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並列有限要素法を用いた断層変位を受ける地中構造物の解析的検討

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1.はじめに

 近年,断層や破砕帯に起因する食い違い変位による地中構造物の地震時健全性評価が重要な課題となっている.北伊豆地震の際の丹那トンネルの例など,数はそれほど多くはないものの被害の実例も見られる.地震時の断層の変位量評価は動力学的破壊シミュレーションなど有限差分法や有限要素法などを用いた検討が行われているが,構造物を含めて評価した例はあまり見られない.断層の動力学的破壊シミュレーションでは自発的破壊過程を模擬するが,断層の大きさが数km~数百kmオーダーなのに対し,構造物は高々数百mオーダーであり,両者を同時にモデル化するのは解析規模などの問題から難しいためと考えられる.断層の食い違い変位を受ける構造物の挙動の把握においては地盤と構造物の相互作用を考慮する必要がある,これらは地中構造物などの地震時健全性評価の観点から喫緊の課題となっているが,このような評価を行う際も構造物とその周辺地盤を切り出してモデル化する例が多い様である.対象とする問題によっては十分であると考えられるが,切り出したモデルでは動的評価が難しいなどの問題点もある.

 そこで本研究では断層の動力学的破壊シミュレーションの手法を用いて,断層変位を受ける地中構造物の動的な影響検討を実施した.断層と構造物のスケールの違いから,構造物は簡易なモデル化としており,周辺地盤のメッシュ分割もあまり細かくない.周辺地盤のモデル化を変えた複数のケースの解析を実施し,食い違い変位を受ける地中構造物の解析に与える影響に関して検討した.本検討では解析に大規模モデルを解析可能なFEMコードFrontISTRを用いた.本検討ではパラメータスタディを行うことを想定したため,それほど大きな解析規模にならないようにモデルを作成したが,今後より詳細な検討を行う際の解析規模の増大へも対応可能である.

2.解析モデル

  神城断層地震を対象とした動力学的破壊シミュレーションを実施し,得られた地表面における応答変位を実際の観測記録と比較することで,地表面における変位をある程度シミュレーション可能であることを示した.本検討では,比較的現実的な解析条件として,応力降下量などのパラメータはその際用いた表- 1に示すものを使用し,地表面部分に新たに岩盤中のトンネルを模擬した地中構造物(ヤング係数:2.0×107kPa)をモデル化することで解析モデルを作成した.断層面の厚さは1.5mとした.解析モデルのイメージを図- 1に示す.

 動力学的破壊シミュレーションに用いる地殻の物性値は,解析対象が数十キロの深さであることから,一般的な地中構造物の周辺岩盤解析に用いる物性値よりかなり高い剛性(せん断弾性係数30GPa程度)を用いることが多い.そこで地中構造物の周辺の岩盤の物性値を変えた解析を実施し,周辺岩盤の物性値が地中構造物に与える影響を検討した.

 さらに構造物の周辺岩盤に対して偏差応力-偏差ひずみ関係がR-Oモデルに従う非線形性を仮定した.岩盤に対して用いる非線形構成則として等方的な非線形性を有するR-Oモデルは必ずしも適切であるとは言えないが,ひずみの増大による剛性の低下をある程度模擬できるものと考えた.R-Oモデルの非線形は岩盤の一軸圧縮強度10MPaとして設定した.解析ケース一覧を表- 2に示す.

3.解析結果

 各解析ケースで得られた解析最終時間断面における構造物の変形をグラフで表したものをに示す.横軸をトンネル長手方向の位置(断層の位置が0m),縦軸を変形量としてトンネルを構成する節点に対してプロットしたものである.岩盤の初期剛性の高いケース1では,断層位置に変形が集中している.一方地盤の初期剛性を下げたケース2や,岩盤の非線形性を考慮したケース3では,構造物自体に発生している食い違い量は大きく変わらないものの,断層位置近傍にも変形が生じているのが分かる.

これはケース2では断層近傍の岩盤が変形を受けることにより,構造物への変形の集中が緩和されているためである.また岩盤の非線形性を考慮したケース3はケース2に比べ食い違い量は若干大きくなっているが,断層部分での変形量は小さくなっている.以上より食い違い変位を受ける構造物の検討においては,周辺岩盤の剛性や非線形性を正確に考慮する必要があることが分かった.

 次に,各ケースで構造物に生じる食い違い量の時刻歴を図- 3に示す.ここで構造物に乗じる食い違い量をトンネル構造物の両端の相対変位として定義した.ケースによって差はあるものの,構造物に生じる食い違い量は変位の生じ始めに一回大きくなり,その後低減する傾向が見られる.解析の最終時間断面を静的な状態と考えると,断層の動的な破壊過程を考慮することで,構造物に生じる食い違い量がある程度大きくなる可能性があるものと考えられる.

4.まとめ

 一般的に動力学的破壊シミュレーションを実施する際には,断層に対しては非線形性を考慮するものの,地殻は線形として扱うことが多い.しかし食い違い断層変位を受けるトンネル構造物の解析においては,トンネル構造物付近においてひずみが集中するため,地盤の剛性や非線形性の考慮が重要であることが分かった.また断層の動的な破壊過程を考慮することで,構造物に生じる食い違い量が静的な評価に比べて大きくなる可能性があることも分かった.

 今後は岩盤および構造物-岩盤間の非線形性の精緻化や,構造物を詳細にモデル化した大規模な解析などを行っていきたい.

【参考文献】

1)一般社団法人 原子力安全推進協会,原子力発電所敷地内断層の変位に対する評価手法に関する調査・検討報告書, 平成25 年9 月.


2)三橋ら,並列有限要素法を用いた長野県神城断層地震を対象とする断層変位シミュレーション解析,土木学会断層変 位に関するシンポジウム,平成27 年7 月.

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