а чему равен $document_root ? в той конфигурации что вы привели нет директивы root
Вот я в святой наивности и считаю, что $document_root должен быть для каждого виртуального сервера своим. Или это не так? Если это не так, то я считаю это багом nginx, потому что тогда он не должен позволять использование $document_root в limit_zone в общей секции http, а не в server. Или я опять что-то не понимаю?