植生と斜面の安定性

植生と斜面の安定性は、斜面に生育する植物が斜面の安定性を促進したり阻害したりする能力によって相互に関連しています。この関係は、土壌の種類、降雨量、存在する植物種、斜面の方向、および斜面の急勾配が複雑に組み合わさったものです。土壌の種類、樹齢、地層の発達、圧縮、およびその他の影響の関数としての根本的な斜面の安定性の知識は、植生が斜面の安定性をどのように変えることができるかを理解するための主要な基礎的な側面です。^{[1]植生が斜面の安定性に影響を与える主な方法は、}風による吹き飛ばし、水の除去、植生の塊（付加物）、および根の機械的補強の4つです。

風倒とは、風の力によって木が倒れることです。これにより、木の根板と隣接する土壌が露出し、斜面の安定性に影響を及ぼします。風倒は斜面にある 1 本の木を考える際の要因ですが、樹木群の全体的な斜面の安定性を考える場合にはそれほど重要ではありません。これは、風の力が潜在的な撹乱力のより小さな割合を占め、樹木群の中心にある木は外側にある木によって保護されるためです。^[2]

植生は蒸散によって水分を除去することで斜面の安定性に影響を与えます。蒸散とは、植物組織に含まれる液体の水分が蒸発し、空気中に蒸気が放出されることです。^[3]水は根から吸い上げられ、植物を通って葉まで運ばれます。

蒸散の主な効果は、土壌間隙水圧の減少であり、これは湿潤によって生じる強度の低下を相殺します。これは、樹木周辺の水分の損失として最もよく見られます。しかし、樹木や低木の根に頼って斜面から水分を除去し、その結果として斜面の安定性を確保するのは容易ではありません。湿潤状態での蒸散能力は大幅に低下するため、以前に蒸発と蒸散によって得られた土壌強度の増加は失われるか大幅に低下するため、この場合には蒸散の影響を考慮することはできません。しかし、嵐による飽和や長期の降雨期間後の斜面崩壊の可能性は蒸散の結果軽減されると想定できます。さらに、水分含有量の変化は非排水せん断強度に影響しますが、日常的な斜面安定性解析で一般的に使用される有効せん断応力パラメータは、解析で使用される水圧（吸引）は変化しますが、水分含有量の変化によって直接影響を受けません。^{[2] [3]}

乾燥期には、植物が成長して、潜在的すべり面への水の浸透が促進され、雨期には土壌への水圧が上昇し、乾燥亀裂が広がる可能性があることに注意することが重要です。しかし、抵抗が最も少ない経路をたどって土壌の奥深くまで成長する根によって、これらの亀裂は埋められます。 ^[2]

マレーシアの研究^[4]では、根の長さの密度、土壌水分量、そして最終的には斜面の安定性の間には重要な関係があることが示されています。根の密度が高い斜面 (表面の植生が密集しているため) では、斜面崩壊が起きる可能性が低くなります。これは、根の長さの密度が高いと土壌水分量が低くなり、その結果、せん断強度が増加し、土壌の透水性が低下するためです。根の長さの密度と土壌水分量は斜面の安定性の指標として使用でき、将来の斜面崩壊を予測するために使用できる可能性があります。^[4]

植物が広範囲に根を張っている場合、蒸散は促進され、急速な蒸散は冬の間も継続します。^[5]

水分の除去は、植物による日陰によっても影響を受けます。日陰は土壌の乾燥を防ぎ、収縮やひび割れを防ぎ、雨水が深く浸透できるようにします。植物は、土壌に効果的な日陰を提供するために、葉と根の比率が高く、暑い夏の間も生き残る能力が必要です。^[5]

植生の量が斜面の安定性に影響を与えるのは、斜面に大木が生えている場合のみである。高さ30～50mの木は、約100～150kN/m2の荷重を受ける可能性がある。大木は、回転破壊の可能性がある斜面の裾に植えるべきである。そうすることで安全率が10%増加する可能性がある。しかし、斜面の上部に木を植えると、安全率が10%減少する可能性がある。^{[2] [5]}

斜面の安定性は、植生ごとに個別に考慮する必要があります。蒸散により水分が失われ、斜面の重量が減少します。これは、限界安定性の斜面では顕著になる可能性があります。^[2]

斜面の先端部分から大きな木が除去されると、蒸発散効果が失われるため土壌の強度が低下し、また、適用される荷重が減少するため、粘土質土壌に一時的な吸引力が生じ、吸引力を補うために利用可能な水が引き込まれるため、軟化につながる可能性があります。これは、深掘りによって盛土の最上層に土砂を置いた場合に、土被り圧力が緩和されるため、過圧密粘土が軟化することが知られているのと似ています。^[2]

根は崩壊面を横切って成長し、根の柱が杭のように機能し、表面の浸食を制限することで土壌を強化します。^{[5] [6] [7]}

根が潜在的破壊面を横切って成長すると、結合粒子によってせん断強度が増加する。根は不安定な表土をより深い安定した層または岩盤に固定する。^[1]これは、根が急速に深く成長し（1.5メートルの深さ）、それが2年以上続く場合に最も起こりやすい。しかし、根によって発揮される強度は一般に1メートル（3.3フィート）までしか及ばないのに対し、ほとんどの破壊は1.2〜1.5メートル（3.9〜4.9フィート）の土壌深さで発生する。^[5]

根強化土モデルは、潜在的滑り面を横切る根の伸長の結果であり、根と土壌の間の凝集接触と摩擦接触によって土壌に伝達される引張根力を生成します。 ^[8]

根の引き抜き抵抗は、根の構造が地面から引き抜かれる際の抵抗の測定値であり、実験室で測定された根の破断抵抗である根の引張強度測定値よりわずかに低い可能性があります。引き抜きデータが利用できない場合は、引張強度データが利用可能な最大引き抜き抵抗の大まかなガイドとして使用できます。^[2]

さまざまな直径とさまざまな樹種の根の引張強度は、実験室でテストされており、約 5～60 MN/m2 であることがわかっています。根が実際に斜面の安定性を高めるためには、根が土壌に十分に根を張り、接着している必要があります。根が土壌と相互作用する方法は複雑ですが、工学的な目的では、利用可能な力の寄与は、現場での引き抜きテストで測定できます。^[2]

根の長さと根の分岐の種類は、根の破壊が起こる方法に影響します^{[2] [9]}サンザシの根では、根と土壌の関係に関連する 3 つの異なる破壊モードが特定されています。これは、根の形と破壊曲線の形に表れています。枝のない根は張力で破壊され、最小限の抵抗で地面からまっすぐに引き抜かれる傾向があります。複数の枝を持つ根は、通常、各枝が土壌内で壊れるにつれて段階的に破壊されます。これらの根は、2 つの異なるグループに分けることができます。1) 最初に最大ピーク力に達し、その後、大きな張力の後に根の枝が破壊されるにつれて徐々に減少する高い力を維持する根と、2) 加えられる力が大きくなるにつれて破壊される根です。いくつかのテストでは、根が最終的に土塊から滑り落ちる前に、根の一部と土壌の間にかなりの接着が測定されています。^[2]

枝分かれのない根は、一般的に張力に耐えられず、最小限の抵抗で地面からまっすぐに引き抜かれます。根は最大の引き抜き抵抗に達すると、弱い部分で急速に破断します。根は徐々に細くなるため（根の長さに沿って根の直径が徐々に減少する）、簡単に土から抜け出します。つまり、根が引き抜かれると、根の直径よりも大きな空間を移動することになり、その結果、周囲の土壌との結合や相互作用がなくなります。^[9]

タイプ B の破壊は、枝分かれした根が最初に最大抵抗に達し、その後高い抵抗が持続し、根の枝が大きな負担を受けて破壊されるにつれて抵抗が徐々に減少するときに発生します。いくつかのテストでは、根が最終的に抜け落ちる前に、根の一部と土塊の間にかなりの接着力が測定されます。枝分かれした根は、枝分かれした根の上の空洞が空洞を通り抜けようとする根よりも薄いため、引き抜くのに大きな力が必要になり、その結果、根が土中を移動するにつれて土が変形する可能性があります。^[9]

複数の枝や二股に分かれた枝を持つ根も引張破壊を起こす可能性がありますが、主に各枝が土壌内で折れるにつれて段階的に破壊されます。これらの根は、より大きな直径の根が徐々に折れるのに対応して、段階的に力が加わるにつれて、階段状のピークの形で破壊されます。根は、最終的に引張破壊するまで、土壌との結合を徐々に解放します。^[9]

根が正弦波状で、その長さに沿って多数の小さな細根がある場合、根は真っ直ぐに伸ばされたときに最大の引き抜き抵抗に達し、その後最も弱い部分で折れる。しかし、この時点では根は土壌から引き抜かれず、土壌と接着して相互作用し、残留強度を生み出す。この時点で引っ張りが止まれば、根は土壌の強度を増す。しかし、根が完全に地面から引き抜かれると、それ以上土壌と相互作用することはなくなり、したがって土壌強度は増加しない。^[9]

研究によると^[9]、サンザシやオークの根の引き抜き抵抗は、根の引張強度（実験室で測定）が変化するのと同様に、種内差異、種間変異、根の大きさ（直径）によって影響を受けることが示されています。引き抜き試験では、根に作用する力は、引張強度試験で使用される短い根（約150mm）よりも長い複数の枝（より長い長さ）を含む、より広い根の領域に作用します。引き抜き試験では、根は分岐点、節、損傷領域などの弱い部分で破損する可能性があります。

研究では、サンザシとオート麦の根の最大根引き抜き抵抗と根の直径の間に正の相関関係があること も示されました^{[9] 。直径の小さい根は、直径の大きい根よりも引き抜き抵抗または破壊力が低かった。}

木と根の柱は、埋め込まれた幹と側枝を持つ複数の沈下根を持つ木質の深根系によって支柱と土壌のアーチが形成されるときに杭として機能し、浅い塊の移動を防ぐことができます。^[5]

植生は、シートウォッシュや地表流などの表面プロセスを制限することで、水による浸食を制御することもできます。^{[6] [7]}植生は土壌の凝集力を高めることで斜面の安定性に大きく貢献します。この凝集力は、根系の形態学的特性と単一の根の引張強度に依存します。^[1]

細根が表面侵食に抵抗するという証拠は数多くある。斜面の安定性全般における細根の役割は完全には解明されていない。細根は表土をまとめ、表面侵食を防ぐのに役立つと考えられている。細根ネットワークは明らかに凝集力が高く、ジオシンセティックメッシュ要素に匹敵する。表面侵食プロセスの限界は、細根の分布が一貫していて明確に定義されている低木や草地で特に顕著であるが、凝集力は一般に土壌の表層 1 メートル (3.3 フィート) に限定されている。^[2]

• 地滑り
• 土砂崩れ
• 表面流出
• 耕作による侵食

出典

• 英国放送協会 2007、生物学、2007 年 6 月 10 日閲覧、www.bbc.co.uk/.../gcsebitesize/img/bi05006.gif
• Greenwood, J.; Norris, J. & Wint, J. 2007、「議論：斜面の安定性に対する植生の寄与の評価」、土木技術者協会紀要、第160巻、第1号、pp. 51-53。
• INTBAU 2007、伝統的建築、建築、都市計画の国際ネットワーク、2007 年 6 月 2 日閲覧、www.intbau.org/Images/Scarano/scarano3.580.jpg
• Selby, M. 1993、「Hillslope materials and processes」、オックスフォード大学出版局、オックスフォード、イギリス。
• Watson, A. & Marden, M. 2004、「在来河岸植物の生育状況を示す指標としての根の引張強度 - どのように順位づけられるか?」、Landcare Research、リンカーン、ニュージーランド。