海洋地盤工学

以下に、海洋環境における土壌の特徴をいくつか示します。^{[ 8 ]}

• 土壌は堆積物で構成されており、一般的に飽和状態にあると考えられている。つまり、塩水が間隙を満たしている。
• 海洋堆積物は、砕屑物と海洋生物の遺骸から構成されており、後者は石灰質土壌を形成する。
• 堆積物の総厚は地域によって異なり、通常は海岸線付近の方が海岸線から離れた場所よりも厚く、また海岸線付近の方が粒子が細かい。
• 場所によっては、強い底層流のため、海底に堆積物がほとんどないことがある。
• 土壌の圧密状態は、通常圧密（堆積物の沈降速度が遅いため）、過圧密（場所によっては氷河作用の名残）、または低圧密（堆積物の流入量が多いため）のいずれかである。

波の力は浮体構造物の6自由度すべてにおいて運動を引き起こし、海洋構造物の主要な設計基準となります。^{[ 9 ] [注1 ]}波の軌道運動が海底に到達すると、堆積物の輸送を引き起こします。これは、浅水と深水の境界として一般的に採用されている水深約200メートル（660フィート）までしか発生しません。その理由は、軌道運動が波長の半分の水深までしか及ばず、最大波長は一般的に400メートル（1,300フィート）と考えられているためです。^{[ 7 ]}浅水では、波によって土壌に間隙水圧が上昇し、流動滑りを引き起こす可能性があり、プラットフォームへの繰り返しの衝撃は液状化や支持力の喪失を引き起こす可能性があります。^{[ 7 ]}  

海流は、海洋構造物に対する水平荷重の原因となります。ベルヌーイ効果により、構造物の表面に上向きまたは下向きの力を加えることもあり、ワイヤーラインやパイプラインの振動を引き起こす可能性があります。^{[ 7 ]}海流は構造物の周囲に渦を発生させ、土壌の洗掘や侵食を引き起こします。 ^{[ 7 ]}海流には、海洋循環、地衡流、潮汐流、風による流れ、密度流など、さまざまな種類があります。^{[ 7 ]}

メキシコ湾の海底にある断層における2種類の地震探査断面図（上：チャープ法、下：ウォーターガン法）。

ガスハイドレートは世界中に分布しており、海洋開発におけるもう一つの潜在的な危険要因となっている。

海底調査に使用される装置であるサイドスキャンソナーの一例。

モントレーキャニオンシステムの3D画像。マルチビーム音響測深機で得られる画像の一例として示されている。

地質災害は、地質活動、地盤工学的特徴、および環境条件に関連しています。浅層地質災害は、海底から400 メートル (1,300フィート)未満の深さで発生するものです。 ^{[ 10 ]}これらの現象に関連する潜在的なリスクに関する情報は、対象地域の地形、地質学的環境、構造フレームワークの研究、および海底の地球物理学的および地盤工学的調査を通じて取得されます。^{[ 5 ]}潜在的な脅威の例には、津波、地滑り、活断層、泥ダイアピル、および土壌層の性質 (カルスト、ガスハイドレート、炭酸塩の存在) が含まれます。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}寒冷地域では、氷の削り込み地形がパイプラインなどの海底設備に対する脅威となります。^{[ 13 ] [ 14 ] [ 5 ]}特定の種類の地質災害に関連するリスクは、構造物がその事象にどれだけさらされているか、その事象の深刻度、および発生頻度（突発的な事象の場合）によって決まります。あらゆる脅威は監視され、軽減または除去されなければなりません。^{[ 15 ] [ 16 ]} 

この段階は、プロジェクトの規模に応じて数か月に及ぶ場合があり、リスクの評価、設計オプションの評価、後続の段階の計画を目的として、報告書、科学文献（学術論文、会議録）、データベースなど、さまざまな情報源から情報が収集されます。この段階で求められる情報には、水深測量、地域の地質、潜在的な地質災害、海底障害物、海洋気象データ^{[ 17 ] [ 18 ]}などがあります。

地球物理探査はさまざまな目的で使用できます。 1 つは、対象地点の水深を調査し、海底の画像 (不規則性、海底上の物体、横方向の変動、氷の溝など) を作成することです。地震屈折探査は、浅い海底の地層に関する情報を取得するために実行できます。また、人工島の建設に使用する砂、砂の堆積物、砂利などの材料の位置を特定するためにも使用できます。^{[ 19 ]}地球物理探査は、ソナー装置および関連機器 (シングルビームおよびマルチビーム音響測深機、サイドスキャンソナー、「曳航魚」、遠隔操作無人潜水機 (ROV)など) を備えた調査船から実施されます。^{[ 20 ] [ 21 ]}海底下の地層については、ブーマー、スパーク、ピンガー、チャープなどのツールが使用されます。^{[ 22 ]}地球物理探査は通常、地盤工学探査を実施する前に必要です。大規模なプロジェクトでは、これらの段階が相互に絡み合っている場合がある。^{[ 22 ]}

地質調査には、サンプリング、掘削、現場試験、および沖合で実施される実験室土壌試験、さらにサンプルとともに陸上で実施される土壌試験の組み合わせが含まれます。これらは、地球物理学的調査の結果を検証する役割を果たし、海底の層序と土壌工学的特性の詳細な説明も提供します。^{[ 23 ]}水深と海洋気象条件に応じて、地質調査は、専用の地質調査掘削船、半潜水式掘削装置、ジャッキアップ式掘削装置、大型ホバークラフト、またはその他の手段から実施される場合があります。^{[ 24 ]}これらは、船舶が一定の位置を維持したまま、一連の特定の場所で実施されます。そのために、動的測位と4点アンカーシステムによる係留が使用されます。

浅層地質調査には、海底表面の土壌サンプリングや現場での力学的試験が含まれる場合があります。これらは、海底の物理的および力学的特性に関する情報を生成するために使用されます。^{[ 25 ]}これらは、海底の泥面から最初の数メートルまで行われます。浅層地球物理調査と同時に実施される可能性のあるこれらの深さまでの調査は、その場所に設置される構造物が比較的軽量である場合に十分である可能性があります。これらの調査は、海底パイプラインのルートを計画するのにも役立ちます。

深層地質調査の目的は、海底の地層構造に関する情報を、海底の泥面から数百メートル下の深さまで収集することです。^{[ 10 ] [ 26 ]}これらの調査は、これらの場所に大規模な構造物が計画されている場合に行われます。深層掘削孔には数日かかり、その間、掘削装置は正確に同じ位置に留まらなければなりません（動的測位を参照）。

サンプリングと掘削

海底の土壌サンプルを採取するために使用される、重力駆動式の土壌採取装置。

海底の土壌サンプルを採取するために使用される、重力駆動式の土壌採取装置。

海底表面のサンプリングは、グラブサンプラーとボックスコアラーで行うことができます。^{[ 27 ]}後者は乱されていない試料を提供し、例えば土壌の相対密度、含水率、機械的特性を決定するための試験を行うことができます。サンプリングは、重力駆動式またはピストンや振動システム（バイブロコアラーと呼ばれる装置）によって海底に押し込むことができるチューブコアラーでも行うことができます。^{[ 28 ]}

掘削は、海底をサンプリングするもう 1 つの方法です。これは、海底の地層構造またはその下の岩石層の記録を取得するために使用されます。海洋構造物の基礎をサンプリングするために使用されるセットアップは、石油業界が炭化水素貯留層に到達して境界を定めるために使用するものと似ていますが、テストの種類にいくつかの違いがあります。^{[ 29 ]}ドリルストリングは、直径5 インチ (13 cm)のパイプセグメントの一連のものが端から端までねじ込まれ、底部にドリルビットアセンブリがあります。 ^{[ 28 ]}ドラッグビット (ドリルビットから下方に伸びる歯) が土壌を切削すると、土壌切削片が生成されます。ドリルパイプを下って流れる粘性のある掘削泥水がこれらの切削片を集め、ドリルパイプの外に運びます。陸上の地質調査の場合と同様に、ドリル孔から土壌をサンプリングするためにさまざまなツールが使用できます。特に、「シェルビー チューブ」、「ピストン サンプラー」、「スプリット スプーン サンプラー」などがあります。 

現場土壌試験

土壌の強度プロファイルを取得するためのコーン貫入試験機の原理を示す図。

土壌の最大強度と残留強度を測定するためのせん断羽根の原理を示す図。

土壌の機械的強度に関する情報は、現場（実験室で土壌サンプルからではなく、海底そのものから）で取得できます。このアプローチの利点は、移動によって何の乱れも受けていない土壌からデータが得られることです。この目的で使用される最も一般的な機器は、コーン貫入試験機（CPT）とせん断ベーンです。^{[ 30 ] [ 31 ]}

CPTは、先端が既知の頂角（例えば60度）を持つ円錐形をした棒状のツールです。 ^{[ 32 ]}土壌に押し込まれると、貫入抵抗が測定され、それによって土壌強度の指標が得られます。^{[ 33 ]}円錐の後ろにあるスリーブにより、摩擦抵抗を独立して測定できます。一部の円錐は、間隙水圧も測定できます。せん断ベーン試験は、軟弱から中程度の粘性土の非排水せん断強度を決定するために使用されます。^{[ 34 ] [ 35 ]}この装置は通常、棒の端で互いに90度の角度で溶接された4枚のプレートで構成されています。次に、棒を土壌に挿入し、一定の回転速度を達成するためにトルクを加えます。トルク抵抗を測定し、ベーンのサイズと形状を考慮した式を使用して非排水せん断強度（および残留強度）を決定します。^{[ 35 ]}

海底パイプラインは、海洋環境における一般的な人工構造物の一種です。^{[ 41 ]}これらの構造物は、海底に設置されるか、漁船、錨の引きずり、または潮流による振動による疲労から保護するために溝の中に設置されます。 ^{[ 42 ]}溝掘りは、氷のキールによるパイプラインの削り取りからパイプラインを保護するためにも使用されます。^{[ 13 ] [ 14 ]}どちらの場合も、パイプラインの計画には地盤工学的考慮が必要です。海底に設置されるパイプラインは、提案されたパイプラインルートに沿って地盤工学的データが必要であり、支持力が不十分なために下の土壌が受動的に破壊される（パイプラインが沈下する）場合や、滑り抵抗が低いために滑り破壊（パイプラインが横にずれる）する場合など、潜在的な安定性の問題を評価します。^{[ 43 ] [ 44 ]}溝掘りが必要な場合、そのプロセスでは、土壌の特性と、それが耕作期間にどのように影響するかを考慮する必要があります。^{[ 45 ]}埋設パイプラインの運用期間中の軸方向および横方向の応答によって誘発される座屈の可能性は、計画段階で評価する必要があり、これは周囲の土壌の抵抗に依存します。^{[ 44 ]}

海洋埋設型アンカーは、周囲の土壌の摩擦抵抗や支持力によって支えられるアンカーです。これは、自重によって支えられる重力式アンカーとは対照的です。海洋開発がより深い海域へと進むにつれ、重力式構造物は必要なサイズが大きく輸送コストも高額になるため、経済的に不利になります。こうした状況において、埋設型アンカーの採用が有利となります。