特 集社 会 基 盤 工 学 か ら み た 都 市 防 災

地盤工学と都市防災
東京理科大学 創域理工学部 社会基盤工学科 教授

1．はじめにきく ち菊池よしあき

喜昭

として大きな水圧を受けていますが，この水圧が土のせん断抵抗には寄与するはずがないということから分

地球上の構造物はすべて，地盤に支えられて成り立かると思います．後者の鉛直応力は有効応力と呼ばれっています．しかし，このことは地球に空気があるこるもので σ’ と書かれて，σ’=σ−u と表すことができとと同じように当たり前のことなので，あまりピンとます．この時，u のことを間隙水圧といいます．結果こないかもしれません．地盤工学という学問は，土がとして（1）式は構造物を支えるという観点から見る学問ですが，そのτ=c’+σ’ tanϕ’

基本的な原理は土質力学に基づいています．土質力学とあらわされ，このように表現すると，多くの土での 観 点 か ら 土 を 見 る と，土 は，土 粒 子（固 体）と 水

c’=0，ϕ’=25～45°と な り ま す．tanϕ’ は 固 体 の 力（液体）と空気（気体）の混合体であるということにな

学で言うところの摩擦係数になり，ϕ’=31°が摩擦係ります．土粒子というのは，皆さんがいわゆる土とイ数 0.6 に相当します．

（2）

メージしている土の本体部分で，石，砂，粘土などかまた，土の供試体が横方向に変形しないようにしてらなっています．これらはすべて，粒の集まりです．

（硬い容器に入れて）上から力を加えると体積変化（体このため，土の本体部分である固体部分を土粒子と呼積収縮）を起こします．その後，上から加えた力を除びます．ここでは，土と言ったら土粒子のことではな

去すると，少しだけ高さが元に戻ろうとしますが，完く，土粒子と水と空気の混合されたものを指します．

全には元には戻らなくなります．これは，土粒子が粒地面から土を取り出して，円柱状（供試体）にして状体で，その配列が摩擦に支配されているために起こ

それに力を加えると，土は変形するとともに体積変化る現象です．粘土を多く含む土は，地面の中ではほとをします．

んどの場合空気を含んでおらず，そのような土で作っ土の供試体にせん断力を加えると，せん断変形する

た供試体が体積収縮するときには供試体から水（間隙とともに体積変化をします．また，土はある一定以上水）が出ます．粘土を多く含む土では，間隙水が流れのせん断応力には抵抗できず破壊します．土がどの程出す速度が遅いため，荷重をかけてもすぐには体積収度のせん断力で破壊するかは，破壊する面に作用する縮せず，時間をかけて体積変化が生じます．このよう鉛直応力の影響を受けます．これを式で表すと，な現象を土の圧縮現象といいますが，特に圧縮するの

τ=c+σ tanϕ（1）となります．ここで，τ：土が破壊するときのせん断応力，c：破壊する面に作用している鉛直応力に依存しないせん断抵抗（粘着力という），σ：破壊する面に作用している鉛直応力，ϕ：せん断抵抗角（土粒子同士のかみ合わせや摩擦で決まります）．に時間がかかる現象を圧密と呼びます．

2．斜面災害日本は山国であるため，いたるところに斜面があり，大雨が降ったり，地震があったりすると，それが崩壊ところで，土がせん断力を受けるときの抵抗は土粒して災害を引き起こすことが多々あります．また，道子間の摩擦とかみ合わせによるものなので，実際に土路や宅地を造成する際には，土を盛って平らな面を利粒子同士を押している力が重要です．仮に土が水を含用することがしばしば行われます．この時，平らな面んでいて水圧がかかっていた場合（イメージとしては，の脇には自然に斜面が形成され，注意しないとこの斜海の底にある土の場合）には，土粒子同士が本当に押し面も大雨や地震の時に崩壊することになります．これ合っている力としては，面に作用する鉛直応力として，らのような斜面崩壊の課題は，我が国における地盤災

全鉛直応力 σ から水圧 u を差し引いた鉛直応力を考

害の最たるものになっています．

える必要があります．このことは，海底面の土は σ

8特集

社会基盤工学からみた都市防災

斜面が不安定になるかどうかは，崩壊しようとする

面に作用するせん断力とせん
断抵抗力のバランスによって決まります．斜面が崩壊するときの崩壊形態は様々ですが，表面付近だけが崩壊するというモードがしばしば生じます．
【図 1】はその時の状況をイメージしたもので，図のように斜面の表面から一定の深さのところが崩壊するような破壊形態を直線すべり破壊といいます．斜面が崩壊するとき【図 1】斜面の安定計算の説明図【図 2】斜面の安定性を高める擁壁の例の力学現象の基本はここに示す通りで，その安定性を面勾配 α が土のせん断抵抗角である ϕ’ に等しい時で考える考え方のエッセンスもここに示した通りになり

あ り，斜 面 の 地 下 水 位 が 地 表 面 に あ る 時 に は，ます．つまり，【図 1】に示すように破壊する部分のtanϕ’ という関係を満たさなくてはいtanα=（γ’ / γsat）

一部の土の力のつり合いを考え，考えている部分の土けないことになり，（γ’ / γsat）<1 であるので，斜面勾の下面にあるすべり面での土のせん断抵抗とその面に配 α が土のせん断抵抗角である ϕ’ よりも小さくなけ

土自身の重さにより作用するせん断力を比較して，せれば安定しないということになります．さらに，α がん断抵抗のほうが大きければ斜面は安定しますが，小固定されている場合（つまり今ある斜面の場合）には地さければ斜面の安定は保たれなくなり，斜面崩壊が生下水位が高くなるほど（ β が大きくなるほど），安全率じます。

が小さくなり，斜面がどんどんと危険になっていくこ【図 1】では斜面の傾斜角度を α とし，地表面に平とが分かります．

行なすべり面（深さが H）と地下水面（（1−β）H）があ【図 1】は雨が降ったときに斜面が崩壊の危険性がるとして，斜面の幅 b の部分に作用している力を考高まることを示した図ですが，地震の時には，地震力えています．ここでは，b の部分の斜面上側と下側かが土の塊に作用することで崩壊する面に作用するせんら作用している力を省略していますが，無限に長い斜断力を大きくするように働くことが起きるため，やは面を考えるときにはこれらはキャンセルするため，考り斜面が不安定になることが起こります．

える必要がありません．この時，すべり面の力の釣り斜面崩壊を防ぐには，これまでの説明からも分かる合いについて考えてみると，この部分の土が滑ろうとように，斜面の勾配を緩くすることが効果的ですが，する滑り面上のせん断力は斜面の勾配を緩くするということは，斜面の水平距離bH sinα
S=W sinα=（（1−β）γt+βγsat）となります．一方で，土のせん断抵抗力は
KS'=W' cosα tanϕ’bH cosα tanϕ’＝（（1−β）γt+βγ'）を長くすることにつながり，結果的に人が使える土地の面積を狭めることになります．それを避けるために，斜面に安定性の高い擁壁（普通に言う壁，【図 2】）を作る方法があります．これは擁壁を作ることによって斜で表されます．S と S’ の大小関係がどうなっている面内にすべり面を作らせないようにする方法といえます．

かが問題ですが，地盤工学ではこれらの比（=S' / S）

これまでの説明から分かるように，斜面中の地下水を取って，安全率と呼んでいます．この時の，斜面の位を上昇させないことが斜面の安定性を高めるうえで安全率は重要です．そのためには，斜面に水が浸透しないよう
F=（（1−β）γt+βγ'） tanϕ’S'=
S （（1−β）γt+βγsat） tanαにするか，斜面に水が浸透しても地下水位が上昇しないように排水性を高めることが大事です．
【図 2】のとなります．ここで，γsat，γt，γ' はそれぞれ，土の示すように，擁壁にはある間隔で塩ビ管が刺さってい飽和，湿潤，水中単位体積重量で，γsat＞γt＞γ' となますが，これは擁壁背後の地盤の地下水位が上昇しなっています．また，βH はすべり面からの地下水位まいように，排水を促進するためのものです．実際のとでの長さです．この式で，β=0 のとき，つまり，斜ころ，擁壁背後の地下水位が上昇すると擁壁の安定性面中に地下水位がない時は，F が 1 になるのは，斜が損なわれることになりますので，その対策でもあり
理大

科学フォーラム

2023（6）9（対策後）（対策前）

後土にかける力を減らしてもそれだ
けでは土粒子の配列は元に戻らず，体積は縮んだままとなってしまいます．
土を大きく分けると，比較的粗い土粒子で構成されている砂と比較的細かい土粒子で構成されている粘土に分類されます．一般にある力を掛【図 3】法面補強による危険な斜面への対策

けたときに砂のほうが体積収縮量が小さく，粘土のほうが体積収縮量が大きいという特徴を持っています．このことから，地ます．
また，地盤がせん断破壊しにくくなるためには，破盤を埋め立てたり，盛土をしたりしたときには，下の壊する面に作用する鉛直有効応力を大きくすることが地盤が砂地盤だったら沈下量は少なくて済みますが，役立ちますので，斜面の表面に板のようなものを当て粘土地盤だとたくさん沈下することを覚悟しなくてはて，アンカーを打設し，アンカーで斜面に垂直力をかなりません．さらに，粘土は，透水性が悪いため，非けるという対策【図 3】もあります．

常に長い時間をかけてゆっくりと沈下していき，下手3．地盤の圧密による沈下とが起こります．【図 4】は海外の事例ですが，地盤をすると 100 年以上も沈下し続けるというようなこがあまりよくないところにビルを建設したところ，ビ東京の東部地域はゼロメートル地帯が広く広がってルは重いので，杭基礎で支持してあり，周辺地盤の対いることが知られています．この地域は，明治時代か策を十分にしていなかったために，ビル周辺の地盤がら第二次世界大戦のごく一時期を除いて昭和 50 年こ沈下し，花壇が斜めになったことを示しています．

ろまで，沈下し続けていました．これは，地中から地力を掛けると体積収縮する現象は砂でも粘土でもど下水をくみ上げ続けたことにより，地下水位が低下し，のような土でもみられる現象ですが，粘土のように細その結果，地中での鉛直方向の応力（有効応力）が増かい粒子を大量に含む土では，収縮するのに時間がか加し，地盤が体積変化したことによるものです．昭和

かるという特性があります．土が体積収縮するには土50 年代に，その原因が明らかとなったため，地下水から水が出てくることが必要です．土の中の水が動きのくみ上げを規制したところ，地下水位が回復し，現にくいと土から水が出てくるのに時間がかかります．

在では明治以前の元の地下水位に回復しています．そ特に，圧縮する土の層の厚さが厚いと圧密するのにかの結果，地中での鉛直方向の有効応力は元のレベルまかる時間が非常に長くなります．これは，土層の深いで下がりましたが，地盤の高さ（体積）が元の状態にところから長い距離を移動しないと水が土の外に出ら戻ることはありません．この現象は，土の圧縮特性をれないということが原因していて，土層の層厚の 2よく表しています．つまり，土に大きな力を掛けると，乗に比例して圧密に時間がかかるようになります．

土粒子の配列が変わって，土は体積収縮します．その4．土を災害に対して強くする
地盤が破壊するときには，主としてせん断破壊をします．これを避けるためには，地盤のせん断抵抗を大きくするか，大きなせん断力が作用しないようにすることが必要となります．これが土を災害に対して強くする方法ということになります．土を強くすることを，専門用語では，地盤改良といいます．地盤改良の主な方法は，（1）良質の土に置き換える，（2）地盤の密【図 4】ビル周辺地盤が圧密沈下を起こし，ビルと段差ができている

10特集

社会基盤工学からみた都市防災度を高める，（3）土を固める，（4）土を補強する，（5）あらかじめ土を圧密する，といった方法があり

【図 5】砂地盤を締め固める方法【図 7】ジオグリッドを用いて地盤を補強しているところ【図 6】固化処理をした粘土を施工している様子【図 8】サンドドレーンを施工することにより水の移動距離が短くなるます．

良工法があります．

相対的にせん断強度の小さい粘土を砂に置き換える

例えば，自然斜面で地盤災害に強い施設を作ろうと工法などが（1）に相当します．【図 5】に示すようにする場合には，【図 3】にも示したように，アンカー強制的に砂杭を砂地盤中に作り，土の密度を上げるもボルトを打設し（4）の原理を使うことが考えられまのが（2）に相当し，これは主として砂地盤に対してす．盛土のような人工斜面では，（2）の土をよく締のみ適用されます．【図 6】に示している，セメントめ固める，（3）のセメントを混ぜて固める，（4）のなどの固化材を土と混合する方法は（3）に相当し，不織布等を用いて補強するなどの方法が考えられます．

このことによって土を固めることができます．これは自然斜面との大きな違いは人工斜面はこれから人が作式（2）の c’ を大きくする方法といえます．一般に，ろうとする斜面ですので色々と工夫ができることが特地盤改良で必要となる土のせん断強度はコンクリート徴です．圧密に対する対策では，圧密沈下量そのもののせん断強度の 100 分の 1 以下ですので，コンクリを減らすことはかなりむつかしいですが，圧密を早めートのようなものを作るのとはわけが違います．土にに終わらせるために，粘土地盤に【図 8】に示すよう不織布を敷設するなどして，土に不足している引っ張な排水用の砂の柱を構築することで見かけ上の地盤のり抵抗を補おうとする方法が（4）に相当します．

層厚を薄くしたうえで，事前に盛土をして（5）の対【図 7】はそのようにして作った盛土の一部を示した

策をし，その盛土を撤去した後に構造物を作れば，そものですが，これを用いると，通常考えられないようの後の長期にわたる大きな沈下を気にしなくてよくなな急勾配の斜面を作ることが可能となります．あらかります．

じめ地表面に大きな荷重（将来その地盤に作用すると考えられる最大荷重など）を作用させて圧密させ，先に圧密を完了させる方法が（5）に相当し，これは主とし5．おわりにて粘性土地盤で用いられます．この方法をとる時には，ほとんどの地盤は自然が作ったものであり，その特粘土地盤の圧密が早く終了するように，圧密促進工法

性をすべて調べ上げることは基本的にできないため，（バーチカルドレーン工法）が一般的に併用されます．

ある程度は想像しながら対策をとることが必要になっ各種の地盤改良工法にはそれぞれ特徴があるため，てきます．限られた情報の中でいかにして災害に対しどこでも同じ地盤改良工法が適用できるわけではありて社会を守っていくかが社会基盤工学における地盤技ません．そのため，上記の原理に基づく様々な地盤改術者の責任といえます．
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