模型実験の勧め
藤井俊逸
１

はじめに私は、発注者と協議をするときに模型を作り、わかり易い説明を心がけてきました。わかりやすい模型をつくると、自分自身の理解度が深くなったり、新しい発見があったりします。最近では、土木の日や地域のお祭で、土木に関するいろいろな構造物や土の事を、模型を作って説明することがあります。その時に、一般の人に土木技術が理解されていないことを痛感します。われわれ土木技術に携わる人がもっと、積極的に一般の人にアピールすることが大事だと思います。以下の流れで、模型実験について説明をしていきます。
2 章で模型実験の目的を整理しました。
3 章で模型実験がどのようなものかを理解していただくために、まもる君シリーズ（擁壁説明）とナトムトンネルシリーズの紹介を行いました

２

模型実験の目的
模型実験の目的を私なりに整理してみました。
①

土木事象を肌で感じるa)

土質力学の授業でランキンの式やクーロンの式を勉強したことがあると思いますが、実際に土が変形する様子を見た人は少ないと思います。

b)

土木は力学的な内容が多いので、模型などを作ることで力学的な事象を肌で感じることができます。

②③

イメージを掴むことで大間違いをしないa)

今はどうしても、計算式中心で業務を行います。

b)

計算式に頼ると、「何かおかしい」というような「勘」が鈍ります。

c)

その基となる事象を肌で感じて理解することで、「何かおかしい」と思えるようになる。

一般の人に土木を理解してもらうa)

私は、土木の日や地域のお祭で、土木に関するいろいろな構造物や土の事を、模型を作って説明することがあります。

b)

そのときに必ず、「土木の人は計算をするのですね」とか、「ヘルメットを被って土を掘っているわけではないのですね」などと、妙に感心されます。

c)

理解されていないのは、アピールが足りないのだと感じます。

d)

土木技術者がどんなことをやっているのかを、一般の人にわかってもらう必要があります。

３

模型実験の方法①

まもる君シリーズa)

概要
土木の人は当たり前のように知っている、重力式擁壁の説明モデルです。

b)

特徴
土のモデルとしてボルト・ナットのナットを使い、重力が作用して擁壁が土に押されて変形する様子が再現できます。安全性の高い形状の擁壁は動きません。

c)

方法
図-１で、土がナットでモデル化されることを理解してもらいます。
スライドモデルで重力を再現するということを理解してもらいます。
理屈は難しいですが、実際に装置を回してもらうと、なんとなく理解してもらえます。
擁壁というものの説明をします。
一般の人は表面に見えるコンクリート面だけは認識していますが、その奥が板のようになっているのか、台形の形になっているのかがわからないようです。擁壁にはいろいろな種類（重力式、もたれ式、逆 T 式）があることを説明すると、感心されます。
図-２で、「やせっぽっちの擁壁―まもる君 1 号」は、土に押されて変形することを体感してもらいます。
土の変形がどのようになるのかも感じてもらえます。専門の人はそれが主働土圧であることがわかりますが、一般の人は当然わかりません。
土が擁壁を押す力を計算で求めるというと、「土木の人も計算をするのですね」というような反応をされます。計算するときは材料の持っている性質を調べ（γ、C,Φ）、力学計算をするのですよ。「数学と物理の知識が必要です」と言います。
子供がいれば「、きちんと勉強しないといけないよ」などと、今勉強していることが、社会に出ていかに役立つかを体感させてあげます。今勉強していることの意義を感じる機会が意外と少ないのではないかと思います。
図-３で、「太っちょの擁壁―まもる君２号」は、土に押されてても、びくともしないことを体感してもらいます。
ちょっとした形状の違いで、動かなくなることに興味をもちます。
計算をして形を決めるということは、専門の人には当たり前ですが、一般の人には結構新鮮なことのようです。
興味をもってもらえたら、「土の間にすべりやすい紙を挟んだりした場合にどのようになると思う」などと質問をすると、土木の世界に興味をもってくれます。将来の土木技術者の誕生になるかもしれません。②

複雑→単純

３次元→２次元

図-１ 土粒子のモデル化

図-２ まもる君１号は転倒

図-３ まもる君２号は安定

②ナトムトンネルシリーズa)

概要
土木の人でもはっきりわからない、ナトムトンネルの支保機能に関する模型です。

b)

特徴
土・岩盤のモデルとしてボルト・ナットのナットを使い、地山に放射状に挿した鉄筋が上からの土の荷重を支えることを体感してもらうものです。

c)

方法
図-４のようにナットを立てることで重力を作用させます。
図-５が増地の材料です。
図-６は放射状の鉄筋が無い場合のモデル化です。
ナットを並べて、トンネルの形に空洞を作ります。
空洞の周りには、覆工コンクリートを意識した紙の枠が入っています。
この状態で、図-５のように立てることで重力を作用させます。
ナットは下に落ちようとして、紙でできたトンネルは、図-７のように潰れてしまいます。
図-７は放射状の鉄筋を紙でモデル化したものです。
上と同様にナットを並べますが、今度は放射状の紙が入っています。
この状態で、図-５のように立てることで重力を作用させます。
すると不思議なことに、今回はトンネルが潰れません。図-９がそのときの様子です。
この現象はマジックのように映るようです。
図-８の斜線部のナットは動きにくいため、レンガブロックのようになります。
このレンガブロックが、上からの力を支えることになります。
ですから、トンネルの内側は多少変形しています。
変形しながらレンガブロックが強くなってきているのです。
ここで、一般の人に次のように説明します。
放射状の鉄筋の長さや太さは、土が悪ければ強くしなければなりません。
地盤の中をくり抜いて地盤を調べたり、振動を与えて地盤がどのようになっているのかを調べたりして、最後は地質調査の専門家が地球のできた歴史を頭に入れながら、地盤の中がどのようになっているのかを想定します。
その結果から、設計をする人が、鉄筋の長さや太さを決定していくのです。
一般の人は、まずトンネルに鉄筋が放射状に入っていることをしりません。また、トンネル設計にあたり調査していることも知りません。

図-４ 重力のかけ方

図-６ 放射状鉄筋なし
図-８ 放射状鉄筋ありの場合の支える力
放射状の鉄筋の間の土は動きにくいので、その部分がレンガブロックのようになる。上からの力を受けてレンガブロックがだんだん硬くなっていく。そのレンガブロックがさらに上からの力 P1 を支える。

図-５ 実験材料

図-７ 放射状鉄筋あり（ナトム）

４

おわりに
計算式の複雑化と共に、計算ソフトにより計算をすることのウエイトが増えてきています。計算ソフトで計算すること自体は効率的となるため、考える時間が確保できるので良いことです。ただし、計算式の本質を理解しなかったり、入力データとなる地盤条件などがおろそかになったりする傾向が見受けられます。このようなことを補う意味で、模型実験は有効になります。
また、大学の先生と話をすると、「最近は学生の質が落ちた」とか「建築は人気があるが、土木系は駄目だね」とか言われます。そのため土木という名前が残っている大学は少なく、社会開発などと曖昧な表現が多くなってきています。土木のマイナスのイメージをなくすために、名前を変えるという手法はあまり賢い手法に思えません。それより、土木が様々な学問を総合的に用いて成り立っている工学であることを、一般の人に理解してもらうことが大切な気がします。
「プロジェクト X」のような番組で土木技術者を紹介してもらうと、土木技術者も陽の目を浴びた感があります。それでも、まだまだアピールが不足していると思います。テレビドラマや漫画などのメディアにどんどん登場してくるといいのですが、ストーリーを上手に組み立てないと視聴率が取れないのでしょう。草の根的にアピールする方法が、今回紹介した方法だと思います。
我々コンサルタントや、施工業者の人が地域のお祭やイベントに積極的に参加して、土木技術をアピールすることが大事に思います。
また、地元説明会の時や、工事中・工事完成後などに、地元の人に土木施設をわかりやすく説明して、「技術の尊さ」や、「施設への愛着」を持ってもらうようにしたいものです。

写真-１
島根県での模型実験

写真-２
松江国道工事事務所での模型実験