2.1 傾斜地盤における側方流動の事例 3

液状化地盤の側方流動予測とライフライン被害予測システムの開発

早 稲 田 大 学 理 工 学 部 濱 田 政 則

目 次

1. はじめに 1

2. 液状化地盤の側方流動および構造物基礎と埋設管路の被害 3

2.1 傾斜地盤における側方流動の事例 3

2.2 護岸の移動に起因する側方流動の事例 4

2.3 側方流動による基礎杭の被害 5

2.4 側方流動によるライフライン埋設管路の被害 6

3. 地盤変位の予測法に関する既往の研究 8

3.1 液状化地盤の流動特性 8

3.2 傾斜地盤の側方流動による地盤変位の予測手法 9 3.3 護岸移動に起因した側方流動による地盤変位の予測手法 10

4. 地盤ひずみと埋設管路の被害に関する研究 13

4.1 地盤ひずみの算定法 13

4.2 既往地震による地盤ひずみの算定 15

4.3 地盤ひずみと埋設管路被害の定量的関係 15

4.4 側方流動が基礎に及ぼす外力特性の基礎的研究 19 5. 側方流動とライフライン埋設管路の被害予測システムの構築 21

5.1 予測システムの概要 21

5.2 GIS によるデータベースの構築 22

5.3 液状化の判定, 側方流動による地盤変位と地盤ひずみの算定 22 5.4 地盤のひずみによる埋設管路の被害率の算定 23

6. 適用事例 24

参考文献 28

1

1. はじめに

液状化地盤が水平方向に数 m のオーダで変位する現象, いわゆる側方流動は,兵 庫県南部地震をはじめとする既往地震において,構造物基礎やライフラインシステムの 地中構築物等に極めて甚大な被害を生じさせてきた．このため,将来発生が予測され る地震に対して側方流動による地盤の水平変位量の推定を適切に行い,構造物基礎 やライフライン施設に対する影響を予測して必要な対策を講じておくことが急務と考え られる．

早稲田大学 濱田研究室では 1983 年の日本海中部地震を契機として,側方流動の メカニズムと変位予測手法に関し,模型実験および既往地震における事例分析による 研究を推進してきた．これらの研究成果に基づき,液状化地盤の大変位が主として液 状化土の流体的挙動によるとの考え方より地盤変位予測手法の提案を行ってきてい る．

液状化地盤の側方流動は,数 100m 四方の緩傾斜地盤および広域にわたる埋立地 に生ずることから,変位量の予測にあたっては地盤条件と地形条件および護岸の構造 条件などを効率的にかつ統一的に処理し,これにもとづいて広域に及ぶ地盤変位を精 度よく推定されることが要求される．このため GIS を活用したデータベースによる「液状 化地盤の側方流動システム」の開発を行ってきた．

本研究では,本システムを拡張して,上・下水道などの広域にわたるライフライン埋設 管路の被害を予測するシステムの開発および流動変位に対する構造物基礎の変形 挙動の解明を研究目標とした．このため,側方流動による地盤ひずみと上・下水道管 路の被害率の関係を兵庫県南部地震等の既往地震における事例分析より定量的に 明らかにし,この結果を被害予測のシステムの中に組み入れた．また,側方流動による 地盤変位が構造物基礎に及ぼす外力特性を実験的に明らかにし,「側方流動予測シ ステム」によって推定される地盤変位に対する耐震性照査のための基礎的知見を得 た．

「液状化地盤の側方流動とライフライン埋設管路の被害予測システム」の概要と,これ を構築するための要素技術の関係を図 1.1 に示す．

2

図 1.1 液状化地盤の側方流動とライフライン埋設管路被害の 予測システムおよび要素技術の開発

液状化地盤の側方流動と ライフライン埋設管路の被 害予測システムの構築

予測システム構築のための要素技術の研究

既往地震の流動変位

の事例分析 ・模型地盤の流動実験

・液状化土の流動特性試験

地盤変位の予測手法の開発 側方流動による

地盤変位の予測

地盤の側方流動による基礎 構造の大変形挙動の解析 手法の研究

側方流動による 地盤ひずみの予測

地盤ひずみによる 埋設管路の被害予測

地盤ひずみと埋設管路の 被害率の関係の定量的分 析

：既往の研究

：本研究で実施 地盤の側方流動による地

盤ひずみの算定方法の 開発

3

２．液状化地盤の側方流動および構造物基礎と埋設管路の被害

1964 年新潟地震,1983 年日本海中部地震および 1995 年兵庫県南部地震における 液状化地盤の側方流動事例の分析によれば,液状化地盤の側方流動には図 2.1 に示 す２つのタイプがあることが知られている. 1), 2), 3)

(a) タイプ 1:地表面の傾斜による (b)タイプ 2:護岸の移動に起因する側方流動 側方流動

図 2.1 液状化地盤の側方流動のタイプ

タイプ 1 の側方流動は,地表面が傾斜している場合に,液状化地盤が重力によって斜 面下方に水平移動するものである.地表面の勾配は一般に 2～3％以下の場合が多く, １％未満のほぼ平坦な地盤でも数 m の水平変位を生じている場合が報告されている.

タイプ 2 の側方流動は,護岸が地震による慣性力や基礎地盤の液状化によって水辺 方向に移動し,これに伴って護岸背後の液状化地盤が水平移動するもので,1995 年兵 庫県南部地震で神戸市などの埋立地で多く観測されている. ⁴⁾

2.1 傾斜地盤における側方流動の事例

図 2.2 は,1983 年日本海中部地震における能代市市街地における側方流動の例を 示す.図中のベクトルが水平変位の大きさと方向を表す.この地域は海岸線よりやや離 れた独立した砂丘地帯で,砂丘頂部より勾配 2～3％の緩やかな傾斜地盤となっている が,図示するように,砂丘の斜面に沿って地盤が水平変位を生じている.最大の水平変 位は 5m に達している．この付近では,流動変位により家屋基礎の被害およびガス導管 等の被害が数多く発生した.

地表面

地表面変位 傾斜部分 背後部分

非液状化層

液状化層

護岸移動 地表面変位

非液状化層

液状化層 護

岸

4

図 2.2 傾斜地盤における側方流動の事例(1983 年日本海中部地震,能代市)

2.2 護岸の移動に起因する側方流動の事例

図 2.3 は 1995 年兵庫県南部地震における神戸市深江浜の側方流動の事例を示す.

図 2.3(a)は地震発生の２日後に撮影された航空写真であり,この中で黄色く映っている 部分は液状化によって地中より噴出した砂を示す.これからこの埋立地全域が激しく液 状化を起こしたことを伺うことが出来る.図 2.3(b)のベクトルは側方流動による水平方向 の地盤変位でベクトルの先頭の数字は変位の大きさを cm で示している.これによれば, 護岸が海方向に 3～4m のオーダで水平変位を生じ,これに起因して護岸背後の埋立 地盤が同様に海方向に水平変位を生じている.ここで注目すべきことは,この埋立地の タンクヤード全体が海方向に移動していることである.タンクヤードは幅，奥行きとも 300m の広さを有しているが,全体が水平移動を生じている.側方流動量の予測にあた

凡　例 凡　例

5m（変位）

0 100m

0 100m

5

っては限定された狭い地域の地盤・地形条件だけでなく,広域にわたる地盤・地形条 件と護岸の構造条件を考慮した予測が必要であることを示している.

このタンクヤードでは,地震により液化プロパンガスの配管系のパルプが変形し,大 量のガスが漏洩し付近住民が緊急避難する事態となった．地盤変位による地盤ひず みが配管系のバルブを変形させたことが原因とされている.

(a)埋立地の航空写真(地震発生 2 日後) (b)側方流動による地盤変位 (単位:cm) 図 2.3 護岸の移動に起因する側方流動の事例

(1995 年兵庫県南部地震,神戸市深江浜)

2.3 側方流動による基礎杭の被害

液状化地盤の側方流動による地盤変位は建物,橋梁およびライフライン施設などの 基礎構造に極めて深刻な被害を生じさせている.図 2.4 は 1964 年新潟地震による建物 のコンクリート基礎杭の被害状況を示す.地震発生から 20 年後の建物の建替工事で 直径 30cm のコンクリート杭(既製遠心杭)がことごとく破壊されていることが発見された．

図 2.5 はこの建物付近の流動による水平方向の地盤変位を示す.建物周辺におい て地盤が南東の方向に平均約 2m のオーダで水平変位していることが分かる.図 2.6 は杭の被害状況と建物基礎地盤の N 値を示す．杭は上下２ヶ所で破断している.図に は N 値から判定される推定液状化層を併せて示すが,上下部の非液状化層と液状化

0 100m

0 100m

N N 336

189

189 365

338 365

188 189

285 298

235 236

6

層の２つの境界が杭の被害地点にほぼ一致していることが注目される.また,杭は南東 方向に 1～2m 変形しており,付近の地盤変位の大きさと方向に一致している.

図 2.4 側方流動による杭の被害

(1964 年新潟地震,新潟市) 図 2.5 基礎杭が被害を受けた建物周辺 での流動による地盤変位(cm)

(1964 年新潟地震)

図 2.7 下水処理場本館建屋の基礎杭の 被害(1995 年兵庫県南部地震,神戸市) 図 2.6 基礎杭の破壊状況と N 値

側方流動による基礎杭の被害は,1995 年兵庫県南部地震においても高速道路の橋 脚基礎,建物基礎およびライフライン拠点施設の基礎にも数多く発生した．図 2.7 は神 戸市の下水処理場の本館建屋の基礎杭の被害の状況である．

2.4 側方流動によるライフライン埋設管路の被害

液状化地盤の側方流動による変位は地盤に相対変位,すなわちひずみを生じさせ, ライフライン等の埋設管路に被害を発生させる．図 2.8 は 1983 年日本海中部地震に

2.0m

水平変位

106

191 169

129

207

197 150 149 82 54 125 109 119

70 72

107 0 25 50 ^m 0 25 50 ^m

杭基礎が被害を 受けた建物

1.0 2,000

～

南東方向

0 10 20 30

推定液状化層

N-Values

2.0~3.0m4.5~6.5m2.5~3.5m1.7m

1~2m

7

おける直径 90mm の都市ガス用の溶接鋼管の被害である．45°の曲がり部の溶接箇 所が破断し,２つの破断面が 70cm も離れていた事例である．

図 2.9 はこのガス導管の破断点付近における地盤の水平変位を示す．地盤はガス導 管の敷設ラインを外側に押し拡げるように変位している．地盤変位によってガス導管に 引張応力が発生し,さらに曲がり部において曲げ応力が発生して破断したものと推定さ れる．

図 2.10 は 1964 年新潟地震による天然ガスパイプラインの座屈である．側方流動によ り地盤に圧縮ひずみが生じ,管路が座屈を起こして,地表面上に突出したものである．

図 2.11 は 1995 年兵庫県南部地震による水道本管の溶接部の破断である．この場合 は地盤の引張ひずみとせん断ひずみが被害の原因と推定されている．

図 2.8 地盤ひずみによるガス導管の被害 (1983 年日本海中部地震,能代市)

図 2.9 ガス導管の被害地点付近における 地盤変位(1983 年日本海中部地震)

図 2.10 地盤の圧縮ひずみによる天然 ガスパイプラインの座屈

(1964 年新潟地震,新潟市)

図 2.11 地盤の引張ひずみとせん断ひず みによる水平本管の破断

≒≒7070cmcm

0 40m

0 40m

ガス導管の被害 ガス導管の被害

（切断面の

（切断面の7070cmcmの開き）の開き）

地表面変位 地表面変位

曲げモーメント 曲げモーメント 267

216

173

150 113

79

(cm)

8

３．地盤変位の予測法に関する既往の研究

側方流動による地盤変位予測システム構築のためには地盤変位の予測手法の確立 が必要である．このため,既往の研究において液状化地盤の流動特性が模型地盤の 流動実験により解明され,既往地震における流動事例の分析成果と併せることにより変 位の予測手法が開発されている．これらの研究成果と本システムに用いられている変 位の予測手法の概要を以下に述べる.

3.1 液状化地盤の流動特性に関する既往研究⁵⁾

液状化地盤の流動による地盤の大変位は液状化土の流体的な挙動によって引き起 こされると考えられる．このため,液状化土の流体的性質(流れ易さ,又は流れ難さ)を解 明しておくことは,地盤変位の予測に関して極めて重要と考えられる．

濱田等は,液状化地盤の流動特性を重力場(図 3.1)の模型実験から明らかにし,次の 結果を得ている．

① 図 3.2 に示すように液状化土の粘性係数,すなわち流れ難さを表す指数はせん断 ひずみ速度の増大とともに減少する非線型粘性流体(ビンガム流体又は擬塑性流 体)の性質を示す．

② 図 3.3 に示すように液状化土の粘性係数は,模型地盤の厚さ H の約 1.3～1.6 乗 に比例して増大する.このことは液状化地盤のその厚さのほぼ 1.5 乗に比例して流 れ難くなることを示している．

以上の液状化土の重力場の模型実験より得られた流動特性は,遠心載荷場におけ る液状化土の流動実験によっても確認されている．すなわち,液状化土の粘性係数が せん断ひずみ速度の増大とともに減少する非線型性を有することおよび地盤の拘束 圧の 1.4～1.8 乗に比例して粘性係数が増大することが示されている．

図 3.1 液状化土の流動実験

A C5

PP1 PP2 PP3 PP4

PP5 PP6 PP7 PP8

A C1 A C2 A C3 A C4

PP9 PP10 PP11 PP12 8.7%

50 ビデ オ撮影 A C: 加 速度 計

PP : 水 圧計 T : 地 表面標 的

303025

台座 振 動台

130

130 100 100 100 100

84~151

T1~ 4

510

A C5

PP1 PP2 PP3 PP4 PP1 PP2 PP3 PP4

PP5 PP6 PP7 PP8 PP5 PP6 PP7 PP8

A C1 A C2 A C3 A C4 A C1 A C2 A C3 A C4

PP9 PP10 PP11 PP12 PP9 PP10 PP11 PP12 8.7%

50 ビデ オ撮影 ビデ オ撮影 A C: 加 速度 計

PP : 水 圧計 T : 地 表面標 的

303025

台座 振 動台

130

130 100 100 100 100

84~151

T1~ 4

510

51.551.5 530

加振 方

向 流動方向

T1 T2

T4 T3

130 100 100 100 100

PP9~ 12 PP5~ 8 A C1~ 4 PP1~ 4

51.551.5 530

加振 方

向 流動方向

T1 T2

T4 T3

130 100 100 100 100

PP9~ 12 PP5~ 8 A C1~ 4 PP1~ 4

T1

T2

T4

T3

10

10

1.5

T1 3

T2

T4

T3

10

10

1.5

3

(a) 模型地盤断面と計器の配置

(b) 模型地盤平面と計測器の配置

(c) 地表面標的 単位：

cm

9

図 3.2 液状化土の粘性係数 図 3.3 液状化土の粘性係数と模型地盤の厚 さの関係

3.2 傾斜地盤の側方流動による地盤変位の予測手法

濱田等は,前述の「液状化地盤の流動特性に関する既往研究」の成果をもとに,液状 化地盤の粘性係数がすなわち液状化土の流れ難さが地盤の拘束圧の 1.5 乗に比例 するものとして以下の式を提案している．

図 3.4 液状化層が複数層の場合の側方流動

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0 2 4 6 8

せん断ひずみ速度(1/s) 粘性係数

(kPa

・

s)

　模型地盤層厚

：

84cm

　 ：

100cm

： 119cm ： 151cm

H^1.63 H^1.53 H^1.27 H^1.38

120

80 85 90 95100 150 200

1 2 3 4 5 6

模型地盤層厚 (cm)

粘性係数

(kPa

・

s)

無次元せん断ひずみ速度

：　0.07 ：　0.09

：　0.11 ：　0.13

10

(1)地震動の継続時間を含まない予測式

(3.1)

ここで、

D S

：傾斜地盤の水平変位量（m）

γ

_i：第 i 層の単位体積重量 (KN/m³) θ：地表面勾配（％）

σ

_vi：第 i 層上面での全上載圧 (KN/m²)

N

i：第 i 層の補正Ｎ値（1）

式(3.1)による地盤変位の予測値と既往地震で観測値の関係は図 3.5 に示す通りで ある．予測値がほぼ倍半分の精度で実測値を説明していることが分かる．

図 3.5 既往地震の実測値と予測式からの推定値

3.3 護岸移動に起因した側方流動による地盤変位の予測手法

護岸背後地盤の水平流動量は護岸自体の地震時の移動量に支配されている．その ため護岸背後地盤移動量は図 3.6 に示すようにまず護岸自体の移動量を求め,これに 護岸から離間距離による移動量減衰率を乗ずることにより求める．

/ θ Η i γ i vi

Η i γ i Η i

n σvi S i

D ⋅

⎟ ⋅

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ + ⋅ ⋅

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ ⋅ + ⋅ ⋅

∑ =

⋅

=

i 2 3 2

1

2 2

1

1 36

σ Ｎ

0 200 400 600 800

0 200 400 600 800

流動予測式による推定値(cm)

側方流動の実測値(cm)

新潟地震 日本海中部地震

１：１

23 19 17

22

20

21

18

24 4

9 7

12 8 15

2 1 5 146 13 16

10 11

3

側方流動の実測値(cm)

流動予測式による推定値(cm)

11

図 3.6 護岸背後地盤の側方流動量の推定

護岸の移動量の推定については,表 3.1 に示す護岸の変形率を用いる．これは兵庫 県南部地震などの既往の地震における護岸の移動量の事例分析結果にもとづくもの である．護岸の水平変移量は

(3.2) ここで,

:護岸の水平変位量(m) :護岸の高さ(m) α :表 1 に示す護岸の変形率(％)

表 3.1 護岸の変形率(％) (井合ら, 1997 年)⁶⁾

護岸背後地盤の水平変位は護岸からの離間距離

L

を用いて下式(3.3)より求める．

(3.3)

護岸の移動量の推定

護岸からの離間距離によ る変位の減衰率の推定

地盤の水平変位量の推定

(水深,護岸形式,液状化発生の有無)

(護岸背後地盤の液状化層厚など)

α 10 H

ω

D

_q

= ×

^-2

⋅

0 1 H 10

9 L 4 H 10

0 L 2 D D

2 4

2

q S

. .

. ⎟ × +

⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

⎟ ×

⎠

⎜ ⎞

⎝

= ⎛

−

−

ω H

構造形式 地震動 変形率α(％)

5～10 10～20 10～20 20～40 控え工周辺は堅固な地盤 5～15 控え工周辺は緩い砂質土 15～25

25～50 控え工周辺は堅固な地盤 15～20 控え工周辺は緩い砂質土 25～40 50～75 護岸背後および基礎地盤が緩い砂質土

護岸背後・控え工周辺・基礎地盤がいずれも緩い砂質土 護岸背後・控え工周辺・基礎地盤がいずれも緩い砂質土 矢板式護岸

地盤条件 護岸背後のみ緩い砂質土

護岸背後および基礎地盤が緩い砂質土 護岸背後のみ緩い砂質土

護岸背後のみ緩い砂質土 護岸背後のみ緩い砂質土 L1地震動

L2地震動 重力式護岸

L1地震動 L2地震動

D

q

12

ここで,

：地盤の水平変位量(m)

L

：護岸からの離間距離

：護岸天端の水平移動量(m)

H

：背後地盤の平均液状化層厚(m)

である．

D S

D

q

13

地盤変位を算定する領域

地盤変位

地盤ひずみの 算定領域

（x , y） u（x , y）

v（x , y）

x y

地盤ひずみ

４．地盤ひずみと埋設管路の被害に関する研究

4.1 地盤ひずみの算定法

前述したようにライフラインの埋設管路の被害は地盤のひずみの大きさに密接に関 係している．広域にわたる埋設管路の被害を予測するためには地盤変位より地盤ひ ずみを予測する手法が必要となる．

図 4.1 に示すように任意の離散地点において計測された地盤変位,又は予測システ ムにより求められた変位より,メッシュ毎の地盤ひずみを算定する手法は以下の通りで ある．

図 4.1 地盤ひずみの算定

① 地盤ひずみを測定する領域を任意に設定する．

② 算定領域内の地盤変位関数を式(4.1)に示すように線形とする．すなわち,領域内 の地盤ひずみは一定とする．

u (x,y) =α₁x + β₁ y+γ₁

v (x,y) =α₂x + β₂ y+γ₂ (4.1) x , y ： 東西,南北方向の座標

u , v ： 地点(x,y)の東西,南北方向の地盤変位

③ 地盤変位関数の係数α₁～γ₂ を領域内で測定された地盤変位を用いて最小二 乗法により決定する．

④ 求められた係数α₁～γ₂を用いて以下のように地盤ひずみを算定する．

x 方向の垂直ひずみ ε_x = α₁

14

2

1

2 2

^xy

y x y

x

ε ε ε γ

ε ε ⎟⎟ ⎠ +

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

+ +

=

0 100 200 500 m

155 (-106)

(0) 110

150 (-27) 149 (-123)

(-72) 59

201 (-130) 142

(-97) 308

(-112) 170

(-50) 195

(-59) 186

(2) 108

(-38) 120

(-8)

83 (10)

108

(2) 147

(26) 270

(-54) 410

(-88) 385

(-112) 109

(12)

89 (39)

(-16) 83 75

(-109)

(-10) 8193 (-24) 191

(-87)

74 (-47)

76

(30) 80

(-39) 143

(-67) (-99) 150

140 (-74) 315

(-141) (-52) 112

328

(-81) 159

(-83)(-99) 433 282

(-152) 260

(-85) 167

(-60) (3) 87

(-20) 91

385

(-142) 433

(-131) (-37)

298 244

(-120) (-97)

226

179

(24) (-26) 68

(-10) 160

135

(-7) (34) 72 84

(-33) 123

(10) (-28) 90

(2) 101

(-28) 59 64 (-20) (-30) 98 129

(-57) 75

(-37) (-29)

78 72 (25) 52 (-11)

52 (-5)

98 (0)

138 (45) 65

(-102) 54

(-143) (-3) 66 97

(-64) 140

(-50) (-72) 75

81

(-52) 73

82

(-33) 54

(23)

57 (-38)

(-32) 70

(-46) 54 (-25)

76 81

(-84) 55

(-74)

61 (-11) 352

(-153) 314

(-22) 189

(-135) (-80) 235

(-159) (-84) 312

(-43) 142 251 (3)

282

(-67)

1

2

3 4

5

6

7

8

9 10

11 12

6.96 1.53

0.46 -0.14 2.06 -0.04 0.76

0.43

1.86 1.00

-0.05 -0.54

-0.19 -0.10

0.17 -0.47

0.18 -0.35

2.39 -0.59

2.18 -1.90 0.17 -0.19

凡例

上段：最大ひずみ(%) 下段：最小ひずみ(%)

地盤ひずみの表示

ここで、正の値は引張ひずみ、

負の値は圧縮ひずみを示す。

y 方向の垂直ひずみ ε_y=β2 (4.2) せん断ひずみ γ_xy=β₁＋α₂

また,主ひずみε₁ ,ε₂ とその作用方向θ₁, θ₂ (x 軸より反時計方向を正とする)は 下式のように求まる．

(4.3)

以上の方法で算定された地盤ひずみの例(1995 年兵庫県南部地震, ポートアイラ ンド北部地域)を図 4.2 に示す．図示したように,護岸および背後地盤が海方向に大きく 水平移動を生じており,このため地盤に全体的に引張ひずみが生じている.

図 4.2 地盤ひずみの算定例(1995 年兵庫県南部地震，ポートアイランド)

2 xy y x y x

3

ε 2 ε ε 2 ε γ

ε ⎟⎟ ⎠ +

⎞

⎜⎜ ⎝

⎛ −

+ −

=

⎟ ⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜

⎝

⎛

=

⁻

−

y 1 1 xy

1

ε ε

θ tan γ

⎟ ⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜

⎝

⎛

=

⁻

−

y 3 1 xy

2

ε ε

θ tan γ

100 :地盤の水平変位 (100cm)

15

4.2 既往地震による地盤ひずみの算定

1995 年兵庫県南部地震における阪神地区の埋立地(ポートアイランド,六甲アイラン ド,摩耶埠頭,御影浜,住吉浜,魚崎浜,深江浜,芦屋浜および西宮浜)の地盤ひずみを上 記の方法によって算定した．

引張ひずみと圧縮ひずみの大きさの分布をそれぞれ図 4.3,4.4 に示す．図示した結 果で水際部とあるのは護岸線より 100m 以上離れた領域でのひずみである．引張ひず みの大半が 1.0％以下であるが,中には 5％を超する例も見られる．圧縮ひずみも同様 で大半が 1.0％以下であるが,2.0％を超す圧縮ひずみも場所によっては発生していた ことが分かる．これらの結果は,埋設管路の耐震設計用の地盤ひずみを設定する際に 有用な情報を与えるものと考えられる.

図 4.3 側方流動による地盤の引張ひずみ 図 4.4 側方流動による地盤の圧縮ひずみ (1995 年兵庫県南部地震) (1995 年兵庫県南部地震)

4.3 地盤ひずみと埋設管路被害の定量的関係

地盤ひずみと埋設管路の被害定量的関係を検討するため埋設管の管軸に沿った 地盤ひずみを算定する. 埋設管路に沿った地盤ひずみは以下の手順により算定す る．

① 任意の離散地点によって計測された地盤変位又は流動変位予測システムにより 予測された変位から管路上の変位を補間により求める．図 4.3 に示すように変位 が既知の点からの距離に反比例するものとして補間を行う．

引っ張りひずみ（%）

発生頻度（

%

）

圧縮ひずみ（%）

発生頻度（%）

16 v

₂

u

₂

v

₃

u

₃

u

₁

v

₁

v

u x

y

d

₃

d

₂

d

₁

①

②

③

u

₁

u

2

’ v

₂

u

₂

v

2

’

v

₁

u

1

’ v

1

’

L

図 4.5 補間による管路上の変位の算定

(4.4)

② 管路に沿った地盤ひずみは図 4.6 に示すように管路上の 2 点間の地盤の相対変 位より求める．

図 4.6 管路に沿った地盤ひずみの算定

管路軸方向の垂直ひずみ

(4.5) 管路軸と直角方向のせん断ひずみ

− ′

= ′ L

u

u

₂

ε

G

− ′

= ′ L

u u

_{1 2}

γ

G

di di u ui

n

i

1 /

/

1

∑

=

=

di di u ui

/ 1

∑ /

=

17

0 100 200 500 m

凡例

引張ひずみ（%）

圧縮ひずみ（%）

＋

　値

－

　値 1.76

0.22

-3.77

0.78

0.7 0.2

1.74 -4.18

1.06 0.67 2.53

8.66 0.97

-0.28 1.79 0.59

-0.382.16

-0.23 4.67

1.00 -0.65 1.05

0.46

1.79 -0.22

0.39

0.27

1.62 0.19 0.53 0.25

0.58-0.08 0.93

-0.54 0.11 -0.03

0.59 -0.37 -0.13 -0.28

0.91-0.63 -0.66

0.49

-0.01 -0.63

-1.130.27 0.02 0.17

-0.42 -0.32

1.12

0.34 8.01

3.96 -2.15 -0.62

1.51 0.55

-0.57 -0.62

-1.17

0.45 -0.69

0.03 -1.26

-0.43 0.03 0.28

1.63 0.25

0.75 0.23

2.65 0.07 -0.19

-0.64 -0.03 -3.07 -0.42

0.76 -0.41

-0.17 -0.06

0.03 -0.06 0.18 -0.14

-0.470 .75

2.46

0.09 0.76

0.01

0.06 0.12 -0. 11 -0. 02 -0. 16

0.01 0.04

-0.20 0.12

0.25 0. 44 -0.33

-0.03 0.12

-0.40

-0.17 -0.36

-0.42

0.30

-0.03 0.13 0.08 0.54

0.54 0.01

0.38 -0.09

0.62 0.61

1.47 -0.70

0.23 0.98

-0.21 0.51

-0.39

0.57

-0.12 2.33

0.61

以上の方法により求めた管軸に沿った地盤ひずみの算定例. 1995 年兵庫県南部 地震, ポートアイランド北部地域, 水道管路) を図 4.7 に示す.

図 4.7 水道管路の管軸に沿ったひずみの算定

(1995 年兵庫県南部地震，ポートアイランド北部地域，水道管)

1995 年兵庫県南部地震における埋立地(ポートアイランド, 六甲アイランド，摩耶埠 頭, 御影浜, 住吉浜, 魚崎浜, 深江浜, 芦屋浜, 西宮浜)の上水道および下水道の 埋設管路の被害と地盤ひずみの定量的関係を検討した.

(1) 水道管路の被害率と地盤ひずみの関係

水道管路の被害はその大半継手部で発生しているが,継手は図 4.8 に示すように A, K, T 型と呼ばれている継手で,特に T 型は耐震性が低く継手の引抜き,突込みが数多 く報告されている．

18

図 4.8 水道管路の継手

図 4.9 に管軸方向の引張ひずみと水道管の被害率の関係を,また図 4.10 に圧縮ひ ずみと被害率の関係を示す．水道管の場合の被害率は 1km 当たりの被害件数と示す.

引張ひずみ,圧縮ひずみとも被害率は極めて高く,引張ひずみでは 4.0～5.0％の地盤 ひずみは 35 件/km にも達している.神戸市での非液状化地域を含む水道管の平均被 害率が 2.2 件/km であることを考えると,液状化地盤の流動地域では 10 倍以上の被害 が発生していることになり,水道管路の耐震性を考える上で側方流動による地盤ひず みが重大な要件であることを示している.

図 4.9 管軸方向の地盤の引張ひずみと 図 4.10 管軸方向の地盤の圧縮ひずみ 水道管被害率の関係 と水道管被害率の関係

(2) 下水道管路の被害率と地盤ひずみの関係

図 4.11 に下水道管路の被害率と管軸方向の地盤の引張ひずみの関係を, また,図 4.12 に圧縮ひずみとの関係を示す.下水道管路は大半が長さ 4.0m のヒューム管であり

A型

K型 T型

被害率（件 /Km）

管軸方向の地盤引張ひずみ(%)（%）

/

）

管軸方向の地盤圧縮ひずみ(%)（%）

被害率（件/Km）

P(ε)=8.29ε ほほ

P(ε)=7.42ε ほほ

19

,被害は継手部の引き抜け(引張り)および突込み(圧縮)である.被害率は,隣接するマン ホール間を単位として,マンホール管で被害が発生した割合を示している.地盤の引張 ひずみが 2.0％以上では全体の 45％の管路に被害が発生していることが分かる.

図 4.11 管軸方向の地盤の引張ひずみと 図 4.12 管軸方向の地盤の圧縮ひずみ 下水道管の被害率 と下水道管の被害率

4.4 側方流動が基礎に及ぼす外力特性の基礎的研究

側方流動が基礎杭に及ぼす外力特性を明らかにすることはライフラインシステムをは じめとする構造物の耐震安全性を検討する上で極めて重要である．図 4.13 に示す模 型地盤と模型杭を用い，30g の遠心載荷場で流動実験を行い,杭に作用する外力特 性を検討した．⁷⁾ 模型地盤は水平幅 1m,流動方向 1m で,地盤の厚さは 27cm である．

地表面が 10％で傾斜しており,流動直角の水平方向の加振により，液状化を発生させ 斜面下方に向かって流動を生じさせる．杭のひずみ記録より杭に作用する曲げモーメ ントを求め，これより杭に作用する外力を算定する．

図 4.14 に実験結果の一例を示す．ここで弾性力とは地盤変位に起因する外力を示 し，粘性力とは地盤の流動速度に起因する外力を示している．本実験では，地盤の上 部に乾礫砂による非液状化層が存在する．図は杭のそれぞれの深さに作用する弾性 力と粘性力の時刻歴を示している．地盤の上部の非液状化層からは弾性力，すなわ ち地盤の変位に起因した外力が作用していることが分かる．これに対して液状化層中 の２点（図中 Depth2,3）では,実験の前半の区間で弾性力が,すなわち地盤変位に起 因する外力が,実験の後半の区間で粘性力が,すなわち流動速度に起因した外力が 卓越していることが分かる．粘性力が弾性力を上回る区間は,過剰間隙水圧比がほぼ 1.0 に達し,地盤が完全に液状化状態に達した区間に相当する．

以上の実験結果から,地盤の流動によって杭基礎に作用する外力は,地盤の液状化 の度合によって地盤変位に起因する外力と地盤速度に起因する外力が作用すること が明らかにされた．

被害率（%） 被害率（%）

管軸方向の地盤引張ひずみ(%)（%） 管軸方向の地盤圧縮ひずみ(%)（%）

P(ε)=17.5ε ほほ

P(ε)=21.4ε ほほ

20

P5 P6 P7 深さ1

深さ2 深さ3

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0

0.5 1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0

1000 2000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0

0.5 1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0

1000 2000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0

200 400 600

過剰間隙水圧比

時間(sec) 時間(sec)

粘性力 弾性力

P6

P7 (N/m)

(N/m)

(N/m) 深さ1

（非液状化層）

弾性力

粘性力 粘性力

弾性力

弾性力 粘性力

P6 P7 液状化層

非液状化層

弾性力 粘性力弾性力 粘性力弾性力 粘性力 深さ2

（液状化層）

深さ3

（液状化層）

過剰間隙水圧比

水圧計 流動方向

加振方向

単杭 複数杭

図 4.13 液状化地盤の流動が基礎杭に及ぼす外力特性に関する実験 (遠心載荷場30g)

図 4.14 液状化地盤の流動力が杭基礎に及ぼす外力の特性

21

①ボーリングデータ又は自治体等の 地盤条件データ(メッシュデータ等)

②護岸構造,水深等 のデータ

④地盤種別の判定

⑤地表面での最大加速度および 地震動継続時間の推定

⑥液状化の判定：各層のFL値, PL値,液状化層厚の推定 (1996 道路橋示方書による)

⑦地表面勾配の算定

〔国土地理院50mメッシュデータによる〕

⑧傾斜地盤の側方流動量の推定

〔液状化層厚,地表面勾配,N値,地表面加 速度,地震動継続時間など〕

⑨護岸の移動量の推定：港研の方向による

〔護岸タイプ,護岸高,地震動〕

⑩護岸からの離間距離による地盤変位の減 衰率の推定〔液状化層厚など〕

⑪護岸背後地盤の側方流動量の推定

⑫側方流動による 地盤の水平・鉛直変位の推定

⑬地盤ひずみの算定

⑮ライフライン埋設管路 の被害率の推定 既往地震における

管路の被害率と 地盤ひずみの関係

⑭構造物･施設の基礎 構造耐震性の照査

①GISによる データベース構築

②地盤変位，地盤 ひずみの算定

対象とする地震の 設定〔マグニチュ ード,震央距離,海 溝型又は直下型〕

タイプ1：傾斜地盤における側方流動 タイプ2：護岸の移動に伴う側方流動

③埋設管路，構造物基 礎の被害の推定

③ライフライン埋設 管路のデータ(位置,

管路)

側方流動外力の 特性の解明

①ボーリングデータ又は自治体等の 地盤条件データ(メッシュデータ等)

②護岸構造,水深等 のデータ

④地盤種別の判定

⑤地表面での最大加速度および 地震動継続時間の推定

⑥液状化の判定：各層のFL値, PL値,液状化層厚の推定 (1996 道路橋示方書による)

⑦地表面勾配の算定

〔国土地理院50mメッシュデータによる〕

⑧傾斜地盤の側方流動量の推定

〔液状化層厚,地表面勾配,N値,地表面加 速度,地震動継続時間など〕

⑨護岸の移動量の推定：港研の方向による

〔護岸タイプ,護岸高,地震動〕

⑩護岸からの離間距離による地盤変位の減 衰率の推定〔液状化層厚など〕

⑪護岸背後地盤の側方流動量の推定

⑫側方流動による 地盤の水平・鉛直変位の推定

⑬地盤ひずみの算定

⑮ライフライン埋設管路 の被害率の推定 既往地震における

管路の被害率と 地盤ひずみの関係

⑭構造物･施設の基礎 構造耐震性の照査

①GISによる データベース構築

②地盤変位，地盤 ひずみの算定

対象とする地震の 設定〔マグニチュ ード,震央距離,海 溝型又は直下型〕

タイプ1：傾斜地盤における側方流動 タイプ2：護岸の移動に伴う側方流動

③埋設管路，構造物基 礎の被害の推定

③ライフライン埋設 管路のデータ(位置,

管路)

側方流動外力の 特性の解明

５．側方流動とライフライン埋設管路の被害予測システムの構築

5.1 予測システムの概要

図 5.1 に開発された「側方流動とライフライン埋設管路の被害予測システム」の流れ を示す. ここでシャドウをつけた項目が本研究で対象とした課題を示す.システムは,

①地盤条件, 護岸構造, ライフライン埋設管路等のデータベースの構築, ②側方流 動による地盤の水平・鉛直変位および地盤ひずみの算定, ③地盤ひずみによる埋設 管路の被害率の算定と構造物・施設の基礎構造の耐震性の照査, よりなっている.

図 5.1 液状化地盤の側方流動とライフライン被害の予測システムの流れ

22 地質情報（ボーリング）

土質ごとに分類

GL ≦ 20m について 1m 以内の 深度に分解（各 N 値について）

護岸情報

経緯度座標

終始点の経緯度座標 護岸の諸情報

UTM 座標変換 物性値情報

DBに登録

メッシュ中心経緯度座標

埋設管情報

管路起終点の座標 管種･口径情報

5.2 GIS によるデータベースの構築

側方流動による地盤変位およびライフライン埋設管路の被害の予測を行うためには, ボーリングデータによる地盤情報, 護岸構造情報, 埋設管の埋設位置と管種情報を 事前に電子データ化し, DB(データベース)に整備・格納しておく必要がある. ボーリン グ, 護岸および埋設管は位置情報として緯度経度の座標データを有しているが,これ らは一旦 UTM(Universal Transverse Mercator)座標系への座標変換を行った後に DB に格納する.各予測結果を表示する際に用いる.「50m×50m メッシュ」の中心点の座標 データについても同様の操作を施す.

図 5.2 GIS によるデータベースの構築

5.3 液状化の判定，側方流動による地盤変位と地盤ひずみの算定

液状化の判定方法は「道路橋示方書，Ⅴ耐震設計編」(平成 8 年，日本道路協会)に よるものとした. ⁸⁾ また側方流動による地盤変位と地盤ひずみの算定は，それぞれ本 報告書「3.地盤変位の予測法に関する既往の研究」および「4.地盤ひずみと埋設管路 の被害の研究」に記述した方法を用いている.

液状化地盤の側方流動には,傾斜地盤における流動と護岸の移動に伴う流動の２つ のタイプがあるが,地盤変位の予測では,これらの総和を求めることで地盤変位を求め ている.

23

5.4 地盤のひずみによる埋設管路の被害率の算定

地盤の引張りおよび圧縮ひずみによる上・下水道管路の被害率は本研究による調 査研究をもとに図 4.9～4.12 に示した関係式を用いる.

水道管路

引張ひずみ P(被害率:件数/km)＝8.29×ε_G(地盤ひずみ, ％) 圧縮ひずみ P(件数/km)＝7.42×ε_G (地盤ひずみ, ％)

下水道管路

引張ひずみ P(被害率，％)＝17.5×ε_G (地盤ひずみ, ％) P(％)＝21.4×ε_G (地盤ひずみ, ％)

上記において, 水道管路の被害率は 1km 当たりの被害件数であり，上下水道管路 の被害率は隣接するマンホール間の管路区間が被害を受ける割合を示す.

24

0

0 200

200

400m

400

m

凡　例 凡　例 ボーリング地点

クリック クリック

0

0

0

200

200

400m

400

m 0 200

200

400m

400

m

凡　例 凡　例 ボーリング地点

凡　例 凡　例 ボーリング地点

クリック クリック

６．システムの適用事例

川崎市の臨海部埋立地(水江町)を対象として本システムを適用した事例を示す.

(1) ボーリング地点および柱状図

図 6.1 は GIS 上に示したボーリング地点である. 任意のボーリング地点をクリックす ることで，図 6.2 のような電子ボーリング柱状図が表示される．この電子ボーリング柱状 図は「ボーリング柱状図作成要領（案）解説書」（平成 11 年，財団法人日本建設情報 総合センター）を基に，液状化判定によって得られる F_L 値のグラフ，P_L値および全液 状化層厚といった表示項目を加えたものである．

図 6.1 GIS 上に表示されたボーリング地点

図 6.2 電子ボーリング柱状図

25

(2) 護岸位置および構造構造形式

図 6.3 は護岸の位置を示したものである．図中の凡例に示すように，護岸を「重力 式」，「矢板式（控工あり）」「矢板式（控工なし）」の 3 種類に分類している．

またボーリングデータ同様，任意の護岸をクリックすると図 6.4 のような護岸構造形式図 が表示される．

0

0 200

200 400

400m m

クリック クリック

0

0

0

200

200 400

400m m 0

0

200

200 400

400m m 0 200

200 400

400m m

クリック クリック

図 6.3 GIS 上に表示された護岸位置

図 6.4 電子化された護岸構造形式図

凡　例凡　例

重力式護岸 矢板式護岸

（控工あり）

矢板式護岸

（控工なし）

凡　例凡　例

重力式護岸 矢板式護岸

（控工あり）

矢板式護岸

（控工なし）

26

(3) P_L値

図 6.5 のように対象地域を国土地理院が定める 50m×50m メッシュに区切り，メッシ ュ毎に P_L値の大きさによって色分けして表示する． P_L値は各ボーリング地点において 算出するが，ボーリングの存在しないメッシュについては距離補間によってその値を得 る．

また，コンターラインを引くことも可能である．

000 200200 400m400m 00 200200 400m400m 0 200200 400m400m

図 6.5 50m メッシュ毎の P_L値とコンターライン

(4) 合計液状化層厚

図 6.6 に示すように，P_L値同様 50m メッシュとコンターラインによって表示する.

図 6.6 50m メッシュ毎の合計液状化層厚

凡　例 凡　例

P_L値（メッシュ）

ボーリング地点 12.1

P_L値

P_L値

（コンターライン）

25 30 20

10～15 15～20 20～25 25～30 30～35 35～40 凡　例 凡　例

P_L値（メッシュ）

ボーリング地点 12.1

P_L値

P_L値

（コンターライン）

25 30 20

10～15 15～20 20～25 25～30 30～35 35～40

凡　例 凡　例

ボーリング地点 4.5

合計液状化層厚〔m〕

合計液状化層厚

（コンターライン）

合計液状化層厚（メッシュ）

6m 7m 8m 9m 12m

　5～　6m 　6～　7m 　7～　8m 　8～　9m 　9～10m 10～11m 11～12m 12～13m 凡　例 凡　例

ボーリング地点 4.5

合計液状化層厚〔m〕

合計液状化層厚

（コンターライン）

合計液状化層厚（メッシュ）

6m 7m 8m 9m 12m

　5～　6m 　6～　7m 　7～　8m 　8～　9m 　9～10m 10～11m 11～12m 12～13m 0

00 200200 400400mm 00 200200 400400mm 0 200200 400400mm