地震での液状化はなぜ起こるのか？

図１ 小千谷市のマン
ホールの浮き上がり
出典：Wikipedia

大きな地震が起こると液状化被害が報道されます。マンホールが飛び出したり、道路や校庭が水浸しになったり、ひどい場合はビルが傾いたり地中に埋もれたりすることもあります。地中からの水が、どうして地震により出てくるのかなど液状化のメカニズムについて説明いたします。

図２ 新潟地震液状化による
アパートの被害

1964年6月に新潟に地震が起きたとき、４階建ての新潟県営アパートの何棟かが沈下・傾斜・転倒しました。その写真がテレビや新聞に掲載され、「液状化によるもの」との説明があったことから、液状化という言葉を多くの人が知るところとなりました。この現象は昔も発生していましたが、地下水の水路破壊や水道管の破裂などと思われていました。ところが、その規模や被害状況が従来のものとは大きく違っていました。アメリカでも同年3月にアラスカで起こった地震の時に大規模な液状化が発生しました。この２つの地震による液状化発生が契機になり日米で液状化のメカニズムを探るための研究が盛んになりました。

都市や町は平地部や臨海部、河川敷部に多くあり、殆どが約1万年前から現在に至る沖積世（完新世：かんしんせい）と呼ばれる地質年代にできた地盤の上に作られています。また、人工的に造成された埋立地もあります。これらの地盤は礫、砂、シルト（沈泥：砂より小さく粘土より粗い砕屑物）、粘土などの土粒子が堆積されて出来ています。土粒子は大きさや形が不整合なため重なってもあちらこちらに隙間が空いた状態になります。

図３ 土の模式図

地面を少し掘ると地下水^*1が現れます。地下水面^*2よりも下の土は飽和土と言い、土粒子の間は水で満たされています。この水のことを間隙水と言います。図３のように土粒子は互いの摩擦、噛み合い等により隙間を空いて重なった土粒子骨格を形成します。飽和土において建築物の荷重を支えるものは土粒子骨格と間隙水となりますが、砂や礫は水通しが良いため水は容易に移動できるので（これを排水条件と言います）、建築後しばらくすると荷重は土粒子骨格だけが負担することになります。土粒子骨格の単位面積当たりにかかる力を有効応力と名付けています。一方、粘土のように水が通りにくい土、また、荷重をかけてから短時間の間で間隙水は移動することができない場合は非排水条件となります。

ここで、地盤に加わる力を考えてみます。図４(a)のように地盤を小さく立方体に切り取った土（土要素）に外部から鉛直方向の力Aならびに水平方向の力Bをかけます。ベクトルの考えから、外部からの力は等方成分(A+B)/2とせん断成分(A-B)/2に分解できます（図４(b) 、(c)）。また、図(c)において青色のせん断成分は緑色のせん断成分に変えることもできます。もともと土はバラバラな土粒子の集合からなっていますが、それを束ねているのは等方成分の力です。従って、等方成分の力が大きくなると体積が縮小^*3するので土は硬く強くなります。一方、せん断成分によるせん断変形に向かう力が大きくなると土粒子骨格が滑りを起こし、せん断破壊を起こすようになります。

図４ 土要素に加わる力の分解と変形

外部からの力がかかる時には、一般的には土粒子骨格が支える有効応力と間隙水圧で分担がなされます。すなわち、
    外部からの応力＝有効応力＋間隙水圧　　　　　　　　　　　(1)
となります。なお、有効応力は、
    有効応力＝有効応力の等方成分＋有効応力のせん断成分　　　(2)
です。
排水条件の場合、外部からの力がかかっても間隙水は移動するので間隙水圧は増加しません。したがって有効応力の等方成分とせん断成分が増加することになります。
一方、非排水条件下で外部からの力が加えられる場合を考えます。水は圧力をかけても殆ど体積は減少しないため、有効応力の等方成分は土粒子骨格では十分受け持つことはできません。(1)、(2)式から、外部からの力は有効応力のせん断成分と間隙水圧が受け持つことになります。
土にせん断力を加えると、一つ一つの土粒子が回転しながら他の土粒子の隙間に入り込んだり、乗り越えたりしようとします。土粒子が緩く（ゆるく）詰められている場合は、隙間が沢山あるので間に土粒子が入り込んで全体として土の体積が縮みます。一方、密に詰められている場合は、他の土粒子の上に乗っかるので隙間が空き体積が膨らみます。これらせん断変形に伴う体積変化のことをダイレイタンシー（Dilatancy）と言い、体積膨張を正のダイレイタンシー、収縮を負のダイレイタンシーと呼ばれます。

液状化をもたらす原因は、地震のSH波^*4による地盤水平方向の繰返しせん断力と考えられています。主に緩い砂^*5の飽和土地盤で発生します。
地震動による繰返しせん断力を受けると緩い砂地盤では負のダイレイタンシーが発生し、土粒子間の間隙は縮まります。地震の短い時間では間隙水が移動することができない（非排水条件）ので間隙水圧が上昇します。何度かの繰返しせん断力により次第に間隙水圧が上昇すると、(1)式に従って有効応力は減少し、やがてゼロになります。有効応力の等方成分は土を束ねる作用を司っていたのですが、拘束力が無くなったために土粒子がばらばらになる（泥水になる）、すなわち、液状化が始まる訳です。

図５液状化前後の地盤の模式図

十分時間が経過すると土粒子は沈殿します。土粒子骨格が出来上がるので有効応力は復活し、増加していた間隙水圧も次第に減少していきます。ただし、液状化で地盤が沈下しても、液状化が発生しないための密な地盤の条件にはなかなか達しないとの事です。これら液状化前後の地盤の様子を図５に示します。

液状化の時、間隙水圧が上昇しているので地上に水や土砂を噴き上げたり、また、その結果として地盤沈下が生じたりするようになります。液状化した土の上にある建物は地盤が軟らかくなってゆっくりと沈降したり、比重の違い（液状化した土の比重は約1.8）でマンホールが地上に浮き上げられたりします。

なお、ここでは液状化の生じる可能性の高い条件を中心に述べました。その条件とは、
  緩い砂地盤

  地下水面の位置

  大きな地震の揺れ