地盤の液状化挙動に与える影響に関する模型振動実験
田口
善文
*Shaking table test on the influence on ground liquefaction behavior
Yoshifumi TAGUCHI
*Liquefaction is a phenomenon in which the water pressure between particles rises due to the shake of large
earthquakes due to the high groundwater level and loose sandy ground and becomes like a liquid, as a result, buildings
and roads may settle, and light structures under the ground float. Recently, liquefaction damage occurred in Urayasu
City in Chiba Prefecture, which was far away from the hypocenter of the 2011 off the Pacific coast of Tohoku
Earthquake. On the other hand, in Mie prefecture, within the next 30 years the probability of occurrence of a large
earthquake of M8 ~ M9 with the Nankai-Trough as hypocenter is expected to be around 60 ~ 80%.
In order to prepare for the Tokai, Tonankai or Nankai earthquake that is expected to occur in the future, the author
conducted a model test using a small shaking table about the liquefaction phenomenon of the sandy ground which is
expected to occur in the sand ground along the coast, basic experiments were carried out on the ease of liquefaction
phenomena by variously changing the input earthquake wave, vibration frequency, and particle size of the model
ground.
Keywords: liquefaction, model test, shaking table test, pore water pressure, sandy ground, earthquake wave
１．はじめに
液状化現象は地下水位が高い緩い砂地盤などで大きな 地震の揺れにより粒子間の水圧が上昇して液体のように なる現象であり、それによって建物が不同沈下したり、道 路に沈下や不陸が発生したり、地中の軽い構造物が浮き上 がる被害が発生する1)～3)。 液状化の被害は 1964 年の新潟地震で大きく注目され、 1995 年の兵庫県南部地震、2004 年の新潟県中越地震、最 近では 2011 年の東北地方太平洋沖地震で震源地から大き く離れた千葉県浦安市などでも液状化被害が発生し、住宅 やインフラ施設などが大きな被害を受けた4)～6)。一方、三 重県付近では、今後 30 年以内にＭ8～9 程度の大地震が発 生する確率は南海地震について 60%程度、東南海地震につ いて 70%～80%と予想されている7）。 筆者らは、今後発生が予想される東海・東南海・南海地 震に備え、海岸沿いの低平地で発生が予想される地盤の液 状化現象について、小型振動台を使った模型実験により、 入力地震波形、振動数、模型地盤の粒度等を種々変化させ、 液状化現象の発生のしやすさなどについて基礎的な確認 実験を行った。２．模型実験
2.1 模型実験概要 模型地盤は、幅 36cm×奥行き 22cm×高さ 26cm の透明 な水槽に水を満たし、所定の寸法の出口から砂を落下させ 一様な地盤模型を作製した。模型地山は空気乾燥状態の 7 号硅砂を用いた。使用した 7 号硅砂の平均粒径は 0.15mm である。砂の投入は、高さ 60cm の位置で一定の寸法の出 口から水中落下させ、厚さ 15cm になるまで投入し作成し た。 この地盤模型を小型振動台上に設置し、所定の入力地震 波で加振した。小型振動台の諸元は、テーブル寸法 400× 250mm、最大加振加速度 1000gal、最大加振変位±40mm で ある。計測項目は、加速度と間隙水圧であり、図１に示す ように、加速度計は振動台上と地中のセンター部 7.5cm の 深さに合計２個を、間隙水圧計は土槽中心から 10cm 離れ た位置で深さ 7.5cm のところに設置した。間隙水圧系は左 右対称に２箇所設置し、間隙水圧計（東）および（西）と 表記する。図２に実験装置の状況を示す。 *近畿大学工業高等専門学校 総合システム工学科 都市環境コース図１ 実験装置 図２ 実験装置の状況 表１ 実験ケース 2.2 実験ケース 表１に実験ケースを示す。そのうち本報告では７号硅砂 を用いて、入力地震波の波形を種々変化させた実験ケース について述べる。
３．実験結果
3.1 東北地方太平洋沖地震波（石巻市での観測地震波） 図３に、2011 年３月 11 日の東北地方太平洋沖地震（東 日本大震災）での石巻市で観測された地震波を再現した場 合の加速度波形および間隙水圧波形を示す。図から、地震 発生後の最初の大きな波の 400～500gal の地震波で間隙水 圧が急上昇し、地盤中の加速度波形も乱れ液状化が生じた ことがわかる。画像撮影を見てもこの時点で液状化が発生 している。地盤中の加速度は振動台の加速度と同じ動きを しており、間隙水圧は一旦上昇した後、地震が収束するま で間隙水圧の上昇が継続している。 3.2 振動数 2Ｈｚと 5Ｈｚでの差異 図４に振動数5Hz、300gal で加振した場合の加速度およ び間隙水圧波形を示す。図から、加震後すぐに間隙水圧が 急上昇し液状化が発生したと考えられる。また、同時に 地盤中の加速度波形が乱れている。 図５に振動数2Hz、300gal で加振した場合の加速度お よび間隙水圧波形を示す。図から、間隙水圧は徐々に高 くなり時間をかけて徐々に液状化が発生し始めたと考 えられる。地盤中の加速度波形の乱れは見られない。 このことから、5Hz での加振の方が砂粒子が急激に振 動を受けて、粒子間の間隙水圧が急上昇し、急激に液状 化に至ることが分かる。 № 項目 諸元 1 振動数の相違 ①正弦波５ Hz、②正弦波２Hｚ、③実測波 2 地震波形の相 違 ①正弦波 100gaｌ、200gal、300gal、400gal と 段階的に加振、②急激に 一定の加速度で加振 3 加振時間の相 違 各加速度波を①10 秒、②20 秒、③30 秒で加振 4 実測波での加 振 東北地方太平洋沖地震（石巻市での観測波） 5 模型地盤の相 違 ①珪砂 5 号、②珪砂 7 号、③珪砂 5 号と 7 号の 混合 -10 00 -8 00 -6 00 -4 00 -2 00 0 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 1 10 01 2 001 30 01 400 1 50 01 60 01 700 1 8 001 900 1 100 01 1 100 1 時間（1000目盛で20秒） 加 速 度 （ ga l) 振動台の加速度 地中の加速度 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 1 10 01 200 1 300 1 40 01 5 001 600 1 700 1 8 001 9 001 100 01 1 100 1 時 間 （1000目 盛 で20秒 ） 間 隙 水 圧 （ kp a ) 間 隙 水 圧（東 ） 間 隙 水 圧（西 ） 図３(b) 間隙水圧の計測結果（3.11 東北地方太平洋沖地震の石巻市で観測された地震波入力） 図３(a) 加速度の計測結果（3.11 東北地方太平洋沖地震の石巻市で観測された地震波入力） 360 26 0 15 0 加速度計 間隙水圧計 1 間隙水圧計 2 地表面 100 100 80 80 75 75- 5 - 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 5 1 5 01 1 00 1 1 5 01 20 0 1 2 5 01 30 0 1 3 5 01 時間 （1 00 0目 盛で20 秒） 間 隙 水 圧 （ kp a) 間 隙 水 圧 （ 東 ） 間 隙 水 圧 （ 西 ） - 5 - 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 5 1 5 0 1 1 00 1 15 0 1 時 間 （ 10 00 目 盛 で 20秒 ） 間 隙 水 圧 （ kp a ) 間 隙 水 圧 （東 ） 間 隙 水 圧 （西 ） 図４(b) 間隙水圧の計測結果（7 号硅砂 5Hz の正弦波 300gal で加振） 図５(b) 間隙水圧の計測結果（7 号硅砂 2Hz の正弦波 300gal で加振） -1 00 0 - 80 0 - 60 0 - 40 0 - 20 0 0 20 0 40 0 60 0 80 0 1 00 0 1 50 1 1 00 1 15 01 2 00 1 25 0 1 30 01 3 50 1 時 間 （ 1 0 0 0 目 盛 で 2 0 秒 ） 加 速 度 （ g al ) 振 動 台 の 加 速 度 地 盤 の 加 速 度 - 1 0 0 0 - 8 0 0 - 6 0 0 - 4 0 0 - 2 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 5 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 時間（1000目盛で20秒） 加 速 度 （ ga l) 振動台の加速度 地中の加速度 図６(b) 間隙水圧の計測結果（7号硅砂 2Hzの正弦波100galで10秒、200galで10秒と段階的に加振） 図５(a) 加速度の計測結果（7 号硅砂 2Hz の正弦波 300gal で加振） 図４(a) 加速度の計測結果（7 号硅砂 5Hz の正弦波 300gal で加振） -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501 時間（1000目盛で20秒） 加 速 度 （ ga l) 振動台の加速度 地中の加速度 図６(a) 加速度の計測結果（7号硅砂 2Hzの正弦波100galで10秒、200galで10秒と段階的に加振） -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501 時間（1000目盛で20秒） 間 隙 水 圧 （ kp a) 間隙水圧（東） 間隙水圧（西）
したがって、地盤中の過剰間隙水圧を急上昇させず、水 圧を逸散させることが液状化対策として重要となる。 3.3 段階的に加振加速度を増加させた場合 図６は振動数2Hz で 100gal の正弦波を 10 秒、200gal で 10 秒、300gal で 10 秒、400gal で 10 秒と段階的に加速度 を上げて、模型を加振した場合の加速度および間隙水圧波 形を示す。この図から、600gal 付近で地盤の加速度波形が 乱れており、また間隙水圧も600gal 付近で上昇しており、 この時点で液状化が発生したことが分かる。一方、これま での実験から 300gal 程度で液状化することが確認されて おり、段階的な本実験の加振の場合、100gal の正弦波を 10 秒加振したことで、砂地盤が締め固まり、液状化現象 が起こりにくくなったと思われる。 このことは、地盤の締固めによる相対密度の増加が液状 化対策工として有効であると考えられる。
