土質工学

地質工学は、地質工学とも呼ばれ、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使用し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 の知識も必要です。

土質工学は、軍事工学、鉱山工学、石油工学、沿岸工学、海洋建設に応用されています。土質工学と工学地質学の分野には重複する知識領域があります。ただし、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。

人類は歴史的に、土壌を洪水制御、灌漑、埋葬地、建物の基礎、建築資材などの材料として利用してきた。少なくとも紀元前2000年まで遡る堤防、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、灌漑と洪水制御に関連する初期の活動の証拠となっている。都市が拡大するにつれて、構造物が建てられ、形式化された基礎によって支えられるようになった。古代ギリシャ人は、特にパッドフーチングとストリップアンドラフト基礎を建設した。しかし、18世紀まで土壌設計の理論的基礎は開発されておらず、この分野は科学というよりは経験に頼る芸術であった。^[1]

ピサの斜塔など、いくつかの基礎関連の工学的問題により、科学者は地下の調査に科学的なアプローチをとるようになりました。最も初期の進歩は、擁壁建設のための土圧理論の開発で起こりました。フランスの王室技術者アンリ・ゴーティエは、1717年にさまざまな土壌の「自然傾斜」を認識しました。これは後に土壌の安息角として知られるようになりました。同じ頃、材料の単位重量に基づいた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の良い指標とは見なされていません。^{[1] [2]}

土質力学の原理の土壌への応用は、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年にすでに文書化されている。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に着目し、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 の合計であると提案した。ここで、 は滑り面の法線応力、 は土壌の摩擦角である。クーロンの理論をクリスチャン・オットー・モールの2D応力状態と組み合わせることで、この理論はモール・クーロン理論として知られるようになった。今では粘着力は土壌の基本的な特性ではないため、粘着力を正確に測定することは不可能であると認識されているが、モール・クーロン理論は今日でも実際に使用されている。^[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、多孔質媒体内の流体の流れを説明する、現在ではダーシーの法則として知られる法則を考案しました。数学者で物理学者のジョセフ・ブシネスクは、弾性固体の応力分布の理論を考案し、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。エンジニア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数を考案しました。 ^{[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のカール・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]テルツァギはまた、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・ビオは、テルツァギが以前に開発した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次元土質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壌の最大強度に寄与していることを認識しました。ロスコー、スコフィールド、およびロスは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によって体積変化挙動 (膨張、収縮、および圧密) とせん断挙動の相互関係を確立しました。臨界状態土力学は、土壌の挙動を記述する現代の多くの高度な構成モデルの基礎となっています。 ^[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に記載されている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、コンクリートまたは土壌の挙動など、いくつかの作業仮説に従って適切な表現を明確にしました。

地質工学技術者は、地盤の状態や材料の特性を調査し、決定します。また、対応する土工や擁壁、トンネル、構造物の基礎を設計し、現場の監督や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や軽減も含まれます。^{[7] [8]}

地質工学技術者と工学地質学者は、計画された構造物の土工と基礎を設計し、地下の状態によって引き起こされた土工と構造物の損傷を修復するために、敷地の下にある土壌と岩石の物理的特性に関する情報を得るために地質調査を実施します。地質調査には、敷地の表面と地下の探査が含まれ、多くの場合、地下のサンプリングと回収された土壌サンプルの実験室試験が含まれます。地震波（圧力波、せん断波、レイリー波）の測定、表面波法とダウンホール法、電磁気調査（磁力計、抵抗率、地中レーダー）などの地球物理学的方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、建設プロジェクトで土壌と岩石の特性と既存の地下インフラを調査するために使用できます。^[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行われることがあります。直径の大きいボーリングは、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、地質学者やエンジニアがボーリング孔に降りて、土壌や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。

さまざまな土壌サンプラーは、さまざまな工学プロジェクトのニーズを満たすために存在します。厚肉のスプリットスプーンサンプラーを使用する標準貫入試験は、撹乱されたサンプルを収集する最も一般的な方法です。薄肉のチューブを使用するピストンサンプラーは、撹乱の少ないサンプルを収集するために最も一般的に使用されます。シャーブルックブロックサンプラーなどのより高度な方法は優れていますが、高価です。凍土をコアリングすると、盛土、砂、モレーン、岩の破砕帯などの地盤条件から高品質の撹乱されていないサンプルが得られます。^[10]

土質遠心力模型は、土質工学上の問題の物理スケールモデルをテストするもう 1 つの方法です。遠心力模型を使用すると、土壌の強度と剛性が拘束圧力の影響を受けやすいため、土壌に関するスケールモデルテストの類似性が高まります。遠心力の加速により、研究者は小さな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。

構造物のインフラストラクチャの基礎は、構造物から地面に荷重を伝達します。地質工学エンジニアは、構造物の荷重特性と現場の土壌と岩盤の特性に基づいて基礎を設​​計します。通常、地質工学エンジニアは、地下を探索し、現場および実験室でのテスト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作成する前に、サポートされる荷重の大きさと場所を最初に推定します。これに続いて、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で主に考慮するのは、基礎の下の支持力、沈下、および地盤の動きです。 ^[11]

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。

地盤改良には、ジオセルやジオグリッドなどの補強ジオシンセティックスを含むさまざまな土質工学的手法が使用できます。これらは、より広い範囲に荷重を分散させ、土壌の耐荷重能力を高めます。これらの方法により、土質工学者は直接的および長期的なコストを削減できます。^[12]

土質工学エンジニアは、工学的手法を使用して斜面の安定性を分析し、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、最初はさまざまな要因の影響を受け、不安定になる可能性があります。それでも、土質工学エンジニアは、安定性を高めるために人工斜面を設計および実装することができます。

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部に対して滑り、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]土塊と斜面基部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、簡略化された界面形状が想定される。有限斜面を解析するには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次元モデルで表せると仮定して解析される。

ジオシンセティックスは、土質工学で使用されるプラスチックポリマー製品の一種で、コストを削減しながらエンジニアリング性能を向上させます。これには、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、ジオコンポジットが含まれます。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。主な機能には、排水、濾過、補強、分離、封じ込めなどがあります。

ジオシンセティックスは、さまざまな形状や素材で提供されており、それぞれが少しずつ異なる最終用途に適していますが、頻繁に併用されています。ジオグリッドや、最近ではセルラーコンフィネーションシステムなどの一部の補強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、杭打ち盛土、擁壁、貯水池、運河、ダム、埋立地、護岸、海岸工学など、多くの土木および地盤工学用途で使用されています。^[15]

オフショア（海洋）土質工学は、海岸線から離れた海上の人工構造物の基礎設計に関係しています（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]

陸上と海洋の地質工学には、多くの重要な違いがあります。^{[16] [17]}特に、海底の現場調査と地盤改良はより高価であり、海洋構造物はより広範囲の地質災害にさらされており、破損した場合の環境的および経済的影響はより大きいです。海洋構造物は、風、波、潮流など、さまざまな環境負荷にさらされています。これらの現象は、運用期間中の構造物とその基礎の完全性または有用性に影響を及ぼす可能性があり、海洋設計では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 の場合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ままの浮体構造物である場合もある。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。浮体構造物をアンカーするための一般的な工学設計には、テンションレッグ係留システムとカテナリー ルーズ係留システムの2種類がある。^[20]

カール・テルツァギが最初に提案し、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組み込むことを可能にする、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が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。その結果、調査結果に応じて構造物を修正できます。この方法は、ペックによって「学びながら進む」と説明されました。^[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、特性を確立するのに十分な一般的な探査。
2. 最も可能性の高い条件と最も不利な考えられる逸脱の評価。
3. 最も可能性の高い条件下で予測される動作の仮説に基づいて設計を作成します。
4. 建設の進行に伴って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. 予測された結果から観察結果に重大な逸脱が予測されるたびに、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はすでに着工している工事に適しています。工事中に設計を変更できないプロジェクトには適していません。^[22]

• ベイツとジャクソン、1980 年、「地質学用語集：アメリカ地質学研究所」。
• Krynine と Judd、1957 年、「工学地質学と地盤工学の原理」、McGraw-Hill、ニューヨーク。
• Ventura、Pierfranco、2019、Fondazioni、Vol. 1、Modellazioni statiche e sismiche、ホエプリ、ミラノ

• 世界の地質工学文献データベース