ISSN 0386-5878
土木研究所資料第 4305 号

土 木 研 究 所 資 料
地盤変状が道路橋の耐震安全性に及ぼす影響に関する基礎的研究

平成 27 年 6 月

国立研究開発法人土木研究所
構造物メンテナンス研究センター

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土 木 研 究 所 資 料
第 4305 号 ， 2015 年 6 月

地盤変状が道路橋の耐震安全性に及ぼす影響に関する基礎的研究

構造物メンテナンス研究センター
橋梁構造研究グループ

上席研究員

石田雅博

上席研究員

七澤利明

主任研究員

西田秀明*

交流研究員

遠藤繁人

*現国土交通省 国土技術政策総合研究所,道路構造物研究部 主任研究官

要旨
道路橋基礎をやむを得ず地盤変状を生じうる箇所に設置せざるを得ない場合において耐震安全性を確保するために必要となる一般的な手法は確立されていない。このような背景から，地震時に地盤変状を生じうる箇所に設置された道路橋基礎が有する耐震安全性の判断手法の提案を行うために，地震時に変状を生じる斜面の特徴の分析，ならびに，地盤変状の規模及び道路橋の諸元の特性の違いが基礎の安全性に及ぼす影響について解析的検討を行った。分析により得られた変状パターンを想定し，斜面上のすべり層全体が滑動する中で，構造物の抵抗により，背面に受動土圧相当のすべり力が作用するという考え方に基づく評価方法により解析した結果，複数列組杭と単列組杭，傾斜角の緩急，橋台と橋脚のそれぞれの違いにより耐力比が異なる事が明らかとなった。

キーワード：道路橋基礎，地盤変状，すべり力，基礎の耐力

目
第１章

次はじめに

1

1.1 研究の背景および目的 .................................................................................................................... 1
1.2 研究の概要と本書の構成 ................................................................................................................ 2第２章

地震による斜面変状パターンと構造物への影響

3第３章

道路橋基礎の安定性に関する検討方法

83.1 検討対象とした地盤変状パターン ................................................................................................. 93.2 検討対象とした基礎の諸元 ............................................................................................................... 10
3.3 試設計条件および解析パラメータ ................................................................................................... 123.4 すべり力の評価................................................................................................................................... 19
3.5 解析モデルの試設計結果 ................................................................................................................... 25
第４章

道路橋基礎の安定性に関する検討結果

34

4.1 荷重－変位関係................................................................................................................................... 35
4.2 基礎の耐力とすべり力の関係 ........................................................................................................... 43
4.3 解析結果に対する評価 ....................................................................................................................... 51
第５章
参考文献まとめ

5354

第１章

はじめに

1.1 研究の背景および目的

大規模な地震に対する道路橋の耐震性は，既往の地震被害の経験や研究開発の成果を踏まえた技術基準の改定や既設橋に対する耐震補強の対策がなされた結果，着実に向上してきている。しかし，地震時に地すべりなど大きな地盤変状の影響を受ける場合については，地盤変状の範囲・規模やこれが橋に影響を与える影響について十分な知見がないことから，現行の設計体系にはほとんど反映されていない．
しかしながら，例えば，平成 16 年新潟県中越地震や平成 20 年岩手・宮城県内陸地震では，山地の丘陵の急峻な地形に立地した道路橋に，過去に滑動した経験がない基礎岩盤の初生すべりや地盤の大きな変状により落橋，段差，移動等が生じる事例が見られ，安全性はもとより，復旧，復興の長期化など地域社会に及ぼす影響が生じた．
このような被害を避けるためには，あらかじめ十分な調査を行い，大きな地盤変状が生じるような箇所を避けて架橋することが重要であるが，条件によってやむを得ず地盤変状を生じうる箇所に架橋せざるを得ない場合も想定される．しかし，このような場合に地震時に大きな地盤変状を受ける道路橋の耐震安全性を確保するために必要となる一般的な手法は確立されていない．
以上のような背景から，地震時に斜面変状を生じうる箇所に設置された道路橋基礎が有する耐震安全性の判断手法の提案を行うために，地震時に地盤変状を生じる斜面の特徴を整理するとともに，地盤変状の規模及び道路橋の諸元の違いが道路橋基礎の安定性に及ぼす影響について分析を行った．

1

1.2 研究の概要と本書の構成

本研究においては，まず，既往の資料・文献から，地質や地形的な観点から見た場合の地震による地盤変状の特徴について分析を行った．次に，分析結果から得られた地盤変状パターンを想定し，地すべりを生じる可能性を有する斜面上に設置された道路橋基礎を対象に，外力（地盤変状に伴って基礎に作用する力．以下「すべり力」と称す．）を作用させ，道路橋の諸元，地層構成及び斜面の地盤定数の違いが基礎の有する耐力に関する安全余裕へ及ぼす影響について解析的に検討した．最後に，検討によって得られた知見をとりまとめた。
本文の構成を以下に示す．
1 章では，設計の背景及び目的，研究の概要と本書の構成を示した．
2 章では，既往の資料・文献から，地質や地形的な観点から見た場合の地震による地盤変状の特徴について分析を行い，地盤変状パターンを整理した．
3 章では，分析結果から得られた地盤変状パターンを想定し，地すべりを生じる可能性を有する斜面上に設置された道路橋基礎を対象に，すべり力を作用させ，道路橋の諸元，地層構成及び斜面の地盤定数の違いが基礎の有する耐力に関する安全余裕へ及ぼす影響について解析的に検討する方法について示した．
4 章では，3 章で示した検討方法による検討結果を示した．
5 章では，本研究で得られた知見をとりまとめた．

2

図-2.1.4 に収集した事例のすべり面・崩壊面の勾配を示す．第四紀層や中古生層の事例が少ないため，地質年代の違いによる差を示すのは難しいが，地すべりとされた事例の方が崩壊とされた事例に比べて緩勾配のものが多く，中古生層では 10°以下の事例は見られない．また，表-2.1.3 に収集した事例箇所の地質構造を示す．流れ盤の事例が非常に多いことがわかる．

図-2.1.4

収集した事例のすべり面勾配5①変状パターン模式図
・古い地すべりなどにより形成された崩壊土のすべり又は崩壊③変状パターン模式図
・流れ盤の層理面・節理面・断層面・薄い脆弱層によるすべり・崩壊

図-2.1.5②変状パターン模式図（風化層のすべり・崩壊）（未固結層のすべり・崩壊）
・厚い風化層又は未固結層のすべり又は崩壊④変状パターン模式図・下部の脆弱層の変形による上部の岩盤の変状又は崩壊⑤変状パターン模式図
・柱状節理の発達した岩盤の節理面からの変状又は崩壊

地震による斜面の地盤変状パターン

参考文献

1）浅井健一，日外勝仁，佐々木靖人：地震時に構造物基礎の安全性に影響を及ぼすような斜面地盤変状のパターン，第 9 回地盤工学会関東支部発表会，2012

7

第３章

道路橋基礎の安定性に関する検討方法

斜面の変状が生じうる箇所に基礎を設置する場合，地盤変状規模が限定的であり，かつ，基礎本体の耐力や支持力が十分大きければ構造的な対処で対応できる可能性がある．しかし，大規模な地盤変状が生じることが想定される場合，基礎のみでは対処が不可能であり，実質的に当該地点への架橋は困難になると考えられる．そこで，地すべりを生じる可能性を有する斜面上に設置された道路橋基礎を対象に，すべり力を想定し，道路橋の諸元，地層構成および斜面の地盤定数の違いが基礎の有する耐力に関する安全余裕へ及ぼす影響について解析的に検討した．
本章では解析的に検討する方法について示す．
3.1 では，2 章で整理した地盤変状パターンのうち，本検討で対象とする地盤変状パターンを示した．
3.2 では，検討対象とした道路橋基礎の諸元を示した．
3.3 では，最適なモデル試設計を行うための固定条件および解析パラメータとなる条件を示した．
3.4 では，地盤変状に伴って基礎に作用する外力の考え方および評価方法を示した．
3.5 では，3.2 および 3.3 に示した設計条件に基づき，最適なモデルの試設計を行った結果を示した．

8

3.1 検討対象とした地盤変状パターン

第 2 章で述べたように，図-3.1.1 のように地震時の地盤変状のパターンを分類できるが，構造物への影響という観点から考えると，堆積土のすべりによる場合（図-3.1.1 の①，②）と岩盤のすべりによる場合（図-3.1.1 の③，④，⑤）に大別できる．堆積土のすべりの場合は，基礎前面から一定の範囲におけるすべり力が構造物に作用すると考えられる．一方，岩盤のすべりによる場合は，基礎前面にある岩塊の大きさに依存し，一体として動く岩塊が大きければ基礎に作用する力も大きくなると考えられる．このことから，これらは別々に扱う必要があるが，本研究では堆積土のすべりによる場合（図-3.1.1 の①，②）に相当する斜面崩壊を対象に検討を行った．

①変状パターン模式図
・古い地すべりなどにより形成された崩壊土のすべり又は崩壊③変状パターン模式図
・流れ盤の層理面・節理面・断層面・薄い脆弱層によるすべり・崩壊②変状パターン模式図（風化層のすべり・崩壊）（未固結層のすべり・崩壊）
・厚い風化層又は未固結層のすべり又は崩壊④変状パターン模式図・下部の脆弱層の変形による上部の岩盤の変状又は崩壊⑤変状パターン模式図
・柱状節理の発達した岩盤の節理面からの変状又は崩壊は本研究で対象とした地盤変状パターン
図-3.1.1

地震による斜面の地盤変状パターン

9試設計において解析パラメータとなる条件を表-3.3.2 に示す．パラメータは，斜面傾斜，風化層中のすべり層厚，風化層の地盤定数（c，φ）である．斜面傾斜は，斜面上に設置されている基礎の設計
実績 3）として，斜面傾斜 20°から 40°が全体の 50％程度を占めることを踏まえて，20°と 40°の 2ケースとした．風化層の地盤定数は，φ の成分が卓越する砂岩を想定した土層と，c 成分が卓越する泥岩を想定した土層の 2 ケースとし，N 値 30 相当の地盤定数の値を深礎基礎便覧に記載されている推定式（3.3.1）及び（3.3.2）より算定した 1）．
次頁より，【参考】岩盤の地盤定数の設定を示す．

風化層（砂岩）c = 0.155（N 値）0 327 (kgf/cm2) [×98.1kN/m2]
φ = 5.10Log（N 値）＋29.3 (°)（3.3.1）※Log の底は 10

風化層（泥岩）c = 0.165（N 値）0 606 (kgf/cm2) [×98.1kN/m2]
φ = 0.888Log（N 値）＋19.3 (°)※Log の底は 1013（3.3.2）第４章

道路橋基礎の安定性に関する検討結果

本章では 3.5 で設定したモデルに対する解析結果を示す．
4.1 では，プッシュオーバー解析によって求めた水平荷重と水平変位の関係を示す．図中の縦軸はすべり力作用位置での水平荷重 ( kN ) ，横軸はすべり力作用位置での水平変位 ( mm ) である．また，
図中の降伏荷重は基礎本体の引張側の 90 度の円弧内に含まれる全ての軸方向鉄筋が降伏ひずみに達するときを降伏時として定義したものであり，終局荷重は基礎本体の圧縮縁においてコンクリートひずみが終局ひずみに達するときとして定義したものである．
4.2 では，すべり力と基礎の耐力（降伏耐力 Py および終局耐力 Pu）の関係を整理する．ここで，降伏時および終局時の定義は 4.1 と同様である．
4.3 では，複数列組杭の橋台，単列組杭の橋台および複数列の橋脚を総合的に評価する．

344.3 解析結果に対する評価

図-4.3.1 にすべり力 PH と降伏水平耐力 Py の比（すべり力 PH / 降伏水平耐力 Py）（以下，すべり耐力比）とすべり力 PH の関係を示す．図中の黒色は橋台の複数列組杭深礎基礎，赤色は橋台の単列組杭深礎基礎，青色は橋脚の複数列組杭深礎基礎を表している．
橋台の複数列組杭深礎基礎と橋台の単列組杭深礎基礎の違いに着目すると，橋として同じ条件で設計しているにも関わらず，複数列組杭深礎基礎よりも単列組杭深礎基礎の方がすべり耐力比は大きい．
これは，橋台の地震時の設計が最も厳しい杭列の初降伏で決められるが，初降伏の後の基礎全体系で降伏するまでの耐力の余裕度に差があるためである．特に，斜面傾斜が大きく，すべり層厚が厚いほどその差は顕著に表れている．また，斜面傾斜の違いに着目すると，傾斜角が大きいほど，すべり力が大きくなることから，すべり耐力比は大きくなる傾向を示している．
橋脚と橋台の違いに着目すると，橋台に比べて橋脚のすべり耐力比は小さい．これは，橋脚においてはレベル 2 地震時の照査を実施しているため，橋台に比べて橋脚の保有水平耐力が大きいことに起因している．すべり層の地盤条件（砂岩・泥岩）の違いによる影響は，すべり層厚 5.0m，傾斜角 40°のケース（図-4.3.1 の◇と◆）で顕著な違いが確認できた．これは，深礎基礎の設計断面は砂岩・泥岩によらずほぼ同様の断面剛性となるが，例えば，橋台複数列（傾斜角 40°，すべり層厚 5.0m）において，砂岩の場合は 115,730kN，泥岩の場合は 86,662kN であり，泥岩の場合のすべり力は砂岩の場合のすべり力の 75%程度となる影響によるものと考えられる．
図-4.3.1 より，いずれの条件においてもすべり力が基礎の降伏水平耐力を上回る結果であり，条件によっては降伏水平耐力の 40 倍以上のすべり力が作用する結果となった．本研究においては，斜面上のすべり層全体が滑動する中で，構造物の抵抗により，背面に受働土圧相当の土圧が作用するという考え方に基づく評価方法であるが，実際に地盤変状が生じる際に受働土圧相当のすべり力が作用するのかは不明である．実際の地盤変状のすべり力を計測することは非常に困難であるため，今後，今回の解析結果や既往の研究事例（参考資料参照）を踏まえたうえで，模型実験等を実施し，実情に近い作用力の評価方法を検討する必要があると考えられる．

51

第５章

まとめ

地震時に変状を生じる斜面の特徴の分析，ならびに，地震時に堆積土のすべり又は崩壊により斜面変状を生じ得る箇所に設置された道路橋基礎を対象としたすべり力の評価方法，道路橋の諸元，斜面の傾斜角，すべり層厚の特性の違いが基礎の安全性に及ぼす影響について解析的検討を行った．この
結果，次のことが明らかとなった．
1） 地震による斜面地盤変状事例を収集し，地盤変状箇所の地形・地質の特徴の整理と変状パターンの分類を行った．地盤変状の規模は，幅では 300m まで，長さでは 400m までのものが約 9 割を占めること，変状箇所の地質構造としては流れ盤の事例が多いという特徴が見られた．
2） 受働土圧をすべり力として作用させた組杭深礎基礎のすべり耐力比は，同様の試設計条件で設計を行った構造であっても，初降伏以降の保有耐力の違いから，複数列組杭深礎基礎よりも単列組杭深礎基礎の方がすべり耐力比は大きく，特に，斜面傾斜が大きく，すべり層厚が厚いほどその差は顕著に表れた．ただし，傾斜角 20°，すべり層（5.0m，砂岩および泥岩）の条件のみは，複数列組杭深礎基礎にとって楽な条件であり，結果として鉄筋量の小さい杭として試設計されたため，降伏耐力および終局耐力は単列組杭深礎基礎よりも複数列組杭深礎基礎の方がすべり耐力比が大きくなる結果を得た．斜面傾斜の違いに着目すると，傾斜角が大きいほどすべり耐力比は大きくなる傾向を示した．橋脚と橋台の違いに着目すると，橋台に比べて橋脚のすべり耐力比は小さい．これは，橋脚においてはレベル 2 地震時の照査を実施しているため，橋台に比べて橋脚の保有水平耐力が大きいことに起因している．
3） 解析結果は、いずれの条件においてもすべり力が基礎の降伏水平耐力を上回る結果であり，条件によっては降伏水平耐力の 40 倍以上のすべり力が作用する結果となった．本研究においては，斜面上のすべり層全体が滑動する中で，構造物の抵抗により，背面に受働土圧相当の土圧が作用するという考え方に基づく評価方法であるが，実際に地盤変状が生じる際に受働土圧相当のすべり力が作用するのかは不明である．実際の地盤変状のすべり力を計測することは非常に困難である
ため，今後，今回の解析結果や既往の研究事例（参考資料参照）を踏まえたうえで，模型実験等を実施し，実情に近い作用力の評価方法を検討する必要があると考えられる．

53

この実験結果も先に示した結果と同様，杭中心間隔を 1.97D から 2 倍の 3.94D まで増やした場合，杭の最大曲げひずみ増分は増加傾向を示すが，その変化量は僅かであり，杭中心間隔を増やしても抑止杭の発生断面力に与える影響は少ないことが確認されている．

〈FEM 解析〉
FEM による再現解析では 8 本（1.97D）のケースを対象として，杭の曲げモーメントの増分が検討されている．

図-参 1.6

図-参 1.5

解析結果

解析概要

図-参 1.5，図-参 1.6 に示すように実験結果に対し，最上部の移動土塊に塑性化を考慮したケース
3 については，実験結果を概ね再現することができている．

56

上表に示した実験結果によれば，杭間隔の違い及び土塊材料の配合の違いにより抑止杭に発生する曲げモーメントは，比較的大きく変化することが確認されている．
この結果は，先に示した 2 事例とは異なる結果となっている．
以上，遠心場における模型実験事例を示したが，これらの実験では，模擬した斜面端に可動壁を設置，実験時にはこの可動壁に強制変位を与え，地すべりを発生させている．
本研究では，常時状態での地盤変状の影響を考慮した検討を実施し，その安全度評価を行ったものであり，今後の検討においては，地震時の地盤変状の影響も把握していく必要がある．

参考文献
1） 鵜飼恵三，蔡飛，鄭穎；二列に配列された抑止杭の効果を弾塑性 FEM により評価する方法の提案，地すべり，第 37 号第 4 号，pp.18-23，2001
2） 倉岡千郎，李黎明，鵜飼恵三，若井明彦，蔡飛，蔡光石；地すべり解析における有限要素法の利用 第 12 回，日本地すべり学会誌，Vol.41，No.5，pp.107-111，20053） 石井靖雄，藤澤和範，田中尚；遠心載荷模型実験による地すべり抑止杭の設置間隔の検討，土木技術資料，48(8)，pp.66-71，2006.858

土木研究所資料
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No.4305 June 2015
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