既存岸壁の増深・耐震補強に適した「前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）」の耐震設計法の提案
鋼管杭・鋼矢板技術協会

1．はじめに港湾技術委員会［課題 2］骨組解析における諸条件大値を算定して、照査用震度算定式に代入して求めるが、その際の各種パラ矢板部・桟橋部の一体構造の骨組解

港湾の岸壁構造の一形式である前方メータは、控え工の種類によって場合

析時の矢板部の土圧と地盤反力係数の斜杭式桟橋（土留め一体構造）は、鋼分けされている。前方斜杭式桟橋（土扱い方法。

管矢板壁（もしくは鋼矢板）を海側に留め一体構造）の場合、控え直杭用、［課題 3］桟橋の照査用震度の求め方打設された斜杭で支える土留め部分控え組杭用のどちらかを準用できるの桟橋用に検討した、1 次元解析の仮と、海側に設けられた横桟橋を一体化か、それとも独自のパラメータ設定が想固定点深度の加速度応答スペクトルした、やや特殊な構造である（図 1 参必要となるのか。また、前方斜杭式桟から、桟橋の固有周期に対応した震度照）。そのため、設計では、矢板式岸壁橋の矢板部はと桟橋式岸壁の設計法を参照しながら従来の矢板式実施することになるが、その妥当性にと同様に変位関する検証例は少ないように思われ先行型の破壊る。

モードとなる

今後、高度経済成長期に整備されたのか確認が必

岸壁の更新・耐震補強や、対象船舶の要である。

大型化にともなう岸壁の増深化工事が増えることが予想されるが、前方斜杭

図1

前方斜杭式桟橋の断面図式桟橋（土留め一体構造）は、このようなニーズに適合した構造形式と考えられる。そこで、鋼管杭・鋼矢板技術協会では、設計の利便性に供するため、前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）の耐震設計法について検討した。ここでは、その概要について紹介する。

2．設計方法と検討課題
1）
設計手順は、港湾基準（2007 年版）を参照して図 2 のとおり設定した。この手順で設計する際の課題（設計者が判断に迷うと思われる項目）を下記に示す。
［課題 1］矢板部の照査用震度の求め方

矢板の照査用震度は、背後地盤の 1
次元地震応答解析を実施して周波数特性を補正した地表面の補正加速度最図2

設計手順（案）11

表1モデル※※※

土圧

骨組解析の条件と設計結果
鋼管矢板※（直径，板厚）

矢板部 地盤反力係数※※3直杭・斜杭※（直径，板厚）

方法 A

主働土圧・残留水圧と受働土圧を，両者が等しくなる深さまで作用させる

1500N×（3/4） （kN/m ）N：N 値
原地盤上層の値 12.4MN/m3

φ600t9
根入れ−18.5m（下部の杭は2.8m 間隔）

直杭：φ800t9
斜杭：φ900t11（5m 間隔）

方法 B

主働土圧，残留水圧と，受働側に静止土圧を作用させる

矢板用の地盤反力係数（高橋・菊池らの提案値）
原地盤上層の値 25.0MN/m3φ600t9
根入れ−18.5m（下部の杭は4.2m 間隔）

直杭：φ800t9
斜杭：φ900t9（5m 間隔）

鋼材はSKK490を用いる。諸元の単位はmm
杭の載荷試験でもとめた地盤反力係数を壁用に用いる際の補正値 7）

表2

設計地盤定数

標高（m）

湿潤密度（t/m3）

せん断抵抗角（°）

埋立（水面上）＋4〜＋0.6

1.8

32

埋立（水面下）＋0.6〜−11.0

2.0

32

原地盤上層

−11.0〜−21.5

2.0312516.5

11

原地盤下層

−21.5〜−32.5

2.0

33

3737.525−32.5 〜

2.0

40

2.030 ※3

2.040

支持層
捨石
裏込石

※1：高橋・菊池による提案値（N 値と地盤反力係数の関係）※3：領域が狭いため30°として安全側の設計としたを求める方法が、そのまま前方斜杭式桟橋に適用できるか。

地盤反力係数：
矢板用※1（MN/m3）

地盤反力係数：
杭用※2（MN/m3）

N値882475507.5

5 ※4※2：1500N（kN/m3）※4：杭の水平抵抗を算定する際のN 値

用する土圧と、地盤反力係数の扱い方［課題 2］骨組解析の方法
3．

法を変えて解析した結果を表 2 に示

［課題 4］桟橋の応力検討時の部分係数

骨組解析における土圧と地盤反力係す。方法 A は、桟橋の設計を準用した

桟橋の部分係数を用いて設計した前数の扱いの違いが、設計結果に与える方法で、地盤反力係数は壁の効果を考

方斜杭式桟橋が目標信頼性指標を満足影響について検討を行った。検討条件

慮して低減している。土圧は、自立矢するか。

は、レベル 1 地震動に対する矢板式岸板の設計で用いられている方法とし

2）

これらの課題に対して、課題 2 →課

壁の耐震性能照査用震度の検討 の、た。方法 B は、矢板の設計法と一致さ

題 1 →課題 3 →課題 4 の順番で検討を水深− 11m 岸壁、第Ⅱ種地盤相当と同せており、土圧は矢板の設計におけ行った。

一条件とした（表 1 参照）。N 値とせん

る Rowe の方法と同一である。設計の断抵抗角は、文献

結果、方法 A の方が斜杭の断面が大き

2 に掲載されていく、鋼管矢板部の下に続く杭ピッチがる S 波速度を参考密になった。にして決めた。
図 3 に骨組解析モデルを示す。設計震度は 0.15 として、許容応力度法（ 港 湾 基 準（1999
図3骨組み解析モデル

図412［課題1］矢板部の4．

照査用震度の求め方（1）前 方斜杭式桟橋（土留め一体構造）の地震時挙動特性年版））3）で設計を前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）行った。矢板に作の地震時挙動の特性を明らかにするた

地震時挙動比較のための設計断面表3
湿潤密度（t/m3）
埋立（水面上）1.8

埋立（水面下）

2.0

原地盤上層

基準有効拘束圧（kN/m2）

基準初期せん断剛性（kN/m2）

基準初期体積剛性（kN/m2）

せん断抵抗角（°）

最大減衰

S 波速度（m/s）

89.8

58320

152100380.24

180

198.5

72200

188300

382.0

原地盤下層

地震応答解析で用いた解析地盤定数

0.24

279.2

125000326000

39

支持層

2.0

298.0

180000469000400.24

捨石，裏込石2.0

98.0

180000469000400.24190
250300※レベル1 地震動を対象としているため間隙水圧の上昇は考慮しない設定とした

め、同一設計震度で設計された直杭式

レベル 1 地震動波形から岸壁の許容変さて、以降で、前方斜杭式桟橋（土横桟橋、矢板式（控え組杭）、矢板式（控位量に応じた震度を算定する式を構留め一体構造）（1）式の準用が可能か、え直杭）の 4 断面（図 4 参照）に対する築している 2）。具体的には、最初に、背地震応答解析で比較検討した。

地震応答解析を行った。ここで、前方後地盤の 1 次元地震応答解析で求めた

1）周波数依存特性

斜杭式桟橋（土留め一体構造）は断面地表面の加速度時刻歴を、周波数依存（1）式構築時において、周波数依存が大きくなった方法 A を対象とした。

性（周波数ごとに岸壁の変位に与える性は、周波数を変えた正弦波（継続時解析プログラムは FLIP4）を用いた。

影響の強弱がある）を考慮するための間 40 秒、主要動継続時間 5 秒、前後は解 析 地 盤 定 数 を 表 3 に 示 す。入 力 地フィルター処理を行い、フィルター処

コサイン状のテーパー）を用いて、岸震 動 は 最 大 加 速 度 100Gal、継 続 時 間理後の加速度時刻歴の最大値αf を求壁天端の残留水平変位が 20cm となる20.48 秒の White-noise を用いた。岸壁める。次に、地震動の継続効果を補正条件入力加速度レベルを探索し、その天端 加速度のフーリエスペクトルをする係数 p をかけて、地表面における際の背後地盤地表面の最大加速度の特入力加速度のフーリエスペクトルで除地盤の補正加速度最大値αc を求める。

性から設定している。図 6 に矢板式として算定した伝達関数（フーリエスペ

この値を（1）式に代入して照査用震度

前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）のクトル比）を図 5 に示す。この結果かを求める。なお、フィルター、継続時背後地盤地表面の最大加速度を示す。

ら、前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）

間補正係数 p、（1）式は、控え直杭と控前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）

は、矢板式に近い値を示しており、特え組杭で違う値を用いている。

※に、岸壁の変位に与える影響が大きい
0.5〜2.0Hz の範囲では、矢板式（控え直杭）に非常に近い応答性状であることがわかる。
※＋4mの標高の最も海側地点（桟橋では床版の図面左端）

D −0.69 ac
khk＝1.91 b a l＋0.03（控え直杭）Drg
D −0.74 ac
khk＝1.32 b a l＋0.05（控え組杭）
Drg


（1）式

は、矢板式（控え直杭）と矢板式（控え組杭）の間の挙動となり、矢板式（控え直杭）に近い挙動をしていることがわかる。また、前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）は、1Hz 以下では残留変位が 20cm に到達する際の背後地盤地表面の最大加速度が矢板式（控え直杭）（2）矢 板式の照査用震度算定式の適用性

ここに、khk：照査用震度の特性値、g：よりも大きいので、変位に関する耐震重力加速度、Da：許容される岸壁天端性が上回っていることになる。なお、矢板式の照査用震度算定式は、数多における変形量（＝ 15cm）、Dr：基準20cm の残留水平変位時にも矢板部分変形量（＝ 10cm）の応力は弾性範囲内であり、変位先行

くの 2 次元地震応答解析を整理して、

図5

岸壁天端の伝達関数

図 6 周波数依存性

13表4なった。

桟橋の照査用震度算定結果

上記方法で求めた設計震度の妥当性

波形番号

入力加速度最大値（Gal）

最大加速度（Gal）

照査用震度

No.1

148.3

164.2

0.17

No.2

185.8

185.6

0.19

No.3

373.6

221.3

0.23

No.4

175.3

168.8

0.17て桟橋部（床版左端）の最大応答加速

No.5

103.3

156.4

0.16

No.6

126.6

194.8

0.20

度を求めた。上記方法（1 次元解析 &No.7

101.5

162.5

0.17

No.8

126.3

232.6

0.24

No.989.9158.80.16を確認するため、前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）の 2 次元モデルを用い加速度応答スペクトル）で算定した最大加速度と 2 次元解析で算定した最大加速度の関係を図 8 に示す。多少のばらつきはあるものの、概ね± 2 割の誤差に収まっており、桟橋の設計震度の型の破壊モードとなることが確認でき

留め一体構造）の照査用震度算定は、

部分係数算定時に用いた変動係数 0.2た。

控え直杭の係数を用いた方が、控え組と対応がとれている。

2）継続時間特性

杭の係数よりも安全側の評価となる。

（1）式構築時の検討で用いられた卓越周波数と継続時間が異なる入力地
震動 9 波形を用いて、岸壁天端の残留水平変位が 20cm となる条件入力加速［課題3］桟橋の5．

照査用震度の求め方

レベル 1 地震に対する桟橋の杭の応度レベルを探索し、その際の自由地盤

桟橋の照査用震度は、桟橋中央部の力検討は、許容応力度法で設計され地表面の最大加速度αf を求めた。継地盤の 1 次元地震応答解析を行い、桟た複数断面に対して、コードキャリブ続時間効果は、フィルター処理後の加橋仮想固定点の深度の加速度時刻歴レーションが実施され、目標信頼性指速度時刻歴の二乗和平方根 S をαf でから加速度応答スペクトル（減衰定数標（破壊確率）および部分係数が設定割った値を横軸に、縦軸はαf を設計0.2）を求め、桟橋の固有周期に対応すされている 5）。ここでは、直杭式横桟橋

震度 0.15 相当に対応させるため 150Gal

る応答加速度を重力加速度で割って震の検討で求められた部分係数を用いてで割った値（低減率 p）をとって考察度としている。

前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）をする。なお、前方斜杭式桟橋（土留め

ここでは、4. で用いた入力地震動 9設計した場合に、直杭式横桟橋と同等一体構造）は、控え直杭の式を用いて波形に対して、矢板式（控え直杭）のの信頼性指標を得られるか検討した。

算定した。

照査用震度が 0.15 となる入力加速度レ

信頼性指標は、応答曲面法による性図 7 に S/αf と p の 関 係 を 示 す。前 方ベルで桟橋部の震度を求めた。なお、

能関数（2）式を用いて FORM で求め斜杭式桟橋（土留め一体構造）の p は桟橋部の固有周期は、地盤反力係数のた 6）。応答曲面法で対象とした部位は、矢板式（控え直杭）を下回っており、ばらつきと、桟橋の上載荷重の有無の断面検討時に作用耐力比が一番高い斜矢板式（控え直杭）の照査用震度の算組み合わせに対して骨組解析で算定し杭の杭頭部である。文献 6）と同様の定方法を用いれば安全側の評価となるた結果、0.41〜0.58 秒となった。表 4 に方法で、地盤反力係数と発生断面力の（p が大きい方がαc が大きくなり、照照査用震度の算定結果を示す。桟橋部関係から応答曲面をもとめているが、査用震度が大きくなる）の照査用震度は 0.16〜0.24（平均 0.18）

今回は斜杭で軸力が無視できないためとなり、矢板式よりも大きな結果と性能関数はオイラー座屈を考慮した応以上の検討から、前方斜杭式桟橋（土図714［課題4］桟橋の6．

応力検討時の部分係数

継続時間依存性

図8

1 次元解析と2 次元解析の最大加速度の比較

表5

条件は、各種条件の平均的と考えられ信頼性解析で用いた確率変数

変数

確率分布形状平均値

変動係数

鋼材降伏応力度

正規分布

377N/mm20.08

震度

対数正規分布

0.15/1.2 ※0.2

地盤反力係数

対数正規分布1.00.775

る、− 11m 水深、設計震度 0.15、第Ⅱ種地盤相当としているが、設計法の一般化に向けては、事例検討の積み重ねが必要である。

※

港湾基準 (1999 年版）の重要度 A 級相当の安全率で割っている

表6

なお、このテクニカルノートは文献

信頼性解析で用いたパラメータabcdef−42.53

133.8986.1

446.1−16316373

表7信頼性解析結果構成したものである。
【参考文献】

感度係数

信頼性指標
3.70

鋼材降伏強度震度

地盤反力係数0.373−0.9170.143

力比で設定した。確率変数は表 5 に示分係数を用いて再設定した。その結す値を用いた。

果、斜杭の板厚が、許容応力度設計で2K（akh ＋bkh＋c）/ZσyK（dkh2＋ekh＋f ）/A−σcr

G＝1−

8 の一部の内容を設計実務者向けに再（2）式

ここに、K：震度、kh：地盤反力係

は 11mm であったのに対して、15mmまで増大した。性能関数のパラメータを表 6 に、解析結果を表 7 に示す。信頼性指標は 3.70 となり直杭式横桟橋の目標信頼性指標 2.68 を大幅に上回る結果になった。

数を平均値 2000N（設計で用いられる
1500N は安全率を考慮した値である）

7．まとめ

で割った値、Z：杭の断面係数、A：杭の断面積、a〜f：係数、σy：鋼材の降前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）

伏応力度、σcr：オイラー座屈を考慮のレベル 1 地震動に対して性能設計をした鋼材の降伏応力度実施する際の、手順と、各種設定方法

信頼性解析の検討断面は、桟橋の部の影響について評価した。検討対象

1）日 本港湾協会：港湾の施設の技術上の基準・同解説（2007 年版）
2）長尾毅ほか：レベル 1 地震動に対する重力式および矢板式岸壁の耐震性能照査震度の設定手法，国総研資料 No.310, 2007.
3）日 本港湾協会：港湾の施設の技術上の基準・同解説（1999 年版）
4）Iai,S., Matsunaga,Y. and Kameoka,T.：StrainSpace Plasticity Model for Cyclic Mobility,Soils and Foundations, Vol.32, No.2, pp.1-15,
1992.
5）長尾毅ほか：桟橋式係船岸のレベル 1 地震動に対する信頼性設計法，構造工学論文集
Vol.52A, pp.201〜208, 2006.
6）長 尾毅ほか：直杭式桟橋の信頼性指標の応答曲面法等による評価の研究，海洋開発
論文集，第 24 巻，pp.201〜206, 2008.
7）三 橋郁雄：有限要素法による水平方向地盤反力係数の推定－特に 2 次元 k 値－，港湾空港技術研究所資料，No.219, 19758）塩崎禎郎，乙志和孝，相和明男：前方斜杭式桟橋（土留め一体構造）のレベル 1 地震動に対する耐震設計法，土木学会論文集
A1 Vol.70, No.4, 2014.

協会からのお知らせ
平成 25 年度技術講習会・説明会開催実績■ 鋼管杭・鋼管矢板に関する技術の動向■ 道路橋示方書

鋼管杭・鋼管矢板に係る改定ポイント■ 中掘り杭工法の施工ガイドライン■ 鋼管ソイルセメント杭工法の設計と施工■ 回転貫入杭工法の設計と施工■ 鋼管杭・鋼管矢板基礎の施工■中 掘り鋼管杭工法（セメントミルク噴出攪拌方式）の風化花崗岩（まさ土）への適用性■ 国土強靭化に寄与する堤防の耐震・津波対策工法並びに事例紹介■ 鋼矢板製品と設計・施工時の留意事項他について■ 鋼矢板等の最近の施工法、施工例と施工歩掛のポイントについてなどのテーマについて幅広く各地で開催しました。

第 18 回 土木鋼構造研究シンポジウムに後援
平成 26 年 3月18日に東京・港区のコクヨホールで開催された「第 18 回土木鋼構造研究シンポジウム」（主催：日本鉄鋼連盟）に後援しました。参加者約 300 名の中「基礎構造の信頼性向上に向けた取り組み」をテーマに土木構造物・港湾構造物の性能設計・信頼性設計法、信頼性向上のための施工管理などについて講演が行われました。

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