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都市インフラ

遠心力を利用した遠心模型実験

実規模レベルの応力状態を再現できる地盤の模型実験

遠心模型実験は、模型地盤に重力のn倍の遠心加速度を作用させた状態で、実物の1/n倍に小型化した模型地盤の実験を行うことで、実際に近い地盤挙動を調べる実験手法です。実規模の実験に比べ、低コスト、短工期で地盤の挙動を再現できることから、地盤工学分野で広く利用されています。

鹿島技術研究所で保有する遠心模型実験装置は、国内トップクラスの載荷性能、最先端の計測機器、並びに様々な荷重条件を再現できる制御装置を備えています。また、羽田空港D滑走路工事をはじめとした実工事における設計・施工法の検証や、切羽補強工法といった新技術の研究開発等、遠心模型実験に関する豊富な実績を有しています。さらに地盤改良など地盤関連工事の信頼性の向上並びに合理化に、遠心模型実験装置を活用できます。

図版:切羽補強工法の補強効果検証実験(掘削模擬装置)

切羽補強工法の補強効果検証実験(掘削模擬装置)

図版:実験後の切羽崩壊形状

実験後の切羽崩壊形状

キーワード

遠心力、遠心模型実験、地盤と構造物の相互作用、静的挙動、動的挙動、地震、液状化
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実験原理と適用例

地盤の挙動は、土自体の重さなど地盤の応力状態によって変化します。小型化した模型実験では、地盤の応力状態が実際の地盤と異なるため、埋立による粘性土地盤の圧密による沈下、盛土や切土による斜面のすべり、地震時の砂地盤の液状化など地盤に関わる問題を再現できません。

遠心模型実験では、重力加速度の数十~数百倍の範囲でn倍の遠心加速度を載荷することによって、1/n倍の小さな模型の中に実物と同じ応力状態を作り出し、実現象とほぼ対応した挙動の再現が可能です。縮小した小型模型を利用する遠心模型実験は、試験体製作のコスト縮減に寄与するだけでなく、長期間にわたる地盤の浸透現象が模型内ではn2倍の速さで進行することによる実験時間の短縮、実物では不可能に近い観測地震波の入力といった利点があります。2010年に供用を開始した羽田空港D滑走路の設計では、接続部の長期的な変形予測法の検証実験に、本実験装置を活用しました。

図版:遠心模型実験の原理

遠心模型実験の原理

図版:羽田空港D滑走路の護岸接続部の基礎地盤を模擬した遠心模型実験

羽田空港D滑走路の護岸接続部の基礎地盤を模擬した遠心模型実験

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特長・メリットココがポイント

遠心模型実験装置

  • 9.8(4.9)kN の試験体を搭載した状態で遠心加速度100(200)G の実験が可能です。
  • コンピュータによる完全自動運転が可能です。
  • 試験体の変形や破壊の状況を写真・ビデオカメラにより映像として計測可能です。
  • 192ch 同時サンプリングが可能です。
  • 動的加振時に油圧ジャッキにより揺動架台を回転腕に固定することにより、精度の高い計測が可能です。

図版:遠心模型実験装置

遠心模型実験装置

図版:遠心模型実験の運転状況

遠心模型実験の運転状況(動画:1分00秒/音なし)

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載荷装置

動的加振装置

  • 加振テーブル上に最大2.5kN の試験体を搭載し、100G の遠心場で実験が行なえるので、多様な振動実験が可能です。
  • 50G場においても実物換算で500Galの大加振が行なえるので、大地震時の地盤の挙動が再現可能です。
  • 実物換算で0.1 ~ 16Hz の広範囲で加振が行なえるので、実際の地震動が再現可能です。

その他の載荷装置

  • トンネル掘削模擬装置
  • 凍土造成装置
  • 模型傾斜(水平震度載荷)装置

図版:載荷装置:動的加振装置

載荷装置:動的加振装置

主な実験対象

  • 大深度地下構造物
  • トンネル掘削
  • 大規模盛土・切土斜面
  • 補強土構造物
  • 杭と地盤の相互作用
  • 各種構造物(橋梁基礎・トンネルなど)と地盤の動的相互作用の解明
  • 液状化地盤の挙動把握および対策工法の検証
  • 土構造物の地震時安定性の検証 など
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適用実績

図版:都市インフラ

本邦の建設会社で初めて遠心模型実験装置を導入した1990年以降、土木系・建築系で数多くの利用実績があります。

学会論文発表実績

  • 「凍結工法に適用する凍上・解凍沈下予測手法の検討 ─遠心模型凍上実験─」,土木学会第66回年次学術講演会,2011年
  • 「遠心力載荷試験装置による杭式改良地盤の液状化実験 ─その1 実験概要・水圧挙動─」,第46 回地盤工学研究発表会,2011年
  • 「遠心力載荷試験装置による杭状改良地盤の液状化実験 ─その2 地表面沈下─」,第46 回地盤工学研究発表会,2011年
  • 「地盤変形の影響を考慮した鋼管矢板井筒護岸の設計(その2) ─遠心模型実験に対する弾・粘塑性構成式の適用性検討─」,地盤工学会第42回地盤工学研究発表会,2007年

土留め掘削工の情報化施工「MARK-Ⅲ」システム

情報化施工により、安全かつ合理的な土留め掘削工を実現

地下掘削工事における土留め工やその周辺地盤の挙動は複雑であるため、工事を安全、経済的、かつ正確に進めるためには、情報化施工の実施が重要です。情報化施工とは、計画段階の設計条件に基づく予測(長期予測)に対し、施工途中の第“n”ステップで得られた各種計測結果を踏まえ、次の第“n+1”ステップの予測(短期予測)を見直し、工事完了の最終ステップの予測精度を順次向上させていく手法です。

MARK-Ⅲシステムは、施工途中段階で得られる計測データから、地盤のパラメータを算定する(現状解析)と共に、工事完了までの各施工段階の土留め壁の断面力、変位および支保工の応力を予測する(予測解析)ことで、情報化施工を実現するシステムであり、これにより合理的かつ安全に掘削工事を進めることができます。

平成21年度土木学会技術賞

図版:情報化施工の概念

情報化施工の概念

キーワード

土留め壁、情報化施工、計測管理、逆解析

MARK-Ⅲシステムによる情報化施工の実施フロー

MARK-Ⅲシステムを用いた情報化施工の実施フローを右に示します。

本システムは、現場での掘削工事の各掘削ステップで得られた各種計測データに基づき、MARK-Ⅲシステムで現状解析(逆解析)を行い、次ステップ以降の土留めの挙動を的確に予測し、施工へフィードバックするものです。

なお、MARK-Ⅲシステムにおける「現状解析」および「予測解析」の内容は、それぞれ以下の通りです。

図版:MARK-Ⅲシステムを用いた情報化施工の実施フロー

MARK-Ⅲシステムを用いた情報化施工の実施フロー

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  1. (1)現状解析土留め壁の変位計測データや切梁軸力データを基に、主働土圧、受働土圧、地盤のバネ、静止土圧の4つの地盤パラメータを変動させ、弾塑性解析を繰り返すことにより、計測変位と実測変位の誤差が最小となるパラメータの組み合わせを選定します。
  2. (2)予測解析「現状解析」で求めたパラメータを用いて、工事完了までの各施工段階における土留め壁の断面力、変位、および支保工反力を予測します。

特長・メリットココがポイント

安全・合理的な施工が可能

「予測解析」の結果、予測値が許容値を超えると予想される場合には、支保工段数の追加など、事前に対応策を講ずることで、安全な施工を可能とします。逆に、土留め工が十分な安全性を有していると判断される場合は、次ステップ以降の支保工の仕様のランクダウン、あるいは支保工段数の削減等により、施工の合理化を可能とします。

図版:本システムの実施工への適用(弾塑性解析)

本システムの実施工への適用(弾塑性解析)

既設構造物に近接して
土留め掘削を行う場合でも、
安全・確実な施工が可能

「予測解析」により、土留め壁の発生変位を予測すると共に、その結果を用いて別途FEM解析等を実施することで、周辺構造物の変状を予測(近接影響検討)し、事前に適切な対策を施しながらの施工が可能です。

図版:本システムの実施工への適用(FEM解析)

本システムの実施工への適用(FEM解析)

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適用実績

図版:東京湾横断道路川崎人工島

東京湾横断道路川崎人工島

場所:神奈川県川崎市

竣工年:1997年3月

発注者:東京湾横断道路

規模:RC連続壁 外径約98m
最大掘削深度約41.7m

図版:首都高速道路大宮線与野JCT付近

首都高速道路大宮線
与野JCT付近

場所:埼玉県与野市

竣工年:2002年7月

発注者:首都高速道路

規模:切梁式ソイルセメント連続壁
施工延長約120m 土留め幅約28m
最大掘削深度約28m

図版:阪神高速道路神戸山手線大道付近

阪神高速道路神戸山手線
大道付近

場所:兵庫県神戸市

竣工年:2006年3月

発注者:神戸高速鉄道

規模:グラウンドアンカー式RC連続壁
施工延長約140m 土留め幅約45m
最大掘削深度約31m

図版:京阪中之島線大江橋駅

京阪中之島線大江橋駅

場所:大阪府大阪市

竣工年:2009年8月

発注者:中之島高速鉄道

規模:切梁式ソイルセメント連続壁
施工延長約175m 土留め幅約18m
最大掘削深度約29.3m

図版:中日本高速道路名古屋第二環状自動車道高針JCT付近

中日本高速道路名古屋第二環状
自動車道高針JCT付近

場所:愛知県名古屋市

竣工年:2009年8月

発注者:中日本高速道路名古屋支社

規模:切梁式ソイルセメント連続壁
施工延長約730m 土留め幅約42m
最大掘削深度約13m

図版:福岡外環状道路井尻地区

福岡外環状道路井尻地区

場所:福岡県福岡市

竣工年:2011年3月

発注者:国土交通省九州地方整備局

規模:切梁式鋼矢板土留め壁
施工延長約108m 土留め幅約42m
最大掘削深度約11.3m

図版:中須賀第2雨水排水ポンプ場

中須賀第2雨水排水ポンプ場

場所:愛媛県松山市

竣工年:2012年11月

発注者:愛媛県松山市

規模:切梁式ソイルセメント連続壁
平面延長約175m
最大掘削深度約17.6m

学会論文発表実績

  • 「千葉市寒川雨水ポンプ場建設工事 山留予測解析(MARK-Ⅲ)」,建設の機械化,No.598,1999年12月
  • 「土留め工の逆解析・予測解析結果の事例紹介」,土木学会関東支部技術研究発表会講演概要集,Vol.32-3巻,2005年3月
  • 「現状・予測解析による山留め支保工計画の合理化」,第40回地盤工学研究発表会,2005年7月
  • 「九州整備局/6年ぶりに契約後VEが成立/福岡外環状道井尻擁壁」,建設通信新聞,2009年2月25日
  • 「鉄道近接工事における山留め情報化施工」,第47回地盤工学研究発表会,2012年7月

都市型水害予測解析システム

豪雨時の雨水流出・排水現象を総合的に評価し、
都市型水害への対策計画立案を支援

都市化による人口・資産の集中、地下空間の利用拡大に伴って、豪雨時の都市部における水害が懸念されています。近年は、ヒートアイランド現象、地球温暖化等の影響も加わり、時間降雨量100mm以上の豪雨が発生し、都市部が水害に見舞われるケースが増加しています。

このような状況から、「特定都市河川浸水被害対策法」が2003年6月に施行され、都市型水害対策への取組みが強化されました。この法律は、河川と下水道が連携するとともに、ハード対策だけでなく、水防法、都市計画法に係るソフト対策も含めて水害対策に取り組もうとしている点が大きな特徴です。

鹿島は豪雨時の都市型水害の状況を高精度に評価することで、水害対策の計画立案を支援するシステムを中部大学と共同で開発しました。

特許出願中

図版:解析結果の可視化例

解析結果の可視化例

キーワード

都市型水害、地表面氾濫解析、河川流解析、下水管路網解析
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特長・メリットココがポイント

総合的で高精度な一体解析が可能

従来のシステムでは考慮することができなかった、地表面氾濫、河川流、下水管路網流を連成させた総合的な一体解析が可能です。河川、下水管から水路に至るまで詳細にモデル化することで、雨水流出過程を高精度で追跡することができます。

さらにポンプ場、貯留施設等の各種水理施設を適切にモデル化できるので、浸水が予測される地域にそれらを設置する効果・最適な規模等を定量的に評価することができます。

図版:都市型水害予測解析システムの解析対象概念図

都市型水害予測解析システムの解析対象概念図

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効率的なプレ・ポスト処理により、解析実務を大幅に軽減

GIS技術を駆使することでシステムの操作性が高められています。プレ処理における入力データ作成、ポスト処理における計算結果出力の処理効率が格段に向上しており、大規模かつ複雑な解析実務を大幅に軽減し、解析作業を行うことができます。

図版:都市型水害予測解析システム 解析フロー

都市型水害予測解析システム 解析フロー

解析結果のビジュアル表示を実現

GIS技術を駆使した効率的な入出力処理に加え、解析結果をビジュアルに表示することができます。動画化することも可能なため、業務の関係者だけでなく、住民説明等の場でも有力なツールとして活用することができます。

図版:ある都市域を対象とした浸水シミュレーションの動画製作例

ある都市域を対象とした浸水シミュレーションの動画製作例(動画:51秒/音なし)
ある都市域の一部を対象とし、地表面標高、下水道・マンホール(約1,400本)、想定降雨等のデータを基に、本システムを適用することによって、10m四方メッシュの浸水シミュレーションを実施しました。想定降雨は、平成12年9月に東海地方で発生した東海豪雨(総雨量589mm、時間最大雨量114mm)相当の集中豪雨とし、時間雨量が最大となる時間帯の浸水状況のシミュレーション結果を動画化したものです。

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学会論文発表実績

  • 「総合的な氾濫解析システムの構築に関する研究」,水工学論文集,2005年
  • 「The development of inundation analysis in urban area」,MPMD2005,2005年1月
  • 「The inundation system on urban area and its application」,XXXI IAHR Conference,2005年9月
  • 「都市型水害予測解析システムの開発」,電力土木,2006年11月
  • 「下水道システムを考慮した氾濫解析の治水対策への適用」,水工学論文集,2007年

交通シミュレーションシステム「REST®

車両の挙動・交通状況を動的に再現・シミュレート
再開発等に伴う道路交通計画、工事中の交通影響等を定量的に評価

「REST(レスト):Realistic Evaluation System of Transportation」は、車両の挙動を交通工学に基づき解析し、交通状況を動的に再現することにより、道路・交通計画や工事による道路占用などの影響を評価する交通シミュレーションシステムです。

交差点単体での渋滞状況のみならず、複数の交差点を含む道路ネットワークとして評価することで、ボトルネックの正確な抽出と改善効果の把握ができます。

さらに、解析結果をCGでビジュアルに表現することにより、関係者の合意形成を促進するツールとしても活用できます。

第8回 国土技術開発賞 入賞

特許登録済

図版:「REST」による交通状況の再現

「REST」による交通状況の再現

キーワード

自動車、道路、交通、シミュレーション、評価、環境
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「REST」を用いた解析・評価フロー

「REST」を用いた道路・交通計画の解析・評価のための基本的なフロー及び入力・出力データを右に示します。

交通シミュレーションシステムには、個々の車両の挙動を再現する「ミクロモデル」と、車群を水の流れの様に扱って広域の検討を行う「マクロモデル」があります。

「REST」は、「ミクロモデル」を採用しており、車両ごとに車種、車長などの車両特性、速度、車頭時間などの走行特性及びドライバー特性を設定し、実際の車の動きをリアルに再現することで交通状況を評価します。

図版:「REST」を用いた評価フローと入力・出力データ

「REST」を用いた評価フローと入力・出力データ

「REST」の信頼性

「REST」は(一社)交通工学研究会において、システムの妥当性が検証されています。

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特長・メリットココがポイント

中小規模の道路ネットワークの詳細な解析・評価

  • 交差点、料金所、駐車場の入出庫処理などでの渋滞予測
  • 駅前広場や敷地内道路などの車両の交錯が複雑な交通条件での検討
  • 工事に伴う交通規制の影響予測
  • 自動車交通に起因する大気汚染、騒音などの環境影響評価

図版:「REST」の主な適用例

「REST」の主な適用例

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交通状況をビジュアルに表現

交通状況の図面上での再現の他に、航空写真をベース図として用いることもできます。

さらには、地形や周辺ビル等をモデル化した3次元アニメーションを作成し、任意の視点から車両の挙動を見ることができます。

  • 沿道状況との関係把握
  • 分かりやすい3次元アニメーションによる合意形成促進
  • ドライバー視点での危険個所確認

図版:簡易3次元アニメーション

簡易3次元アニメーション

図版:航空写真上での再現

航空写真上での再現(動画:20秒/音なし)

図版:3次元アニメーション

3次元アニメーション(動画:41秒/音なし)

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学会論文発表実績

  • 「ETC対応型IC計画に関する基礎研究 ─交通流解析シミュレータ「REST」の開発とその適応例─」,土木学会,第54回年次学術講演会,1999年9月
  • 「Development of Transportation Simulation System “REST” and its application of ETC Interchange Planning」,第7回 ITS世界会議,2000年11月
  • 「DID地区無信号交差点における周辺街路からの合流挙動のモデル化に関する研究」,土木学会,第56回年次学術講演会,2001年9月
  • 「駅前広場空間の高度化利用に関する研究 ─ITSを活用した効率的・弾力的な空間運用に関する考察─」,第27回土木計画学研究・論文集,2004年6月
  • 「スマートICの計画評価手法に関する研究」,土木学会,第60回年次学術講演会,2005年9月

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