土壌の液状化

土壌の液状化は、地震の際の揺れや、通常は固体である物質が液体のように振る舞うような、応力条件のその他の突然の変化などの印加応力に反応して、非粘着性の飽和または部分的に飽和した土壌が強度と剛性を大幅に失うときに発生します。土質力学において、「液状化」という用語は、 1918 年にカリフォルニア州のカラベラス ダムが決壊した際に、アレン ヘイゼン^{[1]によって初めて使用されました。彼は、}堤防ダムの流動液状化のメカニズムを次のように説明しました。

細孔内の水の圧力がすべての荷重を支えるのに十分大きい場合、粒子を離して保持する効果があり、実質的に流砂と同等の状態が作り出されます...物質の一部が最初に移動すると、最初に集中したポイントが液化されるため、最初は 1 つのポイントに、次に別のポイントに、順に圧力が蓄積される可能性があります。

この現象は、飽和した緩い（低密度または圧縮されていない）砂質土で最もよく見られます。これは、緩い砂は荷重がかかると圧縮される傾向があるためです。対照的に、密度の高い砂は体積が膨張する、つまり「膨張」する傾向があります。土壌が水で飽和している場合（土壌が地下水位または海面より下にある場合によく見られる状態）、水は土の粒子間の隙間（「間隙空間」）を満たします。土壌が圧縮されることに反応して、間隙水圧が上昇し、水は土壌から低圧領域（通常は地表に向かって上向き）に流れ出そうとします。ただし、荷重が急速に適用されて十分に大きい場合、または何度も繰り返されて（地震の揺れ、暴風雨の波の荷重など）、次の荷重サイクルが適用される前に水が流れ出ない場合、水圧は、土の粒子を接触させている力（接触応力）を超える程度まで増加する可能性があります。こうした粒子間の接触は、建物やその上にある土層の重量が地表からさらに深いところにある土層や岩層に伝わる手段です。土壌構造が失われると、強度（せん断応力を伝達する能力）が失われ、液体のように流れるように見えることがあります（そのため「液状化」と呼ばれます）。

土壌の液状化の影響は古くから知られていましたが、技術者が注目するようになったのは1964年のアラスカ地震と1964年の新潟地震の後です。 1989年のロマ・プリエタ地震ではサンフランシスコのマリーナ地区、1995年の阪神大震災では神戸港が大きな被害を受けましたが、液状化は主な原因でした。最近では、 2010年のカンタベリー地震^[2]でクライストチャーチ東部郊外と衛星都市の住宅に甚大な被害をもたらし、 2011年初めから中頃に続いたクライストチャーチ地震でもさらに大きな被害が出ました。^[3] 2018年9月28日、インドネシアの中部スラウェシ州でマグニチュード7.5の地震が発生しました。その結果生じた土壌の液状化により、バラロア郊外とペトボ村が3メートル（9.8フィート）の深さの泥に埋もれました。インドネシア政府は泥に完全に埋もれてしまったバラロア地区とペトボ地区の2つの地域を集団墓地に指定することを検討している。^[4]

多くの国の建築基準法では、新しい建物や橋梁、堤防ダム、擁壁などのインフラの設計において、土壌の液状化の影響を考慮することを技術者に義務付けています。^{[5] [6] [7]}

土壌の液状化は、土壌の有効応力（せん断強度）が実質的にゼロに減少したときに発生します。これは、単調な荷重（つまり、応力の単一の突然の変化の発生。例には、盛土の荷重の増加や法尻の支持の突然の喪失が含まれます）または周期的な荷重（つまり、応力状態の反復的な変化。例には、波の荷重や地震の揺れが含まれます）のいずれかによって引き起こされる可能性があります。どちらの場合も、飽和した緩い状態の土壌、および荷重の変化によって大きな間隙水圧を生成する可能性のある土壌が最も液状化する可能性が高くなります。これは、緩い土壌はせん断されると圧縮される傾向があり、非排水荷重中に荷重が土壌骨格から隣接する間隙水に伝達されると、大きな過剰間隙水圧が発生するためです。間隙水圧が上昇すると、有効応力が減少し、土壌の強度が徐々に低下します。液状化は砂質土または非塑性シルト質土で発生する可能性が高くなりますが、まれに砂利や粘土でも発生することがあります（生粘土を参照）。

土壌の強度が構造物の斜面や基礎の平衡を保つのに必要な応力以下に低下すると、「流​​動破壊」が始まる可能性があります。これは単調な荷重や周期的な荷重によって発生する可能性があり、突然で壊滅的な場合があります。歴史的な例としては、アベルファン災害があります。カサグランデ^[8]は、このタイプの現象を「流動液状化」と呼んでいますが、これが発生するには有効応力がゼロの状態である必要はありません。

「周期的液状化」とは、周期的な荷重に応じて大きなせん断ひずみが蓄積された土壌の状態です。有効応力がほぼゼロになる典型的な基準ひずみは、5% の二重振幅せん断ひずみです。これは土壌試験に基づく定義で、通常は周期的三軸、周期的直接単純せん断、または周期的ねじりせん断タイプの装置で実施されます。これらの試験は、特定のせん断応力振幅での荷重のサイクル数を観察することで土壌の液状化耐性を判定し、「破損」を誘発します。ここでの破損は、前述のせん断ひずみ基準によって定義されます。

「サイクリック モビリティ」という用語は、サイクリック荷重による有効応力の漸進的減少のメカニズムを指します。これは、密な土壌を含むすべての土壌タイプで発生する可能性があります。ただし、有効応力がゼロの状態に達すると、そのような土壌はすぐに膨張して強度を取り戻します。したがって、せん断ひずみは土壌の液状化の実際の状態よりも大幅に小さくなります。

液状化は、シルト質砂や不浸透性堆積物を含む砂や砂利など、排水の悪い緩いから中程度に飽和した粒状土で発生する可能性が高くなります。^{[9] [10]}波荷重、通常は周期的な非排水荷重（地震荷重など）が加わると、緩い砂は体積が減少する傾向があり、これにより間隙水圧が増加し、その結果、せん断強度、すなわち有効応力が減少します。

液状化の影響を受けやすい堆積物は、少なくとも数メートルの厚さがあり、水で飽和した、同じ粒径（よく分級された）の若い（完新世時代、過去 10,000 年以内に堆積した）砂とシルトです。このような堆積物は、川床、海岸、砂丘、および風で運ばれたシルト（黄土）と砂が堆積した地域に沿ってよく見られます。土壌の液状化の例には、流砂、流動粘土、濁流、地震誘発性の液状化などがあります。

初期間隙比に応じて、土壌材料は荷重に対してひずみ軟化またはひずみ硬化のいずれかの反応を示します。ゆるい砂などのひずみ軟化土壌は、静的せん断応力が土壌の極限せん断強度または定常せん断強度より大きい場合、単調または周期的に崩壊する可能性があります。この場合、流動液状化が発生し、土壌は低い一定の残留せん断応力で変形します。土壌がひずみ硬化した場合、たとえば中密度から高密度砂になった場合、流動液状化は通常発生しません。ただし、地震荷重などの周期的な非排水荷重により、周期的な軟化が発生する可能性があります。周期荷重中の変形は、土壌の密度、周期荷重の大きさと期間、およびせん断応力の反転の量によって異なります。応力の反転が発生すると、有効せん断応力がゼロになり、周期的な液状化が発生する可能性があります。応力の反転が発生しない場合、有効応力がゼロになることはできず、周期的な可動性が発生します。^[11]

非粘着性土の液状化に対する抵抗力は、土の密度、拘束応力、土の構造（組織、年齢、セメント化）、繰り返し荷重の大きさと期間、およびせん断応力の反転が発生する程度によって異なります。^[12]

簡略化された経験的方法を使用して液状化の可能性を評価するには、3 つのパラメータが必要です。

1. 液状化に対する土壌の抵抗の尺度：標準貫入抵抗（SPT）^{[13] [14]}円錐貫入抵抗（CPT）^[15]またはせん断波速度（Vs）^[16]
2. 地震荷重は繰り返し応力比として測定される ^[17]${\displaystyle CSR={\frac {\tau _{av}}{\sigma '_{v}}}=0,65{\frac {a_{max}}{g}}{\frac {\sigma _ {v}}{\sigma '_{v}}}r_{d}}$
3. 土壌の液状化に対する抵抗力。繰り返し抵抗比（CRR）で表されます。

固体骨格と間隙流体の流れの相互作用は、液状化現象に関連する材料の軟化をモデル化するために多くの研究者によって考慮されてきました。飽和多孔質媒体の動的性能は、土壌と間隙流体の相互作用に依存します。飽和多孔質媒体が強い地面の揺れにさらされると、固体骨格に対する間隙流体の動きが誘発されます。間隙流体の過渡的な動きは、間隙水圧の再分配に大きな影響を与える可能性があります。これは通常、荷重速度、土壌の透水性、圧力勾配、および境界条件によって決まります。十分に高い浸透速度の場合、多孔質媒体の支配的な流れの法則は非線形であり、ダルシーの法則に従わないことはよく知られています。この事実は、液状化モデリングのための土壌と間隙流体の相互作用の研究で最近考慮されています。乱流の法則については、完全に明示的な動的有限要素法が開発されました。飽和多孔質媒体の支配方程式は、Biot の定式化の拡張に基づいて表現されています。地震荷重を受ける土壌の弾塑性挙動は、降伏面と非関連流動則から構成される一般化塑性理論を用いてシミュレートされている。 ^[18]

大地震の際に発生する圧力により、地下水や液状化した砂が地表に押し上げられることがあります。これは地表で「砂の沸騰」、「砂の吹き出し」、「砂の火山」とも呼ばれる現象として観察されます。このような地震による地盤変形は、断層破壊上またはその近くにある場合は一次変形、断層破壊からかなり離れた場所にある場合は分散変形に分類できます。^{[19] [20]}

他によく見られる現象は、土地の不安定性です。つまり、斜面を下る、または川、小川、海岸の支えのない縁に向かって地面が割れたり動いたりします。このような地面の崩壊は「横方向の広がり」と呼ばれ、水平からの角度がわずか 1 度または 2 度の非常に緩やかな斜面で発生することがあります。

土壌の液状化のプラス面の 1 つは、地震の揺れの影響が地震の残りの期間に大幅に減衰(軽減) される傾向があることです。これは、液体はせん断応力を支えないため、揺れによって土壌が液状化すると、その後の地震の揺れ (せん断波によって地面に伝わる) が地表の建物に伝わらないからです。

先史時代の地震によって生じた液状化現象の研究は、古液状化現象または古地震学と呼ばれ、記録が残る前や正確な測定が行われる前に発生した地震に関する情報を明らかにすることができます。^[21]

地震の揺れによって引き起こされる土壌の液状化は、都市部の地震リスクの大きな要因です。

土壌の液状化が建築環境に及ぼす影響は、極めて甚大です。基礎が液状化した砂の上に直接支えられている建物は、突然の支持力喪失に見舞われ、その結果、建物が急激かつ不規則に沈下し、基礎のひび割れや建物構造の損傷などの構造的損傷を引き起こしたり、構造的損傷がなくても建物が使用不能になったりします。建物の基礎と液状化した土壌の間に、非液状化土壌の薄いクラストが存在する場合、「パンチングせん断」型の基礎破壊が発生する可能性があります。不規則な沈下により、地下のユーティリティ ラインが破損する場合があります。クラスト層を通過する液状化した土壌の移動によって加えられる上向きの圧力により、弱い基礎スラブが割れ、サービス ダクトを通じて建物に入り込み、水が建物の内容物や電気設備に損傷を与える可能性があります。

杭基礎の上に建設された橋や大きな建物は、隣接する土壌からの支持を失い、座屈したり、傾いた状態で停止したりする可能性があります。

傾斜地や河川・湖沼に隣接する地盤は、液状化した土層の上を滑り（「側方流動」と呼ばれる）、大きな地割れが生じ、 ^{[22]建物、橋梁、道路、および影響を受けた地盤に設置された水道、天然ガス、下水道、電力、通信などのサービスに重大な損害を与える可能性があります。埋設タンクやマンホールは、}浮力により液状化した土壌に浮かぶ可能性があります。^[22]洪水堤防やアースダムなどの土堤は、盛土やその基礎を構成する材料が液状化すると、安定性を失ったり崩壊したりする可能性があります。

地質学的に長い時間をかけて、地震による土壌の液状化が密度の高い母材となり、その中でフラギパンが土壌生成を通じて発達する可能性がある。^[23]

地震の緩和方法は地震技術者によって考案されており、振動圧縮（深層振動機による土壌の圧縮）、動的圧縮、振動石柱などのさまざまな土壌圧縮技術が含まれています。^[24]これらの方法は土壌を緻密化し、建物の土壌の液状化を回避することができます。^[25]

既存の建物は、液状化しやすい土壌層を安定させるために、土壌にグラウトを注入することで被害を軽減することができます。IPS（Induced Partial Saturation）と呼ばれる別の方法が、現在ではより大規模に適用できるようになっています。この方法では、土壌の飽和度が低下します。

流砂は、水がゆるい砂の領域に浸透し、砂がかき混ぜられることで形成されます。砂の塊に閉じ込められた水が逃げることができなくなると、もはや力に抵抗できない液状化した土壌が生成されます。流砂は、地下水が滞留または（上向きに）流れる（地下の泉から）か、地震によって形成されます。地下水が流れる場合、水流の力が重力に対抗するため、砂粒の浮力が高まります。地震の場合、揺れの力によって浅い地下水の圧力が高まり、砂やシルトの堆積物が液状化します。どちらの場合も、液状化した表面は強度を失い、その表面にある建物やその他の物体が沈んだり倒れたりします。

飽和した堆積物は、圧力の変化や衝撃によって液化が始まり、砂粒が薄い水の膜に囲まれた懸濁液を形成するまでは、非常に固体のように見えます。この緩衝作用により、流砂やその他の液化堆積物はスポンジのような液体のような質感になります。液化砂の中の物体は、物体の重量が押しのけられた砂と水の混合物の重量と等しくなるまで沈み、浮力によって浮きます。

カナダではレダ粘土として知られるクイッククレイは、水で飽和したゲルで、固体の状態では非常に敏感な粘土に似ています。この粘土は、かき乱されると、比較的硬い状態から液体の塊に変化する傾向があります。このように固体から液体に外観が徐々に変化するプロセスは、自然液化として知られています。粘土は、水分含有量が高いにもかかわらず（体積比で最大80%）、固体構造を維持します。これは、表面張力によって水で覆われた粘土の薄片がまとまっているためです。衝撃や十分な剪断によって構造が破壊されると、流動状態になります。

生粘土は、更新世に氷河に覆われたロシア、カナダ、アメリカのアラスカ、ノルウェー、スウェーデン、フィンランドなどの北の国々でのみ発見されています。

粘土は多くの致命的な地滑りの根本的な原因となっている。カナダだけでも、粘土に関連する地滑りが250件以上記録されている。これらの中には古いものもあり、地震によって引き起こされた可能性がある。^[26]

海底地滑りは濁流であり、水に浸かった堆積物が斜面を下って流れることで生じる。 1929年にニューファンドランド沖の大陸斜面を襲ったグランドバンクス地震ではその一例が見られた。数分後、大西洋横断電話ケーブルが震源地からどんどん下流に向かうにつれて次々と切断され始めた。合計28か所で12本のケーブルが切断された。切断ごとに正確な時間と場所が記録された。調査官らは、時速60マイル（100 km/h）の海底地滑りまたは水に浸かった堆積物の濁流が地震の震源地から大陸斜面を400マイル（600 km）下って流れ、通過する途中でケーブルが切断されたと推測している。^[27]

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• シード他「土壌液状化工学の最近の進歩：統一された一貫した枠組み」、第 26 回 ASCE ロサンゼルス地盤工学春季セミナー、カリフォルニア州ロングビーチ、2003 年 4 月 30 日、地震工学研究センター

ウィキメディア・コモンズの土壌液状化に関するメディア

• 土壌の液状化
• 液状化 –太平洋北西部地震観測網
• 2011年の東北地方太平洋沖地震で記録された千葉県の液状化現象をYouTubeで公開