土壌と構造物の相互作用

地盤構造相互作用（SSI）は、土壌（地盤）とその上に建てられた構造物との相互作用から成ります。これは主に相互応力の交換であり、地盤構造システムの動きは地盤の種類と構造物の種類の両方によって影響を受けます。これは地震活動地域に特に当てはまります。土壌と構造物のさまざまな組み合わせにより、動きとそれに伴う損害が増幅または軽減される可能性があります。変形しやすい地盤ではなく硬い地盤上の建物の方が、より大きな損害を受ける傾向があります。土壌の機械的特性と関連する2番目の相互作用効果は、地震イベントによって悪化する基礎の沈下です。この現象は土壌の液状化と呼ばれます。

土木構造物のほとんどは、地面と直接接触する何らかの構造要素を含んでいます。地震などの外力がこれらのシステムに作用すると、構造物の変位も地盤の変位も互いに独立して発生しません。土壌の応答が構造物の動きに影響を与え、構造物の動きが土壌の応答に影響を与えるプロセスは、土壌構造相互作用（SSI）と呼ばれます。^[1]

従来の構造設計法では、SSIの影響は無視されています。低層の建物や単純な剛性擁壁など、比較的硬い土の中の軽量構造物では、SSIを無視することは合理的です。しかし、原子力発電所、高層ビル、軟弱地盤上の高架道路など、比較的軟らかい土の上に立つ重い構造物では、SSIの影響が顕著になります。^[2]

1995年の神戸地震など近年の地震による被害からも、構造物の地震時挙動は上部構造の応答だけでなく、基礎や地盤の応答にも大きく影響されることが浮き彫りになっています。^{[3]そのため、コンクリート標準示方書：耐震性能照査 土木学会 2005年版[4]} などの現代の耐震設計基準では、上部構造、基礎、地盤を含む構造システム全体を考慮して応答解析を行う必要があると規定されています。

従来、SSI は純粋に有益な効果であり、保守的な設計では都合よく無視できると考えられてきました。耐震設計コードの SSI 規定はオプションであり、設計者は土壌構造相互作用 (SSI) を有益な効果として考慮することで、建物の設計ベースシアを減らすことができます。この規定の背後にある主な考え方は、土壌構造システムを、より長い周期と通常はより大きな減衰比を持つ同等の固定ベースモデルに置き換えることができるというものです。^{[5] [6]}ほとんどの設計コードでは、過度に単純化された設計スペクトルを使用しており、これは特定の周期までは一定の加速度を達成し、その後は周期とともに単調に減少します。土壌構造相互作用を考慮すると、構造はより柔軟になり、対応する剛性支持構造と比較して構造の固有周期が増加します。さらに、SSI 効果を考慮すると、システムの有効減衰比が増加します。設計スペクトルの滑らかな理想化は、SSI による固有周期と有効減衰比の増加に伴う地震応答の減少を示唆しており、これが SSI 効果を考慮する場合に設計ベースシアを低減するという耐震設計コードの主な正当性である。同じ考え方は、ASCE 7-10 や ASCE 7-16 などの現在の一般的な耐震設計コードの基礎にもなっている。前述の考え方、すなわちベースシアの低減は線形土壌構造システムには有効であるが、降伏システムに対する SSI の影響を適切に捉えることができないことが明らかになっている。^{[7]最近では、Khosravikia ら[8]}が、ASCE 7-10 の SSI 規定と 2015 年の国家地震ハザード軽減プログラム (NEHRP) の SSI 規定を実施した場合の結果を評価した。これらは、ASCE が提供する 2016 年版の耐震設計基準の基礎となっている。彼らは、NEHRP と ASCE 7-10 の両方の SSI 規定は、中程度の軟弱地盤上の表面基礎を持つ構造物に対しては安全でない設計をもたらすが、NEHRP は低層構造物に対する現在の規定をわずかに改善していることを示しました。非常に軟弱な地盤上の構造物に対しては、両方の規定が保守的な設計をもたらし、NEHRP はさらに保守的です。最後に、両方の規定は、他のシステムに対してはほぼ最適な設計をもたらします。

^{ミロナキスとガゼタス[9]}は厳密な数値解析を用いて、SSIによる構造物の固有周期の増加は、簡略化された設計スペクトルが示唆するように必ずしも有益ではないことを示しました。軟らかい土の堆積物は地震波の周期を大幅に長くする可能性があり、構造物の固有周期の増加は長周期の地盤振動との共振につながる可能性があります。さらに、この研究では、SSI効果により構造物の固有周期の増加に伴って延性要求が大幅に増加する可能性があることが示されました。土壌の永久変形と破壊は、構造物の地震応答をさらに悪化させる可能性があります。

構造物が地震の影響を受けると、基礎や土壌と相互作用し、地盤の動きが変わります。土壌と構造物の相互作用は、大きく分けて、a) 運動学的相互作用と b) 慣性相互作用の 2 つの現象に分けられます。 地震動は、自由場運動と呼ばれる土壌の変位を引き起こします。しかし、土壌に埋め込まれた基礎は自由場運動に追従しません。この自由場運動に基礎が対応できないため、運動学的相互作用が発生します。一方、上部構造の質量は慣性力を土壌に伝達し、土壌のさらなる変形を引き起こします。これを慣性相互作用と呼びます。^[2]

地盤の揺れのレベルが低い場合、運動学的効果がより支配的となり、周期が長くなり、放射減衰が増加します。しかし、より強い揺れが始まると、近距離の土の弾性係数の低下と土と杭の隙間により放射減衰が制限され、慣性相互作用が支配的となり、地表近くに過度の変位と曲げひずみが集中し、地表レベル近くの杭が損傷します。^[2]

最近の地震の観察から、基礎と土壌の応答が構造全体の応答に大きく影響する可能性があることがわかっています。過去の地震では、SSI によって構造物が深刻な被害を受けた事例がいくつかあります。Yashinsky ^{[10]は、1989 年に}サンフランシスコで発生したロマ・プリエタ地震で、杭支持橋梁構造物が SSI の影響で多数被害を受けたと述べています。Mylonakis と Gazetas ^[9]が実施した大規模な数値解析では、 1995 年の神戸地震で阪神高速道路が劇的に崩壊した原因の 1 つが SSI であるとされています。

建物の特性に応じて、主な基礎の種類は次のとおりです。

• 独立した台座（現在は実現不可能）
• 基礎梁で接続された台座
• 逆ビーム
• プレート（低品質のコーヒー粉用）

基礎の充填は、地盤自体の機械的特性に応じて行われます。たとえばイタリアでは、新しい耐震基準である Ordinanza 3274/2003 に従って、次のカテゴリを識別できます。

• カテゴリーA:均質な 岩石層
• カテゴリーB: 密な粒状または粘土質の土壌
• カテゴリーC: 非常に密な粒状または粘土質の土壌
• カテゴリーD: あまり密でない粒状または粘土質の土壌
• カテゴリーE:沖積 表層地盤（非常に質の悪い土壌）

基礎の種類は地盤の種類に応じて選択されます。たとえば、均質な岩石層の場合は連結された台座が選択され、非常に質の低い地盤の場合はプレートが選択されます。

基礎を構築するさまざまな方法の詳細については、「基礎 (建築)」を参照してください。

地盤と構造物はどちらも多少変形しやすく、その組み合わせによって構造物に対する地震の影響が増幅される場合とされない場合があります。実際、地盤はすべての主要な地震波に対するフィルターであり、硬い土壌は高周波の地震波を助長し、密度の低い土壌は低周波の地震波を受け入れます。したがって、高い基本周波数を特徴とする硬い建物は、硬い地盤上に建てられ、その後高周波にさらされると、増幅された被害を受けます。

たとえば、同じ高い剛性を共有する 2 つの建物があるとします。これらの建物は、異なる 2 種類の土壌タイプの上に立っています。1 つ目は硬くて岩が多く、2 つ目は砂で変形しやすい土壌です。同じ地震が発生した場合、硬い地盤の上にある建物の方が大きな被害を受けます。

2 つ目の相互作用効果は、土壌の機械的特性と関連しており、特に密度の低い地盤では、地震自体によって悪化する基礎の低下 (沈下) です。この現象は土壌の液状化と呼ばれます。

地盤と構造物の相互作用の問題を軽減するために最もよく使用される方法は、前述の絶縁システムといくつかの地盤ブレース技術の使用で構成され、これらは主に低品質のもの（カテゴリ D および E）に採用されています。最も普及している技術は、ジェットグラウト技術と杭打ち技術です。ジェットグラウト技術は、ドリルを使用して地盤に液体コンクリートを注入することです。このコンクリートが硬化すると、周囲の土壌を固める一種の柱を形成します。このプロセスは、構造物のすべての領域で繰り返されます。杭打ち技術は、地中に挿入された杭を使用して、荷重または重量をより深い、したがってよりコンパクトで動きに強い土壌層に移動することにより、基礎と上部の建物を支えます。

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