Ｌ型ブロック式係船岸の大水深域への適用性について
Applicability of L-Shaped Block Type Quaywalls for Deep Sea Area
岸真裕*・白石悟**・菅野高弘***KISHI Masahiro, SHIRAISHI Satoru and SUGANO Takahiro* （財）沿岸開発技術研究センター

調査部 主任研究員** （財）沿岸開発技術研究センター***（独）港湾空港技術研究所

第二調査部長地盤・構造部

構造振動研究室長

Usually, L-shaped block type quaywalls are used in shallow sea area, because they need large floating
cranes and cost more than caissons (which can be carried in tow) in deep sea area.
This report describes characteristics, new design method and applicabilty of L-shaped block typequaywalls for deep sea area.
Key Words : L-shaped block type quaywalls, earthquake resistance, cost reduction of gravity-type quaywalls

1. はじめに
Ｌ型ブロック式係船岸は，従来 7.5m 程度までの比較的浅い水深で用いられてきた．水深が大きくなると，運搬・据付に大型起重機船が必要となり，浮遊曳航が可能なケーソンがコスト面で有利になることがその主な理由である．
平成 7 年に起きた兵庫県南部地震では，神戸港の係船施設が被害を受け，長期にわたり港湾機能が麻痺するに至った．神戸港ではケーソン式係船岸が多用されていたが，地震による海側への滑動，傾斜および沈下といった大きな変形が生じている（図- 1）．
その後，構造形式の多様化によって極大地震時における港湾の機能維持を図るという考え方が提唱され，重力式係船岸に関する様々な模型実験が行われた結果，Ｌ型ブロックはケーソンよりも高い耐震性を有していることが判ってきた 1)．

本稿では，模型振動実験や数値シミュレーションから明らかになったＬ型ブロック式係船岸の特性，新たな設計法および大水深域への適用性について報告する．

2. 重力式係船岸の現行設計法
重力式係船岸の安定計算を行う上で，現行設計法では
図- 2に示すように壁体後趾を通る鉛直面（仮想背面）から前側の部分を仮想壁体と見なしている 2)．
この考え方は，ブロックやケーソンが地震時においても裏込部分と一体となって挙動することを前提としているが，実際にどのような挙動を示すかについては明確な知見が得られていなかった．

図- 2 重力式係船岸の壁体のとり方
また構造形式の違いに係わらず，仮想背面には一様に壁面摩擦角δ＝15°とした主働土圧を作用させるものとされている 2)．これは，昭和 40 年代前半に「港湾構造物設計基準」が作成される際に，安全側となるなどの理由から定められた経緯があるようである 3)．

3. 模型振動実験および数値シミュレーション
図- 1 兵庫県南部地震でのケーソン式係船岸の被災例（ポートアイランドＦバース）

Ｌ型ブロック式係船岸の地震時挙動を明らかにし，新たな設計法を確立するため，模型振動実験および数値シミュレーションを実施した．

3.1 模型振動実験(1) 実験概要
対象断面は，水深 10m，設計震度Kh=0.15 の条件に対して滑動および支持力の安全率がほぼ 1.0 となるように設計された係船岸とし，1/20 スケールで実験を行った．
実験用模型の写真を図- 3に示す．

図- 3 振動実験用模型
入力地震動は，1968 年十勝沖地震の八戸港地震記録
NS成分基盤波を相似則に即して時間軸を圧縮した波形である（図- 4参照）
．加速度レベルは，1 倍（170Gal）から 3 倍（510Gal）まで徐々に変化させるステージ加震とした．

①前壁には，主働土圧を上回る荷重が作用している．
②底版後趾から前方に生じる崩壊面に沿って作用するせん断方向の力により，底版後趾には土被り圧を上回る荷重が作用する．
また，加震時の変位および加速度応答からは，以下の結果が得られた．
③Ｌ型ブロックは，ケーソンと同様にロッキングしながら海側への滑動，前傾，沈下を生じる．
④Ｌ型ブロックと裏込材は，一体となって同位相で挙動する．
⑤裏込形状の違いによる残留変形量の明確な差は見られない．
⑥振動によって裏込が沈下することにより，前壁には下向きの鉛直土圧成分が作用する．
⑦底版への鉛直荷重は増加し，壁体を安定させる方向に作用する．また水平方向では，ブロックを陸側に引っ張る向きに力が増加している．
以上のように，Ｌ型ブロックに作用する荷重と地震時の挙動を確認することができた 3), 4)．

3.2 数値シミュレーション

200(1) ＦＥＭ解析（ＦＬＩＰ）

ACC. [Gal]1000-100-2000.00.5

1.0
TIME [Sec]1.52.0

図- 4 入力地震動時刻歴波形（八戸波 170Gal）
また，裏込形状については，仮想背面の位置から斜めに投入した幅の広い場合と幅を狭めた場合（図- 5）について実験を行った 3), 4)．

(2) 実験結果

解析モデルは，模型実験と同一寸法で作成し，実験から得られた地盤定数を与えた．模型実験においては過剰間隙水圧の上昇がほとんど見られなかったことから，地盤剛性の低下は生じなかったと判断し，地盤の変相角φp’および液状化パラメータはゼロとしている．また，ブロックの背面と底面には，接触面間の滑りや剥離を表現するためにジョイント要素を設定した．
模型振動実験と同様の地震波形を入力して解析した結果，応答加速度および応答変位は実験の結果とよく一致し，模型振動実験で明らかとなった地震時の挙動を再現することができた．

加震前に計測された荷重から，以下の結果が得られた．
DL2-DL

D2-D

70

1150

DL3-D LAH17-DAH 23-D,A V23-D

D3-D
AH 19-D
AV 19-D75

AH13-D,AV 8-D250

AH13-D180

W 13-D
W 10-DAH 22-D AH7-D

W 14-DAH 12-D

AH 16-D
W 7-D

200300W 12-D

埋立地盤

W 9-D750

AH 21-D AH 6-D,A V6-D
W 8-D

AH11-D

裏込石

200

AH 15-D
W 6-D

W 11-D

D4-D

基礎捨石

AH3-D

AH2-D,A H52-D

AH 5-D

AH10-D

AH4-D

AH9-D

W 3-D

W 4-D

W 5-D

50
75
200200300

海底地盤

150

固化地盤

250

間隙水圧計
加速度計（水平）加速度計（水平・鉛直）

AH1-D,A V1-D

AH51-B180

ﾛｰﾄﾞｾﾙ
変位計

100
AH14-D150
W 2-D

W 1-D200

AH 20-D,A V20-D

AH18-D,AV18-D

225

加速度計（5G） パルス加振時のみ

50212.5

162.5125200315605

図- 5 実験モデル図600

L

レーザー変位計(2) ＤＥＭ解析

しいとして計算した主働土圧を作用させる．なお，裏込が仮想背面を横切る場合には，それぞれの地盤材のφを用いるものとして良い（図- 7）．

DEM（個別要素法）解析では，地盤を粒状体としてモデル化した．
解析結果から得られた応答変位は，実験値と良く一致したほか，背後に形成されるすべり面として，①Ｌ型ブロック後趾からの仮想背面②底版後趾から前方に生じる崩壊面③底版後趾から後方に生じる崩壊面の３つが観察され（図- 6），Ｌ型ブロックの地震時挙動を明らかにすることができた．

δ＝埋立土の内部摩擦角
裏込め
δ＝裏込材の内部摩擦角

基礎捨石③①②埋立土図- 7 安定計算に用いる土圧(2) 部材設計に用いる荷重
Ｌ型ブロックの部材設計に用いる荷重の考え方を図- 8に示す．
前壁に作用する土圧は，常時においては静止土圧を，地震時においてはδ＝15°として算定される主働土圧を用いる．静止土圧係数Ｋ0 は，良質な裏込めがある場合には 0.35，土砂の場合には 0.5 を標準とする．常時の作用土圧を静止土圧としたのは，模型振動実験における計測結果を踏まえ，安全側の設計とするためである．
また，底版に作用する荷重は，仮想背面に作用する土圧（安定計算で用いた土圧）の鉛直成分を底版全体に作用する三角形分布荷重に換算して加え，前壁に作用する土圧の鉛直成分を底版全体に作用する三角形分布荷重に換算して減ずるものとしている．

図- 6 加震終了時の局所せん断ひずみ分布の例

4. Ｌ型ブロック式係船岸の新たな設計法
前述の模型実験および数値シミュレーションの結果に基づいて提案したＬ型ブロック式係船岸の新たな設計法の概要を以下に示す．

(1) 安定計算に用いる土圧
安定計算上，仮想背面に作用する土圧は，常時・地震時ともに，壁面摩擦角δが背面地盤の内部摩擦角φに等
常時地震時
静止土圧q残留水圧q

地震時土圧 残留水圧

K1 q

K01 q

h1 γ1 K01

h1 γ1 K01
γw h3

h3h3

地震時
動水圧

γw h3

ここに，

h 2 γ2 K 2

h2 γ2 K02

K2 (q +γ1h1 +γ2h2)

K02 (q +γ1h1 +γ2h2)(a) 前壁，扶壁に作用する荷重
常時，地震時

常時，地震時q

ｑ：上載荷重（kN/m2）
γ1：残留水位面上の土の単位体積
重量（kN/m3）

h1：残留水位面上の土層厚（m）
γ2：残留水位面下の土の単位体積
重量（kN/m3）

h2：残留水位面下の土層厚（m）
γW：海水の単位体積重量（kN/m3）

外部安定検討用土圧
前壁に作用する土圧

δ=15°

δ=φ

h3：潮差（m）
h4：底版厚（m）

仮想背面土圧の鉛直成分による荷重
載荷重＋載荷土砂重量＋底版自重
底面反力

q +(γ1h1 +γ2h2 )+wh4

自重
底面反力

前壁に作用する土圧の鉛直成分(b) 底版に作用する荷重

w：底版自重（kN/m2）
K01：残留水位上の土圧係数（常時）K02：残留水位下の土圧係数（常時）K1：残留水位上の土圧係数（地震時）(c) フーチングに作用する荷重

図- 8 Ｌ型ブロック部材に作用する荷重

K2：残留水位下の土圧係数（地震時）

5. Ｌ型ブロック式係船岸の経済性

6. おわりに前項で提案した手法を用いてＬ型ブロック式係船岸の試設計を行い，従来のケーソン式係船岸と経済性を比較した．設計条件は，水深が 10m および 14m，設計震度
Kh が 0.15 および 0.22 の計４ケースである．Ｌ型ブロックについては，鉄筋コンクリート（RC）構造およびハイブリッド（HB）構造のそれぞれについて検討を行った．
なお，ケーソン据付は浮遊曳航，Ｌ型ブロック据付は起重機船によるものとした．工事費算定の上で，起重機船の回航費は見込んでいない．また，施工場所は静穏な海域であり，施工時の波浪に対する安定性は確保されているものと想定した．
同一条件で設計されたケーソンと比較して，Ｌ型ブロック式の壁体幅（海側フーチングを除くブロックの幅）は，RC 構造で約 20％，HB 構造で約 30％狭めることができた．
水深 10m，Kh=0.15 でのケーソン式係船岸を基準とした工事費の比較を図- 9に示す．水深 10m，Kh=0.15 のケースではほとんど差がないものの，水深が深くなり，設計震度が大きくなるに従ってＬ型ブロックはケーソンよりも経済的に優位となっている．また，水深や震度が大きくなると，フーチングを長くすることによって壁体幅を狭めることのできるHB構造の方がRC構造よりも安価となっている．

今回提案した設計法を用いることにより，Ｌ型ブロックは大水深域における重力式係船岸のコスト縮減の上で有望な構造となり得ることが確認された．
今後は，実海域での適用に向けて，施工上の課題を抽出し，より詳細な検討を行っていく必要がある．
最後に，本報告は，（独）港湾空港技術研究所，民間９社（石川島播磨重工業（株），五洋建設（株），佐伯建設工業（株），東亜建設工業（株），東電設計（株），東洋建設（株），日本鋼管（株）（現 JFE），三菱重工業（株），
若築建設（株））および（財）沿岸開発技術研究センターの共同研究で得られた成果をとりまとめたものであることを付記し，関係各位に感謝の意を表する．

参考文献
1) 塩﨑禎郎，菅野高弘，田中剛：重力式係船岸の地震時挙動に関する水中振動台実験 ―構造形式の違いによる影響―，
第 36 回地盤工学研究発表会講演集，pp.1857-1858，2001.
2) 日本港湾協会：港湾の施設の技術上の基準・同解説，1999.
3) 塩﨑禎郎，菅野高弘，白石修章：Ｌ型ブロック式係船岸の地震時挙動に関する模型振動実験，第 11 回日本地震工学シンポジウム講演論文集，pp.1003-1008，2002.
4) 塩﨑禎郎，菅野高弘，小濱英司，白石悟：Ｌ型ブロック式
係船岸に作用する地震時荷重について，第 38 回地盤工学研究発表会講演集，2003.

200%
180

180%

158

160%

144120%
100%

153
137

121

131
20 .00 エプ ロン幅

112 112100 99 101

0.700.80

16.70

2.40

+4.00

80%
60%

H. W.L+1.50

L. W.L+0.00

裏埋土+2.00

0.50

工事費の比

140%

R. W.L

0.20

40%

中詰
砂

中詰
砂

中詰
砂

1:1

中詰
砂

.220%
0.40

3.775

0.20

3.775

0.20

3.775

0.20

3.775

0.40

0%

裏込石

水深 １０．０ｍ

Kh=0.15

Kh=0.22B

水深 １４．０ｍ

RC構造ケーソン（曳航据付）設 計 条 件

B
19.50
16.50

1.50

設計水深 -14.00

RC構造Ｌ型ブロック

1.50

0.60

Kh=0.220.500.50

Kh=0.15- 14.50

1:2

基礎捨石- 16.00

1:2

HB構造Ｌ型ブロック（鋼トラス控え式）

図- 9 Ｌ型ブロック式係船岸のコスト比較

図- 10 ケーソン式係船岸（水深 14.0m，Kh=0.22）
20.00
0.70

0.80

＋4.00
＋2.00

H.W.L ±1.50

0.20

L.W.L ±0.00

R.W.L ＋0.50

2.00
裏埋土

1：1.
2

裏込石

16.20
3.70

12.50

0.60

0.30
B

1：0.30

1：2B

22
1：

0.50

-14.00-16.50-15.00基礎捨石
摩擦増大マット

1.00

図- 11 RC 構造Ｌ型ブロック式係船岸（水深 14.0m，Kh=0.22）

1.00

図- 12 HB 構造Ｌ型ブロック式係船岸（水深 14.0m，Kh=0.22）+0.50