'18/10/13
液状化のメカニズム 目次
吉見 吉昭

ボイリングと振動・衝撃による液状化
 
砂の液状化には,上向きの浸透流によるボイリングと,振動・衝撃による液状化がありますが,地震時のゆるい砂の液状化は,振動によって発生した後,ボイリング状態がしばらく続く現象です。

 
  図1 鉛直浸透流のない場合の水平地盤の有効応力 図2 上向き浸透流により鉛直有効応力が0になる場合

 液状化発生のメカニズムについて説明する前に,液状化が起こる前の砂地盤が,どうやって安定な状態を保っているかについて考えてみましょう。図1および図3(a)において,地下水位より下の砂地盤は,積み重なった砂粒の間の隙間が“間隙水”で充満した“飽和砂”で,浮力が作用します。砂の比重は約2.7ですから,重量のほうが浮力より大きく,両者の差は,有効応力として粒子同士を押し付け合います。砂粒の表面には摩擦抵抗がありますから,これが変形させようとする力に抵抗し,安定な状態を保ちます。地下水位が地表面と一致していると,有効応力は,ほぼ深さに比例して大きくなります。

 ボイリングとは,定常的液状化に相当するもので,上向きの浸透流の速さが臨界値に達すると,砂粒の表面を引きずり上げようとする浸透水力と浮力の和が重量と等しくなりますので,図2のように有効応力がゼロになり,摩擦抵抗が消滅して,砂は図3(b)に示すように粒子間の接触がなくなって液体として振る舞い,重い物は沈み軽い物は浮上ります。(ただし図3は大幅に単純化された二次元表示です。)実験では,さらに水流を強くすると,砂粒が活発に動き回り,沸騰(ボイリング)状態になる様子が観察できます。自然界では,砂層の下から被圧水が湧き出すクイックサンドがこれに相当します。また,地下水位より深い掘削の底から不用意に排水するときにも起こり得ます。

図3 (a) 液状化以前,(b) 全層液状化,(c) 上部のみ液状化,(d) 液状化終了後

 つぎに地震または衝撃にによって発生する液状化について説明します。砂糖壺を叩くと,砂糖が詰まって表面が沈下することは誰でも経験することですが,乾燥した砂でも同じことが起こります。しかし,飽和砂では,粘性をもつ間隙水がすぐには排出されなくて,砂が詰まろうとするのを妨げる結果,水圧が上昇し,それによって有効応力が低下します。極端な場合として,図2および図3(b)のように,有効応力がゼロになれば,砂粒の間の摩擦抵抗もゼロになるので,砂は液状を呈します。地震による液状化層の最下部では,その下からの水の供給はありませんから,地震動が止ったら,すぐ液状化状態が終わります。このようにして,図3(c)のように液状化は下から順次終わり,最後に図3(d)のように全層にわたって液状化が停止します。つまり,浅い所ほど,液状化状態が長く続くことになります。液状化継続時間は,液状化層の厚さと砂の透水性・圧縮性によって決まりますが,十数メートルの厚さの砂層の場合に数十分程度ではないかと言われています。極めてゆるい砂の場合は液状化の後に地表面が沈下します。

再液状化
 砂が液状化した直後には,砂の構造の劣化(微視的には粒子間の付着力の減少)によって液状化抵抗が減少します。液状化は大きなせん断ひずみを伴いますので,換言すれば,“大ひずみ繰返しせん断履歴の影響”です1)。本震によって液状化が起こった後の比較的強い余震によって起ったとみられる再液状化が1994年北海道東方沖地震,2011年東日本大震災などで観察されました。しかし,液状化後長い期間が過ぎると,砂の構造が安定化して,ほぼ元の状態に戻りますが,次の強い地震によって再び液状化すると考えられます2)


  1. 吉見吉昭:『砂地盤の液状化(第二版)』,技報堂出版,1991,pp.46-48
  2. 吉見吉昭・福武毅芳:『地盤液状化の物理と評価・対策技術』,技報堂出版,2005,p.59