地震応答解析におけるダム堤体応答特性への基礎岩盤の影響

• 担当機関: （国研）農業・食品産業技術総合研究機構 農村工学研究部門
• 研究期間: 2016～2018
• 研究担当者: 林田洋一; 増川晋; 田頭秀和
• 発行年度: 2018
• 要約: 農業用ダム耐震性能照査で実施される地震応答解析において、堤体の応答特性は、堤体と基礎岩盤の相互作用に基づく堤体の振動性状に依存し、基礎岩盤の材料物性による影響を顕著に受ける。一方、基礎岩盤のモデル化領域設定による影響は少ない。
• キーワード: 農業用ダム、耐震性能照査、応答解析、堤体と基礎岩盤の相互作用
• 背景・ねらい: わが国では、平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震等の大規模地震が頻発している。日本全国における地震に対する関心の高まりを受け、既設農業用ダムにおいてもその健全性評価と併せ、大規模地震に対する安全性についての評価を行う耐震性能照査が実施されている。耐震性能照査においては、その一環として有限要素法を用いた地震応答解析が実施され、対象とする構造物の地震時の挙動を適切に表現することが求められる。しかしながら地震応答解析では、実際には半無限に広がる地盤の一部を切り出しモデル化するという数値解析固有の課題が存在し、解析の実施にあたり適切な基礎岩盤のモデル化領域の範囲や境界条件の設定が重要となる。そこで本研究では、実務における耐震性能照査に主眼を置き、二次元応答解析における解析条件のうち、基礎岩盤におけるモデル化範囲および材料物性が堤体の応答挙動に及ぼす影響を検証し、そのメカニズムを振動性状の観点から考察する。

成果の内容・特徴

1. モデル化領域の範囲設定が堤体の振動挙動に及ぼす影響を評価するため、基礎岩盤の深さを36.0～568.0mの範囲で変えた6つのモデル(値の小さいものから、Model A～Model F)を設定する。また、基礎岩盤の力学特性の違いが堤体の応答挙動に及ぼす影響を評価するため、基礎岩盤のせん断波速度を1,000～3,000m/sの範囲で変化させた6材料(値の小さいものから、Mat 1～Mat 6)を設定し比較検証を行う。
2. 基礎岩盤のせん断波速度が大きくなるに従い堤体でのフーリエスペクトル比(天端/堤敷)の値は増加し、一次卓越周波数は高周波側へ移行する。基礎岩盤の弾性波速度が同一であれば、堤体の一次卓越周波数は基礎岩盤の設定範囲の影響を受けずほぼ同様の値となる(表1)。
3. 上記の事象は、堤体と基礎岩盤の相互作用に基づく堤体の振動性状に起因する。基礎岩盤のせん断波速度が小さい場合には堤体は剛体的な変形モードを示すのに対し、基礎岩盤のせん断波速度が大きい場合には堤体自体が大きく変形するモードへ移行する。堤体の変形モードに及ぼす基礎岩盤の設定範囲の影響は顕著に認められない(図1)。
4. 基礎岩盤のフーリエスペクトル比(基礎岩盤上面/基礎岩盤底面)は基礎岩盤の設定範囲に係らず堤体の影響を受ける(図2)。このことから、基礎岩盤の伝達特性の評価に当たっては、基礎岩盤の一次卓越周波数が堤体の一次卓越周波数に近接しないよう基礎岩盤の範囲を設定することが重要となる。また、ダムを対象とした応答解析においては、堤体のみでなく基礎岩盤の材料物性を適切に評価しモデル化することが重要である。

成果の活用面・留意点

1. 農業用ダムの耐震性能照査における解析条件設定のための知見として活用できる。
2. モデル領域の設定は、用いる境界条件とも関連することから、一般的に用いられる効果的な境界条件処理方法(粘性境界等)を活用することが必要である。

• 研究内容: http://www.naro.affrc.go.jp/project/results/4th_laboratory/nire/2018/nire18_s10.html