地盤液状化の発生条件と防止対策

　東日本大震災では強い揺れが数分間も続いたので，砂質地盤の液状化が大規模に発生しました．液状化が著しかったのは，霞ヶ浦と利根川の間の潟起源低湿地（潮来市），鹿島砂丘の内陸側低地（鹿島市・神栖市），霞ヶ浦湖岸低地（稲敷市・行方市・鉾田市など）です．最も遠いところでは，本震の震央から500km，M7.7の大きな余震の震央から200km離れた東京湾岸埋立地で生じました．この場所の震度は5弱で，震動の直接作用による建物損壊はほとんどありません．

砂は粘着性のない粒の粗い粒子です．締まりがゆるい状態で砂が積み重なっているとき，砂粒子はお互いに角を接触させ，いわば突っ張りあって全体を支えています．粒子間には広い隙間があり，互いにつながっています．地下水面が高いと，この隙間は水で完全に満たされています．ここに地震動が加わって砂粒子が繰り返し揺すられると，お互いの支えがしだいにはずれ，やがては砂粒子間の接触はなくなり，水圧を高めた水の中にばらばらになって浮いた状態になります．これが液状化です（図60）．

揺すられることによる全体としての体積の縮小に抵抗して地下水の水圧は高まります．圧力を高めた地下水が砂とともに地表へ噴出すると，地層の中身が抜け出たことになり，沈下・亀裂・陥没・隆起などの地盤変形が起こります．横からの押さえのないところや傾斜のあるところでは，液状化層が側方へ流動します．これにより建物・構造物に沈下・傾斜・転倒・浮き上がりなど，およびそれに伴う破壊が生じます．水と砂が抜け出すのにはかなりの時間がかかるので（長いときには数時間），強震動の作用の場合とは異なり，建物の変形・破壊は比較的ゆっくりと進みます．したがって人の被害はほとんど生じません．

液状化は，締まりの緩い砂質層の存在と地下水による飽和，という2つの条件の組み合わせがある場所で生じます．主に砂質層で構成され地下水位の高いのは次のような地形です．過去の液状化災害は主としてこのような地形で起こっています（図61）．しかし，河川・海岸の低地であれば，多かれ少なかれ液状化の可能性のある砂層が局地的にせよ存在するとしたほうがよいでしょう．

海岸埋立地：　造成されて間もない締まりのゆるい地層であり，海辺にあるので地下水で完全に飽和し，埋め立て材料は海底砂であることが多いので，液状化が最も起こりやすい人工の地形です．

　 旧河川敷・旧河道：　平野中の凹所で地下水位は高く，表層は主として河床砂で構成されているので，液状化が生じやすい地形です．液状化が注目される契機となった1964年新潟地震では，信濃川旧河川敷で著しい液状化被害が発生しました．

砂州・砂丘の内陸側縁辺，砂丘間凹地：　砂州・砂丘の内陸側やそれらの間の凹地では地下水面が地表近くにまで達しているので，液状化が生じやすい地形です．一般に沿岸砂丘の発達する平野では砂質層が多く分布し，また，人工盛土・埋土の材料も砂が使われるので，地震時には広く平野内で液状化が発生します．

低い自然堤防・緩扇状地・三角州など：　自然堤防は砂質層からなるので，その低いものは液状化を起こします．後背低地や旧河道では地下水位が高いので，砂質のところでは液状化が生ずる危険があります．三角州は河川が土砂を海に搬出してつくった地形で，地下水位は高く，堆積層の締まりは緩いので，砂質のところでは液状化発生の可能性が大です．

地震動の主力であるS波は，ずれ変形が伝播していく横波なので，ずれの力に抵抗できない液体中にはS波は伝わりません．したがって液状化は地震動を減衰させます．液状化の被害は専ら基礎地盤の変形・破壊によって生じます．

被害を受けやすいのは重量の大きな建築物や構造物であり，液状化砂層中に沈み込んだり，不等沈下により傾斜したりします．地中に埋設された上下水道管・ガス管・マンホール・タンクなどは，内部を含めた見かけ比重が液状化層の比重よりも小さいので浮き上がります．また，液状化層の側方流動により被害を受けます．堤防・道路などの盛土は基礎地盤が液状化すると，沈下や滑り出しにより破壊されます．地盤の上に載っているだけの軽量の木造建物に対しては，液状化の影響は相対的に小さいのですが，亀裂・陥没・隆起などが大規模になるとやはり被害を被ります．基礎地盤が変形を受けているので復旧がより困難です．

液状化防止は，締まりの緩い砂層および地下水飽和という液状化発生条件をなくす地盤改良工事により行なわれます．

砂層をなくする：　砂よりも細粒で粘着性があるため液状化が生じない粘土・シルト，あるいは粗粒のため排水が速やかに進む礫によって砂層を置き換える方法で，抜本的な対策ですが高コストです．

地下水をなくする：　水抜き・脱水・止水などを行って地下水位を下げ，表層部における飽和状態を解消する方法ですが，恒久的に地下水位を下げることは困難です．

砂層を固める：　締め固め・圧密により砂層の密度を上げて液状化しにくくするもので，最も多く行われている方法です．振動クイの打ち込み，締め固め砂杭（サンドコンパクションパイル）の圧入などの工法があります．薬液（水ガラスなど）の注入により固化させるという方法もあります．

透水性を高める：　砕石柱（グラベルドレーン）をつくって排水経路を短縮し，砂層中に発生する過剰間隙水圧を速やかに消散させる方法です．先端を閉じた鋼管を砂中に貫入し，砂利や砕石を詰め込んだあと鋼管を引き上げるという方法によってつくられます．　

盛土を行う：　表層に厚さ2〜3mの非液状化層をつくって，有効垂直応力を増し，また噴水・噴砂を抑えこむもので，一般住宅等の被害防止に役立ちます．大規模な地盤改良を行なうことができない場合には，コンクリートのべた基礎にして基礎剛性を大きくして地盤変形に対する抵抗力を与えます．

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