博 士 （ 工 学 ） 安 田 成 夫
学 位 論 文 題 名
フ ア ル ダ ム 堤体 材 料 の 動的 変 形 ・ 強度 特 性 と 地 震 時 安 定 解 析 へ の 適用 に 関 す る研 究
学 位 論文 内 容 の 要旨
近年、 コンクリ―トダムの建設に適したサイトが少なくなり、フアルタイプダムの建設割合が高 まってき た。一般にロックフアルダム の安定性は、専ら地震時に 於ける堤体斜面の安全度に依存 しており 、その動力学的性質の解明が 急がれている。
この様 な背景の下で本研究は、ロッ クフアル材料の動的変形・ 強度に関する広範な実験的研究 を行い、 その特性を明らかにするとと もに、フアルダムの現行の 耐震設計法に基づき、観測され た地震動 や堤体の応答特性を考慮した 新しい耐震設計手法を検討 している。すなわち、地震時に 堤体に作 用する地震カを求める際、動 的解析は有カな手段となる が、入力物性値の決定とその妥 当性の評 価方法は、最初に明確にすべ き重要な課題であり、安定 性の評価では、口ックフアル材 料の繰返 し応カの下における強度特性 の把握カ泌須となる。また 優れた解析手法の展開に於いて も、手法 の詳細な吟味とともに、物性 値に関わる信頼性の高い情 報無しには、その発展は望めな い。
そのため本研 究では、検討対象を下記の ように整理した。
(1)動的解析において、 堤体材料の動的変形特性は 主として大型繰返し三軸試験 により求められ るが、それらは 原位置の応力状態、材料の 堆積条件あるいは粒度等の物 理的性質を適切に再現し て行われている とは言い難い。たとえぱ室 内試験供試体の最大粒径は、 現場のそれと大きくかけ 離れている。室 内試験と原位置試験との関 連性を明らかにするとともに 、堤体の挙動解析に用い る室内試験結果 の適切な評価方法の確立が 必要とされる。
(2)堤体材料と ともに、基礎地盤材料の動的 変形特性を明確にする必要がある。近年、河床砂礫を 基礎としてフア ルダムを建設する場合が増 加し、基礎地盤のカ学特性を 考慮した堤体の動的解析 を行う要請が高 まっている。一般に自然堆 積状態の河床砂礫の相対密度 は必ずしも高くなく、ダ ム 基 礎 と し て の こ の よ う な 材 料 の 動 的 変 形 特 性 の 評 価 法 を 検 討 す る 必 要 が あ る 。
（3）フアルダ ムの耐震性を考えるとき、震 度法による円弧すべり安定計算が慣用的に用いられて 来た。震動法に おいて、多くの場合、強度 については単調載荷試験によ る静的強度をそのまま用 いているが、こ れは必ずしも地震時の繰返 し載荷条件のもとでの土の強 度を正しく評価している とは言えない。 さらに土の繰返し載荷に対 する動的強度に関しては、飽 和砂については液状化強 度特性として新 潟地震以後急速に研究が進 んでいるが、フアルダムの堤 体材料である粗粒材料の それは、まだ研 究事例が少なく明らかにさ れていない点が多しヽ。
（4）2次元 解析 ある い は3次 元解析かの選択はある が、現在広く用いられてい る2次元動的解析 に限れぱ、逸散 減衰の評価も含め、解析結 果に及ぽす境界条件設定の影 響が大きいにもかかわら
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ず 、 現 在 慣 用 さ れ て い る 解 析 手 法 の 妥 当 性 が 充 分 に 確 認 さ れ てLヽ な い 。 以上のような現状 を踏まえ、本研究ではまず、 ロックフアル材料の動的変形特性に及ぼす試 験条件の影響を明らか にするとともに、原位置試験 結果との対応について考察を加える。次いで フィルダムの基礎地盤 である河床砂礫の動的変形特 性に及ぼす各種因子の影響を調べ、さらに、
試験方法がロックフア ル材料の動的強度特性に及ぼ す影響を明らかにする。さらに上記の検討結 果に基づき、地震時に 堤体に作用する地震カの簡易 推定法を考究して、その新しい耐震設計法へ のアプローチを試みる 。
本論文は7章で全体が構成さ れている。
第1章では、我が国に おけるフアルダム建設の歴 史を紹介するとともに、その 耐震設計方法の 変 遷について記述した。
第2章では、ロックフ アル材料の変形特性に及ぼ す室内試験方法の違いの影響 を検討した。ロ ッ クフアル材料等の粒径の大 きな粗粒材料を対象とした室 内試験は、供試体および試験装置が大 が かりになることから、その試験例が少ないのカヽゑ状である。しかし、物性値は原位置に近い応 力 状態のもとで求められるこ とが望ましいにも拘らず、こ れらの試験例のほとんどは、直径30〜 60cm、高さ60〜120cm程 度の中実円柱供試体を用い た繰返し三軸試験によって行 われている。そ こ で 、地 震時 にお け る原 位置の応力状態に近いと 考えられる大型繰返しねじり 単純せん断試験
（ 供試体寸法：外径80cm、内 径40cm、高さ80cm)により口ックフィル材料の動的変形特性を求め、
三 軸試験結果との関連性を明 らかにし、両者の特性を検討 した。
第3章では、堆積年代 の異なる河床砂礫の動的変 形特性を、凍結サンプリング ゛法で採取した 不 撹乱供試体を用いて求め、 変形特性に影響を及ぼす因子 を明らかにした。さらに河床砂礫の再 構 成供試体による試験結果を 不撹乱供試体のそれと比較し 、長期間の堆積に基づくセメンテ―シ ヨ ンの影響について検討を加 えた。
第4章では、室内試験 と原位置試験による盛土の 剛性の比較を行った結果につ いて検討してい る 。すなわち、微小ひずみ領域におけるロックフアルダム材料の円｜性については、高精度の変位 計 を用いた単調載荷と繰返し 載荷の室内試験より、またロ ックフアルダムについては、原位置の 弾 性 波探 査．PS検 層 より 求め、種々の方法から得 られたこれ等剛性の関連性を 明らかにすると と も に 、 ロ ッ ク フ ア ル ダ ム の 地 震 時 の 挙 動 解 析 の 立 場 か ら そ の 特 性 に 考 察 を 加 え た 。 第5章では、ロックフアル材 料の室内試験によるせん断強度の求め方について整理したうえで、
そ の単調載荷試験と繰返し載 荷試験結果を示し、動的強度 特性に及ぼす繰返し回数、ひずみレペ ル 、相対密度、初期拘束圧、 初期せん断応力、試験方法等 の諸要因の影響を調ぺるとともに、静 的 強度と動的強度の関連性に ついて検討を加えた。
第6章で は 、第2章 、第4章で 明 らか にし たロ ッ クフアル材料の動的変形特性 と在来の多くの 地 震波記録に基づき、動的解 析のための入力物性値評価方 法の妥当性を検証した。次いで、フィ ル ダムに作用する地震力評価 の指標としてすべり土塊の最 大平均加速度に着目し、堤体に作用す る 地震力分布に与える地震動 の周波数特性の影響を動的解 析手法を用いて評価するとともに、そ の 簡易推定法を示レた。
第7章では、前章までに得 られた結諭をとりまとめ、今後研究すべき課題について言及した。
学位論文審査の要旨 主査
副査 副査 副査
教 授 教 授 教 授 助 教授
土 岐 三 田地 鏡 味 澁 谷
学 位 論 文 題 名
祥介 利之 洋史
啓
フアルダム堤体材料の動的変形・強度特性と 地震 時安定解 析への適用に関する研究
近年、国内では長野県西部地震や千葉県東方沖地震、海外ではMexico地震、Loma Prieta 地震等において近代的な施工法で築造されたフィルダムの堤頂部で、現行の震度法の設計震 度を大きく越える地震動が観測されている。これらのダムサイト近傍で発生した地震に対し て、ロックフィルダムの被害は幸いクラックの発生程度で済んだが、このようナょ事例はさら に合理的なダムの耐震設計法の発展を促した。
地震時の安定解析のため堤体に作用する地震カを求める際、動的解析は極めて有効な手段 となるが、解析手法および入カするフィルダム堤体材料の物性値の妥当性が課題となる。ま た 、安 定性 の評 価で は、 材料 の繰 返し 応 カに 対す る強 度特 性の 把握 が重 要と なる。
そこで本論文は、フィルダム堤体材料の動的変形特性および動的強度特性に及ばす試験条 件、供試体の初期条件、試験方法の相違等の影響に検討を加えた他、フィルダムの現行の耐 震設計法、観測された地震動記録や堤体の応答特性を考慮した新しい耐震設計手法にっいて も考察を加えている。
本研究は以上の背景の下で行われている。本論文は7章で全体が構成されており、章毎に 得られた結果を以下に要約する。
第1章では、我が国におけるフアルダム建設の歴史を紹介するとともに、フィルダムの耐 震設計方法がどのように変遷してきたかにっいて記述している。
第2章では、フィルダムの築堤材料の過半を占める粗粒材料を対象として、原位置におけ る地震時の応力・ひずみ状態を近似的に再現できる繰返しねじり単純せん断試験(CTSS)と繰 返し三軸試験(CTX)を実施し、前者の試験結果から砂質土とフアルダム堤体材料の繰返し変 形特性を把握すると同時に、両試験結果を比較して試験法の違いがもたらすせん断剛性率G、 減衰定数h等の物性値の相違点を明かにしている。すなわち、
CTSS
の結果をもとに、フアル ダム堤体材料のG，hを、それらに影響を及ばす要因ごとに整理して、各種要因の中でも、せん断ひずみ7，拘束圧び。および間隙比eの影響が大きく、フィルグム堤体材料のG，hは、
砂質土に準じて拘束圧と間隙比の関数で表現され、また、フアルダム堤体材料のG，hはほ ば同じ相対密度の砂 質土に比べて大きく、7の増加にともなうG，hの変化は砂賃土よりも 小さいひずみから起こり始め、フィルダム堤体材料のhは、ー般的に砂質土に比べて大きい としている。
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第3章 では 、河 床 砂礫 地盤 より 凍結 サ ンプ リン グ法 で採取した不攪乱 供試体および再構成 供試 体に っ いて の一 連の 物理 試験、力学試 験の結果より、先ず、最大粒 径が170〜300mm程度 の試 料に っ いて も不 攪乱 供試 体 の繰 返し 変形 特 性か ら求めたせん断波 速度V．と原位置地盤 のV，が 一致 して お り、 原位 置で の変 形 特性 を再 現す る良質な不攪乱試 料が凍結サンプリン グ法 によ り 採取 可能 なこ とを 確 認し てい る。 ま た、 室内試験より求め たGが、不撹乱下部砂 礫層 供試 体 、不 撹乱 上部 砂礫 層供試体、再 構成供試体の順に大きいこと にっいては、不撹乱 供試 体と 再 構成 供試 体と の間 の、堆積年代 効果によるセメンテーション や粒子の堆積構造の 差 異 に 起 因 す ると して い る。 さら に、 不撹 乱 供試 体と 再構 成 供試 体のG／G。〜7関 係は 、 ほぼ ー致 し てお り、 原位 置のGoおよ び再 構成 供 試体 によ るG〜7関 係 を求 める ことにより、
原位置でのG〜7関係の 把握が可能ナょことを明ら かにしている。
第4章 では 、試 験 の単 純化 を目 的と し た三 軸試 験装 置を用いた単調載 荷試験と繰返し載荷 試験 との 関 連性 にっ いて の検 討から得た成 果を述べている。まず、三軸 セル内に高精度のひ ずみ計を設置し、デー タの高速サンプリングを行うことにより、10−s〜10一・4の微小ひずみ領 域の 弾性 係 数が 測定 可能 なこ とを示してい る。次に微小ひずみ領域にお ける変形特性に着目 し、 豊浦 砂 およ びフ アル ダム 堤体材料にっ いての単調載荷および繰返し 載荷試験結果を比較 して 、両 試 験で 得ら れた 弾性 係数はよく一 致すること、およびフィルダ ムにおいては、原位 置の 弾性 波 探査 から 求め たV．と室内試験か ら求められたV．とがほぼ一 致することを確認し てい る。 こ れら の知 見は 、フ ィルダム堤体 材料の微小ひずみ領域におけ る変形係数が、繰返 し試 験に 較 べて 実施 が容 易な 単調載荷試験 により適切に求め得ることを 明らかにしている。
第5章 では 、良 く 締固 めた フア ルダ ム 堤体 材料 の繰 返し載荷試験を行 い、非排水繰返し載 荷試験では、繰返し回 数の増加に伴いひずみが増 大し、間隙水圧は90%〜 1002;近くまで急激 に上 昇す る が、 液状 化型 の破 壊は発生しな いこと、繰返し載荷に対する 強度と、相対密度、
平均 主応 カ およ び初 期せ ん断 応カとの関係 は、定性的には密な砂におけ る特性に一致してい るこ と等 を 明ら かに して いる 。一方、繰返 しねじり単純せん断試験の結 果より、破壊時の繰 返し 応力 比 は平 均主 応カ が小 さい程大きく 、等方圧密条件下での繰返し せん断強度は、異方 圧密 供試 体 のそ れよ りも 大き い傾向にある こと、および初期せん断応カ が供試体の体積膨張 を生 じる 大 きさ の場 合、 繰返 しせん断強度 の増加が認められること等、 ロックフアル材料の 繰返し強度特性に関す る多くの知見を述べている 。
第6章 では 、種 々 の周 波数 特性 を持 つ 地震 動が フィ ルダム堤体の地震 カに及ばす影響を、
動的解析を用いて評価 し、堤体の最大平均加速度am｜エの簡易推定手法にっいて示している。
すな わち 、 計算 プロ グラ ムQUADー4におけるRayleigh減衰のパラメータ ーaの値としては、せ ん断梁理論による（等 価逸散減衰）十（内部滅衰）の振動数特性と実測を用いた振動解析による 検証 から 、0．8程度 が適 当で あるとしてい る。この手法において、入力 地震動は水平成分の みと し、 堤 体応 答加 速度 も水 平成分のみを 用いてam｜ーを求めても、入 カおよび応答に水平 およ び鉛 直 の2成 分 を考 慮し たと きに 比 ベ、 解析 結果 に及ばす誤差はlO％程度であり、水平 成分のみからam・エを 求め得ることが示されてい る。また、am｜エは、対象とするすべり土塊 にっ いて の 等価 なモ ―メ ント お よび 水平 カの 合 カか ら求める2っの方法 があるが、両者の差 は最 大で5%程度 で、 計算 が簡 単な水平合カ からam｜‐が求められること を踏まえ、入力地震 動の 加速 度 応答 スペ クト ルが 与 えら れた とき 、 滑り 円弧の深さy/Hの値 に応じてある周波数 範囲 についての スペクトルの平均値S．カを 求めれば、am・エを簡易に推 定できることを示し ている。
第7章 は本 論文 の 結諭 で、 各章 で得 ら れた 結果 を要 約し今後の課題に っいて述べている。
こ れら の 成果 の一 部は1991年制定の「フ アルダムの耐震設計法指針（ 寨）」に反映され、
新 規 お よ び 既 設 フ ィ ル ダ ム の 耐 震 安 定 性 の 検 討 に 広 く 活 用 さ れ て い る 。 以 上の よ うに 、本 論文 は動 的解析におけ るフィルダム堤体材料の物性 値が室内試験によっ
て精度良く求められることを先ず明らかにするとともに、これらの成果に基づき、本論文に 示す動的解析手法の妥当性を、原位置で観測された地震動記録を用いて検証する等、地震時 に堤体に作用する地震力分布を明らかにしており、フィルダムの耐震設計法の発展に寄与す るところ大である。
