液状化解析
飽和した砂質地盤では、地震時のように繰り返しせん断を受けると液状化という現象が発生することがあります。液状化とは、地盤中の間隙水圧が上昇して有効応力が消失し、地盤が液体状の挙動を示す現象です。
重要な施設の設計等に際しては、FL値等を用いた簡便な液状化の判定が行われていますが、弊社では有限要素法を用いた2次元，3次元の有効応力解析を採用することで、より詳細な液状化の判定が可能です。
液状化解析の概要
液状化のメカニズム
下図の黒色部は土粒子骨格、灰色部は間隙水を表します。（ａ）図は地震前の比較的ゆる詰めの状態を示していますが、地震時のように大きな繰り返しせん断を受けると過剰間隙水圧（静水圧を超える間隙水圧）が上昇するため、（ｂ）図に示すように土粒子骨格の結合状態が崩れ、液体状の挙動を示すことになります。地震の後は、時間とともに過剰間隙水圧が消散し、（ｃ）図に示すように相対的に締まった状態になることがあります。このため、地盤全体が沈下することがあります。なお、過剰間隙水圧が上昇した分、有効応力が減少することになります。
液状化のメカニズム
液状化解析（有効応力解析）の利点
液状化の判定に際しては、前述のようにFL値を用いた簡便な液状化の判定法や全応力解析（土粒子骨格と間隙水は一体として挙動し、体積変化の影響は考慮しない）に基づいた方法等も用いられています。一方、液状化解析では、土粒子骨格と間隙水との相互作用を考慮した解析を行うため、震動中の間隙水圧の変動と有効応力の変動を直接的に求めることが可能です。したがって、過剰間隙水圧の上昇と有効応力の減少を考慮して地盤の変形量を評価することが可能です。また、構造物に対する地震入力に対する過剰間隙水圧の上昇と有効応力の減少による影響を考慮することが可能です。
関連ソフトウェア
- 地盤液状化解析プログラム NANSSI
- 液状化による構造物被害予測プログラム FLIP
※1：NANSSIは、（株）構造計画研究所と（株）地震工学研究所との共同開発商品です。
※2：FLIPは、旧運輸省港湾技術研究所で開発された液状化による構造物被害予測プログラムです。
解析事例
地盤の液状化および側方流動の検討
護岸構造物を対象として、液状化が発生するかどうかの確認と、護岸の変形量について検討した事例です。その結果、過剰間隙水圧比としては1.0に近い値（有効応力はほぼゼロの状態）で、液状化が進行するとともに地盤変位も増大していることが分かります。
過剰間隙水圧比コンタ図
過剰間隙水圧比の時刻歴
変位の時刻歴
Ｑ＆Ａ
Ｑ１：液状化強度試験の結果をどのように解析に反映させるのか？
予め本解析前に要素シミュレーションと呼ばれる作業を行うことで、試験結果を本解析に使用可能なモデルに反映させます。
Ｑ２：FL値と過剰間隙水圧比の違いは？
FL値は、標準貫入試験によって得られるN値や有効上載圧等に基づいて比較的簡易に算出される指標であり、液状化のし易さを表すファクターです。過剰間隙水圧比は、繰り返しせん断によって発生する過剰間隙水圧の初期の有効上載圧（または有効平均応力）に対する比を表します。
キーワードの補足説明
液状化
飽和した砂質地盤では、地震時のように繰り返しせん断を受けると地盤中の間隙水圧が上昇し、有効応力が減少します。水平成層な地盤では、この間隙水圧の上昇量と有効応力の減少量は等しくなります。液状化とは、間隙水圧の上昇量が大きく、有効応力がほぼ0になって液体状の挙動を示す現象です。
要素シミュレーション
液状化解析を行う上で必要となるパラメータは、一般的な全応力解析の場合に比較して数も多く、解析結果の妥当性に大きな影響を及ぼすものもすくなくありません。したがって、実際に採用する構成則に対して、室内試験を模擬する境界条件を設定し、土の応力ひずみ関係や過剰間隙水圧の上昇特性等を確認する作業を示します。
過剰間隙水圧比
過剰間隙水圧比は、繰り返しせん断によって発生する過剰間隙水圧の初期の有効上載圧（または有効平均応力）に対する比を表します。2次元解析や上下動入力の場合では、圧縮・伸長に伴う体積変化が生じ、間隙水圧も変化します。ただし、この場合の間隙水圧の変化は有効応力の変化を伴うものではないため、用語としては区別して用いてられています。