全地連「技術フォーラム 2024」新潟【9【CO99】

繰返し荷重をうけるモノパイル基礎の三次元 FEM 解析事例
川崎地質株式会社

1. はじめに○小林優起，吉泉直樹，白井太郎，市川直樹

4. 定変位解析（遠心実験との比較）

現在、導入拡大が進む洋上風力発電は、風車構造物本(1) 載荷変位体（タワー、ブレード、RNA）を海底地盤に設置した基礎

定変位解析は、遠心実験のトレースとして、杭上部にで支える着床式が主流である。その中で主流となってい140mm（実験スケールでは2.8mm）の変位を繰返し載荷するのが、「モノパイル基礎（MP）」と呼ばれる 1 本の鋼管るケースについて行った。なお、繰返し回数は20回とし杭を海底地盤に打設し、上部構造である風車本体を支えた。

1)る基礎形式である 。

(2) 定変位解析結果

ブレードやタワーが受ける水平外力（風や波）は、モ定変位解析の結果、過剰間隙水圧比の上昇は実験に比べて遅く発揮された。また、パイルの設計において重要となるのは、モノパイルと地図-2に示す通り、杭に発生す盤の相互作用による水平地盤反力の評価である。

る曲げモーメントは 繰返し

本稿では、3DFEM を取り入れたモノパイル設計法が主回数の増加に伴い低下する流になりつつある背景を踏まえ、日本で開発された FEM傾向がみられた。解析の4サ

コード「LIQCA3D232)」を使用した、繰返し水平荷重を受イクル目付近で実験の1サイ0けるモノパイルの解析事例を紹介する。

クル目の曲げモーメントに近い値となり、5サイクル目

2. 遠心模型実験によるモノパイルの挙動評価

では実験と解析の曲げモー「大村ほか，2020」3)は相対密度80%の飽和豊浦砂の模型メントが概ね一致する。過剰地盤上にモノパイル（以降、杭）を設置し、50G の遠心場間隙水圧の上昇が実験に比で種々条件の繰返し変位を与えその挙動を観察した。そべて遅れていることを考慮の結果、載荷条件によって杭周辺の過剰間隙水圧は繰返すれば、曲げモーメントの上し回数の増加とともに上昇し、杭モーメント及び杭反力昇・低下傾向は実験結果と概が低下したケースが報告されている。

ね一致する。

3. LIQCA 解析モデル及びパラメータ5. 定荷重解析

解析モデルを図-1に示す。パラメータは豊浦砂の土質実験(1cycle)
実験(5cycle)
実験(20cycle)
解析(4cycle)
解析(5cycle)
解析(20cycle)

5深度 GL(m)ノパイルを介して、モノパイル周辺地盤に伝わる。モノ-5-10-6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000
曲げモーメント(kNm)0

図-2 杭の曲げモーメント分布(1) 載荷荷重及び振動数

試験結果を基本とし、硬化関数や規準ひずみ、ダイレイ

定荷重解析は、杭上部に載荷する荷重と荷重波形の振タンシー係数は、液状化強度曲線や応力ひずみ関係、有動数を変化させ、表-1に示す5ケースについて行った。

効応力経路が試験結果を再現するように、パラメトリッ

表-1 解析ケース（定荷重解析）

クスタディにより決定した。

CASE

上部載荷荷重(kN)（繰返し載荷）

振動数(Hz)繰返し回数(サイクル数)

1217501250

0.20.2202034650
6500.20.1202056500.520

解析モデル
変位・荷重載荷位置
15m0.7◆モノパイル
弾性ビーム材0.6
γDA7.5%0.5◆地盤
繰返し弾塑性モデル
豊浦砂 Dr=80%SR

0.4
0.315m0.2

要素シミュレーション(せん断ひずみの片振幅3.75%)
試験結果DA7.5%
試験結果DA3.0%
DA7.5%の試験結果に合うように
試験結果DA1.5%
パラメータを設定

0.1

突出長：7.1m
0.0

根入れ長：10.0m

1234

5 6 7 8 9

102N

34

5 6 7 8 9100

液状化強度曲線

透水係数k(m/s)

1.99

Mm変相応力比0.729

3.87E-06

Mf破壊応力比0.909e0.72

B0*硬化関数パラメータ4000

λ0.0174

B1*硬化関数パラメータ60

κ0.00174

Cf*硬化関数パラメータ100

G0/σm0'952

Cd異方性消失パラメータ2000

有効土被り圧×疑似過圧密比

50

D0*ダイレイタンシー係数

0.5

現在の静止土圧係数

1ｎダイレイタンシー係数2

現在の有効土被り圧

50

γp*規準ひずみ（塑性）0.03

現在の静止土圧係数

1γe*規準ひずみ（弾性）0.7

図-1 解析モデルと設定パラメータ

ここでは、表-1のうち荷重値の異なる CASE1～3について結果を述べる。地盤の過剰間隙水圧比は、いずれの荷設定パラメータ(地盤)密度ρ(g/cm 3)(2) 定荷重解析結果
2

重条件においても地表面付近では負圧となった。その他の領域では、繰返し回数の増加に伴い過剰間隙水圧比が徐々に上昇し、杭近傍では8～12サイクル目で1.0となる。
杭根入れの中間深度付近では、過剰間隙水圧比が上昇しピークに達した後、低下傾向を示す（図-3）。
杭に発生する曲げモーメントは、繰返し回数の増加に伴い低下するとともに、モーメントが最大値となる深度

全地連「技術フォーラム 2024」新潟
7. 振動数の違いによる比較

CASE1 1750kN
過剰間隙水圧比算出位置
過剰間隙水圧比

1.0

PWP7 5.5m
PWP6 PWP5

載荷荷重の振動数の違いによる挙動の変化を把握する
0.5

ため、表-1の CASE3～5について比較を行った結果、振動0.0数が高いほど過剰間隙水圧比が上昇しにくく（図-6）、杭PWP6PWP7PWP5-0.5の水平変位量は小さい傾向を示した（図-7）。

-1.0

CASE3 0.2Hz

CASE2 1250kN

4060Time(sec)80100

CASE3 650kN

0.0PWP6PWP7PWP5-0.5-1.00.5

PWP7 5.5m

4060Time(sec)

80100

PWP6PWP7PWP5-0.5-1.0

PWP6PWP7PWP5-0.50

CASE4 0.1Hz

204060Time(sec)80204060Time(sec)

80

100

CASE5 0.5Hz

1.001.0100

図-3 過剰間隙水圧比の時刻歴（荷重別）が地表面に近づく傾向がある。各サイクルのモーメント

過剰間隙水圧比

200.0

PWP6 PWP50.0-1.000.5

過剰間隙水圧比

過剰間隙水圧比

0.51.0過剰間隙水圧比算出位置

1.01.0過剰間隙水圧比20

過剰間隙水圧比

00.50.0
PWP6PWP7
PWP5-0.5

ピーク値は、いずれのケースにおいても5サイクル目以降-1.0

概ね一定となる。

0.50.0PWP6PWP7PWP5-0.5-1.0050100150Time(sec)

2000102030Time(sec)40

図-6 過剰間隙水圧比の時刻歴（振動数別）
水平地盤反力係数は、地盤要素の有効応力(kN/m2)を節点の水平変位(m)で除したものとして算定した。
水平地盤反力係数は、時間の経過に伴い徐々に低下し、載荷荷重

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0-0.2-0.4-0.6

case4 0.1Hz
case3 0.2Hz
case5 0.5Hz

水平変位(m)

6. 水平地盤反力係数の算定0によらず概ね一定の値に収束する（図-4）。また、載荷初期は杭根入れの中間深度付近で水平地盤反力係数が大きく、時間の経過につれ根入れ中間深度付近ではゼロとなり地表面付近と杭下端付近で大きな値となる（図-5）。
3) 3地盤反力係数 (kN/m
水平地盤反力係数(kN/m)

5,000P=1750kN
P=1250kN
P=650kN

4,5004,000

150200

図-7 杭の水平変位（地表面+1.0m 地点）

8. まとめ①定変位条件では実験に比べて過剰間隙水圧の上昇は遅れるが、変位載荷による過剰間隙水圧の上昇とそれによ②曲げモーメントは繰返し回数の増加に伴い低下する

3,000
2,500
2,000
1,500が、定荷重条件では5サイクル目以降ほぼ一定となった。

算定位置

1,000

③載荷荷重の振動数が高い(短周期)ケースでは他のケー

500001020304050時間(sec)60708090100スに比べて過剰間隙水圧の上昇が抑制され、杭に生じる

03) 3
地盤反力係数 (kN/m
水平地盤反力係数(kN/m)

100時間(sec)

る曲げモーメントの低下は実験を概ね再現できた。

※地盤反力係数は、杭の右側方向を＋、左側方向を－とする

3,50050-1,000

水平変位も小さい。

-2,000-3,000-4,000-5,000

今後は、実際の設計手法を想定し、これら三次元解析

P=1750kN
P=1250kN
P=650kN-6,000-7,000-8,000

結果を杭-地盤相互作用モデルに反映させる手法等につ※地盤反力係数は、杭の右側方向を＋、左側方向を－とする-9,000

算定位置-10,0000

1020304050時間(sec)60708090100

図-4 杭周辺の水平地盤反力係数の時刻歴
1cycle22.0
20.024.0
P=1750kN
P=1250kN
P=650kN

22.0
20.0

18.0

P=1750kN
P=1250kN
P=650kN

地盤研究所（京都大学名誉教授）岡二三生先生に多くの助言を賜りました。ここに記して感謝の意を表します。

18.0
16.0

地表面（海底面）

14.0

H(m)

H(m)

16.0

9. 謝辞
本研究の遂行にあたり、一般社団法人 LIQCA 液状化

20cycle24.0

いても検討していきたい。

12.0地表面（海底面）

14.01) NEDO（2014）:NEDO 再生可能エネルギー技術白書，

12.0

10.0

10.0

8.0

8.0

6.0

6.0

4.0

4.0

2.0

2.0

0.00.0《引用・参考文献》
第2版,p.73.
2) 一般社団法人 LIQCA 液状化地盤研究所（2023）：
LIQCA2D23・LIQCA3D23(2023 年公開版)資料.
3) 大村直哉, 高橋章浩, 内藤歩, 小林孝彰, 蒲田幸穂
（2020）： モノパイルの繰返し水平載荷条件と周辺砂水平地盤反力係数 (kN/m3)

水平地盤反力係数 (kN/m3)

図-5 杭周辺の水平地盤反力係数（深度分布）

地盤の剛性に関する遠心模型実験,第 55 回地盤工学
研究発表会.