日本建築学会大会学術講演梗概集（北海道） 2004年 8 月

20212

液状化地盤‑杭基礎構造物系の過渡共振現象に関する実験的研究
その１ せん断土槽を用いた振動台実験
せん断土槽
振動台

液状化

正会員○三好 将史*1
同桝井 健*3
同藤田 良太*1

杭動的相互作用1. はじめに液状化する可能性のある地盤（液状化地盤）に杭基礎構造物を建設する場合、液状化時の杭基礎構造物の挙動の把握が耐震設計において重要である。地盤が液状化すると、地盤剛性および杭に作用する地盤反力が低下することにより、地盤-杭基礎構造物系の固有振動数が小さくなる。既往の研究によれば、液状化過程において地盤-杭基礎構造物系の固有振動数と入力波の卓越振動数が一致すると、過渡的に共振する現象（過渡共振現象）が発生し過大な応答になる場合があることが報告されている 1〜3）。一方、現行の設計体系 4）では液状化地盤における杭体応力の算定は液状化状態を対象としたものであり、完全に液状化するまでの過程（液状化過程）における取り扱いは適切に提案されていない。
本研究は液状化過程における杭基礎構造物の過渡共振現象を実験により把握することを目的とし、せん断土槽を用いた杭基礎構造物模型の振動台実験を行う。基本的な性状を把握するため、漸増振幅の正弦波による加振での応答を定量的に捉える。本報その１では、液状化の進行に伴い地盤-杭基礎構造物系の固有振動数が低下し、過渡的な共振現象を起す場合があることを確認する。
2. 実験概要
実験装置を図 1 に示す。幅 1000mm×奥行き 400mm×深さ 1135mm（内寸）の大きさを有するせん断土槽を用い、土槽中央に杭基礎構造物模型を配置する。砂層は飯豊珪砂 5 号を用いて作成する。土質試験結果を表 1に示す。地盤作成はボイリングによる方法 5）とし、相対密度 42％の飽和地盤を作成する。予備試験により、水平地盤反力係数 kh は 4.12×103kN/m3、地盤の一次固有振動数は約 10Hz と得られている。
上部構造66.1N

D 1A 11135

D2D3G.L.
-100-200-300-400-500-600-700-800-900-1000-1100A2U1飽和砂U2

杭U3φ 22 -2.0t

A3A4A5U4A6U5：加 速 度 計：変位計：間 隙 水 圧 計：ひ ず み ゲ ー ジ

D4 A7
振動台
単位 (mm )

1000

表 1

図 1 実験装置
飯豊珪砂 5 号の土質試験

ρs/ρw
D 502.616 0.525mm

D 100.285mm

Uc
1.98

e max
0.756

e min0.440

同 八尾 眞太郎*2
同 小林 恒一*4

杭基礎構造物模型を相似則 6）に従い設計する。実大構造物として杭基礎を有する S 造 3 層構造物を想定する。なお、杭基礎構造物模型は、実大構造物の上部構造を 1 質点に縮約している。表 2 に実大構造物および杭基礎構造物模型の諸元を示す。杭基礎構造物模型は上部構造（重量 66.1Ｎ）に 4 本のポリカーボネイト製杭（φ22mm-t2.0mm,弾性係数 3.0×103N/mm2）を剛接している。
表 2 実大構造物および杭基礎構造物模型の諸元
杭径（見つけ幅） BL
杭長
許容鉛直支持力
相互作用長さ
β -1

実大構造物
0.90m
20.0m
999.6kN
3.45m

杭基礎構造物模型
22mm1135mm
17N
170mm

振動台への入力は、正弦波による水平 1 方向加振とする。振動数を一定とし、間隙水圧計 U3（G.L.-526mm）の過剰間隙水圧比が 1.0 に達するまで加速度振幅をスイープアップし、その後は一定の加速度振幅を有する定常波とする。2Hz から 30Hz まで 1Hz ごとに 29 ケースの実験を行う。なお、各実験ケースで地盤の液状化の進行が同様になるように、加速度振幅の増加率を調整する。
ここでは間隙水圧計 U3 の過剰間隙水圧比が上昇時から約 4.5 秒間で 1.0 に達するようにした。
3. 実験結果
3.1 過剰間隙水圧
入力振動数が 2Hz、5Hz、10Hz、15Hz の各実験ケースについて得られた入力加速度と上部構造の応答加速度の時刻歴、過剰間隙水圧比の時刻歴を図 2〜10 にそれぞれ示す。過剰間隙水圧比の時刻歴より、いずれのケースにおいても上層から液状化が進行している様子がわかる。これは他の入力振動数の実験においても同様の傾向が見られた。従って、本研究では間隙水圧計 U3 の過剰間隙水圧比の値が地盤状態の変化を代表していると見なし、これを地盤状態の変化を表すパラメータとして用いることとする。また、以下のように特徴的な地盤状態と時刻を定義する。
・非液状化状態 ：全ての間隙水圧計の過剰間隙水圧がほぼ 0 である状態
・液状化開始時 ：過剰間隙水圧の上昇が始まる時刻
・完全液状化時 ：間隙水圧計 U3 の過剰間隙水圧比が初めて 1.0 に達した時刻
・完全液状化状態：間隙水圧計 U3 の過剰間隙水圧比が 1.0 に達している状態
・液状化過程：液状化開始時から完全液状化時までの間

A Experimental Study on the Transient Resonance Phenomena of Liquefied Soil-Pile Foundation System
Part1 Shaking Table Tests using Laminar Shear Box

MIYOSHI Masashi, YAO Shintaro, MASUI Takeshi, KOBAYASHI Koichi and FUJITA Ryota

̶423̶

上部構造（A1）
入力波 （A7）1234

過剰間隙水圧比

図21.2
10.8
0.6
0.4
0.2
0-0.223加速度 （gal）

200
150
100500-50-100-150-200

過剰間隙水圧比

89489U55時刻（sec）

67

過剰間隙水圧比時刻歴（2Hz）

上部構造（A1）
入力波 （A7）

12345時刻（sec）

678989図 4 加速度時刻歴（5Hz）

1.2
10.8
0.6
0.4
0.20-0.2

U1U2U3U4U512

図5
加 速 度 （gal）

7U1U4

図36

加速度時刻歴（2Hz）
U2
U3

1200
150
100
500-50-100-150-200

345時刻（sec）

67

過剰間隙水圧比時刻歴（5Hz）

上部構造（A1）
入力波 （A7）

上部構造（A1 /A7 ）地表面（A2 /A7 ）123

図645時刻（sec）

6789
非液状化状態

加速度時刻歴（10Hz）

加振開始時
+0.5s

過剰間隙水圧比

1.2
10.80.60.40.20-0.2

U1U2⊿u/σ vo'＝0.2±0.25s

U3 U4U512

図7加速度（gal）

5時刻（sec）

3.2 地盤‑地盤‑杭基礎構造物系の杭基礎構造物系の応答加速度
液状化の進行に伴う地盤-杭基礎構造物系の応答の振動数特性の変化を確認するため、地盤状態の変化に伴う加速度増幅率の振動数特性の変化を求めた。振動数特性は、各実験ケースごとに同じ地盤状態となる時刻について、加速度増幅率を求め、それらを連ねることにより得る。加速度増幅率は入力加速度に対する応答加速度の最大値の比とし、それぞれの時刻の前後 0.25 秒間（加振開始時は後 0.5 秒間、液状化時は後 1.0 秒間）のフーリ
エスペクトルの最大値の比として定義した。上部構造と地表面について求めた加速度増幅率の振動数特性を図10 に示す。同図中、非液状化状態は間隙水圧が上昇しない程度の入力加速度で入力振動数を 2〜30Hz までスイープアップして得られたフーリエスペクトル比を示している。
図 10 より過剰間隙水圧比 0.2 における地盤-杭基礎構造物系の固有振動数は約 15Hz であり、完全液状化状態の約 3Hz まで、過剰間隙水圧の上昇に伴って地盤-杭基礎構造物系の固有振動数が低下していくことがわかる。
図 4、6、8 に示したように、入力振動数が 5Hz、10Hz、15Hz の場合の上部構造の応答加速度は液状化過程で最大値を示しおり、液状化過程で過渡共振現象が発生していることが確認できた。入力振動数が 4Hz 以下のケースでは液状化過程における応答のピークは見受けられなかった。

200150100500-50-100-150-200345時刻（sec）

6788加速度増幅率

加速度（gal）

200
150
100500-50-100-150-2009過剰間隙水圧比時刻歴（10Hz）123

図8
過剰間隙水圧比4

図935時刻（sec）

678

989加速度時刻歴（15Hz）
U1
U2

2

⊿u/σ vo'＝0.8±0.25s

2510152025振動数（Hz）

1.2
10.8
0.6
0.4
0.2
0-0.2
1

⊿u/σ vo'＝0.6±0.25s

40

上部構造（A1）
入力波 （A7）⊿u/σ vo'＝0.4±0.25s

64

U3 U4
U55時刻（sec）

67

過剰間隙水圧比時刻歴（15Hz）＊1 関西大学大学院工学研究科 大学院生
＊2 関西大学工学部建築学科 教授・工博＊3 関西大学工学部建築学科 助教授・工博＊4（株）ジオトップ 技術開発本部 工博

30⊿U/σvo'＝1.0⊿u/σ vo'＝1.0＋1.0s

図 10 液状化の進行に伴う加速度増幅率の変化
4. おわりにせん断土槽を用いた杭基礎構造物模型の振動台実験を行った結果、以下の知見を得た。
・非液状化状態から完全液状化状態における地盤-杭基礎構造物系の加速度増幅率の振動数特性を表す曲線から、液状化の進行に伴い地盤-杭基礎構造物系の固有振動数が低下し、過渡的な共振現象を起す場合があることがわかった。
参考文献は本報その２に合わせて示す。
Graduate Student, Graduate School of Engineering, Kansai Univ.
Prof., Dept. of Architecture, Faculty of Engineering, Kansai Univ., Dr. Eng.
Assoc. Prof., Dept. of Architecture, Faculty of Engineering, Kansai Univ., Dr. Eng.
GEOTOP Corporation, Dr. Eng.

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