土木学会第69回年次学術講演会(平成26年9月)

Ⅲ‑052

矢板式岸壁の控え組杭の弾塑性解析による耐震性検討（一社）鋼管杭・鋼矢板技術協会 正会員 ○乙志和孝，辻本和仁，塩崎禎郎
正会員

相和明男，大槻 貢，武野正和

１．はじめに港湾分野における岸壁構造の一つとして，控え工に組杭を用いる矢板式岸壁が広く適用されてきた。東北地方太平洋沖地震(2011)以降，巨大地震・津波に対する構造の「ねばり強さ」が求められており，著者らは鋼材の靭性を活用した合理的な設計手法の研究に取り組んでいる。ここでは，矢板式岸壁の控え組杭構造に着目し，現行設計手法で決定された断面に想定以上の地震力が作用した際にどのような挙動を示すかを把握するため，非線形性を考慮した骨組解析ﾓﾃﾞﾙを考案し各種設定ﾊﾟﾗﾒｰﾀについての感度解析を実施した。
２．解析条件
骨組解析は，鋼材および地盤の非線形性を考慮できる杭基礎の弾塑性解析ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ NPILAN-SN を用いた。対象
構造は，ﾀｲ材に生じる張力を杭の曲げ抵抗も考慮して杭の軸方向力も検討する控え組杭式矢板護岸とした(図 1)。
解析ﾓﾃﾞﾙを図 2 に示す。
本構造は，水深-11m 岸壁で図 2 に示す地盤条件で，ﾚﾍﾞﾙ 1 地震動(耐震性能照査用震度 0.15)に対して設計されたものである。解析は，組杭を鋼材の降伏応力(SKK400:235N/mm2)を上限値としたﾊﾞｲ･ﾘﾆｱ型の梁要素でﾓﾃﾞﾙ化し，水平抵抗については受働土圧を上限値としたﾊﾞｲ･ﾘﾆｱ型の地盤ﾊﾞﾈで表現した。基本ｹｰｽの設定には，以下に示す標準的な設計値とした。地盤特性を勘案して，水平地盤反力係数 kh=1500･N(kN/m3, N:N 値)として初期剛性を設定した。また，組杭の斜角 ψ=20°を考慮して，押込t=11mm

み杭･引抜き杭の水平方向地盤反力係数値をそれぞれ 0.5 倍，1.73 倍し補正した。周面摩擦ﾊﾞﾈは，最大周面摩擦力 fmax=2･N･As(As:杭周面積)を上限とし勾配変化点をすべり変位

図 1 控え組杭式矢板護岸

δf=10mm としたﾊﾞｲ･ﾘﾆｱ型でﾓﾃﾞﾙ化した。杭先端ﾊﾞﾈは，先上部工自重 杭頭ヒンジ
地表面（上載荷重）

端支持力 Qmax=300･N･Ap(Ap:杭先端断面積)を上限とし勾配変化点を+4m

N=8，φ=32度
湿潤密度1.8t/m3

水平荷重

先端鉛直変位 δq=0.1･D(D:杭径)としたﾊﾞｲ･ﾘﾆｱ型でﾓﾃﾞﾙ化した。外力

N=8，φ=32度
湿潤密度2.0t/m3

条件については，設計時荷重（鉛直力 V=558kN, 水平力 H=1232kN）を組杭頭部に作用させることとし，鉛直力 V を一定として水平力 Hを次第に大きくするﾌﾟｯｼｭｵｰﾊﾞｰ解析を実施した。また，非線形性を考

+0.6m

-11m
水平方向
地盤ﾊﾞﾈ

N=11，φ=31度
湿潤密度2.0t/m3

慮した各種ﾊﾞﾈ等の設定が構造の挙動に与える影響を検証するためﾊﾟﾗﾒﾄﾘｯｸｽﾀﾃﾞｨによる感度分析を行った。
検討ｹｰｽ一覧を表 1 に記載する。

-22.37m３．解析結果（基本ケース）

周面摩擦
ﾊﾞﾈ

-21.5m

N=25，φ=33度
湿潤密度2.0t/m3

杭先端地盤ﾊﾞﾈ

基本ｹｰｽ(Case1)における荷重－変位関係を図 3 に示す。設計荷重時-32.26m(H=1232kN)には，構造としての挙動は弾性範囲に収まっており，杭の最大発生応力は降伏応力値以下であることを確認した。
その後荷重

図 2 解析ﾓﾃﾞﾙを漸増させると，設計荷重(H)の約 2 倍付近で構造降伏が始まり，

表 1 解析ｹｰｽ(解析条件)約 2.5 倍付近で解析が発散した。杭に作用する軸力など精査すると，周面摩擦が上限に達して引抜き限界を超えたことで構造が不安定になったことが確認された。押込み杭の軸力についても計算上の最大耐力近くに達しており，押込み･引抜き杭の設計上のﾊﾞﾗﾝｽは

Case1
Case2
Case3
Case4
Case5

水平地盤
杭先端
反力係数kh地盤ﾊﾞﾈ
1500N
Qmax=300NA p, δ q=0.1D
1500N
固定1500N×2
固定1500N
Qmax=300NA p, δ q=10mm
1500N
Qmax=300NA p, δ q=0.1D

Key Words； 組杭，矢板式岸壁，耐震，港湾，骨組解析
連絡先；〒103-0025 東京都中央区日本橋茅場町 3-2-10 Tel: 03-3669-2437 Fax: 03-3669-1685

‑103‑

杭周面
摩擦ﾊﾞﾈ
f max=2N, δ f=10mm
f max=2N, δ f=10mm
f max=2N, δ f=10mm
f max=2N, δ f=10mm
f max=2N, δ f=20mm

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Ⅲ‑0523500

良好であると考えられる。押込み･引抜き杭それぞれに降伏や塑性構造が直ぐに崩壊することなく更なる荷重負担が可能であること
は，三角ﾄﾗｽ形状の本構造が持つ「ねばり強さ」を表していると考

載荷荷重 (kN)ﾋﾝｼﾞが発生し（図 3, Pt.1～4），両杭に 2 点ﾋﾝｼﾞが生じた際にも組杭

押込み杭塑性ﾋﾝｼﾞ発生
Pt3
Pt4
Pt2
引抜き杭塑性ﾋﾝｼﾞ発生

3000
25002000

Pt1

押込み杭降伏15001000

えられる。終局状態における杭の状態は，杭頭下 1～4m 付近で塑500性化に至っていることが確認された。杭に生じる応力に着目する

0

設計荷重
引抜き杭降伏050と，表 2 に示すように設計荷重時には曲げ応力による成分比率が100
水平変位 (mm)150

図 3 組杭の荷重－変位曲線(Case1)大きかったが，終局荷重時には同位置(杭頭より押込み杭:2.4m, 引表 2 杭に生じる応力成分(基本ｹｰｽ)

抜き杭:2.1m)での軸応力による成分比率が大きくなっていた。

設計荷重時

４．解析結果（パラメトリックスタディ）

押込杭軸応力
曲げ応力
軸応力
曲げ応力軸応力曲げ応力軸応力
曲げ応力

引抜杭

基本ｹｰｽに対して，解析ﾓﾃﾞﾙの差異が結果に与える影響について感終局
荷重時度解析を行った。Case2 は杭下端の境界条件を水平ﾛｰﾗｰとしたもの，

押込杭引抜杭

Case3 は Case2 の水平地盤ﾊﾞﾈ値を 2 倍としたもの，Case4 は Case1 の66.2
74.6
26.5142.5
165.2
150.8
99.6259.8

杭先端ﾊﾞﾈの勾配変化点を鉛直変位 δq=10mm としたもの，Case5 は大軸耐力を超えたことで構造が不安定となった。
荷重の漸増により押込み･引抜き杭それぞれに塑性ﾋﾝｼﾞが生じたことで(荷重 H=2800kN

200015001000

設計荷重500050100
水平変位 (mm)150

図 4 組杭の荷重－変位曲線(全ｹｰｽ)となっており，組杭の水平変位が 10%程度抑制される結果であった。

35003000

また，周面摩擦ﾊﾞﾈの剛性が Case1 に比べて 1/2 程度とした Case5 で載荷荷重 (kN)

2500
2000
1500
1000

設計荷重

Case1
Case1aCase1b100
水平変位 (mm)150500高いことを確認した。

Case1
Case2
Case3
Case4
Case50結果であった。Case4 では Case1 に比べて杭先端ﾊﾞﾈ剛性が 6 倍程度比率の変動が見られ，周面摩擦ﾊﾞﾈが構造挙動に及ぼす影響が比較的0.72

2500はなかった。Case3 では Case1 に比べて 30%程度の変位が抑制されるを表 3 に示す。Case1, 4, 5 の比較より，境界条件の差異により軸応力0.483000時)荷重－変位曲線の勾配が変化したが，構造が直ぐに崩壊することは，組杭の水平変位が 20%程度増加する結果であった。一連の結果

0.84

3500

載荷荷重 (kN)

約 3 倍付近で解析が発散した。Case1 とは異なり，押込み側の杭が最0.53(単位: N/mm2)

Case1 の周面摩擦ﾊﾞﾈの勾配変化点を δf=20mm としたものである。それぞれの荷重－変位曲線を図 4 に示す。Case2 では，設計荷重(H)の(曲げ応力比)00

Case1 を基本として，杭の斜角 ψ に依存する水平方向地盤ﾊﾞﾈの補正係数が荷重－変位曲線に与える影響を検証した（図 5）。Case1a は50

図 5 組杭の荷重－変位曲線(全ｹｰｽ)補正係数なし，Case1b は杭頭から 1/β(β:地盤の特性値)まで補正係数

表 3 解析結果一覧を考慮したものである。設計荷重時(H=1232kN)付近では補正値有無による差異はほとんど見られなかったが，荷重を漸増させると変曲点Case1付近で差異が見られた。
水平挙動は杭頭付近が支配的なため Csse1, 1b

Case2の差異は微小であった。

Case3５．まとめ控え組杭式矢板岸壁を対象に，非線形性を考慮した骨組解析を用いて設計境界条件の感度解析を実施した。
組杭に降伏や塑性ﾋﾝｼﾞが生じ

Case4
Case5

杭頭変位
杭発生応力 杭軸応力比(水平/鉛直) (押込/引抜) (σN /σM+σN )(H)26.6mm
140.80.47(V) 4.8mm
169.00.16(H)20.1mm
143.00.59(V) 2.2mm
142.10.26(H)15.8mm
133.10.52(V) 2.0mm
144.40.19(H)23.7mm
142.80.52(V) 2.9mm
155.40.20(H)31.2mm
142.40.39(V) 5.7mm
187.10.11

引抜き時に構造が不安定化しても直ぐには崩壊しない結果であった。 *杭軸応力比は，杭に生じる応力に占める軸応力の比率を示す
また，各種条件の差異が組杭の荷重－変位曲線に与える影響を確認した。今後は，過去の被災事例を基に本手法を用いた再現解析を行う予定である。

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