我が国は、地形・地質・気象等の条件が厳しく、たびたび自然災害に見舞われています。また、7月には静岡県において大規模な土石流が発生し、大きな被害が出てしまいました。心よりお悔やみとお見舞い申し上げますとともに、1日も早い復旧をお祈り申し上げます。土木に携わる者として、設計・解析などの重要性を改めて感じた次第です。

地盤分野で用いられるFEM地盤解析は、約半世紀にわたり、地盤変形・斜面安定・液状化・浸透流・近接施工等の問題解決のツールとして、多くの複雑なモデルをシュミレーションしてきました。また、実験室内で実現象を再現することが困難な場合や膨大な費用を要する場合などには、FEM地盤解析は様々な現象などを予測し、変形・応力を可視化し、複雑な地盤などの挙動メカニズム把握などに大きな貢献をしてきました。

しかしながら、FEM地盤解析は複雑な支配方程式を用いていることや、プログラムの実施過程のほとんどがブラックボックスであるなど、不得手な方も多いと思います。FEM地盤解析に用いる地盤定数においては、数十～数百平方メートルの解析範囲に対して、土質サンプルは拳大の物が数個程度と、費用・日数等の制限もあり、なかなか数が増えないのが実情です。

とはいえ、FEM地盤解析の活躍範囲はますます広くなっており、解析プログラムのバージョンアップはもちろんのこと、入力地盤定数においての文献等も充実してきており、実務でのFEM地盤解析実施数は年々増えております。

本コーナーは、FEM地盤解析プログラム「Geo Engineer's Studio Ver.2」による、実務での利用を考慮した解析例を紹介します。

本プログラムは、平面ひずみ解析、軸対称解析を対象とした、静的全応力法による地盤の応力～変形解析を行う２次元弾塑性地盤解析プログラムです。

主な適用範囲としては、以下の検討に使用することができます。

• 地盤の応力・変形解析
• 地盤と構造物の相互作用の検討
• 水圧の変動が地盤に及ぼす影響の検討
• トンネル掘削時地盤影響・施工検討解析
• 土留め工の弾塑性解析
• 堤防の地震時液状化の影響解析

また、特徴として

• ステップを考慮した解析が可能
• 境界条件はローラ・固定・強制変位を定義可
• 構成要素モデルは
  ・平面ひずみ,軸対称,梁,棒,バネ要素など
• 地盤モデルは
  ・ 弾性、非線形、MC、弾塑性、液状化モデルM
  ・ No-Tension、梁要素のＭ－φモデルなど
• 考慮可能な荷重は
  ・ 集中、等分布荷重、強制変位
• オートメッシュ機能を搭載

など、多種の解析モデルへの対応が可能です。

残土仮置きによって、竪壁脚部曲げモーメントは約72%増加し、RC擁壁は約8mm位置がずれる結果となりました。

本検討例は、シールドトンネル掘削による周辺地盤への沈下影響を解析した例です。掘削径6mのシールド掘削時の地盤への影響を解析（二次元）した例です。

・ 地表面の鉛直沈下量＝10mm
・ シールド掘削面天端の沈下量=16mm
という結果になり、周辺地盤への影響は少なくないと判断されました。

本検討例は、盛土斜面の地下水位上昇時の変形・作用力解析(二次元)を行った事例です。

盛土下側部分の土層にひずみが集中しているのが分かります。

本検討例は、地下設置ボックスのレベル２地震時「応答震度法」の変形及び作用力解析(二次元)を行った事例です。

ボックスに作用する応力算出結果のうち、Ｍ（モーメント）図を示しています（上図↑）

既設河川堤防の耐震安定性評価にFEM地盤解析を用いた事例です。具体的には、「H19.3 河川構造物の耐震性能照査指針（案）・同解説」及び「H28.3 河川構造物の耐震性能照査指針」 国土交通省河川局治水課における基礎地盤のＦＥＭ自重変形解析（二次元）です（液状化による堤体沈下量を算出）。

解析では「レベル２①液状化前→②液状化時→③体積圧縮時」のステップ解析を行い、「液状化による自重変形量」を解析により求めています。

本堤防は、レベル2地震で液状化が発生する可能性が大きく、なおかつ堤体下側土層に液状化の発生が予想される。また、液状化による堤体沈下量は洪水時水位に近いため、耐震上問題がある堤防であると判断されました。

このようにFEM地盤解析は、多種の構造への適用が可能であり、RC構造との複合構造の解析にも用いられる。また、可視化図表が豊富で、変位や応力分布もカラー図で確認出来ます。

「Geo Engineer's Studio Ver.2」は、地盤分野のFEM解析ツールとしては、活用分野も広く計算も安定しており、操作も分かりやすいソフトです。業務での諸問題解決などに活用してください。