倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2018 年度（第 50 回）助成■受領№1370

巨大地震下の建物の杭部材の損傷検知技術の開発

代表研究者

林 和宏

豊橋技術科学大学大学院工学研究科助教

1．研究目的れている。過去には、被災後15年以上に亘って使2016年の熊本地震では、熊本県益城町を中心に用され続けた公共建物において、撤去解体時に初甚大な建物被害が発生した。当該地域の防災拠点

めて地中杭部材に重大な損傷が発生していたこととなるべき益城町役場は、新耐震基準に適合するが明らかになった事例もある。現在では、災害によう上部構造の耐震補強がなされており、主要構対する事業継続マネージメントBCMの観点から、造部材に重大な損傷は生じていない。しかし、建建物の地震損傷を即座に同定し、それを建物管理物の沈下や傾斜等から下部構造の損傷が疑われ、者に伝えるモニタリングシステムの必要性が叫ば掘削検査の結果、地中の杭部材に大きな被害が確れている。損傷部位が直接見えない下部構造では、認され、建物全体の取り壊しが決定された。また、センシングによる損傷モニタリングの重要度がよ2011年の東北地方太平洋沖地震では、首都圏を中り高い。

心に広域で地盤の液状化被害が発生した。これら

本研究では、大型構造物で用いられている場所の地域では、液状化による地盤変状などによって打ちの鉄筋コンクリート杭（以後、RC杭）部材を地中の杭部材に大きな被害が生じた事例が多数報対象とし、①巨大地震時の建物応答性状および杭告されており、上部構造物の被害が軽微であるに破壊挙動の解明と、それに基づく②地中杭部材のもかかわらず、大掛かりな補修・補強工事の実施

損傷センシング技術の開発、の2課題達成をめざす。

や建物の取り壊しに至ったケースも散見される。

特に、本研究では杭部材の損傷センシングにおい日本では、建物上部構造の耐震性能向上に向けて、建物所有者が敬遠する破壊試験や高額な周辺た研究と、その知見に基づく耐震補修・補強を広地盤の掘削作業は行わないことを前提とし、幅広域展開する社会活動が⻑らく続けられており、そい社会実装を見据えた成果展開をめざす。の成果は近年の巨大地震災害でも実証されている。
これに対し、建物下部構造は中小地震を対象とし2．研究内容

た許容応力度設計に基づく一次設計体系が中核で本研究では，巨大地震発生時の飽和砂地盤−RCあり続けたため、上部構造と下部構造の耐震性能

杭基礎構造建物系を対象とし、杭部材の損傷進展，のバランスが崩れてきている。

地盤特性の変化，それらに伴う建物上部構造の地

さらに、建物下部構造は上部構造と異なり地震震応答性状の変動解明に向けて遠心場振動実験を被害による損傷が直接目視できないため、被災後実施した。特に本論では，実験的検討例が少ないの復旧活動混乱期に見過ごされる可能性が指摘さ大断面の鉄筋コンクリート杭を対象に，飽和砂地倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2018 年度（第 50 回）助成
盤液状化時の損傷挙動や杭基礎建物の振動応答をが生じている。

実験的に検討した。本論の実験は，全て京都大学

図3に，建物の慣性力―基礎部水平変位関係を示

防災研究所の遠心力載荷装置を用い，50G場で実す。図中の⿊実線は，地中の過剰間隙水圧⽐0.2未施した。

満，⿊鎖線が0.2以上0.8未満，灰実線が0.8以上である。慣性力−基礎部水平変位関係における接線

2.1 実験概要

勾配は過剰間隙水圧の上昇に伴い，低下してくこ遠心場振動実験に用いる飽和砂地盤−杭基礎建とがわかる。これは、地盤の液状化によって、杭物連成系実験モデルの概要を図1に示す。上部構造部材に作用していた水平補剛力が低下したことをは一つの質量体と板バネで再現し，基礎部は杭⻑示している。図2に示すように、RC杭部材は杭頭200mm（実大スケールで10m）のRC杭部材4本でと杭先端に曲げ破壊に伴う塑性ヒンジが形成され支持している。杭頭および杭先端は剛接合とした。ていた。図3では，過剰間隙水圧⽐が0.8を超え，

基 礎 部 の 質 量 は 1.77kg ， 上 部 構 造 物 の 質 量 は図中に破線で示した算定耐力（4Qu）を上回った7.42kgであり，上部構造物の固有周期は0.013sec

後，急激に接線剛性が低下する挙動がみられた。

（実大スケールで0.63sec）である。上部構造の1したがって，実験モデルはこの時点で杭模型に2次固有周期と杭の作用軸力は，10階建てRC造建物点ヒンジの破壊モードが形成され，終局状態に至を模擬している。地盤は豊浦砂を用い，空中落下ったと考えられる。

法で相対密度を調整した後，水の50倍の粘性をもつメトローズ溶液を注入し飽和させた。
振動実験の加振は水平1方向とし，入力波は全て臨海波とした。実験では、初めに本震を意図した最大加速度650gal程度の加振を入力し，その後余震を意図した最大加速度350gal程度の加振を複数回入力した。

(a)杭頭部 (b)杭中間部 (c)杭先端部
図 2 実験終了後の RC 杭部材損傷状況

図 1 飽和砂地盤−杭基礎建物連成系振動実験モデル
2.2 実験結果

図 3 実験モデルの慣性力−変位関係
2.3 RC 杭部材の損傷評価図2に，実験終了後のRC杭部材損傷状況を示す。

図4は，Ⅰ. 杭が健全な状態，Ⅱ. 本震加振によ実験では，杭部材4本すべてで杭頭部に曲げ破壊をって杭が一部損傷した状態，Ⅲ. 余震加振によっ呈していた（図2(a)）。また，深さ4m付近と杭先て損傷がさらに進んだ状態，Ⅳ. 杭頭が圧壊し建端付近にも、多数の曲げひび割れ（図2(b)，(c)）

物に大きな残留傾斜が生じた状態，における建物

倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2018 年度（第 50 回）助成
基礎部の鉛直加速度スペクトルを示す。図中，太2) 林和宏・宮地祐一・木村祥裕・田村修次・齊藤

実線で示す杭が健全な状態では，スペクトルのピ大樹：遠心載荷装置を用いた液状化地盤中の鉄ーク周期は0.13秒程度にある。これに対して，太筋コンクリート杭振動座屈実験, 日本建築学

破線で示すⅡ.地盤の液状化により杭が損傷した

会 構 造 系 論 文 集 , 第 773 号状態では，ピーク周期が0.15秒前後と健全状態の2020.07.

pp.911-920,1.2倍近くに移動している。これは，杭が損傷する

3) K. Hayashi, Y. Miyachi, Y. Kimura, S. Tamura,

ことで部材の剛性が低下し，系の固有周期が伸び

T. Saito ： Centrifuge Model Test on theたためと考えられる。最終的に，杭頭が圧壊した

Dynamic Buckling Behavior of RC Slender PileⅣ.（図中の細鎖線）では、ピーク周期が0.17秒程in Saturated Ground, Proc. the 17th World度まで大きくなっている。以上より，地中の杭部

Conference

材の損傷は，直上の建物基礎部の鉛直方向加速度

Sendai, Japan, 2020.09.

スペクトルのピーク周期から，ある程度推定可能

onEarthquake

Engineering,4) Y. Miyachi, K. Hayashi, S. Takahashi, T.と考えられる。

Saito ： Experimental study on the fracture

今後は，実建物に用いられている杭部材の断面諸

behavior of an RC pile group foundation using

量や，公表されている杭部材の変形性能の情報をa基に，ピーク周期の変化率と杭の損傷度合を関連International付けることで，汎用性を持つ損傷検知技術を確立

Dynamic, Athens, Greece, 2020.11.

させる。

centrifuge

model,

Proc.

Conference

onthe11th

Structural5) K. Hayashi, S. Takahashi, T. Saito：Dynamic
response of the saturated soil – reinforced
concrete pile–superstructure interaction under
repeatedshaking,

Soil

Dynamics

andEarthquake Engineering, ELSEVIER, Vol. 145,
No.106685, 2021.06.

図 4 杭部材損傷に伴う鉛直加速度スペクトルの変化

３．発表（研究成果の発表）
1) 林和宏・宮地祐一・金田将吾・齊藤大樹：遠心実験用鉄筋コンクリート極小模型の部材性能と再現限界, コンクリート工学年次論文報告
集, Vol.41，No.2, 2019.07.