JP2003278171A - 液状化現象予測システム - Google Patents
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- G01N29/222—Constructional or flow details for analysing fluids
Abstract
下量・残留水平変形量の予測 【解決手段】地盤から原位置の土をサンプリング(地層
B〜地層D)して供試体を作成し、要素試験対象層とす
る。特性が良くわかっている層等は、数値モデルで代用
してもよい(地層A)。次に、入力条件の設定を行い、
それぞれの層に、その地点の深さの地層が受けている上
載荷重に相当する鉛直応力・水平応力・初期せん断力を
作用させる。これで、地震が発生する前の土の応力状態
を再現している。そうして、地震によるせん断変位と間
隙水の移動量を供試体に与え、その応答としてのせん断
応力と間隙水圧の発生量を得る。要素試験実施層は、地
層要素に算定された変位および間隙水の移動量を、各要
素に実際に与えて復元力および間隙水圧を測定する。こ
のステップを順次繰返すことによって、液状化現象をシ
ミュレーションできる。
Description
じた地盤の残留沈下量・残留水平変形量を予測するため
のシステムに関する。
ん断応力によって飽和砂質地盤中の間隙水圧が上昇し、
地盤のせん断剛性が低下してしまう現象である。地盤の
剛性が低下することによって、地盤や建物の沈下、軽量
な地中構造物の浮き上り、側方流動現象による杭の被害
などが生じる現象である。液状化現象が生じると、建物
の不同沈下やライフラインを始めとするインフラ設備に
多大な被害が生じるため、施設の構築前に液状化現象の
発生の危険性を予測し、必要とあらばその対策を講じる
ことになる。従来、液状化を予測する手法としては、地
震時に生じるであろうせん断応力の大きさを算定すると
ともに(外力の算定)、地盤の非排水繰り返しせん断強
度を求め(抵抗力の算定)、両者の比を液状化安全率F
Lとして求め、この値が1以下であると液状化現象が生
じるものと判定する方法がある。しかし、この方法は液
状化現象が生じるか生じないかの二極的な予測方法であ
り、外力の大きさと抵抗の大きさの大小関係によって、
被害量が連続的・相対的に異なる実現象を説明できる方
法になっていない。特に、性能設計が必要とされる構造
物に対しては、液状化による被害程度を予測できる手法
が求められているところである。地震時の液状化現象の
発生に伴う土構造物や地盤の被災量は、地震が終息した
後の残留変形量によって算定することができる。現在、
この被災変形量を予測する方法としては、土の挙動を理
想的にモデル化した数値解析法がある。この方法の予測
精度は土の繰返しせん断挙動のモデル化に大きく依存
し、モデルが地震力を受けるであろう原位置の土のせん
断変形挙動をどのくらい忠実にモデル化できるかにかか
っている。しかしながら、現時点の技術レベルでは、土
の挙動の普遍化は十分でなく、原位置の土の挙動の複雑
さを十分表現できるものになっていない。また、従来の
数値解析では、土の繰返しせん断挙動のモデル化に大き
な不確実性が入る問題があった。特に、土がせん断応力
を受けて、そのひずみレベルが大きくなってからの挙動
は、直接的に地盤の残留変形量に寄与するため、非常に
重要であるが、この部分のモデル化には決定版がない。
その上、従来の数値解析法では、震動中に土中の間隙水
が移動しないとみなす土の非排水せん断挙動にもっぱら
注意が払われ、変形も震動時の変形のみを考慮している
場合がほとんどである。しかしながら、地震時の地盤の
残留変形量は、震動時にのみ生じるものではなく、震動
後にも進行的に発達することが実際の地震被害の目撃証
言からも明かになっており、震動後に変形が発達するメ
カニズムを吟味し、そのメカニズムに基づいて変形を予
測する方法が求められている。
様子を示したものである。図1において、地震が始まる
と、繰り返しせん断により過剰間隙水圧が生じる。地震
が収まった後に、地震による過剰間隙水圧が消滅する
が、その消滅時に間隙水の流入流出による地盤の変形が
生じている。この地盤の変形は、過剰間隙水圧が消散す
るまで持続している。これにより、最近、地震後の流動
変形メカニズムとして、過剰間隙水圧の浸透が重要な働
きをしている可能性が指摘されている(風間基樹他、地
震後の浸透破壊による流動変形メカニズム、第36回地
盤工学研究発表会、2415−2416、2001)。また、繰返し
せん断によって生じた過剰間隙水圧消散時の体積圧縮特
性(間隙水排水量と有効応力の回復の関係)および間隙
水流入時せん断変形特性(間隙水流入量とせん断ひずみ
の関係)を仮定した予備数値解析によれば、地震後の変
形量が無理無く説明できることがわかっている(仙頭紀
明他、地震後の浸透破壊による流動変形予測法、第36
回地盤工学研究発表会、2417−2418、2001)。このよう
な間隙水流入流出時の土の変形特性に関しては、今まで
ほとんど検討対象になっていないばかりでなく、間隙水
の流入流出量は周囲の境界条件によって決まるため、要
素としての特性把握試験のみでは、被害予測に限界があ
った。
によって液状化現象が生じた地盤の過剰間隙水圧消散後
の残留沈下量・残留水平変形量を正確に予測するシステ
ムを提供することである。
に、本発明は、液状化現象予測システムであって、対象
の地盤からの供試体に対して、せん断応力を与えるせん
断応力載荷手段と、前記供試体に対して、間隙水を与え
る間隙水注水手段と、ある時刻の変位と間隙水圧を計測
する計測手段と、前記計測手段からのデータを収集する
とともに、前記せん断応力載荷手段および間隙水注水手
段を制御するデータ収集・制御手段とを備え、前記デー
タ収集・制御手段は、せん断応力載荷手段を制御して前
記供試体に対して地震動を与えるとともに、時刻ごとに
計測手段からのデータにより前記供試体の振動解析およ
び浸透流解析を行い、得られた結果により前記せん断応
力載荷手段および間隙水注水手段を制御することによ
り、最終的な残留変形量を求めることを特徴とする。前
記データ収集・制御手段における振動解析および浸透流
解析は、対象地盤を各地層ごとに空間離散化したとき、
各地層は、ある時刻ごとに、せん断力に関する力の釣り
合い式と間隙水の移動に関する収支の連続式を満たすこ
とを用いて行うことができる。前記データ収集・制御手
段は、対象地盤の特性が分かっている地層の数値解析を
行うとともに、その地層に対しては、数値解析の結果を
振動解析および浸透流解析に用いることができる。
て説明する。本発明では、土の繰返しせん断挙動を数値
モデルではなく、直接的に原位置の土試料の要素試験か
ら得られる挙動に置換えるシステムである。本発明で
は、このシステムにより、地盤の残留沈下量・残留水平
変位量を求めることができるものである。また、振動後
に進行的に発達するせん断ひずみ量を予測するために、
本発明では、震動時に生じた過剰間隙水圧が振動後に浸
透移動することによって地盤が破壊変形するというメカ
ニズムを組み入れた浸透流解析を用いて、震動時と同様
に原位置の土要素の挙動を直接的に取り込んだ震動後の
浸透流動変形量予測システムである。
00を示している。図2において、パーソナル・コンピ
ュータ160は、実験装置100の制御からAD変換、
データの取得までを行う。モータ・コントローラ158
は、パソコン160からの信号を受け、供試体110に
地震のせん断応力を与えるせん断応力制御モータ128
及び間隙水の流量を制御する間隙水流量制御装置130
の間隙水流量制御モータ132を動かしている。レーザ
変位計136は、間隙水の流量制御フィードバックをか
けるためのピストン134の貫入量を計測している。せ
ん断荷重計126は、供試体110に作用しているせん
断応力を計測する。非接触変位計124は、供試体11
0の頭部の変形量を計測し、せん断ひずみを求めてい
る。垂直荷重計122は、供試体110に作用している
鉛直応力を計測している。差圧計138は、供試体11
0中の過剰間隙水圧を計測している。動ひずみアンプ1
54は、ひずみゲージタイプのセンサ(せん断荷重計1
26や垂直荷重計122)の信号を電圧信号に変換して
いる。プレッシャ・アンプ156は、差圧計138やレ
ーザ変位計136からの信号を電圧に変換している。各
センサやアンプからの各種計測信号電圧をAD変換する
ために、前段階のBNCコネクタ(集中ターミナル)1
50に集中してから、パーソナル・コンピュータ160
に入力している。
ある場合には、図3に示すように、図2における地震の
せん断応力を与えるせん断応力制御モータ128及び間
隙水の流量を制御する間隙水流量制御装置130やセン
サを複数用意して、各供試体211〜221に対して同
時に実験できるようにしている。この場合でも、BNC
コネクタ150やパーソナル・コンピュータ160は1
つである。
御の説明および計測値と地盤の残留変形量との関係を、
ある地層構造を持つ緩い傾斜地盤の例を対象にして、図
4〜図7を用いて説明する。図4は本システムの概略
図、図5は想定しているモデルであり、図6は予測のた
めの処理フロー、図7は本システムからの出力を示して
いる。 1)図4において、まず、震動や浸透流によって大きく
変形する可能性のある地盤から、原位置の土をサンプリ
ング(図4では、地層B〜地層D)して供試体を作成
し、要素試験対象層とする。液状化の可能性が無く変形
が小さいと思われる層や特性が良くわかっている層は、
数値モデルで代用してもよい(図4では地層A)。 2)次に、所定の地震外力に対して振動方程式と間隙水
の連続式を解くため、解析しようとするサイトの地盤構
造を空間的に離散化する。これを図5で説明する。図5
は、層A〜層Dが空間的に離散化された様子を示す図で
ある。それぞれ密度ρ,透水係数kである層において、
過剰間隙水圧p,変位u,各層間の流量Qを予測・制御
するようにしている。これを図3の実験装置200で実
現している。これで、要素試験対象層に対しては、実際
の原位置の土の繰返しせん断特性や間隙水流入流出時の
変形特性を直接的に反映することができる。
て、図6のフローチャートにおける入力条件の設定を行
い(S310)、それぞれの供試体(原位置から採取し
た土、あるいは仮想の土材料)に、その地点の深さの地
盤が受けている上載荷重に相当する鉛直応力・水平応力
・初期せん断力を作用させる。これで、地震が発生する
前の土の応力状態を再現している。これは、要素試験の
対象となる試料の数だけ必要である。入力条件として
は、 ・地盤構造:層分割,数値解析層(層A)と要素試験実
施層(層B〜層D)の指定,地盤傾斜角(これで初期せ
ん断応力が定まる) ・地震外力:入力地震動の時刻歴 ・振動解析用パラメータ(地震動の作用中に使用):密
度,履歴変形特性,初期応力状態,過剰間隙水圧発生特
性 ・浸透解析用パラメータ(地震動の作用中及びその後の
過剰間隙水圧消散時に使用):透水係数,初期過剰間隙
水圧分布,排水時体積圧縮特性,流入時せん断変形特性
等がある。
が上昇して深さ方向に水圧の差が生じた場合の解析を短
い時間ステップごとに行う(S320〜S370)が、
この部分は次のように行う。 ある時刻(ある時間ステップ)において、地盤はせ
ん断応力に関する力の釣り合い式と間隙水の移動に関す
る収支の連続式を満たす必要がある。これについては、
後で詳しく説明する。 実験の制御では、前の時間ステップで計測されたせ
ん断応力と間隙水圧および地震動による慣性力を用い
て、次の時間ステップの、せん断変位と間隙水の移動量
を求める(振動解析:S340,浸透流解析:S35
0)。 次に、求められたせん断変位と間隙水の移動量を供
試体に与え、その応答としてのせん断応力と間隙水圧の
発生量を得る(S360)。このとき、数値解析モデル
の層は、数値解析モデルから決定する(S364)。要
素試験実施層は、地層要素に算定された変位および間隙
水の移動量を、実験装置200の各要素(供試体)に実
際に与えて復元力および間隙水圧を測定する(S36
6)。 のステップを順次繰返すことによって、時間ス
テップを進め、地震動が作用している最中および、地震
動が終息した時点で残った過剰間隙水圧が消散していく
過程の挙動をシミュレーションできる。
震前後のせん断変位量が時刻歴として計測されるので、
試験が終了すれば、水平残留変形量がそのまま求められ
ることになる(図7の地表の水平残留変形量:38
6)。また、同じく、シミュレーションの過程におい
て、地震前後の体積ひずみ量が時刻歴として計測される
ので、試験が終了すれば、残留沈下量がそのまま求めら
れる(図7の地表の鉛直残留沈下量:387)。また、
各地盤要素の物性が与えられると、各時間ステップごと
に満足すべき漸化式が得られるが、これを順次の時間ス
テップ毎に解いて行くことによって、地震中・地震後の
各地盤要素の体積ひずみ(385)、せん断ひずみ(3
84)の時刻歴が求められる。
値が、その層の残留体積ひずみ・残留せん断ひずみとな
る。地表面の残留変形量は、各層の変形量の総和として
表されることになる。これにより、液状化被害量の算定
値から、液状化被害危険度・液状化対策の必要性などを
判定することができる。この手順を進めて行く際に、当
該地盤の履歴変形特性・液状化の可能性がある層の過剰
間隙水圧発生特性・過剰間隙水圧消散時の体積圧縮特性
・間隙水流入時せん断変形特性は、原位置の土の要素試
験によって直接的に反映される点が、本発明の一つの要
点となる。
を、図8及び図9を用いて説明する。図8のように離散
化された多質点系の運動方程式は、一般的に式(1)で
表すことができる。
ス、〔C〕:粘性係数cを要素とする粘性マトリック
ス、{Q}:復元力Qを要素とする復元力ベクトル、
{u}:基盤からの相対変位uを要素とする変位ベクト
ル、{uG}:基盤の変位ベクトル、{Q}initial:初期
荷重ベクトル(初期せん断荷重ベクトル)である。一
方、間隙水の連続条件は、次に述べる(2)式で表され
る。
水の単位体積重量、p:過剰間隙水圧である。式(2)
を空間・時間方向に差分化すると、i層jステップの間
隙水の単位面積あたりの浸透速度は、以下の式(3)で
表される。
i-1層の過剰間隙水圧、hi,hi-1はi層とi−1層
の層厚である。なお、i層とi-1層間の平均透水係数バ
ーki,i-1はそれぞれの層の透水係数ki-1,kiを
用いて式(4)で表される。
ひずみ増分Δεvi j, j+1は式(5)で表される。
の相対変位{u}j+1をj、j−1ステップの相対変位
{u}j,{u}j-1を用いて表すと式(6)を得る。
j-1,jを制御値として与えて、得られた復元力ベクト
ルである。
値)および、{Q}j(前ステップで観測された復元力ベ
クトル)より求める(式(6)参照)。{Δεv}
j,j+1を{p}j(前ステップで観測された水圧ベクト
ル)より求める(式(3)〜式(6)参照)。 要素実験より{u}j+1、{Δεv}j,j+1を制御値
として与えて{Q}j+1,{p}j+1を求める。問題に対応
した初期条件下を与え、上記の、の繰作を順次繰り
返すことによって所定の地震外力に対する地盤の残留変
形量が求められる。以上の実験制御アルゴリズムが本発
明のもう一つの要点である。なお、上述したシステム
は、地震時の残留変形の解析にとどまらず、いわゆる圧
密沈下解析(透水性の悪い粘土地盤に盛土をしたり構造
物の荷重が作用したとき、粘土中の間隙水が徐々に搾り
出され、長期間に渡って地盤沈下を引き起こす現象)に
も適用できる。
ことにより、地震によって液状化現象が生じた地盤の過
剰間隙水圧消散後の残留沈下量・残留水平変形量を正確
に予測することができる。
ある。
めの基本的実験装置の構成を示す図である。
装置の構成を示す図である。
の図である。
るための図である。
である。
図である。
な逐次解析のアルゴリズムを説明する図である。
Claims (3)
- 【請求項1】液状化現象予測システムであって、 対象の地盤からの供試体に対して、せん断応力を与える
せん断応力載荷手段と、 前記供試体に対して、間隙水を与える間隙水注水手段
と、 ある時刻の変位と間隙水圧を計測する計測手段と、 前記計測手段からのデータを収集するとともに、前記せ
ん断応力載荷手段および間隙水注水手段を制御するデー
タ収集・制御手段とを備え、 前記データ収集・制御手段は、せん断応力載荷手段を制
御して前記供試体に対して地震動を与えるとともに、時
刻ごとに計測手段からのデータにより前記供試体の振動
解析および浸透流解析を行い、得られた結果により前記
せん断応力載荷手段および間隙水注水手段を制御するこ
とにより、最終的な残留変形量を求めることを特徴とす
る液状化現象予測システム。 - 【請求項2】請求項1に記載の液状化現象予測システム
において、 前記データ収集・制御手段における振動解析および浸透
流解析は、対象地盤を各地層ごとに空間離散化したと
き、各地層は、ある時刻ごとに、せん断力に関する力の
釣り合い式と間隙水の移動に関する収支の連続式を満た
すことを用いて行うことを特徴とする液状化現象予測シ
ステム。 - 【請求項3】請求項1又は2に記載の液状化現象予測シ
ステムにおいて、 前記データ収集・制御手段は、対象地盤の特性が分かっ
ている地層の数値解析を行うとともに、その地層に対し
ては、数値解析の結果を振動解析および浸透流解析に用
いることを特徴とする液状化現象予測システム。
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