ジオシンセティックス

ジオシンセティックスは、地形を安定させるために使用される合成製品です。これらは一般に、土木工学上の問題を解決するために使用されるポリマー製品です。これには、ジオテキスタイル、ジオグリッド、ジオネット、ジオメンブレン、ジオシンセティック粘土ライナー、ジオフォーム、ジオセル、ジオコンポジットの 8 つの主な製品カテゴリが含まれます。製品はポリマーであるため、高い耐久性が求められる地中での使用に適しています。また、露出用途にも使用できます。ジオシンセティックスは、さまざまな形状と材料で入手できます。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、擁壁、貯水池、運河、ダム、侵食制御、堆積制御、埋立地ライナー、埋立地カバー、鉱業、水産養殖、農業など、多くの土木、地質工学、輸送、地質環境、水力、民間開発用途で使用されています。

土に混ぜるさまざまな種類の混入物は、何千年もの間使用されてきました。ローマ時代の道路建設では、道路やその縁を安定させるために使用されました。これらの初期の試みは、特に道路が不安定な土壌に建設されている場合に、道路の品質を向上させるために、天然繊維、織物、または植物を土に混ぜて行われました。また、エジプトのいくつかのピラミッドや壁のように、急斜面を建設するためにも使用されました。地中に埋まった環境で天然素材（木材、綿など）を使用する際の基本的な問題は、土壌中の微生物によって発生する生分解です。20世紀半ばのポリマーの出現により、はるかに安定した材料が利用可能になりました。適切に配合されると、厳しい環境条件であっても数世紀の寿命が予測されます。

1960 年代のジオシンセティックス (現在知られているもの) に関する初期の論文には、米国ではフィルターとして、欧州では補強材として使用されていたことが記されています。1977 年にパリで開催された会議には、初期の製造業者や実務者が多数集まりました。1982 年に設立された国際ジオシンセティックス協会 (IGS) は、その後 4 年ごとに世界規模の会議を開催し、その多数の支部でも会議が開催されています。現在、個別のジオシンセティックス協会、業界団体、および標準設定グループが活動しています。約 20 の大学がジオシンセティックスの独立したコースを教えており、ほぼすべての大学で地質工学、地質環境、および水理工学のコースにこの科目が含まれています。ジオシンセティックスは世界中で入手可能であり、その活動は活発で着実に成長しています。

ジオテキスタイルは、ジオシンセティックスの 2 大グループの 1 つです。これらは、綿、ウール、シルクなどの天然繊維ではなく合成繊維でできた織物です。そのため、生分解されにくくなっています。これらの合成繊維は、標準的な織機で柔軟で多孔質の織物にされるか、ランダムな不織布としてマット状にまとめられます。編まれたものもあります。ジオテキスタイルは、製造面全体と厚さ内で液体の流れに対して多孔質ですが、その程度は大きく異なります。ジオテキスタイルの特定の用途分野は少なくとも 100 種開発されていますが、この織物は必ず、分離、補強、濾過、排水の 4 つの個別の機能のうち少なくとも 1 つを実行します。

ジオグリッドは、ジオシンセティックスの中でも急速に成長している分野です。ジオグリッドは、織物、不織布、または編物ではなく、非常に開いたグリッド状の構成に形成されたポリマーです。つまり、横方向と縦方向の個々のリブの間に大きな開口部があります。ジオグリッドは、(a) 物理的特性を向上させるために 1 方向、2 方向、または 3 方向に引き伸ばされるか、(b) 標準的な繊維製造方法によって織機または編み機で作られるか、(c) ロッドまたはストラップをレーザーまたは超音波で結合することによって作られます。具体的な用途分野は多数ありますが、ジオグリッドはほぼ例外なく補強材として機能します。

ジオネット、および一部の関連ジオスペーサーは、ジオシンセティックス分野における別の専門分野を構成します。これらは、互いに鋭角をなすポリマーリブの平行セットを連続的に押し出すことによって形成されます。リブを開くと、比較的大きな開口部が網状の構成に形成されます。最も一般的なのは、2 平面型または 3 平面型の 2 種類です。また、非常に多様な種類の排水コアも利用できます。これらは、突起、くぼみ、または尖ったポリマーシート、さまざまな構成の硬いポリマー繊維の 3 次元ネットワーク、およびジオテキスタイル内の穴あきミニパイプまたはスペーサーで構成されています。これらの設計機能は排水領域内に完全に含まれており、あらゆる種類の液体またはガスを輸送するために使用されます。

ジオメンブレンはジオシンセティックスのもう 1 つの大きなグループであり、売上高ではジオテキスタイルを上回っています。米国とドイツでのジオメンブレンの成長は、もともと 1980 年代初頭に固形廃棄物埋立地のライニング用に制定された政府規制によって促進されました。材料自体は比較的薄い不浸透性のポリマー材料のシートで、主に液体または固体貯蔵施設のライニングとカバーに使用されます。これには、あらゆる種類の埋立地、表面貯留池、運河、およびその他の封じ込め施設が含まれます。したがって、主な機能は常に液体または蒸気バリア、またはその両方としての封じ込めです。ただし、用途の範囲は広く、環境分野に加えて、地質工学、輸送、水力、および民間開発エンジニアリング (養殖、農業、堆積浸出採鉱など) での用途が急速に拡大しています。

ジオシンセティック クレイ ライナー (GCL) は、ポリマー材料と自然土壌の興味深い組み合わせです。工場で製造されたベントナイト クレイの薄い層のロールで、2 つのジオテキスタイルの間に挟まれているか、ジオメンブレンに接着されています。その後の複合材の構造的完全性は、ニードル パンチ、ステッチ、または接着結合によって得られます。GCL は、ジオメンブレンの下の複合材コンポーネントとして、またはそれ自体で、地質環境および封じ込め用途、輸送、地質工学、水力、および多くの民間開発用途で使用されます。

ジオフォームは、ポリスチレンを加工して、空気やガスで満たされた多数の独立気泡からなるフォームにすることで作られるポリマー製品です。気泡壁の骨格は、未膨張のポリマー材料でできた骨構造に似ています。結果として得られる製品は、一般的には大型ですが極めて軽量なブロックの形をしており、横に並べて層状に積み重ねることで、さまざまな用途で軽量充填材として使用できます。

ジオセル (セルラー閉じ込めシステムとも呼ばれる) は、圧縮された土壌を充填すると閉じ込めシステムを形成する 3 次元のハニカム セル構造です。ポリマー材料から押し出されたストリップを超音波で直列に溶接し、ストリップを拡張して、柔軟な 3D セルラー マットレスの硬い (通常はテクスチャ加工され、穴があいている) 壁を形成します。土壌を充填すると、セルと土壌の相互作用から新しい複合エンティティが作成されます。セルの閉じ込めにより、土壌粒子の横方向の動きが軽減されるため、圧縮が維持され、荷重をより広い領域に分散する硬いマットレスが形成されます。従来は法面保護や土留めに使用されていた高度なポリマー製のジオセルは、道路や鉄道の長期的な荷重支持にますます採用されつつあります。保護バンカーや壁には、硬いジオテキスタイルを縫い付けた同様の大型のユニット セルから、さらに大型のジオセルも作られています。

ジオドレーンは、流体を輸送する 1 つ以上のポリマー コア要素 (穴あきミニパイプ、ジオネット、尖頭シート) と、流体領域を周囲の環境から分離する 1 つ以上のジオシンセティックスから構成されるプレハブ製品です。

ジオコンポジットは、工場で製造されたユニット内のジオテキスタイル、ジオグリッド、ジオネット、および/またはジオメンブレンの組み合わせで構成されています。また、これら 4 つの材料のいずれかを別の合成材料 (変形プラスチック シートやスチール ケーブルなど) や土壌と組み合わせることもできます。例として、両面にジオテキスタイルを使用したジオネットまたはジオスペーサー、およびジオテキスタイル/ベントナイト/ジオテキスタイルのサンドイッチで構成された GCL は、どちらもジオコンポジットです。この特定のカテゴリでは、エンジニアとメーカーの最高の創造的努力が引き出されます。適用分野は多数あり、常に拡大しています。主な機能には、分離、補強、濾過、排水、封じ込めなど、前述のジオシンセティックスの機能の全範囲が含まれます。

先ほど説明したさまざまな種類のジオシンセティックスと、その材料に求められる主な機能を並べると、ジオシンセティックスの組織マトリックスを作成できます。下の表を参照してください。本質的に、このマトリックスは、ジオシンセティックス分野全体とその設計関連の方法論を理解するための「スコアカード」です。表には、各ジオシンセティックスに求められる主な機能が表示されています。これらは主な機能であり、多くの場合 (ほとんどの場合ではないにしても) 二次機能があり、おそらく三次機能もあることに注意してください。たとえば、軟弱な土壌に配置されるジオテキスタイルは通常、その補強機能に基づいて設計されますが、分離と濾過は確かに二次的および三次的な考慮事項である可能性があります。別の例として、ジオメンブレンは明らかに封じ込め機能のために使用されますが、分離は常に二次的な機能です。製造と材料の観点から最も変動が大きいのは、ジオコンポジットのカテゴリです。主な機能は、実際に作成、製造、および設置されるものによって完全に異なります。

ジオシンセティックスは通常、提供できる主な機能を考慮して特定の用途向けに設計されます。添付の​​表に示すように、5つの主な機能が示されていますが、一部のグループはさらに多くの機能を提案しています。^[3]

分離とは、多孔質ジオテキスタイルのような柔軟なジオシンセティック素材を異なる素材の間に配置することです。これにより、両方の素材の完全性と機能が損なわれず、さらに改善されます。舗装道路、未舗装道路、鉄道の基部が一般的な用途です。また、厚い不織布ジオテキスタイルをクッションやジオメンブレンの保護に使用することもこのカテゴリに含まれます。さらに、ジオフォームとジオセルのほとんどの用途では、分離が主な機能です。

補強とは、ジオテキスタイル、ジオグリッド、ジオセル（いずれも張力に優れている）を土壌（圧縮には優れているが、張力に弱い）またはその他のばらばらで分離された材料に導入することで、システム全体の強度を相乗的に向上させることです。この機能は、機械的に安定化され保持された土壁や急勾配の土壌斜面で応用されています。また、石積み面材と組み合わせて垂直の擁壁を作成することもできます。また、軟弱地盤や盛土および重い表面荷重のための深い基礎に基礎補強材を適用することも含まれます。硬いポリマー製ジオグリッドとジオセルは、ジオテキスタイルとは異なり、土壌補強のために張力をかけておく必要がありません。硬い 2D ジオグリッドと 3D ジオセルは骨材粒子と連動し、骨材を閉じ込めるという補強メカニズムが採用されています。結果として得られる機械的に安定化された骨材層は、耐荷重性能が向上します。非常に開いた開口部を持つ硬いポリマー ジオグリッドや、さまざまなポリマーで作られた 3 次元ジオセルも、未舗装および舗装道路、荷役プラットフォーム、鉄道バラストでますます指定されるようになっています。これらの場所では、耐荷重特性の向上により、高品質の輸入骨材充填の必要性が大幅に軽減され、建設の 炭素排出量が削減されます。

ろ過とは、土壌とジオテキスタイルの平衡相互作用であり、検討中の用途に適合する耐用年数にわたって、ジオテキスタイルの平面全体にわたって土壌損失のない適切な液体の流れを可能にします。ろ過の用途には、高速道路の暗渠システム、擁壁排水、埋立地浸出水収集システム、シルトフェンスやカーテン、バッグ、チューブ、コンテナの柔軟な形状などがあります。

排水は、土壌とジオシンセティックの平衡システムであり、対象とする用途に適合した耐用年数にわたって、ジオシンセティックの平面内で土壌損失なしに適切な液体の流れを可能にします。ジオパイプ、ジオネット、ジオコンポジット、非常に厚いジオテキスタイルは、この機能を強調しています。これらのさまざまなジオシンセティックの排水用途は、擁壁、スポーツ競技場、ダム、運河、貯水池、毛細管破断です。また、シート、エッジ、ウィック ドレインは、さまざまな土壌および岩石の排水状況で使用されるジオコンポジットです。^{[どれですか? ]}

封じ込めには、ジオメンブレン、ジオシンセティック粘土ライナー、または液体またはガスのバリアとして機能するジオコンポジットが関係します。埋立地のライナーとカバーでは、これらのジオシンセティックが重要な役割を果たします。すべての水圧用途 (トンネル、ダム、運河、表面貯水池、浮体カバー) でも、これらのジオシンセティックが使用されています。

• 管理された工場環境でジオシンセティックスを製造すると、品質管理が徹底されるため、屋外の土や岩を使った建設に比べて大きな利点があります。ほとんどの工場は ISO 9000 認証を取得しており、独自の社内品質プログラムも持っています。
• ジオシンセティックスの厚さは天然土壌に比べて薄いため、路床への負担が軽く、空地の使用が少なく、採石された砂、砂利、粘土質土壌材料の使用を回避できるという利点がある。^[1]
• ジオシンセティックスの設置の容易さは、大型の土木機械を必要とする厚い土壌層（砂、砂利、粘土）と比較して重要です。^[1]
• 公開されている標準（テスト方法、ガイド、仕様）は、ISO、ASTM、GSI などの標準設定組織で十分に進められています。
• 設計方法は現在、多くの出版物や、ジオシンセティックスの単独コースを教えている大学、または従来の地質工学、地質環境、水理工学のコースにジオシンセティックスを統合している大学から入手できます。
• ジオシンセティック設計を他の天然土壌設計と比較すると、通常はコスト面での利点があり、持続可能性（CO2排出量の低減）の利点も必ずあります_。 [ ^1]

• ジオシンセティックの製造に使用される特定の配合樹脂の長期的な性能は、抗酸化剤、紫外線遮蔽剤、充填剤などの適切な添加剤を使用することによって保証されなければなりません。
• ジオシンセティックスはポリマーであるため、露出寿命は土壌埋め戻し時の非露出寿命よりも短くなります。
• ジオテキスタイル、ジオネット、ジオパイプ、ジオコンポジットの目詰まりやバイオ目詰まりは、特定の土壌タイプや異常な状況では設計が困難です。たとえば、黄土、細かい非粘着性シルト、非常に濁った液体、微生物を多く含む液体 (農場の流出水) は問題が多く、通常は専門的なテスト評価が必要です。
• 取り扱い、保管、運搬、設置は、慎重な品質管理と品質保証によって確実に行う必要があります。

ウィキメディア・コモンズには、ジオシンセティックスに関連するメディアがあります。

• 国際ジオシンセティックス協会のウェブサイト -国際ジオシンセティックス協会も参照
• 欧州ジオシンセティック製品製造業者協会のウェブサイト
• ジオシンセティックマテリアル協会
• 国際ジオシンセティック施工者協会
• ジオテキスタイルの工学的利用
• ジオシンセティック研究所
• 工業用ジオシンセティックス
• ジオシンセティックシステム
• ジオシンセティックス誌
• Geosynthetica – 無料のデジタルジオシンセティックス出版物
• ジオシンセティック補強土塊の複合挙動連邦道路管理局
• VERUS 認証 – ジオシンセティックス製品の CE マーク認定機関番号 2449