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ダイレイタンシーの基礎知識と液状化の関係

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ダイレイタンシーは土の重要な性質の１つです。考えてみれば、子供の頃からよく知っている土の性質ですが、これが地震時の液状化にも関係しています。今回は、そんなダイレイタンシーについて説明します。

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ダイレイタンシーとは？

ダイレイタンシーとは、土がせん断力を受けたときの体積変化を意味します。私が土木工学科にいた頃、土質力学の先生がよく実験をしてダイレイタンシーを説明してくれました。

その実験内容を交えてダイレイタンシーを説明しましょう。下図をみてください。透明の箱に土を入れています。土は、水と空気を適度に含んでおり締固めずに箱に入れます。ちなみに緩い土は、間隙比が大きな土といます。※間隙比は下記が参考になります。

間隙比と間隙率の違いとは？サルでもわかる計算方法

負のダイレイタンシー

左側の箱は、土を入れた直後の状態です。この状態から、箱を揺らします。何度も揺らしていると、土の体積が減ったことに気づきます。この体積変化が「ダイレイタンシー」です。次は透明の箱に締固めた土を入れます。

正のダイレイタンシー

同様に箱を何度も揺らします。今度は土の体積が増えました。これもダイレイタンシーです。このように、ダイレイタンシーは土の体積変化を意味しますが、体積が増える場合を「正のダイレイタンシー」、体積が減る場合を「負のダイレイタンシー」といいます。

・体積が増える⇒正のダイレイタンシー
・体積が減る　⇒負のダイレイタンシー

言葉は小難しいですが、幼少期の頃から砂場遊びをした人なら、何となくイメージできる現象ですね。ではなぜ、このような現象がおきるのか。

緩い土は、間隙比が大きく土粒子は移動し放題です。※間隙比については下記が参考になります。

間隙比と間隙率の違いとは？サルでもわかる計算方法

揺らすことで、土粒子は間隙（すき間）に入り込み密度が大きくなります（締固められ、体積減少）。一方、締固められた土は間隙比が小さく、土粒子同士にすき間がありません。この状態で土を揺らすと、土粒子が上に乗り上げる動きをし体積が増加します。

さて、緩い土と締固められた土の両方を揺らします。すると、お互いに体積変化が生じますが、あるときから全く体積変化が起きなくなります。このように体積変化が生じないときの間隙比を限界間隙比といいます。

ダイレイタンシーと液状化の関係

液状化現象はダイレイタンシーと大きく関係しています。飽和状態の砂層（間隙に空気がなく、水で埋まっている状態）に地震がおきます。

地震の作用は、前述した「箱を揺らす」のと同じです。土は間隙があるので、地震によりダイレイタンシーを起こしますが、飽和状態だと土粒子は動けません（間隙の水が邪魔をする）。

難しくいうと非排水状態になります。元々、間隙比が大きい飽和状態の砂層で、体積は収縮しようとします。しかし、前述した理由により体積は一定のまま、間隙水の水圧が上昇します。これは、ホースの口を狭くすれば、水が勢いよく流れるのと同じです。間隙水圧が上昇すると、土のせん断抵抗が減少します。

液状化が起きると、地面から水が噴射する減少があります。これはダイレイタンシーの影響で間隙水圧が上昇し、地層を突き破ることが原因です。

まとめ

今回は、ダイレイタンシーについて説明しました。小難しい用語ですが、子供の頃から経験した現象です。ダイレイタンシーは体積変化のこと、と覚えましょう。また、ダイレイタンシーと液状化の関係も頭にいれたいですね。

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名前　ハナダユキヒロ/MITUME lab主宰.（筆者のコラムはこちら）
2010年　弊サイトを開設
2010～2017年　国立大学大学院修了
2017年12月に当HPが書籍化。
「わかる構造力学」
2022年4月に「わかる構造力学」の改訂版出版。
「わかる構造力学(改訂版)」

10数年以上、建築の学問、研究、構造設計の実務に携わった経験を元に、未経験の方、建築関係の学生、社会人の方に役立つ知識を、分かりやすくお伝えします。

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