抗7-典尚设计

第7章 地震时有不稳定地基情况下的抗震设计7.1 一般规定 极软粘性土层及砂质土层产生的地震时强度减低、饱和砂质土层的液化、流动化，可能对桥的抗震性有较大影响，因此需判断基础周围地基土层的地震时稳定性，并根据其程度按照7.2节及7.3节的规定，在桥的抗震设计中把地震时不稳定地基的影响考虑进去。解说： 根据以往的震灾事例，极软粘性土层及砂质土层产生的地震时的强度减低与饱和砂质土层产生的液化及随之而来的地基流动化，会对桥的抗震性产生大的影响。为此，规定了要判断它们的地震时稳定性。粘性土层及砂质土层，如果由于地震受到重塑变形、强度减低。尤其是在表层的软粘性土层或粉质土层，此种现象更加明显。 若产生液化，表观比重大的结构物下沉、表观比重小的结构物上浮，而且，抗土压力结构物由于土压力增大而被往前推，象基础这样的期待侧向抗力的结构物有时会失去抗力而产生较大位移。甚至，水边线附近和倾斜后的地基有时也伴随液化而产生流动化的现象。7.2 抗震设计上有极软粘性土层及粉质土层或判断为会产生对桥有影响的液化的土层情况下的抗震设计 (1) 根据7.4节的规定，判断土层在抗震设计上为极软粘性土层及粉质土层、或根据7.5节的规定判断土层为对桥有影响的液化砂质土层时，要按照7.6节的规定减低抗震设计上的土质常数。 (2) 抗震设计是要按照地震系数法及地震时保有水平抗力法进行的。在根据地震时保有水平抗力法的设计中，3.6节规定的抗震设计上的地基面以上的结构部分，要考虑与5.3.2节规定的I类及II类设计水平地震力系数相当的惯性力。但是，在求解设计水平地震力系数时，要使用(1)项规定的未折减土质常数的固有周期。 (3) 抗震设计在土层不发生不稳定化情况下也应进行，不论哪项均使用条件严格的结果。 (4) 根据(1)项，当有减低抗震设计上的土质常数的土层的情况下，计算13.2节规定的梁搭接长度时必须估计其影响。解说： (1) 在有极软粘性土层和砂质土层、判断为液化的土层的情况下，土的强度及支撑力有可能减低。为此，根据7.6节的规定，抗震设计上的土质常数规定为零或减低。同时，该规定对3.6节规定的抗震设计上的地基面之下存在的土层也适用。 (2) 极软粘性土层和砂质土层、或产生了地基液化的情况下，一般对地基结构物产生明显影响，所以该影响必须从更接近于实际的状况去考虑。从这点出发，除了根据以往地震系数法进行抗震设计外，还规定了根据地震时保有水平抗力法进行抗震设计。地震时发生地基不稳定化过程中结构物的振动特性，因地基刚性的软化和强度的减低、地基的过渡性反应和与结构物的共振等种种状况而复杂变化。关于这样的机理还有许多未搞清之处，随着地震时的地基不稳定化、如果按照(1)项的规定使土质常数为零或减低土质常数来求固有周期，就有可能过小评价地震力，因此这里为安全地求出地震力，计算固有周期时土质常数不减低或为零。 (3) 如(2)项的解说所示，地基不稳定过程中的结构物的过渡反应特性是复杂的，而且，假设地基即使被判断为不稳定、根据地震动和地基的物性，有可能也不是设计所设定的状况，所以，这里规定地震时地基既便稳定也应进行抗震设计，均以从严的情况决定断面。 (4) 判断为有抗震设计上极软粘性土层及砂质土层、或产生对桥有影响的液化砂质土层的情况下，按照13.2节的规定计算梁搭接长度时，要考虑土质常数减低的影响。7.3 地基被判定有可能产生对桥有影响的流动时的基础抗震设计 (1) 随着液化有可能产生对桥有影响的流动化情况下，要考虑它的影响进行抗震设计。 (2) 根据(1)项考虑流动化的影响时，可将流动化的影响作为水平力给出，研究基础的抗震性。但是，这种情况下，同时可不考虑结构物的重量引起的惯性力。 (3) 也有根据7.2的规定对判断为产生对桥有影响的液化时进行抗震设计。无论哪项均从严选用结果。 (4) 根据(1)项考虑流动化的影响时，在13.2节中规定的梁搭接长度计算中也必须把这种影响估计在内。解说： (1) 有产生对桥有影响的流动化的可能性时，需要规定考虑其影响进行抗震设计。流动化是随着液化支撑力减低而产生的，根据7.5的规定来判断液化，而且在偏土压作用的土层可认为有产生流动化的可能性。 平成7年兵库县南部地震时，在沿海处的水边线附近随着液化发生流动化，见到过桥墩基础发生永久位移的事例。根据产生永久位移的桥墩基础的分析结果，地表面附近未液化的土层与位于其下部的液化土层一起移动，可见对桥的基础有很大的冲击力。这样的现象初次在这次地震中得到确认。产生对桥有影响的流动化的主要原因还未搞清楚，基于兵库县南部地震的受灾事例，一般符合以下2个条件之一的地基，均可看作有可能产生对桥有影响的流动化的地基。 1) 在沿海处，由背后地基与前面的水底高差为5米以上护岸形成水边线，从水边线开始100米以内范围中的地基。 2) 根据7.5节的规定有可判断为液化的层厚5米以上的砂质土层，而且该土层从水边线向水平方向连续存在的地基。 这里之所以把护岸背后地基与前面水底之高差定作5米以上，是因为兵库县南部地震时，因流动化在桥墩基础上产生永久位移的海岸部护岸的背后地基与前面水底的高差为10米以上，作为产生流动化的场所，还曾有过高差在此之下的地方。同时，有可能产生对桥有影响的流动化的范围，也是参考了兵库县南部地震时因流动化，桥墩基础上产生永久位移的范围，而定为从水边线开始100米以内。从水边线开始的距离，指的是离进行抗震设计的对象基础最近的位置上水边线开始的距离。取法按图-解7.3.1所示。 有可判断为液化的层厚5米以上的砂质土层是参考了兵库县南部地震时因流动化桥墩基础上产生永久位移的场所及发生较大地基位移的场所及发生较大地基位移的地点的地基条件。另外，由于流动化是伴随着地基广泛的液化而产生的现象，从水边线开始以每个基础位置的液化的判断结果为基础，即便是离水边线100米以内，判断为液化的土层从水边线开始没有向水平方向连续性存在的情况下，对其背后的地基可看作没有产生对桥有影响的流动化。 在有可能产生对桥有影响的流动化的情况下，不仅要强化桥梁基础，还包括采用横向刚度大的基础形式，重要的是使桥梁整体不要受到有害影响。另外，对于桥台基础一般可不考虑流动化的影响。这是因为桥台是背面受土压力、抵抗偏土压而设计的结构物，而且，假设受到流动化的影响向前面挤压方向移动，而这与梁的落下很难直接相关。 在沿海处之外，也有如昭和39年(1964年)新泻地震时新泻市的信浓川沿岸由于液化和随之而产生的流动化发生了桥梁受损事件, 基于这种经验，抗震设计中也开始考虑到液化的影响。自那之后，首次因流动化对桥梁产生很大影响的就是兵库县南部地震时沿海处发生的事例。河川地区的流动化的机制及对结构物的影响，可认为与沿海地区产生的现象不同，但对于河川地区，在偏土压影响较大的直立式的低水护岸背后的主河槽或直立式特殊堤的堤内地基中，符合上述条件的1)或2)时，希望以沿海地区为标准，考虑流动化的影响。对河川地区的流动化根据今后的调查研究的进展还要采取适当的对策。 (2) 规定了可以作为水平力给出流动化的影响来研究基础的抗震性。流动化对桥墩基础产生影响的机理，有些正在研究之中，这里示出将流动化的影响作为作用于桥墩基础的水平力来处理的模型。该模型是以兵库县南部地震时沿海填海造地地基上桥梁受灾事例的分析结果等为基础而求出的，如图-解7.3.2所示地表面附近有未液化的土层(非液化层)，在其下部有液化土层(液化层)，在这种情况下，应该将液化层与非液化层作为有必要考虑流动化影响的范围进行模型化。 因此，与此条件有较大差异的情况下，须将模型作适当修正。液化层与非液化层以交替地层的状态存在时，要考虑流动化影响的范围的例子示于图-解7.3.3。 以图-解7.3.2所示状态产生流动化的情况下，根据式(解7.3.1)及式(解7.3.2)算出的平均单位面积的流动力作用于考虑流动化影响的范围内的非液化层及液化层中的结构杆件上。这种情况下，要考虑流动化影响的范围内的土层的横向阻力可不考虑。 qNL= cscNLKP gNL x (0xHNL ) (解7.3.1) qL=cscLgNLHNL+gL(x-HNL) (HNLxHNL+HL) (解7.3.2)其中：qNL：用于非液化层中的结构杆件上位于深度x(m)处的单位面积的流动力（tf/m2）qL：作用于液化层中结构杆件上位于深度x(m)处的单位面积的流动力（tf/m2)cs：与离水边线的距离有关的修正系数，取表-解7.3.1的值cNL：非液化层中流动力的修正系数，按照式（解7.3.3）的液化指数PL，取表-解7.3.2的值 (解7.3.3)cL：液化层中流动力的修正系数Kp：被动土压力系数（常时）gNL：非液化层的平均单位体积重量（tf/m3)gL：液化层的平均单位体积重量(tf/m3)X：距地表面的深度(m)HNL：非液化层厚(m)HL：液化层厚(m)FL：7.5.1节中规定的对液化的阻力系数，FL1时取FL=1表-解7.3.1 距水边线的距离的修正系数cs距水边线的距离s(m)修正系数css501.050s1000.5100s0表-解7.3.2 非液化层中流动力的修正系数cNL液化指数PL修正系数cNLPL505PL20(0.2PL-1)/320PL1 式(解7.3.1)是以非液化层的被动土压力相当的力为基础，给与了从非液化层作用于结构物的单位面积上的流动力。关于流动力与距水边线的距离的关系，是参考兵库县南部地震时的桥墩的永久位移与距水边线的距离的关系，根据表-解7.3.1所示距离给出了修正系数。还有，地基的流动量如果只是一点点，流动力则达不到被动土压力，流动量增大到某种程度以上流动力才开始达到被动土压力。系数cNL是考虑到这点的修正系数，从兵库县南部地震时因流动化受到损伤的桥墩基础的反分析，给出了如表-解7.3.2所示的值。 另一方面，式(解7.3.2)表示以相当于总上置压力的力为基础，从液化层作用于结构物的单位面积上的流动力。系数cL表示总上置压力之中以流动力作用于基础的比例。关于这点，从兵库县南部地震产生的永久位移后的桥墩基础的反分析，目前可取作0.3。 式(解7.3.1)及式(解7.3.2)给出了单位面积的流动力，对桥墩及脚，各自通过乘以躯体的宽可计算出单位深度的流动力。 对桩基础以单位面积的流动力乘以位于抵抗流动化的面的两端的桩的外缘宽所得的值，对桩基础以外的形式的基础，则乘以其宽度所得的值分别作为单位深度的流动力。在桩基础上，有挤过第1列作用于第2列及以后桩的流动力。关于这一机制，现在还不十分清楚，这里通过考虑最外缘的投影面积，近似地采用其效应。而且，在设计上可设定所有的桩分担抵抗流动力。 对液化层的上部不存在非液化层，一直到地表面都液化的地基计算流动力时，不考虑式(解7.3.1)，仅考虑式(解7.3.2)即可。地基条件复杂的情况下，用有限元法解析等可以对由流动化引起的位移进行推定，来考虑流动化的影响。 在对流动化的基础进行抗震设计时，根据5.2节的规定，基础顶端的水平位移应不超过容许位移。这里的水平位移，在一般沉箱基础，钢管板桩基础及地中连续壁基础的场合为距旋转中心的相对水平位移，桩基础的场合为距前端的相对水平位移，容许位移可为基础屈服位移的2倍。 关于发展流动化的机制，未解明的部分还不少，据说地震后，过剩间隙水压增高，在某种程度的液化进行阶段就开始流动化了。这种阶段在许多场合下可以认为地震动的主要振动部分已经结束，所以规定流动化的影响与惯性力可不同时考虑。 (3) 关于流动化的机制，因为有许多未搞清的部分，在可判断为液化时也进行抗震设计，但都要采用严格的结果。即在可能产生对桥有影响的流动化的情况下，对以下3种情况进行抗震设计，取其中最大影响者用于设计。 1) 可认为产生流动化的情况 2) 认为仅产生液化的情况 3) 认为既没产生液化也没产生流动化的情况。 (4) 在有可能发生对桥有影响的流动化的情况下，根据1.3.2节的规定计算梁搭接长度时，就以下3种情况求梁搭接长度，在设计中取其中最大的值。同时，在第1种情形下基础顶端的水平位移大于基础的屈服位移时，梁搭接长度里宜打入50cm程度以上的富裕。这是因为一旦基础达到屈服，一般即使荷载稍有变动，位移却变化较大，计算流动力时要考虑到这种不可预测情况变化。 1) 认为 产生流动化的情况 2) 认为仅产生液化的情况 3) 认为既不产生液化也不产生流动化的情况。7.4 抗震设计上极软粘性土层及粉质土层 对位于现有地基面3m以内的粘性土层及粉质土层，通过无侧限抗压试验，推算的无侧限抗压强度在0.2kgf/cm2以下的土层，为抗震设计上的极软弱土层。解说： 一般地，对于无侧限抗压强度为0.2kgf/cm2以下的粘性土或粉质士试验时，无法成形，所以无法期待地震时有效地支撑基础的作用。因此把这种土层看作是极软粘性士层或粉质土层。7.5 砂质地基的液化的判断7.5.1 一般规定 (1) 有必要进行液化判断的砂质土层 以全部符合如下3个条件为原则，冲积层的饱和砂质土层地震时有可能产生对桥有影响的液化，因此，必须按照(2)项进行液化判断。 1) 地下水位在现地基面开始10米以内，且在现地基面开始20米以内的深度上存在的饱和土层。 2) 细粒分量含有率FC为35%以下的土层，或FC即便超过35%但塑性指数Ip 为 15以下的土层。 3) 平均粒径D50在10 mm 以下，且10%粒径D10在1 mm 以下的土层。 (2) 液化的判断 按照(1)项的规定须进行液化判断的土层，根据式(7.5.1)计算抵抗率FL , 将该值在1.0以下的土层作液化看待。 FL=R/L (7.5.1) R=cW RL (7.5.2) L=rd khcs v/sv (7.5.3) rd=1.0-0.015x (7.5.4) s v=r tlh W+r t2(x-hw)/10 (7.5.5) sv=r t1h w+r t2 (x-hw )/10 (7.5.6)(类型I地震动的情况下) cW =1.0 (7.5.7)(类型II地震动的情况下) (7.5.8) 其中：FC：细粒分量含有率(%)(粒径75mm以下的土粒的通过质量百分率)IP ：塑性指数D50：平均粒径(mm)D10 ：10%粒径 (mm)FL ：液化抵抗率R：动态剪切强度比L：地震时剪应力比cW：根据地震动特性的修正系数RL：重复三轴强度比，根据7.2.5节的规定求出rd ：地震时剪应力比的深度方向的减低系数khc：地震时保有水平抗力法用的设计水平地震力系数，按照5.2.3节的规定求出sv：总上置压力(kgf/cm2)sv：有效上置压力 (kgf/cm2)X：从地面开始的深度 (m)gt1：浅于地下水位面位置的土的单位体积重量(tf/m3)gt2：深于地下水位面位置的土的单位体积重量(tf/m3 )gt2：深于地下水位面位置的土的有效单位体积重量(tf/m3)HW：地下水位的深度(m)解说： 以上规定是以兵库县南部地震的事例分析为基础，加上新泻县地震以后取得的研究成果而制定的。 (1) 需要进行液化判断的土层的条文规定根据如下： 1) 以前地震时发生液化现象大部分场合是冲积砂质土层。但是，在兵库县南部地震和近年的地震中也发生过冲积砂质土以外的土层液化的事例，因此有必要按下述方式判别土层的液化范围。 2) 关于土层深度，考虑以前的经验和对结构物影响的程度，取现地面开始20米的深度。 3) 作为需要进行液化判断的土层的粒度下限值，在以前的抗震设计篇(90年2月)中，平均粒径D50为0.02mm，基于近年的研究成果，取了条文规定的数值。根据以往的事例，确认为液化了的地基大部分是细粒分量含有率FC为35%以下的土层，即使FC超过35%也是塑性指数低的土层，例如曾有过低塑性粉质砂等产生液化的事例，所以取了条文规定的数值。因此，FC若在35%以下，就没有必要进行液化、塑性极限试验。 4) 作为需要进行液化判断的土层的粒度上限值，以前的抗震设计篇(90年2月)对平均粒径D50取的是2mm以下，鉴于包括兵库县南部地震在内的最近的地震，曾观测到超过平均粒径2mm的砾质土的液化，如条文所示修改了规定。此处所示的粒径是根据从标准贯入试验得到的试样进行粒度分析求出的值得出的。标准贯入试验的试样由于粒子破碎等影响，粒度变的比原处的细。其程度不一定与粒子的软硬、粗细有一定的关系，标准贯入试验的试样平均粒径10 mm大致相当于原处的平均粒径20mm程度或之上。 同时，把10%粒径D10定为1mm，是考虑到粗粒、均度系数低的砾质土透水性高不易液化的缘故。此外，砂质土和砾质土是根据平均粒径D50未到或超过2 mm来区分的。 5) 在以往的地震中包括兵库县南部地震，洪积土液化的事例未得以确认。一般洪积土N值高，而且，由于岩化作用对液化的阻力大，所以一般液化的可能性小。但是，在一部分地区存在显示出低N值、或失去岩化作用的洪积土层，因此，对这样的洪积土层宜进行液化判断。 (2) 液化的判断是对地震时保有水平抗力法用的类型I及类型II的地震动而进行的。反复三轴强度比RL根据地震动的反复特性有很大变化，因此，决定按照类型I及类型II的地震动，根据式(7.5.7)及式(7.5.8)将其修正。7.5.2 重复三轴强度比（即重复动三轴强度比：译者） 重复三轴强度比RL根据式( 7.5.9)算出。 (7.5.9)其中 Na =c1N1+c2 (7.5.10) N1=1.7N/(s v+0.7) (7.5.11) (7.5.12) (7.5.13) Na=1-0.36log10 (D50/2)N 1 (7.5.14)其中：RL ：重复三轴强度比N：从标准惯入试验得到的N值N1：换算成相当于有效上置压力1kgf/cm2 后的N值Na：考虑了粒度影响的修正N值c1,c2 ：根据细粒分量含有率N值的修正系数FC：细粒分量含有率(%)(粒径75mm以下的土颗粒的通过质量百分率)D50：平均粒径(mm)解说： 本文规定的重复三轴强度比RL的计算式，是在用固结不扰动试样的室内非排水重复三轴压力试验结果及兵库县南部地震事例分析的结果的基础上，区分砂质土和砾质土而求出的。 以前的抗震设计篇(90年2月)中的重复三轴强度比，是从N值得到的强度比加上平均粒径D50及细粒分量含有率FC各自得到的强度比的修正项的形式评价的，而这里将粒度的影响，关于砂质土是根据细粒分量含率FC来修正N值的形式进行评价的。其理由如下： 1) 关于土的粒度特性对重复三轴强度比的影响，较细粒的砂质土可根据细粒分量含率FC评价粒度影响。 2) 较之把粒度影响作为重复三轴强度比的增量来考虑的方法，作为N值的增量来考虑的方法则细粒分量含率比较高、而且能够更确切的评价N值大的土强度。 测定N值的贯入试验，希望用冲击时能量损失少的自由落体法进行。同时，在式(7.5.14)中，由于受到砾石存在的影响，砾质土的N值测定偏高，所以决定按照平均粒径D50减低测定后的N值来评价重复三轴强度比。但是，砾质土在这方面的数据收集还很少，式(7.5.14)所示修正法并不十分可靠，所以也可通过其它方法评价。 曾有一种见解认为，填埋土的重复三轴强度比低于根据式(7.5.9)得出的值，这是因为冲击土强度特性的差异还未明确，也因为现状中数据的积累不充分，所以在这里未设置关于填埋土的特别规定。对于这点需要今后的调查研究。 象河床那样，水位高出地表的情况下，地下水位位于地表，应求总上置压力及有效上置压力。这是因为水不传递剪切力，地震时不形成对地基的外力，并且地面上水的荷载无助于有效上置压力的增加。 此外，判断认为在很需要的情况下，可在该地点实施详细亦最新的地基调查、试验，室内土质试验，地基反应解析等，再参考既往的数据进行液化判断。 7.6 使土质常数降低的土层及其处理 (l) 按照7.4项的规定当土层被判断为极软弱粘性土层和粉质土层时，其土质常数在抗震设计上为零。 (2) 根据7.5项的规定，对于判断为对桥有影响的液化砂质土层，按照液化抵抗率的值，抗震设计上要降低土质常数。但是，在根据地震系数法的基础设计中，对计算得出的FL的值要采用与高一等级FL的范围对应的DE。而且，在2/3FLl的情况下取DE=1。判断为产生对桥有影响的液化情况下的土质常数，要用把土层看作不液化而求出的土质常数乘以表7.6.1的系数DE而计算得出的值。 同时，DE=0时的土层作为抗震设计上土质常数为零的土层。表-7.6.1 土质常数的系数DEFL的范围离现地基面开始的深度x(m)动态剪切强度比R0.30.3RFL1/30x1010x2001/31/61/61/3FL2/30x1010x201/32/32/32/32/3FL10x1010x202/3111 (3) 土质常数在抗震设计上为零或降低的土层