最近,気象庁により新たな強震記録のデータセットが公表された.本研究ではこのデータセットと東京大学生産技術研究所の耐震防災工学研究室において東京都内の異なる地点で観測した微動観測記録を用い,既往の統計解析および数値解析の研究結果を確認する.また,本研究では,地震動の強度指標の水平面内における換算係数に関する統計解析,地震動の地盤により異なる特性を予測するための微動観測記録の利用,そして提案した数値モデルによる液状化地盤の応答シミュレーションを行う.

　本論文では,最初に地震動の強度指標の水平面内における換算係数の推定を行った.地震動の強度指標と加速度応答スペクトルに対して,異なる定義の最大値(2方向の最大,平均,合成した最大)の換算係数は,距離減衰式や被害推定式などにおいて有効利用される.これらの換算係数は,76の自由地盤における気象庁87型加速度計で観測された膨大な記録を用いて導かれる.ここで,87型加速度計による記録は,従来のSMAC型加速度計記録のように計器補正を必要としない.

　水平成分の地震動強度指標の最大合成値と加速度応答スペクトルを得るために,水平2成分の記録は時間軸上で合成される.解析から,(2方向の最大/合成値の最大)の比の平均は,加速度記録に関して0.934,速度記録に関して0.926,変位記録に関して0.913となった.最大地震動指標の(平均/合成値の最大)の比と加速度応答スペクトルに対しても,同様な減少傾向を示した.そして,最大地震動指標の方向性を調査した.その結果,最大地震動が主として震央直交方向で生じることがわかった.また,この傾向は地震動のやや長周期成分で顕著である.

　次に本論文では,微動観測記録から予測される地盤増幅の研究を行い,地震動と微動の比較を行った.近年,サイトの卓越周期と増幅を決定するために,中村の方法がよく利用されている.この方法は微動の水平と鉛直のフーリエスペクトルの比を用いる.本研究ではこの方法は強震記録に拡張した.そして,微動から得られるスペクトル比と比較した.その結果,この比は地震のマグニチュード,距離,深さに余り影響されないことがわかった.この発見を確認するために,水平と上下の速度応答スペクトルの比を求めた.87型加速度計記録を用いて,様々な減衰比に対する水平および鉛直成分の速度応答スペクトルの距離減衰特性を地震のマグニチュード,距離,深さとの関係で調べた.その結果,水平/上下の比は地震のマグニチュード,距離,深さに依存せず,観測地点の補正係数を考慮することにより,水平/上下のフーリエスペクトル比を推定することができた.

　また東京都内において,3つのアレー地点と10の点観測地点で,短周期微動観測を行った.このうち6地点では地表および地中に3成分の加速度計が設置されており,残りの7地点では地表に水平成分の加速度計が設置されている.水平と鉛直のフーリエスペクトノレは時間により異なるが,水平と鉛直のスペクトルの振幅比として定義された水平/上下の比は,時間に影響されない統計量となる.この振幅比の特性はレイリー波のものと近似しており,この振幅比のピークの周期は,レイリー波の振幅比およびせん断波に対する伝達関数の卓越周期とよく近似している.このことを確認するために,本研究では2層地盤モデルを用いてパラメータ解析を行い,レイリー波とせん断波に対するピーク周期は,大きなインピーダンス比を持つ地盤では近い値になることを示した.さらに,微動のアレー観測記録の鉛直成分に対する振動数-波数スペクトルを用いて,レイリー波の分散曲線に近い位相速度を得ることができた.

　最後に本論文では,鉛直1次元の多方向せん断を考慮できる有効応カモデルにより,1995年兵庫県南部地震の際,液状化記録が得られた地点について解析した.このモデルは2つのサブモデル(変形モデル,過剰間隙水圧モデル)により構成され,変形モデルは,複数の非線形バネを持つ.既往のモデルに対するこのモデルの利点は,このモデルが応力主軸の回転を考慮できるということである.

　大阪湾の人工島(ポートアイランド)では鉛直アレー観測が行われており,本研究ではまずサイト応答解析をおこなった.そして,この記録とそこから数キロメートル離れた神戸海洋気象台観測所(硬質地盤サイト)での記録と比較した.また,前述の多方向有効応力モデルを用いて,鉛直アレー記録に基づく応答解析を行った.このモデルは,多方向振動を考慮した地盤の液状化現象をよく説明することができる.入力として最深部のアレー観測記録を用いて解析した結果,観測記録とシミュレーション結果は,波形および応答スペクトルともによく一致した.地盤の動的応答および液状化に関する,水平2成分を考慮することによる影響についても詳しく検討した.

　この研究の目的は、実測記録の解析と数値シミュレーションによって、耐震設計において必要となる地震動の各種パラメータを精度良く合理的に求めるための方法を確立することである。設計に関連する地震動パラメータはきわめて多岐にわたるため、そのすべてを精度良く求める手法を確立することはできない。そこで、本論文は、(1)最大加速度等の地震動の強度指標に対して異なった定義を用いた時に、どのような換算係数を採用するのが適当か、(2)地震動にはどの程度の方向性があるか、(3)常時微動や地震動を用いて地盤の増幅特性をどう予測するか、(4)他方向入力を考えて表層地盤の地震応答、とくに液状化予測がどこまでできるか、などを中心課題としている。

　これらの研究の基礎となっているのは、気象庁が1987年から全国展開しているJMA-87型地震計による強震記録のデータベース(387地震、2166記録)および研究者本人が測定した常時微動と地震記録である。JMA-87型地震計は、きわめて高い精度を持ち、従来のSMAC型地震計による加速度記録とは違って、計器補正を必要としない。本論文が対象とするような研究においては、解析に用いる記録の信頼性が重要であり、たとえ解析の内容が部分的に過去に行なわれたようなものを含んでいたとしても、信頼性の高いデータによる解析の結果には、新しい意味があると考えられる。

　このようなデータ信頼性の見地からとくに意味のある研究は、上述の(1)と(2)である。これらの課題に関しては、これまでにも他の研究者による解析の結果が発表されている。しかし、従来のSMAC型強震計の記録を使った研究では、記録を読み取ってデジタル化するときの誤差や、計器特有の誤差などに対する補正が必要であり、解析結果の信頼性は低いといわざるをえない。

　地震動の加速度、速度、変位の最大値は、ふつう東西・南北の2方向で測定する。しかし、実際の地面の揺れは、これら2方向の記録をベクトル合成したものである。単に直交2方向の記録の最大値の大きい方で考えた最大振幅とベクトル合成して得られる揺れの最大振幅の比(2方向の最大/合成値の最大)の平均値を求めた結果、加速度記録に関して0.934、速度記録に関して0.926、変位記録に関して0.913が得られている。一見、これらの数値の差は小さいが、比の値が加速度、速度、変位の順に減少する傾向は、それぞれの地震動が示す方向性の程度の傾向から説明することが可能であり、本研究の解析結果の合理性と信頼性の高さを示唆している。

　常時微動の水平動と鉛直動のフーリエスペクトルの比を用いてサイトの卓越周期と増幅特性を推定する手法が提案されている。本論文では、この手法を地震記録にも拡張して使うことの可能性が検討されている。地震動に対して計算した水平動と鉛直動のスペクトルそのものは、地震の規模、震央距離、震源深さに依存して大きくばらつくが、それらの比は一つ一つの地震によらず、サイト特有の性質を示すことがわかった。しかも、この特性は、比較的周期の長い成分においては、常時微動が示す特性と良く合致し、過去の地震記録を用いて、それぞれの地震の性質には依存しない、サイトに固有の地盤振動特性が求められることが示されている。

　1995年兵庫県南部地震の際に、神戸市のポートアイランドで鉛直アレー観測による地震記録が得られている。この地点では大規模な液状化が発生した。そこで、多方向せん断を考慮できる有効応力モデルにより、応力主軸の回転を考慮した非線形の地盤応答の解析を行なった。アレー観測の最深部で記録された地震動を入力波形とした計算によって、地表における観測記録とシミュレーション結果が、応答スペクトルのみならず時系列波形においても一致し、液状化の発生を良く説明していることがわかった。

　これらの他にも、本研究では、常時微動そのものの波動としての特性の詳細な検討、台湾の原子力施設のモデルサイトにおいて本人が測定した常時微動の特性と実地震記録の特性の比較など、先に示した(1)〜(4)の主目的を側面からサポートする研究成果を提示している。

　地震動の特性を合理的に予測することは、耐震解析・設計の基本であるが、問題の複雑さから、それらのすべてに納得のゆく解答を与えることはできない。したがって、この論文で扱われている内容も、問題の全体から見れば、まだその一部にすぎないといえるが、ここで明らかにされた地震動に関する新しい知見は、その合理性と信頼性の高さにより、今日のいくつかの地震工学の大切な問題に対してきわめて有用かつ実用的な情報を与えている。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。