膨張性粘土
膨張性粘土（膨張土とも呼ばれる）は、水分量の変化に直接関連して大きな体積変化（膨張と収縮）を起こしやすい粘土質土壌である。[ 1 ]膨張性鉱物の含有量が多い土壌は、乾燥した季節や年には深い亀裂が生じることがある。このような土壌はバーティソルと呼ばれる。モンモリロナイト、カオリナイト、イライト族鉱物（モンモリロナイト含有ベントナイトなど）などのスメクタイト粘土鉱物を含む土壌は、最も劇的な収縮・膨張能力を有する。
このタイプの土壌の鉱物組成は、保水性に大きく影響します。すべての粘土は層状に詰まった鉱物シートで構成されており、1:1または2:1に分類されます。これらの比率は、四面体シートと八面体シートの比率を示しています。2:1粘土では八面体シートが2つの四面体シートの間に挟まれており、1:1粘土ではシートが2つずつ対になっています。膨張性粘土は、膨張する結晶格子が2:1の比率で存在しますが、2:1の非膨張性粘土も存在します。[ 2 ]
膨張性粘土の識別
膨張性粘土の存在を確認するために、土質技術者は室内試験技術を用いて収縮膨張ポテンシャルを評価することがあります。アッターバーグ限界は、塑性指数（PI）と液性限界（LL）を測定して土の挙動を判定するものであり、PIが35を超える場合は高い膨張ポテンシャルを示し、LLが50を超える場合は顕著な膨張特性を示します。[ 3 ]
自由膨潤試験は、水中の乾燥土壌の体積と灯油中の体積を比較することで、自由膨潤指数（FSI）を測定します。鉱物学的分析は、X線回折（XRD）試験であり、土壌の収縮膨潤特性を示すモンモリロナイトなどの特定の粘土鉱物を特定することができます。[ 4 ]
膨張性土の現地評価も実施される場合があります。これには、ギルガイ地形（丘と窪みが交互に現れる地形）や深い収縮亀裂といった地表の特徴を特定するための目視検査が含まれます。また、湿らせた土壌を糸状に丸める簡単な手作業による評価も現地評価の一つです。糸が崩れることなく直径3mmまで丸められる場合、その土壌には測定可能な量の粘土が含まれている可能性が高く、ある程度の膨張性があると考えられます。[ 5 ]
リスクアセスメント
オイドメーター膨張ポテンシャル値に基づく土壌膨張の識別基準：[ 6 ]
| 拡張度 | コロイド含有量（％） | 可塑性指数（％） | 収縮指数（％） | HoltsとGibbsによるオエドメーターの膨張率（％） |
|---|---|---|---|---|
| 低い | 17歳未満 | 18歳未満 | 15歳未満 | 10未満 |
| 中くらい | 12-27 | 15～28歳 | 15～30歳 | 10～20 |
| 高い | 18～37歳 | 25-41 | 30～60歳 | 20～30 |
| 非常に高い | 27歳未満 | 35歳以上 | 60歳以上 | 30歳以上 |
膨張性土壌の管理
膨張性粘土の影響を受けた地域に建設される構造物への影響を管理することは、土質工学および構造工学における重要な考慮事項です。建設分野では、環境、コスト、スケジュールの制約に応じて、いくつかの手法が用いられています。
構造工学
構造ソリューションとは、建設の基礎工事段階において統合・実施される工学設計です。構造設計要素は、物理的な手段を用いて、膨張する土壌からの上向きまたは隣接した圧力を土壌に緩和します。
膨張性土の影響を管理するために、1つまたは複数の手法が採用される場合があります。これには、深い基礎を掘削したり、影響を受ける土壌の深さを超えて杭システムを設置したりする設計や、下層に横梁を設けた補強スラブオングランド構造が含まれます。
基礎下の空洞は、ボイドフォームによって作られ、膨張した土壌が流入する空間を提供し、この圧力による衝撃から基礎を保護します。ボイドフォームには、分解性（紙、段ボール）と非分解性（折りたたみ式プラスチック、EPSフォーム）など、様々な材質と形状があり、構造用コンクリートスラブ、橋脚、梁の下で使用できるように設計されています。
化学的安定化
化学安定剤は、土壌の性質を変化させ、既存の膨張性土壌条件をより安定させる基盤を形成するための特殊な化合物です。生物学的、物理的、化学的な添加物を通じて、土壌の化学組成と物理的特性を変化させることで作用します。[ 7 ]
一般的な化学的膨張性粘土処理には、石灰、ポートランドセメント、フライアッシュ、ポリマーベースの添加剤などがあります。
湿気コントロール
水分制御は、環境水源の方向を変え、構造物の下および周囲の一貫した水分平衡を維持するように設計された予防措置を通じて、膨張性土壌の膨張の可能性を管理します。
戦略には、排水システムや地表水管理のための勾配、排水ポンプの使用、不浸透性の垂直防湿層、植生、湿度を調節する地被植物、構造物の周囲の緩衝帯などを組み込んだ造園設計などが含まれる場合があります。
参照
参考文献
- ^キング、ホバート。「膨張性土壌と膨張性粘土：地下室と基礎の問題の背後にある隠れた力」 Geology.com 。 2025年4月16日閲覧。
- ^ Science.gov 粘土関連記事
- ^ Suliman, Manal; Alkherret, Abdulrazzaq (2020年12月). 「高膨張性土の自由膨潤挙動を制御するための微細シリカ砂と花崗岩粉末廃棄物の利用」 . Modern Applied Science . 15 (1): 53– 62 – Research Gate経由.
- ^ 「ASTM D4546-21 土壌の一次元膨潤または崩壊に関する標準試験方法」 ASTM International 2021年4月21日。2022年6月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2025年2月10日閲覧。
- ^ 「手作業による土壌の質の推定」第一次産業・地域開発省農業・食料局. 2021年11月. 2025年1月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年1月30日閲覧。
- ^ Holz, Wesley; Gibbs, Harold (1956年1月). 「膨張性粘土の工学的特性」 .アメリカ土木学会誌. 121 (1): 641– 663 – Research Gate経由.
- ^ Biswas, Rajdip; Krishna, Nemani VSR (2008). 「フライアッシュが膨張性土の強度と膨潤性に与える影響」(PDF) .国立工科大学ルーケラ校土木工学部.
