ＩＳＳＮ１３４６－７８３２

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所

港湾空港技術研究所
報告
REPORT OF
THE PORT AND AIRPORT RESEARCHINSTITUTE

VOL.59No.3 Dec

2020

NAGASE,YOKOSUKA,JAPANNATIONAL INSTITUTE OF MARITIME,PORT AND AVIATION TECHNOLOGY

総
1.

目

次

地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究工代 健太・佐々 真志・梁 順普・高田 康平・鈴木 高二朗………………………………………… 1

2.

干潟及び砂浜における沿岸底生生態-地盤環境動態の統合評価予測技術の開発と適用
梁 順普・佐々 真志・工代 健太・高田 康平……………………………………………………………21

港湾空港技術研究所報告第 59 巻第 3 号(2020.12)

地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究

工代

健太*・佐々

真志**・梁順普***・高田要

康平****・鈴木高二朗*****

旨

港湾施設における吸い出し抑止対策に資することを目的に，様々な地盤及び水理外力下における吸い出し・空洞形成・陥没の一連の進行過程について実大スケールの大型吸い出し可視化実験により検討した．粒径が細かくサクションが相対的に高い地盤では幅広の空洞が形成され，陥没範囲が広くなるなど，裏埋砂の粒度によって異なるサクションの高さが空洞の形状及び陥没の範囲に影響することを示した．また，水位変動の繰り返し作用による吸い出しの進行過程に水理外力の作用方向が大きく影響することを示した．さらに，水位上昇に伴う地盤内のサクションの低下が空洞の陥没において本質的な役割を果たしていることを明らかにした．
吸い出しによる空洞陥没を地表面の変位観測により予知する手法の検討を目的に，地盤内の空洞の位置及び規模と地表面変位の大きさ及び範囲の関係性を明らかにした．すなわち，サクションが異なる裏埋砂ごとに，空洞の最大幅と深さの比（B/L）と地表面変位の最大値（d max）の間には，地盤高や水位変動幅によらず密接な相関関係があることを示した．
二層構造のフィルター材による吸い出し抑止法についての系統的な検討を行い，一連の要素試験と大型可視化実験の結果を基にフィルター材の適切な粒度条件について明らかにした．具体的には，均等係数が 3.0 以上のフィルター材を中央粒径比（フィルター材の中央粒径 DF50 / 砂の中央粒径
DS50）20 以下で設置した場合，裏埋砂の粒度に拘わらず吸い出しを十分に抑止しうることを示した．
また本研究結果に基づき，吸い出し抑止のためのフィルター材の設計指針を提示した．
キーワード：吸い出し，空洞，陥没，サクション，フィルター材，均等係数* 地盤研究領域・動土質研究グループ・研究官** 地盤研究領域・動土質研究グループ長*** 地盤研究領域・動土質研究グループ・専任研究員**** 地盤研究領域・動土質研究グループ・研究員***** 海洋研究領域・耐波研究グループ長〒239-0826 神奈川県横須賀市長瀬3-1-1
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 港湾空港技術研究所
電話：046-844-5054
Fax：046-844-4577
E-mail：kudai-ke@p.mpat.go.jp-1-

REPORT OF THE PORT AND
AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Vol.59, No.3 (Dec.2020)

Processes of internal erosion, cavity formation and collapse under various soil andhydraulic conditions with their countermeasure using geotechnical filter

Kenta KUDAI*
Shinji SASSA**
Soonbo YANG ***Kouhei TAKADA****
Kojiro SUZUKI*****
Synopsis
A series of processes of internal erosion, cavity formation and its collapse was investigated undervarious soil and hydraulic conditions by prototype-scale experiments. It was clarified that theformation of the cavity, the timing and the scale of its collapse are influenced by a height of suction
varying with particle size distribution of sand. For instance, the scale of cavity collapse tended to belarge if suction was relatively high. The type of hydraulic force was also shown to affect theprocess of internal erosion. The cavity collapse was found to be caused by decrease in suction inassociation with water level rise.
The relationship between dimensions of the cavity and ground surface displacement was alsostudied based on the experimental results to gain fundamental knowledge for the prediction ofcavity growth and collapse. The results demonstrate that the maximum ground surface displacement(d max) is correlated with a ratio of cavity width (B) to its depth (L) regardless of the ground height
and water level fluctuation range. The correlation equation between B/L and d max was obtained foreach sand with different suction.
This research systematically studied two-layer filter as a countermeasure against the internal
erosion. Appropriate particle size distribution of the geotechnical filter was obtained based on the
results of a series of element tests and the prototype-scale experiments. Namely, it was found thatthe geotechnical filter keeps sufficient deterrent effect irrespective of particle size distribution ofsand if the uniformity coefficient of the geotechnical filter is larger than or equal to 3.0 and the
medium particle diameter ratio (Medium particle size (Filter)/ Medium particle size (Sand)) is lessthan or equal to 20. Based on the experimental results, this report shows a criterion for the design ofthe geotechnical filter for the prevention of internal erosion, cavity formation and collapse.
Key Words: internal erosion, cavity, collapse, suction, geotechnical filter, uniformity coefficient* Researcher, Soil Dynamics Group, Geotechnical Engineering Department** Head of Soil Dynamics Group, Geotechnical Engineering Department*** Researcher, Soil Dynamics Group, Geotechnical Engineering Department**** Researcher, Soil Dynamics Group, Geotechnical Engineering Department***** Head of Maritime Structures Group, Coastal and Ocean Engineering Department
3-1-1, Nagase, Yokosuka, Kanagawa 239-0826, Japan Port and Airport Research Institute
Phone: +81-46-844-5054
Fax: +81-46-844-4577
E-mail: kudai-ke@p.mpat.go.jp

-2-

目

要

次

旨 ···············································································

1

1. 序論 ·················································································

4

2. 大型吸い出し可視化試験装置の概要 ··················································· 5
2.1 装置の諸元 ········································································ 5
2.2 3種類の水理外力の再現方法 ·························································· 6
3. 地盤特性が空洞形成・陥没機序へ及ぼす影響··········································

6

3.1 実験概要 ··········································································· 6
3.2 実験結果及び考察 ··································································· 7
4. 水理外力特性が空洞形成・陥没機序へ及ぼす影響········································ 8

4.1 実験概要 ··········································································· 8
4.2 実験結果及び考察 ··································································· 8
5. 地表面変位と空洞形成陥没過程の関係性 ··············································· 10
5.1 実験概要と方法 ···································································· 10
5.2 実験結果及び考察 ·································································· 10
6. フィルター材による吸い出し抑止法 ···················································

12

6.1 二層構造のフィルター層による吸い出し抑止法の概念 ··································· 12
6.2 フィルター材の吸い出し抑止効果に関する系統的な要素試験 ····························· 13
6.3 水理外力下におけるフィルター材の吸い出し抑止効果に関する検証実験 ··················· 16
6.4 二層構造のフィルター層の設計指針 ··················································· 17
7. 結論 ················································································ 17
あとがき ················································································ 18
謝辞 ··················································································· 18
参考文献 ··············································································· 18

-3-

工代

健太・佐々

真志・梁

順普・高田

康平・鈴木

高二朗

ひずみの範囲の広さや大きさから空洞の発達状況を把握

1. 序論

することができれば，陥没の発生個所や規模を予知し，吸護岸や岸壁などの港湾施設において，水理外力の継続的

い出し災害を事前に防ぐことが可能になると考えられる．

な作用により，防砂シートや防砂板の損傷などによる防砂以上を踏まえ同実験結果を基に地表面のひずみの範囲や機能の消失によって裏埋砂が吸い出され，地盤内で発達し大きさと地盤内の空洞の位置や深さの関係性について検た空洞が陥没する水地盤災害（以下吸い出し災害）が頻繁討した．

に発生し，全国的な問題となっている．兵庫県明石市の大裏込石と裏埋砂の間に中間的な粒度を有するフィルタ

蔵海岸で 2001 年に発生した同災害の調査では陥没に至るー材を設置することで，フィルター材の目詰まり効果によ

空洞の形成には地盤内のサクションの発達が関係していり吸い出しを抑止する手法がある 9) 10) 11) 12)．吸い出し抑止ることが示されている 1)2)．また，サクションが地盤の力のためのフィルター材は①裏埋砂の目詰まり機能，②捨石

学的挙動に影響を及ぼすことが既往研究 3)により示されに対する安定性，③防砂シートの損傷リスクの低減の 3 つている．サクションの高さは砂の粒度に依存する 4)ことかの機能を満たす必要がある 9)10)．この際，二層構造のフィ

ら，地盤条件が吸い出しの進行過程に影響することが考えルター層が有効であることの知見が既往研究により得らられる．一方で水理外力特性が吸い出し災害への影響を検れている 9) 10) 11) 12)．また近年，波・流れなどの水の外力作討した既往研究には以下のものがある．例えば高橋ら 5)は用による吸い出しのみならず，地震作用による吸い出し・波が繰り返し作用するケーソン護岸を模した水理模型実

陥没発生の重要性が報告されている 9)．本報告では，港湾験を行い，吸い出し災害の一連の過程を再現し，越波等に施設の吸い出し対策として，臨海部で想定される多様な動よる裏埋砂の冠水や波圧変動による裏埋砂のボイリング
及び Hur

的外力下で吸い出し・空洞・陥没の発生を抑止しうるフィルター材の設計指針を提示する．

ら 8)は護岸の水理模型実験により，吸い出しの程度と地盤吸い出し抑止のフィルターの適切な粒度については，主に作用する波動特性の関係性を分析し，アーセル数や波形にダム，グラベルドレーンなどの分野で古くから研究がな

勾配が大きいほど，吸い出しが生じやすいことを示した．

され，数々の国際基準が検討されてきた 13)14)15) 16) 17) 18)．ま以上のように地盤内に作用する水理外力の違いが吸い出た，フィルター材は海底地盤の洗堀抑止のためにも用いら

し災害の進行過程に影響を及ぼすことを示唆する知見がれ，これらの基準が適用されてきた．しかし，裏埋砂の吸示されている．しかし，地盤及び水理外力条件が吸い出し・

い出し抑止のための粒度基準については未だ十分な検討

空洞形成・陥没の一連の過程に及ぼす影響については十分がなされていない．ダムの吸い出しが堤内外の水頭差によな検討がなされていない．

る浸透流に起因するのに対し，港湾施設の裏埋砂の吸い出が吸い出しを促進することを示した．中村ら 6) 7)

上述を背景として, 本研究では大蔵海岸の陥没事故のしは潮汐や波による周期や作用方向が異なる様々な水理

ような舗装のない水地盤災害としての空洞形成・陥没を対外力によって生じる．また，港湾施設には地震動や交通荷象とし，大型吸い出し可視化実験によりその一連の過程を重も作用する．したがって，裏埋砂の吸い出し抑止のため

実物大スケールで再現した．そして，地盤及び水理外力条のフィルター材は多様な動的外力下で目詰まり効果を発件と吸い出し災害の進行機序の関係性について検討した．

揮する必要がある．そこで本研究では二層構造のフィルタ

地盤条件の影響については，粒度が異なる海砂を用いた実ー層について吸い出し抑止に十分な目詰まり効果を発揮

験結果より空洞の形状や陥没のタイミング・範囲を比較すするフィルター材の粒度条件を系統的に検討するため，フることで検討した．水理外力の影響については，特に港湾

ィルター材および裏埋砂の均等係数や中央粒径比を変化の地盤に波や潮汐変動により作用方向が異なる水理外力させた要素試験を行った．さらに大型吸い出し可視化実験が繰り返し作用していることに着目し，一次元的な水位変を行い，要素試験の結果に基づく粒度条件を満たすフィル

動と一方向から一定の周期で入射する波の 2 種類の水理

ター材の吸い出し抑止効果について，高波浪時を想定した

外力下で実験を行った．そして空洞の形状の変化や画像解

水位変動を含む 3 種類の水理外力下において検証した．

析により可視化した砂粒子の動き，さらには地盤内の間隙

本報告の次章以降の章構成について説明する．2 章では水圧やサクションの経時的な変動を比較し，水理外力特性

大型吸い出し可視化試験装置の概要について説明する．3の違いが吸い出しの進行過程や陥没のタイミングに及ぼ章及び 4 章ではそれぞれ地盤条件と水理外力条件が吸いす影響について考察した．

出し・空洞形成・陥没過程に及ぼす影響を実験的に検討す地盤内で空洞が発達すると陥没の予兆として地表面にる．5 章では地表面変位と空洞のスケールとの関係性につひずみが生じることが考えられる．地表面変位観測により，いて説明する．6 章では二層構造のフィルター材による吸-4-地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究

い出し抑止法の実用性に関する体系的な検討を通じて，ある．高さ 80cm の位置に設けられた架台の上側に土層をその設計指針を提示する．7 章に結論を記す．

作成する．架台の中央部には幅 8cm まで開閉可能なスリット（以下吸い出し口）を設けており，任意の幅で吸い出2. 大型吸い出し可視化試験装置の概要

しを発生させることが可能である．架台の下側は吸い出された裏埋砂を貯める部分（以下，下側水槽）である．また，

2.1 装置の諸元

土層の左右両側には地盤内の水位を調節するための水槽図-2.1 に示す大型吸い出し可視化試験装置 15)を用いた．

（以下側面水槽）が設けられている．装置本体の左右に設装置の大きさは，高さ 280cm，幅 350cm，奥行き 40cm で置した昇降装置の水槽はそれぞれパイプ 1，パイプ 2 によ

350cm
25cm

昇降機

280cm

25cm

レーザー変位計 54台

側面水槽

80cm

吸い出し口

上面

越流

10cm

20cm

40cm

ラインA
ラインB
前面

前面
300cm
Ⅰ
Level A
1

4

1

60cm
2

5

4

20cm 20cm15cm 45cm
118cm

40cm
間隙水圧計
土圧計
サクション計

吸い出し口

5

3
6

3

280cm

60cm

60cm
118cm

裏埋砂

昇降機
昇降機

100cm

50cm

Level D 2

100cm

40cm

パイプ 1
パイプ2

3

10cm

1

2

30cm 30cm

80cm
50cm

側面 Level C
水槽

100cm

Level BⅡ
30cm 30cm

昇降機

6

-5-

7

10cm

フィルター層
上層
下層

図-2.1 大型吸い出し可視化試験装置の写真及び概略
図

側面
水槽

パイプ1
パイプ 2

工代

健太・佐々

真志・梁

順普・高田

康平・鈴木

高二朗

り装置本体の側面水槽と下側水槽に接続されおり，昇降装に地盤中の横断方向に 5 点配置した．また，側面水槽の水置の動作により大型吸い出し可視化試験装置内の水位変位変動を記録するため，左右の側面水槽の底部に 1 点ず

動をコントロールする仕組みになっている．昇降装置内のつ間隙水圧計を設置した．土圧計は空洞が発達する吸い出

水槽の水位は水タンクからポンプで汲み上げた水を絶えし口近傍の地盤の土圧変化を捉えるため，吸い出し口の直ず越流させることで一定に保っている．パイプ 1，パイプ上を中心に横断方向に 3 点配置した．空洞近傍のサクシ

2 はバルブにより開閉が選択できるようになっており，水ョンの分布を左右両側から計測することができるように，

理外力の大きさや作用方向を変化させることができる．土

吸い出し口から左右 1m 離れた位置にサクション計を高

槽前面はガラス製となっているため，様々な水理外力下にさ 30cm ごとに設置した．

おいて吸い出しに伴う地盤内の空洞の発達・陥没の進行過程を観察することができる．

2.2 3 種類の水理外力の再現方法

地盤上面には計 54 台のレーザー変位計（キーエンス製，

図-2.2 に示す 3 種類の外力を大型吸い出し可視化試験

型番 IL-600，分解能 0.05mm）を奥行方向に 2 列，横方向

装置により再現した．各外力の概要と再現方法についてこに 10cm ごとに設置しており，空洞形成に伴う地表面変位の図を用いて説明する．外力 1 は潮汐波や周期が数分か分布を多点同時観測することが可能である．レーザー変位

ら数十分の長周期波または津波などによる水平方向に一計の適正距離が 20cm から 1m であることを考慮し，変位定の一次元的な水位変動である．装置に接続するパイプを計の鉛直方向の位置を地表面から 20cm 上側とした．
また，すべて開いた状態で左右の昇降機を同じ速度で上下させ，間隙水圧やサクションなど吸い出し災害に関係する各物

地盤内の水位を一次元的に変動させた．外力 2 は風波や理量の空間的な分布を経時的に観測するため，図-2.1 にうねり及び周期が数十秒の長周期波の入射波を再現した

示す位置に各計測器を設置した．間隙水圧計は地盤内の水ものである.給水及び排水用の2台のラインポンプにより,位変動の空間的な分布を詳細に捉えることができるよう

左側側面水槽の水位を一定の周期で規則的に変動させた．
外力 3 は急激な引き波による水位低下を再現したもので

外力1
ポンプ

ポンプ

貯水タンク

ある．再現方法は以下のとおりである．まず，地盤下端より 1 m上に水位を保った状態で全てのパイプを閉じた．
給水

排水

排水

給水

次に昇降機内の水位を地盤下端から10 cmの位置まで下げて土層と昇降機の水槽との初期水頭差を90 cmに保った．

最高水位
昇降機

この状態ですべてのパイプを開き，土層内の水をパイプ 1

昇降機

及びパイプ 2 を通じて自然流下させた．

開

最低水位

開

吸い出し口
バルブ 開

外力2

開

3. 地盤特性が空洞形成・陥没機序へ及ぼす影響

貯水タンク
給水

水位計

3.1 実験概要
ポンプ

2 章で説明した大型吸い出し可視化試験装置よりも簡
最高水位

易的な実験装置（土層の寸法：高さ 100 cm，幅 400 cm，

ポンプ
排水

奥行き 30 cm ）用いて，地盤条件の違いによる空洞形成・

バルブ
開
昇降機

最低水位

陥没過程への影響について検討した．表-3.1 に実験ケースを示す．実験用砂には粒径の異なる 2 種類の海砂を用

吸い出し口
閉

外力3

いた．図-3.1 に海砂の粒径加積曲線と物性を示す．前島

貯水タンク

産海砂は糸満産海砂と比較して粒径及び均等係数が大き
排水排水いことが分かる．外力は両ケースとも一次元的な水位変動
最高水位表-3.1 裏埋砂を変化させた大型吸い出し可視化
実験概要

昇降機

バルブ
開

バルブ
開
昇降機

最低水位

水理外力条件
ケース 外力の種類

吸い出し口

図-2.2 3 種類の水位外力の再現方法についての概略図

昇降機の速度 (cm/min)

砂

地盤高 (m)Case3-1

外力1

90 (Level A)*

5

前島産海砂

1.0

Case3-2

外力1

90 (Level A)

5

糸満産海砂

1.0

*( ) : 最高水位 図-2.1参照

-6-

地盤条件

振幅(cm)

地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究（外力 1）を負荷した．昇降機の速度は 5cm/min に設定し3.2 実験結果及び考察

た．砂地盤は高さが 1m となるように水中落下法で作成し図-3.3 に空洞の初期形成完了時（水位上昇前）と陥没

た．初期水位を地盤下端より 20 cm 上方に調整した後，後の地盤前面の写真を示す．また空洞の初期形成完了時の地盤内に配置されたサクション計の値が一定になったこ

写真には地盤側面からの撮影画像を元に，DIC (Digitalとを確認した．図-3.2 に初期のサクションの分布図を示

Image Correlation)による解析で得た地盤変位量もベクト

す．2 種類の砂でサクション分布が大きく異なることが分ルにより表記している．初期形成完了時の写真の比較から

かる．地下水位からの距離が大きいほど，サクションの値

サクションが低い前島産海砂では，空洞の最大幅が約の差が広がり，地下水位から 70cm 上方では前島産海砂で0.5m と比較的狭いのに対し，サクションが高い糸満産海は約 1.7 kPa，糸満産海砂ではほぼ倍の約 3.5 kPa であるこ

砂では幅の広い空洞が形成されていることが分かる．地盤とが分かる．次に地盤下端中央に位置する幅 5 cm のスリの最大変位量は糸満産が 0.8mm であるのに対し，前島産ットを開放することで吸い出しを発生させた．吸い出しがでは約 5mm となっており，サクションが相対的に小さい

一旦終息し，空洞の初期形成が完了したことを確認後，地砂の方で大きい地盤変位量が観測された．その一方で，幅100
90 ●糸満産海砂80 D50:0.220mm
70 Uc:1.963
60
50
40
30
20
10
0
0.01

100

地盤下端からの高さ（cm）

通過質量百分率（%）

表面が陥没するまで水位変動を負荷した．

●前島産海砂D50:0.628mm
Uc:2.963

D50：中央粒径 Uc：均等係数

0.1

1

90
80
70
60
50

40
30
20

初期水位

10

10

Case3-10.0

図-3.1 海砂の粒径加積曲線及び物性

Case3-1サクション小（図-3.2参照）

Case3-20

粒径（mm）

0.5

1.0

1.5

2.0
2.5
サクション（kPa）

3.0

図-3.2 初期のサクションの分布図
Case3-2サクション大（図-3.2参照）■水位上昇前■水位上昇前変位(mm)
5.0

変位(mm)
1.0

4.0

0.8

3.0

0.6

2.0

0.4

1.0

0.2

0.0

0.0

■陥没後

■陥没後

図-3.3 サクションと空洞形成・陥没過程の関係性を示す実験結果
-7-

3.5

4.0

工代 健太・佐々 真志・梁 順普・高田 康平・鈴木 高二朗の広い空洞が形成されている糸満産海砂の方が変位の見行過程の関係性について検討した．

られる範囲が広いことが分かる．以上からサクションの高さが空洞の形状や空洞近傍の地盤の挙動に影響を及ぼす

4.2 実験結果及び考察

ことが明らかになった．次に水位変動時における地盤の挙図-4.1 に各位置の間隙水圧，土圧及びサクションの実験

動を比較すると，前島産海砂では水位上昇開始直後に陥没開始からの経時的変化を示している．Case4-1，Case4-2 でが見られたのに対し，糸満産海砂では水位上昇とともに空それぞれ 7～8kPa，2～3kPa 程度の間隙水圧の周期的な変洞の幅が約 1.5m 程度まで広がり，水位上昇開始の約 10 分

動幅が見られる．図-4.2 に時刻ごとの空洞の写真と DIC

後に比較的広範囲で空洞の陥没が発生した．サクションはにより求めた土粒子の速度ベクトルの分布図を示す．各時空洞の保持力として作用し，サクションが高い地盤では空点の写真から水理外力の繰り返し作用に伴い，吸い出しに洞がある程度発達した段階で陥没が発生するため，陥没により空洞が発達し，陥没に至る過程が再現できていること至るまでの時間が長い一方で陥没の規模が比較的大きいが分かる．図-4.2 の外力 1 の 240 秒後と 320 秒後の速度ことが示された．以上から地盤内に働くサクションが一定

ベクトルの向きから，水平方向に一律な水位変動では水位の水理外力下における陥没のタイミングと規模にも大きく影響することを明らかにした．
土圧計（kPa） 間隙水圧（kPa）

Case4-1

4. 水理外力特性が空洞形成・陥没機序へ及ぼす影響4.1 実験概要
繰り返し作用する図-2.2 に示す水理外力特性の違いが吸い出しの進行過程に及ぼす影響ついて検討するため，各種水理外力の下で吸い出し可視化実験を行った．実験ケースを表-4.1 に示す．空洞の発達過程を長時間にわたって

10

0
-5
5

海砂を用いた．土層は高さが 1m となるように水中落下法により作成した．本実験では 2 章で説明した 3 種類の水

間隙水圧（kPa）

地盤下端から 1m とした．また，水理外力の繰り返し作用
による空洞の拡大を再現するため，外力 1 では昇降機の速度を前章の実験より速い約 80cm/min に設定した．初期

0-5を負荷した．地盤前面の空洞の形状，DIC (Digital Image
Correlation)による解析で得られた土粒子の動き，各計測器

表-4.1 水理外力を変化させた大型吸い出し可視化実験

外力2

0
0

90 (Level A)

―

前島産海砂

1.0

40

前島産海砂

1.0

400

600

サクション低下時に陥没発生

1

2

3

3

陥没時点

4

0
-5
5

0

300

600

900

1200

1500

2

3

1200

1500

1200

1500

2

3

時間（S）

1

0
0
-5

300

空洞が波の
入射方向に拡大

600

900

時間（S）

0
0
-5

300

600

900

サクション低下時
に陥没発生

1
時間（S）

図-4.1 間隙水圧・土圧・サクションの計測結果

地盤条件

―

200

-5

-10

概要

600

5

サクション計（kPa）

を踏まえ，各外力の作用と吸い出し・空洞形成・陥没の進Case4-2

400

時間（S）

-10
5

で測定した間隙水圧，土圧及びサクションの経時的な変動

地盤高 (m)

空洞内の 200
水位変動による水圧の変化

510

土圧計（kPa）

3cm 分開き，空洞の初期形成が完了した時点で各水理外力

砂

1
2
3

時間（S）

水位を土層下部から 0.1m に設定し，地盤中にサクションが働く状態を再現した．実験開始とともに吸い出し口を幅600

土の崩落による土圧変動

Case4-2は表-4.1 に示すとおりである．各水理外力の最大水位は

周期 (s)

400-10

理外力の内，外力 1，外力 2 を再現した．詳細な外力条件

水理外力条件

200

時間（S）

0

サクション計（kPa）

用いた 2 種類の砂のうちサクションが比較的高い糸満産

外力の種類 振幅(cm) 昇降機の速度 (cm/min)Case4-1
外力1
90 (Level A)
80

土の崩落による
間隙水圧変動0-10

観測し水理外力特性の影響を詳細に検討するため，前章で

ケース

陥没時点

4
5

5

（数字は計測器番号*( ) : 最高水位 図-2.1参照-8-

位置は図-2.1）

地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究上昇に伴って削られた地盤が水位低下時に吸い出される的大きく拡大していることが分かる．図-4.1 に示す本ケことで空洞が左右両側に発達していることが分かる．外力

ースの土圧計の測定結果を見ると波の入射側にある ch.1

2 では波を入射した左側（図中に赤点線で囲んだ部分）のの土圧が反対側の ch.3 の土圧よりも先に低下しているこ

速度べクトルが大きく，空洞が吸い出し口から左方に比較とから空洞の拡大が波の入射境界側により早く生じてい吸い出し口の中心

Case4-1

Case4-2

吸い出し口の中心

入射波
400s

230s

陥没前

入射波
310s

500s

入射波
370s

600s

陥没後

入射波
800s

440s

( 写真)

(写真)

入射波
1320s

600s
土粒子の速度(mm/s)
0

1m
50

100

図-4.2 水位変動のタイプと空洞形成・陥没過程の関係性を示す実験結果-9-工代 健太・佐々 真志・梁 順普・高田 康平・鈴木 高二朗

ることが分かる．入射波が地盤中を伝播する際，圧力変動することが不可能であるため，最大水位は全ケースとも地が入射境界からの距離に対して指数関数的に減少するこ表面下に設定した．なお，地盤作成方法，初期水位及び吸19)により示されていることから，水位変動

い出し口の開口幅等の実験条件は前章と同じである．本実の大きさの空間的な変化が空洞の形状に反映されている

験結果を基に装置前面のビデオ画像から求めた空洞の深ことが考えられる．以上から水理外力の作用方向が空洞のさ及び大きさとレーザー変位計で計測した地盤天端部の形成過程や形状に影響することが明らかになった．図-4.1

変位を経時的に比較し，両者の関係性を検討した．

とが既往研究に空洞が陥没した時点を紫色の点線で示している．陥没発
生時点では外力 1，外力 2 の双方とも地盤内のサクション

5.2 実験結果及び考察が低下していることが分かる．特に ch.2 サクション計の図-5.1 に各ケースについて，吸い出し口を開いた時点を結果から空洞近傍の地盤下端から 60cm 上の位置において実験開始時とし，各位置の間隙水圧，土圧，サクションのも，2 ケースとも水位の上昇に伴う地盤内への水の浸透に経時的な変動を示す．各ケースとも間隙水圧の繰り返し変より，サクションが実験開始時と比べて低下しており，空動が空間的に一律に再現できていることが分かる．また，洞の陥没に影響したと考えられる．図-4.2 の各ケースの糸満産（Case5-1，Case5-2, Case5-3）と前島産（Case5-4）

最終時点の空洞の写真を比較すると，Case4-1 では陥没しの地表面から 10cm の深さ（ch.1 及び ch.4）の初期のサクた穴の形が吸い出し口に対してほぼ左右対称であるのにションの値を比較するとそれぞれ約 3.5kPa，約 1.9kPa で対し，Case4-2 では波の入射境界側（吸い出し口に対してあり，3 章で示した結果と整合していることが分かる．図左側）が大きく削られていることが分かる．以上から水理-5.2 に空洞及び地盤変位が拡大した代表的な時点におい外力の作用方向が陥没後の地盤状態にも影響することがて，地盤内で発達した空洞の写真と地表面変位分布を重ね分かった．特に Case4-2 の結果からうねりや風波などによて示す．なおライン A

る入射波の影響が卓越する場合には，吸い出し発生箇所か

盤前面から 10cm 奥のライン）の地表面変位を比較した結ら汀線側に空洞が拡大し，陥没が生じる可能性が示唆され

果，ライン A の変位の方が全体的に大きい値となっていた．

ることが分かった．以上からライン B の結果は側面摩擦(地盤中央ライン)とライン B（地の影響を受けていることが考えられ，図-5.2 中の地表面

5. 地表面変位と空洞形成陥没過程の関係性

分布はライン A 上で計測された結果を示している．各時
刻の写真中に左側に空洞についての情報〔最大幅 B，深さ

5.1 実験概要と方法の最小値 LC ，空洞左端の深さ LL，空洞右端の深さ LR，

吸い出しによる空洞陥没を地表面の変位観測により予知空洞の深さ L（LC，LL，LR の平均値）〕を示し，右側に地する手法を検討することを目的に，地盤内の空洞の位置及表面変位についての情報〔地表面変位の幅 Bd，最大変位

び規模と地表面変位の大きさ及び範囲の関係性について

量 dmax〕を示す．B は空洞の側方両端（図-5.2 の青点）の前章と同様の大型吸い出し可視化実験により検討した．表水平距離である．また，レーザー変位計の精度が分解能の-5.1 に示すとおり 4 ケースの実験を行った．3 章では空10 倍程度であることを考慮し，Bd は 0.5mm 以上の変位が洞の大きさや形状などの吸い出しによる空洞形成・陥没過見られた範囲の幅と定義している．なお，変位の空間分布

程には，不飽和地盤に働くサクションが大きく影響するこは鉛直方向のスケールを拡大して示している．図-5.2 かとが示された．そこで，地表面変位と空洞の状態の関係性

ら空洞の発達に伴い，地表面変位が発生・発達する範囲がに対するサクションの影響を比較するため，Case5-1～

広がり，ひずみの大きさも増加していることが分かる．まCase5-3 は粒径が小さくサクションが比較的大きい糸満産

た，全ケースとも空洞の直上に地表面変位が発達すること

海砂，Case5-4 は粒径が大きくサクションが小さい前島産が分かる．空洞が発達した時点の B と Bd の比較から，地

海砂を裏埋砂に用いた．また，水理外力については空洞の盤高 1.5m の Case5-2 では Bd が B よりも小さいのに対しスケールと地表面変位の分布の関係性をより簡便に検討て，
地盤高 1m の他の 3 ケースでは Bd が B よりも大きく，するため，前章の検討で吸い出し口に対して左右対称な空表-5.1 地表面変位の検討についての試験ケース

洞が生じた外力１を負荷した．地下水位の深さ及び水位変水理外力条件ケース

地盤条件

外力の種類 振幅(cm) 昇降機の速度 (cm/min)砂
Case5-1
外力1
40 (Level C)50
糸満産
Case5-2
外力1
40 (Level C)50
糸満産

動幅や吸い出し口の地表面からの深さが空洞及び地表面変位の発達に影響することが考えられることを踏まえ，表-5.1 に示すとおりケースごとに水位変動幅及び地盤高を変化させた．レーザー変位計は水面下の地表面変位を測定

1.0
1.5

Case5-3

外力1

70 (Level B)

50

糸満産

1.0

Case5-4

外力1

40 (Level C)

50

前島産

1.0

*( ) : 最高水位 図-2.1参照- 10 -

地盤高 (m)地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究

Case5-1サクション（kPa）

5
4
3
2
1
0
-1 0
-2
-3
-4
-5
10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
-6
-8
-10
10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
-6
-8
-10
5
4
3
2
1
0
-1 0
-2
-3
-4
-5

間隙水圧（kPa）

300

400

500

4
時間(S)

5

6

100

200

300

1

2

3
時間(S)

100

200

1

2

400

300

500

400

3

4

600
7

土圧（kPa）

3

600

500
5

600
6

時間（S）

Case5-4

陥没
100

200

1

2

100
1

3

200
2

300

400

500

4
時間(S)

5

6

300

400

500

600
7

600

3
時間(S)

100

200

1

2

300

400

3
4
時間（S）

500
5

10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
-6
-8
-10

サクション（kPa）

200
2

間隙水圧（kPa）

100
1

土圧（kPa）

土圧（kPa）

Case5-3

陥没

サクション（kPa）

間隙水圧（kPa） サクション（kPa）

土圧（kPa）

間隙水圧（kPa）

Case5-2
10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
-6
-8
-10
10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
-6
-8
-10

600
6

9
6
3
0
-3 0
-6
-9
-12
-15
5
4
3
2
1
0
-1 0
-2
-3
-4
-5
10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
-6
-8
-10
10
8
6
4
2
0
-2 0
-4
-6
-8
-10
5
4
3
2
1
0
-1 0
-2
-3
-4
-5

陥没
100

200

1

300

2

3

400

500

5

6

400

500

600

400

500

600

4
時間(S)

1

2

3

100

200

300

時間(S)

100

200

1

2

300

3

4
5
時間（S）

Ⅰ

6

Case5-2

100

200

1

2

100
1

3

200
2

100

200

1

2

300

400

500

4
時間(S)

5

6

300
3
時間(S)

400

300
3

Case5-3

Bd=37cm

L=65cm
LL=68cm
LC=58cm
LR=68cm

Bd=17cm

400

4
時間（S）

5

●

dmax=1.0mm●

B＝24cmdmax=1.0mm

LL=110cm
LC=95cm
LR=110cm●

Bd=66cm

L=78cmdmax=1.4mm

LL=79cm
LC=75cm
LR=79cm●

B=37cm

LL=50cm
LC=47cm
LR=50cm ●●B=50cm

LL=45cm
LC=36cm
LR=45cm●dmax=4.9mm

L=56cm
LL=60cm
LC=47cm
LR=60cm
B=76cm●●dmax=1.0mm
●

●

●

●

Bd=66cmdmax=3.8mm

dmax=2.6mm●

B=35cm

●
90s

210s

Bd=87cm390s

Bd=36cm

LL=71cm
LC=63cm
LR=71cm

B=46cm

LL=103cm
LC=75cm
LR=103cm

dmax=6.9mm

位置は図-2.1）

L=68cm

Bd=74cm

210s
3°

600

60s

Bd=67cm

L=94cm

7°

500

●

270s

B=61cm600

6

B=22cm

L=42cm
Bd=70cm

500

150s

120s
L=49cm600
7

Case5-4

L=67cm
LL=68cm
LC=64cm
LR=68cm

L=105cmⅡ

陥没

図-5.1 間隙水圧・土圧・サクションの経時的変動と陥没のタイミングとの関係性（数字は計測器番号
Case5-1

600
7

10°

dmax=3.4mm

21°

12°

22°

Bd=86cm●

L=43cm●
LL=46cm
LC=33cm
LR=50cm●

B=79cm

B=60cm540s●

Bd=75cmdmax=6.4mm

L=53cm
LL=63cm
LC=33cm
LR=54cm360s

B=39cm

図-5.2 地表面変位と空洞のスケールとの関係性を示す実験結果●●

dmax=11.8mm

120s
1m

地盤高によって空洞が地表面変位に及ぼす影響範囲が変存在することが分かる．さらに，地表面変位の最大値 dmax

化することが分かる．地盤高 1m の 3 ケースについて， 3が吸い出し口のほぼ直上でみられ，地表面変位分布から空枚目の写真中に空洞の側方両端と地表面変位の両端を結洞の平面的な位置を推測できると考えられる．

ぶ直線が鉛直方向となす角度を示す．ここから空洞が発達

各ケースの時刻ごとの結果から，dmax と空洞の状態を比した時点では地表面変位の範囲の端から鉛直下方向に対較すると空洞の幅 B が大きく，空洞の深さ L が浅いほどして 20°程度以下の角度で内側に向かう範囲内に空洞がdmax が大きいことが分かる．例えば，Case5-3 では 210s か- 11 -

工代 健太・佐々 真志・梁 順普・高田 康平・鈴木 高二朗

6. フィルター材による吸い出し抑止法

ら 360s にかけて，B の増大により dmax が 2.6mm ほど増加
していることが分かる．一方で Case5-1（390s）と Case52（540s）を比較すると，B はほぼ同じであるが，地盤高

6.1 二層構造のフィルター層による吸い出し抑止法の概dmax(mm)dmax(mm)
地盤変位の最大値が低い Case5-1（390s）の方が空洞の天井の深さが浅く dmax

念が大きいことが分かる．さらに Case2 の 270 秒後の結果か

1.序論に記したとおり，吸い出し抑止のためのフィルタ

ら，地表面下 1m に幅 50cm 程度の空洞が形成された場合

ー材は①裏埋砂の目詰まり機能，②捨石に対する安定性，でも，地表面変位は 1mm 以下に留まり現地では検出が難③防砂シートの損傷リスクの低減の 3 つの機能を満たす

しいことが分かる．ここで陥没に至る過程で dmax が大き必要がある 9)10)．既往の系統的な研究 9)10)11)12)により，水く変化した各時刻について B/L と dmax の関係をプロット

面変動，地震荷重，交通荷重などの動的外力下で，二層構した結果を図-5.3 に示す．サクションが異なる砂ごとに造の砕石からなるフィルター層が十分な力学的安定性及地盤高及び水位変動幅によらず dmax と B/L に高い相関がび吸い出し抑止効果を発揮することが実証されている．図あること分かる．サクションが低い前島産の海砂では B/L-6.1 に二層構造のフィルター層の概念図を示す．上層のが小さい段階で大きな変位が現れ陥没に至っており，サクフィルター層は裏埋砂を間隙中に目詰まりさせることにションの違いによる地盤の空洞の保持力の差が dmax とより，吸い出しを抑止させるためのものである．一方で下B/L の相関関係に影響していることが分かる．図-5.1 に層は捨石に対して安定性を保つためのものであり，上層の陥没の時点を紫の破線で示す．全ケースとも水位が上昇しフィルター材と捨石の中間的な粒度のフィルターを用いサクションが低下したタイミングで陥没が発生している

る．従来の構造（図-6.1 参照）のように捨石の上に防砂ことが分かり，前章で得られた結果とも整合していること

シートを直接敷設する場合と比較して，防砂シートの損傷が分かる．また，図-5.3 から空洞のスケールと陥没時点リスクが大幅に低減されることが既往研究により示されの関係性に着目すると，本実験では B/L が 1.0 に近づくとている 9)．また，フィルター材は変形追随性を有し，地震

水位上昇によりサクションが低下した際に陥没のリスク

動や交通荷重などの動的外力に対しても柔軟に適応しつが高まる傾向が見られる．図-5.4 に陥没直後の各ケース

つ，持続的に目詰まり効果を発揮することが可能である．

の地盤上面の写真を示す．全ケースとも陥没した穴の幅は本章では以下のとおり主に上層のフィルター材の適切

図-5.2 の最終時点の写真の Bd より小さいことが分かる．

な粒度条件を体系的に検討し，二層のフィルター層の設計

以上から大蔵海岸などの養浜砂の人工海岸においては地指針を提示する．二層のフィルター材の設計上の余裕を考

表面変位から空洞陥没のタイミングや規模を予測しうる

慮した場合，裏埋砂との中央粒径比（フィルター材の中央ことが示唆された．舗装の影響については，今後の更なる粒径 DF50/裏埋砂の中央粒径 DS50）が大きい条件下で，吸検討が必要である．

い出しを抑止できる粒度の砕石が上層のフィルター材に

20
Case 1
Case5-1
Case 2
Case5-2
Case 3
Case5-3
Case5-4
Case 4

16

適する．また，ダムの吸い出しや海底砂の洗堀の抑止を対

陥没●裏埋砂：糸満産海砂
陥没
陥没■裏埋砂：前島産海砂象としたフィルター材に関する既往研究 14)15)ではフィル
ター材や砂の均等係数の違いにより，同じ中央粒径比の下12陥没

dmax=19.156(B/L)2.259

8でも吸い出し抑止効果が大きく異なることが示されていR2=0.944
dmax=4.153(B/L)1.571

4
0
0.0

R2=0.952

0.2

0.4

0.6

図-5.3
Case 5-1

0.8

1.0

1.2

1.4

数を変化させた系統的な要素試験により，フィルター材の
1.6

1.8

B/L

B/L と dmax の関係性

470 sCase 5-2

る．以上を踏まえ，本研究ではフィルター材と砂の均等係
適切な粒度条件を求め，既往の国際基準 13)14)15)16)に照らしてその有効性を検討する．さらに，大型吸い出し可視化実

550 s

地表面陥没
裏埋砂（海砂）

裏埋砂（海砂）

空洞形成

40 cm

フィルター材（上層）

15 cm
Case 5-3

400 sCase 5-4

裏込石
（捨石）

145 s

防砂シート損傷
吸い出し

フィルター材（下層）
裏込石（捨石）35 cm

従来の構造（未対策）15cm

二層構造のフィルター層（対策後）図-6.1 二層構造のフィルター層の概念図

図-5.4 初期陥没時の天端の写真- 12 -

二層構造のフィルター層

吸い出し口
の中心

地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究

験により，様々な水理外力下において適切な粒度のフィル

フィルター材との中央粒径比を細かく変化させるため，各ター材の吸い出し抑止効果について検証を行う．最後に検グループとも中央粒径が段階的に異なる多種類の混合砂を用いた．なおグループ B の B-1-a，B-1-b 及び B-2-a，B-

討結果を基に二層のフィルター層の設計指針を提示する．

2-b については，それぞれ各号の珪砂の配合率は同じであ6.2 フィルター材の吸い出し抑止効果に関する系統的なるが，使用した珪砂のロットの違いにより粒度が異なるも要素試験のである．グループ C は前章までの実験で用いた前島産
海砂（C-1）と糸満産海砂（C-2）であり，砂粒子の形状や(1)試験の概要

貝殻の有無が吸い出しに及ぼす影響を検討するためのも

小型振動台による目詰まり試験を裏埋砂の均等係数（砂ののである．飯豊珪砂の砂粒子が丸みを帯びでいるのに対し60％粒径 DS60 / 砂の 10％粒径 DS10）を変化させた条件で下て，これらの海砂の砂粒子は比較的いびつな形状であり，記のとおり行った．当該要素試験装置の概略図を図-6.2 に貝殻も含む．本試験に用いたフィルター材の粒径加積曲線

示す．試験装置は円筒型容器，受け皿，振動台で構成され，表-6.2 に示す．フィルと概要をそれぞれ図-6.4（実線）る．

ター材についても均等係数（フィルター材の 60％粒径 DF60 /要素試験に用いた砂の粒径加積曲線と概要をそれぞれ図

フィルター材の 10％粒径 DF10）についてグループ分けを，表-6.1 に示す．上層試料は裏埋砂の均等係-6.3（実線）行った．グループⅠは均等係数が 3.0 未満のフィルター材

数と種類により 3 グループに分類した．グループ A は均である．
グループⅡは均等係数が 3.0 以上のものである．材

等係数が 3.0 未満の飯豊珪砂である．グループ B は均等係

料は白砕石，緑色砕石，岩ずりの 3 種類を用いた．粒度ごとに 4 号（粒径の大きい順に 4 号，5 号，6 号，7 号）に分類される．グループ A の砂は 1 種類または 2 種類の飯豊珪砂を異なる比率で混合させることにより作成した．
一方でグループ B の砂は 3 種類もしくは 4 種類の飯豊珪
砂を表-6.1 に示す配合率で混合することにより作成した．

直径10 cm

砂2500 g

受け皿

13 cm

フィル
ター材

通過質量百分率（%）

振動( 3 Hz, 1.5 G )

30 cm

円筒型
容器

通過質量百分率（%）

数が 3.0 以上の飯豊珪砂の混合砂である．飯豊珪砂は粒度

ふるい

小型振動台

100
グループA
90
80
〔計27種類〕
70
60
50
40
30
20
10
0
0.075
100
グループB,C
90
80〔計8種類〕
70
60
50
40
30
20
10
0
0.075

図-6.2 要素試験装置の概略図

0.75
粒径（mm）

4.75

B-1-a
B-1-b
B-2-a
B-2-b
B-3
B-4
C-1
C-2
0.75
粒径（mm）

4.75

図-6.3 実験用砂の粒径加積曲線

表-6.1 実験用砂の分類及び概要
グループ 砂中央粒径(mm) 均等係数 飯豊珪砂の配合率（グループA，グループB） (%)
4号

5号

6号

7号

A

27種類 （飯豊珪砂）

0.277-0.9412

1.6-2.6

A

飯豊珪砂5号 *

0.593

1.860

0

100

0

0

B

B-1-a (飯豊珪砂)

0.459

3.724

50

5

25

20

B

B-1-b (飯豊珪砂)

0.458

3.754

50

5

25

20

B

B-2-a (飯豊珪砂)

0.418

3.736

50

0

25

25

B

B-2-b (飯豊珪砂)

0.414

3.568

50

0

25

25

B

B-3 (飯豊珪砂)

0.384

3.297

25

25

25

25

B

B-4 (飯豊珪砂)

0.473

3.321

40

25

25

10

C

C-1 (前島産海砂)

0.629

2.963

C

C-2 (糸満産海砂)

0.220

1.963

* 吸い出し抑止効果検証のための大型吸い出し可視化試験用の砂- 13 -

1種類もしくは2種類の混合砂 （配合率は段階的に変化）

工代 健太・佐々 真志・梁 順普・高田 康平・鈴木 高二朗の範囲は現場の捨石と裏埋砂の粒度を考慮し，グループⅠ

2500g 分投入した．2016 年の熊本地震では地震動による地では 5 -13mm，5-20mm，5-40mm の 3 パターン，グループ

盤の吸い出し及び陥没の事例があることを踏まえ，レベル

Ⅱでは 2.5-13mm，2.5-20mm，2.5-40mm の 3 パターンとし

1 地震動（震度 5 弱）に相当する加速度約 0.15G，振動数

た．このうち 2.5-20mm，2.5-40mm については裏埋砂との3Hz の振動を負荷した．振動の継続時間は実際の地震動よ

中央粒径比を細かく変化させるため，中央粒径が異なる数

りも十分に長い 10 分間とした．加振後にフィルター材を種類のフィルター材を用いた．

通過し受け皿にたまった砂の重量を計測し，投入した砂の試験は以下の手順で行った．まず，高さ 13cm のフィル

重量 2500g に対する百分率の値（以下通過率）から各条件

ター材を投入した．次に砂を高さが十数 cm となるようににおけるフィルター材の目詰まり効果を評価した．試験は上述の上層試料と下層試料の組み合わせを変化させ，合計

100

5-13mm
5-20mm
5-40mm2.5-20mm
2.5-20mm-1
2.5-20mm-2
2.5-20mm-3
2.5-40mm
2.5-40mm-1
2.5-40mm-2
2.5-40mm-3
0-40mm
岩ずり

80
70

60
50
40
30

グループ Ⅰで 100 ケース以上実施した．

グループ Ⅱ(2) 実験結果及び考察
図-6.5 に要素試験の結果をフィルター材のグループごとに示す．中央粒径比（横軸）と通過率（縦軸）の関係を

20

10

砂のグループごとに色分けしてプロットしている．全体的0110
粒径（mm）

100に均等係数が小さいグループ A(青)の砂の方が均等係数が

図-6.4 実験用フィルターの粒径加積曲線

大きいグループ B(緑)の砂や貝殻まじりのグループ C(赤)表-6.2 実験用フィルターの分類及び概要
グループ 中央粒径 (mm)フィルター材の砂よりも吸い出されやすいことが分かる．例えば，5-

均等係数20mm の砕石の結果ではグループ A の砂は中央粒径比 20

緑色砕石 (5-13mm)

Ⅰ

10.7432.117

白砕石 (5-20mm)

Ⅰ

10.8122.187

白砕石 (5-40mm)

Ⅰ

14.7992.475

スが見られる一方で均等係数が大きいグループ B の砂で白砕石 (2.5-20mm)

Ⅱ

8.982

3.286

は中央粒径比約 30 のケースでも通過率が 5%前後となっ

白砕石 (2.5-20mm-1)

Ⅱ

9.936

3.392

ている．また， グループ C の結果を見ると C-2（糸満産

白砕石 (2.5-20mm-2)

Ⅱ11.026

3.149

白砕石 (2.5-20mm-3)Ⅱ11.6003.266

海砂）の均等係数は 1.963 でありグループ A の砂とほぼ

白砕石 (2.5-40mm)

Ⅱ

12.2393.369

白砕石 (2.5-40mm-1)Ⅱ12.2393.145

海砂に含まれる貝殻や比較的いびつな粒の形状が吸い出

白砕石 (2.5-40mm-2)Ⅱ14.2633.013

し抑止効果を高めていることが考えられる．したがって，

白砕石 (2.5-40mm-3)Ⅱ11.6723.882

均等係数が小さく丸みを帯びた砂が吸い出しの影響を受

白砕石 (0-40mm) *Ⅱ

12.402

3.208

岩ずり

Ⅱ

けやすいことが分かる．

13.6913.740未満の場合においても通過率が 20%近くまで達するケー

同程度であるが，通過率は全体的に低く抑えられている．

グループ A の結果からフィルター材の均等係数ごとに* 吸い出し抑止のための大型吸い出し可視化試験用の砂吸い出し限界を検討する．均等係数が 3 未満のグループ

通過率（％）

フィルター材 グループⅠ
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0

グループA / 5-13 mm

グループB / 5-13 mm

グループC / 5-13 mm

グループA /5-20 mm

グループC / 5-20 mm

グループA / 5-40 mm

グループB / 5-40 mm

グループC / 5-40 mm

5

10

15

20

25

30

35
DF50/DS50

40

45

グループB/ 5-20 mm

50

55

60

65

70

65

70

フィルター材 グループⅡ
通過率（％）

通過質量百分率（%）

90

50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0

グループA / 2.5-20 mm

グループB / 2.5-20 mm

グループC / 2.5-20 mm

グループA / 2.5-40 mm

グループC / 2.5-40 mm

グループA / 岩ずり

グループB / 岩ずり

グループC / 岩ずり

5

10

15

20

25

30

35
DF50/DS50

40

45

グループB / 2.5-40 mm

50

図-6.5 要素試験結果（中央粒径比と通過率の相関図）- 14 -

5560

地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究

Ⅰの砕石では中央粒径比 17～18 を境に通過率が一気に大湾施設の海底砂洗堀抑止のための既往の国際基準 16)とも

きく上昇している．一方で均等係数が 3 を超えるグルー高い整合性があることが分かる．また，グループⅠとグル

プⅡでは中央粒径比 20 以下では通過率は実質的に 0%でープⅡのフィルター材の結果を比較すると同じ DF15/DS85

あり吸い出しが生じていないことが分かる．以上から，均に対する通過率がグループⅡのフィルター材を用いた場

等係数 3.0 以上のフィルター材がより高い中央粒径比ま合の方が低い傾向が見られる．特にグループⅠのフィルタで吸い出し抑止効果を維持できることが分かる．

ー材では DF15/DS85≦5 の場合でも通過率が 5％を上回るケ

次にグループⅡのフィルター材を用いた結果から裏埋ースがあるのに対して，グループⅡのフィルター材では同

砂の均等係数が吸い出し限界となる中央粒径比に及ぼす粒度条件下で通過率が実質的に 0 となっていることが分影響について検討する．上述の実験結果より，均等係数がかる．以上から均等係数が 3 以上のフィルター材は3.0 以上のフィルター材ではすべての砂に対して中央粒径

DF15/DS85 を基に比較した場合でも高い吸い出し抑止能力

比 20 以下で吸い出しが抑止されると考えられる．一方でがあることが分かる．

均等係数が 3.0 以上のグループ B の結果では中央粒径比

Cistin と Ziems ら 14)15)が作成したフィルター材と砂の均25 程度まで通過率が実質的に 0 であり吸い出しが抑止さ

等係数と吸い出し限界の中央粒径比の関係図においても，れていることが分かる．以上から裏埋砂の均等係数が大き表-6.3 フィルター材設計に関する国際基準

い場合には中央粒径比を引き上げ余裕のある設計を行うことができると考えられる．

敷設目的

基準

ダムの浸透流による内部洗堀の防止

・U.S. Bureau of Reclamation (1998)
DF15/DS85≦5, 5≦DF15/DS15
・Cistin and Ziem(1968)(3)フィルター材の国際基準との比較
表-6.3 にフィルター材に関する既往の国際基準を示す．
これらの既往の基準はダムの吸い出しや海底地盤の洗堀を防止するためのフィルター基準である．港湾における裏埋砂の吸い出し抑止のためのフィルター材には 1.序論で記したとおり様々な動的外力下における吸い出し抑止機
能を安定的に発揮することが要求される．以上を踏まえ，本研究で得られた知見と既往の国際基準との比較を行う．
表-6.3 に示す国際基準の中には中央粒径比（DF50/DS50）の他にフィルター材の 15％粒径と砂の 85％粒径の比（DF15/DS85）が用いられているものがある 13) 16) 17)．国際基
準との整合性を確認するため，要素試験結果を DF15/DS85

港湾施設の波や浸透流の作用による海底砂洗堀の抑止で整理した結果を図-6.6 に示す． フィルター材の粒度によらず DF15/DS85≦4-5 で通過率がほぼ 0 となっており，港UcF:フィルター材の均等係数
UcS:砂の均等係数
・The U.S. Army Corps of Engineers (1995)
DF15/DS85≦4 to 5, DF15/DS15≧4 to 5
・Cistin and Ziem(1968) → 上図

通過率（％）

フィルター材 グループⅠ
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0

グループ A / 5-13 mmグループ B / 5-13 mmグループ C / 5-13 mmグループ A /5-20 mmグループ C / 5-20 mmグループ A / 5-40 mmグループ B / 5-40 mmグループ C / 5-40 mm

0

5

10

グループ B/ 5-20 mm

15

20

25

DF15/DS85

通過率（％）

フィルター材 グループⅡ
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0

グループ A / 2.5-20 mmグループ B / 2.5-20 mmグループ C / 2.5-20 mmグループ A / 2.5-40 mmグループ C / 2.5-40 mmグループ A / 岩ずり

グループ B / 岩ずり

グループ C / 岩ずり

5

10

グループ B / 2.5-40 mm

15
DF15/DS85

図-6.6 要素試験結果（DF15/DS85 と通過率の相関図）- 15 -

2025

工代 健太・佐々 真志・梁 順普・高田 康平・鈴木 高二朗

本研究で検討したフィルター材と砂の均等係数の範囲で続作用下においても吸い出しを抑止できることを検証すはそれらが高いほど吸い出し限界が高くなっており，要素るため，以下の通り実験を行った．大型吸い出し可視化試

試験の結果と整合している．しかし，この関係図では，フ験装置に 0-40mm（均等係数 3.208）に粒度調整したフィィルター材の均等係数が 3 程度の場合，均等係数が 3.0 以

ルター材（物性および粒度分布は表-6.2，図-6.4 の青色

下のダムの堤体砂に対する吸い出し限界の中央粒径比は点線）を上層部（位置は図-2.1）に敷設した． 下層部（位10 から 15 程度となっている．これは要素試験結果から得置は図-2.1）には 40-100mm のフィルター材を敷設した．

られた中央粒径比よりも小さい．この国際基準と要素試験

吸い出し口の幅は 5cm とした．要素試験で得られた知見

結果との差異は対象とする水理外力の大きさが異なるたを踏まえ，吸い出しが生じやすい厳しい条件下でフィルタめであると考えられる．具体的には表-6.3 中の関係図はー材の効果を検証するため裏埋砂にはグループ A に分類

ダムの吸い出し抑止を主な目的としており，動水勾配が 9される飯豊珪砂 5 号（物性および粒度分布は表-6.1，図-まで対応できるように作成されている 14)15)．
その一方で護6.3 の赤色点線）を用いた．1 層目のフィルター材と裏埋岸・岸壁の背後に作用する動水勾配は現実的な波浪・潮位

砂の中央粒径比は均等係数が 3 以上の要素試験結果を踏条件を考慮すると最大でも 2 程度である（高波浪時を想まえ，約 20（20.9）に設定した．表-6.4 に示す条件で 3 種定した水理外力下での吸い出し抑止効果の検証結果につ類の水理外力を連続的に負荷した．

いては次節で説明する）．
DF15/DS15 に関する基準はフィルター層内の透水性を確(2) フィルター材近傍の水理外力の再現保することを目的としている．特にダムにフィルター材を外力 3 の引き波 1 回分の ch.2 の土圧と ch.4 の水圧変動適用する場合にはダム内外の水頭差による浸透流を通すを図-6.7 に示す．ch.2 の土圧は 2 秒間で約 2 kPa 変動し必要があり，透水性に関する基準が重要であると考えられていることが分かる．この時点での地表面変位は見られなる．一方，裏埋砂の吸い出し抑止には高い透水性は必要なかったことと引き波後の水位上昇時に土圧の値が元の値

く，むしろ透水性の低いフィルター材の方がフィルター層に戻ったことから，実質的に間隙水圧の変動分と考えるこ

を通じて地盤に伝達する水理外力の低減効果が大きいたとができる．ケーソン背面の地盤内の間隙水圧変動の観測

め，吸い出し抑止に有効であると考えられる．

記録には，有義波高 6.78 m の高波浪時に福井港で計測された結果 20)があるが，この現地観測記録と比較しても大6.3 水理外力下におけるフィルター材の吸い出し抑止効

きな間隙水圧変動がフィルター材天端近傍の地盤に加わ果に関する検証実験っていることが分かる．さらに上層と下層のフィルター材の境界に位置する ch.4 で得られた間隙水圧の測定結果か(1) 実験概要

ら，水位低下開始後の 2 秒間で 8 kPa の間隙水圧変動が起前章の検討結果を踏まえ均等係数が 3.0 以上のフィルタ

こっていることが分かる．土圧計（ch.2）との最大水圧差

ー材を中央粒径比 20 程度で設置した場合，水理外力の連は 6kPa となり，2 地点間の距離（0.4m）を考慮するとフィルター材と裏埋砂の境界付近で最大動水勾配が 1.5 と表-6.4 吸い出し抑止検証実験の水理外力の概要

なっていることが分かる．これは上述の福井港の観測結果

外力の種類 振幅 (cm) 初期水位 昇降機速度(cm/min) 周期(s) 載荷回数（回） 継続時間 (分)
80
―
10
―
外力1 90 (Level A)* Level A
外力2
90 (Level A) Level C
―
40
―
10
外力3
90 (Level C) Level A
―
―
10
―

について，高波浪時の堤内外の間隙水圧の観測記録とケー
ソン幅から推定される動水勾配の値（約 0.25）よりも大き*( ) : 最高水位 図-2.1参照

い．間隙水圧の時間的変動及びフィルター材近傍の動水勾1配の比較から，外力 3 では高波浪時を想定した強い水理

土圧（kPa）

0
-1 15

17

19

21

23

25

外力が地盤内に再現できていることが分かる．

2kPa

-2
-3

-4

1

2

3

(3) 実験結果及び考察-5
経過時間（s）

間隙水圧（kPa）

2

図-6.8 に 3 種類の外力を加える前後の地盤前面の写真

0
-2 15
-4
-6

17

19

21

23

を示す．ここから地盤内に空洞形成は見られず，フィルタ

25

ー材内部の砂の分布も外力を負荷する前とほぼ変わらな

8kPa

いことが分かる．図-6.9 に各外力による地盤天端の変位

-8

3

-10

4

5

の空間分布を示す．この図から 3 種類の外力ともフィル

経過時間（s）

図-6.7 外力 3 による土圧及び間隙水圧変動（数字は計測器番号

ター材の上に位置する 2 番～8 番の側点で変位がほぼ 0 で

位置は図-2.1）- 16 -

地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究あることが分かる．以上から比較的厳しい水理外力が連続しを十分に抑止することができる．また，裏埋砂の均等係的に作用した場合においても均等係数 3.0 以上のフィル

数が 3 以上の場合には中央粒径比を 25 まで引き上げるこ

ター材を中央粒径比 20 で設置した場合，どのような粒度とが可能である．本報告に記した要素試験ではフィルターの砂に対しても吸い出しが抑止されることが実証された．

層厚が 13cm の条件下においても，十分な吸い出し抑止効

なお，フィルター材と裏埋砂の均等係数ともに 3.0 以上の果が示されていることから，上層のフィルター層厚を場合には，中央粒径比が 25 以下で吸い出しが抑止できる30cm 以上に保った場合，吸い出しに対して十分な安全性ことが同様の検証実験により示されている 12)．

を確保するとともに，フィルター材の天端付近で吸い出しを抑止できると考えられる．下層のフィルター材について

6.4 二層構造のフィルター層の設計指針

は，表-6.5 に示すとおり上層のフィルター材の最大粒径6.2, 6.3 に記した知見に基づき得られたフィルター材のと近接するフィルター材を用いることで力学的安定性も確保されることが分かっている 10)．

設計指針を表-6.5 に示す．フィルター材には一定以上の配合，具体的には均等係数 3.0 以上の砕石または岩ずりを

7. 結論

用いることが重要である．例えば C40 砕石は粒度の幅が広く，上層のフィルター材に適すると考えられる．裏埋砂との中央粒径比が 20 以下で任意の裏埋砂に対して吸い出本研究では地盤条件及び水理外力条件を変化させた大型吸い出し可視化実験により，吸い出しを現地スケールで再現し，地盤内に働くサクションの高さや水位変動のタイプが一連の空洞形成・陥没過程に及ぼす影響を明らかにした．また，地表面変位から空洞の陥没を予知する技術の開発に向け，空洞のスケールと地表面変位の関係性について上述の大型吸い出し可視化実験の各種計測結果を基に示した．さらに，フィルター材による吸い出し
抑止法とその設計指針について，二層構造のフィルター

実験前表-6.5 二層構造のフィルター層の設計指針
フィルター層

材料

粒度基準等

上層

・砕石
・岩ずり

粒度基準
3≦UcF,, DF50/DS50≦20（3≦UcF, 3≦UcS，DF50/DS50≦25）
粒度の範囲の例
0-40mm (ex C40 砕石)

下層

実験後

・砕石
・岩ずり

DF50：フィルター材の中央粒径
DS50：砂の中央粒径
UcF：フィルター材の均等係数
UcS：砂の均等係数
上層の粒度範囲に対する粒度選定の例
上層 0-40mm→下層 40-70mm（上層の最大粒径と近接）

図-6.8 水理外力負荷前後の地盤前面の写真
吸出し口中央部

地盤天端の平面図
30cm

変位（cm）

40cm

50cm

30cm

20cm

20cm

30cm

30cm

50cm

フィルター材（天端）

●

●

●

●

●

●

●

●

●

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0

60cm

40cm

3

4

フィルター材（斜面）● 変位計測点

60cm

外力1
1

2

5

6

計測点番号

図-6.9 各水理外力による地表面変位の分布図- 17 -

7

外力2
8

外力3
9

工代 健太・佐々 真志・梁 順普・高田 康平・鈴木 高二朗

層の実用性に関する系統的な要素試験と一連の大型吸いすることが重要である．すなわち，液状化対策などで共通出し可視化実験により検討した．主要な知見は以下の通して用いられてきた固化材料では，動的外力及び変形下でりまとめられる．

クラックや亀裂が生じる懸念があるため，吸い出し対策に

1)

地盤内に働くサクションの大きさが空洞形成・陥没は変形追随性が肝要となる．本報告で提示した二層構造の過程に影響する．サクションは空洞保持力として作フィルター層は上述の変形追随性と共に吸い出し抑止機能を満足しており，港湾施設の吸い出し対策として幅広い用するため，サクションが高い地盤では幅広い空洞活用が期待される．

が比較的長い時間をかけて形成される．そのため，サクションが高い条件下では陥没のタイミングが遅謝辞

い一方で陥没の規模が拡大する．
2)

本研究の遂行にあたり，国土交通省港湾局及び内閣府沖縄総合事務局のご協力を得ている．また，本報告

水理外力の作用方向が吸い出しによる空洞の形成・に記載した実験の実施において，元港湾空港技術研究所

陥没過程に影響する．水平方向に一次元的な水位変動土質研究グループ研究官の小林孝彰氏及び元港湾空港

動では吸い出し口に対して左右対称に空洞が拡大す

技術研究所動土質研究グループ研究員の渡辺啓太氏並びるが，一方向から波を入射させたケースでは波が作に後藤翔矢氏の協力を得た．ここに記して謝意を表しま

用する方向に空洞が拡大する．風波やうねりの影響

す．
(2020年11月2日受付）が卓越する護岸背後の地盤では吸い出し口の汀線側で比較的広く陥没する可能性がある．
3)

参考文献

地下水位の上昇に伴う地盤内のサクションの低下が1)

空洞の陥没において重要な役割を果たしている．
4)

査委員会報告書空洞がある程度発達した段階では空洞の直上に地表2)面変位が現れる．また，サクションが異なる裏埋砂

Sassa, S., Li, F. and Sekiguchi, H. (2005): Response of

ごとに地盤内の空洞の規模や深さと地表面変位の間

saturated/unsaturated gravelly sand to tidal fluctuations,に密接な相関関係があり，本実験で用いた海砂につGeotechnical Special publication, No.143, American

いて空洞の B/L と地表面最大変位量 dmax の相関式をSociety of Civil Engineers, pp.174-186.
3)得た．さらに，この空洞と地表面変位の相関式は地5)

土木学会海岸工学委員会(2002): 大蔵海岸陥没事故調

Sassa, S., Watabe, Y. (2007): Role of suction dynamics in

盤高や水位変動幅によらず成り立つことを示した．

evolution of intertidal sandy flats: Field evidence,

均等係数が高いフィルター材ほど吸い出し抑止効果

experiments,

andGeophysicalが高く，均等係数（DF60 / DF10）が 3.0 以上のフィル

theoretical

Research,model,
112(F1)

JournalofF01003.

https://doi.org/10.1029/2006JF000575.

ター材を中央粒径比（DF50 / DS50）20 以下で設置した

4)

場合，裏埋砂の粒度に拘わらず比較的強い水理外力

Bear, J. (1979): Hydraulic of groundwater, New York, NY:
McGraw-Hill.

下においても十分な吸い出し抑止効果を発揮する．
5)

上述の結論の内，4)の空洞発達と地表変位の関係性に関高橋重雄，鈴木高二朗，徳淵克正，下迫健一郎，善功

する知見は，人工海浜等に直接適用しうるものの，舗装な企(1996)：防波護岸の吸い出し災害のメカニズムに関どの影響については今後の課題といえる．一方，1）～3）

する水理模型実験，海岸工学論文集，43の吸い出し・空洞形成・陥没メカニズム並びに 5）のフィ

巻，pp.666-670.
6)

ルター材による吸い出し抑止法に関する知見は，舗装の有中村友昭，許東秀，水谷法美(2006)：捨石護岸背後の無に関わらず有効である．以上より本研究では今後の港湾埋立土砂の吸い出し機構，
土木学会論文集 B，Vol.62，

施設における吸い出し抑止対策にとって重要な知見が得No.1，pp.150-162.

られた．

7)

Nakamura, T. , Hur, D. S., Mizutani, N. (2008):
Mechanism of Backfilling Sand Discharge from a Gap

あとがき

under Vertical Revetment, Journal of waterway, port,

本報告では，地盤及び水理外力特性の双方を考慮した吸

coastal, and ocean engineering,134(3), pp. 178 -186.

い出し・空洞形成・陥没メカニズムを明らかにし，フィル8)

ター材による吸い出し抑止法の有効性及び設計指針を示

Hur, D. S., Nakamura, T., Mizutani, N. (2007): Sand

した．この際，波・流れなどの水の外力作用による吸い出suction mechanism in artificial beach composed of rubble

しのみならず，地震作用による吸い出し・陥没発生が顕在

mound breakwater and reclaimed sand sea, Ocean

化しており，多様な動的外力下で吸い出しを安定的に抑止engineering, 34, pp.1104-1119.
- 18 -

地盤及び水理外力の特性を考慮した吸い出し・空洞形成・陥没機構とフィルター材による抑止法の研究

9）小林孝彰，佐々真志，鈴木高二朗，渡辺啓太，具志良太，前里尚，平野年洋(2017)：フィルター層による吸い出し防止と防砂シート損傷リスク低減効果に関する検討，土木学会論文集 B3(海洋開発)，Vol. 73，No.
2，pp. I_354-I_359.
10) 小林孝彰，佐々真志， 梁順普，後藤翔矢（2018）：吸
い出しと空洞形成及び陥没過程の可視化と防止対策としてのフィルター層の有効性，土木学会論文集
B3(海洋開発)，Vol. 74，No. 2，pp. I_264-I_269.
11) 工代健太，佐々真志，梁順普，後藤翔矢(2019)：様々な水理外力下における地盤内の空洞形成・陥没の進行過程および吸い出し抑止法の研究，土木学会論文集
B2，Vol.75，No.2，pp.I_937-I_942.
12) 工代健太，佐々真志，梁順普，高田康平（2020）：地
表面変位観測による地盤内の空洞陥没の予知および吸い出し抑止法の検討，土木学会論文集 B2（海岸工学），Vol. 76，No. 2, pp.I_859-I_864.
13) U.S. Bureau of Reclamation(1998): Design of Small Dams
14) Cistin, J. (1968): Konstrukce a stavba filtru syspanychhrazi. VVHU Brno
15) Ziems, J. (1968): Ein Beitrag zur Kontakterosion
nichtbindiger Erdstoffe. Dissertation TU Dresden16) U.S. Army Corps of Engineers(1995): Design of Coastal
Revetments, Seawall, and Bulkheads17) Fannin, J. (2008): Karl Terzaghi: from theory to practice inGeotechnical filter design, Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering, 134(3), American Societyof Civil Engineers, pp.267-276.
18) Indraratna, B., Raut, A. K., Khabbaz, H. (2007):
Constriction-based retention criterion for granular filter
design, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering, 133(3), American Society of Civil Engineers,
pp.266-276.
19) Shigemura, T., Yokonuma, M., Hayashi, K. and Fujima, K.
(1998): Propagation property of dynamic pressure throughreclaimed sand behind caisson-type seawalls, Ports ’98.
ASCE, New York, pp.571-580.
20) 高松恭文，渡辺義，石田道昭（2007）：福井港海岸(福井地区)離岸堤および護岸(改良)検討調査-ケーソン式
護岸背後の吸出し現象に関する一考察，新潟技調report / 国土交通省北陸地方整備局新潟港湾空港技術調査事務所 編，pp.36-39.

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港湾空港技術研究所報告第 59 巻 第 3 号

２０２０．１２

編集兼発行人

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所

発

港 湾 空 港 技 術 研 究 所

行

所

横 須 賀 市 長 瀬 ３ 丁 目 １ 番 １ 号
TEL. 046(844)5040 URL. http://www.pari.go.jp/

C （2020）by MPAT
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本報告書の全部または一部の転載、複写は海上・港湾・航空技術研究所理事長の文書による承認を得ずしてこれを行ってはならない。

CONTENTS
1. Processes of internal erosion, cavity formation and collapse under various soil and hydraulicconditions with their countermeasure using geotechnical filter
Kenta KUDAI・Shinji SASSA・Soonbo YANG・Kouhei TAKADA・Kojiro SUZUKI………… 1
2. Development and application of integrated platform for predicting and evaluating coastal benthic
ecology-geoenvironmental dynamics
Soonbo YANG・Shinji SASSA・Kenta KUDAI・Kouhei TAKADA………………………………21