オンライン地震応答実験による粘土・砂互層地盤の地震動特性

オンライン地震応答実験による粘土・砂互層地盤の地震動特性
オンライン地震応答実験による粘土・砂互層地盤の地震動特性
Seismic Response Properties of Stratified Ground by On-Line Pseudo-Dynamic Response Test
高橋
直樹
NAOKI TAKAHASHI
山本
陽一
YOICHI YAMAMOTO
三上
博
HIROSHI MIKAMI
本論文では，粘土・砂互層地盤の地震動特性に関してオンライン地震応答実験を行い，粘土の圧密状態お
よび層厚等が互層地盤の地震動特性に与える影響について考察した．まず，粘土の圧密状態を未圧密から過圧
密に変化させた実験結果から，その非線形な履歴変形特性を明らかにし，それが砂層の応答や液状化の程度に
与える影響について調べた．次に，粘土層の層厚や配置を種々に変化させた実験結果から，粘土・砂互層地盤
の地震動特性における粘土層の影響を明らかにした．
キーワード：粘土層，地震動特性，液状化，オンライン
A series of on-line pseudo-dynamic response tests have been conducted to investigate the influence of
the degree of consolidation, layer thickness and other properties of clay on the earthquake response
characteristics of alternating layers of clay and sand. First, the stress history and degree of consolidation
of clay was varied to investigate the clay's nonlinear deformation characteristics, and their influence on
the response and degree of liquefaction of sand layers. Then, the thickness and configuration of the clay
layers were varied to investigate the overall influence of clay layers on the earthquake response
characteristics of sands layered with clays .
Key Words: Clay layer, Nonlinearity, Seismic response, Liquefaction, Pseudo-dynamic test
１．はじめに
一方，地震動を著しく減衰させるものに砂の液状化が
ある。液状化した地盤は著しい剛性低下を示すため上層
1985年にメキシコで起きたミチオカン地震によるメキ
1)
へのせん断波の伝播が妨げられ，その結果地震応答加速
や，1989年アメリカで起きたロマ・
度が小さくなる。液状化により地震動が減衰した典型的
プリータ地震によるサンフランシスコ湾岸地域の被害事
な事例としては，1995年に発生した兵庫県南部地震が挙
シコ市の被害事例
例
2)
は，軟弱な粘土層の影響により地震動が増幅して被
げられる 6) 。
害を大きなものにした代表的な例である。後者では，軟
ところで，兵庫県南部地震では埋立層の下に堆積する
弱地盤上の加速度は硬い地盤上の記録に比べて 2 ～ 3 倍
沖積粘土層の圧密状態の違い，すなわち非線形性の違い
3)
。これに対して，軟
が埋立層の液状化程度に大きく影響を与えたことが数値
弱粘土が免震層としての機能を発揮した結果，地震によ
解析によって推定されている 7) 。山口ら 8) は同様の課題
る被害を免れた例もある。その一例としては，関東大震
に対して，埋立層のまさ土に関しては再構成試料による
災による被災を免れた帝国ホテルの事例が挙げられる。
供試体から復元力特性を評価し，沖積粘土層については
帝国ホテルの設計者 F.L.Wright は，この基礎を軟弱粘土
数値モデルを用いたオンライン地震応答実験を実施し，
層に浮かぶフローティング基礎として設計していること
神戸沖合人工島地盤におけるまさ土のひずみの発達が，
ほど大きいことが報告されている
から
4),5)
，本例は軟弱地盤の減震効果を狙った設計・施
工の一例として位置付けることができる。このように軟
その下に堆積する沖積粘性土のせん断強度の増加に伴い
大きくなることを明らかにしている。
弱粘土は地震動に対して増幅・減震の両面を持つもので
しかしながら，これらの検討では着目する沖積粘土層
あり，その非線形化が地表面応答にどのような影響を及
の非線形性の評価は数値モデルによるものであるため，
ぼすかを明らかにすることが重要である。
実際の現象を理解するためにはこれをさらに精度良く評
1
三井住友建設技術研究所報告 第 1 号
Computer
Layer 1
Numerical model
F1-N
Accg
Layer i
Layer i+1
Layer i+2
i
i
i n
Layer
Control and measurement
Response analysis
τ1-N
τ1
τ
On-line testing
..
.
MX+CX+F=-MLAccg
C=0
X1-N
Numerical model
γ1-N
τN
τ
γ
1
γ1
γ
N
γ1
Base
図-1
オンライン地震応答実験の概念
価することが必要であると思われる。また，神戸人工島
地盤は埋立層の下に沖積粘土層が堆積する地層構成であ
るが，現実には粘土層の層厚や層序は様々であり，これ
らの組合わせにおいて粘土・砂互層地盤の地震動特性に
与える粘土層の影響について明らかにすることが重要で
ある。
本研究では粘土・砂互層地盤の地震動特性に関してオ
ンライン地震応答実験を実施し，粘土の圧密状態が互層
地盤の振動特性に与える影響に関して詳細に検討した。
さらに，粘土層の層厚や配置を種々に変化させた実験を
行い，粘土・砂互層地盤の地震動特性における粘土層の
影響について検討を行った。
図 -2 簡易単純せん断試験装置
２．オンライン地震応答実験の概要
実験することは，システムが高価になるばかりでなく作
（１）オンライン地震応答実験の概念
オンライン地震応答実験の原理を図-1に示す。本シス
テムは日下部ら
9)
により開発されたものであり，そのア
ルゴリズムは以下の通りである。
業も煩雑化する。そこで，本実験では液状化や大変形が
予想される地盤要素部分のみを要素実験で復元力を求
め，その他の部分は修正 R-O モデルで復元力を求めるサ
ブストラクチャ法を採用した。
まず，解析対象地盤を質点系にモデル化し，基盤面か
ら地震動を入力する。つぎにコンピュータにより質点系
の振動方程式を解き，各質点の応答変位を求める。そし
て，得られた変位に相当するせん断ひずみをコンピュー
タ制御により供試体に与え，その時自動計測された復元
力を用いて次のステップの応答変位を計算する。すなわ
ち，本手法はこれらの過程を地震動が継続する間繰り返
（２）解析方法
オンライン地震応答実験の地震応答計算には，次の運
動方程式を用いた。
CX F MLA
MX
ccg
(1)
C 0
(2)
すことにより時々刻々に変化する地盤の非線形な復元力
ここに，M：質量マトリックス， C ：減衰マトリック
を要素実験の供試体から直接求め，それをオンラインで
ス， F ：復元力ベクトル， L ：単位ベクトル， K ：剛性
応答解析に結びつけて地震時の地盤の挙動をシミュレー
マトリックス， X ：相対変位ベクトル， Accg ：入力加速
トするものである。なお，要素実験部分には，図-2に示
度である。
す日下部ら
10)
により試作された簡易直接せん断試験機を
用いた。また，多層からなる地盤の全てをオンライン
2
数値積分法には第 1 ステップでは線形加速度法を用
い，第 2 ステップ以降では衝撃加速度法を採用した 11) 。
オンライン地震応答実験による粘土・砂互層地盤の地震動特性
ステップにより積分法を変えた理由は，第 1 ステップで
Depth(m)
は衝撃加速度法に必要なそれ以前の変位やせん断応力が
未知であるためであり，第 2 ステップ以降では線形加速
（１）地盤モデル
3m
-9
L3
m3
-12
L4
m4
3m
-15
L5
m5
3m
-18
L6
m6
3m
度法の接線剛性の精度の信頼性が低いためである。
Modified R-O Model
3m
m2
L2
-6
３．オンライン地震応答実験方法
m1
L1
-3
3m
On-Line testing
Modified R-O Model
地盤モデルは，図-3に示すように深度 18m の水平成層
地盤を想定し，これを 6 分割して一次元の質点系モデル
図 -3 地盤モデル
で置き換えたものとした。このうち， L2 層～ L4 層
（GL-3m～ GL-12m ）の復元力を要素実験により実測
し，他の層の復元力は修正Ramberg-Osgoodモデルにより
表 -1 小野田粘土の物性値
算定した。ここで， L2 層～ L4 層は液状化層となる
Dr=50% の砂層または粘土層を想定し，地下水位より上
の L1 層は Dr =50% の砂層， L5 層～ L6 層は Dr =80%
の砂層としてそれぞれ非液状化層となるようにモデル化
ρS
Name
(g/cm3)
Onoda clay 2.601
WL
(%)
80.9
WP
(%)
34.9
F.C.
(%)
84.5
IP
46.0
C.C.
(%)
37.5
した。
表 -2 実験ケース
（２）要素実験
要素実験は 3 台の簡易単純せん断試験機を用いて実施
した。載荷は非排水状態で鉛直変位を拘束し側圧一定で
Layer
行った。そのため，体積ひずみゼロ，鉛直ひずみゼロと
L1
L2
L3
L4
L5
L6
いう条件から水平方向ひずみがゼロとなり，単純せん断
条件となる。なお，載荷はステッピングモーターによる
SSS
SSCU50
SSC
Sand
Sand
Sand
Sand
Sand
Clay(U50)
Sand
Sand
Clay
TEST CASE
SSCOCR5
SCS
Sand(D r =50%)
Sand
Sand
Sand
Clay
Clay(OCR5)
Sand
Sand(D r =80%)
Sand(D r =80%)
CSS
CCS
CCC
Clay
Sand
Sand
Clay
Clay
Sand
Clay
Clay
Clay
という実験設備の制約上，リアルタイム加振とはなって
いない。要素実験に供した試料は，表-1に物性値を示す
山口県小野田市で採取された海成粘土（小野田粘土）と
表 -3 解析パラメータ
3
豊浦砂（ ρs=2.643g/cm , emax=0.973, emin=0.635 ）である。
粘土は再構成試料とし，あらかじめ液性限界の 2 倍以上
の含水比で十分練り返した試料を予備圧密セル内に投入
し，鉛直圧密圧力 σvc=10 ， 20kPa とそれそれ 1 日ずつ段
階的に載荷した後， σvc=50kPa で 2 週間載荷させて再構
成試料を作製した。一方，砂供試体は，所定の相対密度
Layer
L1
L2
L3
L4
L5
L6
Thickness
(m)
3
3
3
3
3
3
γt
(kN/m3)
19.1
19.1
19.1
19.1
19.6
19.6
τf
(kPa)
13.87
On-Line
On-Line
On-Line
128.47
159.78
G0
(kPa)
48697.35
On-Line
On-Line
On-Line
152007.31
164682.78
α
β
2.451
2.451
2.451
2.293
2.293
2.293
となるように水中落下法により作製した。供試体の寸法
は概ね直径 60mm ，高さ 40mm である。ただし，圧密時
間を短縮し試験実施期間の制約緩和を図るために，粘土
被り圧の 5 倍の圧密圧力で一次圧密を終了させ，その
供試体のみ高さを 20mm とした。圧密は静止土圧係数K0
後，有効拘束圧を所定の値に戻して実験を開始した。
を 0.4 に設定した異方圧密とし，圧密圧力は， K0=0.4 と
なるよう有効側方向応力 σh’ と異方分の有効軸方向応力
（３）実験 ･ 解析条件
σv’ を所定の値になるまで段階的に加えるものとした。
オンライン地震応答実験は表-2に示すように要素実験
なお，圧密度 50%の未圧密粘土供試体に関しては，沈下
により復元力を求める L2 層～ L4 層を対象として，粘
量が同一の試料を用いて求めた圧密度 100% の沈下量の
土層の圧密状態，層厚および配置を様々に変化させて実
50%に達した時点で鉛直ひずみを拘束し，供試体内の間
施した。表中の実験ケース名は L2 層～ L4 層の土質を
隙水圧が一様になるまで数時間放置した後に実験を開始
表しており，砂（Sand），粘土（Clay）それぞれの頭文
した。一方，過圧密比 5 の過圧密粘土供試体は，有効土
字をとり，例えば SSC では L2 層～ L3 層が砂， L4 層
3
Acceleration
α (Gal)
三井住友建設技術研究所報告 第 1 号
ずある程度の値を保持していることが特徴的である。砂
600
Ma x=-570 Gal
である L2 層および L3 層は， SSS と同様に液状化また
0
はそれに近い状態にある。ただし， L4 層が未圧密・正
-600
規圧密・過圧密の順で最上層のひずみの発達が顕著とな
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Time (sec)
り，激しく液状化していることが認められる。このこと
から，粘土層の非線形な履歴変形特性は上層に位置する
図 -4 入力波
砂層の液状化程度に大きく影響を与えることが理解でき
る。
が粘土となる。なお， L4 層が粘土となるケースに関し
（２）加速度 α の時刻歴応答波形
ては，SSCU50 が圧密度 50%の未圧密粘土， SSCOCR5 が過
図-6は各質点における応答加速度 α の時刻歴を示した
圧密比 5 の過圧密粘土を用いたケースを表している。そ
ものである。質点 m2 をみると，全てのケースで振動に
れ以外のケースでは，何れも正規圧密の供試体を対象と
伴って減衰して波形が長周期化していることが認められ
している。修正 R-O モデルの解析パラメータは，表-3に
る。この傾向は質点 m1 も同様であった。これらは液状
示すように決定した。減衰定数 hmax は 0.25 とし，初期せ
化により L2 層および L3 層の剛性が著しく低下して上
ん断剛性は所定の相対密度に対応した N 値を求め，これ
層への地震動の伝播を抑制したためである。一方，質点
を用いて計算したせん断弾性係数に拘束圧依存性を考慮
m4 をみると， SSS の砂の結果に対して粘土の波形には
して有効拘束圧の 0.5 乗に比例する形で算定した。入力
長周期成分が卓越している様子が認められ，未圧密粘土
波には，図-4に示す1995年兵庫県南部地震においてポー
でこの傾向が顕著である。このことは，粘土層が高振動
トアイランドでアレー観測された PI-79mNS 成分（最大
数成分に対するフィルターとしての機能を有することを
加速度570Gal）を用いた。
意味している。このような粘土の効果は，それ自体に液
状化のような極端な剛性低下が無いことから，地盤が塑
性変形することにより消費されるエネルギーが大きいこ
４．粘土の圧密状態が地震動特性に与える影響
本章では，実験ケース SSS ，SSCU50 ， SSC および
SSCOCR5 から得られた結果を比較することにより，粘土
とに起因するものと予測される。
（３）地震応答の周波数特性
表層波（質点 m1 ）および入力波の応答スペクトルを
の圧密状態が地震動特性に与える影響に関して考察す
図-7に示す。入力波の卓越周期は 0.3 秒付近であるのに
る。
対して，表層波のそれはいずれのケースでも地盤の非線
形化により 1 秒付近となり長周期化している。表層波に
（１）せん断応力 τ －せん断ひずみ γ 関係および有効応
力経路
関する比較では，固有周期が 1 秒付近よりも短周期側の
応答が SSS で最も大きく，粘土層を有するケースではせ
図-5に各ケースの L2 層～ L4 層におけるせん断応力
ん断強度の低下に伴って未圧密のSSCU50 で最も小さくな
τ －せん断ひずみ γ 関係を示す。全層砂層となる SSS に
っていることがわかる。この結果は，粘土がいわゆる免
関して， L2 層および L3 層におけるせん断応力 τ は図
震的な作用をしたと解釈できる。一方，固有周期がそれ
中○印で示した A 点において最大値に達し，それ以降で
よりも長周期側ではこの傾向が逆転し，特に 2 秒付近の
は減少に転じている。 A 点以降，剛性の低下が進行して
応答はSSCU50 が最大となることが認められる。したがっ
液状化に至り，ひずみが激増してせん断応力がほぼゼロ
て，短周期側でみられた粘土の免震効果は長周期側では
に近づいている。一方， L4 層が粘土層であるケースを
発揮されず，逆に増幅傾向を示すことが認められる。
みると，粘土の剛性が未圧密・正規圧密・過圧密の順で
以上のことから，液状化層の下に粘土層がある場合に
大きくなり，それに依存してひずみが小さくなることが
は，その粘土層が短周期側の構造物に対しては免震的な
わかる。さらに履歴ループの形状が，過圧密粘土ほど細
効果を発揮するが，長周期側の構造物に対してはその効
くとがった形となっていることが明らかである。このこ
果が期待できないことが確認された。なお風間ら 12) は，
とは，粘土の非線形な履歴変形特性はその軟らかさに応
地盤条件との関連で地表面応答に及ぼす軟弱地盤の影響
じて異なることを示している。さらに，粘土の剛性は大
について検討し，地表面以下に軟弱層がある場合にはそ
ひずみに至っても砂の液状化のような極端な低下を示さ
の塑性化によって地表面の最大加速度応答は小さくなる
4
オンライン地震応答実験による粘土・砂互層地盤の地震動特性
-2 .5
0.0
2.5
-40
-5.0
5.0
Sh ear stra in γ (% )
Shear stress τ (kP a)
30
A
0
-30
-60
-5.0
-2 .5
0.0
2.5
0
-40
0.0
-2.5
-30
-2 .5
0.0
2.5
2.5
60
-40
2.5
-2.5
Max=213.31 Gal
m2
Max=-220.87 Gal
5.0
m4
m5
m6
m5
Max=-609.53 Gal
m6
Max=-575.79 Gal
600
8
10
12
14
16
18
0
-30
-2.5
80
2.5
5.0
2.5
40
0
-40
-80
-5 .0
5.0
-2.5
0.0
2.5
5.0
Sh ear stra in γ (% )
(d) SSCOCR5
m1
M ax=168.84 Gal
m2
M ax=168.68 Gal
L1
Sand
L2
Sand
Sand
m3
M ax=-194.47 Gal
L3
L4
L5
Sand
Sand
L6
Sand
m4
m5
m6
m5
M ax=-625.04 Gal
m6
M ax=-582.91 Gal
0
2
4
6
8
10
12
14
Time (sec)
(a) SSS
(b) SSCU50
600
Max=-196.00 Gal
m2
M ax=-243.72 Gal
m4
20
0
m1
m3
Time (sec)
m1
0.0
L4:O no da clay (O CR=5. 0)
GL-10. 5m
σ ' m 0 =73. 4kPa(K 0 =0 .4)
(c) SSC
Acceleration α (Gal)
Acceleration α (Gal)
m2
Max=-417.58 Gal
6
30
Sh ear stra in γ (% )
-600
m3
4
0.0
5.0
Sh ear stra in γ (% )
-40
-2.5
2.5
L3:T oyoura sand (D r =50%)
GL-7. 5m
σ ' m 0 =57. 4kPa(K 0 =0 .4)
-60
-5 .0
5.0
0
-80
-5 .0
0.0
0
Max=-263.10 Gal
2
2.5
40
600
m1
0
-2.5
せん断応力 τ －せん断ひずみ γ 関係
m1
m4
0.0
L4:O no da clay (OCR=1. 0)
GL-10. 5m
σ ' m 0 =73. 3kPa(K 0 =0. 4)
0
m3
-20
60
-30
(b) SSCU50
図-5
-600
0
Sh ear stra in γ (% )
0
Shea r stra in γ (%)
(a) SSS
A
-40
-5 .0
5.0
30
80
0
0.0
20
Sh ear stra in γ (% )
40
-2 .5
2.5
L3:T oyoura sand (D r =50%)
GL-7. 5m
σ ' m 0 =57. 5kPa(K 0 =0. 4)
-60
-5 .0
5.0
L4:Ono da clay (U= 50%)
G L-1 0.5 m
σ ' m 0 = 35. 3kPa(K 0 =0. 4)
-80
-5.0
5.0
0.0
L2:T oyoura sand (D r =50%)
GL-4. 5m
σ ' m 0 =41. 5kPa(K 0 =0 .4)
Sh ear stra in γ (% )
0
Sh ear stra in γ (% )
600
-20
-40
-5 .0
5.0
30
80
40
-2 .5
2.5
0
Shea r stra in γ (%)
L4:T oyoura sand (D r =50%)
GL- 10. 5m
σ ' m 0 = 73. 3kPa(K 0 =0. 4)
-80
-5.0
0.0
L3:T oyoura sand (D r =50%)
G L-7 .5m
σ ' m 0 = 57. 4kPa(K 0 =0. 4)
-60
-5.0
5.0
She a r st rai n γ (% )
80
16
18
L1
L2
L3
Sand
Sa nd
Sa nd
L5
Cla y(U50)
Sand
L6
Sand
L4
20
m1
M ax=-195.84 Gal
m2
M ax=197.56 Gal
m3
M ax=264.01 Gal
0
m2
Max=-194.73 Gal
m3
Max=-221.70 Gal
-600
m1
m2
m3
Max=-325.46 Gal
m4
m4
m5
m6
0
m5
Max=-613.22 Gal
m6
Max=-579.73 Gal
2
4
6
8
10
12
Time (sec)
14
16
18
20
L1
Sand
L2
L5
S and
S and
Clay
Sand
L6
Sand
L3
L4
Acceleration α (Gal)
-600
Acceleration α (Gal)
Sh ear stress τ (kP a)
60
L3:T oyoura sand (D r =50%)
GL- 7. 5m
σ ' m 0 = 57. 5kPa(K 0 =0. 4)
Sh ear stress τ (kP a)
Shear stress τ (kP a)
60
-2 .5
A
Shea r stra in γ (%)
Shear stress τ (kP a)
-40
-5.0
A
-20
Sh ear stress τ (kP a )
-20
0
20
Shear stress τ (kP a)
0
20
40
L2:T oyoura sand (D r =50%)
GL-4. 5m
σ ' m 0 =41. 5kPa(K 0 =0. 4)
Sh ear stress τ (kP a)
A
40
Sh ear stress τ (kP a)
20
L2:T oyoura sand (D r =50%)
G L-4 .5m
σ ' m 0 = 41. 5kPa(K 0 =0. 4)
Sh ear stress τ (kP a )
40
L2:T oyoura sand (D r =50%)
GL- 4. 5m
σ ' m 0 = 41. 5kPa(K 0 =0. 4)
Sh ear stress τ (kP a )
Sh ear stress τ (kP a )
40
m1
m2
m3
m4
M ax=-397.99 Gal
m5
M ax=-624.37 Gal
m6
M ax=-578.71 Gal
m4
m5
m6
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
L1
Sand
L2
San d
San d
Clay (OCR5)
L5
Sand
L3
L4
L6
Sand
20
Time (sec)
(c) SSC
(d) SSCOCR5
図 -6 応答加速度 α の時刻歴
5
Absolute Acceleration Response (Gal)
三井住友建設技術研究所報告 第 1 号
図-7
は， L4 層が液状化に至らず剛性低下が少なかったため
である。 CSS に関しては，質点 m2 の波形が L3 層が液
2000
1500
SSS
SSC U 5 0
SSC
SSC O C R 5
Inp u t M otion
状化したにも関わらず比較的短周期成分が多いことに気
Da mp ing h= 5 %
付く。その原因は，質点 m4 の波形に短周期成分が卓越
して応答が大きくなっていることから，剛性低下の少な
い L4 層の応答が上層の地震応答に影響を与えたためで
1000
あると考えられる。次にCCSの結果をみると，粘土層で
500
ある質点 m2 および質点 m3 の応答が振動に伴い減衰し
ていることが明らかである。これは，正規圧密粘土は地
0
0.01
0.1
1
10
Period (sec)
地表および入力波の加速度応答スペクトルの比較
震動継続中に砂の液状化のような著しい減衰は示さない
ことから， L4 層が液状化したことにより上層へのせん
断波の伝播を抑制したことが原因であると思われる。最
後にCCCの結果をみると，全ての質点の波形に若干の長
周期化は認められるものの，砂の液状化のような極端な
ものの振動の長周期成分は大きく減衰しないことを示し
減衰を示していないことが特徴的である。なお，地表面
ており，本結果もこれを支持するものである。
応答加速度は粘土層が上層に位置するほど，その層厚が
厚いほどが大きくなることがわかる。
５．粘土の互層状態と粘土の層厚が地震動特性に
与える影響
（３）地震応答の周波数特性
図 -10 は表層波（質点 m1 ）および入力波の応答スペ
本章では，実験ケース SSS ， SSC ， SCS ， CSS ，
クトルを示したものである。入力波と表層波の比較から
CSS ，CCSおよびCCCから得られた結果を比較すること
は，入力波の卓越周期が 0.3 秒付近であるのに対して，
により，粘土層の層厚および配置が粘土・砂互層地盤の
表層波のそれは地盤の非線形化により長周期側に伸びて
地震動特性に与える影響に関して考察する。
いることがわかる。図-10(a) から，固有周期が 2 秒より
も短周期側の応答は，粘土が上層にある CSS で最大とな
（１）せん断応力τ－せん断ひずみγ関係および有効応
力経路
図-8に SCS ， CSS ，CCSおよびCCCの L2 層～ L4 層
におけるせん断応力 τ －せん断ひずみ γ 関係を示す。砂
層に粘土層が挟まれる SCS の L2 層は，剛性低下に伴い
り，粘土が深部に位置するのに従って小さくなることが
わかる。また，図-10(b) から，固有周期 2 秒付近の応答
が，粘土層厚の増大に伴い大きくなっていることが明ら
かである。
以上のことから，粘土層の短周期成分を遮断するフィ
ひずみが発達し液状化に至っていることがわかる。一
ルターとしての機能は，それが下層に位置する場合にの
方，粘土層の直下に位置する L4 層は図-5で示した砂層
み有効であり，上層に位置する場合には短周期成分を増
のみの SSS のそれと比較してひずみの発達が著しいこと
幅させる傾向があるものと思われる。さらに，粘土層厚
が認められる。また， CSS の L3 層およびCCSの L4 層
が大きい場合には，長周期成分も増幅させる傾向にある
も同様の傾向を示している。したがって，粘土層の直下
ものと考える。
に砂層がある場合には，その層の非線形化が著しくなる
ものと考える。 L2 層～ L4 層が粘土であるCCCは，い
６．まとめ
ずれの層も 2% を超えるひずみが生じているものの，液
状化のような著しい剛性低下を示していない。
本研究では，層厚 10m 程度の液状化層を対象として，
粘土層が地震動特性に与える影響に関して，粘土の圧密
（２）加速度 α の時刻歴応答波形
状態や層序・層厚を様々に変えてオンライン実験を実施
図-9は SCS ， CSS ，CCSおよびCCCにおける各質点の
し詳細に検討した。さらに，粘土層の層厚や配置を種々
応答加速度 α の時刻歴を示したものである。 L2 層が液
に変化させた実験を行い，粘土・砂互層地盤の地震動特
状化した SCS における質点 m2 の波形には長周期化と振
性における粘土層の影響について検討を行った。ここで
動に伴う減衰が認められるのに対して，質点 m3 および
対象とした地盤モデルは，実地盤における全ての地盤構
質点 m4 の波形には著しい減衰傾向はみられない。これ
成に対応するものではないが，現実的なモデルであると
6
オンライン地震応答実験による粘土・砂互層地盤の地震動特性
0.0
2.5
-40
-5.0
5.0
60
L3:Onoda clay (OCR = 1. 0)
GL-7. 5m
σ ' m 0 = 55. 1kPa(K 0 =0. 4)
Sh ea r stress τ (k Pa )
30
0
-30
-60
-5.0
-2.5
0.0
2.5
-30
80
Sh ear stress τ (k P a)
-40
2.5
2.5
-40
-80
-5.0
-2.5
0.0
2.5
0
-20
-40
-5.0
5.0
-2.5
60
0
-30
-2.5
0.0
5.0
80
2.5
30
0
-30
-2.5
80
0
-40
0.0
0.0
2.5
5.0
2.5
L4:Ono da clay (OCR= 1. 0)
GL-10. 5m
σ ' m 0 = 60. 1kPa(K 0 =0. 4)
40
0
-40
-80
-5.0
5.0
-2.5
Sh ea r stra in γ (% )
(b) CSS
5.0
Sh ear stra in γ (%)
40
-2.5
2.5
L3:Ono da clay (OCR= 1. 0)
GL-7. 5m
σ ' m 0 = 49. 6kPa(K 0 =0. 4)
-60
-5.0
5.0
L4:T oyoura sand (D r =50%)
GL- 10. 5m
σ ' m 0 = 62. 8kPa(K 0 =0. 4)
-80
-5.0
0.0
Sh ear stra in γ (%)
30
Sh ear stra in γ (%)
0.0
2.5
5.0
Sh ear stra in γ (%)
(c) CCS
(d) CCC
せん断応力 τ －せん断ひずみ γ 関係
図 -8
m1
2.5
20
Sh ea r stra in γ (% )
0
5.0
0.0
L3:Onoda clay (OCR = 1.0)
GL- 7. 5m
σ ' m 0 = 50. 3kPa(K 0 =0. 4)
-60
-5.0
5.0
40
(a) SCS
600
0.0
L4:T o youra san d (D r =50%)
GL-10. 5m
σ ' m 0 = 68. 1kPa(K 0 =0. 4)
Sh ear s tra in γ (% )
600
Max=-206.02 Gal
m1
Max=249.82 Gal
m2
Max=249.48 Gal
m3
Max=279.29 Gal
0
0
m2
Max=-204.54 Gal
m3
Max=268.02 Gal
-600
m1
m2
m3
m4
Max=-354.71 Gal
m4
m5
m6
m5
Max=-609.05 Gal
m6
Max=-559.68 Gal
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
L1
Sand
L2
L5
Sand
Cla y
Sand
Sand
L6
Sand
L3
L4
Acceleration α (Gal)
Acceleration α (Gal)
-600
m1
m4
m4
Max=467.28 Gal
m5
Max=-601.60 Gal
m6
Max=-566.42 Gal
0
20
2
4
6
Max=-270.92 Gal
m2
Max=-262.48 Gal
m3
Max=-236.19 Gal
m1
m2
m3
Max=-392.33 Gal
m4
m5
m6
0
m5
Max=-609.26 Gal
m6
Max=-565.46 Gal
2
4
6
8
10
12
12
14
16
18
L5
Clay
S and
S and
Sand
L6
Sand
L3
L4
20
14
16
18
m1
Max=-253.67 Gal
m2
Max=-251.08 Gal
m3
Max=-262.93 Gal
0
-600
m4
10
Sand
L2
(b) CSS
0
-600
8
L1
Time (sec)
600
m1
m5
m6
(a) SCS
600
m2
m3
Time (sec)
Acceleration α (Gal)
Sh ear stress τ (k P a)
-2.5
60
Sh ear stra in γ (%)
0
0.0
-2.5
L2:Ono da clay (OCR= 1. 0)
GL-4. 5m
σ ' m 0 = 39. 2kPa(K 0 =0. 4)
Sh ea r stra in γ (% )
0
-60
-5.0
40
-2.5
-20
-40
-5.0
5.0
30
5.0
L4:T oyoura sand (D r =50%)
GL-10. 5m
σ ' m 0 = 68. 0kPa(K 0 =0. 4)
-80
-5.0
2.5
L3:T o youra san d (D r =50%)
GL-7. 5m
σ ' m 0 = 52. 1kPa(K 0 =0. 4)
She a r stra i n γ (% )
80
0.0
0
20
L1
Sand
L2
L5
Clay
Clay
Sa nd
Sand
L6
Sand
L3
L4
Acceleration α (Gal)
Sh ea r stress τ (k Pa )
60
-2.5
20
Sh ear stra in γ (%)
Sh ea r stress τ (k Pa )
-2.5
Sh ear s tra in γ (% )
Sh ear stress τ (k P a)
-40
-5.0
-20
Sh ear s tress τ (k P a)
-20
0
40
L2:Onoda clay (OCR = 1.0)
GL- 4. 5m
σ ' m 0 = 39. 4kPa(K 0 =0. 4)
Sh ea r stress τ (k Pa )
0
20
40
Sh ear stress τ (k P a)
20
L2:Ono da clay (OCR= 1. 0)
GL-4. 5m
σ ' m 0 = 39. 1kPa(K 0 =0. 4)
Sh ear s tress τ (k P a)
40
L2:T oyoura sand (D r =50%)
GL-4. 5m
σ ' m 0 = 41. 5kPa(K 0 =0. 4)
Sh ear s tress τ (k P a)
Sh ear s tress τ (k P a)
40
m1
m2
m3
m4
Max=-340.35 Gal
m5
Max=-621.86 Gal
m6
Max=-579.47 Gal
m4
m5
m6
0
2
4
6
8
10
12
Time (sec)
Time (sec)
(c) CCS
(d) CCC
14
16
18
L1
Sand
L2
L5
Clay
Clay
Clay
Sand
L6
Sand
L3
L4
20
図 -9 応答加速度 α の時刻歴
7
Absolute Acceleration Response (Gal)
三井住友建設技術研究所報告 第 1 号
して謝意を表する次第である。
2000
SSS
SSC
SCS
CSS
Inp u t M otion
1500
Da mp ing h= 5 %
参考文献
1 ） Mendoza, M.J. and Auvinet, G : The Mexico Earthquake
of September 19,1985:behavior of building foundations
1000
in Mexico City, Earthquake Spectra Journal, EERI,
Vol.4, No.4, pp.835-853, 1988.
500
2)
Loma Prieta earthquake: Discussion1, Canadian
0
0.01
0.1
1
10
Geotechnica Journal, Vol.36, No.3, pp.582-583, 1999.
Period (sec)
3)
(a) 層序の比較
Absolute Acceleration Response (Gal)
Yasuhara, K. : Behavior of a fine-grained soil during the
軟弱地盤における地震動増幅と被害に関する研究委
員会：委員会報告，軟弱地盤における地震動増幅シ
ンポジウム発表論文集 , 土質工学会, 1994.
2000
SSS
CCS
CCC
Inp u t Motion
1500
Da mp ing h=5 %
4)
明石信道：旧帝国ホテルの実證的研究，東光堂書
店， pp.347-359 ， 1972.
5)
1000
二川幸夫：グローバルアーキテクチュアー－帝国ホ
テル（審判の日にそなえる建築）－ , No.53, 1980.
6)
500
神戸市開発局：兵庫県南部地震による埋立地地盤変
状調査（ポートアイランド，六甲アイランド）報告
0
0.01
0.1
1
10
Period (sec)
図 -10
書 , 1995.
7)
Ohta, H., Hagino, Y., Udaka, Y. and Demura, Y. : Seismic
amplifying effect of soft clay layers, Proceedings of the
(b) 層厚の比較
加速度応答スペクトル
14th. International Conference on Soil Mechanics and
Foundation Engineering, pp.859-862, 1997.
8)
のオンライン地震応答実験 , 土木学会論文集 ,
考えられる。
No.701/ Ⅲ-58, pp.181-195, 2002.
以下に，本研究で得られた知見をまとめる。
①粘土の非線形な履歴変形特性はその圧密状態に応じ
9)
日下部伸 , 森尾敏 , 有本勝二：オンライン地震応答
て異なることが確認された。その違いが上層の液状
実験による 2 層系砂質地盤の液状化挙動 , 土質工学
化程度に影響を与え，上層のひずみの発生量は，未
会論文報告集 , Vol.30, No.3, pp.174-184, 1990.
圧密・正規圧密・過圧密の順で大きくなることが明
らかとなった。
②液状化層の下に粘土層がある場合には，それが固有
周期が短い構造物に対しては免震的な効果を発揮す
るが，固有周期が長い構造物に対しては増幅傾向を
示すことが明らかとなった。また，その免震効果
は，粘土層が深い位置にある場合にのみ有効であ
10) 日下部伸 , 森尾敏 , 岡林巧 , 藤井照久 , 兵動正幸：
簡易単純せん断試験装置の試作と種々の液状化試験
への適用 , 土木学会論文集 , No.617/ Ⅲ -46, pp.299304, 1999.
11) 柴田明徳：最新耐震構造解析，森北出版株式会社，
1981.
12) 風間基樹 , 柳澤栄司 , 稲富隆昌：地表面応答に及ぼ
り，粘土層が上層に位置する場合には，固有周期が
す中間軟弱粘土層の非線形性の影響 , 土木学会論文
短い構造物の応答を増幅させることを示した。
集 , No.575/ Ⅲ-40, pp.219-230, 1997.
③粘土層が上層に位置するほど，その層厚が厚いほど
地表面の応答加速度が大きくなることが明らかとな
った。
謝辞：本研究を進めるに当たっては，山口大学兵動正幸
教授ならびに吉本憲正助手，オンライン地震応答実験の
開発者である㈱奥村組日下部氏にご指導いただいた。記
8
山口晶 , 風間基樹 , 日下部伸：神戸沖合人工島地盤