第40回地盤工学研究発表会
2005 年 7 月

1021

E - 08 （函 館）
模擬地震動入力による模擬地震動入力による液状化地盤過渡共振現象に関する研究
する研究
による液状化地盤-杭基礎構造物系
液状化地盤 杭基礎構造物系の杭基礎構造物系の過渡共振現象に
振動台実験

関西大学

正会員

○三好将史

同国際会員

八尾眞太郎

同正会員

桝井健

応用地質

国際会員

吉田望

ジオトップ

正会員

小林恒一

はじめに

：加速度計
：変位計
：間隙水圧計：ひずみゲージ

地盤が液状化すると地盤剛性や杭に作用する地盤反力が低下する。そのため、液状化の進行に伴い地盤-杭基礎構造

上部構造
66.1N

物系の固有振動数が低下し、その過程において入力波の卓G.L.

D1 A1

その際の構造物や杭の応答は完全に液状化した状態の応答-464

D4-650-836

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。液状化の進行に-1,135伴い低下する地盤-杭基礎構造物系の固有振動数と、時々ε2-350

ε 3 U2-500

ε4-650ε5-800ε6-950ε7-1,100ε8加速度（cm/sec2）

いて考察する。
2. 実験概要を図 1 に示す。せん断土槽は幅 1000mm×奥行き 400mm×深さ 1135mm（内寸）の大きさを有し、土槽300
200
1000-100-200-300

1.210.80.6
0.4
0.20-0.2

350

300
1,000

図1

実験装置

246間隙水圧計 U3 の位置にあたる深さまでが液状化するよう

121416182022241820222418202224202224202224

時刻（sec）
246810121416

加速度（cm/sec2）

上部構造（A1）

時刻（sec）243002001000-100-200-300

6810121416地表面（A2）

時刻（sec）
024681012141618（d） 地表面の応答加速度（A2）時刻歴
0.8G.L.-50mm（M1）0.40-0.4

時刻（sec）-0.8024681012141618（e） 杭頭の曲げモーメント（M1）時刻歴に加速度振幅を調整して行う。
3.

10（c） 上部構造の応答加速度（A1）時刻歴

曲げモーメント（N･m）

地震動は時間の相似則に従い、時間軸を 1/5 に短縮する。

8U50

ことを確認している。
振動台への入力は水平 1 方向加振とし、南関東地震を想定して作成された人工地震波 RINKAI92H4）を用いる。模擬単位 (mm )（b） 過剰間隙水圧比時刻歴加速度（cm/sec2）応答が卓越する固有振動数 fs は初期状態で約 40Hz である

350

U4300200
1000-100-200-300った。水平地盤反力係数 kh は 5.25×10 3kN/m3、地盤の応答が卓越する固有振動数 fg は初期状態で約 10Hz，上部構造の

A6U5U1U2U30量 66.1Ｎ）に 4 本のポリカーボネイト製杭（φ22mm-t2.0mm,
なお、予備試験として水平載荷試験および共振試験を行A5U4（a） 入力加速度（A7）時刻歴

杭基礎構造物模型は相似則に従い設計し、上部構造（重弾性係数 3.0×10 3N/mm2）を剛接して作成してある。

A4時刻（sec）
0過剰間隙水圧比ングによる方法で作成する。

杭U3 φ22×2.0t

入力波（A7）

中央に杭基礎構造物模型を配置する。地盤は飯豊珪砂 5 号を用い、平均相対密度 42％の飽和地盤となるようにボイリA3振動台行う。また、液状化地盤における杭体曲げモーメントにつ実験装置

飽和砂D7 A7

刻々と変化する入力地震動の卓越振動数に着目して考察を3）

A2U1186-278

本研究は地震時における杭基礎構造物の過渡共振現象

ε1186

論ではこのような現象を過渡共振現象と呼ぶことにする。
よりも大きくなる場合がある 1〜 3 ）。

-50-200

D2186-92299

越振動数と一致すると応答が大きくなる可能性がある。本921.

動的相互作用

186
1,135

液状化

実験結果

図2

実験により得られた主要時刻歴を図 2 に示す。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

表1
時刻・地盤状態
非液状化状態
水圧上昇開始時

主要時刻歴

特徴的な地盤状態と時刻の定義
定義全ての間隙水圧計の過剰間隙水圧がほぼ0である状態
過剰間隙水圧の上昇が始まる時刻

ラメーターとして用いることにする。また、表 1 のように液状化時特徴的な地盤状態と時刻を定義する。図 2 を見ると、上部液状化状態

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

水圧上昇開始時から液状化時までの間消散過程

液状化状態以降の過剰間隙水圧の消散過程

構造の応答加速度は４秒付近の液状化状態よりも、液状化間隙水圧計U3の過剰間隙水圧比が初めて1.0に達した時刻過程において大きくなっていることがわかる。
A Study on the Transient Resonance Phenomena of Liquefied Soil-Pile Foundation System due to Simulated Earthquake Ground Motion
MIYOSHI Masashi, YAO Shintaro, MASUI Takeshi（KANSAI Univ.）,YOSHIDA Nozomu（OYO Corp.）, KOBAYASHI Koichi（GEOTOP Corp.）- 2039 -液状化過程におけ
液状化過程 におけるにおけ る 加速度応答の加速度応答 の 考察

fg6

示した時刻の前後 0.25 秒間について加速度フーリエスペクトルを求める。
上部構造 A1，地表面 A2 および入力波 A7 について求め図 3 に示す。同図中には、各地盤状態における fg を▽， fs を▼で示している。これらは、正弦上部構造A 143
入力波A721波加振による実験結果 3）において検討した各地盤状態における加速度増幅

00率の振動数特性から、過剰間隙水圧比の実験値を用いて推定した。入力波51015振動数（Hz）

202530（a）∆ u 3 / σ v0 ' =0.2 （t =1.630～2.130sec）の卓越振動数が fg に近い場合、地表面の応答が励起され、地表面の応答に伴って上部構造の応答も励起されている。入力波の卓越振動数が fs に近けfgている。
杭体曲げ
杭体曲 げ モーメントfs▼

上部構造A 15
地表面A242数成分を含んでいる場合は地表面および上部構造の両方の応答が励起され▽6（cm/sec ×sec ）加速度フーリエスペクトル

7れば、上部構造の応答が卓越していることがわかる。入力波が広域の振動

5.

▼

地表面A 22加速度フーリエスペクトル

液状化過程において、間隙水圧計 U3 の過剰間隙水圧比が 0.2, 0.4, 0.6 を

fs▽5（cm/sec ×sec ）4.

入力波A 7321

液状化過程，液状化状態，消散過程において杭頭で過大な曲げモーメン

00トが発生した時刻の曲げモーメント分布を図 4 に示す。杭に作用している

51015振動数（Hz）

202530（b）∆ u 3 /σ v0 ' =0.4 （t =2.395～2.895sec）

外力を考察するため、突出あり・固定端とする Chang の式 5） による比較を

fg fs

9を杭頭に静的に作用させることで杭体曲げモーメントを算定する。液状化深さ以深の水平地盤反力係数の低減は考慮しない。同時刻の前後 0.25 秒間

76
地表面A 252

液状化深さにあたる層は地盤反力が作用しないとみなし、上部構造慣性力▽ ▼8（cm/sec ×sec）

加速度フーリエスペクトル行う。実験で得られた過剰間隙水圧比の深度分布より液状化深さを求め、入力波A 74

上部構造A 132について求めた加速度フーリエスペクトルと併せて図 4 に示す。（a）を見10ると実験値と Chang の式による算定値は概ね対応している。加速度フーリ

0エスペクトルを見ると、上部構造の応答が励起されてい図3る算定値には差異が見られる。加速度フーリエスペクト

15振動数（Hz）

202530

液状化過程の加速度フーリエスペクトル

曲げモーメント（N・m）-0.80ルを見ると、fg と fs が近く、地表面の応答が励起されており、構造物はその影響を受けていると考えられる。

-0.400.40.810fgfs▽▼

t =2.915～3.415sec
200600（1）液状化過程において地盤-杭基礎構造物系の固有800

振動数と入力地震動の卓越振動数が一致すると応答が1000大きくなる場合があることがわかった。

1200

実 験値
t =3.165sec
Changの 式

62深さ（mm）

400（cm/sec ×sec ）8
加速度フーリエスペクトル

おわりに
本研究の結果、以下の知見を得た。

10（c）∆ u 3 / σ v0 ' =0.6 （t =2.730～3.230sec）

ることがわかる。（b），（c）は実験値と Chang の式によ6.

54入力波A 7
地表面A 22

上部構造A 1
液 状化深さ0051015202530

振動数（Hz）（2）上部構造の応答が卓越した場合の杭体曲げモーメ(a)液状化過程

ントは、上部構造慣性力と液状化深さを考慮した

曲げモーメント（N・m）-0.80

Chang の式で表現できることがわかった。

-0.400.40.8

fg fs10▽ ▼t =3.770～4.270sec
2006008001） 小林恒一，吉田望，八尾眞太郎：大型せん断土槽を用い1000た液状化時の杭基礎の挙動，第 8 回日本地震工学シンポ

1200

実験値
t =4.020sec
Changの式

62（cm/sec ×sec ）仙波昌史氏、坪昌宏氏、野阪明氏に協力していただきました。
参考文献

400
深さ （mm）

本研究の遂行にあたり、関西大学（当時）の笹田隆司氏，

8加速度フーリエスペクトル謝辞

入力波A74

地表面A22上部構造A1

液状化深さ00

ジウム論文集，pp.819〜824，1990.12.

51015202530

振動数（Hz）

2） 澤田亮，西村昭彦：液状化地盤における基礎構造物の振(b)液状化状態

動性状に関する基礎的研究，土木学会論文集，第 736 号

曲げモーメント（N・m）-0.8
0/Ⅲ-63，pp.129〜142，2003.6.

-0.4

00.40.8

fg fs
10▽ ▼

t =6.240～6.740sec

400

せん断土槽を用いた振動台実験，第 39 回地盤工学研究発表会平成 16 年度発表講演集（新潟），2004.7

86008004） 入力地震動部会，臨海部構造安全委員会（1992）：臨海

1000

部における大規模建築物群の総合的な構造安全に関す

1200

実験 値
t =6.490sec
Changの式

加速度フーリエスペクトル2（cm/sec ×sec ）その１-杭基礎構造物系の過渡共振現象に関する研究深さ（mm）

3） 三好将史，八尾眞太郎，桝井健，藤田良太：液状化地盤

200

64

入力波A 7
地表面A 22

上部構造A1
液状 化深さ005

る調査・検討のうち動的設計用入力地震動の設定に関す

152025振動数（Hz）(c)消散過程

る検討報告書，日本建築防災協会
5） 日本建築学会：建築基礎構造設計指針，2001.10.

10

図 4 杭体曲げモーメント分布と加速度フーリエスペクトル- 2040 -30