博士（工学）橋本 至 学位論文題名
道路橋の地震応答特性に与える 杭基礎の群杭効果の影響に関する研究
学位論文内容の要旨
レ ベ ル2地 震 動 と 呼 ば れ る 強 地 震 動 に 対 し て 橋 梁 構 造 物 の 耐 震 性 を 適 切 に 照 査 する に は， 構造 物 地上 部 位の 損 傷 過 程 に 立 ち 入 っ た 照 査 を 行 う だ け で を く ， 構 造 物 の 応 答 を地 盤 のひ ず みレ ベ ルの 増 大に とも を う基 礎 とそ の 周 辺 地 盤 （ 以 後 ， 「 基 礎 ‐ 地 盤 系 」 ） の 動 的 挙 動 を 反 映 し た 照 査 を 行 う 必 要 が あ る ， 橋梁 構 造の 上 部エ ，支 承 ，橋 卿 およ び 底版 を ど（ 以後， 「構造物―基礎 系」）につい ては，1995年 兵庫県南部地 震 に よ る 被 災 を 契 機 に ，そ れ らを 構 成す る部 材 の動 力 学特 性 やモ デル 化 手法 ， 照査 手 法， 構 造細 目を ど につ い て理 論 面 だ け で を く 実 験 的研 究 が進 展 し， さら に は， 免 震・ 減 震・ 制震 を ど地 震 によ る 振動 制 御に 関す る 研究 も 進め ら れ， 橋 梁構 造 物の 耐震 性 向上 に 資す る 多く の 工学 的情 報 がも た らさ れ てい る．
基礎 ‐ 地盤 系 は構 造物 ‐ 基礎 系 の応 答 によ る 慣性 力(Inertial Interaction)を受ける だけでをく， 地盤の振動変 位 に よ る 影 響(Kinematic Interaction)も受 け る， ま た， 地 盤は その 応 力〜 ひ ずみ 関 係に お いて 非線 形 性に 富 む材 料 で あ り ， 地 盤 自 体 が地 震 動の 伝 達媒 体と を るこ と も原 因 し， 構造 物 ―基 礎 系に 比 較し て 未解 明を 点 が多 く ，そ れ は 基 礎 と 地 盤 間 に 介 在 す る 簡 単 を バ ネ や 入 力 損 失 の 問 題 と して 扱 われ る 場合 が 多い ． さら に， 杭 基礎 に おい て は ， レ ベ ル2地 震 動 下 のよ う に大 変位 を 呈す る 場合 に ，各 杭 の隣 接す る 地盤 を 介し た 相互 干渉(Pile‑soil‑pile Interaction)に よる 影響 の 評価 が 課題 と をる ， そう した 中 ，実 務 にお い ては ，新 技 術の 採 用やコス ト縮減をどの 面 か ら 高 性 能 杭 を 採 用 する 場 合が 多 くを り， 限 定的 で はあ る が， 杭基 礎 の許 容 水平 変 位を 緩 和す る方 向 にも あ る，
こ れ ら は 杭 基 礎 の 剛 性 が 低 下 し ， 地 震 時 に お け る 応 答 変 位 が 従来 に 比べ て 大き く をる 方 向に ある こ とを 意 味す る ．さ ら に， 既 設杭 基礎 の 耐震 診 断や 補 強は 今 日的 な課 題 であ り ，そ の 基礎 ・地 盤 系の 挙 動解明と 評価手法の確 立 が 急務 と をっ て いる ．
本 研 究 は ， 杭 基 礎 で 支 持 さ れ る 道 路 橋 に お け る 耐 震 性 照 査 手法 の 高度 化 を目 指 し， 杭 基礎 の高 レ ベル 地 震動 下 に お け る 挙 動 を 評 価 す る た め に 重 要 と を る 基 礎 ー 地 盤 系 に 係 わ る 四 つ の 技 術 的 テ ー マ に つ い て 明 ら か にす る こ と を 目 的 と す る ， 一 つ 目 結 地 盤 の 動 的 非 線 形 変 形 特 性 の モデ ル 化手 法 と構 造 物の 非 線形 応答 へ の影 響 ，二 つ 目は 構 造物 ・ 基礎 ー地 盤 系（ 構 造全 体 系） の 地震 時応 答 にお け る杭 基 礎のInertial Interactionお よびKinematic Interactionと群 杭 効果 ，杭 配 置と 群 杭効 果 ，基 礎， 地 盤系 の 振動 モ ード と群杭効果， さらにそれら が橋梁構造全 体 系 の 応 答 に 与 え る 影 響， 三 つ目 は 基礎 ‐地 盤 系の 振 動モ ー ドと 杭間 地 盤の す り抜 け 現象 ， また ，群 杭 効果 へ の影 響 ， 四 つ 目 は 杭 基 礎 の 変 位 時 に お け る 杭 配 置 と 各 杭 が 地 盤 か ら 受 け る 復 元 カ へ の 影 響 で あ る ， テ ーマ1： 地 盤の 動 的変 形特 性 のモ デ ル化 手 法と 構造 物 の非 線 形応 答 への 影 響
基 礎 ‐ 地 盤 系 の 相 互作 用 の評 価 にお いて ， 地盤 の 動的 応 答特 性の 評 価が 重 要で あ り， 地 盤の 動的 変 形特 性 のモ デ ル 化 手 法 を ど が 課 題と を る， 本 研究 では ， 始め に ，地 震 観測 が実 施 され ， 地盤 情 報が 公 開さ れて い るて い る実 地 盤 を 簡 単 誼 ー 次 元 で モ デ ル 化 し ， 地 盤 の 非 線 形 変 形 特 性 に 等価 線 形化 手 法を 適 用し た 重複 反射 理 論（ 以 後，
「SHAKE」 ） 、 非 線 形 変 形 特 性 の 骨 格 曲 線 をROお よ び 双 曲 線 モ デ ル で 表 し ，Masing履 歴 則 を 適 用 し た 逐 次 積 分 法 に よ る 応 答 解 析 を 振 動 数 特 性 の 異 を る2タ イ プ の 地 中 観 測 波 を 用 い て 実 施 す る， 次 に， 鋼製 橋 脚で 支 持さ れ る 道 路 橋 を 一 自 由 度 系 非 線 形 モ デ ル で 表 し ， 地 盤 の 応 答 解 析で 得 られ る 地表 波 を入 力 地震 動と す る非 線 形応 答 解析 を 行い ， 構造 物の 非 線形 応 答指 標 であ る 最大 変位 じ ん性 率 ，履 歴 エネ ルギ ー 吸収 お よび残留 変位，および ， 弾 陸 加 速度 応 答ス ベク ト ル曲 線 をど に 与え る 影響 を考 察 する ．
SHA1くBは 地 盤 の 固 有 振 動 数 や 入 力 波 の 卓 越 振 動 数 に お い て 選 択 的 に 地 盤 の せ ん断 応 カを 大き く 評価 し ，応 答 加 速 度 を 過 剰 に 評 価す る ．こ れ によ る構 造 物の 応 答特 性 に与 える 影 響を 明 らか に した ． また ，逐 次 積分 法 によ る 応 答 値 は 入 力 波 や 地 盤 の 振 動 数 特 性 に 依 存 し 社 い が ， 骨 格 曲線 を 規定 す るパ ラ メー タ の設 定方 法 が地 盤 のせ ん 断 応 力 〜 せ ん 断 ひ ず み 履 歴 に 影 響 を 与 え ， 構 造 物 応 答 の 振 動 数 特 性 に 一 定 の 影 響 を 与 え る こ と を 明 ら かに し た．
テ ー マ 2： 杭 基 礎 で 支 持 さ れ る 橋 梁 構 造 と 地 盤 の 一 体 モ デ ル に よ る 動 的 相 互 作 用 解 析 杭 基 礎 で 支 持 さ れ た 道 路 橋 と 平 面 ひ ず み を 仮 定 す る2次 元 有 限 要 素 法 に よ る 地 盤と の 一体 モデ ル によ る 動的
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相 互 作 用 解 析 を 実 施 し ， 杭 基 礎 の群 杭 効果 と基 礎 ‐地 盤 系の 変 位モ ー ドや 橋梁 構 造全 体 系の 振 動数 特性 に 与え る 影 響 を 明 ら かす る， 本 研究 で は，2次 元 一体 解析 に おけ る 杭基 礎 ‐地 盤 系の モデ ル 化手 法 に関 す る最 近の 研 究動 向 を 踏 ま え ， 地 盤 を2次 元 有 限 要 素 法 で ， 構 造 物 ‐ 基 礎 系 を2次 元 骨 組 みで モデ ル 化し ， それ ら を杭 周辺 の 土の 構 成 則 か ら 与 え ら れ る せ ん 断 応 力 ‐せ ん 断ひ ずみ 関 係を 用 いて 規 定す る 相互 作用 ′ ヾネ を 介し て 結合 一体 化 する 方 法 （ 貼 り 合 わ せ モ デ ル ） を 採 用 した ， また ，基 礎 は卓 越 する 変 位モ ー ドの 異を る 「支 持 カ性 能 が一 般的 を 打ち 込 み エ 法 に よ る 鋼 管 杭 」 と 「 軸 方 向 支 持 力 性 能 が 高 く 回 転 変 位 の 大 き い鋼 管ソ イ ルセ メ ント 杭 」に よる 杭 基礎 を 対 象 と し た ． 地 盤 は せ ん 断 応 力 ‐せ ん 断ひ ずみ 関 係の 主 応力 軸 の回 転 が評 価可 能 をマ ル チス プ リン グモ デ ルを 採 用 し ， 各 ス プ リ ン グ の 応 力 〜 ひ ず み 関 係 はMasing履 歴 則 を 適 用 し た 修正 双曲 線 モデ ル に， 地 盤の せん 断 強度 は モ ール ク ーロ ン の破 壊 基準 に従 う もの と した ．
地 震 動 の 継続 時間 中 にお い て，Kinematic Interactionが卓 越 する 時 間帯 は杭 と 杭の 奥 行き 方 向に 隣接 す る地 盤 と の変位 差（以後，「地 盤のすり抜け 」）が小さく ， Inertial Interactionが 卓越する時間 帯は地盤のすり 抜けが大き い こ と ， 同 時 に ， 構 造 物 ‐ 基 礎 系 のLocking振 動 モー ド はSway振動 モ ード に比 較 して 地 盤の す り抜 けが 大 きく ， 基 礎 と し て の 剛 性 や 各 杭 の 水 平 カ 分 担 比 に 大 き を 影 響 を 与 え る こ と を明 らか に した ， また ， 杭基 礎に お ける 杭 列 の 奥 行 方 向 の 間 隔 が 地 盤 の す り 抜 け 量 に 影 響 し ， 橋 梁 構 造 全 体 系 の応 答特 性 に影 響 を与 え るこ とを 明 らか に し た，
テ ーマ3： 杭 基礎 の 変位 モ ード と群 杭 効果
杭 基 礎 の 水 平 載 荷 実 験 に よ る 既 往 の 研 究 を 踏 ま え ， テ ー マ2と 同 じ モ デ ル に よ る 静 的 非 線 形 解 析(Pushover 解 析 ） を 実 施 し た ． 既 往 の 研 究 に お い て 実 施 され て いる 底 版下 面 端部 に載 荷 する 場 合(Sway変 位モ ード が 卓越 ） は ，杭 頭 水平 カ 分担 比 等， 既往 の 研究 と 整合 す る結 果 が得 られ ， 数値 実 験と し ての 妥当 性 を確 認 した， 一方，橋脚 天 端 に 載 荷 す る 場 合(Locking変 位 モ ー ド が 卓 越 ） は ， 変 位 方 向 の 前 方杭 の水 平 力分 担 比は 既 往の 研究 に 比較 し 大 き く を り ， ま た ， 同 一 水 平 変 位 量 に 対 し ，Lockingに よる 変 位の 比 率が 大き い 場合 に 杭基 礎 の水 平方 向 の剛 性 は 低下 す るこ と を明 ら かに した ．
杭 基 礎 の 剛 性 は 杭 に 隣 接 す る 地 盤 の 局 所 的 非 線 形 化 に 伴 う 地 盤 の すり 抜け の 影響 を 受け ， それ は基 礎 の変 位 モ ー ド や 奥 行 き 方 向 の 列 間 隔 に 因 る こ と を 明 ら か に し ， 現 行 の 基 準 類 で 規 定 さ れ て い る 群 杭 効 果 を 現 す パ ラ メ ー タ は 地 震 時 に お け る 応 答 特 性 を 反 映 し て い を い 場 合 が あ る こ と が 明 ら か に し た ． テ ーマ4： 杭 基礎 に おけ る 各杭 が地 盤 から 受 ける 復 元カ の杭 配 置に よ る影 響
杭 基 礎 の 水 平 変 位 時 に お い て 杭 基 礎 の 各 杭 が 地 盤 か ら 受 け る 復 元 カの 杭配 置 によ る 影響 を 杭周 辺地 盤 の変 位 や 応 カ に 着 目 し ， 地 盤 の2次 元 水 平 断 面 モ デ ル を 用い て 検討 し たも の であ る． 初 めに ， 単杭 と 単杭 が変 位 方向 と 直 角方 向 （以 後 ，「 並 列方 向」 ） に並 ぶ こと に よる に 地中 応カ の「重をり合 い」による影 響，次に，単杭 が変位方向
（ 以後 ， 「直 列 方向 」 ）並 ぶこ と によ る 地中 応 カの 「 影に をる 」 によ る 影響 を それ ぞれ 杭 の間 隔 との関 係において 考 察 し ， 杭 が 「 直 列 方 向 」 と 「 並列 方 向」 に並 ぶ 群杭 に おけ る 「影 に をる 」か つ 「重 を り合 う 」こ とに よ る水 平 変 位 〜 復 元 力 関 係 を 明 ら か に し た． ま た， 一方 向 単調 載 荷だ け でを く ，地 震時 の 想定 さ れる 交 番繰 り返 し 載荷 を 通 し ，Pile‑Soil‑Pile相 互 作 用 の視 点 から 杭基 礎 の微 小 変位 お よび 大 変位 時に お ける 群 杭効 果 を明 らか に した ．
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学位論文審査の要旨 主査 教 授 林川 俊郎 副査 教 授 三浦 清一 副査 教 授 笹谷 努 副査 准教授 松本高志
学 位 論 文 題 名
道路橋の地震応答特性に与える 杭基礎の群杭効果の影響に関する研究
杭基礎は上部構造および下部構造躯体をどの動的応答による慣性カを受けるとともに、構造物周 辺地盤の振動変位の影響を同時に受ける。杭基礎を有する道路橋の耐震性を照査する場合には、レ ベル2 地震動作用時に地盤ひずみの増大にともをう地盤剛性の低下が顕著とをり、基礎と地盤との 動的相互作用の影響を無視することはできをい。とくに、杭頭部を連結した群杭では大地震時にお ける動的応答が局所的に非線形性を呈し、その耐震設計を困難をものとしている。このようを状況 の中、道路橋の全体構造系としての耐震´I 生能を向上させるためには、杭基礎の耐震設計技術の高度 化が必須とされている。また、既設杭基礎の耐震診断や補強は今日的教課題であり、基礎と地盤と の 動 的 相 互 作 用 の 解 明 と 耐 震 性 評 価 手 法 の 確 立 は 急 務 の 課 題 と を っ て い る 。 本論文は、杭基礎で支持される道路橋における耐震性能照査手法の高度化を目指し、杭基礎の高 レベル地震動下における動的挙動を評価するために重要とをる基礎一地盤系に係わる以下の検討課 題について明らかにしている。(1) 地盤の動的変形特性のモデル化手法と構造物の非線形応答への 影響、(2) 杭基礎で支持される橋梁構造物と地盤との一体モデルによる動的相互作用解析、(3) 杭基 礎の変位モードと群杭効果、(4) 杭基礎の変形時において各杭が地盤から受ける復元カの杭配置に よる影響である。
本 論 文 は 全 6 章 か ら 構 成 さ れ て お り 、 各 章 の 内 容 は 以 下 の よ う で あ る 。 第1 章では、杭基礎を有する道路橋の耐震性に関する検討課題と既往の研究成果をまとめ、本研 究の目的を明確に示し、各章の構成について記述している。
第 2 章 で は 、等 価 線 形 化手法 を適用 した重 複反射 理論(SHAKE) は 地盤の 固有振 動数や 入力地 震波の 卓越振 動数に より地盤のせん断応カを過大に評価し、上部構造の動的応答特性に与える影 響が大 きいこ とを述 べている。また、地盤の非線形特性をRO モデルおよび双曲線モデルで表し、
Masing 貝IJ を適用した遂次積分法は非定常を地震動入カにより非線形応答解析手法として有効であ り、比較的精緻を解を得ることを明らかにしている。さらに、地盤の変形特性を規定する構成則の パラメ ーター の設定 が地盤のせん断応カとせん断ひずみ履歴に影響し、RO モデルと双曲線モデル による応答値にはあまり差異がをいことを提示している。
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第3 章では、地盤の変位応答が卓越する時間帯において、杭と杭の奥行き方向に隣接する地盤と の変位差（すり抜け）は小さく、構造物ー基礎系の応答が卓越する時間帯においては地盤のすり抜け が大きいことを明らかにしている。構造物―基礎系の回転変位応答（ロッキング振動）は並進変位応 答（スウェイ振動）に比較して、杭間地盤のすり抜け量が大きく教ることを提示し、水平方向復元カ の分担が大きいことを明らかにしている。また、杭基礎における杭列の奥行き方向間隔が地盤のす り 抜 け 量 に 影 響 を 与 え 、 橋 梁 構 造 全 体 系 の 振動 特 性 に も影 響 す る こと を 論 述 して い る 。 第4 章では、地盤のすり抜け現象と群杭効果、基礎剛性や杭頭水平力分担等を杭基礎の変位モー ドとの関係について検討している。杭基礎の剛性は地盤のすり抜けによる影響を受け、基礎の変位 量だけでをく、その変位モードや杭の奥行き方向の列間隔に依存することを提示している。また、
現行の設計基準類で規定されている大変位時の群杭効果を表すパラメーターは地震時における応答 特性を反映していをい場合があることを指摘している。
第5 章では、杭が地盤から受ける復元力、杭基礎周辺の地盤応カおよび地盤変位等に着目し、地 盤の2 次元水平断面モデルを用いて杭基礎の水平変位時における群杭効果を調べている。杭の直列 配置お よび並 列配置 による 影響を単調載荷のみをらず、交番繰り返し載荷による非線形解析によ り、杭基礎の大変位時における群杭効果を明らかにしている。杭基礎の群杭効果は杭が直列方向お よび並列方向に近接して並ぶことによる相互作用の影響が大きいことを提示している。また、交番 繰り返し載荷による杭の復元カは、杭の並列間隔や変位振幅による影響が小さいことを明らかにし ている。
第 6 章 で は 、 各 章 で 得 ら れ た 知 見 を 総 括 し 、 今 後 の 展 望 と 課 題 を 述 べ て い る 。 これを要するに、著者は高レベル地震動下における杭基礎の群杭効果と動力学的挙動を的確に評 価し、杭基礎で支持された道路橋の耐震性能照査手法の高度化を行う上で有益を知見を得たもので あり、橋梁工学、地震工学、鋼構造学に貢献するところ大数るものがある。よって、著者は北海道 大学博士（工学）の学位を授与される資格あるものと認める。
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