平成 25 年度建設工学修士論文審査会
平成 26 年 2 月 20 日

地震による構造物基礎地盤の沈下に及ぼす杭の打設効果に関する検討
環境防災研究室
指導教員
1. はじめに

C.L.
L3 V2 V3 L4[側面図]A7新潟県長岡市にある大河津分水旧可動堰は施設の老修士 2 年

田村拓也

大塚

磯部公一

悟

A8堰

P3

杭中心間隔：40mm

A1300
500

100300190

A4PWP4単位：mmが確認された．この空洞は可動堰のほぼ全域にわたって70存在しており，最大で 16 cm の空洞が確認されている．

50

この空洞が生じた原因として，河川の水頭差による水流

200
30050[鳥瞰図]180A5P2

液状化層（硅砂6号） Dr=40%ような旧可動堰底部に連続した空洞が発生していること

A2

A650 50 50

PWP5PWP3た．この際に行われたボーリング調査で，図－1 に示す

A3P130PWP12575G.L. -0mm

PWP2

朽化により，新可動堰の建設と伴に撤去工事が実施されによる浸食と液状化による周辺地盤の沈下の 2 つが挙げ100られている．液状化によって地盤が沈下すると，たとえ間隙水圧計(PWP)
加速度計(A)
圧力計(P)

P885

杭基礎が健全であったとしても，周辺地盤の沈下により

図-2

実験装置概略図

堰直下に空洞が生じ，杭が突出した状態となる可能性が3.

ある．そうなれば，杭の水平耐力を損なう可能性があり，(1) 過剰間隙水圧（CaseA）

実験結果および考察（模型実験）

構造物は安定性を失う危険性にさらされることとなる．

図-3 に示す杭間で測定した過剰間隙水圧の結果から，

本研究では液状化による堰直下の空洞化の可能性に着杭打設本数が多いほど過剰間隙水圧の上昇を抑制してい目し，堰・杭が打設された現地地盤を想定した振動台実るといえる．

験を行い，堰・杭の有無，杭本数による周辺地盤の挙動への影響を比較し，検討する．
堰柱基礎下面堰柱基礎

1.6
pile-0pile-26
pile-52

1.4
1.2
10.8
0.6
0.40.20051015

PWP [kPa][kPa]
過剰間隙水圧PWP [kPa] [kPa]
過剰間隙水圧1.6

pile-0pile-26
pile-52

1.4
1.2
10.8
0.6
0.4
0.2
0020

510time [sec]図-3連続した空洞

1520time [sec]実験装置概略図(2)繰り返される地震による影響
図-4 と図-5 から，応答加速度の減衰量と沈下量には

図-1 旧可動堰基礎下地盤のボーリングコア写真相関があることがわかる．また，応答加速度について杭打設本数ごとに比較すると，0，26 本では地震動が大き

2. 振動台模型実験

くなるにしたがって減衰するが，杭が 52 本打設された(1) 振動台模型実験概要

CaseA-3 では他のケースで減衰が見られた 150Gal 加振時模型実験では，大河津分水旧可動堰直下地盤で生じたでも減衰していない．このことより，52 本打設されたケような空洞化が液状化によって生じるのか検証する．まースでは入力した地震動の最大加速度まで入力できたとた，杭の有無や本数が周辺地盤の挙動に及ぼす影響につ言え，杭打設本数が多ければ加振時にも地盤の剛性が保いて検討する．

持されることがわかる．
杭間 (-2.5cm)

1.4

pile-0pile-26
pile-521.2

応答加速度倍率

模型実験では図-2 に示すような実験装置を用いて地盤内の過剰間隙水圧，応答加速度を測定した．また，堰上面での応答加速度と沈下量についても測定した．実験

10.80.60.40.2

pile-0pile-26
pile-52

1.2
10.80.60.40.2000

ケースは表-1 に示すように現地の状況を考慮した CaseA

杭間 (-2.5cm)

1.4

応答加速度倍率(2)実験装置

50100150200250050100

入力加速度 [gal]と杭のみの影響を評価するための CaseB を設定した．

図-4150

入力加速度 [gal]

応答加速度倍率と入力地震動の関係
0

ケース名
CaseA-1
CaseA-2
CaseA-3
CaseB-1
CaseB-2
CaseB-3

実験ケース一覧

相対密度[％]

堰の有無

40有り

40無し

杭本数[本]
026
5202652

地下水位[mm]±0±0±0±0±0±0-10

堰沈下量 [mm]表-1

最大入力加速度[gal]60 / 150 / 250
60 / 150 / 250
60 / 150 / 250
60 / 150 / 250
60 / 150 / 250
60 / 150 / 250-20

pile-0pile-26
pile-52-30-40-50-60050100150200250

入力地震動 [gal]図-51

堰沈下量と入力地震動の関係

200250平成 25 年度建設工学修士論文審査会
平成 26 年 2 月 20 日

(2) 数値解析の精度検証(3)液状化による空洞化発生の可能性
実験では，3 波目の 250Gal 加振時に基礎下に空洞が生

数値解析で実験結果をどの程度再現できているか検証じた（図-6(a)）．また，600Gal 加振後，堰模型を取ったした結果，図-8 に示すように過剰間隙水圧および応答加後に地表面高さの測定をした結果から図-6(b)のような速度で実験結果を概ね再現できていることがわかる．まグラフを描いたところ，空洞化が堰と地表面の間に差がた，沈下量についても堰ありの場合では精度良く実験結生じたことを示せたことから，液状化で空洞化が発生す果を再現している．しかし，地盤のみのケースでは，地る可能性があることが示された．

震動が大きくなると解析で沈下が過大評価されている．
また，実験と同様に杭打設本数が多いほど過剰間隙水圧の発生が抑制され，沈下量も小さくなるという結果が得られた．図-9 に示すコンター図を見ると，杭間および杭周辺地盤では杭によって過剰間隙水圧および沈下量が抑制されていることがわかる．

実験で発生した空洞化の様子

数値解析
数値解析は，実構造物への適用で重要となり，本研究

実験値(-2.5cm)
実験値(-7.5cm)
解析(-2.5cm)
解析(-7.5cm)

1.21

応答加速度 [m/s ]

4.

1.4

2
Responsed acceleration [m/s2 ]

図-6(b)地表面沈下量
過剰間隙水圧 [kPa](a)基礎下の空洞化

0.8
0.6
0.4
0.20で対象とする旧可動堰での空洞化を評価する上でも重要

051015206-2.5cm-7.5cm

420-2-4-601time [sec]である．また，空間的な分布を把握することもできると2] 2]
accelerationResponsed
応答加速度[m/s[m/s

累積沈下量 [mm]きたため，より実地盤に近い条件で解析を行った．数値-10-20-30-40

実験値＿CaseA-1
解析値＿CaseA-1
実験値＿CaseB-1
解析値＿CaseB-1-50

解析は図-7 に示すようなメッシュおよび境界条件を設-6050100定し，実験モデルの対称性を考慮して半断面で計算した．
地盤のパラメータについては，三軸試験の結果に対して150

45(c)応答加速度[解析値]0できるか確認した．結果，概ね再現できることが確認で3time [sec](a)過剰間隙水圧の比較いう利点を持つ．まずは解析で実験結果をどこまで再現

2200

250

6-2.5cm(A3)-7.5cm(A5)420-2-4-601234入力地震動の大きさ [gal]time [sec](b)沈下量の比較(d)応答加速度[実験値]

三軸要素シミュレーションでフィッティングすることで

図-85

数値解析の精度検証決定した．
側面：等変位境界(周期境界)

堰

地表面排水(大気圧)552要素
1300節点

杭配置領域

190mm

地盤
6696要素8190節点

下面非排水

[正面図]
884mm

300mm

(a)過剰間隙水圧コンター

図-9

解析結果コンター(3) 現地地盤条件を考慮した解析

[鳥瞰図]

図-7

(b)沈下量コンター

解析メッシュ（3D-FEM）

現地地盤を考慮した解析を行い，130Gal 加振では液状(1) 地盤パラメータ化しにくいことがわかった．しかし，その後の大きな加地盤のパラメータについては，三軸試験の結果に対し振で大きく減衰し，空洞化を生じることが実験で示されて三軸要素シミュレーションでフィッティングすることていることから，繰返される地震による計算をできるよで決定した（表-2）．

うにすることが今後の課題である．

表-2

解析で用いた地盤パラメータ【弾塑性パラメータ】
圧縮指数
膨潤指数
破壊時の主応力比
ポアソン比【発展則パラメータ】
過圧密劣化指数
構造劣化指数異方性発展指数【初期値】
間隙比 (p'=98kPa on N.C.L.)
初期構造
初期異方性5.

結論

λκ
Rfν

0.400
0.00601.390.33(1) 液状化による空洞化の可能性に関する検討

ma
br

3.0
0.0
1.5でそれを計算できるようにすることが今後の課題．

R0*
1/R0
ξ01.0
2.90
0.0

現地地盤を考慮した条件では 130Gal では液状化しにくいが，その後の大きな加振で液状化の可能性があるの(2) 杭の打設効果に関する検討
杭の打設本数が多いほど，地盤の剛性が保持されるため液状化しにくくなる．それによって周辺地盤の沈下が抑制される．
2