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思い出の地盤工学(1)[シリーズ3回]

1・はじめに

土質力学の源流1)は、今から200年以上前のCoulomb(クーロン)の摩擦則によるせん断強度式とRankine(ランキン)の塑性平衡条件下における応力解析法までさかのぼります。これらは、土圧,斜面崩壊,基礎等の解析・設計において種々の工夫が施されて、現在も実務で活用されています。地下水流に関しては、Darcy(ダルシー)法則に基づく透水解析法が地盤中の水の浸透問題を解く際の基本的な方策となっています。また、道路,堤防,ため池,高フィルタイプダム等の盛土構造物の設計・施工に必須の基本情報となっているProctor(プロクター)が見出した「土粒子は破壊されないという仮定の下においては、密になると間隙比が小さくなり、最大の締固め密度を生むような含水状態が存在するという最適含水比の存在を示した締固めの原理」は、理論的な裏付けにはなっていないものの実務で用いられています。また、Terzagi(テルツアギー)は、土材料や地盤の応力~変形~強度特性を「有効応力の原理」により論じ、圧密モデルを作成しました。これも軟弱地盤解析の実務において圧密沈下の計算に用いられています。

つまり、地盤力学は、CoulombやRankineの古典的な土の力学にDarcy法則やProctor原理及びTerzagiの有効応力の原理等を取り込みながら、土が保有する粒子論的な意味での基本物性を吟味し、実務に適用するように発達してきたと言えます。

小生は、1974年に土木工学科に入学し、土質力学(その当時は土質工学Ⅰの講座)を専攻したのは、2年生になった時の講義において、森芳信教授が「土質は、鉄やコンクリートなどの土木(建設)材料に比べて難解だ」と言ったことがきっかけでした。(社)土質工学会(現:公益社団法人地盤工学会)に入会したのは4年生(1977年)の時になります。それ以来、43年間土質(地盤)に係わる実験・研究,調査・試験・計測及び設計などの業務を行ってきました。

お話を続ける前に土質や地盤に関係する言葉を整理しておきます。まず、土・土質(soil)と岩(rock)は、土と岩を区別する場合に用いることが多く、その当時は、土質力学(soil mechanics)と岩盤(石)力学(rock mechanics)と呼ばれていました。現在は、これらを併せて地盤力学(geo-mechanics)と称することが多くなっています。このため、土質工学(soil engineering),岩盤工学(rock engineering)も土質工学会が地盤工学会に変わったように地盤工学(geotechnical engineering)と称するようになっています。

したがって、ここでは、土質力学,岩盤(岩石)力学,土質工学,岩盤工学,地盤力学及び地盤工学という言葉を用いることにします。

2.学生時代の土質力学に関する書籍

1975年から1984年までの10年間は、大学・大学院,土木工学科助手及び東京大学生産研究所での研究員の時代でした。この間の土質力学に関する書籍は、森芳信先生や龍岡文夫先生が書かれた書籍や先生の先生である河上房義先生や最上武雄先生が書かれた書籍が主でした。また、実験や研究に際しては、学会誌や論文を探索していました。

まず、学生時代の土質力学に関する書籍は、河上房義先生の土質力学と土質工学演習です。これらの書籍は、土質力学と土質工学演習の講義で用いられたことから単位取得のために勉強したものなので、これらの書籍の章立てが土質力学の基本となり、小生の頭の中にすりこまれています。また、実験・実習を行ったことは土質力学に関する理解度を上昇させる役割を果たしたと思っています。

大学院の時には、土質力学に加えて土質動力学(soil Dynamics)を学習しました。土質力学は、表-1中および図-1に示す「Soil Mechanics(Lamb・Whitman)」を用いました。土質動力学は、1970年の「VIBRATIONS OF SOILS AND FOUNDATIONS(Richart, Hall & Woods)」を用いました。この書籍は、1975年に岩崎敏男氏,嶋津晃臣氏が翻訳して「土と基礎の振動 -地盤振動の基礎知識-」として鹿島出版会から出版されました。

また、修士論文とは別に一面せん断試験,三軸圧縮試験,圧密試験などを実際の現場から採取した土試料(まさ土や地すべり粘土も含まれます)を用いて行ったことは、サンプリング方法を知ったこと、試験結果から土質力学をある程度理解できたことは、その後の仕事を選択する上で非常にプラスとなりました。さらに、修士課程の1年だった1978年6月12日には宮城沖地震が発生し、地震動による地盤災害の調査を経験出来たことも現在の仕事につながっていると感じています。

助手時代は、教授が最上武雄先生、助教授が山田清臣先生、講師が徳江俊秀先生でしたので諸先生方の土質力学に関する実験・実習を補佐したこともその後の仕事を選択する上で非常にプラスとなりました。

表-1にこの時代に学習し、今も小生の三畳の書斎?の本棚に鎮座している土質力学に関する書籍を示します。

表-1 土質力学に関する書籍
図-1 Lamb・WhitmanのSoil  Mechanicsの表紙

表-1に示す書籍の中で特に記憶に残っているのは、図-1に示したLamb・WhitmanのSoil Mechanicsです。この本は、図-2に示すように模型実験の写真や図表が非常にわかりやすかったことと章立てが大学時代に学習した土質力学及び土質力学演習とは異なっていたためと思います。

その後、1983年に龍岡研に行ったときに修士課程の谷和夫氏(現東京海洋大学教授)が行った豊浦砂を用いた支持力実験の結果(図-3)を見たときに、より鮮明に支持力機構が理解できたということも関係していると感じています。

図-2 Soil Mechanics p.197(Failure zones under footing)
図-3 豊浦砂を用いた支持力実験結果2)

地盤に係わることが面白いと感じていたので仕事として選んだのが大学の大先輩が起業した建設コンサルタントでした。ここでは、地盤コンサルタントとして土質試験室での業務からスタートしました。土質試験室での業務は、大学の実験実習を毎日やるようなことだったのですが、試験を行う試料が多種多様で時には海外の土質試料・岩石試料もあったのでこれもまた面白い業務でした。2年後には主に地震時液状化(土質動力学)を勉強するために当時東京大学生産技術研究所にいた龍岡文夫先生のところにお世話になり、東京湾横断道路計画に必要な豊浦砂や浅間山砂の繰返しねじりせん断試験と乱さない試料を用いた東京湾粘土のねじりせん断試験を行いました。龍岡研には、先生のほかに助手1名,技官2名がおり、大学院生3名,私大の卒業研究生2名,留学生1名,内地留学生1名,企業からの研究員は小生を含めて5名でした。総勢16名と大所帯の龍岡研では、土質動力学として繰返し三軸試験,繰返しねじりせん断試験、土質力学として三軸圧縮・伸張試験(φ5cm〜φ30cm),ねじり単純せん断試験,平面ひずみ試験,浅い基礎の支持力実験,軽量盛土工法や補強土工法の模型実験などが行われていました。さらに、これら試験装置の設計・製作,二方向ロードセルの開発なども行われていました。小生は、豊浦砂を用いて繰返しねじりせん断試験を行い、詳細な応力・ひずみ関係を求めました。

また、東京湾から採取した乱さない粘土試料を用いてねじり単純せん断試験を行い、三軸圧縮・伸張試験結果と併せて強度異方性を調べました。なお、これらの試験を行う前には、実施する試験に合わせて試験装置の図面を描き、試作工場で作っていただき組み立てを行いました。ねじりせん断試験用の二方向ロードセルも開発しました。

また、(社)土質工学会の液状化に関する繰返し三軸試験の講習会を手伝う機会があり、他者に教えることで理解度がアップしたことも覚えています。

当時設計した二方向ロードセルを図-4に示し、ねじりせん断試験供試体用の三軸セルを図-5に示しました。

図-6には東京湾粘土の一軸圧縮試験結果,三軸圧縮・伸張試験結果およびねじりせん断試験結果の非排水せん断強度の深度分布から確認された強度異方性を示しました。

図-4 開発した二方向ロードセル3)
図-5 ねじりせん断供試体用三軸セル4)  図-6 東京湾粘土の非排水せん断強度の深度分布5)

3.地盤コンサルタントになってからの書籍

1985年から1990年は、東京湾横断道路計画の盛土材料や東京湾粘土の土質力学試験や土質動力学試験に用いる三軸圧縮・伸張試験装置や繰返しねじりせん断試験装置の開発と地盤調査・軟弱地盤解析・地震応答解析などを行いました。地盤コンサルタントの業務を行うようになってからの書籍は、主に実務において知識として知らなければならないことを学習するためのものです。この時代は、実務に必要な書籍は少なく、各種基準も少なかったと記憶しています。その中で表-1中に示した石原研而先生と木村孟先生の共著である土質力学の中には,有効応力の概念があり、山口伯樹先生の土の力学の中にも有効応力の概念があり、軟弱地盤解析の業務に際しテルツアギーの圧密理論を理解するのに役立つとともに、のちに接する限界状態土質力学の理解の足がかりにもなりました。また、石原・木村の土質力学には、土質動力学に関する章があり、「5.軟弱地盤の応答解析例」では、金井先生の重複反射理論6)を用いた等価線型解析のプログラム「SHAKE」による例が執筆されており、地震応答解析の業務に大いに参考となりました。

表-2 本棚に鎮座する1972年から2000年に出版された書籍の一部

また、会社の上司が入門的技術書7)や地盤調査と室内土質試験に関する書籍8)の執筆をしており、その手伝いをしたことも参考文献等の収集におおいに役立ちました。また、(社)土質工学会において入門シリーズ「土の強さと地盤の破壊入門」10)の編集委員となり、龍岡先生の下でレジメづくりから書籍の完成までを経験出来たことは非常に良い経験となりました。

この時代は、限界状態土質力学(Critical State Soil Mechanics)10)が台頭してきた時代であり、地盤(土)に有限要素法を適用することも相まって使用されてきた時代でした。小生もご多分に漏れず有限要素法を用いた応力・変形解析を行ったときには、「わかりやすい土質力学原論」11)がおおいに役立ちました。

1991年から2000年は、軽量盛土工法の設計,補強土工法の設計,地すべり調査・対策工立案,軟弱地盤解析,水文調査などの実務を行いました。

2001年から2019年は、維持管理の時代となり、道路防災点検,モルタル吹付のり面の老朽化診断,トンネル点検・補修補強のための調査・対策工立案などがこれまでの業務に加わる形で多くなりました。

したがって、収集した書籍は次第に多くなり、現在も増え続けています。今回は、1972年から2000年までに出版された書籍の一部を表-2に示します。

4.おわりに

地盤工学の思い出として地盤力学の書籍に関するお話をするつもりだったのですが、表-1と表-2に示した主に土質力学に関するものと実務を行う上で学習した48冊の書籍の紹介しかできませんでした。これらの書籍は,本棚の1段目も埋めていませんが、1975年から1984年の間に学んだ土質力学が面白かったことと、この時代に学んだ土質力学が小生の基礎になっていることを今回改めて感じました。それは、1987年7月に京都で開催された「国際土質基礎工学会議第8回アジア地域会議」に出席した折りの昼食時に「室内土質力学試験結果や構成式に関するセクションが面白いです」と故今井五郎先生にお話しした時に、先生は「それは君たちが若いからだよ」とおっしゃられました。この時、今井先生のまわりには、小生を含め友人達数名がおりましたが、皆30代でしたので自分たちではそれほど若いとは思っていませんでした。しかし,その後、実務においていろいろな土や岩及び地盤に関する様々な業務を行ってきて、ようやく先生のおっしゃった意味が分かるような気がしたのはごく最近のことになります。

あの当時は、地盤力学に将来性を感じ、面白いことで興味惹かれるものであったことが思い出されます。

次回は、「思い出の地盤工学─地盤災害の調査について─」を紹介します。

<参考資料・文献 >

1) 三浦清一:地盤力学の理論から実践へ─進化する災害に直面して─,土木学会平成23年度定時総会 特別公演,2011年5月27日
2) 谷和夫:砂地盤上の浅い基礎の支持力機構,東京大学大学院工学系研究科土木工学科専門課程 修士論文,写真Ⅲ-8,1986年3月
3) Tatsuoka,F.,Sonoda,S.,Hara,K.,Fukushima,S.and Pradhan T.B.S.,:”Failure and deformation of sand in torsionalshear,”SoilsandFoundations,Vol.26,No.4,1986.
4) 龍岡文夫,原勝重,山田真一:土質せん断試験機の設計と製作─応力・荷重の制御と測定6─,地質と調査,1984,4.
5) Tatsuoka,F.and Hara,K.:Undrained shear strength of clay by torsional shear test, Proc.of the 8th Asian Regional Conf. on SMFE,Vol.8,No.1,pp.109~112,1987.
6) Kanai,K.:Relation Between the Nature of Surface Layer and the Amplitudes Earthquake Motions, Bulletin of the Earthquake Research Institute, University of Tokyo, Vol,30,pp.31-37,1952
7) 斎木幸平:これだけは知っておきたい地盤工学の基礎知識,鹿島出版会,1987年3月5日
8) ボーリングポケットブック(第2版):(一社)全国地質調査業連合会,1983年10月20日
9) 土の強さと地盤の破壊入門:(社)地盤工学会,入門シリーズ13,1987年7月10日
10) Schofield,A.N.and Wroth, C.P. : Critical State Soil Mechanics, McGraw Hill, London, 1968
11) わかりやすい土質力学原論:(社)地盤工学会,1987年2月2日

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