地 震 時 の 杭 の 挙 動 - 地 盤 が 揺 れると 杭 も 揺 れる - 田 蔵 隆 Takashi Tazoh 富 山 県 立 大 学 工 学 部 環 境 工 学 科 東 京 スカイツリーの 基 礎 は 話 題 の 東 京 スカイツリー その 高 さは 武 蔵 の 国 の 名 にちなんで 634m(むさし)とされ 自 立 式 の 電 波 塔 としては 世 界 一 の 高 さを 誇 ることになる 耐 震 耐 風 耐 火 いずれも 高 い 性 能 を 備 え 災 害 時 には 情 報 インフラとしての 社 会 的 使 命 も 担 っている このように 非 常 に 高 い 構 造 物 の 基 礎 は 一 体 どのようになっているのか 興 味 を 抱 いた 人 も 少 なくないと 思 う イ ン タ ー ネ ッ ト で 調 べ て み ると 深 さ 50m の 壁 状 の 杭 が 採 用 さ れ て い る (http://www.skytree-obayashi.com/technique/detail/01/index.html 参 照 ) 地 震 や 風 の 力 で 東 京 スカイツリーは 横 揺 れを 起 こすことになるが そのことによって 発 生 する 基 礎 への 大 きな 押 し 込 み 力 と 引 き 抜 力 に 対 しては 壁 状 の 杭 の 表 面 に 付 けられた 節 が 地 盤 との 間 に 生 じる 摩 擦 力 を 増 大 させて 抵 抗 する 構 造 である なかなかのアイデアで 感 心 される 方 も 多 いはず さて 軟 弱 地 盤 に 立 つ 構 造 物 の 基 礎 には 杭 基 礎 が 多 く 採 用 されている 杭 基 礎 は 施 工 性 と 経 済 性 に 優 れていること また 高 強 度 の 杭 材 の 開 発 に 加 え 大 口 径 杭 や 長 尺 杭 の 開 発 なら びに 施 工 技 術 の 進 歩 が 杭 基 礎 の 採 用 を 一 段 と 促 進 している 地 中 に 打 ち 込 まれた 杭 は 地 震 が 発 生 した 場 合 どのように 挙 動 するのか 大 きな 地 震 でも 杭 は 破 損 しないのか もし 地 震 によって 杭 が 折 れたりしたような 場 合 その 上 に 建 つ 構 造 物 はどうなるのか 研 究 のきっかけ 藤 沢 市 発 注 の 橋 梁 工 事 で 橋 脚 の 杭 基 礎 にひずみ 計 を 設 置 して 行 った 地 震 観 測 が 筆 者 が 杭 の 地 震 時 の 応 答 に 関 して 研 究 を 行 うきっかけである ひずみ 計 を 杭 に 設 置 して 杭 に 発 生 する 地 震 時 の 軸 力 や 曲 げモーメントを 直 接 計 測 し 実 態 を 把 握 しようとする 試 みは 早 稲 田 大 学 の 濱 田 政 則 教 授 ( 当 時 大 成 建 設 )が 球 形 のタンクホルダーの 杭 基 礎 に 対 して 行 ったのが 最 初 である 我 々もそれに 負 けず 劣 らずの 技 術 を 身 に 着 け 経 験 を 積 みたいという 野 心 が 藤 沢 市 にそのような 提 案 をさせ 受 け 入 れて 貰 ったという 経 緯 がある いまから 30 年 以 上 も 前 の 1980 年 ころの 話 である 地 震 観 測 から 得 られた 杭 の 地 震 時 の 曲 げひずみの 分 布 形 状 は( 杭 の 断 面 定 数 を 乗 ずれば 曲 げモーメントに 変 換 できる) 図 1に 示 すように 杭 頭 と 杭 先 端 ( 杭 の 下 端 を 指 す)で 大 き く 杭 の 中 間 部 では 小 さいという 結 果 である この 分 布 形 状 は 道 路 橋 などの 杭 の 設 計 基 準 に 基 づいて 耐 震 設 計 を 行 うことに 慣 れた 人 には かなり 奇 異 に 感 じる 形 状 である 杭 の 耐 震 設
計 に 用 いられる 地 震 外 力 は 上 部 構 造 物 の 慣 性 力 であり それを 杭 頭 に 作 用 させて 得 られる 杭 の 曲 げモーメントの 分 布 形 状 は 杭 頭 で 大 きく 杭 の 先 端 に 向 かっては 小 さくなるという のが 杭 の 耐 震 設 計 を 行 って 得 られる 一 般 的 な 傾 向 である 地 盤 が 揺 れると 杭 も 揺 れる 地 震 時 には 地 盤 も 震 動 する 地 盤 が 軟 弱 であればあるほど 揺 れの 振 幅 は 大 きくなり 地 表 付 近 と 地 盤 下 方 との 揺 れの 振 幅 の 差 は 拡 大 する 深 さ 方 向 に 揺 れの 振 幅 が 異 なる 地 盤 中 に 真 っ 直 ぐな 杭 が 打 設 されているわけであるから 地 盤 の 揺 れでも 杭 に 曲 げモーメントが 発 生 するのは 当 然 のことである 海 に 肩 まで 浸 かりつま 先 立 ちでいるとき 近 くを 通 過 した 船 が 起 こした 波 で 体 がユラユラと 揺 らされたという 経 験 は 誰 しもがお 持 ちと 思 われるが 地 震 で 地 盤 が 揺 らされると 地 中 の 杭 にも 同 様 の 現 象 が 起 きる 地 盤 と 構 造 物 の 動 的 相 互 作 用 という 研 究 分 野 では このことをキネマチック インターラクションと 称 している 一 方 上 部 構 造 物 の 慣 性 力 が 杭 に 作 用 して 振 動 する 現 象 は イナーシャル インターラクションと いう 地 震 によって 杭 は このキネマチック インターラクションとイナーシャル インターラ クションという 二 つの 現 象 によって 生 じる 力 に 対 して 応 答 することになるが 以 前 は 勿 論 のこと いまでも 多 くの 杭 の 耐 震 設 計 法 ではイナーシャル インターラクションの 効 果 は 考 慮 されているが キネマチック インターラクションによる 影 響 は 考 えられていない たいへん 大 雑 把 に 言 えば 杭 頭 での 曲 げモーメントはイナーシャル インターラクション 杭 の 深 部 での 曲 げモーメントはキネマチック インターラクションによって 発 生 する 地 震 観 測 で 得 られた 杭 先 端 で 曲 げひずみが 大 きいという 結 果 は 明 らかに 地 盤 の 揺 れ すなわち キネマチック インターラクションによって 生 じたものである それまでにキネマチック インターラクションの 実 態 を 示 す 実 証 データは 全 く 存 在 しなかった そのためこの 地 震 観 測 は 研 究 者 の 間 で 話 題 に 上 った 杭 の 地 震 被 害 1948 年 の 福 井 地 震 による 北 陸 配 電 ビルの 杭 の 被 害 ( 図 2 参 照 )が わが 国 で 報 告 された 杭 の 最 初 の 被 害 事 例 である 杭 頭 がせん 断 破 壊 して 建 物 が 沈 下 した この 被 害 調 査 は 杭 の 全 長 に 渡 って 行 われたものではないため キネマチック インターラクションによる 被 害 はこ れからは 確 認 できない 杭 の 全 長 に 渡 って 被 害 が 調 査 された 事 例 がいくつかある 1964 年 の 新 潟 地 震 による 昭 和 大 橋 N ビル 新 潟 家 庭 裁 判 所 さらには 1968 年 宮 城 県 沖 地 震 による 丸 吉 産 業 事 務 所 ビル 1995 年 兵 庫 県 南 部 地 震 による 阪 神 高 速 道 路 5 号 湾 岸 線 の 新 夙 川 橋 梁 宮 川 大 橋 藤 和 芦 屋 ハイタウンなどである 最 も 詳 細 にしかも 綿 密 な 調 査 が 行 われたのは N ビルの 杭 基 礎 の 被
害 調 査 である その 被 害 調 査 結 果 を 図 3に 示 す これは 河 村 壮 一 氏 ( 当 時 大 成 建 設 )らによって 行 われた もので 地 震 からおよそ 20 年 を 経 た 後 の 建 物 の 建 て 替 え 時 に 行 われた 被 害 調 査 である 建 物 は RC 造 の 地 上 3 階 建 ( 一 部 2 階 建 ) 地 階 なしの 事 務 所 ビルで 杭 は 直 径 30cm 長 さ 10m の 既 製 RC 杭 である 杭 頭 の 被 害 状 況 は 明 らかでなかったが 杭 頭 から 下 方 に 3~3.5m 付 近 と 杭 先 端 から 上 方 に 2m ほどの 位 置 でコンクリートが 圧 壊 剥 離 し 軸 方 向 鉄 筋 およびスパイラル 補 強 筋 が 露 出 した 状 態 であった 杭 先 端 から 2m の 位 置 は 軟 弱 な 表 層 と 杭 の 支 持 層 との 境 界 に 一 致 しており この 位 置 での 杭 の 被 害 はキネマチック インターラクションによって 発 生 したも のと 考 えられる 杭 の 深 部 でも 破 損 が 生 じるという 実 態 がこの 被 害 調 査 で 確 認 されたが 示 された 被 害 写 真 ( 図 3 参 照 )は 建 設 技 術 者 にとっては 目 を 疑 うほど 衝 撃 的 なものであった 液 状 化 地 盤 の 側 方 流 動 濱 田 政 則 教 授 ( 早 稲 田 大 学 )が 1983 年 の 日 本 海 中 部 地 震 で 地 震 前 後 の 航 空 写 真 に 基 づ く 計 測 から 液 状 化 した 地 盤 が 横 方 向 に 数 mも 動 くことを 突 き 止 めた これに 関 連 する 研 究 が 同 教 授 らをはじめとする 多 くの 研 究 者 によって 精 力 的 に 行 われ 液 状 化 地 盤 の 側 方 流 動 という 新 たな 研 究 領 域 が 形 成 されるまでに 至 った 同 教 授 は 同 じ 手 法 によって 1964 年 の 新 潟 地 震 で 信 濃 川 沿 いに 生 じた 側 方 流 動 量 を 分 析 した その 結 果 信 濃 川 の 左 岸 側 で 最 大 で 8m もの 水 平 移 動 が 発 生 していたことを 明 らかに した( 図 4 参 照 ) このことから 1964 年 の 新 潟 地 震 で 落 橋 した 昭 和 大 橋 ( 図 5 参 照 )は 橋 脚 の 基 礎 杭 が 側 方 流 動 に 伴 う 液 状 化 地 盤 の 流 動 圧 を 受 けて 大 きく 変 形 したことが 主 因 だ と 結 論 付 けた 論 文 が 何 人 かの 研 究 者 によって 発 表 された 昭 和 大 橋 落 橋 の 目 撃 者 1964 年 の 新 潟 地 震 が 発 生 したのは 6 月 16 日 ( 火 )の 午 後 1 時 2 分 前 日 の 雨 が 上 がっ てポカポカ 陽 気 の 日 であった 人 々は 信 濃 川 沿 いの 堤 体 などに 腰 を 下 ろして 昼 食 や 休 息 を 楽 しんでいた 地 震 はその 人 たちが 職 場 や 学 校 に 戻 ろうとした 矢 先 に 発 生 した そのため かなりの 人 が 昭 和 大 橋 の 落 橋 を 目 撃 することとなった 地 震 の 発 生 から 40 年 を 経 た 後 であるが われわれは 27 名 の 昭 和 大 橋 落 橋 の 目 撃 者 を 探 し 出 した 地 震 被 害 資 料 などを 綿 密 に 調 べ いろいろな 伝 手 (つて)を 使 って 漸 く 探 し 出 し た 人 たちである 目 撃 した 人 たちに 聞 きたかったのは 昭 和 大 橋 はいつ 落 橋 したかである 地 震 で 橋 や 地 面 が 大 きく 揺 れているときか それとも 地 震 の 揺 れが 終 わってしばらくしてからか さらには 数 mにも 及 ぶ 液 状 化 地 盤 の 水 平 移 動 が 生 じたのは 昭 和 大 橋 の 落 橋 前 か それともその 後 か
ということである 目 撃 者 の 証 言 をまとめると 昭 和 大 橋 の 落 橋 は 地 震 の 主 要 動 が 終 わってから 数 十 秒 後 で あった また 昭 和 大 橋 の 落 橋 は 信 濃 川 の 堤 体 が 川 の 方 向 に ザッザァー ( 目 撃 者 が 語 っ たそのままの 表 現 )と 動 く 少 し 前 の 時 刻 でもあった つまり 昭 和 大 橋 は 地 震 による 激 しい 揺 れ つまり 橋 梁 の 慣 性 力 で 落 橋 した 可 能 性 はきわめて 低 い また 昭 和 大 橋 の 落 橋 は 信 濃 川 の 堤 体 が 大 きく 動 き 出 す 前 からはじまっていることから 液 状 化 地 盤 の 側 方 流 動 によっ て 落 橋 した 可 能 性 も 小 さい 新 潟 地 震 の 観 測 記 録 を 分 析 してみると 地 震 の 主 要 動 が 終 わっても 地 盤 はゆっくりと し かもかなり 長 い 時 間 大 きく 揺 れており 落 橋 はその 間 に 発 生 している このことから 昭 和 大 橋 は 地 盤 の 揺 れ つまりキネマチック インターラクションに 起 因 して 落 橋 した 可 能 性 が 高 いと 推 察 された 護 岸 背 後 の 杭 基 礎 構 造 物 の 被 害 1995 年 の 兵 庫 県 南 部 地 震 で 一 層 明 確 になったことであるが 護 岸 の 背 後 にある 杭 基 礎 構 造 物 の 被 害 は 他 の 被 害 と 比 較 してきわめて 甚 大 なものとなる その 理 由 は 液 状 化 した 地 盤 が 杭 基 礎 構 造 物 の 背 後 から 大 きな 流 動 圧 として 作 用 したからというのが 現 在 に 至 るまで の 多 くの 研 究 者 技 術 者 の 考 え 方 である 建 設 に 関 わる 技 術 者 にとって 側 方 流 動 に 伴 う 地 盤 の 非 常 に 大 きな 変 位 は 驚 異 的 な 値 であ る そのため 構 造 物 の 背 後 から 大 きな 流 動 圧 が 作 用 すれば 想 像 を 超 える 被 害 が 発 生 しても 不 思 議 ではないと 考 えがちである しかし 筆 者 らが 行 った 遠 心 実 験 装 置 を 使 った 杭 基 礎 模 型 の 振 動 実 験 の 結 果 からは 護 岸 背 後 の 杭 基 礎 構 造 物 の 被 害 は 護 岸 の 倒 壊 に 伴 う 杭 基 礎 の 前 面 地 盤 の 拘 束 圧 の 低 下 が 主 因 であり 杭 基 礎 の 背 後 から 作 用 する 土 圧 の 影 響 は 小 さいと いうこれまでの 認 識 を 覆 す 結 果 が 得 られた 液 状 化 地 盤 の 側 方 流 動 を 正 しく 恐 れて その 対 策 法 を 検 討 することが 重 要 図 6は 1995 年 の 兵 庫 県 南 部 地 震 による 被 害 写 真 である 逆 立 ち 状 態 の 車 はちょっと 押 せ ば 簡 単 に 倒 れそうに 見 える もう 一 方 の 写 真 にあるカラーコーンも 非 常 に 大 きな 地 盤 流 動 があったにも 拘 わらず 転 がりもせず 地 震 後 もほぼ 一 直 線 状 に 並 んでいる この2 枚 の 被 害 写 真 から 言 えることは 液 状 化 した 地 盤 が 横 方 向 に 相 当 量 動 いたことは 地 盤 に 大 きな 亀 裂 や 盛 り 上 がりが 生 じていることから 明 白 であるが その 移 動 速 度 は 逆 立 ちした 車 やカラーコーンを 転 倒 させないほどのスピードであったと 考 えられる 液 状 化 し た 地 盤 は 剛 性 を 喪 失 するために 水 平 方 向 に 流 動 する 移 動 量 はきわめて 大 きい しかし 地 盤 が 移 動 するスピードが 非 常 にゆっくりしている 場 合 そこに 建 設 された 構 造 物 には 力 学 的 にどれほどの 影 響 を 及 ぼすものなのか 冷 静 に 見 極 め 液 状 化 地 盤 の 側 方 流 動 を 正 しく 恐 れ
て その 対 策 法 を 検 討 する 必 要 がある おわりに 地 震 で 被 災 した 杭 基 礎 を 再 構 築 するには 新 設 の 12 倍 ほどの 建 設 費 が 必 要 であることを 阪 神 高 速 道 路 株 式 会 社 の 足 立 幸 郎 氏 が 1995 年 の 兵 庫 県 南 部 地 震 による 被 災 事 例 に 基 づい て 算 出 している つまり 1 億 円 で 建 設 した 杭 基 礎 が 被 災 した 場 合 それを 修 復 するには 12 億 円 もの 費 用 が 必 要 になる 杭 基 礎 は 今 後 も 構 造 物 の 基 礎 の 主 流 をなすものと 考 えられる 杭 基 礎 の 形 態 も 従 来 とは 大 きく 異 なってきており 上 部 構 造 物 の 大 型 化 重 量 化 に 伴 い それを 支 持 する 杭 基 礎 も 巨 大 化 している 杭 を 単 に 地 業 の 一 種 とみる 時 代 は 過 ぎ 当 然 のことながら 杭 も 重 要 な 構 造 部 材 の 一 部 と 認 識 すべきである 上 部 構 造 物 が 耐 震 補 強 はそれなりに 進 んでいるが 杭 基 礎 の 耐 震 補 強 が 行 われることは 多 くない 上 部 構 造 物 が 耐 震 補 強 されることで 杭 基 礎 との 剛 性 の 相 対 比 率 がさらに 大 きく なり 杭 基 礎 が 被 災 しやすくなるといった 指 摘 もある 懸 念 される 事 項 の 一 つである なぜ 壊 れたかという 地 震 被 害 の 原 因 を 考 える 上 で 地 震 観 測 や 振 動 実 験 などの 実 測 デー タに 基 づく 実 証 的 な 研 究 は 今 後 も 重 要 である わが 国 はすでに 1923 年 の 関 東 地 震 のときの ような 小 さな 農 業 国 ではない 都 市 構 造 の 複 雑 化 に 伴 い 都 市 防 災 に 関 する 研 究 の 多 面 的 な 拡 がりが 要 求 されている
地 震 観 測 を 行 った 道 路 橋 軸 ひずみ 曲 げひずみ 地 震 観 測 を 行 った 橋 脚 と 杭 基 礎 橋 軸 方 向 回 り 直 杭 のひずみ 分 布 橋 軸 直 角 方 向 回 り 図 1 橋 脚 基 礎 杭 の 地 震 観 測 と 得 られた 杭 の 地 震 時 ひずみの 分 布 形 状 図 2 1948 年 福 井 地 震 で 被 災 した 北 陸 配 電 ビルの 杭 基 礎 の 被 害 ( 谷 口 仁 士 編 集 解 説 よ みがえる 福 井 震 災 現 代 資 料 出 版 1998 年 6 月 より 引 用 )
図 3 1964 年 新 潟 地 震 による N ビルの 杭 基 礎 の 被 害 ( 写 真 : 河 村 壮 一 氏 提 供 図 面 : 西 沢 ほか 2 名 新 潟 地 震 時 に 破 損 した 既 製 RC ぐいの 調 査 と 耐 震 解 析 日 本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集 1982 年 10 月 より 引 用 ) -23m 信 濃 川 -12m -18m 地 震 前 (1962 年 撮 影 ) 地 震 後 (1971 年 撮 影 ) 図 4 1964 年 新 潟 地 震 によって 生 じた 信 濃 川 沿 岸 の 側 方 流 動 に 伴 う 川 幅 の 変 化 : 万 代 橋 付 近 で 川 幅 は 23m 狭 まった(Hamada ほか 3 名 Study on Liquefaction Induced Permanent Ground Displacements ADEP, 1986 年 11 月 より 引 用 )
掘 り 出 された 杭 ( 写 真 下 方 が 杭 頭 ) 図 5 1964 年 新 潟 地 震 で 落 橋 した 昭 和 大 橋 と P4 橋 脚 の 基 礎 杭 の 被 害 ( 土 木 学 会 新 潟 震 災 調 査 委 委 員 会 編 : 昭 和 39 年 新 潟 地 震 震 害 調 査 報 告 土 木 学 会 1966 年 6 月 より 引 用 ) 図 6 1995 年 兵 庫 県 南 部 地 震 による 護 岸 付 近 での 被 害