城郭石垣調査について

(1)

清正公（セイショコ）さんの熊本城、

城郭石垣調査について

熊本大学工学部

松本英敏

技術部研修会（２００８）

(2)

西暦元号出来事 1582 天正10年本能寺の変

1588 天正16年清正が隈本城主となる。（清正２７歳）

1591 天正19年名護屋城築城、５ヶ月で完成

1592 文禄元年小西行長、釜山に上陸（文禄の役）

1596 慶長元年１１月に朝鮮に出兵

1597 慶長 2年慶長の役（蔚山城築城開始）

1598 慶長 3年秀吉が病死

1600 慶長 5年母伊都長逝。関ヶ原の戦い。 54万石となる。

1601 慶長六年新城の築城開始（熊本城）

1606 慶長11年江戸城修復（森本儀太夫：萱で軟弱地盤対策）

1607 慶長12年熊本城落成（隈本城⇒熊本城）

1610 慶長15年名古屋城の築城（家康の命令）

1611 慶長16年秀頼二条城で家康と会見。清正長逝。

年表

(3)

日本三名城

名古屋城大阪城熊本城

松本城姫路城

(4)

築城工事

普請（土木工事）作事（建築工事）

・堀

・土塁（盛土）

・石垣の構築

・地形の造成

築城工事の７～８割

・天守

・櫓

・土塀

・御殿

・蔵

（大工）

(5)

熊本城秘話

食料備蓄（蔚山城の体験）

・薪（樟、椎）

・畳（芋殻を入れる）

・壁（干瓢を塗り込む）

・銀杏を植える

・井戸（城内１２０箇所）

深さ３丈５尺～１２丈

（１丈約３．０３ｍ）

(6)

石垣の特徴

美的しなやかさ地盤工学的強さ

・独特な曲線美

（歴史的価値が高い）

・難攻不落

^{（武者返し）}

・石垣にかかる土圧を鉛直方向に分散

・力学的な安定性

(7)

美的しなやかさ地盤工学的強さ

・現形状の把握

（現地観測）

・変形形状の確認

（資料や設計書との比較）

・力学的に安定か

・形状による安定性の違い

^{（模型実験）}

特徴の抽出

d

b a

B H

d

b a

B H

レーザー距離計石垣

d

b a

B H

d

b a

B H

レーザー距離計石垣

(8)

石垣の構造

積み石

裏込石

（栗石）

飼石

根石

基礎（松の胴木と杭）

天端石

石垣の断面図石垣の孕み出し

熊本城は地盤が軟弱が強固なため、地盤に直接根石を据えている。

第一の原因は地震で

ある。また年代経過に

伴う、飼石や裏込め部分

のずれからも生じる。

(9)

穴太積算木積

同じくらいの大きさの隅石を積んでいく方法で、穴太衆が活躍。

（天正期、文禄期）

慶長１０年に完成した積み方で、長石を交互に積んでいき、勾配も急に。

（慶長期）

石垣の積み方

(10)

二様の石垣

清正時代細川時代

ゆるやかな石垣角３０度（下）、７５度（上）

急勾配の石垣角

（左側奥）

(11)

石垣の設計法

後藤家文書石垣秘伝之書

1

0



  i n a_i a

h0

G  b

h

a

b h₀

i g A

h₁ B h₂

h0

G  b

h

a

b h₀

i g A

h₁ B

h₂ 2

) 1

0  ( 

n n a a

h x b h

a x y

0 2

2

1  



 



 

 x a

h b h

x h

y a  



 



 

 



 



0 2

2

1 log

h₂

1間

高さ

h0

A

B

C D

E F

下底 b

上底a

G=b/h0 1間1間1間1間

h₂

1間1間

高さ

h0

A

B

C D

E F

下底 b

上底a

G=b/h0

G=b/h0 1間1間1間1間1間1間1間1間

y

3 x

0 /

1 h

h 

(12)

設計法の比較

後藤家文書３書の比較

0 5 10 15 20 25

下底 b 0

5 10 15 20 25 30 35

高さ h0

0 5 10 15 20 25

下底 b 0

5 10 15 20 25 30 35

高さ h0

h x b h

a x y

0 2

2

1  



 



 

 x

h b h

a x y

0 3

2

1  



 



 



(13)

設計パラメータ

非線形最小２乗法 a,b の算出

・初期値

0 5 10 15 20

下底 b 0

5 10 15

高さ h0

a w

, 3 025

.

0 ₀² w

a h

b   

a h x

b h

e x h

y a

R_i _i _i 







 

 



 





0 2

2

1 log















 



 





 























 







 



 









i

i i i

i i

i i i

i i

i

i i i

i

b R f

a R f b

a b f a

f b f

b f a f a

f

0 0 2 2

0 2

2 ,

1 log

1 h

x b f h

h e x x a

f _i _i

i i

i 



 



 



 



 



(14)

現地計測①

大天守閣西側小天守閣西側

－実測

－石垣秘伝之書 0 5 10 15 20

下底 b 0

5 10 15

高さ h0

0 5 10 15 20

下底 b 0

5 10 15

高さ h0

(15)

二様の石垣西側宇土櫓

－実測

－石垣秘伝之書

現地計測②

0 5 10 15 20

下底 b 0

5 10 15 20

高さ h0

0 5 10 15 20

下底 b 0

5 10 15 20 25

高さ h0

(16)

二様の石垣西側宇土櫓

資料と計測の比較

－過去の資料

－今回の実測

0 5 10 15 20

下底 b 0

5 10 15

高さ h0 0 5 10 15 20

下底 b 0

5 10 15 20 25

高さ h0

(17)

実験装置模型形状

縮尺１/３０で設計した結果 φ＝２５°（ｱﾙﾐ棒）

実験概要

0 5 10 15 20 25

下底 b 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45

高さ h0 直線

対数螺旋

秘伝之書

減速機モーター

荷重計

変位計

スイッチボックス載荷板(270)

図-4.3 載荷実験装置

アルミ板

固定するための枠

1000

750 600

530

単位(mm) 減速機モーター

荷重計

変位計

スイッチボックス載荷板(270)

図-4.3 載荷実験装置

アルミ板

固定するための枠

1000

750 600

530

単位(mm)

(18)

対数螺旋とは？対数螺旋で近似

a

b d O

r₀ r

φ θ

図-3.4 対数螺旋の原点 c₃

c₂ c₄

B

⊿y

x y

⊿x

a

b d O

r₀ r

φ θ

図-3.4 対数螺旋の原点 c₃

c₂ c₄

B

⊿y

x y

⊿x

-3 -2 -1 0 1 2 3

X-axis -4

-2 0 2 4

Y-axis

e

r r  ₀

DO 10 I=1,1000 FAI=REAL(I)*RAD R=R0*EXP(SITA*FAI) X=R*COS(FAI) Y=R*SIN(FAI)

10 WRITE(6,'(2F10.3)') X,Y

安定性の高い石垣

図2　斜面崩壊と石垣断面形状図2　斜面崩壊と石垣断面形状

べすり面

郭城垣石

図2　斜面崩壊と石垣断面形状図2　斜面崩壊と石垣断面形状

べすり面

郭城垣石

(19)

秘伝之書直線対数螺旋

地盤材料としてアルミ棒を石垣としてコンクリートを使用

モデルの形状

(20)

秘伝之書モデル

試験前試験後

積み石が外に弾きだされるように動く

(21)

根石が浮き上がり破壊に至る秘伝之書モデル

アニメーション

(22)

直線モデル

試験前試験後

破壊するまで少しづつ積み石が動く

(23)

試験前試験後

対数螺旋モデル

積み石に大きな動きは見られない

(24)

試験結果の比較考察および課題

・熊本城は石垣秘伝之書で設計されていると思われる。

・対数螺旋が優れた安定性を示した。

・石垣の修復に地盤工学が導入できる。

・今後の課題として不連続変形法による数値解析

0 10 20 30

変位(mm) 0

400 800 1200

荷重(N)

結果および考察

鉛直荷重

アーチ作用鉛直荷重

直線対数螺旋秘伝之書

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