地盤への挑戦と苦 悩と光明の年月 Days of challenge, agony and a new horizon for geotechnical problems 著作権などの制約を受ける可能 性のある図面は削除しました。 平成27年3月20日 東畑郁生 本日の内容 1. 2. 3. 4. 5. 昔の私 私が感動したこと 地盤にはこんな問題がある 過去の研究 今後やりたいこと、地盤工学がやるべきこと 近所の河原でダムや水路など土木工事を展開した。 1956年夏、1歳9カ月のころ 1961年春、小学校入学直前 自宅の庭にも大運河網を建設した。 立体交差あり、偉大な水郷が現出。 夕刻帰宅した建築家の父によってもの も言わずに破壊された。 翌日再建。 そして夕刻、再び破壊行為が起こり、 以後、河原のみとなる。 高校から大学に入ったころは、 偉大なる都市計画に興味あり。 しかしその後、狭い我が国では不可能と悟り、方向転換 ブラジリアを２０ １４年９月に実見 きれいで広々 自動車依存 エネルギーはどうなのか？ カザフスタンの新首都、アスタナ 道路が広く、町が美しい。冬はマイナス30度だが町中の移動には 外を歩かなければならない。 こちらの方が落ち着く 運河を掘りたい Google クラ地峡 山が高い！ 船が登れない。 ニカラグア運河、湖があるので 造りやすい? 中国が着工と報じられている。 私より40年遅い。 見に行った運河 Suez Canal Gangis Canal, India 揚州大運河 Caledonian Canal, Scotland １９８２年東京大学博士課程修了以来の勤務先 東京大学、アジア工科大学、ブリティッシュ コロンビア大学、土木研究所で部外研究員 カナダでは、子供でも英語をしゃべっており、外人が 車を運転しているのに驚いた。 タイ在住中に、アジアの田舎を旅行する術を学んだ。 腹を壊したときは、ロペミンという薬がよく効く。医 師の処方が必要。ロペミンが効かないときは菌が入っ ているので、抗生物質を服用すべし。 私の感動するもの：地球のダイナミズム アイスランド、ここでヨーロッパと北アメリカが分裂している。 アイスランド、続き ギャオ Rift valleyの反対側にも同様の地形あり、 ああやっぱり 私の感動するもの：地球のダイナミズム エチオピアでも地球が裂けている。Rift valley. 私の感動するもの：地球のダイナミズム North ヨーロッパの上にのし上がる北アフリカの前縁。スイスにて。 私の感動するもの： 地球のダイナミズム インドがヒマラヤの下へ沈み込む。 ヒマラヤの前縁。 地殻変動によって揉まれた岩がボロボロ。 Kanchenjunga ブータンにて Kharbandiの頁岩斜面の 侵食が止まらない 昔の駐車場はすでに崩落した ブータンのSorchen 九十九折りの道路が、崩れる 斜面を何度も横切っている： リスク三倍増 このSorchen地点 は地質上の弱点 道路の計画で地質 のリスクを考慮し ていない。 私の感動するもの：地球のダイナミズム 堤を築いて泥を貯め、水と混ぜて 河川へ放流している。 インドネシア、スラバヤの泥火山。突然噴出が始まり、逃げのび た。 棚田も実は地すべり地。 地下水が多く、土はやわらかい。 地下水を集めて排出する集水井が見える。 私の感動するもの：地球のダイナミズム 陸上では世界最大の巨大斜面崩壊 イランのサイマレ 幅16km 私の感動するもの：地球のダイナミズム 巨大斜面崩壊 ペルーのユンガイYungay 地震によって、背景のHuascaran山から氷河と岩 盤が崩落し、町の後ろの丘を乗り越えた土石流が、 一瞬にして住民を生き埋めにした悲劇。 私の感動するもの：地球のダイナミズム 巨大斜面崩壊 台湾の草嶺 繰り返す 1941年と1999年 崩壊した土砂が川をせき止める。こ のダムがあふれて決壊すると、下流 は大洪水となる。草嶺湖の場合は迅 速に土砂で埋没された。 現地の看板 昭和16年の災害 私の感動するもの：地球のダイナミズム 巨大斜面崩壊 ヴァイオントダムの悲劇 ダムが完成し、貯水池に水をた めた。 1963年ほぼ満水となった時、左 岸（写真の右方）のToc山が大 崩壊し、湖に流れ込んだ。 津波が発生、ダムを超えて麓へ 滝のように洪水が降り注いだ。 犠牲者2000人超。 問題 ダム建設は、イタリアの戦後 復興のために電力を供給する 国家プロジェクトであった。 莫大な費用を投じて既にダム は完成した。 主任技術者は経験から、斜面 の崩壊の危険を感じていた。 当時の技術では、地下数百 メートルにある弱い地層の危 険を立証できなかった。 立証できない危険を理由に大プロジェクトを途中で中止はできない。 中止したら、費やされた予算はどうなるのか?会社の責任は？ 自分の感じただけを外部へ漏らせない：守秘義務。 義務に違反すれば会社や家族、同僚はどうなる？ 工事を貫徹し、国家と国民の期待にこたえなくてはならない。 つまり技術者倫理、しかし心配、あちら立てればこちらが立たず。 心労のあまり…最終的な悲劇を見ずに済んだ。 尼崎の 地盤 沈下 学習研究社 少年少女学習 百科事典 Fresh 1-Cycle 2-Cycles 凍結融解の繰り返し：物理的は風化：冬と夏の模擬、によって 岩石がバラバラになる実験 3-Cycles 4-Cycles 5-Cycles 7-Cycles 8-Cycles 9th -Cycle 潮来の液状化地盤 地震で突如軟化 建物がめり込み マンホールの浮き上がり 下水ライフラインの 機能停止 東京の下町低地の地中に隠された埋没谷／溺れ谷 氷 河期に海面が130m程度下がり、現在の利根川や荒川が 谷を削った。その後の温暖期に海面が上昇し、谷は堆 積物で埋められた。 重い構造物を支える硬い地層： 硬い砂層、砂礫層；一部を図中に示す 大田区馬込の泥炭地盤の固化と掘削 • 元の小河川（洗足流れ）、沼の跡。 • 近隣では最も低い。 • ごく普通の地区だが、地下には.. 葦などの腐った腐植土（泥炭）。 泥炭の他にも淡水の中では、長期にわたって 地盤沈下する粘土地盤が形成されやすい。 動かざること山の如し、は間違い 地盤の材料は工場生産品ではない。 品質は誰も保証しない。 よい材料も年月が経過すると劣化す る（風化） 一様でもない。 場所を少し移動すると、全く異なる 土や岩が出現する。 大学院で地震による軟弱砂地盤の 液状化現象を研究した フィリピン・ルソン島の ダグパン市 １９９０年 20世紀は重要社会インフラの液状化災害だけが問題視されていた。 河川堤防、住宅基礎、下水ライフラインなどは、ほとんど対象外。 21世紀になって問題化。 すべてに細かく精密で神経を使う 仕事をしたい時期があった。 C C "READY" IS THE BEGINNING OF CALCULATION OF VIBRATION. IMPLICIT REAL*8 ( A-H, O-Z ) COMMON /SARU/ ALPHA, BETA, IDAMP, IRNM COMMON /KUMA/ NM1, NP1, NP2 COMMON /ITACHI/ UND, UND2, INDELA COMMON /ROBA/ NLD, NUD, MP, N34, N45, NW45, N50 REAL*8 K(3,99), M(3,99), MI(3,99), MS DIMENSION GMAX(98),VIS(98),RHO(98),DZ(98),ALM(99),CMLM(99), 1 C(3,99),A(99),ICGM(98) IF ( INDELA .EQ. 1 ) GO TO 25 C C C C RIGID BASEROCK MASS MATRIX AND INVERSION K( 2, 1 ) = -A( 1 ) GO TO 60 55 K( 3, N ) = -A( N ) 60 K( 1,NP1) = -A( N ) K( 2,NP1) = A( N ) GO TO ( 90, 65, 70 ), IDAMP 65 CALL RAKSAN ( M, C, K, NP1 ) GO TO 90 70 CALL MASET ( VIS, DZ, A, C, N ) IF ( NM1 ) 75, 75, 80 75 A( 1 ) = VIS( 1 ) / DZ( 1 ) C( 2, 1 ) = -A( 1 ) GO TO 85 80 C( 3, N ) = -A( N ) 85 C( 1,NP1 ) = -A( N ) C( 2,NP1 ) = A( N ) 90 C( 2,NP1 ) = C( 2,NP1 ) + UND RETURN END SUBROUTINE SHEROT ( DZ, GAM1, U0, V0, A0, U1, V1, A1, K, C, M, A, 1 AL, CML, UB, VB, AB, DT, ICG, N ) C "SHEROT" COMPUTES ACCELERATION AFTER A TIME INCREMENT, USING C NEWMARK'S BETA METHOD. C IMPLICIT REAL*8 ( A-H, O-Z ) COMMON /KUMA/ NM1, NP1, NP2 COMMON /SARU/ ALPHA, BETA, IDAMP, IRNM COMMON /ITACHI/ UND, UND2, INDELA COMMON /KABA/ P1, P2, P3, BTN, BTNC COMMON /ROBA/ NLD, NUD, MP, N34, N45, NW45, N50 REAL*8 K(3,99), M(3,99) DIMENSION DZ(98),GAM1(98),U0(99),V0(99),A0(99),U1(99),V1(99), 1 A1(99),C(3,99),A(3,99),AL(99),CML(99),ICG(98) IF ( INDELA .EQ. 1 ) GO TO 15 C C RIGID BASEROCK C A1( N ) = A1( N ) + UB*(K(1,N)+K(2,N)) + VB*(C(1,N)+C(2,N)) DO 100 J = 1, N 100 AL( J ) = U0( J ) + DT * V0( J ) + P3 * A0( J ) CALL PREMUL ( K, AL, CML, N, NLD, NUD ) DO 105 J = 1, N 105 A1( J ) = A1( J ) - CML( J ) IF ( IDAMP .EQ. 1 ) GO TO 5 DO 110 J = 1, N 110 AL( J ) = V0( J ) + P1 * A0( J ) CALL PREMUL ( C, AL, CML, N, NLD, NUD ) DO 115 J = 1, N 115 A1( J ) = A1( J ) - CML( J ) その実現が詳細な数値解析プログラムの開発ではあったが、 おかげで数値解析のむなしさも知った。 どんな結果でも出せる！ CALL MISET ( RHO, DZ, A, M, MS, N ) DO 105 J = 1, N DO 100 I = 1, 3 MI( I,J ) = M( I,J ) 100 CONTINUE 105 CONTINUE CALL ELSOL ( MI, A, CMLM, ALM, ICGM, N, NLD, MP ) C C RIGIDITY AND VISCOSITY MATRIX C CALL MASET ( GMAX, DZ, A, K, N ) GO TO ( 15, 10, 20 ), IDAMP 10 CALL RAKSAN ( M, C, K, N ) 15 RETURN 20 CALL MASET ( VIS, DZ, A, C, N ) RETURN C C ELASTIC BASEROCK C MASS MATRIX AND INVERSION C 25 CALL MISET ( RHO, DZ, A, M, MS, N ) DO 115 J = 1, NP1 DO 110 I = 1, 3 MI( I,J ) = M( I,J ) 110 CONTINUE 115 CONTINUE CALL ELSOL ( MI, A, CMLM, ALM, ICGM, NP1, NLD, MP ) C C RIGIDITY AND VISCOSITY MATRIX C CALL MASET ( GMAX, DZ, A, K, N ) IF ( NM1 ) 50, 50, 55 50 A( 1 ) = GMAX( 1 ) / DZ( 1 ) とにかく細かい仕事は、修士論文で実現 コンピュータープログラム開発 地盤の地震震動の解析、液状化発生度合いの予測 やたらに誤差と乱れの生じやすい非線形解析で、苦心。 Zienkiewicz大先生の著書は、動的解析には役立たず。 最後は結果を出力するラインプリンターの前で柏手を 打ったことが功を奏し、滑り込み成功。 動的解析結果の例 世の中ではスーパー コンピューターで計 算して、結果を美し い図で提出すればそ れで正しいと信ずる 向きもある。しかし、 現象の数式モデル が正しくなく、 入力データが正し くなければ、 結果は正しくない。 数値解析：現象を数式であらわさなければプログラム化できない。 使っている数式自体はかなり恣意的。 また、数値解析はその気になればどんな結果でも出せる。 応力ひずみモデルの構築、実験的研究 Rodney Hill著 金属塑性論の名著 Mathematical Theory of Plasticity のさわりの部分30ページほどを4カ月かかって理解し、 「しょうもない」と思った。 もっと別な材料モデルの構築を決心。 土の力学の先生 たちが、主応力 σ１やσ３の変 化を追い掛ける モデル作成に熱 中していた。私 はさらに主応力 の方向が回転す る場合も扱える モデルを考え出 した。 はじめはこの4本のバネのモデルで何とかしようとし 多重バネモデ たが、客観性の原理が満足できず、数週間の苦悶の末、 ル 市ヶ谷駅から堀を眺めていてハッと思いついた。 過剰間隙水圧上昇と液状化発生の予測： せん断ひずみエネルギーの累積値から推定。 途中の荷重作用の履歴は関係ない：状態量の考え方。 このために山ほど実験して実証。 ほどよいば らつきが、 データの 非捏造性を 立証する。 かけ離れたデータが現われた時は どうするか？ １．もみ消す ２．そのままプロットを残す。 ３．もう一回実験しなおす。 あ 都市廃棄物の力学：ゴミと土は同じ学理が成り立つ 締め固め曲線 最適含水比が存在する 水分量（含水比 ％） 世の中では廃棄物なんて軟らかくて弱いと思っているが、 東京港中央防波堤外側処 分場の不燃ごみ いずれも紙やビニールなどの 混入のお陰でくずれにくい 廃棄物の材料実験 実験したサンプル 廃棄物の材料実験 ビニール、繊維などのお陰で力を発揮できる。 力 ビニール除去 東京港の廃棄物 砂 変形 プレローディ ングであらか じめ過圧密状 態にしておけ ば、以後の沈 下を抑制可能。 沈下 土地有効利用 も可能となろ う。 外力 液状化と側方地盤流動の解析方法を創った 大変形、幾何学的非線形性を考慮した動的解析の理論解 三度勉強して やっとものにし た変分法が役に 立った生涯一度 だけの例 変位F 本当は数学・解析的研究が好きなのだが、あまり本領を見せない。 現象の本質を実験から考察し、それを数式化する。 力任せのコンピューター数値解析とは異なる。 1-G 振動台模型実験による液状化被害 対策の研究 25 cm 60 cm Shaking Table 2m x 3m 大型地下駐車場の浮き上がり例 2011年 金沢八景にて 地下構造物の浮き上がり対策無しのケース 地下構造物の浮き上がり対策無しのケース 液状化した砂の流動により構造物押しあげ. 既設地下構造物なので、脇に矢板壁を設けることくら いしかできない。これで地盤の流動を抑制する。 既設地下構造物なので、脇に矢板壁を設けることくら いしかできない。これで地盤の流動を抑制する。 液状化地盤の流動現 象はゆったりとして おり、粘性のある流 体の流れのように見 える。 粘性を測りたい。 Time interval = 0.8 second. Model test by Toyota et al. (2004) 液状化させた模型地盤の中でパイプを横引き。 横引き速度が速いほど大きな力が必要：粘性流体の 特徴。 しかしパイプの回りの応力やひずみ状態が不均一な ので、意味が解釈しにくい。 横引き力 (Orense and Vargas) E-Defense 大型模型実験 この壁が倒れ、裏の 杭基礎のある構造物 地盤が流れる 杭は曲げ破壊 Pile tip Pile head 杭に作用する地盤流動力と流動速度とは 相関がある。やっぱり粘性流体。しかし 詳細解釈は困難。 地盤流動力 流動力速度 模型振動実験の長所と限界 • 高い間隙水圧が発生し、有効応力が消滅、液状化を 再現できる. • 液状化した地盤の中の応力とひずみが不均一、かつ 測定できない。 最終的に志した三軸せん断実験の長所と限界 • 試験体の中の応力とひずみが均一 • 液状化した後までせん断載荷を継続できない： 重力の作用の下、試験体が崩壊する。 しかし有効応力ゼロの状態で試験 体は安定して形を保てない sh‘=0 有効応力ゼロ：砂粒同士の接触圧 がゼロ、の状態で、力と変形の関 係を測定したい sh‘>0 問題点が二つ: 接触圧がゼロは、一種の泥水状態。 自重で試験体は崩壊する。 砂の自重により、サンプルの上端 と下端とで応力状態が違いすぎる。 砂粒子の重さを解消したい 1. 間隙流体を重い液体に取り替える：有毒 2. 無重力環境でせん断実験：自由落下 実験. 岐阜県の自由落下実験 施設にて(MGLAB) 真空中の 自由落下 (100m) (4.5秒) 自由落下 カプセル 89cm 摩擦式停 止 (50m) 79cm 自由落下カプセルに格 納した三軸実験装置 自由落下と停止機構 岐阜県の自由落下実験施設 (MGLAB) 制御室でデータ記録 真空鉛直立坑で自由落下 軽量三軸装置を製作；圧力空気を使わない Loading 40 spring Electrical cm laser Cramp displacement Electrical sensor Valve back pressure transducer Load 80 pressure cell cm meter pressure 10 cm transducer 20 cm cell pressure transducer 60 cm Electrical Valve Vacuum tank 万一の爆発を避けるため、加圧空気の代わりに真空負圧を使用。 自由落下中の実験の動画 : Free fall test No.3 乾燥豊浦砂 (Dr=50%) 一定の力でじわじわ 変形していくことに 着目 実験の動画 Free fall test No.4 乾燥豊浦砂(Dr=50%) 一定外力の下で変形が進行する： クリープ. 粘性係数 ２７００ kPa.sec.を得た 河川堤防の被害軽減技術を定量的に評価：耐震性能設計 当時の建設省の写真は使えない 液状化・噴砂 高水敷：抑え盛土 酉島地区の堤防は大変状 淀川の高見地区の堤防 は軽微な被害 なぜ被害が軽微で済んだか 地中に矢板止水 壁あり Three mitigation measures 10m 2m Berm 5m x 50m Boundary with zero lateral displacement 1m 5m 10m Symmetric model of embankment resting on liquefied subsoil E=10000 kPa g =16 kN/m3 10 m of liquefied sand g =20 kN/m3 Viscosity coefficient = 2700 kPa.second Base Three mitigation measures SHEET PILE WALL Type 5 EI=126,000 kNm /m: high2 rigidity 5m 10m 5m x 50m Boundary with zero lateral displacement 1m Symmetric model of embankment resting on liquefied subsoil E=10000 kPa g =16 kN/m3 10 m of liquefied sand g =20 kN/m3 Viscosity coefficient = 2700 kPa.second Base Three mitigation measures Combination of Berm and Sheetpile Wall 5m 10m 5m x 10m Berm 2m 50m Boundary with zero lateral displacement 1m Symmetric model of embankment resting on liquefied subsoil E=10000 kPa g =16 kN/m3 10 m of liquefied sand g =20 kN/m3 Viscosity coefficient = 2700 kPa.second Base 粘性流体解析で堤防沈下を計算 ２０秒間の挙動を再現 ５号矢板地中壁と高水敷の併用で 沈下が半減 ５号矢板の地中壁 幅１０ｍの高水敷 対策なし 地盤工学の今後の課題 • 建設分野においては力学を一歩超えた世界へ • 建設以外の分野へ地盤の実績で貢献 • 材料科学の深化 • 複雑系の工学：物質分布が不均質、年月変動 • インフラの長期品質重視 ライフサイクルコスト • 一般市民の幸福へ目に見える貢献 • 国際貢献 • 21世紀中盤の文明像の考究 • 外を歩け Aral Sea アラル海の消滅 アラルスク市の港が干上がった 流入する河川水を綿作 灌漑に回し、ロシアか ら農民が入植した。 いまさら綿作を止め られても、農民は外国 となったロシアへは戻 れない。 水路 綿 灌 漑 運 河 カザフスタン側：ダムを築い てシルダリヤ川の水をせき止 め、小アラル海を造り、問題 解決したと称している。 これで良いのか? シルダリヤ ダムの下流はますます干 上がった 私がこれからやること • 書籍執筆を通じてフリーランサー的にも活動 • 地盤工学会会長、国際地盤工学会アジア副会長の職責 を全うする • 浦安市の液状化災害からの完全復興 • 宅地を対象にした地盤品質判定システムの確立 • 地盤工学の実績に基づく福島第一原子力発電所問題の 最終解決道筋付け、他の原子力発電所も最終的にきち んと終われる技術開発の道筋付け、技術の完成 • 豪雨による斜面崩壊、土砂災害の軽減技術を国際推進 • その他、河川堤防、トンネル、ライフライン、構造物 基礎、活断層、岩盤風化などの分野に多くの課題あり。 • 科学と技術の違いを示す。 • 趣味的な学問もしたい。 浦安市の液状化災害からの完全復興 浦安市の埋め立て史 1968年以降の若い地盤 本来の 海岸線 浦安市面積 48年 4.43km2 ⇒ 56年 16.98km2 浦安市HPより転載（http://www.city.urayasu.chiba.jp/menu2863.html） 二次配布不可！！ 格子状地中壁で家の基礎を囲むことで、 被害防止を努力中 神戸で成功した実績はある 竹中工務店提供 この狭いスペースで施工しなければ ならない：高価 潮来市などのように地下水汲み上げも液状化対策として 有効だが、厚さ４０ｍもの軟弱粘土層が地下にあり、尼 崎のような地盤沈下を心配する声が強い。 地盤品質判定の対象１ 液状化 従来の液状化判定法は、重要施 設を対象、液状化危険度をやや 過大評価：設計法としては問題 ない。 宅地：過大評価を避けたい；古 い地盤は液状化しにくいことを 陽に評価；年代効果。 簡単で判りやすい評価法。 液状化しない土 の厚さ H1 液状化する土層 の全体的弱さ PLまたはDcy H1が厚いと家をよく支える。 しかしH1の推定は激変しやすく不安定。 下方の液状化層が弱ければ被害は大き いことも。 噴出した液状化砂： 千葉市内の 埋め立て地 一昨年度作成した品質判定法 液状化地盤の横方向流動対策 構想 地中の壁やコンクリート塊ではなく、もっと材料費の少ない杭を 設ける。 杭が地盤の流動を妨げる 液状化地盤の横方向流動対策 構想 2d d 地中の壁やコンクリート塊ではなく、もっと材料費の少ない杭を 設ける。 きれいな整列では、すき間を液状化地盤が通り抜けやすい。 不規則に杭を設けて流動の d X 2d 邪魔をする。 Y 港湾空港研究所、 三井住友建設と共同 地盤品質判定の対象２ 丘陵地に谷を埋めて造成し た宅地、地震時に崩壊しやすい。 仙台地折立 対照的に、山を削った切り 土部分では被害が少ない 地盤品質判定の対象３ 豪雨時の土砂災害 2014年8月広島市 扇状地はそもそも土石流の堆積 で形成された土地である。 住民は危険を意識していない。 もとの川筋が狭い水路にされて おり、増水時に水を流しきれな い→氾濫 危険な扇状地に人は住む 川筋は曲げられて宅地のわ きへ押しのけられている： 洪水があふれやすい 2014年8月広島市 扇状地はそもそも土石流の堆積 で形成された土地である。 住民は危険を意識していない。 源頭部を登りきる まちつくり計画が自然災害を考慮していない 例は、世界各地にある。 砂防ダム 五助堰堤 国内最大級 五助ダムが昭和43年の土砂を受け止めた その他、山腹の安定化砂防 工事が進み、近年は土砂流 出が減った。その結果、 河原には樹木が生え始めた。 →洪水が流れにくくなる。 自然は複雑！ 2014年12月 1956年夏、1歳9カ月のころ Orangutan in Borneo, 1989. 山中で襲撃され、２秒で敗れた。 福島第一原子力発電所問題 現下の問題解決に、地盤工学の技術は名わき役を演ずることがで きるのではないか？ 2月27日に福島県当局と東京電力のご理解により現地を見学。 ①汚染水・地下環境 連続地中壁による地下水流入抑制の敷地 管理 多重防御バリア 困難に遭遇した時の 代替案、改善案の準備 IRIDへ提案済み ①汚染水・地下環境 数多くの工事経験をベースにした地下水 遮水技術 IRIDへ提案 地盤は，自然の産物であり，不均質ですべてを調べ上げることは不可能である．し たがって，常に，予想外の事態が起こり得るので，重層的対策が不可欠である．こ の考えに基づき，凍土壁に加えて周辺の外周に粘土系・ベントナイト系材料充填も しくは，セメント系材料による鉛直遮水壁を建設することにより，高度な遮水が実 施できる．さらに，その外周に地下水くみ上げ工を敷設することにより，二重，三 重の対策を取ることができる． ②デブリ取出し 燃料デブリ取出し補助における 地盤工学的技術 デブリ取出し 地盤材料学 地盤施工学 地盤環境学 高遮蔽性 重泥水 （地盤材料学） 高遮蔽性 流動化処理土 （地盤材料学） 高精度 ボーリング （地盤施工学） 可逆的 液性・塑性充填材 （地盤材料学） デブリ 漏水 高遮蔽性 グラウチング （地盤施工学） デブリ取出し補助作業用 地下作業空間 （地盤施工学・地盤環境学） ③廃棄物・デコミッショニング 処分・デコミッショニングのシミュレー ション • デブリの状況に応じて，若者の自由な発想に基 づいたデコミッションのアイデアをプロデュー スする．人材育成。 高濃度汚染物の排出が困難な時は 原位置デコミッショニング 高遮蔽性覆土材 建屋 粘土系・ベントナイト系・ セメント系遮水工 鋼製床版 鋼製連続壁 Bagan 伊豆大島 2013年10月の豪雨による斜面崩壊、 土砂災害の軽減技術は？ 一日で800ミリ超の驚異的降雨であった 崩壊と浸食の斜面 土砂堆積 源頭部 ごく薄い浅層崩壊 斜面安定工事は成功している 中腹で浸食 崩壊土砂量が増大 麓 崩れたところ、崩れなかったところはどう違うのか？ 崩れなかったところは今後大丈夫か？ 斜面から水が噴き出した証拠がある：piping holes 地中から水が噴出して表層を崩落させたか 斜面勾配が変化する遷急線 パイピング発生の原理 豪雨 著しい豪雨時の 地下水面 亀裂のある溶岩 層 このような斜面崩壊機構は 未だ研究されていない 現地斜面の安定性を計算すると、 1. 地下水位が50cmも上昇すれば、斜面は不安定、と いう計算になる。 2. 18世紀以来、この程度の降雨すら起こらなかった、 とは考えにくい。 3. 下方にある溶岩層lavaの影響は？ 通常の雨なら、水は溶岩を通って 下方へ浸透できる。 その結果、地表層は水浸することが無かった。 例外的豪雨では、浸透しきれない。 表層に溜まる。 溶岩層の透水係数は10-3 cm/sのオーダー。 降雨が 120 mm/h を越えると、表層に水がたまる 東京都実施のボーリングデータを拝借、 崩れた斜面と崩れなかった斜面とを比較。 Mountain top 二種類の被害を区別 崩壊斜面 浸食されただけ 断面 S.H. 崩壊 • 下方の溶岩地形のくぼ地・谷で斜面が崩壊した。 • 谷には周りから水が集まりやすく、崩れやすい。 • 残っている浸食だけの部位は崩壊しないだろう。 E S.H. E E E 浸食 S.H. E 溶岩層上端 S.H. E 全国40万カ所の不安定斜面を安定化工事 するのは不可能、不必要。では対策は？ 研究者は斜面崩壊の原因を追究すればよい。 技術者は問題解決を考える。 本当に不安定化している斜面はどこか？ それが崩れると地域社会に影響するのか？ 斜面強化の予算は無い。 すると、崩壊直前に避難すればよい。 避難できるのか？ 風化の進んだ危険斜面 去年の大雨では大丈夫だったのに なんで今年は崩れるんだ？ 風化が進んで劣化。 簡易な現場の調査は必要だろう 例：S波伝播速度の測定とコーン貫入試験 物理探査手法でS波伝播 速度測定 せん断剛性 簡易なコーン貫入試験で 強度推定 S波伝播速度Vsとせん断強度との間には、log-logで 一定の勾配の関係がある。 Keshab 2013 Unconfined Compression Test CTS-14% Cement CTS-12% Cement CTS-10% Cement CTS-9% Cement CTS-8% Cement CTS-30% (L) Cement Tri-axialCompression Triaxial CompressionTest Test CTS-7% Cement CTS-6% Cement CTS-5% Cement Shear strength (kPa) 岩の人工風化実験 4 10 s (kPa) *CTS =Cement Treated Sand Mohsin 2011 Unconfined Compression Test Yokosuka sandstone Yokosuka mudstone Cement Treated Sand (CTS) Muzaffarabad mudstone Tsukuba Granite Sagamihara mudstone Tri-axialCompression Triaxial CompressionTest Test Sagamihara mudstone 3 10 Shear strength, セメント混合 砂の人工風化 一度だけは、両者を 計測する必要あり 2 10 f elucidated by PDCP 以後は、簡易な 10 S波伝播速度の 現場斜面で測定 測地だけで風化 と劣化を追跡で 10 きる。 100 1 状態の変化は材 料によらず一定 の勾配の従う 0 1000 Shear (m/s) Shearwave wavevelocity, velocityV(m/s) s Yokosuka W. sandy mudstone MZD Dolomite scree MZD W. mudstone MZD W. dolomite NGO W. sandstone IZU volcanic ash Kobe W. granite TXL W. lime stone f elucidated by PDCP MZD Limestone scree MZD dolomite scree MZD W. mudstone TXL Limestone scree TXL Silty clay 避難警報のロジック2種類 1. 雨量を使うもの 1) 現在の降雨強さ; 例えば過去3時間 (mm) 2) 土壌水分量＞既往最大値 土中の水分 斜面の動き（変位） 降り始めからの累積 (mm) 2. 変位変形を観測するもの 伸縮計やGPSなど 変位が基準値に到達したら避難警報発令 Time Time 雨量 対 変位 相互比較 雨量 廉価 雨量観測網の整備に依存 ＋ コンピュータ予測 個別斜面の傾斜や岩、土質を考慮できない。 広域の危険度大小を示す→気象庁の警報 変位 微小な斜面変形を検知して崩壊を予知する。 個別斜面の傾斜や地質は、測定変位に反映されている。 計測器設置に費用 伸縮計、GPSには、ある程度伝統あり。 雨量観測よりは高価。 斜面崩壊にはどんな前兆があるか、 経験的知識 • 川が濁る • 崖に亀裂が生じる • 水が崖から噴き出す；パイピング • 落石の音がする • これらすべて、斜面の運動、変形が原因 斜面崩壊には、先立つ微 小変形がある。 実斜面の降雨崩壊実験 Field test by Prof. Sassa, et. al. (Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ, No. 48C, 2005) 加波山の人工降雨実験 Slope surface started to move ロッドを堅硬層まで打ち込み、これに傾斜角度センサーを設置 a) Wireless data transmittion Tilting angle Tilt sensor & Temperature sensor yer a l e abl t s Un Volumetric water content sensor ct a t In b) 傾斜角度の精密測定とイ ンターネットへの送信 yer a l e bas Steel rod in contact with base layer, or, inserted for depth of 0.5 - 1 m if the unstable layer is thick. 斜面崩壊が近付くと、その微小な動きに よって打ち込んだロッドも傾き始める。 どこか崩れるかわからない？ではたくさんセン サーを センサー数 は計測精度 より重要 安価な傾斜 角度セン サーNow US200$ 性能実証現場実験 四川省成都の山地災害与環境研究所と共同 人工降雨による斜面 崩壊実験 Range of progressive failure Tilting rate between 3 and K50-upper T50-1 Tilt sensor T50-1 10 deg/day in failure zone Tilt sensor T50-2 Mini-inclinometer K50-upper T50-2 Mini-inclinometer K150-upper = 0.12 and 0.4 deg / hour 2011/6/30-08:00 Tilting angle (deg) 10 5 Tilt sensor T200 Tilt sensor T300 0 -5 32 T300 > 0.1度毎時 避難警報 33 34 35 36 37 38 39 Elapsed time (hour) 40 2 K50-upper 3 . 7 de g 1 41 y re e / da eg d 9 .6 /d re e da y re e / 34 35 36 37 38 39 Elapsed time (hour) T200 T300 0.5 degree/day 33 43 ay eg 5 .7 d 0 32 42 T50-2 T50-1 K150-upper Tilting angle (deg) 2011/6/30-08:00 Tilting angle (deg) K150-upper T200 注意報 角度変化率が> 0.005度毎時 40 41 42 43 三峡ダムでの事例 ダムを造って湖に水をためると、一度目は湖岸が崩壊しやすい。 モニタリング・観測していた斜面が崩壊：2009年6月2日 計測した角度の変化 注意報 警報 > 0.005度 / 時間 & > 0.1度 / 時間 . 人にとって安全はどれほど重要か？ フィリピンのマヨン火山、噴火活動が活発 数年おきに火山泥流ラハールの災害を起こしている 安全な場所へ引っ越したくない。 ここにいるから商売ができるんだ！ 非常事態を知らせる警報と避難が現実的選択肢 人間の知恵 ブータンにて 新しい家は土石流の危険のある扇状地の中に建つ 古い家跡は木立に護られている 2004年新潟中越地震のあと： 斜面崩壊が多いが人家はこれを避けている。 河川堤防の液状化 従来の問題意識 基礎地盤に液状化しやすい砂がある 大阪の淀川堤防 1995年 （不動テトラ） 最近の問題例 宮城県鳴瀬川の河川堤防 陥没したのは地震時堤体内の液状化の結果 問題：どこの堤防が危ない？ どう対処する？ 宮城県鳴瀬川 by MLIT 大震災後の地殻変動、地盤沈降 断層ズレ問題 東海道線の丹那トンネル掘削中 の1930年北伊豆地震、トンネル を断層が横ずれし、トンネルが ふさがった。 地表 もともとトンネル工事中に、断層破砕帯で 出水や地圧解放による膨張 既存の活断層対策 横須賀市北武きたたけ断層： 「土地を利用しない」 駅舎を分割構造とし、 断層が動いても壊滅 しない→迅速な復旧。 山陽新幹線新神戸駅は断層上に存在。 既存施設直下の活断層をよそへ逸らせる技術 テヘラン大学で遠心模型実験 河川氾濫の頻度と気候温暖 化の間に関係はあるのか？ －近年の洪水の頻度－ 問題意識 昭和の終わりころから平成１５年（２００３年）ころまで、 洪水が少なかったように感じる。 しかしその後は洪水が増えていないか？ 近年議論が喧しい地球温暖化と極端な集中豪雨の問題とは、関係が無いか？ Flooding Flooding of Kogai Kinu shinano Rivers.qpc 小貝川3 鬼怒川2 鬼怒川・小貝川・ 信濃川の洪水の 歴史 信濃川1 千曲川 下妻工事事務所のデータ 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 Year (AD) Flooding Flooding of Kogai Kinu shinano Rivers S.qpc 小貝川3 いわゆるゲリラ豪雨の頻度が増 鬼怒川2 えているらしい？地球温暖化の 信濃川 一つの影響、と考える向きもある。千曲川1 気候変動を論ずるためにはもっ 1900 と長期的な調査が必要。 空白 域？ 1920 1940 1960 1980 Year (AD) 2000 鴨川の洪水の歴史 （中島暢太郎「鴨川水害史（１）」 京都大学防災研究所年報26B-2, 1983，75 ～ 92 頁） Number of floodings per 50 years そこで Kamo River Floods.qpc 35 After C. Nakajima (1983) 30 20 ５０年ごとの洪水の回数 ３度のピークがある 江戸時代 平安時代前 15 半 25 室町時代 10 5 0 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Year (AD) １１００年ころと戦国時代末期は単に文献が少ないだけ、という可能性もある。 歴史時代の地球温暖化：年輪調査 中世温暖期を逃していない研究 Esper et al. (2002) Low-Frequency Signals in Long Tree-Ring Chronologies for Reconstructing Past Temperature Variability, Science, 295, pp.2250-2253. Radial stem growth (mm) 樹木の年輪の成長率 TreeRing.ppt 1.0 Mean of chronology of tree-ring growth by Esper et al. (2002) 0.8 Warmer 0.6 0.4 Cooler Medieval warm period 0.2 800 100 0 120 0 Little ice age 140 0 Years (AD) 160 0 180 0 200 0 Medieval Warm Period： １０世紀から１３世紀ころは世界的に暖かく、アル プスを徒歩で越えたりグリーンランドやアイスランドで農業が盛んであった。 その後は寒冷となった小氷期 Little Ice Age。 アイスランドの荒野 中世温暖期には農業が 行われたらしい。 アルプスにも氷河が少なく、 徒歩で山越え通商ができた。 鴨川洪水頻度と気候との関係 温暖化と無関係？ 温暖化と関係？ 35 Kamo River Floods.qpc After C. Nakajima (1983) 30 25 20 15 10 5 0 年輪の成長率 Radial stem growth (mm) Number of floodings per 50 years 鴨川洪水頻度 1.0800 700 TreeRing.ppt 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Year (AD) Mean of chronology of tree-ring growth by Esper et al. (2002) 0.8 Warmer 0.6 0.4 Cooler Medieval warm period 0.2 800 1000 1200 Little ice age 1400 Years (AD) 相関はよくない。 別の可能性は無いのか？ 1600 1800 2000 京都の人口に着目 KyotoPopulation3.qpc Chandler (1987) Harada (1942) 江戸時代 Takao et al. (1968) Murai (1982) Saito (1984) Inoue (1992) Kito (1996) 500000 Population 400000 300000 室町時代 200000 100000 平安時代 Number of floodings per 50 years 0 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Year, AD Kamo River Floods.qpc 35 After C. Nakajima (1983) 30 25 20 15 10 5 0 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 洪水の頻度とよい相関がある。 Year (AD) おそらく、鴨川の洪水は京都に住む人間によって引き起こされた。 建築資材や薪炭の入手のために樹木を伐採し、山をはげ山とした。 明治初めには、過剰伐採による山地荒廃と砂防が大きな問題 であった。 そして伐採からの回復には百年程度を要する。 砂防事業は、短期的な効率やコストベニフィットで論ずべき 問題ではない。 六甲山 田上山 立山ではなお新たな崩壊が始まっている Behistoon 藤原京のなぞ解き なぜ16年で平城京へ移転したか ボ ｜ リ ン グ は こ こ 北ではなく南に山の地形を選 んでしまったから？ 周囲より低い地形で、汚水が 宮殿に集まった？ 地盤のボーリング調査結果のデータベースが利用できるように なってきた。ただし未だ十分ではなく、地盤の情報は公共資産 であり、誰もが利用できることを訴えている→防災、液状化危 険度などの評価のために。 土 の 種 類 堅さを表す指標； N値 盛土：近年 粘土質砂 農業か 礫（レキ）混じり砂 砂レキ 砂質粘土 砂 古代の池や湖の底か？ 砂レキ 風化層：岩？ レキすなわち石ころは、土石流 堆積物であることが多い。すな わち藤原京を土石流の襲来地に 造ってしまった？ 安全な平城京の位置へ遷都！ 平清盛の経ヶ島を探せ • 福原京遷都に合わせ、清盛は大輪田の泊を通して南宋との貿易を 推進した。 • 大輪田の泊は南東からの波浪に弱いのが欠点である。 • 山を削って海を埋め立て経ヶ島を造り、防波堤とした。 • 今の神戸市兵庫区のどこかであろうが、正確な位置は判らなく なった：文献研究の限界。 • 地盤ボーリングデータベースを使うと、地下に埋まった経ヶ島が 見つかるのではないか？ • もともとも海底地盤（軟弱で細かい土粒の地層）の上に、砂やレ キなど大型の粒子が堆積しているはず。 兵庫運河 North 10 Altitude (m) South 地盤断面図 R671 P743 Q471 R673 K025 P745 R675 Q287 P744 Q470 W032 K026 K024 K032 0 10 P863 0 Ancient island? -10 -10 -20 -20 -30 -30 -40 -50 -60 -40 Legend Gravel layer Sand layer Clay or Silt layer N-S cross section -50 0 300 -60 Horizontal distance (m) Legend: ● gravel ▲ sand ○ silt Gravel and sand Former island Sand and silt water channel 400 m Liquefaction resistance / Resistance of fresh sand 古い砂地盤は液状化しにくい。 実用上、400年経過した地盤は液状化 への抵抗を4割増ししよう。 10 9 8 7 6 5 4 ▲ Tatsuoka et al. (1988) Reconstituted samples Mulilis et al. (1977) Reconstituted samples Mulilis et al. (1977) Case histories Fourth author's undisturbed samples Case histories in 2011 Consol liq_3 3 2 1 0.0001 40% increase after 400 years age 0.01 1 100 10000 Consolidation time (years) 6 10 １９８５年から２０１５年までほとんど毎年開いた 学生食べ放題ホームパーティー 2011年 1985年10月 バンコクにて 2015年2月東京にて Ph.D on-going Post Doc Master thesis on-going International collaboration researches 国際発展；これまで輩出した留学生の出身国 国際地盤工学会副会長 京都、洛北のさる禅寺 東 畑 墓 水平距離２ｍくらいか 地盤工学の聖地となるか？ ご清聴 ありがとう ございました 皆さまのご多幸を 祈ります
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