一般講演 「北海道における地盤防災に関する研究」 （独）土木研究所寒地土木研究所 寒地基礎技術研究グループ 寒地地盤チーム上席研究員 山梨 高裕 ただいまご紹介いただきました山梨と申します。私 たちのチームでは、北海道をはじめとする寒冷地にお ける地盤についての研究をしておりますが、今日は特 に防災に関する部分の研究について紹介をさせていた だきます。 まず、北海道における地盤あるいは地盤災害の特徴 について紹介をさせていただきます。 一つ目は、北海道には非常に軟弱な地盤が広く存在 しており、特に代表的なのが泥炭で、日本の泥炭面積 の６割は北海道に存在していると言われています（図 －１） 。 左の図が、日本における泥炭の分布状況でございま して、赤い部分が泥炭地でございますが、本州では東 日本を中心に小さい泥炭地が点在しているという形な んですが、北海道では泥炭密集地が石狩平野、道東、 道北、海岸部を中心に分布しています。 泥炭は、非常にやっかいな存在でございまして、例 えば、右の写真のように道路盛土が波打ってしまうと いうことがございます。 泥炭とは、枯死した湿性植物が長年にわたり分解が 不十分のまま堆積したもので、写真（図－２）の中央 が、良く見られる一般的な泥炭なんですけども、分解 が進むと、右の有機質粘土になります。分解が一般的 な泥炭よりも不十分な場合は、左の繊維質泥炭といい まして、植物の繊維が残っている、こういった泥炭も 図－１ 北海道には多くあると言われています。泥炭の特徴と しては含水比が高くて有機物を多く含むということ 分布というのは偏りがあるのかなと思います。黒い部 で、その結果、強度が著しく弱く、泥炭地盤上の盛土 分が、火山灰が特に分布しているところなんですが、 が崩壊するとか、また圧縮性が極めて高いということ 多いのは九州、一般にシラスと呼ばれています。関東 で、先ほどの写真のように大きな沈下を生じるという には関東ローム層があり、東北にも少し分布していま ことがございます。 すが、やっぱり北海道が多く、道南から道東にかけて、 また、泥炭は砂質分がほとんどないということで、泥 火山灰が広く分布しています。 炭地盤は液状化しないということが、分かっています。 火山灰がやっかいなのは、工学的な性質が特殊、多 二つ目の特徴は、北海道の総面積の約40％に火山灰 様ということで、噴出源によって特徴も変わってくる 質土が分布するということでございます（図－３） 。火 ということで、北海道でも、駒ヶ岳、有珠山、樽前山、 山灰というと、今年、御嶽山の噴火という痛ましい事 十勝岳、雌阿寒岳など多くの噴出源があります。また、 故もありましたけれども、全国的に見ると、火山灰の 地震時には液状化してしまう火山灰もあるということ 34 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 図－２ 図－４ 図－３ 図－５ で、図の赤い星印が火山灰の地盤で液状化した実績の ある箇所を示しています。関東ローム層は、非常に土 粒子が細かく液状化はしないと言われていますが、北 海道は、液状化の実績が多いということが分かってい ます。 三つ目の特徴は、寒冷地特有の厳しい気象環境で（図 －４） 、これは地盤災害の特徴になりますが、凍上現 象で、法面構造物に被害を生じたり、あるいは凍結融 解を繰り返すことによって、地盤が緩んで、法面が崩 壊してしまうといったことが、維持管理上の問題と なっています。 北海道にはこのような特徴があることを踏まえ、寒 図－６ 地地盤チームでは、大きく分けて三つの研究分野がご ざいます（図－５）。一つ目は軟弱地盤ということで、 めていまして、今日はこの耐震対策について後ほど説 泥炭のような軟弱地盤の上にいかにして盛土などの構 明させていただきます。 造物を作るかということで、地盤改良技術に関する研 二つ目の研究分野は基礎、基礎杭の関係でございま 究を行っています。また、最近は耐震対策の研究も進 す。泥炭や火山灰は、一般の土と違う性質を持ってい 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 35 図－７ 図－９ 図－８ 図－10 ることから特殊土と呼ばれており、当チームでは、特 て、まず紹介させていただきます。この写真（図－７） 殊土に杭基礎を作る場合の設計法、耐震対策、その耐 は、1993年の釧路沖地震において堤防が崩壊したとき 震対策の一環として複合地盤杭の開発などを行ってい のもので、人の高さと比較しても、かなり深く盛土が ます。今日はこの複合地盤杭を使った耐震補強技術の 沈下しているというのが分かります。このとき、河川 紹介をさせていただきます。 堤防や道路盛土に大きな被害を生じたということで、 三つ目の研究分野は土工です。先ほど少し触れた凍 詳細な調査が行われており、その調査結果を踏まえ、 上の問題ですとか、冬期土工の問題、それと不良土を 泥炭地盤上の盛土の地震被害メカニズムが分かってき いかに使うかリサイクルも含めての問題、また、盛土 ました。 の締固めですとか法面緑化、法面保護の問題などを研 具体的にどういう被害があったかということですが、 究しています。 これはさきほどの被害個所の断面図（図－８）ですけ そのような研究分野の中で、今日は防災減災関連と れども、沈下が２～ 3.5メートルあり、大きな開口亀 いうことで、三つの研究（図－６）を紹介させていた 裂が堤防の法線方向に生じています。また、のり尻付 だきます。一つ目が泥炭地盤における盛土の耐震補強 近に噴砂が確認されていますが、この噴砂は液状化の について、二つ目が軟弱地盤における杭基礎の耐震補 痕跡といわれています。先ほど、泥炭地盤は液状化を 強について、三つ目が切土法面の凍上対策についてで しないというふうに申し上げましたが、液状化の痕跡 す。 が見られたということで、詳しく調べてみると、泥炭 一つ目の泥炭地盤における盛土の耐震補強につい 地盤に盛土を施工すると、泥炭が沈下するので、盛土 36 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 図－11 図－13 図－12 図－14 がめり込むんですね。そのめり込んだ盛土が実は液状 ら、地震が生じたときに、この盛土の底部が液状化を 化しているということが分かってきました。 起こし、のり尻に水が逃げようとして、のり尻が泥濘 液状化の発生メカニズムは（図－９） 、ご存じの方 化してしまい、それに伴って、盛土がはらみ出し、盛 も多いと思います。まず、どういう地盤で液状化が起 土の天端が水平に沈下し、その際に大きなクラックが こりやすいかということですが、地下水位が高くて飽 生じるというのが、泥炭地盤上の盛土の液状化現象で 和状態にあるもの、粒径の大きさがそろった砂質地盤、 ございます。 それが緩く堆積しているということです。こういった これを、実験的に検証しようということで、模型実 地盤が、地震が起きると、土粒子同士のかみ合わせが 験を行っています（図－11） 。50分の１スケールで、比 変化して密になろうとして、土粒子の結合が離れて、 較のために良好地盤と泥炭地盤の実験をしています。 液状化します。 地震波は東日本大震災レベルのものを使用しています。 これを踏まえまして、泥炭地盤上の盛土の液状化現 これは実験後の模型を上から見た写真（図－12）で 象を紹介したいと思いますが（図－10） 、泥炭地盤上に すが、基礎地盤が良好なケースは比較的損傷も少ない 盛土をすると、３メートルとか５メートルとか、ひど ですが、基礎地盤が泥炭の場合は、大きなクラックが、 いものになるとそれ以上の沈下をしますが、泥炭地盤 堤防の法線方向に入っているということが見て取れま というのは水を通しにくい性質がありますので、この す。これは泥炭地盤の模型を横から見た写真（図－13） 沈下した部分が飽和状態になってしまいます。飽和し ですが、この縦横の線は実験前は直線に入っています。 た地盤というのは液状化しやすいということですか 実験後は、のり尻部が膨らんでいて、盛土の天端も下 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 37 図－15 図－17 図－16 図－18 がっているということで、盛土の被災メカニズムが、 阪神淡路大震災の時の橋脚が崩壊した事例です。この 実験でも概ね再現できたということでございます。 とき、阪神高速道路公団が杭基礎の調査も行っていて、 次に、具体的な対策についてですが、泥濘化対策と 右下のグラフを見ると、無傷な杭もありますが、被害 いうことで、法尻部にフトンカゴを２段、４段と積ん のあった杭もあったということが分かります。 だ模型実験を行っています（図－14） 。実験後の写真 また、阪神淡路大震災以降、橋脚補強や落橋防止な ですが（図－15） 、上の無対策に対して、フトンカゴ どの対策が積極的に進めてられてきていますが、通常、 ４段の結果が下の写真でございますが、かなり被害は 当初の設計では、橋脚よりも基礎のほうを強く造ると 軽減されています。 いうのが一般的です。やはり基礎が壊れると橋梁全体 また、右のグラフは沈下量ですが、フトンカゴ２段 が駄目になりますから、基礎をまず一番強く造って、 の場合はあまり効果が出ていませんが、フトンカゴ４ 壊れるのであれば橋脚から上のほうということに、当 段の場合では、無対策に比べ沈下量が３分の１程度減 初は考えます。それが耐震対策ということで、鉄筋コ 少したということで、今後、更なる検討、実験などを ンクリートや鋼板などで橋脚を巻立てて補強しますか 行い、耐震補強の設計法を確立していきたいというふ ら、右の図（図－17）のように、基礎よりも橋脚のほ うに考えてございます。 うが強くなっている橋が多くなっています。今後、大 次に２つ目のテーマ、軟弱地盤における杭基礎の耐 きな地震が来ると、基礎からやられてしまう、橋梁全 震補強について紹介したいと思います。杭の耐震補強 体の機能が崩壊してしまう恐れが強いということで、 の必要性についてですが（図－16） 、左上の写真は、 基礎の補強というのは、不可欠になるというふうに考 38 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 図－19 図－21 図－20 図－22 えてございます。 もさせていただいております。 ただ、現実的には基礎の補強というのはなかなか進 コンポジットパイル工法の施工法について、簡単に んでいません。従来工法としては、例えば増し杭工法 紹介します（図－20）。上が側面図で、下が平面図で ということで（図－18） 、既設の杭の周りに新しい杭 すが、左から右へが施工の流れです。まず杭の周りな を打つため、盛土の下に杭を打つには盛土を掘削しな んですが、杭はあまり傷つけたくないので、高圧噴射 くてはいけないとか、橋桁の下であれば、杭打ち機が 攪拌工で、杭径の半分くらい、このピンクの範囲を最 入るのかとか、そういった問題があって、長期の交通 初、施工をします。次は中層混合処理工法ということ 規制を伴ったり、コストが非常に大きくなったりとい で、最近はトレンチャー型の機械が出てきて施工効率 う懸念がございます。 も上がっているということで、こういった機械などで 寒地地盤チームでは、複合地盤杭という技術を使っ 必要な範囲の改良します。最後にこの上の残った部分 た耐震補強技術を開発しています（図－19）。これは、 を改良してやるということで、トレンチャー式であれ 橋脚の杭基礎の周囲を地盤改良してやるということ ば、同じ機械でできるので、効率よく施工できると思 で、地盤と杭が一体となってこの橋を支えるという工 います。 法で、従来工法の増し杭工法に対しては４割くらいの 具体的にこの工法を開発するに当たって、さまざま コスト削減、工期も半分くらいになると試算していま な実験を行っています（図－21）。左の写真が大型振 す。この工法をコンポジットパイル工法と命名しまし 動台実験装置で、実験台の上に模型を置きまして、東 て、２年前に特許を取り、昨年には、ＮＥＴＩＳ登録 日本大地震クラスの波などを振動台で揺らしてやると 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 39 図－23 図－26 改良しています。 実験結果ですが、無対策の場合（図－23）では、杭 の真ん中くらいで、許容ひずみの倍くらいの曲げひず みが発生しまして、右の写真のように杭が損傷をして いることを確認しています。これがコンポジットパイ ル工法の場合（図－24）は、無対策の場合に比べて、 曲げひずみが半分くらいに収まっており、杭も損傷し ていないことを確認しております。 これは実験後の模型の地表面の写真ですが（図－ 25） 、左の無対策の場合は、地盤もかなり崩壊していま すが、右のコンポジットパイル工法の場合は、改良し 図－24 た地盤と未改良の地盤の境目にクラックは入るんです が、改良した地盤にはほとんど損傷は受けてないとい う状況です。 これは、再固化実験の状況なんですが（図－26） 、１ 回目の実験で、実際は改良体にはクラックが入らない のですが、仮に１回目の実験で改良体にクラックが入っ たと想定して、意図的に壊してクラックを入れて、そ のクラック補修してもう１回同じ実験を行っています。 そのような実験をやっても、結果的に改良体は損傷し ないといったようなことも確認をしています。 コンポジットパイル工法の今後の課題についてです が、一つは、これまで泥炭地盤を対象に研究を実施し てきましたが、液状化対策としても使えないかという ことです。 図－25 これについては実験を始めたところですが（図－ 27）、無対策の場合には液状化が顕著に発生している いう実験を行っています。 んですが、コンポジットパイル工法では、地盤に変状 実験模型の構造ですが、上が側面図、下が平面図で は無く、液状化抑えられているのが分かります。 す（図－22） 。左が泥炭地盤の無対策の場合、右のコ 杭の状況についても（図－28）、無対策の場合では ンポジットパイル工法では、杭の周りの泥炭の部分を 曲げひずみが大きな値となっているのですが、コンポ 40 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 図－27 図－29 図－28 図－30 ジットパイル工法では無対策の約４分の１に低下して おり、 泥炭の場合では５割くらいの低減率でしたので、 液状化の場合はより効果が大きく出る可能性があると いうふうに考えています。 もう一つの課題としては、橋台への適用です。橋台 については、背面土圧の扱い、橋台背面の地盤改良方 法など橋脚には無い課題も多くありますので、これら の解決を図り、コンポジットパイル工法の適用性を拡 大していきたいというふうに考えてございます。 次に本日最後のテーマ、切土法面の凍上対策につい てご紹介させていただきます。道路の凍上に関しては、 写真（図－29）のような路面のひび割れとか、路面の 図－31 波打ちなどが問題になることがありますが、凍上現象 をきちんと理解している人は意外に少ないんじゃない ます。もうちょっと詳しく申し上げますと（図－31）、 かなと思っています（図－30）。土の凍上現象は、地 左の図が土の凍結を表していて、この茶色の部分が土 盤中にアイスレンズが発生して、それが成長すること 粒子、青い部分が水と思ってください。土の凍結は、 によって地盤が隆起する現象、これを凍上と呼んでい この青い部分の水が凍った場合で、水と氷の体積増加 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 41 図－32 図－34 図－33 図－35 率は９％くらいと言われています。土に入っている水 う影響をもたらすかということですが、初冬期から厳 の量は限られていますから、仮にこの土が全部凍った 冬期にかけては（図－33）、寒気が表面から地中へ入っ としても、凍上を起こすほどの体積変化はないと言わ ていきます。その過程で、アイスレンズが地表面から れています。 何層にもできていきます。春になりますと（図－34）、 では、凍上というのはどういう現象なのかというこ 表面から暖気を受け、表面の地盤が融解して、アイス とですが、寒気が地表面から入ってきますと、上のほ レンズも融け、高含水比土の緩み層になります。 うから凍ります。下のほうはまだ凍ってないという状 凍っている地盤が残っている場合には、融解土と凍 況では、未凍土側のほうから水分が移動して、その水 土との境界面から崩壊するような事例もありますし、 分が凍土側と接するくらいの位置で凍って、アイスレ 背面から融雪水が入ってくるような地盤の場合には、 ンズを形成します。さらに凍結が進行していくと、ア 間隙水圧が上昇し、大規模に崩壊してしまうといった イスレンズが何層にもできて、アイスレンズの厚さで ことも懸念されます。 地盤が隆起するというのが、凍上です。 では、凍上被害を防ぐためのアプローチについてで これは、土中に形成されたアイスレンズの事例です ございます（図－35）。基本的に凍上対策は、二つの が（図－32） 、白く光っているのがアイスレンズで、 方法があります。一つは凍上自体を抑制する方法と、 幾層にも重なって生じていて、見た目には、土の中に もう一つは、凍上を抑制せず、凍上力を回避してやろ 霜柱が何層にもできたような感じです。 うという方法です。 凍上現象が、切土法面にどのように発生し、どうい まず、凍上現象の抑制ですが、凍上の３要素という 42 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 図－36 図－38 図－37 図－39 ものがございます。凍上の３要素は、土質、水分、気 ロックボルト工の凍上メカニズムなんですけれども 温ということで、この３要素のうち、一つでも欠けれ （図－38）、まず凍上力は、法枠などの受圧構造物に作 ば凍上しないといわれています。凍上現象を抑制する 用し、受圧板に伝達されます。大きな凍上力が作用し ため、例えば土質であれば、非凍上性の土に置き換え た場合には、補強材が破断する場合もありますし、あ るという方法がありますし、水であれば水の供給を遮 るいは注入材や地山との付着力を越えてしまうと、付 断できれば、 凍上はしないということになるのですが、 着切れといったような被害のメカニズムが考えられま 切土法面の土の置き換えや完璧な遮水は、簡単なこと す。 ではありません。 では、どの位の力がグランドアンカーやロックボル そこで我々が主な研究のターゲットとしているの ト工にかかっているのかということで、現場の協力も は、断熱工法と凍上力回避についてですが、今日は、 いただきながら、実際に計測しています。これは荷重 ４つの構造物に分けて研究概要を紹介させていただき 計や変位計などの計測器を設置した状況です（図－39）。 ます（図－36） 。 計測結果ですが（図－40）、右のグラフはロックボ まずグランドアンカー、地山補強土工（ロックボル ルト工の事例で、青い線が変位量、オレンジの線が荷 ト工）ですが、これが被害事例です（図－37）。グラ 重増加量ですが、変位と荷重増加は概ね連動している ンドアンカーの頭部損傷やアンカー材の破断、また、 のが分かります。またグラフから、補強材の初期荷重 コンクリート法枠も被害を受けていて、これは何回か をゼロと仮定しても、補強材に作用した荷重は降伏強 補修したような履歴が見てとれます。 度の88kN を超えているということが分かります。ま 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 43 図－40 図－43 図－41 図－44 を付けて凍上力を緩和する装置（図－41）も、最近開 発されています。グラフ（図－42）の青い線が緩和装 置なし、ピンクの線が緩和装置ありということで、左 が凍上力、右が変位なんですが、凍上力も変位も緩和 されているという結果が出ております。こういったこ とも含めて、ロックボルト工やグランドアンカーの対 策を検討していきたいというふうに考えています。 次に、小段排水溝ですが、小段排水というのは地表 面から地盤への寒気の入り方が複雑でございまして （図－43）、谷側からの寒気に加え、上からの寒気がこ のトラフの中を通して谷側に入り込み、山側に比べて 図－42 谷側の凍結が進んで、凍上力も発生しやすいというこ とが言われていて、トラフが山側に傾くというような だデータは少いですが、凍上力によって法面構造物が ことが発生しています。この小段排水溝の凍上被害メ 被災する可能性があることを確認できました。 カニズムはこのようになります（図－44）。 今後、具体的な対策についての研究をしていくつも 実際に土中に温度計を入れて、トラフの左右で凍結 りですが、凍上力を回避する方法として、頭部にバネ 深さを計測すると（図－45）、一般的なトラフでは、 44 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 図－45 図－47 図－46 図－48 左のグラフのように、谷側に深い凍結が入っています。 ないものを作れないかということで、耐久性や通水性 中央と右側は、トラフに断熱材を入れた場合の結果 などについて調査しながら、開発していきたいという で、谷側と山側の凍結深さの差が緩和されるいうこと ふうに考えています（図－48）。 も分かってきています。 次は、切土法面についてです（図－49） 。最近、法面 また凍上力緩和ということで、フレキシブル性のあ 対策でフトンカゴがよく使われています（図－50） 。こ る材料を使い、暗渠型やシート型の排水溝の実験もし れは湧水を面的に処理できるということと、凍上にも ています（図－46）。 追従可能ということで、一定の効果はあると思ってい 特に暗渠型では、右上のグラフ（図－47）から、ト ますが、これは凍上を抑制するという効果は無く、凍 ラフの凹凸がないため谷側の凍結が緩和され、左右の 上によりアンカーピンが持ち上がったという事例が発 凍結のバランスが良くなっているのが分かります。ま 生してます（図－51）。 た、フレキシブルな材料を使うことで、凍上力を緩和 ある現場では、過去に凍上被害を受けたということ する効果はあると思いますが、長期的な維持管理とい で、フトンカゴだけではなくて断熱材も使って、法面 う観点からは、まだ課題があると思っています。 を保護しています（図－52）。 そこで現在は、ポリエチレンという、プラスチック これは断熱材の写真（図－53）で、実際はフトンカ の中では一番軽い材料があるのですが、強度もある程 ゴの下に敷いてるんですが、ちょっと横に出ている部 度あって加工もしやすいというもので、これをトラフ 分を撮ったもので、発泡スチロール系の透水性のある に加工して、排水機能を確保しつつ、凍上しても壊れ 材料を使っています。今後、温度計測のデータをまと 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 45 図－49 図－52 図－50 図－53 図－51 図－54 めますけれども、凍上対策として一定の効果はあるん 54、55）。開発局では基本的には置き換え材を入れる だろうというふうに考えています。 ことになってますので（図－56）、あまりこういった 次に、擁壁や補強土壁ですが、凍上対策しない場合 被害は生じませんが、コスト削減や施工性向上のため、 にこういった被害が発生することがあります（図－ 置き換え材の代わりに断熱材を使用する工法につい 46 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 図－55 図－58 図－56 図－59 究協力協定を締結いたしました（図－58）。 インドネシアには泥炭が、およそ20万平方キロメー トル分布しているということで、北海道に分布してい る泥炭の約100倍の面積があります（図－59）。北海道 は寒いために植物が分解しにくいんですが、向こうは 暑いために分解しにくく、トロピカルピートと呼んで います。 泥炭が広く分布しているスマトラ島、カリマンタン 島で、今後、道路建設が2,000キロメートル予定され ているといわれる中で、その半分くらいは泥炭地盤上 を通ると聞いております。我々の泥炭に関する研究成 果や知見が、国際協力、国際貢献に生かせるんじゃな 図－57 いかということで、こういった取り組みも進めている ということをこの機会にご紹介させていただきます。 て、現在研究してございます（図－57） 。 ご静聴ありがとうございました。 研究紹介については以上とさせていただき、最後に、 トピックスを一つ紹介させていただきますが、先月、 インドネシアの道路工学研究所と泥炭地盤に関する研 寒地土木研究所月報 特集号 2014年度 47
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