JP4640671B2 - 地盤・構造物変形量予測方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、構造物が存在する地盤を対象として、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量（沈下量、水平変位量）を予測する地盤・構造物変形量予測方法およびプログラムに関するものである。

従来、地震時に液状化の発生が想定される地盤に構造物を建設する場合には、地盤の改良などの対策を施すことで液状化の発生を防止することが原則であった。しかし、近年では、性能設計への移行に伴ない、液状化の発生を完全に防止するのではなく液状化の発生をある程度許容した上で液状化後の地盤の沈下や水平変位を許容値以内に抑えることが施工性や経済性の観点から見て合理的であるという考え方が浸透しつつある。

ところが、当該考え方に基づいて地盤や構造物の設計を行うためには、液状化後の地盤および構造物の残留変形量（残留沈下量や残留水平変位量）を適切に評価する必要がある。ここで、液状化後の地盤の沈下量や挙動を評価する従来技術として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３などが開示されている。特許文献１には、液状化による地盤の体積ひずみが地盤の初期間隙比にのみ依存するという考え方に基づいて液状化後の地盤の沈下量を算定する技術が開示されている。また、特許文献２には、繰り返しせん断時およびその後の土の挙動を数値モデルではなく原位置の土試料の要素試験から直接的に得る技術が開示されている。これにより、実現象に近い土の挙動を得ることができる。さらに、特許文献３には、「下水道施設の耐震対策指針と解説」（日本下水道協会、１９９７年）における地盤沈下量判定指針に従って液状化層の地盤の沈下量を算定する技術が開示されている。

特開２００２−２８５５３６号公報 特開２００３−２７８１７１号公報 特開２００３−２９４８５０号公報

しかしながら、従来技術では、構造物が存在しない地盤を対象として液状化後の沈下量を算定しているので、構造物が存在する地盤を対象とした場合、従来技術の沈下量算定手法をそのまま適用することはできず、その結果、液状化後の地盤および構造物の変形量を算定することができなかった、という問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、構造物が存在する地盤を対象として、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測することができる地盤・構造物変形量予測方法およびプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる請求項１に記載の地盤・構造物変形量予測方法は、構造物が存在する地盤を対象として、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測する地盤・構造物変形量予測方法であって、地盤の形状や性質に関する地盤データ、構造物の形状や特徴に関する構造物データおよび地震動の波形や揺れの方向に関する地震動データを含む予め入力された入力データに基づいて、地盤および構造物の形状を反映した解析モデルを生成する解析モデル生成ステップと、前記解析モデル生成ステップで生成した解析モデルおよび前記入力データに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定する地震応答決定ステップと、前記地震応答決定ステップで決定した地震応答に基づいて液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する地盤・構造物変形量計算ステップと、前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定する適合条件判定ステップと、前記適合条件判定ステップの判定結果が適合条件を満たしてない場合、前記解析モデル生成ステップで生成した解析モデルおよび前記入力データに基づいて所定の解析手法を実行することで、地盤および構造物の初期応力状態を決定する初期応力状態決定ステップと、前記初期応力状態決定ステップで決定した初期応力状態および前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に基づいて、前記液状化後の地盤および構造物の変形量を再計算する変形量適合計算ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる請求項２に記載の地盤・構造物変形量予測方法は、本発明にかかる請求項１に記載の地盤・構造物変形量予測方法において、前記変形量適合計算ステップは、前記初期応力状態決定ステップで決定した初期応力状態および前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に基づいて液状化後の地盤の等価な弾性係数を計算する等価弾性係数計算ステップと、前記等価弾性係数計算ステップで計算した弾性係数に基づいて所定の解析手法を実行することで、当該弾性係数に対応する地盤および構造物の変形量を決定する地盤・構造物変形量決定ステップと、前記地盤・構造物変形量決定ステップで決定した変形量が前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に収束したか否かを判定する変形量収束判定ステップと、前記変形量収束判定ステップの判定結果が収束しないと判定された場合、前記等価弾性係数計算ステップで計算した弾性係数を変更する弾性係数変更ステップと、をさらに含み、前記弾性係数変更ステップで変更した弾性係数に基づいて前記地盤・構造物変形量決定ステップを再度実行し、前記変形量収束判定ステップの判定結果が収束すると判定されるまで前記弾性係数変更ステップおよび前記地盤・構造物変形量決定ステップを繰り返すことで、最終的に前記液状化後の地盤および構造物の変形量を計算すること、を特徴とする。

また、本発明にかかる請求項３に記載の地盤・構造物変形量予測方法は、本発明にかかる請求項２に記載の地盤・構造物変形量予測方法において、前記地震応答決定ステップにおいて、所定の解析手法は非線形有効応力解析手法であり、前記初期応力状態決定ステップおよび前記地盤・構造物変形量決定ステップにおいて、所定の解析手法は線形弾性解析手法であること、を特徴とする。

また、本発明はプログラムに関するものであり、本発明にかかる請求項４に記載のプログラムは、構造物が存在する地盤を対象として、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測する地盤・構造物変形量予測方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、地盤の形状や性質に関する地盤データ、構造物の形状や特徴に関する構造物データおよび地震動の波形や揺れの方向に関する地震動データを含む予め入力された入力データに基づいて、地盤および構造物の形状を反映した解析モデルを生成する解析モデル生成ステップと、前記解析モデル生成ステップで生成した解析モデルおよび前記入力データに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定する地震応答決定ステップと、前記地震応答決定ステップで決定した地震応答に基づいて液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する地盤・構造物変形量計算ステップと、前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定する適合条件判定ステップと、前記適合条件判定ステップの判定結果が適合条件を満たしてない場合、前記解析モデル生成ステップで生成した解析モデルおよび前記入力データに基づいて所定の解析手法を実行することで、地盤および構造物の初期応力状態を決定する初期応力状態決定ステップと、前記初期応力状態決定ステップで決定した初期応力状態および前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に基づいて、前記液状化後の地盤および構造物の変形量を再計算する変形量適合計算ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる請求項５に記載のプログラムは、本発明にかかる請求項４に記載のプログラムにおいて、前記変形量適合計算ステップは、前記初期応力状態決定ステップで決定した初期応力状態および前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に基づいて液状化後の地盤の等価な弾性係数を計算する等価弾性係数計算ステップと、前記等価弾性係数計算ステップで計算した弾性係数に基づいて所定の解析手法を実行することで、当該弾性係数に対応する地盤および構造物の変形量を決定する地盤・構造物変形量決定ステップと、前記地盤・構造物変形量決定ステップで決定した変形量が前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に収束したか否かを判定する変形量収束判定ステップと、前記変形量収束判定ステップの判定結果が収束しないと判定された場合、前記等価弾性係数計算ステップで計算した弾性係数を変更する弾性係数変更ステップと、をさらに含み、前記弾性係数変更ステップで変更した弾性係数に基づいて前記地盤・構造物変形量決定ステップを再度実行し、前記変形量収束判定ステップの判定結果が収束すると判定されるまで前記弾性係数変更ステップおよび前記地盤・構造物変形量決定ステップを繰り返すことで、最終的に前記液状化後の地盤および構造物の変形量を計算すること、を特徴とする。

また、本発明にかかる請求項６に記載のプログラムは、本発明にかかる請求項５に記載のプログラムにおいて、前記地震応答決定ステップにおいて、所定の解析手法は非線形有効応力解析手法であり、前記初期応力状態決定ステップおよび前記地盤・構造物変形量決定ステップにおいて、所定の解析手法は線形弾性解析手法であること、を特徴とする。

本発明によれば、（１）地盤の形状や性質に関する地盤データ、構造物の形状や特徴に関する構造物データおよび地震動の波形や揺れの方向に関する地震動データを含む予め入力された入力データに基づいて、地盤および構造物の形状を反映した解析モデルを生成し、（２）生成した解析モデルおよび入力データに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定し、（３）決定した地震応答に基づいて液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する。これにより、構造物が存在する地盤を対象として、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測することができる、という効果を奏する。

また、本発明によれば、（４）（３）で計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定し、（５）判定結果が適合条件を満たしてない場合、生成した解析モデルおよび入力データに基づいて所定の解析手法を実行することで、地盤および構造物の初期応力状態を決定し、（６）決定した初期応力状態および（３）で計算した変形量に基づいて、液状化後の地盤および構造物の変形量を再計算する。これにより、（３）で計算した変形量が所定の適合条件を満たしてない場合でも、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測することができる、という効果を奏する。

また、本発明によれば、（６）において、（６−１）（５）で決定した初期応力状態および（３）で計算した変形量に基づいて液状化後の地盤の等価な弾性係数を計算し、（６−２）計算した弾性係数に基づいて所定の解析手法を実行することで、当該弾性係数に対応する地盤および構造物の変形量を決定し、（６−３）決定した変形量が（３）で計算した変形量に収束したか否かを判定し、（６−４）判定結果が収束しないと判定された場合、計算した弾性係数を変更する。そして、変更した弾性係数に基づいて（６−２）の処理を再度実行し、（６−３）の判定結果が収束すると判定されるまで（６−４）および（６−３）を繰り返すことで、最終的に液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する。これにより、所定の適合条件を満たすように、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測することができる、という効果を奏する。

また、本発明によれば、（２）において、所定の解析手法は非線形有効応力解析手法であり、（５）および（６−２）において、所定の解析手法は線形弾性解析手法である。これにより、既存の解析手法を用いて、液状化後の地盤および構造物の変形量を予測することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる地盤・構造物変形量予測方法およびプログラムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

まず、本発明を実現する地盤・構造物変形量予測装置１００の構成について、図１などを参照して説明する。図１は、地盤・構造物変形量予測装置１００の構成の一例を示す図である。

地盤・構造物変形量予測装置１００は、図１に示すように、データ入力部１０２と、演算部１０４と、記憶部１０６と、出力データ変換部１０８と、図化出力部１１０と、ＣＧ表示部１１２と、計算値出力部１１４と、で構成されており、これら各部は任意の通信路を介して通信可能に接続されている。

データ入力部１０２は、地盤の形状や性質に関する地盤データ、構造物の形状や特徴に関する構造物データおよび地震動の波形や揺れの方向に関する地震動データを含むデータ（入力データ）を入力するための手段である。ここで、地盤データ、構造物データおよび地震動データの具体例について、図８、図９および図１１を参照して説明する。

図８は、地盤データの一例を示す図である。図８に示すように、地盤データは、地盤の各層を識別する識別番号と、層厚と、ポアソン比と、ヤング係数と、せん断弾性係数と、密度と、を相互に関連付けて構成されている（有効応力モデルに関するパラメータは省略する。）。具体的には、図８には、識別番号１の層に関し、その厚さが０．３０（ｍ）であり、ポアソン比が０．３３３であり、ヤング係数が１．２５×１０⁴（ｋＰａ）であり、せん断弾性係数が４．６８×１０³（ｋＰａ）であり、密度が１．８０（ｇ／ｃｍ²）であることが一例として示されている。

図９は、構造物データの一例を示す図である。図９に示すように、構造物データは、地盤上に設置する構造物を識別する識別番号と、構造物の高さと、ポアソン比と、ヤング係数と、せん断弾性係数と、密度と、を相互に関連付けて構成されている。具体的には、図９には、識別番号１の構造物に関し、その高さが０．７５（ｍ）であり、ポアソン比が０．３４５であり、ヤング係数が７．０３×１０⁷（ｋＰａ）であり、せん断弾性係数が２．６１×１０⁷（ｋＰａ）であり、密度が２．６８（ｇ／ｃｍ²）であることが一例として示されている。なお、図９に示した構造物データにおいて、構造物はソリッド要素としてモデル化された場合を一例として示しているが、実構造物は図１０に示すような質点系にモデル化される場合が多い。そこで、本発明において構造物を質点系でモデル化する場合には、本発明の構造物データとして、各層の質量ｍ、水平剛性ｋ、減衰定数ｈ、構造物の基礎の幅Ｂ、質量Ｍ、回転慣性Ｉ、剛性Ｋなどが入力される。

図１１は、地震動データの一例を示す図である。地震動データは、想定する地震動の波形（図１１参照）を表す関数（加速度、周波数などを含む）や設定する揺れの方向に関する情報を含んで構成される。

再び図１に戻り、演算部１０４は、地盤や構造物や地震動に関する既成のデータである既成生データおよび入力データに基づいて、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測するための各種処理を実行する。演算部１０４は、図１に示すように、解析モデル生成部１０４ａと、地震応答決定部１０４ｂと、地盤・構造物変形量計算部１０４ｃと、適合条件判定部１０４ｄと、初期応力状態決定部１０４ｅと、変形量適合計算部１０４ｆと、で構成されている。

解析モデル生成部１０４ａは、入力データ（または既成生データ）に基づいて、地盤および構造物の形状を反映した解析モデルを生成する。地震応答決定部１０４ｂは、解析モデル生成部１０４ａで生成した解析モデルおよび入力データに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定する。地盤・構造物変形量計算部１０４ｃは、地震応答決定部１０４ｂで決定した地震応答に基づいて液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する。

適合条件判定部１０４ｄは、地盤・構造物変形量計算部１０４ｃで計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定する。初期応力状態決定部１０４ｅは、解析モデル生成部１０４ａで生成した解析モデルおよび入力データに基づいて所定の解析手法を実行することで、地盤および構造物の初期応力状態を決定する。

変形量適合計算部１０４ｆは、初期応力状態決定部１０４ｅで決定した初期応力状態および地盤・構造物変形量計算部１０４ｃで計算した変形量に基づいて、液状化後の地盤および構造物の変形量を再計算する。なお、変形量適合計算部１０４ｆは、図２に示すように、等価弾性係数計算部１０４ｆ１と、地盤・構造物変形量決定部１０４ｆ２と、変形量収束判定部１０４ｆ３と、弾性係数変更部１０４ｆ４と、で構成されている。等価弾性係数計算部１０４ｆ１は、初期応力状態決定部１０４ｅで決定した初期応力状態および地盤・構造物変形量計算部１０４ｃで計算した変形量に基づいて液状化後の地盤の等価な弾性係数を計算する。地盤・構造物変形量決定部１０４ｆ２は、等価弾性係数計算部１０４ｆ１で計算した弾性係数に基づいて所定の解析手法を実行することで、当該弾性係数に対応する地盤および構造物の変形量を決定する。変形量収束判定部１０４ｆ３は、地盤・構造物変形量決定部１０４ｆ２で決定した変形量が地盤・構造物変形量計算部１０４ｃで計算した変形量に収束したか否かを判定する。弾性係数変更部１０４ｆ４は、等価弾性係数計算部１０４ｆ１で計算した弾性係数を変更する。

再び図１に戻り、記憶部１０６は、ストレージ手段であり、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ装置や、ハードディスクのような固定ディスク装置や、フレキシブルディスクや、光ディスク等を用いることができる。記憶部１０６は、演算部１０４を構成する各処理部での処理結果や入力データ、既成生データを記憶する。

出力データ変換部１０８は、演算部１０４を構成する各処理部での処理結果に関するデータを所定の出力形式で出力する際、当該出力形式に応じて当該データを変換する。図化出力部１１０は、データを図化して出力する。ＣＧ表示部１１２は、データをコンピュータグラフィックス（ＣＧ）により動画や静止画で表示する。計算値出力部１１４は、演算部１０４を構成する各処理部での処理結果に含まれる計算値を出力する。

以上の構成において、地盤・構造物変形量予測装置１００で行われる処理を図３を参照して説明する。図３は、地盤・構造物変形量予測装置１００で行われる処理の一例を示すフローチャートである。

まず、データ入力部１０２で、地盤の形状や性質に関する地盤データ、構造物の形状や特徴に関する構造物データおよび地震動の波形や揺れの方向に関する地震動データを含むデータ（入力データ）を入力して設定する（ステップＳＡ−１）。

つぎに、解析モデル生成部１０４ａで、ステップＳＡ−１で設定した入力データに基づいて地盤および構造物の形状を反映した解析モデル（図６に示す解析モデルを参照）を生成する（ステップＳＡ−２）。

つぎに、初期応力状態決定部１０４ｅで、ステップＳＡ−２で生成した解析モデルおよびステップＳＡ−１で設定した入力データに基づいて所定の解析手法（例えば、線形または非線形の有限要素法などの初期応力解析手法）を実行することで、地盤および構造物の初期応力状態を決定する（ステップＳＡ−３）。

つぎに、地震応答決定部１０４ｂで、ステップＳＡ−２で生成した解析モデルおよびステップＳＡ−１で設定した入力データに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法（例えば、有効応力解析手法、等価線形解析手法などの地震応答解析手法）を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定する（ステップＳＡ−４）。具体的には、想定する地震動における各地盤要素の最大せん断ひずみ（γ_max）の値を少なくとも決定する。ここで、ステップＳＡ−４において、地震応答決定部１０４ｂで、ステップＳＡ−１で設定した入力データ、ステップＳＡ−２で生成した解析モデル、ステップＳＡ−３で決定した初期応力状態（または予め入力された初期応力状態）のうち少なくとも１つに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法（例えば、有効応力解析手法、等価線形解析手法などの地震応答解析手法）を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定してもよい。また、地震応答決定部１０４ｂで、ステップＳＡ−３で決定した初期応力状態（または予め入力された初期応力状態）に基づいて地震応答解析に用いる地盤の定数を決定してもよい。

つぎに、地盤・構造物変形量計算部１０４ｃで、ステップＳＡ−４で決定した地震応答に基づいて液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する（ステップＳＡ−５）。具体的には、ステップＳＡ−４で決定した各地盤要素の最大せん断ひずみ（γ_max）の値に基づいて、液状化後の各地盤要素の残留体積ひずみ（ε_vp）および残留せん断ひずみ（γ_p）をそれぞれ、下記の数式１および数式２を用いて計算する。

数式１および数式２において、ｅ₀は初期間隙比である。また、ｅ_min ^*は、真の最小間隙比であり、数式「ｅ_min ^*＝ｅ_max−１．３（ｅ_max−ｅ_min）」で定義される。なお、ｅ_maxおよびｅ_minはそれぞれ、通常の最大・最小密度試験から得られる最大間隙比および最小間隙比である。また、Ｒ₀ ^*およびｍは砂の種類や密度に依存しない固有の定数であり、「Ｒ₀ ^*＝２．０」および「ｍ＝０．７６」を満たす。Ｃ_hは、液状化時の地震応答によって生じた非可逆的な体積ひずみポテンシャルが残留体積ひずみと残留せん断ひずみに寄与する割合を示すパラメータであり、地表面の傾斜がほとんどない地盤では約０．２である。
数式２において、Ｍ_CS.0は有効拘束圧０付近の限界状態面の傾きである。

ここで、ステップＳＡ−５で計算した変形量（残留体積ひずみおよび残留せん断ひずみ）は地盤要素毎に独立に決定されるため、地盤要素間の変形に関する適合条件を必ずしも満たしていない。そこで、適合条件判定部１０４ｄで、ステップＳＡ−５で計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定する（ステップＳＡ−６）。

つぎに、ステップＳＡ−６の判定結果が適合条件を満たしてない場合（ステップＳＡ−７：Ｙｅｓ）、変形量適合計算部１０４ｆで、ステップＳＡ−３で決定した初期応力状態およびステップＳＡ−５で計算した変形量に基づいて、液状化後の地盤および構造物の変形量を再計算する（変形量適合計算処理）。

ここで、ステップＳＡ−５で計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定せずに、変形適合計算処理を実行してもよい。つまり、ステップＳＡ−６およびステップＳＡ−７の処理を除いて、変形適合計算処理を実行してもよい。

変形量適合計算処理では、具体的には以下の処理を実行する。
まず、等価弾性係数計算部ｆ１で、ステップＳＡ−３で決定した初期応力状態およびステップＳＡ−５で計算した変形量に基づいて液状化後の地盤の等価な弾性係数を計算する（ステップＳＡ−８）。具体的には、ステップＳＡ−３で実行した静的自重解析により得られた各地盤要素の平均有効拘束圧（σ'_m）および水平方向のせん断応力（τ_xy）から、弾性論に基づく下記の数式３〜６を用いて、液状化後の地盤の等価な弾性係数（等価なせん断弾性係数（Ｇ_eq）、等価な体積弾性係数（Ｋ_eq）、ポアソン比（ｖ_eq）、ヤング係数（Ｅ_eq））を求める。

Ｇ_eq＝τ_xy÷γ_p ・・・（数式３）

Ｋ_eq＝σ'_m÷ε_vp ・・・（数式４）

ｖ_eq＝（３Ｋ_eq−２Ｇ_eq）÷（２（３Ｋ_eq＋Ｇ_eq）） ・・・（数式５）

Ｅ_eq＝２（１＋ｖ_eq） ・・・（数式６）

つぎに、地盤・構造物変形量決定部１０４ｆ２で、ステップＳＡ−８で計算した弾性係数に基づいて所定の解析手法（例えば、線形有限要素法など）を実行することで、当該弾性係数に対応する地盤および構造物の変形量を決定する（ステップＳＡ−９）。具体的には、ステップＳＡ−８で計算した弾性係数を用いて自重解析を再度行い、地盤の変形量（沈下量、水平変位量）を算定する。

つぎに、変形量収束判定部１０４ｆ３で、ステップＳＡ−９で決定した変形量がステップＳＡ−５で計算した変形量に収束したか否かを判定する（ステップＳＡ−１０）。具体的には、ステップＳＡ−９で決定した変形量がステップＳＡ−５で計算した変形量と一致したか否かを判定する。

つぎに、ステップＳＡ−１０の判定結果が収束しないと判定された場合（ステップＳＡ−１１：Ｙｅｓ）、弾性係数変更部１０４ｆ４で、等価弾性係数計算部ｆ１で計算した弾性係数を変更する（ステップＳＡ−１２）。具体的には、等価弾性係数および地盤応力の値を変化させる。

そして、ステップＳＡ−１２で変更した弾性係数に基づいてステップＳＡ−９を再度実行し、ステップＳＡ−１０の判定結果が収束すると判定される（ステップＳＡ−１１：Ｎｏ）までステップＳＡ−１２およびステップＳＡ−９を繰り返すことで、最終的に液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する。これにより、収束計算の結果得られた最終の変形量（沈下量、水平変位量）が、求めるべき液状化後の地盤および構造物の残留変形量（残留沈下量、残留水平変位量）となる。

これまで、地盤・構造物変形量予測装置１００で行われる処理について図３を参照して説明したが、ステップＳＡ−３で決定した初期応力状態、ステップＳＡ−４で決定した地震応答、ステップＳＡ−５で計算した変形量、変形量適合計算処理で最終的に得られた変形量は、出力データ変換部１０８の処理を介して図化出力部１１０やＣＧ表示部１１２や計算値出力部１１４で適宜出力してもよい。

以上説明したように、地盤・構造物変形量予測装置１００によれば、（１）入力データに基づいて、地盤および構造物の形状を反映した解析モデルを生成し、（２）生成した解析モデルおよび入力データに基づいて所定の解析手法を実行することで、地盤および構造物の初期応力状態を決定し、（３）（１）で生成した解析モデルおよび入力データに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定し、（４）決定した地震応答に基づいて液状化後の地盤および構造物の変形量を計算し、（５）計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定し、（６）判定結果が適合条件を満たしてない場合、（２）で決定した初期応力状態および（４）で計算した変形量に基づいて、液状化後の地盤および構造物の変形量を再計算する。そして、（６）において、（６−１）（２）で決定した初期応力状態および（４）で計算した変形量に基づいて液状化後の地盤の等価な弾性係数を計算し、（６−２）計算した弾性係数に基づいて所定の解析手法を実行することで、当該弾性係数に対応する地盤および構造物の変形量を決定し、（６−３）決定した変形量が（４）で計算した変形量に収束したか否かを判定し、（６−４）判定結果が収束しないと判定された場合、計算した弾性係数を変更する。そして、変更した弾性係数に基づいて（６−２）の処理を再度実行し、（６−３）の判定結果が収束すると判定されるまで（６−４）および（６−３）を繰り返すことで、最終的に液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する。これにより、構造物が存在する地盤を対象として、所定の適合条件を満たすように、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測することができる。

本実施例では、上述した地盤・構造物変形量予測装置１００による予測結果の妥当性を、遠心模型振動実験の実験結果と比較することで検証した。図４に遠心模型振動実験の模式図を示す。図４に示すように、模型地盤は、液状化層（表層）と非液状化層（基盤層）の２層からなる。構造物模型および沈下量低減のための地盤改良体は、実験ケースに応じて模型地盤上に設置される。実験ケースは、図５に示すように、構造物、偏心荷重、地盤改良体の有無により実験ケース０〜３に分類される。地震動の条件は、遠心加速度３０ｇの下で水平方向に最大加速度約３００ｇａｌ相当の正弦波加振を行った（図４、図５参照）。地盤・構造物変形量予測装置１００では、図６に示すように、２次元有限要素法による解析モデルを用いた。ここで、図４および図６にはそれぞれ、実験ケース３に対応する遠心模型および解析モデルを示している。地盤・構造物変形量予測装置１００において、初期応力状態の解析（上述した実施の形態における初期応力状態決定部１０４ｅでの処理に対応）および液状化後の自重解析（上述した実施の形態における地盤・構造物変形量決定部１０４ｆ３での処理に対応）では線形弾性解析を行い、地震応答解析（上述した実施の形態における地震応答決定部１０４ｂでの処理に対応）では非線形有効応力解析を行った。

地盤の液状化後の沈下量について、遠心模型振動実験での実験結果と地盤・構造物変形量予測装置１００での予測結果とを図７に示した。図７では、基盤層上面の沈下量、地表面の沈下量（中央、端部、平均）および構造物の沈下量（左、右、平均、傾斜角）について、実験ケースごとに、実験結果および予測結果を並べて示している。図７に示すように、予測結果では、構造物、偏心荷重、地盤改良体の有無による沈下量の違いを十分に表現できているので、地盤・構造物変形量予測装置１００による予測結果は妥当であると考えられる。これにより、地盤・構造物変形量予測装置１００の有効性が示された。

以上のように、本発明にかかる地盤・構造物変形量予測方法およびプログラムは、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測する際に好適に実施することができ、建設業などにおいて極めて有用である。

地盤・構造物変形量予測装置１００の構成の一例を示す図である。 変形量適合計算部１０４ｆの構成の一例を示す図である。 地盤・構造物変形量予測装置１００で行われる処理の一例を示すフローチャートである。 実施例における遠心型模型振動実験の模式図である。 実施例における実験ケースを示す図である。 実施例における解析モデルを示す図である。 実施例における地盤および構造物の沈下量の実験結果と予測結果とを示す図である。 地盤データの一例を示す図である。 構造物データの一例を示す図である。 質点系での構造物のモデル化の一例を示す図である。 地震動データの一例を示す図である。

符号の説明

１００ 地盤・構造物変形量予測装置
１０２ データ入力部
１０４ 演算部
１０４ａ 解析モデル生成部
１０４ｂ 地震応答決定部
１０４ｃ 地盤・構造物変形量計算部
１０４ｄ 適合条件判定部
１０４ｅ 初期応力状態決定部
１０４ｆ 変形量適合計算部
１０４ｆ１ 等価弾性係数計算部
１０４ｆ２ 地盤・構造物変形量決定部
１０４ｆ３ 変形量収束判定部
１０４ｆ４ 弾性係数変更部
１０６ 記憶部
１０８ 出力データ変換部
１１０ 図化出力部
１１２ ＣＧ表示部
１１４ 計算値出力部

Claims (6)

1. 構造物が存在する地盤を対象として、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測する地盤・構造物変形量予測方法であって、
   地盤の形状や性質に関する地盤データ、構造物の形状や特徴に関する構造物データおよび地震動の波形や揺れの方向に関する地震動データを含む予め入力された入力データに基づいて、地盤および構造物の形状を反映した解析モデルを生成する解析モデル生成ステップと、
   前記解析モデル生成ステップで生成した解析モデルおよび前記入力データに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定する地震応答決定ステップと、
   前記地震応答決定ステップで決定した地震応答に基づいて液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する地盤・構造物変形量計算ステップと、
   前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定する適合条件判定ステップと、
   前記適合条件判定ステップの判定結果が適合条件を満たしてない場合、前記解析モデル生成ステップで生成した解析モデルおよび前記入力データに基づいて所定の解析手法を実行することで、地盤および構造物の初期応力状態を決定する初期応力状態決定ステップと、
   前記初期応力状態決定ステップで決定した初期応力状態および前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に基づいて、前記液状化後の地盤および構造物の変形量を再計算する変形量適合計算ステップと、
   を含むことを特徴とする地盤・構造物変形量予測方法。
2. 前記変形量適合計算ステップは、
   前記初期応力状態決定ステップで決定した初期応力状態および前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に基づいて液状化後の地盤の等価な弾性係数を計算する等価弾性係数計算ステップと、
   前記等価弾性係数計算ステップで計算した弾性係数に基づいて所定の解析手法を実行することで、当該弾性係数に対応する地盤および構造物の変形量を決定する地盤・構造物変形量決定ステップと、
   前記地盤・構造物変形量決定ステップで決定した変形量が前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に収束したか否かを判定する変形量収束判定ステップと、
   前記変形量収束判定ステップの判定結果が収束しないと判定された場合、前記等価弾性係数計算ステップで計算した弾性係数を変更する弾性係数変更ステップと、
   をさらに含み、
   前記弾性係数変更ステップで変更した弾性係数に基づいて前記地盤・構造物変形量決定ステップを再度実行し、前記変形量収束判定ステップの判定結果が収束すると判定されるまで前記弾性係数変更ステップおよび前記地盤・構造物変形量決定ステップを繰り返すことで、最終的に前記液状化後の地盤および構造物の変形量を計算すること、
   を特徴とする請求項１に記載の地盤・構造物変形量予測方法。
3. 前記地震応答決定ステップにおいて、所定の解析手法は非線形有効応力解析手法であり、
   前記初期応力状態決定ステップおよび前記地盤・構造物変形量決定ステップにおいて、所定の解析手法は線形弾性解析手法であること、
   を特徴とする請求項２に記載の地盤・構造物変形量予測方法。
4. 構造物が存在する地盤を対象として、地震で発生した液状化後の地盤および構造物の変形量を予測する地盤・構造物変形量予測方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
   地盤の形状や性質に関する地盤データ、構造物の形状や特徴に関する構造物データおよび地震動の波形や揺れの方向に関する地震動データを含む予め入力された入力データに基づいて、地盤および構造物の形状を反映した解析モデルを生成する解析モデル生成ステップと、
   前記解析モデル生成ステップで生成した解析モデルおよび前記入力データに基づいて、地盤の液状化を考慮した所定の解析手法を実行することで、地震動に対する地盤の地震応答を決定する地震応答決定ステップと、
   前記地震応答決定ステップで決定した地震応答に基づいて液状化後の地盤および構造物の変形量を計算する地盤・構造物変形量計算ステップと、
   前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量が所定の適合条件を満たすか否かを判定する適合条件判定ステップと、
   前記適合条件判定ステップの判定結果が適合条件を満たしてない場合、前記解析モデル生成ステップで生成した解析モデルおよび前記入力データに基づいて所定の解析手法を実行することで、地盤および構造物の初期応力状態を決定する初期応力状態決定ステップと、
   前記初期応力状態決定ステップで決定した初期応力状態および前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に基づいて、前記液状化後の地盤および構造物の変形量を再計算する変形量適合計算ステップと、
   を含むことを特徴とするプログラム。
5. 前記変形量適合計算ステップは、
   前記初期応力状態決定ステップで決定した初期応力状態および前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に基づいて液状化後の地盤の等価な弾性係数を計算する等価弾性係数計算ステップと、
   前記等価弾性係数計算ステップで計算した弾性係数に基づいて所定の解析手法を実行することで、当該弾性係数に対応する地盤および構造物の変形量を決定する地盤・構造物変形量決定ステップと、
   前記地盤・構造物変形量決定ステップで決定した変形量が前記地盤・構造物変形量計算ステップで計算した変形量に収束したか否かを判定する変形量収束判定ステップと、
   前記変形量収束判定ステップの判定結果が収束しないと判定された場合、前記等価弾性係数計算ステップで計算した弾性係数を変更する弾性係数変更ステップと、
   をさらに含み、
   前記弾性係数変更ステップで変更した弾性係数に基づいて前記地盤・構造物変形量決定ステップを再度実行し、前記変形量収束判定ステップの判定結果が収束すると判定されるまで前記弾性係数変更ステップおよび前記地盤・構造物変形量決定ステップを繰り返すことで、最終的に前記液状化後の地盤および構造物の変形量を計算すること、
   を特徴とする請求項４に記載のプログラム。
6. 前記地震応答決定ステップにおいて、所定の解析手法は非線形有効応力解析手法であり、
   前記初期応力状態決定ステップおよび前記地盤・構造物変形量決定ステップにおいて、所定の解析手法は線形弾性解析手法であること、
   を特徴とする請求項５に記載のプログラム。

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