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I 土木構造物の経済的な耐震補強技術に関する研究

→個別課題の成果要旨

研究期間:平成14年度~17年度
プロジェクトリーダー:耐震研究グループ長 松尾修
研究担当グループ:耐震研究グループ(振動、耐震)

1. 研究の必要性
 各種の土木構造物の耐震補強を実施する場合、施工の困難な橋梁基礎の補強、液状化に対する堤防の大規模な地盤改良等、現在の技術水準ではコスト面で実施上の制約が大きいため、その対処方法として構造物の全体系としての耐震性あるいは地震時変形性能を考慮することにより、合理的かつ経済的な耐震対策補強技術を開発することが必要である。

2. 研究の範囲と達成目標
 本重点プロジェクト研究では、異なる構造特性、耐震性能を代表する橋梁、土工構造物(堤防・道路盛土)および下水道施設を対象として、新たな評価の視点として地震時の全体系としての耐震性あるいは変形性能に着目して、施工の困難な部位に対する全体系としての耐震補強あるいはコスト高な部位の耐震補強の低コスト化を図ることを目的として、合理的かつ経済的な耐震補強技術(設計法および施工法)の開発を行う。これらの研究の範囲において、以下の達成目標を設定した。
    (1) 構造全体系を考慮した既設橋梁の耐震性能の評価法および耐震補強法の開発
     1) 橋梁の地震時限界状態の信頼性設計式の開発
     2) コスト低減を考慮した既設橋梁の耐震補強法の開発
   (2) 簡易変形予測手法に基づく堤防の液状化対策としての地盤改良工法の設計技術の開発
   (3) 地震時変形性能を考慮した道路盛土・下水道施設の経済的な耐震対策補強技術の開発

3. 個別課題の構成
 本重点プロジェクト研究では、上記の目標を達成するため、以下に示す研究課題を設定した。
   (1) 構造全体系の耐震性能を評価した既設道路橋の耐震補強技術に関する研究(平成14年度~17年度)
   (2) 堤防の耐震対策合理化に関する調査(平成12年度~17年度)
   (3) 液状化地盤上の道路盛土の耐震対策技術に関する試験調査(平成14年度~17年度)
   (4) 下水道施設の変形量を考慮した液状化対策工の設計法に関する試験調査(平成15年度~18年度)
 なお、上記(4)の研究期間は当初17年度までとしていたが、2004年新潟県中越地震により下水道施設に多大な被害が発生し、その被災原因究明や災害復旧に資する調査研究を急遽実施する必要が生じたため、18年度までに延長したものである。

4. 研究の成果
 本重点プロジェクト研究の個別課題の成果は本総括報告書に続く個別報告書に詳細を示すが、ここでは「2. 研究の範囲と達成目標」に示した達成目標に関して、平成14~17年度に実施した研究により得られた達成状況(成果)を要約して述べるものである。

(1) 構造全体系を考慮した既設橋梁の耐震性能の評価法および耐震補強法の開発
 1995年兵庫県南部地震以後、一般規模の既設道路橋の耐震補強は順次進められてきているが、施工条件の厳しい橋や中・長大橋については、その補強対策に多額の費用を要するため、速やかな対策が進んでいない。このため、本研究は、従来の橋梁の各部材毎に耐震性を評価するのではなく、橋全体系としての耐震性能を評価することによって、効果的かつ経済的に耐震性能を向上させる耐震補強技術の開発を行ったものである。
 以下に、平成14~17年度にかけて実施した本研究課題の達成目標と達成状況(成果)を示す。
1) 橋梁の全体構造系を考慮した耐震性能評価法の開発

 ・ 河川橋等で両端に橋台を有する橋梁を対象に、橋台と背面地盤の抵抗特性の評価方法を提案するとともに、これを考慮した橋全体系の耐震性能の評価法を開発した。
 ・ せん断力の影響が支配的となる壁式橋脚面内方向を対象に、実験並びに解析に基づき、せん断支間比の影響を考慮したせん断耐力評価法を提案した。これによって補強を必要としない橋脚の評価が可能になった。
2) 橋梁の耐震性能照査に用いる信頼性設計式の開発
 ・ 兵庫県南部地震により実際に被災したRC橋脚及び支承部を対象に、その損傷度、橋脚の曲げ耐力、最大地盤加速度との関係を明らかにし、地震動データに基づく橋脚及び支承部の被災度の評価手法を開発した。
 ・ 上記成果とともに既往の震災データに基づき、大地震発生時に現地の地震計情報と各橋梁の基本的情報をもとに被災度を簡便に推定する手法を開発するとともに、近年の被害地震にこれを適用し提案手法の信頼性を検証した。本手法は、地方整備局に導入中のSUTARNシステムの中に取り入れられる予定である。
3) 全体構造系を評価した一般橋の耐震補強手法の開発
 ・ 河川橋などで水中にある橋脚の補強対策が困難な場合などに、各橋脚の補強を不要とする橋全体として耐震補強工法として、免震工法、地震力分散工法、変位拘束工法を提案し、これらの工法を既設橋梁の耐震補強工法事例集としてとりまとめ、平成17年4月に発刊した。
4) 全体構造系を評価した中・長大橋の耐震補強手法の開発
 ・ 中・長大橋に関する耐震補強工法の事例調査を行うとともに、中・長大橋の耐震性の評価方法と耐震補強工法をとりまとめた。

(2) 簡易変形予測手法に基づく堤防の液状化対策としての地盤改良工法の設計技術の開発
 本研究は、堤防の地震時沈下量予測法の開発と許容変位量に基づいた、より合理的な耐震対策工の設計法の提案を目的に実施したものである。対象とした堤防は一般堤防と高規格堤防である。高規格堤防は一般堤防に比べてその幅がはるかに大きいこと、現時点では事業の進捗状況により暫定断面とせざるを得ず、堤防の堤内側端部が擁壁構造となっていることが、一般堤防と異なる構造的特徴である。
 以下に、平成12~17年度にかけて実施した本研究課題の達成目標と達成状況(成果)を示す。
1) 耐震対策を行う場合の堤防の地震時沈下量予測法の開発
 ・ のり尻に固結工法や締固め工法で対策された堤防の地震時沈下量を簡易に予測解析する手法を開発し、その結果を設計マニュアル(土木研究所資料)としてまとめた。
 ・ これに付随して、液状化地盤上の堤防の地震時沈下メカニズムを解明し、沈下量予測式を提案した。
2) 許容沈下量に基づいた耐震対策工の設計法の提案
 ・ 上記1)の成果に基づいて、最適な対策範囲を設定する手順を整理し、上記1)の成果と合わせて設計マニュアル(同上)としてまとめた。
3) 堤内地側緩傾斜部の地震時変形量予測手法の提案
 ・ 端部擁壁を有する高規格堤防に上記1)に述べた手法を応用し、地震時沈下量予測法を開発した。
 ・ ただし、沈下量予測値の精度向上のために、擁壁を支持する固化改良体の支持地盤の支持力特性評価法を改良することが課題として残された。
4) 堤内地側緩傾斜部の地震時変形抑制手法の提案
 ・ 端部擁壁を支持する固化改良の範囲・位置と対策効果の関係を実験的に解明した。また、これを上記3)の変形量予測手法を用いて設計する方法については、上記3)に述べた課題が残された。

(3-1) 地震時変形性能を考慮した道路盛土の経済的な耐震対策補強技術の開発
 本研究は、液状化地盤上の道路盛土の被害に及ぼす要因を明らかにするとともに、盛土の液状化対策工の適用性を検討し、盛土本体および盛土直下基礎地盤の耐震対策の組み合わせによる耐震対策工の提案を行うことを目的に実施した。以下に、平成14~17年度にかけて実施した本研究課題の達成目標と達成状況(成果)を示す。
1) 液状化による盛土本体および基礎地盤の変形メカニズムの解明
 ・ 盛土の寸法が大きい場合、液状化層が厚い場合や緩い場合、地下水位が高い場合、地震動が大きい場合には、天端の沈下量は大きくなる傾向を明らかにした。
 ・ 液状化地盤上の道路盛土の動的遠心模型実験の結果をもとに、液状化地盤上の無対策盛土の簡易沈下予測手法を提案した。
2) 盛土本体および盛土直下基礎地盤の耐震対策の組み合わせによる耐震対策工の設計法の提案
 ・ 液状化地盤上の道路盛土の動的遠心模型実験により、対策工ごとの盛土変形抑制効果および異なる対策工の組み合わせ効果を明らかにした。
 ・ 液状化地盤上の道路盛土の動的遠心模型実験の結果をもとに、対策工を施した盛土の簡易沈下予測手法を提案した。

(3-2) 地震時変形性能を考慮した下水道施設の経済的な耐震対策補強技術の開発
 近年の地震で地盤の液状化による下水道施設の被害が多発し、地震後の地域生活に多大な影響が生じていることから、現実的な地震被害軽減方策が求められている。そこで本研究は、下水道施設の地盤液状化による被害を予測する技術、被害軽減対策工の設計技術などを構築することを目的として行っているものである。
 以下に、平成15~17年度にかけて実施した本研究課題の達成目標と達成状況(成果)を示す。なお、3.に述べた事情により、本研究の終了年度は18年度であり、以下に示す達成目標のうち一部は未了となっている。
1) 液状化対策工を施した下水道施設の地震時変形量予測手法の開発
 ・ 矢板締切対策を施した地中構造物の浮上がり変位予測手法として、矢板のたわみによる構造物の浮上がり変位を予測する手法、および矢板締切内での砂の回り込みによる浮上がり変位予測手法を提案した。
2) 変形量を考慮した下水道施設の液状化対策工の設計法の提案
 ・ 上記1)の成果に基づいて、変形量を考慮した下水道施設の液状化対策工の設計法を提案した。
3) 液状化による不同沈下予測手法および対策手法の提案
 ・ 2003年十勝沖地震、2004年新潟県中越地震における埋戻し部の沈下率を整理し、液状化による下水処理施設と取付管の不同沈下予測手法を提案した。
4) 管路施設の液状化被害軽減策の提案
 ・ 被害事例の分析により、微地形区分による周辺地盤および埋戻し土の液状化による被害の可能性の判定基準、および地盤条件等に基づく埋戻し土の液状化による被害の可能性の判定基準を提案した。
 ・ 動的遠心模型実験により、下水道管路施設の埋戻土の対策効果を確認し、下水道管路施設の液状化対策としての締固め、砕石及びセメント改良土による埋戻しの仕様を提案した。

5.成果の活用
 ここでは、本重点プロジェクト研究の成果が国土交通省の事業に活用された事例、社会へ貢献した事例などについて述べる。
1) 個別課題1.1 (1), (3)の成果が、「橋梁の耐震補強3か年プログラム」(2005~2007年度)の補強対象橋梁に対する経済的な補強方法として活用されている。また、本成果は、既設橋梁の耐震補強工法事例集として平成17年4月に発刊され、広く普及している。
2) 個別化第1.2 (1), (2)の成果が、18年度より試行的に開始される河川構造物のレベル2地震動対応耐震診断・耐震補強に活用される予定である。
3) 個別課題1.2 (3), (4)の成果が、高規格堤防整備事業を実施している現場で試験運用されており、地盤改良による対策工の経済設計に貢献している。
4) 個別課題1.3 (2)の成果が、「道路震災対策便覧(震前対策編)」(2006年改訂版)に反映される予定である。
5) 個別課題1.4 (4)の成果が、2003年十勝沖地震、2004年新潟県中越地震における下水道管路施設の災害復旧方法に反映された。
6) 個別課題1.4 (3), (4)の成果が、「下水道施設の耐震対策指針と解説」(2006年改訂版)に反映された。
  この他、研究成果は、現在改訂作業中の「道路橋示方書」、「道路土工指針」等にも反映される予定である。


個別課題の成果

1.1 全体構造系の耐震性能を評価した既設道路橋の耐震補強技術に関する研究

  研究予算:運営費交付金(道路整備勘定)
  研究期間:平14~平17
  担当チーム:耐震研究グループ(耐震)
  研究担当者:運上茂樹、小林寛
【要旨】
 兵庫県南部地震以後、河川を横断する橋梁など施工条件の厳しい橋梁や中長大橋において、従来型の耐震補強法を適用した場合その補強対策に多額の費用を要するという課題があり、より効果的、経済的な耐震補強技術の開発が求められている。本研究では、橋梁の全体構造系を考慮した耐震性能評価法及び個々の橋脚の耐震補強を不要とする耐震補強工法の開発を目標とし、地震時に両端の橋台が橋梁全体の応答変位を拘束する効果に着目し、橋梁規模や橋台耐力が橋梁の地震時挙動に及ぼす影響を解析的に検討した。また、耐震性評価においてせん断評価が支配的となる壁式橋脚の面内方向のせん断耐力の合理的な評価法を実験的、解析的に検討した。これらの成果は、全体構造系を考慮した耐震補強工法としてとりまとめるとともに、「既設橋梁の耐震補強工法事例集(平成17年4月出版)」に反映させた。さらに、中長大橋及び特殊橋梁についても、代表的な橋梁形式について各橋梁形式の特性を踏まえた耐震補強方針について整理するとともに、中長大橋に対する耐震補強事例集としてとりまとめた。また、橋梁の耐震性能照査に用いる信頼性設計式の開発のため、1995年兵庫県南部地震における阪神高速道路3号神戸線の支承と橋脚被災度と地盤のSI値の関係を分析するとともに、大地震発生時の現地の地震計情報と各橋梁の基本情報をもとに被災度を簡便に推定する手法を提案した。

キーワード:既設道路橋、耐震補強、橋全体系、せん断耐力、変位拘束工法、橋台、耐震補強工法事例集、長大橋、被災分析、簡易被災推定法


1.2 堤防の耐震対策合理化に関する調査

  研究予算:運営交付金(治水勘定)
  研究期間:平12~平17
  担当チーム:耐震研究グループ(振動)
  研究担当者:杉田秀樹、高橋章浩、石原雅規
【要旨】
 本研究は、堤防の耐震対策をより合理的なものとするために、地震時沈下量予測法の開発と許容沈下量に基づいた設計法の開発を目的に実施した。
 H12~H14年度は、堤防のり尻に固結工法、締固め工法のいずれかの液状化対策を施した一般堤防の地震時沈下量予測法を開発し、「河川堤防の液状化対策工法設計施工マニュアル(案)」を取りまとめた。また、H15~H17年度は、高規格堤防の全体変形予測手法及び高規格堤防端部擁壁の変位量予測法に関する検討を行い、「高規格堤防盛土設計施工マニュアル(案)」の改訂原案を取りまとめた。

キーワード:液状化、耐震対策、地盤改良、沈下量評価


1.3 液状化地盤上の道路盛土の耐震対策技術に関する試験調査

  研究予算:運営費交付金(道路整備勘定)
  研究期間:平14~平17
  担当チーム:耐震研究グループ(振動)
  研究担当者:杉田秀樹、佐々木哲也、石原雅規
【要旨】
 兵庫県南部地震を契機として、橋梁等の重要構造物と同様に盛土等の土構造物についても耐震性の確保が求められてきている。しかし、膨大な延長を有する土構造物では耐震対策には多大な費用が必要なことから、より経済的な耐震対策法が求められている。このため本研究では、液状化地盤上の道路盛土の被害に及ぼす要因を明らかにするとともに、盛土の液状化対策工の適用性を検討し、盛土本体および盛土直下基礎地盤の耐震対策の組み合わせによる耐震対策工の提案を行うことを目的に実施した。その結果、入力波の最大加速度、平均盛土荷重および液状化層厚等を用いた盛土沈下量の簡易予測法を提案するとともに、対策工ごとの盛土変形抑制効果および異なる対策工の組み合わせ効果を明らかにし、対策工の設計法を提案した。

キーワード:道路盛土、地震、液状化、液状化対策、遠心模型実験


1.4 下水道施設の変形量を考慮した液状化対策工の設計法に関する試験調査

  研究予算:受託業務費
  研究期間:平15~平18
  担当チーム:耐震研究グループ(振動)
  研究担当者:杉田秀樹、佐々木哲也、石原雅規
【要旨】
 下水道施設の地震被害としては地盤の液状化による被害が最も多く、このような地震被害を軽減するための耐震対策技術の開発が求められている。そこで本研究では、下水道施設の液状化対策技術として矢板締切り工法を取り上げ、下水道処理施設の浮上がり変形量を考慮した液状化対策工の設計法を提案するとともに、下水処理施設と取付管の液状化による不同沈下の予測手法を提案した。さらに、2003年十勝沖地震および2004年新潟県中越地震における被害を踏まえ、下水道管路施設の液状化被害に及ぼす要因を明らかにし、液状化被害の可能性の判断基準を提案するとともに、液状化被害軽減策を提案した。

キーワード:下水道施設、液状化、液状化対策、遠心模型実験、浮上がり