土質工学

ボストンのビッグディグは、都市環境における土質工学上の課題を提示しました

プレキャストコンクリート擁壁

2 次元解析で使用される斜面の一般的な断面。

地盤工学（ジオテクニカル）は、土質材料の工学的挙動を扱う土木工学の一分野です。土質力学と岩石力学の原理を用いて工学的問題を解決します。また、地質学、水文学、地球物理学、その他の関連科学 の知識も必要とします。

土質工学は、軍事工学、鉱山工学、石油工学、沿岸工学、海洋建設などに応用されています。土質工学と工学地質学の分野は、知識領域が重複しています。しかし、土質工学は土木工学の専門分野であるのに対し、工学地質学は地質学の専門分野です。

歴史

人類は歴史的に、土壌を洪水対策、灌漑、埋葬地、建物の基礎、建築資材として利用してきました。少なくとも紀元前2000年に遡る堤防、ダム、運河は、古代エジプト、古代メソポタミア、肥沃な三日月地帯、インダス川流域のモヘンジョ・ダロとハラッパーの初期の集落で発見されており、灌漑と洪水対策に関連した初期の活動の証拠となっています。都市が拡大するにつれて、建造物が建設され、正式な基礎によって支えられるようになりました。古代ギリシャ人は、パッドフーチングとストリップ・アンド・ラフト基礎を特に建設しました。しかし、18世紀まで土壌設計の理論的根拠は確立されておらず、この分野は科学というよりも経験に頼る芸術に近いものでした。^{[ 1 ]}

ピサの斜塔など、基礎工学に関わる様々な問題が、科学者たちが地下構造の調査に科学的なアプローチをとるきっかけとなりました。初期の進歩は、擁壁建設における土圧理論の発展において見られました。フランス王室技師のアンリ・ゴーティエは、1717年に様々な土壌の「自然傾斜」を認識し、後に土壌安息角として知られるようになりました。ほぼ同時期に、物質の単位重量に基づく基本的な土壌分類システムも開発されましたが、これはもはや土壌の種類を示す良い指標とはみなされていません。^{[ 1 ] [ 2 ]}

土への力学原理の応用は、物理学者で技術者のシャルル・クーロンが軍事用の城壁にかかる土圧を測定するための改良法を開発した1773年にすでに記録されています。クーロンは、崩壊時に滑り擁壁の背後に明確な滑り面が形成されることを観察、設計上の滑り面の最大せん断応力は土壌の粘着力、および摩擦（は滑り面の法線応力、 は土壌の摩擦角）の和であると提唱しました。クーロンの理論は、クリスチャン・オットー・モールの2次元応力状態と統合され、モール・クーロン理論として知られるようになりました。現在では、粘着力は土壌の基本的な特性ではないため、正確に測定することは不可能であると認識されていますが、モール・クーロン理論は今日でも実際に使用されています。^{[ 3 ]}${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \sigma \,\!}$ ${\displaystyle \tan(\phi \,\!)}$ ${\displaystyle \sigma \,\!}$ ${\displaystyle \phi \,\!}$ ${\displaystyle c}$

19世紀、ヘンリー・ダーシーは現在ではダーシーの法則として知られるものを考案し、多孔質媒体内の流体の流れを記述しました。数学者で物理学者のジョセフ・ブシネスクは、弾性体の応力分布理論を考案し、地中深部の応力を推定するのに有効であることが証明されました。技術者で物理学者のウィリアム・ランキンは、クーロンの土圧理論に代わる理論を考案しました。アルバート・アッテルバーグは、今日でも土壌分類に使用されている粘土の稠度指標を考案しました。 ^{[ 1 ] [ 2 ]} 1885年、オズボーン・レイノルズは、せん断によって高密度材料の体積膨張と緩い粒状材料の収縮が起こることを認識しました。

現代の土質工学は、機械技術者で地質学者でもあったカール・フォン・テルツァギが著書『土質力学』を出版した1925年に始まったと言われています。多くの人から現代土質力学と土質工学の父とみなされているテルツァギは、有効応力の原理を考案し、土のせん断強度が有効応力によって制御されることを実証しました。 ^{[ 4 ]}テルツァギは、基礎の支持力理論の枠組みや、圧密による粘土層の沈下速度の予測理論も開発しました。^{[ 1 ] [ 3 ] [ 5 ]}その後、モーリス・ビオが、テルツァギによって開発された1次元モデルをより一般的な仮説に拡張し、多孔質弾性の基本方程式を導入して、3次元土壌圧密理論を完全に開発しました。

ドナルド・テイラーは1948年の著書で、密集した粒子の絡み合いと膨張が土の最大強度に寄与することを認識した。ロスコー、スコフィールド、そしてロースは1958年に『土壌の降伏について』を出版し、臨界状態土力学を用いた塑性理論を用いて、体積変化挙動（膨張、収縮、圧密）とせん断挙動の相互関係を確立した。臨界状態土力学は、土の挙動を記述する現代の多くの先進的な構成モデルの基礎となっている。 ^{[ 6 ]}

1960 年、アレック・スケンプトンは、土壌、コンクリート、岩石の有効応力の妥当性に関する文献で利用可能な定式化と実験データを徹底的に調査し、これらの表現の一部を拒否するとともに、応力-ひずみまたは強度挙動、飽和または非飽和媒体、岩石、コンクリート、土壌の挙動など、いくつかの作業仮説に応じて適切な表現を明確にしました。

役割

地質調査

地質技術者は、地下の状態と材料の特性を調査し、決定します。また、関連する土工、擁壁、トンネル、構造物の基礎を設計し、現場の監督と評価を行うこともあります。これには、現場の監視、自然災害のリスク評価と軽減が含まれる場合があります。^{[ 7 ] [ 8 ]}

地質工学エンジニアと工学地質学者は、計画されている構造物の土工や基礎を設計し、地下の状態によって引き起こされた土工や構造物の損傷を修復するために、敷地の下部および隣接する土壌と岩石の物理的特性に関する情報を得るための地質工学調査を実施します。地質工学調査には、敷地の表層および地下の探査が含まれ、多くの場合、地下のサンプリングと採取した土壌サンプルの実験室試験が含まれます。場合によっては、地震波（圧力波、せん断波、レイリー波）の測定、表面波法、ダウンホール法、電磁気探査（磁力計、抵抗率、地中レーダー）などの地球物理学的手法もデータを取得するために使用されます。電気トモグラフィーは、建設プロジェクトにおける土壌と岩石の特性と既存の地下インフラの調査に使用できます。^{[ 9 ]}

地表探査には、徒歩調査、地質図作成、地球物理学的方法、写真測量法などが含まれます。地質図作成と地形の解釈は、通常、地質学者または工学地質学者と相談して行います。地下探査には通常、原位置試験（標準貫入試験やコーン貫入試験など）が含まれます。テストピットの掘削やトレンチング（特に断層や滑り面の位置特定用）も、深部の土壌状態を知るために使用される場合があります。大口径ボーリングは、安全上の懸念と費用の面からめったに使用されません。それでも、地質学者またはエンジニアがボーリングホールに降りて、土壌と岩石の地層を直接目視および手作業で検査するために使用されることがあります。

様々な土壌サンプラーは、様々な工学プロジェクトのニーズに合わせて存在します。厚肉のスプリットスプーンサンプラーを用いる標準貫入試験は、撹乱を受けたサンプルを採取する最も一般的な方法です。薄肉のチューブを用いるピストンサンプラーは、撹乱の少ないサンプルを採取するために最も一般的に用いられます。シャーブルックブロックサンプラーのようなより高度な方法は優れていますが、高価です。凍土のコアリングは、盛土、砂、モレーン、岩盤破砕帯などの地盤条件から、高品質の撹乱を受けていないサンプルを提供します。^{[ 10 ]}

土質工学における遠心模型実験は、土質工学的問題の物理スケールモデルを試験するもう一つの方法です。遠心模型実験では、土の強度と剛性が拘束圧の影響を受けやすいため、土質を含むスケールモデル試験の類似性を高めることができます。遠心加速度を利用することで、研究者は小型の物理モデルで大きな（プロトタイプスケールの）応力を得ることができます。

基礎設計

構造物のインフラの基礎は、構造物から地面へ荷重を伝達します。地質工学エンジニアは、構造物の荷重特性と現場の土壌および岩盤の特性に基づいて基礎を設​​計します。一般的に、地質工学エンジニアは、地下を調査し、現場および室内試験を通じて必要な土壌パラメータを決定するための調査計画を策定する前に、まず支持する荷重の大きさと位置を推定します。その後、工学的基礎の設計を開始します。地質工学エンジニアが基礎設計において主に考慮すべき事項は、基礎直下の支持力、沈下、および地盤変動です。^{[ 11 ]}

土塁

米海軍シービーズが運用する圧縮機／ローラー

^{地質工学エンジニアは、地盤改良、 [ 11 ]}斜面の安定化、斜面の安定性解析 を含む土工の計画と実行にも関与しています。

地盤改良

地盤改良には、ジオセルやジオグリッドなどの補強用ジオシンセティックスなど、様々な土質工学的手法を使用できます。これらは、荷重をより広い面積に分散させ、土壌の耐荷重性を高めます。これらの手法により、土質技術者は直接コストと長期コストを削減できます。^{[ 12 ]}

斜面の安定化

単純な斜面滑り断面

土質技術者は、工学的手法を用いて斜面の安定性を解析し、改善することができます。斜面の安定性は、せん断応力とせん断強度のバランスによって決まります。以前は安定していた斜面も、当初は様々な要因の影響を受け、不安定になる可能性があります。しかし、土質技術者は、安定性を高めるために人工斜面を設計・施工することができます

斜面安定解析

安定性解析は、人工斜面を設計し、自然斜面または設計斜面における斜面崩壊のリスクを推定するために必要であり、最上層の土塊が土の基底に対して滑り、斜面崩壊につながる条件を決定することによって行われる。^{[ 13 ]}土塊と斜面基底との界面の形状が複雑な場合、斜面の安定性解析は困難であり、数値解析法が必要となる。通常、界面の正確な形状は不明であり、単純化された界面形状が仮定される。有限斜面の解析には3次元モデルが必要であるため、ほとんどの斜面は無限に広く、2次元モデルで表現できると仮定して解析される。

サブ分野

ジオシンセティックス

ジオシンセティック製品のコラージュ

ジオシンセティックスは、土木工学分野で使用されるプラスチックポリマー製品の一種で、エンジニアリング性能の向上とコスト削減を実現します。ジオテキスタイル、ジオグリッド、ジオメンブレン、ジオセル、ジオコンポジットなどが含まれます。これらの製品は合成素材であるため、高い耐久性が求められる地盤での使用に適しています。主な機能は、排水、ろ過、補強、分離、封じ込めなどです。

ジオシンセティックスは多様な形状と材質で提供されており、それぞれがわずかに異なる最終用途に適合していますが、併用されることも少なくありません。ジオグリッドや、最近ではセルラーコンフィメントシステムなどの補強用ジオシンセティックスは、支持力、弾性係数、土壌の剛性と強度を向上させることが示されています。^{[ 14 ]}これらの製品は幅広い用途があり、現在、道路、飛行場、鉄道、盛土、杭盛土、擁壁、貯水池、運河、ダム、埋立地、護岸、海岸工学など、多くの土木・地盤工学分野で使用されています。^{[ 15 ]}

沖合

メキシコ沖のプラットフォーム

オフショア（または海洋）地盤工学は、海岸線から離れた海域における人工構造物の基礎設計を扱っています（陸上または沿岸工学とは対照的です）。石油プラットフォーム、人工島、海底パイプラインなどがそのような構造物の例です。^{[ 16 ]}

陸上と海上の地質工学には、多くの重要な違いがあります。^{[ 16 ] [ 17 ]}特に、海底の現地調査と地盤改良は費用が高く、海上構造物はより広範囲の地質災害にさらされ、破損した場合の環境的および経済的影響が大きいことが挙げられます。海上構造物は、風、波、潮流など、様々な環境負荷にさらされています。これらの現象は、運用期間中、構造物とその基礎の健全性や有用性に影響を及ぼす可能性があり、海上設計において考慮する必要があります。

海底土質工学では、海底物質は岩石または鉱物粒子と水からなる二相物質であると考えられている。 ^{[ 18 ] [ 19 ]}構造物は、桟橋、突堤、固定底式風力 タービンのように海底に固定されている場合もあれば、地質工学的なアンカーポイントに対してほぼ固定された浮体構造物で構成される場合もある。人間が設計した浮体構造物の海中係留には、多数の沖合石油・ガスプラットフォームと、2008年以降は少数の浮体式風力タービンが含まれる。浮体構造物を係留するための一般的な工学設計の2つのタイプは、張力脚係留システムと懸垂式緩係留システムである。^{[ 20 ]}

観察法

カール・テルツァギによって最初に提案され、後にラルフ・B・ペックの論文で議論された観察法は、建設中および建設後に変更を加えることを可能にする、建設管理、監視、およびレビューの管理されたプロセスです。この方法は、最も不利な条件ではなく、最も可能性の高い条件に基づいて設計を作成することにより、安全性を損なうことなく全体的な経済性を向上させることを目的としています。 ^{[ 21 ]}観察法を使用すると、利用可能な情報のギャップは測定と調査によって埋められ、建設中の構造物の挙動を評価するのに役立ちます。そして、その結果に応じて構造物を修正することができます。この方法は、ペックによって「学びながら進む」と表現されました。^{[ 22 ]}

観察方法は次のように説明できる。^{[ 22 ]}

1. 鉱床の大まかな性質、パターン、特性を明らかにするのに十分な一般探査。
2. 最も可能性の高い条件と、考えられる最も不利な逸脱を評価します。
3. 最も可能性の高い条件下で予想される動作の仮説に基づいて設計を作成します。
4. 建設の進行中に観察される数量を選択し、最も不利な条件下での作業仮説に基づいてそれらの予想値を計算します。
5. 予測された結果と観察結果の間に予見可能な重大な逸脱がある場合には、事前に対策または設計変更を選択します。
6. 数量の測定と現状の評価。
7. 実際の状況に応じた設計変更

観測手法は、予期せぬ事態が発生したり、故障や事故が起こりそうになったり、すでに発生してしまったりした工事に既に着工している場合に適しています。ただし、工事中に設計変更ができないプロジェクトには適していません。^{[ 22 ]}

参照

• 土木工学
• 深基礎研究所
• 地震工学
• 地球構造
• 有効応力
• 土木地質学
• 地質工学
• 地質専門職
• 水文地質学
• 国際土質力学・地盤工学学会
• カール・フォン・テルツァギ
• 土地造成
• 埋立地
• 機械的に安定させた土壌
• 海洋土質工学
• 岩盤分類
• 堆積制御
• 地震学
• 土質力学
• 土質物理学
• 土壌科学

注記

1. Das, Braja (2006).土質工学の原理. Thomson Learning
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参考文献

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外部リンク

• 世界土質工学文献データベース