第章

2

海底地質・地盤調査技術

第２章

海底地質・地盤調査技術 ● 目次

我孫子研究所地質部

主任研究員

阿部信太郎

我孫子研究所地盤耐震部

主任研究員

岡田

哲実

我孫子研究所地盤耐震部

上席研究員

岡本

敏郎

我孫子研究所地盤耐震部

上席研究員

田中

幸久

我孫子研究所地盤耐震部

主任研究員

工藤

康二

我孫子研究所地盤耐震部

主任研究員

池見

元宣

前我孫子研究所地盤耐震部

主任研究員

谷

和夫

前我孫子研究所地質地盤部 地下科学グループ（嘱託） 本荘

静光

２−１

海底地質調査技術の高度化………………………………………………………………………………………………17

２−２海底地盤調査技術の高度化………………………………………………………………………………………………23

16

阿部信太郎（1992年入所）
これまで活断層調査の高精度化に関する研
究に物理探査の立場から携わってきた。最近
では、湖における３次元反射法地震探査や地下レーダーを用いた高精度３次元反射法探査に取り組んでいる。今後は、マグマや地震発
生層の把握を目的として自然地震を用いた深部地殻構造探査にも取り組んでいく。

岡田 哲実（1994年入所）
これまで、軟岩地盤を対象とした地盤調査に関する研究を行ってきた。現在は、不均質岩である礫岩の物性評価に関する研究を進めている。今後は、高レベル放射性廃棄物処分を対象とした高温下の岩盤物性に関する研究を行っていきたい．

岡本 敏郎（1977年入所）
揚水式発電所ロックフィルダムの調査／設計/施工/管理、原子力発電所の第四紀地盤立
地および人工島式立地、火力発電所の軟弱地盤対策や石炭灰処分／灰捨地調査に従事。現在表面遮水式ロックフィルダムの設計の研究を担当。

田中 幸久（1980年入所）
飽和砂地盤の液状化対策、原子力発電所の新立地技術（第四紀地盤立地、人工島式海上立地）などを通じて砂や砕石、砂礫材料などの動的物性の評価やその応用を中心として研究を実施してきた。今後は、高レベル放射性廃棄物処分や地盤環境問題の解決へ向けての研究も実施していきたい。

工藤 康二（1982年入所）入所以来、原子力発電所の新立地（第四紀立地、海上立地）プロジェクトにおいて、砂礫
地盤や捨て石マウンド材料といった粗粒材料や軟質岩等の力学特性について、室内試験や現場PS検層を中心に研究を進めてきた。今後は、高レベル放射性廃棄物処分や環境問題の解決へ向けての研究を展開していきたい。

池見 元宣（1970年入所）
入所以来、フィルダムの築堤材料物性試験や軟弱地盤や砂礫地盤の原位置試験に関わってきた。近年は、軟岩を中心とした物性試験
およびボーリング技術の高度化に関する研究を行ってきた。今後も原位置試験を中心とした研究に従事していきたい。1999年６月より
ñシー・アール・エスに出向。

谷
和夫（1990年入所、1999年３月退職）
主に原子力発電所の新立地技術開発や、電力土木の地盤調査と基礎設計に関わる依頼研究に従事した。専門は岩盤工学、応用地質学などで、1999年４月より横浜国立大学工学部建設学科の助教授。今後は地盤情報を活用した国土計画論などにも手を広げる予定。

本荘 静光（1963年入所、1994年６月退職）
出身は物理探査であり、当所では岩石・岩
盤物性、防災・構造地質等の調査研究に多く携わる。原子力では既往諸地点の広域・敷地内調査の経験に基づいて在来立地地質調査法の標準化に従事し、また各新立地方式における調査システム案の策定に努めた。現在総合地質調査ñ勤務。

２−１

海底地質調査技術の高度化
地質調査においても、この反射法地震探査が主流的手法

2-1-1 は じ め にとなる。

人工島式海上立地のための海底地質調査では、建屋基

2-1-2

反射法地震探査の基本原理

礎底面位置付近における試掘坑調査の困難な場合が予想される。したがって、図 2-1-1 に示すように各種物理探

弾性波は、伝搬速度の異なる物質が接する境界面にお査とボーリング調査を有効に組み合わせて、詳細地質構

いて反射する性質を有しており、この性質を地球内部に造と概略物性分布を把握し、特に必要な場合に限り海底適用した場合、地表面において発震された弾性波は地下

原位置地質調査を実施するというのが、最も現実的な調の地層境界面において反射し、再び地表に反射波として査システムと考えられる∏。

戻ってくる。反射法地震探査は、この反射波を観測する

通常、陸域の地質構造については、地表踏査やボーリことにより、地下の地質構造を把握する手法である。

ング調査などの直視的な調査方法と、地表からの反射法

図 2-1-2（上）に示すように、地震計を設置して震源か

地震探査およびボーリング孔を用いた PS 検層、弾性波

ら弾性波を発生させると、発生した弾性波は各地層境界

トモグラフィー等の物理探査を組み合わせることによっで反射して、地表に戻ってきて地震計に記録される。震て把握する。

源および受震点の位置を移動しながらこの観測を繰り返

海域の地質構造把握については、反射法地震探査が特すと図 2-1-2（ 下）に示すような反射記録が得られる。反に有効とされ、在来立地における広域調査段階でも広く

射波は、地層境界の深さと各地層の弾性波伝搬速度で決用いられている。当然、人工島式海上立地のための海底
地震計

広域地質調査基礎地盤地質調査

在来原子力発電所の場合と同様物理探査主体

受震

発震

移動

地層境界A

地層境界B
基
本

断層活動性評価

地層境界C

調
査

弾性波
地質構造の評価

立地成立性の評価

基礎地盤詳細地質調査
詳

地層境界Aからの反射波

T1（sec）

地層境界Bからの反射波

往T2（sec） 復走時

地層境界Cからの反射波

T3（sec）

ボーリング調査主体

細
調
査

設
計
地
震
動
評
価

図2-1-1

海底原位置調査：特に必要な場
合に実施するケーソン内地質調査

断層活動性
詳細評価

人工島式海上立地における海底地質調査の流れ

図2-1-2反射法地震探査の原理

電中研レビュー No.42 ● 17

まる時間で地表に置いた地震計に戻ってくるため、記録

現在、反射法地震探査において用いられている各種のを並べると地層形状を再現することができる。図 2-1-2

震源は、周波数特性、発震出力がそれぞれ異なっている。

（下）の反射記録は、往復走時と呼ばれる弾性波が地表か

浅海域においては、主にエアガン、ウォーターガン、スら各地層境界まで到達し再び地表に戻ってくるまでの時

パーカーが震源として用いられている。一般的にはエア間を縦軸にして示しているが、各地層の弾性波速度が把

ガンは、発震出力が大きく低周波数、ウォーターガンは握されれば、縦軸を深度に変換した断面図も作ることが中程度の発震出力でやや高周波数、スパーカーは、発震できる。

出力が小さく最も高周波数の震源として使用されている。

海域における反射法地震探査では、図 2-1-3 に示すよこれらの震源を用いて同一測線上で反射法地震探査を実うに調査船を一定の速度で航行させながら弾性波を一定施し、各震源の地質構造解明精度について比較検討を実距離間隔で発震させ、海底下の反射記録を連続的に取得施したπ。記録システムおよびデータ処理条件は全て共する。

通である。図 2-1-4 に示す通り、深部の地質構造については、発震出力の大きさに応じてエアガン、ウォーター

2-1-3

反射法地震探査の地質構造解明精度に関する検討ガン、スパーカーの順に明瞭であり、地質構造の分解能については、発震周波数の高さに応じてスパーカー、ウォーターガン、エアガンの順に高分解能である。

反射法地震探査記録は、地下の地質構造を断面図とし

以上のように各震源の周波数特性と発震出力の違いにて表現している。一枚一枚の反射面は、反射面をはさむ

よって、地質構造の解明精度、把握深度に顕著な差異が上下地層の物性の相対的違いを反映しており、この記録生じている。海域の反射法地震探査において、一種類の断面図に示される地質現象は、大きいものは地質の構造

震源で分解能と探査深度の双方を満足することは原理的

形態、不整合面といった広域の地質構造から、小さいもに困難である。したがって、地形および地質条件を十分のは堆積の微細構造までを表わしている。

に考慮し、把握対象に応じた震源を選択する事が、反射

反射法地震探査記録による地質構造の解明精度を左右する要因は、計画段階における測線間隔および測線方向

法地震探査による地質構造解明精度を確保する上で、極めて重要である。

の設定、探査段階における船位測定の誤差、機器精度とそのパラメータ設定条件、解析段階における弾性波の物
理的性質の解釈、地質学的解釈など、調査過程の各段階

2-1-4

音響学的層序の岩質および地層形成
年代との対比において様々な形で含まれ、それぞれが相互に関連し、最終的に地質構造の解明精度として現われる。特に探査海域においては、陸域における地表地質調査に相当す

段階において、どのような仕様の震源を選択するかが、る情報がきわめて少ない。従って、反射法地震探査から得られる記録の分解能、把握深度、S/N 比に大きな影響得られる音響的な層区分を、実際の岩質や地層形成年代を与える。

に対応付けるためには、既往のピストンコアリングや海ストリーマーケーブル（受震器）
震源

＊エアガン
＊ウォーターガン＊スパーカー

図2-1-318海域における反射法地震探査の概念図

0

250

500

0

250

500

0

250

500 （m）
0
（m）

500

1000
ウォーターガンエアガン

図2-1-4スパーカー

各種震源による反射法地震探査記録断面の比較

底ボーリング調査により把握された地層区分、隣接陸域震探査により層序を追跡するか、ピストンコアリング、における地質調査結果を参照し、総合的に検討する必要

もしくは海底ボーリングを反射法地震探査の測線上におがある。反射法地震探査記録と既往文献に記載されていいて実施し、直接的に対象海域の岩質および地層形成年

る海底ボーリング調査結果 ºを対比した例を図 2-1-5 に代を把握する以外に方法はない。

示す。ただし、現実的にはこのような対比が可能な場合は少数で、対象とする海域に関して適当な文献が存在しない場合も多い。また、海域と陸域では過去の堆積環境

2-1-5

反射法地震探査記録断面による断層の判定の違い、例えば海進、海退などの影響により、陸域と海域の地層区分を対応付けられるとも限らない。

断層の種類は、正断層、逆断層、横ずれ断層に大別される。反射法地震探査記録では、断層は図 2-1-6 に示す付けが既になされている海域から対象海域まで反射法地ようにある場所を境に反射面が切れて、その両側で反射

ボーリング地点
0.0
秒

200

地質時代

30km

深度（m）

このような場合には、音響学的層序と地質層序の対応

第四紀

400

鮮新世
後期中新世

600

0.5

中中
期新
世

800
1000

新
第
三
系

往復走時

1200
1400

1.0

前
期
中
新
世

1600
1800
2000

1.5

2200

古
第
三
系

始
新
世

2400
2600
2800

2.0

3000
3200

図2-1-5

反射法地震探査記録断面と海底ボーリング調査結果の対比

3400

前
期
漸
新
世

白
亜
紀

サ
ン
ト
ニ
ア
ン
〜
チ
ュ
ー
ロ
ニ
ア
ン

電中研レビュー No.42 ● 19

750m

0m
0m

断層

断層

断層

断層

断層
断層

750m

図2-1-6

反射法地震探査でとらえられた断面面がずれている場合に認定される。しかし、断層の存在難である。ただし、最近では、人工知能的な概念を用いが確認された場合においても、断層の傾斜角が低角度で、て、反射法地震探査記録断面から自動的に断層を抽出しすべり量が小さい場合は、断層を挟んだ反射面の上下方て変位量等を見積もる地質構造解釈システムに関する研向での変位量は見掛け上、さらに小さくなってしまうた

究が資源探査分野ではなされている。このような解析シ

め、ずれの判定は困難になる。このような場合は、反射

ステムが実用化されれば現在よりも遥かに客観性の高い

法地震探査記録断面の縦軸と横軸の比率を変えて、深度断層の判定が可能となる。

方向を強調した断面を作成することにより、判定が可能となる場合もある。また、幾何学上、一本の反射法地震

2-1-6

海底に存在する断層の活動性評価

探査記録上で判定出来る断層の変位は上下方向のみである。すなわち、完璧な横ずれ断層が存在した場合につい

断層は、規模と性状、活動履歴、最終活動年代を検討ては、一本の反射法地震探査記録断面からだけでは、そすることによって、発生する地震規模、活動間隔が活動の存在の有無、横ずれ変位量を推定することはできない。

性として評価される。海底に存在する断層の活動性を評

ただし、現実的には完全な横ずれ変位のみで形成されて価する際に最も重要なポイントは、「対象とする断層が、いる断層はなく、若干なりとも必ず上下変位を伴っておどの時代の地層まで変形を与えているか」にある。具体

り、断層の存在を見落とす可能性は極めて低い。

的には、地層形成年代と反射法地震探査によって得られいずれにしても、ある測線において断層の可能性を示

る音響学的層序の対比、および反射法地震探査記録断面す反射パターンが確認された場合には、隣り合う測線により認識される断層の存在と変位の範囲を考慮し、活動

おいて同一の反射パターンが存在するか否か、反射パタ性が評価される。反射法地震探査記録から読み取れる地ーンから推定される断層の種類が同一か否かについて検層の連続性を検討することにより、最終的に断層の活動討する必要がある。

性を評価するまでの手順をフローチャート化したものを我々が実施する反射法地震探査記録断面上における断図 2-1-7 に示す。ただし、全ての事例がこのフローに沿層の判定には、データの質や地質構造の多様性などを考って評価が可能なわけではない。たとえば、海底地形に慮する必要があり、データ解析者の経験に基づく主観性あらわれている海底面の段差は、断層の最近の活動を示も少なからず含まれている。どのような状況に対してもす可能性もあるが、断層変位以外の形成要因についても適用可能な、データ解析者の主観性を完璧に排除した判検討する必要がある。また、断層自体は直接的には確認定基準というものを設定することは現時点においては困されていない場合でも、断層の存在が地下深部に示唆さ20の間に測定出来ない範囲が生じてしまう。また、この範
地層の連続性の検討

スムース

不連続

囲においては、陸上反射法地震探査の受震器を海底に設置することも、耐水性の観点から困難である。このよう不明な浅海域においては、センサーを海底に設置するベイケ
断層
無し

下位層、回折波、
岩相を検討

岩相、地質構造
海底地形の検討ーブルと呼ばれる受震ケーブルを用いる探査方式が有効である。
沿岸域に空白域をつくることなく反射法地震探査を実

断層の
可能性

周辺地質構造の検討施するために、ベイケーブルを用いた反射法地震探査と
断層以外
の地質構造

通常仕様の海域、陸域における反射法地震探査を併用す
る図 2-1-8 に示すような探査システムを実フィールドに適用したº。この探査システムの特徴は、海域反射法地

断層有り

震探査、ベイケーブル反射法地震探査、陸上反射法地震

連続性の
検討

活動性の
検討

震源断層として考慮しない探査の各探査手法を独立したレイアウトの探査として実

断層規模の
判定

変位速度の
検討

Ｓ2相当断層（設計用限界地震）として実施するところにある。すなわち、陸域から発震

Ｓ1相当断層（設計用最強地震）

施するのではなく、一体化した一つのレイアウトの探査された弾性波は海底でも受震され、その反対に海域から発震された弾性波は陸上でも受震される。データ処理は、
通常の反射法地震探査のデータ処理とほぼ同様であるが、

図2-1-7

反射法地震探査記録に基づく断層活動評価の流れ

各探査手法間におけるデータ特性の違いを補正するためのディジタルフィルター処理を施した。得られた反射法
記録断面は図 2-1-9 に示すように極めて良好であり、海れるような地層変形が確認される場合は、陸域も含めた底から陸上に連続する地層の堆積状況が深度 2000m 程周辺地域の地質構造発達史を検討し、深部断層の活動性度まで明らかになった。

を評価する。さらに、断層を被覆する地層が存在しない
場合、もしくは被覆する地層の形成年代が把握できない

2-1-8

ま と め

場合については、周辺地域の地質構造および周辺に存在する断層の雁行性、断続性等の分布形態、性状から断層

人工島式海上立地の海底地質調査においては、試掘坑帯としての地質構造発達史を検討し、対象とする断層の調査が困難であることが想定される。したがって、陸域成因と活動性について、総合的に評価する。

における調査比重が必然的に高くならざるを得ない。このため、陸域における調査結果を海域のボーリング調査

2-1-7

海底から陸上まで連続する地質構造の把握や物理探査結果と結び付ける必要があり、陸上から海底までの連続した地質構造断面、物性構造断面を得ることが重要となる。本節に示した海底から陸上に至る連続し人工島式海上立地の広域地質調査段階において、海底た地質構造断面を取得するための反射法地震探査システ

から陸上に至る連続した地質構造を反射法地震探査によムは、在来立地における広域調査段階で、既に海底地質り把握できるとすれば、立地成立性確認のために極めて調査法として用いられているものの組み合わせにより構

有効な判断材料となるª。ただし、人工島式海上立地に成されている。すなわち、探査装置などは従来までのもおいては、水深十数メートル以浅が建設対象となり、スのをそのまま適用することが可能である。

トリーマーケーブルと呼ばれる受震用ケーブルを船尾か海域における物理探査のさらなる高精度化に向けた研ら 100m 以上曳航する通常仕様の反射法地震探査では、究は日々進歩しているが、現状よりも高精度なデータを

調査船の航行にも水深５ m 以上は必要であり、陸域と得るためには、より厳密なデータ計測、より微弱な信号

電中研レビュー No.42 ● 21

海域の反射法地震探査
ベイケーブルを用いた反射法地震探査陸域の反射法地震探査

海底面

界面

地層境

図2-1-8

0ｍ

海域

2500ｍ

海底から陸上に至る連続した地質構造断面を得るための反射法地震探査システム

海域

5000ｍ

陸域

0m

0m

500m

500m

1000m

1000m

1500m

1500m

図2-1-9︵深度︶

海底から陸上に至る連続した反射法地震探査記録断面をとらえる観測を実施する必要があり、そのための観測る広い研究分野において、海域における物理探査が用い機器、観測技術開発も必要である。最近の電子工学分野られている現状からすると、ノウハウの蓄積は十分にな

における技術動向からすると、この分野が必要とする仕されている。したがって、人工島式海上立地のための海様を満たす観測機器については、既存技術の組み合わせ

底地質調査技術は、本節で示した事例も含めて必要とさにより、理論的には製作可能な状態になっている。また、れる要素技術に関する検討段階は終了し、実用化へ向け観測技術についても、土木から資源開発、地球科学に至た実践段階に到達していると言える。

22

２−２

海底地盤調査技術の高度化

1-5-1 で述べたように人工島式海上立地における海底を多く含むが、地質年代の新しい堆積軟岩は比較的亀裂

基礎岩盤の調査では在来立地と異なり試掘坑を設けるこが少ない。従って、地質年代の新しい堆積軟岩を対象ととが困難な場合も考えられるので、岩盤せん断試験結果した場合には、不攪乱試料を用いた室内試験やプレッシと平板載荷試験結果など従来、試掘坑内で実施されてきャーメータ試験から岩盤全体の特性を評価できる可能性

た試験の実施が困難である場合も想定される。従って、が高い。そこでここでは、比較的均質で亀裂の少ない堆

人工島式海上立地においては、試掘坑によらずに、従来積軟岩からなる岩盤を対象として、不攪乱試料を用いた

得られた情報に近いレベルの情報を得ることのできる地

室内試験やプレッシャーメータ試験による地盤物性評価

盤調査・試験方法ならびにそれらによる地盤特性の評価

法について述べる。

方法の確立が望まれる。
具体的な方法としては、岩盤の特性に応じてA

現地より採取した不撹乱試料を用いた室内試験

B

ボーリング孔や地盤調査用ケーソン内など試掘坑以外で行う原位置速度検層や各種原位置試験

2-2-1

室内試験による堆積軟岩の地盤物性評価

ここでは、室内試験結果と原位置岩盤試験結果の対応を明確にすることを目指して、比較的均質な堆積軟岩を対象として以下の検討を行った。

を適切に組合せた調査を実施して、その結果を総合的に判断して地盤物性を評価することが考えられる。また、A

一般に、岩盤の内部には亀裂が存在するため、岩盤

上記A、Bの他に、場合によっては陸域に存在する類似から採取した室内試験供試体の寸法が大きいほど、供岩盤に対する地盤調査を行うことも考えられる。

試体に含まれる亀裂が増加する（図 2-2-1）。その結果、

ここでは、不攪乱試料を用いた室内試験による地盤

大きな供試体に対する室内試験から得られた強度なら物性評価方法とボーリング孔を利用した地盤調査によびに剛性は小さな供試体に比べて小さい。これを寸法る岩盤物性評価方法のうちのひとつであり、当研究所

効果と呼ぶ。そこで、代表的な室内力学試験である三が開発した岩盤用プレッシャーメータ試験について述

軸圧縮試験によって寸法効果の影響を検討する。

べる。

B

三軸圧縮試験結果と比較することにより代表的な原

プレッシャーメータ試験は、後述するようにボーリ

位置岩盤試験である岩盤せん断試験と平板載荷試験のング孔壁をゴム膜を介して載・除荷する試験方法であ位置づけを検討する。さらに三軸圧縮試験結果を用いる。ボーリング孔やゴム膜の寸法には限りがあるので、て岩盤せん断試験結果と平板載荷試験結果の数値シミ

一回の試験から得られる地盤情報は岩盤全体からみれュレーションを行う。

ば点に近い局所的なものにならざるを得ない。このことは、不攪乱試料を用いた室内試験でも同様である。

供試体の
サイズ

このような試験方法による結果から岩盤全体の特性を小評価する場合に問題となるのは、岩盤中の亀裂の存在

構造物

である。
一般に、岩盤は、その内部に亀裂が存在し、岩盤全体

岩盤の挙動に影響を及ぼす。従って、局所的な地盤情報から
大岩盤全体の特性を評価する場合には亀裂の影響を考慮しなければならない。岩盤には、亀裂が多いものと少ないものがある。一般に、地質年代が古く硬質な岩盤は亀裂

図2-2-1

岩石の寸法効果

電中研レビュー No.42 ● 23

¸

表2-2-1

力学特性に及ぼす寸法効果の影響の検討

寸法効果のまとめº

三軸圧縮試験では、供試体の端部の乱れ（ベッディング

人工軟岩

堆積軟岩

配合S3 配合M2 シルト岩∏

エラー） の影響を受けないように、正確な変位計測を実施し、強度特性だけでなく変形特性の寸法効果についても検討を行った。

強度 ピーク時の軸差応力qf

×

○

×

特性 残留時の軸差応力qres

×

×

×

ヤング率の初期値Esec, i

×

×

△

q/qf＝0.5の時のヤング率E50

×

×

×

ピーク時の軸ひずみεf

×

×

△

変形

試料は、１種類の自然の堆積軟岩と人工軟岩（堆積軟特性

岩を模擬した２種類の人工の岩石）を使用した。自然の○：寸法効果が認められる。
△：寸法効果がやや認められる。
×：寸法効果は認められない。

堆積軟岩は、外見上は割れ目を含まない新第三紀鮮新統に属するシルト岩を用いた。人工軟岩は、砂岩を模擬した砂質系の岩石（配合 S3）と泥岩を模擬した泥質系の岩石
π合 M2）におけるピーク時の応力 q f に若干の寸法効果が（配合 M2）である 。ただし、砂質系の人工軟岩では、認められる。その低下割合は、直径が 10 倍大きくなる

供試体の表面に亀裂が見られない均質な試料を作製すると約 10%低下する程度である。これは、人工軟岩（配合ことができたが、泥質系の人工軟岩の大きな供試体には、M2）の作製中に発生した割れ目の影響と考えられるため、供試体作製中に発生した亀裂が数本観察された。

実際には問題とならない。また、自然の堆積軟岩におけ以上３種類の試料に対して、供試体の直径が 10、20、

る初期のヤング率 E sec,i とピーク時の軸ひずみεf に僅か

35、50、100、300、500mm の寸法で三軸圧縮試験を行に寸法効果が認められるが、工学的には無視できる程度

った。

だった。

試験結果から得られた軸差応力（供試体の軸方向の応力から軸直角方向の応力を差し引いたもの）と軸ひずみ以上により、比較的均質で亀裂の少ない堆積軟岩では、（供試体の軸方向の直ひずみ）の関係の代表例を図 2-2-2

強度・変形特性に明瞭な寸法効果は認められず、通常行に示す。強度特性としては、ピーク時の応力 qf と残留時

う直径が 50mm 程度の供試体を用いた三軸圧縮試験にの応力 qres を求め、それらに対する寸法効果を検討した。

より、堆積軟岩から成る地盤の強度・変形特性が求めら

また、変形特性としては、初期（微小なひずみレベル）のれることがわかった。

ヤング率 Esec,i、ピークの半分の応力時（q/qf=0.5）のヤン
グ率 E50、およびピーク時の軸ひずみεf を求め、それら¹

岩盤せん断試験結果との比較
ここでは、サンプリングしたコアに対する三軸圧縮試

に対する寸法効果を検討した。
表 2-2-1 に寸法効果の影響をまとめた。人工軟岩（配験結果と岩盤せん断試験結果との相互関係を明らかにすることを目指して、両試験から得られた強度特性を比較するとともに、三軸圧縮試験結果に基づく応力ひずみモ

5デルを用いた岩盤せん断試験の数値シミュレーションを
1

軸差応力q（MPa）

4

行った。

ピーク強度qf

E50
残留強度qres１）破壊時の応力の比較

3

岩盤せん断試験は、図 2-2-3 に示すように室内模型実

qf/2

2

験により行った。せん断面の大きさは 30cm × 30cm で、原位置試験で一般的な 60cm × 60cm と比較して 1/2 のEsec.i1

ピーク時の軸ひずみεf1

スケールである。実験に用いた試料は、2-2-1 の寸法効
果に関する検討と同様に、砂質系および泥質系の人工軟

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

岩と自然の堆積軟岩（シルト岩）である。本試験では、破軸ひずみε（％）

壊のメカニズムを詳細に検討するため、せん断する岩盤
図2-2-224º

三軸試験結果の一例

ブロックのせん断面に作用する直応力とせん断応力の分

垂直荷重用ジャッキ

せん断荷重用ジャッキ
せん断荷重用
ロードセル

垂直荷重用ロードセル

せん断ブロック（鉄筋コンクリート）
変位計
せん断面30×30cm
模型地盤（試料）
土槽固定用
ジャッキ

模型土層
（内法寸法：1.00×1.00×0.51m）

模型地盤（ダミー）

反力フレーム

図2-2-3

岩盤せん断の模型実験装置º

布やひずみ分布の計測も行ったª。

またはやや安全側の評価ができていることがわかる。ま図 2-2-4 に岩盤せん断試験と三軸圧縮試験から得られた、岩盤せん断試験のシミュレーション結果は岩盤せん

た強度特性を比較した。これより、粒度が粗い砂質系の断試験結果と同様に三軸試験の結果と高い応力レベルで人工軟岩（配合 S2 と S3）では、直応力が 2.5MPa 以下の調和的だが、低い応力レベルでは小さくなる傾向がある。

範囲でせん断強度に全般的な差がなく、粒度が細かい泥

数値シミュレーション結果を詳細に検討したところ、質系の人工軟岩（配合 M2）と自然の堆積軟岩では、それこの原因は、１）と同様に引張り破壊の影響であること

ぞれ 0.5MPa、1.0MPa 以下の領域で岩盤せん断試験によが明らかとなった。

る強度が三軸圧縮試験による強度よりかなり低く評価さºれることがわかる。

平板載荷試験結果との比較

この原因を調べるために、岩盤せん断試験における破ここでは、自然の堆積軟岩（シルト岩）地盤においてサ

壊面上の応力分布やひずみ分布が計測された。その結果、ンプリングした試料の三軸圧縮試験結果と平板載荷試験

破壊面上ではせん断破壊だけでなく引張り破壊も生じて結果の相互関係を明らかにすることを目指して、三軸圧∫いることが主たる原因であることが明らかになった 。

縮試験結果および原位置弾性波速度試験結果から地盤物性値を定め、原位置平板載荷試験結果のシミュレーショ

２）数値解析による検討

ン計算を行った。

岩盤せん断試験から評価される強度特性の位置づけを検討することを目的として、岩盤せん断試験の有限要素

１）原位置平板載荷試験の概要

法（FEM）による数値解析を実施した。岩盤の応力ひず

試験地点は、新第三紀鮮新統のシルト岩からなり、試

み関係は、破壊前は線形弾性、破壊後は完全塑性になる

験面近傍に割れ目は認められず、おおむね均質である。

バイリニア型とした。地盤物性値は、三軸圧縮試験の結試験位置は、地表から約 30m 下の試掘坑内である。地果を用いて定めた。

下水面は地表面とほぼ一致している。平板載荷試験とと

図 2-2-5 は岩盤せん断試験結果、岩盤せん断試験の数
値解析結果、および三軸圧縮試験結果を比較したものでもに、弾性波速度計測とブロックサンプリングした試料を用いて、三軸圧縮試験を実施した。

ある。図 2-2-5 によれば、岩盤せん断試験のシミュレーシ

試掘坑内では、計４回の平板載荷試験を行った（表 2-

ョン結果は岩盤せん断試験結果とほぼ一致しているかま2-2）。Case1 と Case2 については変形試験のみ行い、たはやや小さく、数値シミュレーションによりほぼ妥当

Case3 と Case4 については変形試験の後に支持力試験を

電中研レビュー No.42 ● 25

せん断荷重
ジャッキの
傾斜角
α＝20°
α＝８°
α＝０°

せん断荷重
ジャッキの
傾斜角
α＝20°
2.5

4

せん断応力τf（MPa）

人工軟岩（配合S2）
せん断応力τf（MPa）

32

三軸圧縮試験により得られたモール・ク
ーロンの破壊規準

1123
直応力σf（MPa）

1.5

1.0
三軸圧縮試験により得られたモール・ク
ーロンの破壊規準

0.5

0
0

2.0

人工軟岩
（配合S3）

0.0
0.0

4

0.5

2.5

2.5
人工軟岩
（配合M2）
せん断応力τf（MPa）

せん断応力τf（MPa）

2.5

1.5

1.0

0.5

0.0
0.0

2.0

載荷速度
0.98
MPa/min
0.39
MPa/min
0.049 MPa/min

載荷速度
0.39
MPa/min
0.049 MPa/min
0.0061 MPa/min

2.0

1.0
1.5
直応力σf（MPa）

1.0
1.5
2.0
直応力σf（MPa）

図2-2-4

堆積軟岩（シルト岩）

1.5

1.0

三軸圧縮試験により得られたモール・ク
ーロンの破壊規準

0.5

三軸圧縮試験により得られたモール・ク
ーロンの破壊規準
0.5

2.0

2.5

0.0
0.0

0.5

1.0
1.5
2.0
直応力σf（MPa）

2.5

岩盤せん断試験と三軸圧縮試験による強度の比較º行った。Case2 のダイアフラムとは、地盤を等応力分布

盤の応力ひずみ関係をモデル化し、有限要素法（FEM）

で載荷することを目的とした載荷板である。剛な載荷板

により平板載荷試験のシミュレーション解析を行った。

を用いた場合、載荷板端部の応力集中による局所破壊か

Case4 における載荷板直下の間隙水圧の計測結果など

ら、弾性理論と整合しない可能性があるが、等応力の載から、載荷時に載荷板直下の地盤内で発生した過剰間隙

荷ではこの問題を排除できる利点がある。Case4 では、

水圧は速やかに消散することが明らかとなったため º 、

地盤中に水圧計を埋め込み、載荷中の間隙水圧の変化をシミュレーション解析に用いる三軸圧縮試験結果は、圧測定した。

密排水（CD）条件で得られた結果を用いた。また、原位置弾性波速度試験結果によれば、地盤表面付近のせん断

２）変形特性の評価
原位置弾性波速度試験結果と三軸圧縮試験結果から岩26

波速度の低下が認められたがº、このこともシミュレー
ション解析モデルに反映させた。

34

人工軟岩（配合S3）

3

せん断応力τf（MPa）

せん断応力τf（MPa）

人工軟岩（配合S2）2

模型実験の結果
数値解析
三軸試験

1

0

0

1

2
3
直応力σf（MPa）

1
模型実験の結果
数値解析
三軸試験
0

4

3

0

1
2
直応力σf（MPa）

模型実験の結果
数値解析
三軸試験
2

1

模型実験の結果
数値解析
三軸試験
2

1

人工軟岩（配合M2）
0

0

1

2

自然軟岩（シルト岩）
300

直応力σf（MPa）

図2-2-5

表2-2-2
Case

載

荷

3

3

せん断応力τf（MPa）

せん断応力τf（MPa）

2

平板載荷試験一覧º

12
直応力σf（MPa）

3

数値解析の結果º

し、計算による降伏支持力は、２次元弾性地盤表面に帯板

寸法(cm)

試験内容

１

円形剛板

直径60

変形試験のみ地盤内ひずみ計測

２

円形ダイアフラム

直径60

変形試験のみ地盤内ひずみ計測

３

円形剛板

直径30

変形＋支持力試験

４

長方形剛板

30×90

変形＋支持力試験

その他

間隙水圧計測基礎を載荷した場合に地盤の一部がせん断破壊するときの単位面積あたりの載荷重と定義した。
降伏支持力の実測値は、Case3 と Case4 でそれぞれ
5.6MPa、6.2MPa である。一方、降伏支持力の計算値は5.9MPa であり、実測値とほぼ一致していた。

図 2-2-6 に Case1、2、3 の平板載荷試験の試験結果と以上により、排水条件や地表面付近のせん断波速度の数値解析の結果を示す。図より、Case1、2、3 のいずれ低下を考慮すれば、三軸試験結果により平板載荷試験結の場合も試験結果と解析結果の一致度が高いことがわか果から得られる変形特性を推定できること、支持力特性

る。

についても排水条件を考慮すれば推定できることがわかった。

３）支持力特性の評価
Case3 と Case4 で行った平板載荷試験から得られる降伏支持力（平板載荷試験から得られる単位面積あたりの2-2-2

岩盤用プレッシャーメータ試験による地盤物性評価

載荷重と沈下量の関係を両対数グラフ上にプロットし、グラフ上に現れる折れ曲がり点の単位面積あたりの載荷

図 2-2-7 は、当所の開発した自己掘進式岩盤用プレッ重）と計算により評価した降伏支持力を比較した。ただシャーメータ試験装置による試験方法を模式的に表した

電中研レビュー No.42 ● 27

荷重/載荷板面積（MPa）

3.5

計測結果：
圧力〜孔径変化

3
地表面

2.5
2
1.5
1

ボ
ー
リ
ン
グ
孔

試験結果
（繰返し載荷部のみ表示）

0.5
0
0

FEM解析の結果
0.5

11.5
載荷板変位（mm）

_

2

Case1

2.5
2
1.5
試験結果

加
圧

（繰返し載荷部のみ表示）

0.5
0

加圧部（ゴム膜がメタルシースに覆われている）

掘自
り己
進掘
め進
ら用
れ掘
た削
部装
分置
に
よ
り

3

1

堆積軟岩より
成る岩盤

2.5

3.5

載荷圧力（MPa）

圧力

自己掘進用掘削装置

FEM解析の結果
1

0.5

1
1.5
載荷板変位（mm）

`

2

2.5

図2-2-7

Case2

当所で開発した自己掘進式岩盤用プレッシャーメータ試験装置による試験概要

3.5

載荷応力（MPa）

3のマストに支えられた棒状のものが装置本体であり、装2.5

置本体の下半分に見える黒い部分はメタルシースである。

2

本装置では、測定値の信頼性を向上させるため、以下

1.5のような工夫がなされている。

1

試験結果（繰返し載荷部のみ表示）

0.5
0
1

FEM解析の結果
0.25

0.5
0.75
載荷板変位（mm）a

図2-2-61A
1.25

で覆われた加圧部分の地盤への挿入は、装置本体の先

Case3

試験の結果と解析結果の比較º

孔壁の乱れの影響が小さくするため、メタルシース

端に取り付けられた掘削装置による自己掘進により行われる（図 2-2-7）。
B

ボーリング孔径の変化の測定はメタルシースの変位を直接測定するなどの工夫をしており、変位の測定誤ものである。装置本体は、下端に取り付けられた自己掘差が生じにくい。

進用掘削装置によりボーリング孔底より地盤内に掘進し、加圧部分は地盤内に挿入される。加圧部分は、ゴム膜が

図 2-2-9 _、`は、それぞれ、新鮮で均質なシルト岩

ゴム膜保護用のメタルシース（短冊状の薄い金属片）で覆に対するプレッシャーメータ試験より得られたせん断強

われたものであり、地表面から供給している圧力により度ならびに剛性のひずみ依存性を現地より採取した不撹

ゴム膜を膨らませることにより孔壁を加圧する。ゴム膜

乱試料に対する三軸試験結果から得られた結果と比較し内の圧力と孔径の変化を測定することにより地盤の強たものである。プレッシャーメータ試験から得られたせ

度・変形特性を把握する。

ん断強度と剛性は、いずれも三軸試験結果から得られた

図 2-2-8 は、当所で開発した軟質岩盤のためのプレッ

結果よりやや小さいが、概略的な評価は可能であること

シャーメータ試験装置である。図中で、ボーリング機械がわかる。ただし、せん断強度評価を目的としたプレッ

28

10

地盤のせん断強度（MPa）
2
40

プレッシャーメータ試験
三軸圧縮試験

Z（m）
深度

20

30

40

6

比較的均質な
シルト質軟岩50

60_

地盤のせん断強度

地盤の剛性（MPa）

1600

図2-2-8

比較的均質な
シルト質軟岩

1200

800
三軸圧縮試験
400

プレッシャーメータ試験

当所で開発した岩盤用プレッシャー
メータの全景¸
0 -5
10

10-4

10-3

10-2

ひずみ

`

シャーメータ試験では加圧中に地盤内で引張り破壊が生じる場合があるので、実験結果を解釈する上で、このこ

図2-2-9とに留意する必要がある∏。

2-2-3 ま と め

地盤の剛性

岩盤用プレッシャーメータ試験と三軸圧縮試験による結果の比較º

要素試験によって評価される要素特性によって境界値問題として説明できることがわかった。

比較的均質で亀裂の少ない堆積軟岩からなる岩盤を対このことにより、今後更に精度向上に関する検討の象として、不攪乱試料に対する室内試験ならびに岩盤用余地は残されているものの、比較的均質な堆積軟岩にプレッシャーメータ試験による地盤物性評価法を検討しおいては、原位置から採取した不攪乱試料による室内た。その結果次のような結論が得られた。

試験結果から、従来試掘坑内で行われていた岩盤せん

A

断試験結果と平板載荷試験結果を推定することが可能

外見上均質で亀裂が目立たない堆積軟岩試料であれとなった。

ば三軸圧縮試験の結果に及ぼす寸法効果の影響は小さい。
BC

岩盤用プレッシャーメータ試験においては、精度向岩盤せん断試験による岩盤のせん断強度は、直応力上の余地や実験結果解釈上の留意点はあるものの、概が小さい場合を除いて、三軸圧縮試験による供試体の略的な地盤のせん断強度や剛性の評価が可能であるこ

せん断強度にほぼ一致していた。また、岩盤せん断試とがわかった。

験と平板載荷試験の結果は、原位置弾性波速度や室内

電中研レビュー No.42 ● 29