砂粒子配向性に着目した三軸試験と振動台試験による液状化強度の比較

1． はじめに

長岡技術科学大学大学院○岩崎真也

長岡技術科学大学大学院

豊田浩史

2． 実験概要

一度液状化した緩い砂地盤は，その後，排水を伴っ本研究では，豊浦砂を用い飽和排水振動台実験を行て密になる．したがって，液状化した地盤は，液状化い，各粒子配向での液状強度比 RL を求めた．また，液しにくくなると考えられる．しかし，実際には，過去状化前後における粒子配向変化の調査，及び再液状化に液状化した地盤が再液状化した事例が報告されてい試験についても実施し、過去の三軸液状化試験との比る．その報告の中には，以前に液状化した地震よりも較を行った．

小さい地震で再液状化が発生した事例も示されている．

2.1 供試体作製方法

例えば，1983 年 5 月の日本海中部地震 1)，2003 年 52)

砂供試体試料は，漏斗堆積法を用いて作製した．ま月の三陸南地震 等で実例が報告されている．最近でた，任意の配向角毎に供試体を作製するため可傾式モは，2011 年 2 月のクライストチャーチ地震によって，ールド(Fig.1)を採用し，試料には豊浦砂を用いた．豊2010 年 9 月の地震と同じエリアで液状化が起きたと

浦砂の粒径加積曲線および物性値を Fig.2 に，振動台報告されている．さらに，若松は，液状化履歴地点約試験機及び測定器概略図を Fig.3 に示す．

1 万 6500 地点の中の 150 箇所で複数地震による繰返し液状化が発生したと報告している 3)．このように，一度液状化が発生しても，必ずしも液状化しにくくなるとは言い切れない．
再液状化に関する既往の研究では，
砂質土は液状化後，排水によって密度が増加したにもかかわらず，液状化前よりも著しく液状化しやすくなるという現象が Finn et al.4）などによって示されている一方で，砂質土は液状化履歴を受ければ液状化しにくくなるという報告も存在する．
飽和砂地盤における再液状化時の液状化特性を明らかにすることは，過去の地震による液状化の情報をFig.1 可傾式モールド(正面)有益に利用するためにも急務であるといえる．
しかし，粒子配向性を考慮した再液状化に関する研究はこれまでにほとんどなされておらず，数少ない既往研究も，大半が要素試験(三軸液状化試験)に限定されている．
本論文では，上記の趣旨に基づき，より原地盤に近い状態で振動を与えられる模型振動台を用いた液状化試験を実施し，各粒子配向での液状強度比 RL を求めた．
加えて，液状化前後における粒子配向変化の調査，及び信濃川河川敷のおける液状化層の地盤調査(新潟市中央区)を実施し，粒子配向性が再液状化現象に与える影響について検討するとともに，過去の三軸液状化試

Fig.2 豊浦砂の粒径加積曲線

験との比較から，各試験で得られた力学特性の違いについても検討を行った．
キーワード 液状化，再液状化，砂粒子配向性，液状化強度
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Table 2 試験条件
試験条件(5Hz，20Cycle)
測定 Dr(%)

配向角Dr(%)

Dr=30%
0°Dr=60%

Fig.3 振動台試験機及び測定器概略図

Dr=30%

2.2 試験内容・条件
45°

2.2.1 試験内容
模型振動台で実施した試験内容を Table.1 に示す．

Dr=60%

なお，試験 1～試験 3 に関しては相対密度 30%及び 60%で試験を実施している．
Table 1 試験内容
試験 1

粒子配向角毎の液状化強度比 RL 算出

試験 2

粒子配向角毎の再液状化強度

試験 3

液状化前後での粒子配向性変化

試験 4

信濃川河川敷のおける液状化層の地盤調査

Dr=30%
90°
Dr=60%

Gal
液状化前

液状化後

再液状化後

200

36.053.261.8

225

36.0

53.2

61.8

250

36.0

53.2

61.8

300

66.5

74.6

87.6

350

61.6

69.7

74.6

375

66.5

74.6

82.7

200

40.0

48.7

57.4

225

43.7

50.6

60.1

250

41.8

48.7

60.1

300

59.4

67.9

76.3

350

59.5

68.0

75.5

375

47.8

56.2

64.6

200

35.7

62.2

88.6

225

36.5

62.6

71.3

250

36.5

62.6

71.3

300

60.4

72.0

80.3

350

59.3

70.8

79.1

375

57.2

68.9

79.1

2.2.2 試験条件
模型振動台実験での試験条件を Table 2 に示す．なお，今回の試験では加振条件として 5Hz，20Cycle を共通項目としている．また，Fig.4，Fig.5 に測定で使用した加速度計及び間隙水圧計の設置位置を示す．
3． 試験結果
3.1 測定加速度及び過剰間隙水圧比時刻歴について
Fig.4，Fig.5 で示した加速度計及び間隙水圧計より得られた液状化時の加速度時刻歴，及び過剰間隙水

Fig.4 加速度計設置位置(※別途振動台に 1 箇所設置)

圧比時刻歴を Fig.6～Fig.11 に示す．なお，今回示す
結果は，200Gal，Dr=30%の液状化試験であり，加速度に関しては，配向角 0°のみとする．また，間隙水圧計上部及び再液状化時の各種測定は機器の乱れの影響により割愛する．
本研究における液状化判定はすべて過剰間隙水圧比1.0 地点を基準としており，液状化到達までの載荷回数 Nc(以下 Nc と呼ぶ)も同地点に到達した時刻より算Fig.5 間隙水圧計設置位置

出を行っている．
キーワード 液状化，再液状化，砂粒子配向性，液状化強度
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Fig 6 振動台加速度計時刻歴(200Gal)

Fig 10 供試体中間部間隙水圧計 (200Gal)

Fig 7 供試体上部加速度計 A1 時刻歴(200Gal)

Fig 11 供試体下部間隙水圧計 (200Gal)
3.2 粒子配向角毎の液状化強度比 RL について
3.1 で得られた加速度及び Nc を用いて粒子配向角毎の液状化強度比 RL の算出を行った．以下に繰返し応力振幅比𝜏/𝜎𝑑 の算出方法及び試験結果を示す．
3.2.1 繰返し応力振幅比𝜏/𝜎𝑑 の算出
以下に，測定されたせん断加速度から繰返し応力幅比を算出する過程を示す．
中間部せん断力𝜏𝑀 は次式で求めた．

Fig 8 供試体中間部加速度計 A2 時刻歴(200Gal)𝜏𝑀 =(𝐴1+𝐴2)2(3.1)

𝜌𝑠𝑎𝑡 𝐻1

下部せん断力𝜏𝐵 は次式で求めた．
𝜏𝐵 =(𝐴1+𝐴2)2

𝜌𝑠𝑎𝑡 𝐻1 +(𝐴2+𝐴3)
2

𝜌𝑠𝑎𝑡 𝐻2(3.2)

中間部有効上載圧 σdM は次式で求めた．
𝜎′𝑑𝑀 = (𝜌𝑠𝑎𝑡 − 𝜌𝑤 )𝑔𝐻1(3.3)

下部有効上載圧 σdB は次式で求めた．
𝜎′𝑑𝐵 = (𝜌𝑠𝑎𝑡 − 𝜌𝑤 )𝑔(𝐻1 + 𝐻2)(3.4)

ここに，Fig 9 供試体下部加速度計 A3 時刻歴(200Gal)

A1：上部せん断加速度(m/s2)

A2：中間部せん断加速度(m/s2)

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A3：下部せん断加速度(m/s2)

ρsat：供試体湿潤密度(kg/m3)

配向 0°の方が強くなる傾向を示した．
3.3 粒子配向角毎の再液状化強度について
3ρw：水の密度(1000kg/m )H1：中間部深さ(m)H2：中間部～下部までの深さ (m)g

状化試験を実施した．Fig.14 に再液状化試験フローを，Fig.15 及び Fig.16 に再液状化試験結果を示す(Dr=30%，2：重力加速度

本研究では，3.2 で示した液状化試験に加えて再液(9.8m/s )200Gal 加振時のみ)．なお，再液状化試験時は加速度※A1～A3 は各振幅の最大加速度の平均値

計の信頼性が得られないといった問題があるため過剰

3.2.2 試験結果

間隙水圧比のみでの強度評価を行っている．

Table 3 に各試験で得られた液状化強度比 RL を，Fig.12，Fig.13 に液状化強度曲線を示す．
Table 3 液状化強度比 RL

供試体作製↓脱気(2h)&通水Dr(%)

0°

45°

90°↓

30%

0.121

0.102

0.082

液状化
↓60%

0.585

0.424

0.404

静置(0.5h)↓再液状化
Fig 14 再液状化試験フローFig 12 模型振動台液状化強度曲線(Dr=30%)
Fig.15 供試体中間部間隙水圧計 (200Gal)

Fig 13 模型振動台液状化強度曲線(Dr=60%)

Fig.16 供試体下部間隙水圧計 (200Gal)

以上の結果より，各相対密度での強度関係はいずれもキーワード 液状化，再液状化，砂粒子配向性，液状化強度連絡先〒940-2188 新潟県長岡市上富岡町 1603-1 長岡技術科学大学 TEL0258-47-9618

以上の結果より，Table 2 で全体的な密度増加が確認されたにも関わらず再液状化強度の大幅な低下が認められ，さらに液状化時のような各粒子配向角での強度関係の差は確認されなかった．
3.4 液状化前後での粒子配向性変化について
本研究では，模型振動台での液状化履歴前後における各供試体の粒子配向性変化を測定した．Fig.17 に測定に用いたマイクロスコープを示す．なお，測定角から算出される代表角φと集中度 V.M の算出方法については次章に示すとおりである．

Fig.18 液状化前粒子配向分布図(Dr=30%)

Fig.19 液状化後粒子配向分布図(Dr=30%)
Fig 17 デジタルマイクロスコープ
3.4.1 代表角φ(°)
代表角とは，供試体内での卓越角度のことである．
本研究では，Curry(1956)5)によって提案された以下の式を基に算出を行っている．
∑𝑛 sin 2𝜃

1

φ＝2 tan−1 (∑𝑛𝑖=1 cos 2𝜃 )

(3.5)

𝑖=1

3.4.1 集中度 V.M(%)
集中度とは，ベクトル集合に対して合成されたベク

Fig.20 液状化前粒子配向分布図(Dr=60%)

トルの大きさ(または長さ)のことを示す．
したがって，V.M の値が大きい場合，各ベクトル成分が同一の方向を向いている可能性が高く，値が小さい場合は各ベクトル成分がランダムで非体系的な分布をしている可能性が高いことを示す．
100V.M＝ 𝑛 √∑𝑛𝑖=1(sin 2𝜃)2 + ∑𝑛𝑖=1(Cos 2𝜃)25)(3.6)

3.4.2 試験結果
Fig.18～Fig.21 に粒子配向分布図，Table 4 に各供試体での代表角φと集中度 V.M の結果を示す．

Fig.21 液状化後粒子配向分布図(Dr=60%)

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Table 4 配向角測定結果
Dr(%)

配向角有0°
無有30%

φ(°)

加振45°
無有90°
無3.5.1 調査区域，調査期間
調査区域は Fig.22 に示すとおり，新潟市中央区一V.M(%)

番堀通町昭和大橋上流側（信濃川本川下流左岸 5.6k付近河川敷）である．調査期間は，令和 4 年 1 月 17 日

試験 189.826.49

試験 2(再現性)

86.1

16.09

試験 1172.916.98

試験 185.4

27.77

試験 2(再現性)

83.1

38.1

試験 147.612.4

試験 188.4

19.54

試験 2(再現性)

89.2

7.13

試験 1

87.0

40.6～令和 4 年 2 月 28 日である．
3.5.2 調査内容
調査内容は，Table 5 と下記に示すとおりである．
1)

機械ボーリング 20m （10m×2 孔）

2)

標準貫入試験 10 回（5 回×2 孔）

3)

乱れの少ない試料採取 10 本（5 本×2 孔）

4)表面波探査 93m （70m×1 測線、23m×1 測線）

5)

室内土質試験用試料作成 1 式
・凍結試料の押し出し観察：10 本・押し出し試料の写真撮影：10 本・凍結供試体の押し抜き：24 供試体（φ50mm）
Table 5 調査内容詳細

試験 1有0°
無有60%

45°
無有90°
無88.4

9.92

試験 2(再現性)

95.4

14.56

試験 1113.6

1.75

試験 180.8

26.3

試験 2(再現性)

86.3

25.9

試験 147.6

12.4

試験 187.719.55

試験 2(再現性)

93.8

14.02

試験 190.233.91

機械ボーリング

掘削孔径φ116mm(ノンコア)

原位置試験

標準貫入試験

試料採取GS サンプリング

足場仮設

平坦地(陸上)

給水仮設(ポンプ運転:20m 以下)

調査孔閉塞(CB グラウト材注入)

3.5.3 採取深度とボーリング調査結果
乱れの少ない試料の採取深度を Fig.23 に，ボーリ液状化前は各配向角付近へ集中的に粒子が分布，代表ング調査から判明した各地層の特徴を地質層序表として簡易的に整理したものを Table 6 に示す．
なお，自然水位は令和 4 年 1 月下旬時点で深度 0.9m

角φも配向角と概ね同値を示した一方，液状化後は全～1.0m（標高+0.3m～+0.4m）である．

体的に液状化前の堆積角から 90°方向への変化が確

Table 6 地質層序表認された(代表角φも同様)．これは液状化履歴が粒子区の堆積角度に対して何らかの影響を及ぼしている可能分性が高く，今後さらなる検討が必要とされる．
3.5 信濃川河川敷のおける液状化層の地盤調査
本調査では，1964 年に発生した新潟地震における液状化被害エリアを対象に地盤調査を実施し，採取試料の粒子配向性の検討を行った．

地層記号N値

色調(平均 N 値)

As1-1
沖積層

土質(深度 3～8m)

As1-2(深度 6m～)

シルト混り細砂

中砂，細砂

3～6(4.9)
13～21(15.8)

暗灰暗灰※平均 N 値は相加平均

キーワード 液状化，再液状化，砂粒子配向性，液状化強度
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Fig 22 調査区域(新潟市中央区一番堀通町昭和大橋上流側)
3.5.4 As1-1 層（砂質土）における地盤概要
1)

完新世沖積層の上部層 A1 に属する氾濫原堆積物の砂質土層，やや粒子均一な細砂より構成

2)

所々で中砂～粗砂を不規則に少量混入する．細粒分を不規則に少量混入し，所々でシルト薄層～ラミナ状で挟在

3)

含水量は多い～中位

4)

N 値は 3～6（平均 N 値＝4.9）を示し，相対密度は緩いと評価される

3.5.5 As1-2 層（砂質土）における地盤概要1)

完新世沖積層の上部層 A1 に属する氾濫原堆積物の砂質土層，やや粒子不均一な細砂より構成

2)

所々で粗砂，及び礫径φ5mm 程の細礫を不規則に少量混入する．細粒分を不規則に少量混入し，所々でシルトを薄層～シーム状で挟在，または塊状で混入する．

3)

含水量はやや多い．

4)

N 値は 13～21（平均 N 値＝15.8）を示し，相対Fig 23 乱れの少ない試料の採取深度密度は中位と評価される．

Table 7 配向性測定試料詳細

3.5.6 採取試料における粒子配向性の測定
本研究では，GS サンプリングにより得られた乱れ試料 No.

採取深度(GL-m)

液状化

φ履歴※(°)の少ない採取試料を用いて 3.4 と同様に粒子配向性の測定を実施した．なお，試料は凍結状態のまま長さ15cm に切り分けたものを使用しており，15cm に満たない端片については，物理試験等に供する予備試料とした．

T1-1(No5)-5.29～-5.14

可能性大91.0

T1-2(No2)-6.55～-6.40

可能性大97.8

T1-4(No2)

-8.71

～

-8.56

可能性低109.9

T1-5(No2)-9.62～-9.47

可能性低57.6

Table 7 に配向性測定試料詳細を，Fig.24～Fig.27に粒子配向分布図を，Fig.28～Fig.31 に試料写真をそれぞれ示す．

※新潟地震(1964 年)での液状化の推定．推定は評価 N 値によるもの

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Fig.24 T1-1(No.5)粒子配向分布図

Fig 28 T1-1(No.5)試料写真

Fig.25 T1-2(No.2)粒子配向分布図

Fig 29 T1-2(No.2) 試料写真

Fig.26 T1-4(No.2)粒子配向分布図

Fig 30 T1-4(No.2) 試料写真

Fig.27 T1-5(No.2)粒子配向分布図

Fig 31 T1-5(No.2) 試料写真

キーワード 液状化，再液状化，砂粒子配向性，液状化強度
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以上の結果より，深度 5.0～8.0(m)試料の配向性においては全体的に粒子配向が 90°方向へ集中する傾向が確認された．一方，深度 8.0～10.0(m)試料の配向性に関しては粒子配向が局所的に集中する傾向は弱く，全体に広く分散する傾向が確認された．今回，各層の測定 N 値から新潟地震時の液状化履歴の有無を推定しているが，Table 7 に示したような液状化履歴の可能性別に試料を評価した場合， 3.4 で示した模型振動台実験での粒子配向性の変化傾向と概ね一致する傾向となっている．
本調査での測定 N 値から液状化有無の断定はできな

Fig.32 T1-1(No.5)試料における液状化痕

いものの，ボーリング調査時に T1-1 試料，T1-2 試料から液状化痕(Fig.32，Fig.33)が確認されており，今回の N 値による区分けは新潟地震時の液状化の有無と概ね一致していると考えられる．したがって，調査結果を総合的に判断すると今回の実地盤試料における配向性の傾向は概ね妥当であると判断できる．
4． まとめ本研究で実施した室内試験及び実地盤調査から得られた結果を以下にまとめる．
Fig.33 T1-2(No.2)試料における液状化痕

4.1 粒子配向角毎の液状化強度比 RL 算出
模型振動台実験での液状化履歴により，配向角 0°，45°，90°のそれぞれで液状化強度比 RL を算出した結果，強度関係は配向角 0°＞45°＞90°となった．
4.2 粒子配向角毎の再液状化強度傾向が確認された．
5． 結論
本研究における結論を以下に記す．
1)

模型振動台実験での再液状化試験により，配向角歴を受けた地盤は全体的に配向性 90°方向への0°，45°，90°のそれぞれで再液状化強度を比較した結果(過剰間隙水圧比の上昇過程)，強度関係は各配向

室内試験結果及び実地盤試料採取から，液状化履堆積が認められる．

2)1)より，液状化履歴を受けた地盤は液状化強度と角でほぼ等しい結果となった．

して脆弱な地盤へと変化するため，密度が増加す

4.3 液状化前後での粒子配向性変化るにも関わらず再液状化の発生が懸念される．

模型振動台実験での粒子配向性測定試験により，液状化によって粒子配向性は 90°方向へ変化する傾向

6． 今後の展望
Fig.34，Fig.35 に既往研究 6)で得られた三軸液状化が確認された．

試験での液状化強度曲線を, Table 8 に Fig.34 におけ4.4 信濃川河川敷のおける液状化層の地盤調査

る液状化強度比 RL を示す．Fig.12，Fig.13 で示した模

新潟地震時の液状化被害エリアである信濃川本川型振動台実験での液状化強度曲線との比較から，各供下流左岸 5.6k 付近河川敷において，液状化履歴の可試体(配向角 0°，45°，90°)での強度関係が逆転し能性が高い層及び可能性が著しく低い層で粒子配向性ていることがわかる．現状，両試験機での結果相違にの比較を実施した結果，液状化履歴の可能性が高い層ついて明確な原因は明らかになっていないものの，こでは配向角 90°方向への集中を確認した．一方，液状れは模型振動台と三軸試験機での繰返しせん断載荷方化の可能性が低い層では全体的に配向が広く分散する法の違いによるものだと推測される．つまり，異方性

キーワード 液状化，再液状化，砂粒子配向性，液状化強度
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を有する供試体の場合は，せん断方向を考慮した液状化試験の実施が重要であることが明らかとなった．

～参考文献～
1)

Yasuda,S.andTohno,I.:ssites of reliquefaction
caused by the 1983Nihonkai-Chubu earthquake,
Soils and Foundations, Vol.28, No.2, pp.61-72,

1998.
2)

地盤工学会：2003 年三陸南地震・宮城県北部地
震災害報告書，2003．

3)

若松加寿江：2009 年までの最新データによる再液状化地点および液状化発生の限界震央距離の検討，第 46 回地盤工学発表会，pp．1721-1722，
2011．

4)
6)

Fig.34 三軸試験 での液状化強度曲線(Dr=30%)

Finn, W. D. L.,Bransby P. L. and Pickering D.
J.：Effcts of strain histryon liquefaction ofsand,J.SoilMech.Found.Div.,ASCE,Vol.96,No.6,pp. 1917-1934,1970.

5)

Curry.J.R The Analisis of Two-Dimensional
Orientation Data, The Journal of Geology,
Volume64, Number 2, 1956.

6)

藤原涼：三軸試験を用いた液状化による砂粒子配向性の変化，令和 4 年度長岡技術科学大学大学院
工学研究科修士論文，2022，

Fig.35 三軸試験 6)での液状化強度曲線(Dr=60%)
Table 8 液状化強度比 RL
Dr(%)

0°

45°

90°

30%

0.111

0.133

0.156

60%

0.187

0.204

0.241

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