I 土木構造物の経済的な耐震補強技術に関する研究
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）
このうち、平成16年度は(1)、(2)、(3)、(4)の4課題を実施している。
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、以下の個別論文に示すとおりである。なお、「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16年度に実施した研究と今後の課題について要約すると以下のとおりである。
(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
耐震補強の必要性の高いとされる、昭和55年道路橋示方書適用以前の河川橋においては、両端部に橋台を有するとともに、背の低い壁式橋脚あるいは小判型橋脚を持つものが多いと考えられる。こうした橋梁は、地震時における両端橋台による変位拘束効果など耐震上有利な要素が見込めると考えられるため、これらを適切に評価し、耐震設計に取り入れることは効果的かつ経済的に耐震補強を進める上で非常に重要である。
平成16年度はせん断スパン比の小さい壁式橋脚などの橋軸直角方向せん断耐力について合理的な評価方法を実験的・解析的に検討し、橋台の変位拘束効果を考慮した耐震補強法について、既往の検討結果に基づき工法検討フローを作成するとともに、橋台背面土のモデル化についても検討を行った。それらを「既設橋梁の耐震補強工法事例集」としてとりまとめ、研究成果を反映させた。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、兵庫県南部地震における阪神高速道路3号神戸線の支承の被害と支承形式、橋脚の推定降伏震度、地盤のSI値の関係を分析した。
本研究で得られた成果は以下のとおりである。
1) 背の低い壁式橋脚橋の軸直角方向せん断耐力に及ぼすディープビームの効果を考慮できる適用範囲としては、その橋脚の応答塑性率μr≦1.0が望ましいが、実験結果およびFEM解析結果から、μr=1.5程度まではこれを見込むことができる。
2) 橋台の変位拘束効果を考慮した耐震補強法について、検討の手順を示し、工法の提案を行った。
3) 「既設橋梁の耐震補強工法事例集」をとりまとめ、成果を反映させた。
4) 兵庫県南部地震における阪神高速道路3号神戸線の被災データ分析より、可動固定かけ違い部では橋脚の降伏震度が0.4を超えると支承の破壊割合が増えること、固定橋脚の橋軸直角方向においては支承の破壊に伴い橋脚の破壊が抑えられるヒューズ効果が見られることがわかった。
(2) 堤防の耐震対策合理化に関する調査
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するものである。平成15年度は、液状化地盤上の高規格堤防に関する遠心模型実験を行い、地震時変形を抑制するためには、堤防の堤内・堤外両側の端部の耐震性を向上させること、及び、高規格堤防特別区域（堤内側緩斜面部）の一部の地盤改良を行うことが効果的であることを示した。
これを受け、平成16年度は、堤内側暫定断面端部の地震時変位量予測法を提案するために、動的遠心模型実験を行った。その結果、以下の変位量予測法を提案する上で重要な知見を得ることができた。
1) 擁壁高さ、改良体幅、液状化層厚の影響については、一般堤防用に開発した変位量予測手法を適用できるものと考えられる。
2) 入力（特に最大加速度）の影響については、一般堤防用に開発した変位量予測手法の改良が必要である。
3) 擁壁上部の残留水平変位量を予測できれば、背面土の沈下量や水平変位量を推測できるものと考えられる。
今後、堤内側暫定断面端部の地震時変位量予測法の提案及び高規格堤防特別地域の地盤改良設計法に関する検討を行い、高規格堤防の耐震対策設計法としてまとめていく予定である。
(3) 液状化地盤上の道路盛土の耐震対策技術に関する検討調査
本研究は、道路盛土の合理的で経済的な耐震対策工の設計法の提案を行うことを目的として実施するものである。平成16年度は、地震力の影響も考慮した道路盛土の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を明らかにするとともに、盛土本体の耐震対策の効果および液状化地盤への影響を明らかにするために、動的遠心模型実験を行い、以下の知見を得た。
1) 無対策道路盛土の遠心模型実験結果を基に、入力波の最大加速度、平均盛土荷重および液状化層厚を用いた盛土沈下量の簡易予測法を提案した。
2) ジオテキスタイルの敷設等による盛土本体の補強は、液状化地盤の変形に抵抗することを明らかにした。
3) 対策工ごとの効果および異なる対策工の組み合わせによる相乗効果を明らかにした。
今後、変位量を考慮した耐震対策工の設計法について検討を行う必要がある。
(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9月には2004年十勝沖地震、平成16年10月には2005年新潟県中越地震が発生し、下水道管路が多大な被害を受けたため、平成16年度は下水道管路の被害原因に関する検討および耐震対策工法の効果の確認を行った。
上記地震による管路被害は埋戻し土の液状化によるものであると考えられているため、現地調査及び採取した埋戻し土の室内土質試験を行い、被害箇所の埋戻し土の特性を調べた。また、泥炭地盤や軟弱な粘土層が存在する地域において多くの被害が発生したメカニズムを明らかにするために、泥炭地盤や軟弱な粘土層などと同程度の剛性を持つ合成ゴムを原地盤として用いたケースや、砕石埋戻しやセメント改良土などの対策工のケースを含む一連の動的遠心模型実験を行った。その結果、以下のことが明らかとなった。
1) 被害程度の高い地区ほど締固め度が低い傾向にあり、ほとんどの箇所で液状化強度比が0.2を下回っており、液状化しやすい状態であった。
2) 泥炭地盤や軟弱粘土層において被害が多く発生するメカニズムについて考察を加え、埋戻し土の締固め度が低いほど、管路周辺の現地盤の振幅が大きいほど浮き上がり量が大きくなることを示した。
3) 砕石及びセメント改良土による埋戻しの対策効果を確認した。
今後、引き続き管路の浮き上がり被害に関する検討を進めるとともに、不同沈下予測手法及び対策手法に関する検討なども行う予定である。
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、中・長大橋において従来型の耐震補強法では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、両端に橋台を有する既設橋梁において、地震時に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耐力の評価が支配的となる壁式橋脚面内方向のせん断耐力の合理的な評価法を実験的に検討した。これらの成果について検討を加え、｢既設橋梁の耐震補強工法事例集｣の出版に反映させた。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号神戸線の支承の被害と支承形式、橋脚の推定降伏震度、地盤のSI値の関係を分析した。
キーワード：既設道路橋、橋全体系、せん断耐力、ディープビーム、変位拘束工法、橋台、｢既設橋梁の耐震補強工法事例集｣、被災分析
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、谷本俊輔
【要旨】
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するものである。
平成15年度は、液状化地盤上の高規格堤防に関する遠心模型実験を行い、地震時変形を抑制するためには、堤防の堤内・堤外両側の端部の耐震性を向上させること、及び、高規格堤防特別区域（堤内側緩斜面部）の一部の地盤改良を行うことが効果的であることを示した。これを受け、平成16年度は、堤内側暫定断面端部の地震時変位量予測法を提案するために、動的遠心模型実験を行い、変位量予測法を提案する上で重要な知見を得ることができた。
キーワード：高規格堤防、液状化、耐震対策、遠心模型実験
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、盛土等の土構造物についても耐震性向上が必要となっているが、耐震対策に多大な費用が必要となることから、より経済的な耐震対策法が必要とされている。このため本研究は、道路盛土の合理的で経済的な耐震対策工の設計法の提案を行うことを目的として実施するものである。平成16年度は、地震力の影響も考慮した道路盛土の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を明らかにするとともに、盛土本体の耐震対策の効果および液状化地盤への影響を明らかにするために、動的遠心模型実験を行った。
その結果、(1)入力波の最大加速度、平均盛土荷重および液状化層厚を用いた盛土沈下量の簡易予測法を提案した。(2)盛土本体の補強は液状化地盤の変形に抵抗することを明らかにした。(3)対策工ごとの効果および異なる対策工の組み合わせによる相乗効果を明らかにした。
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】
平成15年9月には2004年十勝沖地震が、平成16年10月には2005年新潟県中越地震が発生し、下水道管路が多大な被害を受けたため、16年度は下水道管路の被害原因に関する検討および耐震対策工法の効果の確認を行った。
上記地震による管路被害は埋戻し土の液状化によるものであると考えられているため、現地調査及び採取した埋戻し土の室内土質試験を行い、被害箇所の埋戻し土の特性を調べた。その結果、(1)被害程度の高い地区ほど締固め度が低い傾向にあり、(2)ほとんどの箇所で液状化強度比が0.2を下回っており、液状化しやすい状態であったことが明らかとなった。
また、泥炭地盤や軟弱な粘土層が存在する地域において、多くの被害が発生していることから、原地盤の特性が被害の発生に大きな影響を及ぼしているものと考えられる。しかし、そのメカニズムについては明らかとなっていない。このため、泥炭地盤や軟弱な粘土層などと同程度の剛性を持つ合成ゴムを原地盤として用いたケースや、砕石埋戻しやセメント改良土などの対策工のケースを含む一連の動的遠心模型実験を行った。その結果、(3)埋戻し土の締固め度が低いほど、管路周辺の現地盤の振幅が大きいほど浮き上がり量が大きくなることが明らかとなった。また、(4)泥炭地盤や軟弱粘土層において被害が多く発生するメカニズムについて考察を加えた。さらに、(5)砕石及びセメント改良土による埋戻しの対策効果を確認した。
キーワード：下水道施設、地震、液状化、液状化対策、遠心模型実験、浮き上がり
