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地盤の振動特性と地盤種別判定法

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1

地盤の振動特性と地盤種別判定法

飯 田 汲 事 @ 正 木 和 明 ・ 谷 口 仁 士

An Interpretation Method f

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Microtremors.

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Kazuaki MASAKI and

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i TANIGUCHI

常時微動を水平成分および上下成分において測定し,それらの卓越周期を求め,地盤構造と対比さ すことによって地盤陸自

u

を判定する方法を提案した。地盤構造巻大きく 4種に分け,各々の地盤上で の水平成分と上下成分の卓越周期の相互関係を調べた結果,沖積層が厚くなるにつれて水平成分と上 下成分の卓越周期の分離現象が生じ始め,沖積層惇21m以上の地盤において完全に分離するようにな た。この現象l乙注目し,名古屋市におけ地盤をこの新たな判定法により地盤種別を行った。 l はじめに 同じ地震を観測した場合,近接している地点でもその 場所の地盤構造の相違により,地震波形の異なる乙とは, 地震動が記録できるようになってから直ちに気づかれた 事実である。この現象は地iiミ記象を比較してみるまでも なく大地震の被害記録込解析するζと は り , 一 般 に 悶 い地繋上より軟弱な地盤においてその被害が大きいとと からも容易に推定できょう。近接している地点では少な くとも地下深くにおいては地質が同じであるため,河じ 波形の地震波が入射しているはずであるから,地表面で 観測される地震波形の相違は,主 l乙地表付近 lこ分布して いる軟弱地盤の影響によるものと考えられる。言し、かえ れば,地表面で測定された地盤の振動性状を解析するこ とにより,基盤上にある地盤構造を推定できるはずであ る。 金井

J

J

3

)

固有周期1秒の地震計を用い,常時徴動の測 定を行ない,水平成分の卓越周期,振巾特性による地盤 種別の判定法を提唱した。 筆者らは,名古屋市地擦を中心とする濃尾平野の常時 微働測定結果から,金井による判定法を用いて池盤種別 の判定を行なったところ,大体乙の方法で種別判定でき るが,若千乙の判別できない場所が生じた。 一方,最近の報

4

i

E

よれば,微動は表面波の一種であ ろうと考えられている。筆者らも微動が表面波の特性を 有することを既 l乙確認してきた!)表面波の極小群速度を 与える周波数 その地盤上での卓越周波数ーは地盤構造, 地盤物性に依存していることが知られているが,水平成 分のみならずと下成分をも考慮しようとする研究が内発 になってきた。筆者らも上下成分に注目し,水平成分の 卓越周期と上下成分の卓越周期との関係が,地盤構造と 密接な相関をもっ事実を見いだした。この事実に重点を 置き,金井による地盤積判定法とは異なった判定法を作 成したのでここに報告する。なお,微動の測定及び解析 方法については前回発行された研究報告

J

K

よるものとす る。 2. 地盤の振動特性 地盤構造を大きく,基礎地盤(基礎岩盤) ,洪積地盤, 沖積地盤l乙分け,特ζ沖積地盤についてはその層厚を Ol m -10. Om, 10. 1m -20目Om,20.1m以上の 3つに区分 した。また微動の振動性状の分類としてスペクトル型分 類,卓越周期による分類などを示した。 a) 基礎地盤 図1にこの地盤上で得られた微動のパワースペクトル の形態を示す。乙のスベクトルは水平,上下成分とも5.0 Hz付近に先鋭度の大きし、ピークを持ち,明らかにこの地

(2)

飯田汲事。正木和明・谷口仁士 202 Oiluvium number of data; 21 ハu n u n U 3 2 1 ︹ H } h υ c ω 2 U ω L L

川.

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一一一-Vertical 図l 基礎地盤上のパワースペクトル 0.5(Perlod in sec,) 0 02 盤上で測定された徴動の波動構成はシンフ。ノレで、あると考 えられる。上記のノfワースペクトルよりこの地盤の卓越 周期は,水

1

'

ら上下成分ともほぼ一致しその値は0.2秒 洪積地盤上における平均卓越周期の頻度分布 合,それらの中の最も小さい方を選ぴ, N S成分と E W 成分を単純に平均し算出した。この事越周期の平均値は,

o

.361~O .400秒の帯域に分布する確率が最も大きし 図4 である。 洪積地盤 図2Iこζの地繋上得られた微動のパワースペクトノレの 形態を示す。このパワースペクトルは水平,上下成分と ) 、h u その値は33%となっている。 水平成分の単越周期の平均値(以下TN.Eと記す)と上 下成分(以下Tuと記す)との相関を図 5Iこ示すo;]<平 亡二]TN.E"=Tu士 0.040 BJ:] TII.E=T"士 0.020 成分の平均値が,Tu::!::0.040すなわち, TN.E ~Tu土 0.040の 範囲 l乙分布する確率は75%にも達する。 TN・E>Tu+ 0.040については 10%, TN・E<Tu- 0.040は15%とな っている。これをもう少し精度を上げ,, TN・E二Tu土 0.020の範囲にすると,乙の範囲内に分布する確率は40 %, TN・E>Tu+ 0.020についても 40%, TN・ E<Tu-0.020は20%となり,精度を土 0.040としたときの TN・E与Tul乙分布していたものは,その

f

古度を士 0.020 l ζ上げることによって,そのほとんどはTN・E>Tuの部 分l乙移行している乙とを示している。即ち,乙の地盤での TN・Eと Tuとの相関関係 一一一Horiz:ontal ---- Vertical T_怠 〈 了ω T",.~ き.Tc T"'."E>Tu 図5

m

o

(料 ) h u 匡 ω コ σ ω L 比 洪積地盤上のパワースペクトル も2.8Hz付近にピークを持ち,基礎地様の振動特性と同 様にその波動構成はンンフ。ルであると言える。この地盤 の卓越周期は0.36秒となっているが,もう少し詳しくこ の地盤上で測定された卓越周期の分布状態を調べてみる と,図3I乙示したように卓越周期が分布している。図3

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H_Seor:tponent 且 四b氾rofdata, n E_WOOOlpa円nont n山 口fdata:26

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ι

平 図2 卓越居期は,水平成分と上下成分が士0.040秒の範間内 でほぼ一致していると言えよう。 沖積地盤 (1m ~10.0m) 図6にこの地盤上で得られた徴動のパワースペクトノレ の形態を示す。このスペクトルの水平成分については,

C)

洪積地盤上における車越周期の頻度分布 (a)には N S成分の卓越周期の分布が示しである。こ の成分の卓越周期は

o

.361~O .400秒の帯域 lこ分布する 確率が他の市域に比べて大きしその値は22%である。 図3 (b) のE W成分についても N S成分と同様, 0.361 図3 ー-Horiz。門,,' ----Vert1cal

i

'

出以

l

沖積地盤

(Om-l0.0m)

上のパワースペクトル 図6 ~O .4

0

0

秒の帯域に分布する確率が大きしその値は25 %である。図3

(

C

)

のU D成分も水平 2成分と同じ帯 域で分布確率が大きしその値は25%である。 水平 2成分の卓越周期の平均値の分布を図 4IL示す。 但し,測定地点において卓越する周期が2つ以上ある場

(3)

2

0

3

次I,乙TN.Eと Tuとの相関を図 91乙示す。 TN・E= Tu

係 正 区 間 二 関 h 関 相 u の 甘 ん ﹂ M U T 地盤の振動特性と地盤種別判定法 : :!::0.040の範囲に分布する確率は43%,TN・E>Tu十 0.040の範囲K分布する確率は35%,TN.E<;Tu一 0.0 40においては22%となり,その値の順序は洪積地盤と一 致しているが,三者ともほぼ問じレベルで分命している。 精度を上げ, TN •E= Tu土0.020の範囲にすると,乙の 範囲内l乙分布する確率は30%,TN・E>Tu十 0.020は39 %, TN.E<Tu - 0.020は31%となる。精度を土 O圃040 としたときの TN.E当Tulζ分布していたものは精度を上 げる乙とによってほぼ同じ程度K TルE>TuとTN・EくTu の部分に移行している。これは洪積地盤では見られなか った事実である。 沖積地盤 (10.1m -20. Om) 図10にこの地盤上で得られた徴動のパクースペクトノレ の形態を示す。乙のスペクトルの水平成分については, TN・Eと 図9 2.3Hzと3.0Hz付近にピークを持ち,洪積地盤のスベク トル i乙比べ, 2.3Hz付近のピークの出現が乙の地盤の特 徴といえよう。 2.3Hzと3.0Hz付近のピークのレベル差 は後者の方が大きい測定地点が多い。上下成分について は,そのピークは2.8Hz付近 i乙存在し,洪積地盤とほぼ ピークは一致する。スペクトルの形態からこの地盤の振 動特性を判断すれば,洪積地擦に比べ水平成分と上下成 分のピークがずれ,水平成分に2つのピーク脅持つよう になった。図?に卓越周期の分布状態を示す。図7(a) 同 叩 刷 叫 亀 .,山r““E・:)7 d) { ロ 1 DP~no4 ln.目 白 沖積地盤COm-

1

O

.0m)上における 卓越周期の頻度分布

l:~il

i

l

ーー-Horlzontal ----Vertical 図10 1.6Hzと2.3Hz付近にピークを持ち前記の沖積地盤l乙比 ベピークが全体l乙低周波の方へ移行し, 1.6Hzと2.3Hz 付近のピークレベルは後者の方が約2倍程度となってい る。また上下成分については, 1.8 Hzと3.1Hz付近にピ ークを持ち,水平と上下成分のピークが完全にずれてい る。すなわち,地盤構造がより複雑になるに

t

也、その波 動構成も複雑になり,水平と上下成分のピークが分離し て行く傾向にあると思われる。図1Uζ各々の成分の卓越 周期の分布状態を示す。図11(α)のNS成分の卓越周 期分市において,最も分市確率の大きい帯域は, - 0.440秒の帯域でその値は27%である。また 0.601-0.640秒に分布する確率も10%程度でできている。図11 (b) のE W成分についてもNS成分と同様に最も分市 確率の大きいのは, 0.401-O. 440秒の市域で33%, 0.601-0.640秒については17%となっている。図11( C)のU D成分については, 0.321-0.360秒の帯域で 分子t: 0.401 i乙NS成分の卓越周期の分布を示す。分市確率の最も大 きい帯域は, 0.321 -0.360秒の帯域でその値は24%で ある。図7 (b) I乙示されているE W成分についてもN S成分と同様, 0.321-0.360秒の情域に分布する確率 が大きく28%である。しかし図7(C)に示されている UD成分については,洪積地盤と同様に最も分市する確 率の大きいのは, 0.361-0.400秒の帯域で23%の値を 持つが,乙の帯域の両隣りの 0.321-0.361秒と 0.401 - 0.400秒に分布する確率も21%となり,乙れら三者が ほぼ同じ確率で O.321-0.440秒の帯域lζ分布している。 図81乙示した水平2成分の卓越周期の平均値分市は, 図

7

l 5(Per1od 1n sec.)l

o

.

沖積地盤(Om-l0.0m)上における 平均卓越周期の頻度分布 O. 321-0.360秒の帯域に入る確率が大きく31%の値を 持つ。 Alluvium( Om-10.Om) number of data: 26 30 図8

(4)

飯田汲事。正木和明 a谷口仁士

盤とは異なり TN.E>Tu, TN.E与 Tu,TN・u<Tuの

1 11&である。また精度を上げて TN.E=Tuとー 0.020の範 囲 lとすれば3 乙の分布確率は27%, TN.E>Tu十 0.020 については64%, TN'E<Tu- 0.020は 9 %となる。精 度を上げることにより, TN.E>Tuへ移行する数の万が TN・E<Tuへ移行する数よりもはるかに多いことを示し ている。すなわち,この地盤での水平成分の卓越周期は 上下成分の卓越周期よりも長くなっている傾向にあると , . ,ω:山 川

nUlOberof血to: J1

叫A-I+且 ~,“ r岨terof d~~~ : J' 0 0 0 2 1 1 一 } す 2 3 E 之 204 言えよう。

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沖積地盤 (20.

1m

以上) 図14'こζの地盤上で得られた微動のパクースペクトル の形態を示す。このスペクトルの氷平成分については, JO

i

u

W

J

沖積地盤(20.1m 以上)上のパワースベクトル _Korizontal -ーー Vertical 沖積地盤(10.1m-20.0m)上における 卓越周期の頻度分布 の市域で16%となる。すなわち,水平 2成分の分布確率 の最も大きい

f

l

f

域は, 0.401~ 0.440秒であるが,上下 成分は O.321~ 0.360秒と完全に分離している。 図12'乙示した水、f2成分の卓越周期の平均値の分布は 図

1

1

図14 前述した沖積地盤(11.

1m

~20.

Om

)のスペクトノレと同 僚に1.6Hzと2.2Hz付近 lこピークを持つがそのピークレ ベルは相対的 l乙小さい。 1.6Hzと2.2Hz付近のピークを 比べた場合, 1.6 Hz 付近のピークレベルの方がやや大 きいと思われる。また上下成分については, 3.0 Hz 付近 l乙ピークを持つ。水平とと下成分の分離現象はますます 明らかとなって行くようである。しかし,沖積層厚45m 以上になるとこの現象はなくなり,水平と上下成分とも 同じ周波数の所lζピークの卓越が見られる。図15'こ各々 の成分の卓越周期の分市状態を示すQ 図15(a )の

NS

Al1u~ium (lO.lm-20.0m) " " 同ber of data: 22 Q5(Period in sec.) 沖積地盤C10.1m-20圃Om)上における 平均卓越周期の頻度分布

i u n υ n u

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( d R ) h u z 小 山 コ σ ω i L い ル 0 02 凶pOne回 Dwob.rafd囚,",

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;:20

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ヨ ; , 10~ . , OL 図12 O. 401~ O. 440秒の帯域の分布確率が28%と最も大きし 次に, O. 361~ 0.400秒と O.601~ 0.640秒の 2つの部, 域となっておりその大きさは18%である。前述した洪積, 沖積地盤の特性と異なるところは, O. 321~ 0.440秒の 帯域の中で各々の分布確率のピークが変動していること もさることながら,この地盤で初めて O.601~ 0.640秒 の帯域の域の卓越周期の出現が見られたことである。 次 l乙 TN.EとTuとの相関を図 13'乙示す。 TN.E二 Tu E

TO'I.e=了u全0.040 ffi2'Jr...,, =Tu土 0.020 ~ 50 ω

.

σ ω 』 也 沖積地盤(20.1 m以上)上における 卓越周期の頻度分布 成分の卓越周期分市において,分市確率の大きい帯域は, O. 441~ 0.480秒と O.641~ 0.680秒の2ケ所の帯域に 存在し,その値は21%である。また, O.60r~ O. 640秒,

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:

0

:

-

:

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i

図15 前 T",E< T" 図13 TN・EとTuとの相関関係 士0.040'C分布する確率は41%, TN.E>Tu十 0.040に 分布する確率は55%,TN・E< Tu- 0.040'こ分布する確 率は4 %となり,その分布確率の順序は前述の 2つの地 7民 層 ,T.

(5)

地盤の振動特性と地盤種別判定法 O. 721~ O. 760秒の帯域については,その値は 16%とな っている。 E W成分については,分布確率の最も大きい 帯域は, O. 601~ O. 640秒と O.721~ 0.760秒でその値 は21%である。 U D成分については, O. 321~. 0 360秒 の;市域の分布確率が21%と 最 も 大 き し 次 に O.361~ 0 0.400秒のJ市域で 16%となっている。すなわち9 水平成 分と上下成分の分布確率の最も大きい帯域は完全に分離 している。この現象はj中積地盤で見られたが9 より明確 に分離しているようである。 凶161こ水平 2成分の卓越周期の平均値を示す。 ζの平 30 Alluvium(20.1同一 ) number of data: 19 n u n u ; 1 ) h u c ω 2 Z ω ﹄ 0 02 Q5 (Period in sec.) 図16 沖積地盤 (20.1

m

以上〕上における 平均卓越周期の頻度分布 均値の分市は O.441~ 0.480秒と O.721 - O. 760秒の 2 つの市域において分布確率の最大値を持ち,その伯は 21 %である。前述した沖積地盤l乙比べて,分布確率の大き いflf域は二っとも長周期市域へ移行している。 次lこ TN・EとTu との十目関を図 171ζ示す。図 lζ示すよ と 50 h u z

.

2 σ a υ L

=

T閉=Tu:!: 0.040 ~T...E=Tu!O.020

T..."~ Tu T.州 主Tυ τ帥.To 図17 TN.EとTuとの相関関係 うIL, TN・E= Tu土 0.0401こ分布する確率は 32%, TN.E >Tu+ 0.040については 53%,TN.E<Tu- 0.040につい ては 15%となり,その分布確率の順序は,前述の沖積地 盤 (10.1m ~20. Om) と同じである。しかし,精度を上 げ TN・E=Tu土 0.020の範囲にすると,この分布確率は 16%, TN・E>Tu十 0.020は69%,TN.E<Tu - 0.02 は15%となり,精度を上げることにより, TN.E>Tuの 範囲へ全て移行する。 以上述べた乙とを総括すれば,図 181乙示されているよ うにパワースペク卜ルのピークは,地盤構造の変化にと もなって,水平万向は鋭敏に変動するが,上下万向はあ まり変動しない。その結果,水平成分と上下成分のピー クが除々に分離現象を起し,沖積層厚 10.lm以上の地盤 において完全に分離している。

2

0

5

Oi1uvium All uvium ( Om.10.Om) Al1uvlurn (10.1m.20.0ml Alluv↑"' (20.1m-図18 地盤構造の変化にともなう パワースペクトルの変動 波動構成から見た水平成分の卓越周期の平均値は,関 191乙示されているように,洪積地盤から沖積地盤 (Om

州仁川

i

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1

日 地盤構造の変化に対する 卓越周期の変動(水平成分) ~10.0m) 1こ変わるととろで僅かではあるが小さくなっ ている。また,図 201乙示した上下成分についても沖積地

ι

l

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図20 地盤構造の変化に対する 卓越周期の変動(上下成分〕 盤 (0m ~10.0m) から沖積地盤(lO.lm ~20. Om) に 変わるところで水平成分同様僅かではあるが卓越周期が 小さくなっている。 図211こ示した水平成分の卓越周期と上下成分のl宅越周 期との杷関は3 沖積層j手が増すにつれ,水平と上下成分 の卓越周期が分離し,かっ,水平成分の卓越周期は上下 成分の卓越周より大きくなって行くことが明確になった。

(6)

飯田汲事・正木和明・谷口仁士 ものであり,建築基準法によって分類されたものである。 ここで地盤種別 I~N を述べると次のようになる。

1

:岩石,固い砂質磯層などからなる地盤。

I

I

:

洪積層 5 m程度の磯質沖積層からなる地盤。

m

:

5m以上の沖積層からなる地盤 VI : 30m以上の沖積層,埋立地などからなる地盤。 図231乙濃尾平野において測定された微動の水平及び上 下成分の卓越周期と新種別判定法を示すO 乙の図におい 汗-.亨:予- 7 .

i

',j,~1,;Jげf' 0.1 0.5 (sec) 1.0 T..匠 図23 新地盤種別判定法による種別判定 て,それぞれの区分に分布する分布確率は次のようにな 係 闘 の U

T

と E 汁 川 1 N 一 目 T 叫 叫 一 一 山 一 プ 匂 山 圏 且 山 五 山 亙 凶 す !i ﹂ 一 ﹂ l ﹂ 官 ふ リ 一 一 -4 V ハ 1 1 L 1 L t も に

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図21 3. 新しい地盤種別判定法の提言葉 地盤構造の変化にともなう振動特性の変化は男水平成 分の卓越周期と上下成分の卓越周期の分離現象として把 握できた。すなわち3 沖積層厚が増大すると水平成分の 地盤の分布確率 /比分1の'1'にある@町Jの 敏 、 ぱ 分lの'1'に @ 印 が 人 るE在宅( / /OO) は 80ァ ¥ 全 体 の @ 日jの 例 数 J / 区 分1の'1'に あ る*I:IJの 敏 、 区 分 』 の 中 で @ 印 で あ る 航 者 (~_" : )'100 )は 6JS 、区分1の'1'の 全 て の 例 数 J / 以 分 自 の 中 に あ る × 印 の 設 、 色 分 自 の や に メ 町J/.i;人る確キl 〆100)は6之タ ¥ 全 体 の × 印 の 例 数 / / 区 分 自 の 中 に あ る × 印 の 数 ¥ l { 分 自 の 中 で " 印 で あ る 薩 事I:-::.J - - - " x/OO)は71併弘 ¥ 区 分 自 の 中 の 全 て の 倒fb. --I / 区 分nの 中 に あ るO印 の 敬 、 区 分Wの 中 にO印 が 入 る ほ キl 〆 /00)(まM併が ¥ 全 体 の OE[.の 例 数 J f区 分 町 の 中 に あ るO印 の 敬 、 一 区 分Nの 中 でO印 が 入 る 確 率I--:-_ --_~. X Iσ01は63..2j; ¥区分Wの 中 の 会 て の 伺 敬 ' 表

1

る。 卓越周期はそれにともない長くなるが,上下成分の卓越 周期は水平成分に比べてその変化速度が遅し水平成分 の聞でE宮越周期のずれが見られる事実である。乙の事実 を利用し9新たなる地盤種別判定法を提案するものであ る。 図221こ新地盤種別判定法を示す。横車自に水平 2成分の 以上の乙とよりζの判定法によれば,少なくとも60% 以上の確率で各区分 lこ対応する地盤がプロッ卜されるこ 4 まとめ 地盤構造別に振動特性を調べた結果,水平方向は地盤 構造とともに鋭敏に変化するが, ヒ下成分はあまり変化 しなしその結果水平成分と上下成分の間で卓越周期の ずれが見られる。また,地盤構造の変化にともなってそ の波動構成も複雑になっていく。沖積層厚の増大ととも に水平成分の卓越周期は大きくなるが,上ド成分は僅か ではあるが小さくなることがわかった。 新地盤樺別判定法については,地機構造との対応性も とになる。 N-一一一一一一一一一一一

T

N,E 1.0 0.5 図22 地 盤 種 別 判 定 法 の卓越周期の平均値をとり,縦軸 lこ上下成分の卓越周期 をとる。第 I種地盤は

T

N

.

E

の0.22秒から横軸 l乙450

T

u

の角度を持って直線を引き Tuの0.27秒から横軸に平 行に直線をヲ!く,これらの直線と横軸及び縦軸に固まれ たゾーンを第

I

種地盤とした。また,第一

E

種地盤は第

I

種地盤と同様に

TN

E

が 0.24秒

T

uが0.45秒の点 よ し そ の 相 関 値 は60%以ヒとなっている。 終りにのぞみ,測定,解析に協力していただいたわれ われの研究室の学生諸君に深く謝意を表わす。 より直線を引き,第

I

種ゾーンを除いたゾーンを第

E

陸 地盤とした。同様に第血種地盤は, TN・Eの{直が0.47秒 Tuが0.47秒である。第百種地盤については, ζれら以 外のゾーンを第 VIf雪地盤 ι する。ここで用いた記号 I~ 81 ~N は金井による穏別記号と地質分類上まったく同ーの

(7)

地盤の振動特性と地盤種別判定法

2

0

7

参考文献

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害,名古屋市防災会議 (1974)

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Measurement of theMicrotremor.

n

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参照

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Since severe damage to residential land was caused in Kashiwazaki,City, Kariwa Village, Izumozaki City and Jouetsu City by this earthquake, an official earthquake

会 員 工修 福井 高専助教授 環境都市工学 科 会員 工博 金沢大学教授 工学部土木建設工学科 会員Ph .D.金 沢大学教授 工学部土木建設 工学科 会員

5日平均 10日平均 14日平均 15日平均 20日平均 30日平均 4/8〜5/12 0.152 0.163 0.089 0.055 0.005 0.096. 

活断層の評価 中越沖地震の 知見の反映 地質調査.

使用済燃料輸送容器保管建屋(以下, 「キャスク保管建屋」という。)には現在(平成 24 年 12 月時点)9 基(中型 4 基,大型 5

都内の観測井の配置図を図-4に示す。平成21年現在、42地点91観測 井において地下水位の観測を行っている。水準測量 ※5

写真① 西側路盤整備完了 写真② 南側路盤整備完了 写真④ 構台ステージ状況 写真⑤

写真① ⻄側路盤整備完了 写真② 南側路盤整備完了 写真④ 前室鉄⾻設置状況 写真⑤