沈下

地盤沈下は、地球表面が垂直に下向きに動くことを指す一般的な用語であり、自然のプロセスと人間の活動の両方によって引き起こされる可能性があります。地盤沈下には水平方向の動きがほとんどまたはまったく伴わないため、^{[1] [2]}斜面の動きとは区別されます。^[3]

沈下を引き起こすプロセスには、地下水による炭酸塩岩の溶解、堆積物の段階的な圧縮、固まった岩石の地殻の下からの流動性溶岩の採取、採鉱、地下水や石油などの地下流体の汲み上げ、地殻の変形などがあります。地殻の地殻変形によって生じる沈下は、地殻沈下^[1]として知られており、堆積物が蓄積して最終的に堆積岩に石化するのに適した場所を作り出します。^[2]

地盤沈下は、地質学者、地質工学技術者、測量士、エンジニア、都市計画者、土地所有者、そして一般の人々にとって世界的な懸念事項です。 ^[4]地下水や石油の汲み上げにより、世界中の多くの場所で最大9メートル（30フィート）の沈下が発生し、数億ドルの費用が発生しています。^[5]地下水の汲み上げによる地盤沈下は、主に世界の人口増加と経済成長により、発生頻度と関連する損害が増加する可能性があり、これにより地下水需要が引き続き高まるでしょう。^[6]

カルスト地形では、地盤沈下が大きな問題となることがよくあります。カルスト地形では、地下の流体の流れによって石灰岩が溶解し、空洞（つまり洞窟）が形成されます。空洞の天井が弱くなりすぎると、崩壊して上にある岩や土が空間に落ち込み、地表で地盤沈下を引き起こします。このタイプの地盤沈下は、数百メートルの深さになることもある陥没穴を引き起こす可能性があります。^[7]

いくつかの種類の地下採掘、特に採掘した空洞を意図的に崩壊させる方法（柱状採掘、長壁採掘、および「ブロックケービング」や「サブレベルケービング」などの「ケービング」を使用する金属含有採掘方法など）は、地表沈下を引き起こします。採掘によって引き起こされる沈下は、突然の柱状採掘または地表近くのトンネルの崩壊が発生した場合（通常は非常に古い採掘場^[8]）を除き、その規模、症状、範囲が比較的予測可能です。採掘によって引き起こされる沈下は、ほとんどの場合、採掘エリアの上部の地表とその外側の周囲に非常に局所的です。^[9]沈下自体の垂直規模は、排水（自然排水を含む）の場合を除いて、通常は問題を引き起こしません。むしろ、関連する表面の圧縮および引張ひずみ、曲率、傾斜、水平変位が、自然環境、建物、およびインフラストラクチャへの最悪の損害の原因となります。^[10]

採掘活動が計画されている場合、利害関係者全員が協力すれば、採掘による地盤沈下をうまく管理することができます。これは、慎重な採掘計画、予防措置の実施、採掘後の修復の実施を組み合わせることで達成されます。^[11]

天然ガス田から天然ガスを採掘すると、田内の初期圧力（最大 60 MPa (600 bar )）は年月とともに低下します。圧力は田の上の土壌層を支えるのに役立ちます。ガスを採掘すると、表土の圧力堆積物が圧縮され、地震や地盤沈下 を引き起こす可能性があります。

1960年代後半にスロフテレン（オランダ）のガス田の開発が始まって以来、 250 km ^2の地域の地表レベルは現在最大30 cm低下しています。^[12]

石油の採掘も同様に、大きな地盤沈下を引き起こす可能性があります。カリフォルニア州ロングビーチ市では、34年間の石油採掘で9メートル（30フィート）の沈下を経験し、地域のインフラに1億ドル以上の損害が発生しました。二次回収井戸から十分な水を汲み上げて油層を安定させたため、地盤沈下は止まりました。 ^[5]

地震の際、地盤沈下はさまざまな形で起こる可能性があります。断層線に沿ったずれにより、地震の際、広い範囲の土地が急激に沈下することがあります。また、地震の揺れにより未固結の堆積物が沈下し、圧縮されることによっても地盤沈下が起こることがあります。^[13]

国土地理院は、2011年の東北地方太平洋沖地震によって即時に地盤沈下が発生したと報告した。^{[14]北日本では、}東北地方の宮古島の太平洋沿岸で0.50メートル（1.64フィート）、岩手県陸前高田市では0.84メートル（2.75フィート）の沈下が観測された。南部の福島県相馬市では0.29メートル（0.95フィート）が観測された。最大沈下量は1.2メートル（3.93フィート）で、宮城県牡鹿半島では最大5.3メートル（17.3フィート）の水平地殻変動が見られた。^[15]

地下水関連の地盤沈下は、地下水の汲み上げによって生じる土地の沈下（または沈下）である。都市の人口と水使用量が増加し、適切な汲み上げ規制と施行が行われていないため、発展途上国ではこの問題が深刻化している。ある推計によると、深刻な地盤沈下問題の80％は地下水の過剰な汲み上げに関連しており、^[16]世界中で問題が深刻化している。^[17]

地下水の変動は、間接的に有機物の分解にも影響を及ぼす可能性がある。沿岸平野やデルタ平野などの低地での居住には排水が必要である。その結果生じる土壌の通気性は泥炭などの有機成分の酸化につながり、この分解プロセスによって著しい地盤沈下が起こる可能性がある。これは特に、望ましい不飽和帯の深さを維持するために地下水位が定期的に沈下に合わせて調整され、ますます多くの泥炭が酸素にさらされる場合に当てはまる。これに加えて、排水された土壌は有効応力の増加の結果として固まる。^{[18] [19]}このように、地盤沈下は最大5cm/年の速度で永続化する可能性があります。水管理はかつては主に作物の最適化などの要因に合わせて調整されていましたが、程度の差はありますが、地盤沈下の回避も考慮されるようになりました。

地球に差応力が存在する場合、脆い地殻の断層運動、またはより高温で流動性の高いマントルの延性流動によって、この差応力が吸収される。断層が発生する場所では、正断層の上盤で絶対沈下が発生する可能性がある。逆断層、または逆断層では、下盤で相対沈下が測定される可能性がある。^[20]

地殻はアセノスフェア内で浮遊しており、表面下の質量比は地殻自身の密度とアセノスフェアの密度に比例している。地殻の局所領域に質量が追加されると（例えば堆積によって）、地殻は沈下して補償し、等方性バランスを維持する。^[2]

アイソスタティック沈下とは反対の現象はアイソスタティックリバウンドとして知られており、これは大規模な氷床の融解や最終氷期後の大規模湖の干上がりなど、地殻が（時には数千年かけて）アイソスタシーの状態に戻る現象である。ボンネビル湖はアイソスタティックリバウンドの有名な例である。かつて湖に溜まっていた水の重さにより、地殻は平衡を保つために約200フィート（61メートル）沈下した。湖が干上がると、地殻は跳ね返った。今日、ボンネビル湖では、かつての湖の中心は、かつての湖の縁よりも約200フィート（61メートル）高くなっている。^[21]

多くの土壌には、粘土がかなりの割合で含まれています。粘土の粒子サイズが非常に小さいため、土壌水分含有量の変化の影響を受けます。土壌が季節的に乾燥すると、土壌の体積と表面積の両方が減少します。建物の基礎が季節的に乾燥するレベルより上にある場合、基礎が移動し、先細りのひび割れという形で建物に損傷を与える可能性があります。

樹木やその他の植物は、季節的な土壌の乾燥に重大な影響を及ぼす可能性があります。数年にわたって、樹木が成長するにつれて、累積的な乾燥が発生します。これは、樹木が衰退したり伐採されたりしたときに、沈下とは反対の、土壌の隆起または膨張と呼ばれる現象につながる可能性があります。累積的な水分不足が逆転すると（最大25年続く場合があります）、樹木の周りの表面レベルが上昇し、横方向に広がります。基礎が強化されているか、その影響に対処するように設計されていない限り、建物に損傷を与えることがよくあります。^[22]

高層ビルは、その重みで土を圧迫し、地盤沈下を引き起こす可能性があります。この問題は、ニューヨーク市、サンフランシスコ湾岸地域、ラゴスですでに感じられています。^{[23] [24]}

地盤沈下は地表の低下を招き、地形を変化させます。この標高の低下は、特に河川氾濫原^[25]やデルタ地帯^[26]で洪水のリスクを高めます。

沈下都市とは、急速に変化する景観により消滅の危機に瀕している都市環境のことである。これらの都市が居住不可能になる最大の原因は、気候変動（海面上昇、激化する嵐、高潮として現れる）、地盤沈下、加速する都市化の複合的な影響である。^[28]世界で最も大きく、最も急速に成長している都市の多くは、河川や海岸沿いに位置しており、自然災害の危険にさらされている。各国がこれらの都市に人材、資産、インフラを投資し続けるにつれて、これらの地域での損失の可能性も増大する。^[29]沈下都市は、今日のダイナミックな環境気候に適切に備えるために、大きな障壁を克服しなければならない。

地割れは、開口部またはオフセットを特徴とする、地表に現れる線状の亀裂です。これらの亀裂は、数メートルの深さ、数メートルの幅、数キロメートルに及ぶことがあります。これらは、揚水によって引き起こされる帯水層の変形により、堆積物に応力が集中したときに形成されます。^[30]この不均一な変形により、堆積物の不均一な圧縮が発生します。この引張応力が堆積物の引張強度を超えると、地割れが発生します。

地盤沈下は建物やその他のインフラの不同沈下を引き起こし、角度の歪みを引き起こす可能性があります。これらの角度の歪みが一定値を超えると、構造物が損傷し、傾きやひび割れなどの問題が発生する可能性があります。^{[31] [32] [33]}

地盤沈下は垂直方向の変位（沈下または隆起）を引き起こします。水平方向の変位も発生しますが、通常はそれほど重大ではありません。沈下している地域で垂直方向および水平方向の変位を測定するために現場で使用される方法は次のとおりです。

• 測量[ 34 ^{] [35] [36]}
• ボアホール伸縮計[ ^{34] [37] [36]}
• 全地球航法衛星システム（GNSS）^{[38] [39] [40] [36]}
• 干渉合成開口レーダー（InSAR）^{[41] [18] [36]}
• ライダー^[42]
• 傾斜計[ ^{43] [44] [36]}

トマスら^[45]は、さまざまな地盤沈下監視技術の比較分析を行った。その結果、InSARは最も広い範囲をカバーし、情報点あたりの年間コストが最も低く、点密度が最も高いことがわかった。さらに、地盤沈下が急速に進む地域に通常設置される連続取得システムを除けば、InSARの測定頻度が最も高いこともわかった。対照的に、水準測量、非永久GNSS、非永久伸縮計は、通常、年間1～2回の測定しか提供しなかった。^[45]

これらの方法は、地盤沈下を時間のみの関数として扱い、既存のデータから外挿することで将来の地盤沈下の傾向を予測します。^[34]外挿は視覚的に行うことも、適切な曲線を当てはめることによって行うこともできます。フィッティングに使用される一般的な関数には、線形、双線形、二次、指数モデルなどがあります。たとえば、この方法は鉱山による地盤沈下の予測に効果的に適用されています。^[46]

これらのアプローチは、地下水位の変化、地下水汲み上げ量、粘土含有量 など、1つ以上の影響要因^{[34] [47]}との関係に基づいて地盤沈下を評価します。

このモデルは、帯水層と帯水層に影響を及ぼす地盤レベルの変化は垂直方向にのみ起こると仮定している。^[47]これにより、土壌の垂直パラメータのみを使用して特定の地点での沈下計算が可能になる。^{[48] [49]}

準3次元浸透モデルは、テルツァギの1次元圧密方程式を適用して沈下を推定し、3次元効果のいくつかの側面を統合します。^{[47] [50]}

完全結合3次元モデルは、3次元での水の流れをシミュレートし、ビオの3次元圧密理論を使用して沈下を計算します。^{[47] [51] [52]}

機械学習は非線形問題に取り組むための新しいアプローチとなり、地盤沈下のシミュレーションと予測のための有望な方法として浮上しました。^{[53] [54]}

• 陥没
• 横方向および下方向の支持、財産法における関連概念
• 大量浪費
• 沈下（構造的）
• 陥没穴
• 土壌の液状化
• ユネスコ地盤沈下に関するワーキンググループ
• 海面上昇

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