間隙水圧の基礎知識、有効応力との関係

この記事の要点

間隙水圧uとは、土の間隙に存在する水（間隙水）の圧力。

静水圧の場合 u＝γw×h（水の単位体積重量×水頭）で表される。

有効応力σ'＝全応力σ－間隙水圧u。間隙水圧が大きいほど有効応力は小さくなる。

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土は水、土粒子、空気で構成されますが、間隙水圧は土に含まれる間隙水による圧力です。

間隙水圧は液状化や有効応力と関係します。今回は、そんな間隙水圧について説明します。

有効応力、間隙水の意味は下記が参考になります。

間隙水圧とは？

間隙水圧は、間隙水による圧力です。※間隙水は下記が参考になります。

間隙水と土粒子の骨格

地盤は土だけでなく水も湧き出ています。日本では湧水が多く、それが豊かな自然を構築する一方で、基礎構造物にとってはやっかいな存在です。

地下で水位がある場合、地盤による圧力だけでなく水圧が作用します。間隙水圧は地震時、急激に高くなります。

地盤を突き破るほどの圧力になり、液状化の原因です。また、間隙水が多いと、長期に渡り圧密される可能性もあります。

そのため、圧密を促進するために間隙水を短期間で抜く工法もあります。※圧密の意味は下記をご覧ください。

下図のように、地下水位が地面と同じ位置から出る地盤があります。

間隙水圧の求め方

6ｍ地点の間隙水圧は下式です。

γw×z＝10.0×6.0＝60.0

γwは水の単位体積重量、zは水深です。水の単位体積重量は、簡単のため10.0とします。

水圧は、深さに応じて大きくなるので、三角形の圧力分布になります。間隙水圧の求め方は下記も参考になります。

下図は粘土の圧密を、よく表したモデル図です。モデルの説明は下記が参考になります。

間隙水圧と圧密の関係

蓋に荷重を加えると、バネと水圧が力を負担します。一方で孔から水が排水されます。この排水された分の間隙水圧を過剰間隙水圧といいます。

荷重を増加させるにつれて、バネの反力は荷重と釣り合うようになります。バネに作用する応力を有効応力と言います。

有効応力は、土の骨格構造にのみ作用する応力です。間隙水圧が0になると、圧密は完了します。

過剰間隙水圧の詳細は下記をご覧ください。

混同しやすい用語

間隙水圧u：地盤内の水圧。静的条件ではu＝γw・h（水頭×単位体積重量）。

過剰間隙水圧：地震や荷重増加で一時的に増加した間隙水圧。液状化の原因。

有効応力σ'：全応力から間隙水圧を引いた値。地盤の強度を決定する。

試験での問われ方｜管理人の一言

「間隙水圧u＝γw・h」の計算と「σ'＝σ－u」の関係は試験の定番計算問題です。水頭の概念と組み合わせて理解しましょう。（一級建築士頻出：間隙水圧と有効応力σ'=σ-uの関係が令和3年問90・問91等で繰り返し出題）

間隙水圧を整理した表を示します。