砂泥質土 の波浪応答お よび 自重圧密特性 に関する研究
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(2) 512. 海. 図‑1. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 実験 装 置概要. 発 生 メ カ ニ ズ ム に つ いて 考 察 す る. 図‑1に,熊. 谷 ら(2006a)の 実 験 装 置 の 概 要 を 示 す.実. 験 で は,粒. 径 の 揃 っ た砂(D50=0.12mm,0.3mm)に,海. 成 粘 土 を 土 粒 子 重 量 換 算 で10‑20%混. 合 して 作 成 した 含. 水 比30%の. 砂 泥 質 土 を 用 い た.実 験 結 果 と して,粘 土 含. 有 率10%の. 砂 泥 質 土 を 用 い た 代 表 的 な ケ ー ス(波 高9cm,. 周 期1.7s)に. (1)粒 径0.12mmの. 砂 を用 いた ケー ス. (2) 粒 径0.3mmの. 砂 を用 い た ケ ー ス. お け る 過 剰 間 隙 水 圧 と波 高 伝 達 率 の 時 間 変. 化 を 図‑2に 示 す.粒 径0.12mmの. 砂 を用 い た ケ ー ス で は,. 波 浪 を作 用 させ た 直後 か ら,地 盤 が 流 動 化 して 波 動 運 動 が 現 れ る と同 時 に,変 動 間 隙 水 圧 が 著 し く増 幅 す る液 状 化 を示 す こ と が 確 認 さ れ た.一 方,粒. 径0.3mmの. 砂 を用. い た ケ ー ス で は,波 浪 を 作 用 さ せ た 直 後 に,地 盤 が 流 動 化 して波 動 運 動 が 現 れ,一 定 時 間経 過 後 に,変 動 間 隙 水 圧 が 著 し く増 幅 す る液 状 化 を示 す こ とが 確 認 さ れ た. (1) 2相 流 体 理 論 に よ る 液 状 化 特 性 の 検 討 液 状 化 層 を 高 密 度 の 流 体 層 と み な す こ とが で き る と き, 熊 谷(2001)は,Darlymple・Liu(1978)の. 波浪 一 底 泥 の2相. 図‑2. 過 剰 間 隙 水 圧 と 波 高 伝 達 率 の 時 間 変 化(z=‑10cm). 流 体 モ デ ル を波 浪‑液 状 化 地 盤‑未 液 状 化 地 盤 の モ デ ル に 拡 張 させ,液. (4c). 状 化 の進 行 に 伴 っ て間 隙 水 圧 が 増 幅 す る現. 象 を 理 論 的 に 説 明 で き る こ と を示 して い る.本 研 究 で は, Darlymple・Liuの. モデルを波浪一 液 状 化 地 盤 モ デ ル と して. こ の モ デ ル を 用 い て,実 算 定 す る.入. 用 い,液 状 化 層 を 均 質 な流 体 と して 扱 う手 法 に よ り,液. ω=3.7rad/s,d=0.05‑0.2mを. 状 化 層 内 の圧 力 増 幅 メ カ ニ ズ ム につ い て 考 察 す る.こ の. す よ う に,液. モ デ ル で は,液 状 化 層 内 の 変 動 圧 力 は次 式 で 表 さ れ る.. 動 圧 の1.3倍. (1). 験 条 件 に対 応 す る変 動 圧 力 を. 力 パ ラ メ ー タ と し て,h=0.2m,ρ=1.85g/cm3, 与 え た.解. 析 結 果 を 図‑3に. 状 化 層 内 の 変 動 圧 の 増 幅 を,最. 程 度 ま で 評 価 す る こ と が 限 界 と な っ て い る.. Darlymple・Liuの. モ デ ル は,波. 浪 と底 泥 ま た は 流 動 化 し. た 土 の 相 互 干 渉 を 表 現 す る モ デ ル と し て,既. (2a). 適 用 性 が 検 証 さ れ て い る が(例 1988),変. (2b). こ こに,h:水. 深,h:水. え ば,榊. 往の研究 で 山 ・Bijker,. 動 圧 の 著 し い 増 幅 を 伴 う砂 泥 質 土 の 液 状 化 の. メ カ ニ ズ ム を 表 現 す る こ と は 難 し い と 考 え ら れ る. (2) Channeled. (2c). seepage flow理 論 に よ る 液 状 化 特 性 の 検 討. Foda・Tzang(1994)は,シ. ル ト質 土 に 波 浪 を 作 用 さ せ る. 面 を基 準 に した鉛 直 上 向 き座 標,. ρ:液 状 化 層 の 流 体 密 度,a:入. 射 波 振 幅,λ:波. 数で. あ る.波 数 は次 の分 散 方 程 式 に よ り求 め られ る.. (3) こ こ に,d:液. 状 化 層 厚 で あ り,. (4a) (4b). 示. 大で底面変. 図‑3. 2相流体 モデル に よる変動 間隙 水圧 算定結 果.
(3) 砂 泥質 土 の波浪 応答 お よび 自重 圧密 特性 に関 す る研究. 513. 実 験 を行 い,初 期 の地 盤 条 件 に応 じて,液 状 化 に伴 う共 振 流 動 応 答(Resonant fluidization response),液 状 化 に伴 う 非 共 振 流 動 応 答(Nonresonant fluidization response),非 液 状 化 応 答(Unfluidization response)の3形 態 が 現 れ る こ とを 示 して い る.共 振 流動 応 答 で は,底 面 変動 水 圧 の最 大4倍 程 度 に ま で,変 動 間 隙 水 圧 が 増 幅 す る現 象 が 現 れ て い る. 特 に,緩 い 状 態 で 作 成 され,地 盤 骨 格 が 弱 い 地 盤 条 件 で,. ￨α￨. こ う した 現象 が生 じ る こ とが報 告 さ れ て い る.. 図‑5. 共 振 流 動 応 答 の メ カ ニ ズ ム に つ い て,Foda(1994)は,. 振 動浸 透流 の無 次元 波数 の数値 解. 表‑1. 解 析 で 与 え る物 性 パ ラ メ タ. 地 盤 内 に,亀 裂 状 の細 い 流 路 に集 中 す る浸 透 流(Channeled seepage flow)が 生 じる 仮 説 を 立 て て 説 明 して い る.均 部 と流 路 形 成 部 の 状 態 を 図‑4に 示 す.Fodaは,流. 質. 路 内を. 振 動 す る浸 透 流 を波 動 理 論 で モ デ ル化 す る と と もに,周. 解 析 を行 った 結 果,地. 囲 の 地 盤 挙 動 を 弾 性 理 論 で モ デ ル化 し,こ れ らの相 互 作. 程 度 の 大 き さ で あ る こ とが わ か っ た.解 析 で 与 え るパ ラ. 用 を 理 論 的 に 表 現 し,浸 透 流 の 波 動 運 動 に関 す る分 散 関. メ タを 表‑1に 示 す と と もに,解 析 結 果 例 を 図‑6に 示 す.. 係 式(式5)を 導 い て い る.そ. して,波 動 運 動 す る浸 透 流. 盤 の せ ん 断 弾 性 係 数 は,5.0kN/m2. せ ん 断 弾 性 係 数 を5.OkN/m2と 評 価 した 上 で,Fodaに. が 流 路 区 間 内 で 反 射 し,形 成 さ れ る重 複 波 が 共 振 に よ り. らい,浸 透 流 の流 路 幅bを1mmに. 増 幅 す る こ と に よ り,共 振 流 動 応 答 を 説 明 して い る.. 0.33,ω=3.7rad/s,流. な. 設 定 す る と と もに,v=. 路 内 の 渦 動 粘 性 係 数 を1.0×10‑6m2/s. に 設 定 す る.こ の と き,式(5)よ. り波 数=21.5(1/m)が 得 ら. れ る.共 振 応 答 は,流 路 の両 端 で 振 動 浸 透 流 の 波 が反 射 し,形 成 さ れ る重 複 波 が増 幅 す る条 件 で現 れ る と考 え ら. (5). れ,波 長 の1/2に あ た る0.15mが,共. 振 応 答 を 生 じさ せ る. 最 短 の流 路 長 と評 価 さ れ る.熊 谷 らの実 験 で は,液 状 化. (6) こ こに,ρ,μ:流 b:流. 路 幅,G,v:地. 路 内 の 流 体 密 度 お よ び粘 性 係 数, 盤 骨格 のせん 断弾性係 数 および ポ. ア ソ ン比 で あ る.上 式 は,複 素 方 程 式 で あ り,実 部 の 解 が 振 動 浸 透 流 の波 数,虚 す.図‑5に,無 次 に,式(5)の. 部 の 解 が エ ネ ル ギ ー減 衰 率 を 表. 次 元 波 数 の数 値 解 を 示 す. 分 散 関係 式 を用 いて,熊. て は,土 FEMモ. 度 で あ る こ と が 確 認 さ れ て お り,. を 生 じさ せ る 流 路 長 と概 ね 一 致 す る.Channeled. 用 い ら れ るせ ん 断 弾 性 係 数 に つ い. seepage. flowの 仮 説 に よ り,砂 泥 質 土 の液 状 化 時 に お け る変 動 間 隙 水 圧 の増 幅 特 性 を説 明 で き る こ と が わ か っ た. (3) 液 状 化 後 の体 積 変 化 特 性 に 関 す る 検 討 Ishihara・Yoshimine(1992)は,粒. 谷 ら(2006a)の. 砂 泥 質 土 の 実 験 に お け る共 振 流 動 応 答 の発 生 条 件 を 検 討 す る.ま ず,式(5)で. 厚 は,0.1‑0.15m程. Channeled seepage flow理 論 を 用 い て 評 価 さ れ る共 振 応 答. 径 の揃 っ た 砂 を対 象. に して,地 震 に よ る液 状 化 安 全 率 と液 状 化 後 の過 剰 間 隙 水 圧 消 散(排 水)の 過 程 で現 れ る体 積 ひ ず み の 関 係 を 実 験. 田 ら(2005)の 数 値 波 動 水 路 とVoigt型 粘 弾 性. デ ル の 連 成 解 析 モ デ ル を 用 い て,適. 切 な値 を評. 価 す る.実 験 で は,流 動 化 した砂 泥 質 土 上 を通 過 す る波 の伝 達 率 は,土 槽 中 央 部 で,概 ね0.8‑0.85の 範 囲 に あ る こ と が 確 認 され て い る(図‑2).こ の 結 果 を 検 証 値 と して,. (1) 水 位変 動. (2)変動 水 圧分布 図‑4. Channeled. seepage. flow理. 論 に お け る モ デ ル 化. 図‑6. VOF‑粘. 弾 性FEM連. 成 モデ ルに よる解析 結果 例.
(4) 514. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 的 に 明 らか に して い る.こ の 研 究 成 果 に よ れ ば,相 対 密 度 が30%程 度 で非 常 に緩 い 砂 地 盤 が 完 全 に液 状 化 して も, 最 大 で5%程 度 の ひ ず み しか 現 れ な い こ とが わ か る. 一 方 ,熊 谷 らの実 験 で は,粘 土 分 を10%含 有 す る砂 泥 質 土 の 液 状 化 後 に,5‑15%の. 大 き な ひず み が 生 じ る こ と. が 確 認 され て い る.せ ん 断 力 の作 用 に よ り生 じ る ダ イ レ イ タ ン シ ー の効 果 が,過 剰 間 隙水 圧 の 消 散 に 伴 う圧 縮 性 を増 加 させ る こ とが 知 られ て い るが(例 矩,1997),砂. 泥 質 土 は,砂. 図‑8. 圧 密実 験装 置概 略図(断 面 図). え ば,吉 田 ・規. に比べ て体積変 化量 が大 き. い こ とが わ か る.こ の 原 因 に つ い て,砂 泥 質 土 の 圧 密 特 性 よ り検 討 す る.実 験 で 用 い た砂 泥 質 土 の圧 密試 験 結 果 を図‑7に 示 す よ うに,含 有 す る粘 土 が 少 量 で も,砂 泥 質 土 は有 意 な 圧 縮 性 を 示 す.圧 縮 指 数 の 大 き さ と して,一 般 に 砂 で は,0.001‑0.05程. 度 で あ る一 方,含. が 少 量 で も,砂 泥 質 土 で は,0.1程. 有 す る粘土 (1)e‑log. 度 に 大 き くな る こ と. p関. 係. が わ か る.す なわ ち,砂 泥 質 土 の体 積 変 化 特 性 に は,せ ん 断 に よ る ダ イ レイ タ ン シ ー効 果 だ けで な く,粘 土 中 の 間 隙 水 の排 水 に よ る圧 密 の 影 響 が大 き い と考 え られ る. ま た,粗 い 砂 で 砂 泥 質 土 が 形 成 さ れ る場 合 は,熊 谷 ら が 指 摘 す るよ う に,砂 粒 子 に付 着 して い る粘 土 が流 出 し て 生 じる 空 隙 に,砂 粒 子 が 詰 ま る こ と に よ り,ひ ず み が 増 加 す る効 果 が 同 時 に 現 れ る と考 え られ る.. (2)cv‑log. 図‑9. 3. 砂 泥 質 土 の 自 重 圧 密 特 性. p関. 係. 砂泥 質土 の標 準圧 密試 験結 果. 粘 土 含 有 量 が 多 い砂 泥 質 土 で は,粘 土 分 が 発 揮 す る粘 着 抵 抗 力 が 強 い た め,過 剰 間 隙 水 圧 の 増 大 に伴 って 有 効 応 力 が ゼ ロに な る よ うな 液 状 化 は発 生 し に くい一 方,粘 土 中 の間 隙 水 の 排 水 に伴 う圧 密 現 象 が 支 配 的 に現 れ る. 熊 谷 ら(2006a)の 実 験 で は,粘 土 含 有 率 を20%に. 増加 さ. せ,か っ 含 水 比 を 抑 え た条 件 で は,与 え た 波 浪 条 件 に 対 して,液 状 化 が 生 じな い と と も に,漂 砂 に伴 う砂 漣 の 形 成 や 地 形 変 化 が ほ と ん ど生 じな い こ とが 確 認 さ れ て い る. 一方 ,熊 谷 ら(2006b)は,潮 間 帯 にお い て 粘 性 土 と砂 ・. 図‑1 0沈. 下量 の経 時変化. 礫 が 存 在 す る地 盤 の 形 成 過 程 の 解 明 に 向 けて,粘 土 層 と. 前 章 の 波 浪 応 答 実 験 に使 用 した粘 土 と 同一 で あ り,粘 土. 高 透 水 性 の砂 ・礫 層 の互 層 構 造 が 形 成 さ れ て い る条 件 に. の 含 水 比 を 液 性 限 界 の1.3倍 に あ た る145.1%(密. 対 して,冠 水 ・干 出 を伴 う潮 位 変 動 下 の圧 密 実 験 を実 施. 1.34g/cm3)に 調 整 した 後,粒 径0.3mmの. した.本 研 究 で は,こ. 7:3,5:5,3:7に. の よ うな 互 層 地 盤 条 件 と比 較 しな. 度. 砂 との混合 比 を. 設 定 した.こ の と きの 砂 泥 質 土 の 含 水 比. が ら,砂 泥 混 合 土 の 自重 圧 密 特 性 を解 明 す る た め に,圧. は,そ れ ぞ れ43,72,100%で. 密 実 験 を 行 う.図‑8に. 1.59,1.47g/cm3で. あ る.実 験 で は,地 盤 の 冠 水 ・干 出 を. 伴 う周 期12hr,振. 幅1mの. 実 験 装 置 を 示 す.使. 用 した粘 土 は,. あ り,密 度 は,そ れ ぞ れ1.78,. 潮 位 変 動 を3ヶ 月 間 与 え た.. 砂 泥 質 土 の 圧 密 試 験 結 果 と沈 下 計 測 結 果 を 図‑9,10に そ れ ぞ れ 示 す.砂 泥 質 土 で は,砂 の 含 有 量 の増 加 に伴 い, 圧 縮 性 は 小 さ くな る もの の,自 重 が 大 き くな る た め,砂 と粘 土 の混 合 比 が3:7の 条 件 で は,原 泥 よ り圧 密 沈 下 量 が 大 き く生 じ る こ とが わ か っ た.ま た,砂. と粘 土 の 混 合 比. が7:3の よ う に,粘 土 が 少 な い ケ ー ス に お い て も,混 合 土 図‑7. 砂 泥 質 土 の 標 準 圧 密 試 験 結 果(e‑logp関. 係). の 透 水 性 は,粘 土 の影 響 を 大 き く受 け,圧 密 速 度 は,原.
(5) 515. 砂 泥質土 の波 浪応 答 およ び 自重圧 密特 性 に関 す る研 究. に示 さ れ る未 圧 密 地 盤 の 自重 圧 密 に 関 す る解 析 手 法 を 用 い て,Sekiguchi・Ohta(1977)の FEMモ 4.. デ ル に よ り,表. 潮位変 動下 の間 隙水 圧変動(砂5:粘. 土5の ケー ス). 現 で き る こ と を 検 証 し た(図‑13).. おわ りに. 本 研 究 で は,粘. 図‑11. 弾 塑 性 構 成 則 に基 づ く. 土 分 が 比 較 的 少 な い 砂 泥 質 土 に お い て,. 波 浪 応 答 と して特 徴 的 に現 れ る共 振 流 動 状 態 の 液 状 化 の メ カ ニ ズ ム を,Foda(1994)のSeepage. channeled. に よ り 説 明 で き る こ と を 明 ら か に し た.た channeled. nowの. flow理 論. だ し,Seepage. 存 在 に つ い て は 実 証 さ れ て お ら ず,今. 後 の 課 題 で あ る.ま. た,粘. 土 分 が 多 い砂 泥 質 土 の 冠 水 ・. 干 出 を 伴 う潮 位 変 動 下 の 圧 密 特 性 に 関 して,原. 泥状態 と. 高 透 水 性 の砂 礫 層 が 地 盤 内 に 存 在 す る ケ ー ス を 併 せ て比. 図‑12. 砂 泥質 地盤 と粘 土一 高 透水 性層 地盤 の圧 密沈 下特 性. 較 し,そ. れ ぞ れ の 地 盤 に お け る 圧 密 特 性 を 明 ら か に し た.. 参 熊 谷 隆 宏(2001): 考 察,海. 考. 文. 献. 波 浪 と液 状 化 地 盤 の相 互 干 渉 に 関 す る 理 論 的. 工 論 文 集,. 第48巻, pp.966‑970.. 熊 谷 隆 宏 ・池 野 勝 哉 ・土 田孝(2006a):. 波 浪 作 用 下 に お け る砂 泥. 質 土 の 粗 粒 化 お よ び液 状 化 特 性 につ い て, 海 工 論 文 集,. 第. 53巻, pp.426‑430. 熊 谷 隆 宏 ・上 田正 樹 ・池 野 勝 哉 ・渡 部 要 一 ・佐 々真 志(2006b): 潮 間帯 に お け る粘 性 土 地 盤 の 圧 密 特 性 に関 す る研 究, 図‑13. 弾 塑 性FEMモ (砂5:粘. 論 文 集, 第53巻,. デ ル の適 用 性 の 検 証. 熊 谷 隆 宏 ・土 田 孝 ・大 坪 政 美 ・渡 部 要 一 ・五 明 美 智 男 ・塩 田. 土5の ケ ー ス). 耕 司(2007): 波浪 作用下 にお ける底泥表層 の圧密 促進 メカ ニ ズ ム, 地 盤 工 学 ジ ャ ー ナ ル, Vol.2, No.3, pp.223‑235.. 泥 の 状 態 か らそ れ ほ ど上 昇 しな い こ とが わ か った.. 榊 山勉 ・Bijker E. W.(1988):. 地 盤 内 間 隙 水 圧 の 変 動 例(砂5:粘 土5の ケ ー ス)を 図 ‑11に 示 す .砂 と粘 土 が 均 一 に混 合 した砂 泥 質 土 で は, 潮 位 が 地 表 面(DL+1.5m)よ. り高 い 冠 水 時 に は,間 隙 水. 圧 は潮 位 変 動 に 追 随 し,静 水 圧 分 布 を形 成 しな が ら変 動 す る.一 方,干. 出時 に は,地 盤 内 水 位 は 低 下 せ ず,地. 面 位 置 に維 持 され,間 値 に な って い る.こ. 表. 隙 水 圧 は地 盤 内 の 深 度 に対 応 した う した 挙 動 を示 す と き,有 効 圧 密 圧. 力 は変 動 しな い た め,冠 水 ・干 出 の繰 り返 し作 用 が 圧 密 特 性 に与 え る影 響 は非 常 に小 さ い.こ れ は,他 の砂 泥 質 土 や 原 泥 の ケ ー ス で も,同 様 に観 察 さ れ て い る. 一 方 ,粘 土 層 と砂 ・礫 等 の高 透 水 層 が 互 層 に存 在 す る 場 合,透. 水 層 近 傍 の 間 隙 水 圧 は,透 水 層 の冠 水 時 に は,. 潮 位 に 追 随 して 静 水 圧 分 布 を形 成 しな が ら変 動 す る一 方, 干 出 時 に は,大 気 圧 レベ ル ま で低 下 す る(熊 谷 ら,2006 b).こ. の よ うな 透 水 層 部 の圧 力 低 下 時 に は,地 盤 内 と透. 水 層部 の水 頭 差 に 起 因 す る透 水 力 が 地 盤 内 に 作 用 す る た め,圧 密 が促 進 され る.図‑12に,本. 研 究 に お け る砂5:. 粘 土5の 砂 泥 質 地 盤 と,熊 谷 ら(2006b)に. 海工. pp.436‑440.. お け る0.25m. 間 隔 で 高 透 水 層 が 存 在 す る粘 土 地 盤 の沈 下 特 性 を比 較 す る.干 出 時 に お け る透 水 力 の 作 用 や排 水 距 離 の 違 い に よ り,沈 下 量 お よ び圧 密 速 度 が 大 き く異 な る こ とが わ か る. ま た,砂 泥 質 土 の 自重 圧 密 沈下 特 性 は,熊 谷 ら(2006b). 速 度,電. 波 に よ る海 底 粘 性 土 の 質 量 輸 送. 中 研 報 告, pp.1‑37.. 善 功 企 ・山 崎 浩 之 ・渡 辺 篤(1987):. 海 底 地 盤 の 波 浪 に よ る液 状. 化 お よ び 高 密 度 化, 港 研 報 告 第26巻. 第4号,. pp.125‑180.. 土 田孝 ・熊 谷 隆宏 ・池 野 勝 哉 ・渡 部 要 一 ・五 明 美 智 男(2005): 波 浪 作 用 下 の 底 泥 の 挙 動 に 関 す る 解 析 手 法 につ い て, 海 工 論 文 集, 第.52巻, 日本 港 湾 協 会(2007):. pp.451‑445. 港 湾 の 施 設 の技 術 上 の基 準 ・同 解 説(上),. pp.315‑319. 吉 田 望 ・規 矩 大 義(1997):. 液 状 化 解 析 に用 い る体 積 変 化 特 性 モ. デ ル に関 す る検 討, 第32回 地 盤 工 学 研 究 発 表 会, pp.889‑890.. Darlymple A. R. and Liu P. L.-F. (1978): Wave over soft muds: A two-layer fluid model, J. Phys. Ocean. 8, pp.1121-1131. Foda M. A. (1994): Inertial (non-Darcian) channeled seepage flow, J. Geophys. Res., Vol.99 (C10), pp.20477?20485. Foda M. A. and Tzang S.Y. (1994): Resonant fluidization of silty soil by water waves, J. Geophys. Res., Vol.99 (C10), pp.20463?20475. Ishimine K. and Yoshimine M. (1992): Evaluation of settlement in sand deposit following liquefaction during earthquake, Soils and Foundation, Vol.32, No.1, pp.173-188. Kamphuis J.M. and Hall K.R. (1983): Cohesive Material Erosion by unidirectional current, J. Hydraul. Eng., Vol.109, pp.49?61. Mitchener H. and Torfs H. (1996): Erosion of mud/sand mixtures, Coast. Eng. 29, Elsevier, pp.1-25. Panagiotopoulos I. et al.(1997): The Influence of clay on the threshold of movement of fine sandy bed, Coast.Eng.32, Elsevier, pp.19-43. Sekiguchi H. and Ohta H. (1977): Induced Anisotropy and Time Dependency in Clays, Proc. of the 9thInt. Conf. on Soil Mech. and Foundation Eng. Specialty Session 9, Tokyo, pp.229-238..
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