一般財団法人 大成学術財団
2017 年度 助成研究梗概書

変状進行中の城郭石垣のモニタリングと崩壊危険度評価手法の提案
長崎大学
香川大学
長崎大学
城郭石垣
遠隔モニタリング

災害調査
安定性評価

○杉本
山中
石塚知史*
稔**
洋一 *

変状計測
数値解析

研究の目的
平成 28 年熊本地震では熊本城が甚大な被害を受け，被相対的に細かい間隔で計測を行った結果であるが，変状今現在数多く存在する。地震により割れやはらみ出し等

ならびに石墻書といった石垣構築に関わる古文書に記さの変状を受けた石垣は，石垣石同士のかみ合わせ力が低れた設計の考え方を数式化したものを用いて，推定され下していることから，今後，段階的かつ急激に変形が進る石垣の初期形状からの変状量の推定を試みた結果の例

むことが予想される。

である．この結果は，図-1 の石垣の変状が相対的に過大の規模に応じて間隔を調整することで，変状に伴う凹凸災した多くの石垣の背面盛土には無数のクラックが生じ， を容易に明らかにすることが可能である．
崩壊の危険性が高く非常に不安定な状態にあるものが、また図-2 は，森本らによる後藤家文書，石垣秘伝之書

申請者らは、震災直後より熊本城の築石構造物についな箇所の計測結果と，推定される初期形状を比較していて、地盤工学的観点より被災状況の調査に取り組んだ。

る．このように表面形状の凹凸の程度を定量的に推定すこのような経緯から本研究では、被災石垣の変状計測手ることで，被災度の評価につながると期待されるが，法の提案と傾向の分析、個別要素法に基づいた数値計算

個々の石垣においては極端に形状が異なる事例もあり，による石垣ならびにその周辺地盤の力学的安定性の評価今後さらなる検討を要する．

手法の提案、変状石垣の安定性評価のためのモニタリン
グシステムの導入と適用性評価についてそれぞれ検討を行い、不安定状態にある築石構造物の今後の復旧の工学的検討に資する手法の提案を行った。

7
1.4
61.2
5

10.8

4

研究の内容・成果と知見・今後の予定①熊本城の被災石垣の簡易調査手法の提案と変状分析に関する研究
本研究では，管理者自身が石垣の形状計測や形状分布0.630.40.2201-0.2

図の作成を容易に行える方法として，可搬型レーザー距離計の適用について提案を行うとともに石垣の変状の程度を定量的に分析した．
Leica Geosystem 社製の DISTO D510 は，主に土地区画や建物の形状計測に用いられるレーザー距離計であり，直023図-145678

石垣形状分布例（単位：m） 図-2変状量の推定②城郭石垣の動的挙動の数値解析によるモデル化と定量的評価

線距離や仰角の計測が容易に行える．計測精度は，標準

本研究では，熊本城内にある石垣を三種類の石垣タイ測定公差が±1.0mm/10m，標準測定範囲が 0.05-200m の精プに分け，個別要素法(解析コード：UDEC)によるモデル度を有する．本研究ではこれを三脚に固定し，鉛直距離化を行うとともに，動的挙動の数値解析を実施し，石垣と水平距離を計測することとした．事前調査により，計の崩壊結果から城郭石垣の崩壊傾向を考察した．

測器と水平面をなす角度が 45 度を超えると，約 0.3%程度

熊本城の石垣は，石垣の内部構成によって大きく三種のばらつきに収まることを明らかにしたうえで，熊本城類に分けることができる．本研究では，三種類の形状は内の石垣群について，8 回にわたり計 112 か所の計測を行

文献を参考に「石塁タイプ」，「半石塁タイプ」，「無石塁った．

タイプ」と称した．表-1 に三種類の内部構成，形状の特図-1 に茶櫓跡西側石垣面の計測例を示す．図より，石徴，構成材料を示している．計算例の代表として，以下垣面中央付近が両端と比べ前面に孕み出している様子を半石塁タイプについて述べる．図-3 に半石塁タイプのモ確認できる．この個所では 1m 毎に計測を行ったことから， デルを示す．図-4 に半石塁タイプの勾配 70°における変位
Monitoring technique and hazard prediction on stone walls withdeformation

SUGIMOTO Satoshi, YAMANAKA MinoruISHIZUKA Yoichi

ベクトルを示す．両者はそれぞれ栗石表面のせん断抵抗確認した．この他，石塁タイプ，無石塁タイプともに再角を 15°，45°と異なる条件を与えた結果である．栗石 15°

現解析を行い，石垣石表面の粗さや石垣勾配など種々ので崩壊が確認されているが，栗石 45°では上部の小さな変条件下での力学的特徴を明らかにした．

位のみしか確認されず，栗石が動的挙動によって下方向③熊本城内における変状発生石垣の遠隔モニタリングシに密になる形で変位している様子が伺える．このことか

ステムの構築ら，栗石の形状や表面粗さが挙動に影響を与えることを表-1

本研究は，築石構造物表面の石垣の変状をモニタリングするため，電子・通信・情報工学分野の立場から，不各石垣タイプの特徴安定化したとみられる石垣石各所に MEMS 型 3 軸加速度センサーを搭載した通信モジュールを取り付け，継続的にモニタリングすることで変位の経時変化を測定し，個々の石垣石またはその周辺の石垣石の力学的安定性の評価に役立てることを目的としたシステム構築を行った．
図-5 に本研究で構築したモニタリングシステムの模式図を示す．本システムは，端末，中継機，親機の三つで構成されている．端末より得られる出力電圧を，無線ネットワークを介し親機に定期的に通信し，LTE 回線を通してブラウザ上で通信状況の確認やデータのダウンロードが可能である．図-6 は，2018 年 4～11 月における熊本城内のある石垣石の加速度の経時変化であり，安定して計測することが確認できている．今後は，これらのデータから石垣石の回転量や規模の大きな地震時の影響を定量的に評価することにつなげる．

半石塁タイプのモデルの概要（単位：m）

表-2

各ブロックの物性値

項目
密度ρ(g/cm3)
弾性係数 E( kN/m2)
ポアソン比ν
粘着力 c(kN/m2)

背面土2.2
500.3
100

石垣石
2.5
50×1030.25
7.0×104

栗石
2.2
50×1030.25
7.0×104

内部摩擦角φ(°)
引張強度σ( kN/m2)

30045
3.5453.5

図-5モニタリングシステムの概要

1.510.5

加速度 G

図-30‐0.5‐1x軸⽅向栗石 15°

栗石 45°

y軸⽅向‐1.5
2018/2/19 0:00 2018/4/10 0:00 2018/5/30 0:00 2018/7/19 0:00 2018/9/7 0:00 2018/10/27 0:002018/12/16 0:00

図-6３軸加速度データの経時変化例

謝辞
本研究を遂行するにあたり，(一財)大成学術財団の研究助成を受け，以上の成果を得ることができたことに対し謝意を表しますとともに，熊本城調査研究センターなら最大変位量：0.834m

図-4

最大変位量：0.694m

勾配 70°（半石塁）の変位ベクトル*長崎大学大学院 工学研究科**香川大学 工学部

びに㈱富士通研究所の各関係者様のご支援に感謝を申し上げる次第です。
*Graduate school of Engineering, Nagasaki University**Faculty of Engineering, Kagawa University