を設置し，大波浪来襲時の海底地盤の挙動を計測し，液状化の可能性およびそのメカニズムを把握するものである．
Ⅱは防波堤断面，法先の洗掘状況，消波ブロックの沈下状況等を計測し，大波浪来襲前後の断面変化を把握するものである．最終的に，両者の検討結果より液状化と沈下現象の関連を解明し，液状化による被災予測およびその対策の立案を行うものである．
図-2 に計器設置位置図を示す．平成１４年度は，防波堤近傍（以下「自由地盤部」）の計測を行った．防波堤直下については，平成１４年度のケーソン据付工事に合わせ平成１４年１２月に計器を設置したため，計測は平図-1 調査フロー
No.290 防波堤直下部

防波堤の設置状況
既設
H14.1 据付
H15.1 据付

東第一防波堤

南防波堤

図-2 計器設置位置図
成１５年度から行う予定である．
計器設置状況の詳細を図-3 に示す．

No.140 自由地盤部

平成１４年度は，自由地盤のみの計測を行い，水圧計および深さ方向に６深度の間隙水圧計を設置し，７ｃｈの計測を行った．平成１５年度以降は，防波堤直下での観測も行うため，自由地盤の間隙水圧計のうち３深度のものはスイッチボックスから外し，自由地盤３深度，防波堤直下もそれぞれ３深度（法先のみ２深度）および自由地盤と防波堤直下断面の水圧計各１箇所の計１６ｃｈの計測を行う予定である．
No.200.0

No.140.

No.290.0

隙水圧成分 pe(2)が含まれているため，潮位変動成分および長周期波成分は水圧データから求めた成分とし，波浪成分は有義波の数倍（40 秒）より短周期側の成分とし，間隙水圧データより潮位変動成分，長周期波成分および波浪成分を引いた残りを残留間隙水圧成分として分離した．
なお，計測した６深度のうち最浅部(z=-0.33m)のデータにはノイズが含まれていたため，これを除外した５深度のデータを対象に検討を行った．
平成１４年台風９号来襲時の水圧および間隙水圧デー
タを図-4 に，分離した間隙水圧の振動成分および残留間隙水圧を図-5 に示す．

観測室

自由地盤部
（間隙水圧計６→３）

防波堤直下部（間隙水圧計１１）
観測室

直下
ケーソン

ブロック下
消波直下
洗掘防止工

法先地盤

設置深さ
z=-0.33m(H14 のみ計測)
z=-0.67m
z=-1.00m
z=-1.33m(H14 のみ計測)
z=-1.67m(H14 のみ計測)
z=-2.00m

設置深さ
z=-0.67m
z=-1.00m
z=-2.00m

水圧計
間隙水圧計
間隙水圧計
(H14 のみ計測)

図-4 平成１４年９号台風時の水圧・間隙水圧データ

防波堤直下部

自由地盤部

図-3 計器設置状況

3.計測結果とデータ解析結果
3.1 データ一次処理
計測した水圧の生データには，①潮位変動成分 p0t，②長周期波成分 P0l，③波浪成分 p0(1)が含まれているため，潮位変動成分は周期 10 分よりも長周期側の成分，波浪成分は有義波の数倍（40 秒）より短周期側の成分とし，長周期波成分は水圧データより潮位変動成分と波浪成分を引いた残りの成分として分離した．
一方，取得した間隙水圧の生データには，①潮位変動成分 p0t，②長周期波成分 p0l，③波浪成分 pe(1)，④残留間

図-5 分離した波浪成分・残留成分

3.2 データ解析結果

2010-10200

220

230

240

250260

270

280

290

300

pe(1)/p0(1)z = -0.67m-1.0m-1.33m振動成分振幅比-1.67m-2.0m0.6(kP )

0.8

0

1234
時間：日

567

図-8 過剰間隙水圧振動成分の振幅比(z：海底面から上方を正で表示)
４）残留間隙水圧特性
図-9 に-0.67m における間隙水圧の残留成分 pe(2)の時刻歴を示す．
観測開始時点で約 0.5kPa の残留間(2)隙水圧 pe が発生しており，その後，波高が増大するにつれて上昇し，観測開始 1.2 日目でピーク値約0.8kPa を記録し後消散し始め，観測開始２日目以降には実質０となっている．
過剰間隙水圧pe(2) (kPa)

1z = -0.67m

最大値
平均値

0.5
0-0.5
00
1

210

1.0

最大振幅

0-1.67m
-2.0m

0

1.2

30

平均振幅

z = -0.67m-1.0m-1.33m

図-7 地盤内５深度における間隙水圧変動の生波形(2002 年 7 月 25 日 6 時～6 時 30 分のデータ)

40

1030

時間：s(1)(1)

水圧変動の両振幅 2p0 , 2p0max (kPa)

取得したデータを解析するにあたり以下のパラメータを設定した．
① 振動成分振幅比：海底面における水圧の波浪成分
p0(1)に対する各深度における間隙水圧の波浪成分
pe(1)の平均振幅比(=pe(1)/ p0(1) )② 残留間隙水圧比：各深度における間隙水圧残留成分pe(2) の各グループ毎の最大値及び平均値を当該地点における有効土被り圧σ’vo で除した残留間隙水圧比(=pe(2)/ σ’vo)
これらのパラメータを用い，取得したデータを基に，各々の特性について解析を行った．
１）水圧変動特性
水圧の波浪成分 p0(1) の最大及び平均両振幅の時刻歴を図-6 に示す．水圧変動は，平均・最大両振幅とも観測開始直後より上昇し，最大両振幅は 1.3 日でピーク値 39kPa（波高約 4.2m）を経た後減少し，4 日目以降は最大両振幅で約 5kPa（波高約 0.6m）に収束している．

2040

間隙水圧 pe (kPa)

水圧・間隙水圧とも約 15kPa を中心に大きく変動しており，間隙水圧の波浪成分は０kPa を中心とした変動をしており，残留成分は平均的に 0.5kPa 蓄積していることが判る．

2345123456

時間：日

図-9 過剰間隙水圧の時刻歴

図-6 海底地盤直上における水圧変動振幅の時刻歴
２）間隙水圧位相特性
地盤内 5 深度で計測された間隙水圧 pe の生データを図-7 に示す．各深さとも周期約 14 秒で変動していることが判る．また，各深度の位相もほぼ一致していることから，当該地盤は実質的に飽和状態にあると考えられる．
３）間隙水圧振動特性
地盤内 5 深度で計測された間隙水圧の振動成分振幅比 pe(1)/ p0(1)の時刻歴を図-8 に示す．振動成分は深さ方向に減衰しており，深さ 2.0m で約 85%の振幅比まで減衰していることが確認できた．

この結果は，厳しい波浪作用下において，地盤最浅部の約 10cm が液状化状態にあったことに相当している．そこで，地盤の液状化傾向に及ぼす波浪負荷の厳しさの影響を調べるため，地盤深さ 0.67m における残留間隙水圧比 pe(2)/ σ’vo と波浪負荷の厳しさの指標である繰返し応力比χ0max=κp０(1)max/γ’の関係をプロットした結果を図-10 に示す．
観測開始より残留間隙水圧比 pe(2)/ σ’vo は，繰り返し応力比χ0max の増大とともに上昇過程に入り，χ0max≒0.07 の時ピーク値約 0.1 に達する．その後，消散過程に入るが，上昇過程より小さい値を取りながら減少する．これは，同じ繰り返し応力比でも，継続して繰り返しせん断を受けた地盤では，最大波高を経験する以前の地盤よりも砂の繰り返し塑性特性6が減少するためと考えられる．χ0max≦0.02 で pe(2)/σ’vo 値は０まで消散している．

残留間隙水圧比 pe(2)/σV00.15

観測開始

0.1SE45.0
波 22.5
S 向 0.0
θ-22.5
SW -45.00

海象計波向観測位置推定波向12345日

図-12 海象計と観測位置の平均波向0.05

0
上昇過程
消散過程
-0.05

00.02

0.04

0.06

0.08

0.1

繰返し応力比 χ0max
図-10 繰返し応力比と残留間隙水圧比4.今後の予定

3.3 波浪特性
観測した水圧は，圧力変化しか捉えておらず，波向きは把握できないため，国土交通省港湾局が設置した
高知港（桂浜）波浪観測機器（海象計）（以下「高知海象計」）の波浪データを基に波浪変形解析を行い波向きについて検討を行った．
図-11 に高知海象計位置図を，図-12 に平成１４年台風９号来襲時の高知海象計の波向きと観測位置での波向きの推定値を示す．海象計位置では S～SSE の波が来襲しているが，観測位置ではほぼ SSE の波が来ている．

7.0km

5.0km

観測位置

南防波堤

△x＝△y＝50

観測位置の南側には南防波堤が設置されており，SW～S の波は南防波堤により遮断される．また，S～SEの波が来襲しても南防波堤により波が回折し，東よりの波向きとなる．平成１５年度には，間隙水圧の蓄積・消散過程のシミュレーションを行う予定であるが，波の来襲状況を把握するには，高知海象計のみでは，詳細な波浪状況を把握することは困難であるため，平成１５年度には自由地盤近傍に新たに海象計を設置し，現地の波浪状況を観測することとした．

海象計
SESW
SSW Ｓ
SSE＋－S

図-11 海象計位置と変形計算領域

平成１４年度は，自由地盤での水圧・間隙水圧の観測を行い，上載荷重のない地盤の液状化について検討を行った．その結果，高波浪来襲による過剰間隙水圧の発生と消散過程を捉えることに成功するとともに，海底地盤の浅部で液状化している可能性について把握することができた．
平成１５年度は，自由地盤に加え，防波堤直下の間隙水圧も観測するとともに，大波浪来襲による断面変状を把握するために，①マルチソナーによる法先部深浅測量，②水圧計による消波ブロックマウンドの沈下状況の測定，③写真撮影による消波ブロックの沈下状
況の調査を行う．
平成１５年度は，得られたデータを基に数値シミュレーションを実施し，海底地盤の液状化のメカニズムを把握するとともに，大波浪来襲時の断面変状についても検討を行い，それらを再現する数値シミュレーシ
ョン手法を開発し，液状化による被災予測を行う予定
である．
謝辞：
本論文は，国土交通省四国地方整備局高松港湾空港技術調査事務所発注の「海底地盤液状化に関する調査検討業務」の検討結果についてまとめたものである．
検討事項については，「海底地盤液状化に関する調査委員会（委員長：高山知司 京都大学防災研究所水災害分門教授）」においてご助言，ご指導を頂いた．ここに記して心から感謝申し上げます．

参考文献
1) 佐々真志他：実海域における海底砂質地盤の残留間隙水圧の発生と消散過程，海岸工学論文集，第 50 巻，2003.