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凍結深度ってなに?凍結深度と基礎の関係

凍結深度と聞くと、中々言葉の意味がわからない人が多いと思います。建築や土木では広く知られている専門用語です。意味自体は、なんてことはありません。凍結深度とは、


「地面が凍結する深さ」


です。地面は水分を含んでいます。例えば公園の土を触ってみてください。湿っていますよね。この土中の水分が、寒冷地では凍ります。この凍結する深さを凍結深度というのです。今回は、そんな凍結深度と建物の基礎の関係、凍結深度の計算方法について説明します。


凍結深度が深い地域と、凍結深度の調べ方とは?

前述したように、凍結深度は寒冷地で定められています。極端に言えば、九州や沖縄では凍結深度は設定されていません。地面が凍るほど、寒くはないからです。


凍結深度が決められている地域は、北陸、東北、北海道などです。北海道では、凍結深度=60cmは一般的で、中には100cm近い地域もあります。


冬の場合、地面の温度は外気温より暖かいことが多いです。そのため土中で氷点下を下回ることは滅多にありません。しかし、寒冷地では外気温が−20℃になる地域もあり、地面の温度も下がってしまうのです。つまり、外気温が低ければ低いほど、地面の下が凍結する深さも深くなります。


凍結深度の調べ方ですが、これはインターネットで調べることが一番簡単で、正確です。後述する計算式もありますが、あくまで概算です。実際は、各地域で凍結深度が設定されています。各地方自治体のHPから「○○市 凍結深度」と調べてみましょう。

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凍結深度と建物の基礎との関係

凍結深度は建物の基礎と大きく関係します。なぜなら建物の基礎は、凍結深度より深い位置に設置する必要があるからです。地面から、基礎の底面までの距離を「基礎底」といいます。寒冷地では凍結深度より基礎底を深くすることが、一般的に行われています。


簡単な例題ですが、北海道のある地域で凍結深度が60cmだった場合、基礎底は60cmより深い位置に設定します。


ではなぜ、基礎底は凍結深度より深い位置にする必要があるのでしょうか。少し考えてみてください。


「基礎が凍って良くなさそうだから?」


いえいえ、違います。実は、凍結深度より浅い位置を基礎底にすると、地面の水分が凍る過程で基礎が押し上げられ、建物が浮き上がる(持ち上げられる)可能性があるためです。水は氷に変わるとき、9%も体積が増加します。この膨張する際の力が、建物を押し上げる、又はコンクリートをひび割れさせる原因となります。


ある文献によれば、-20℃になる氷の膨張する力は200〜300MPaほどになるそうです。これは大変な値で、「20000kN/u」もの圧力です。建物を軽々と持ち上げてしまいそうな、ゾッとするほど大きな力ですね。この水から氷に変わる体積変化を利用して、コンクリート構造物を粉砕する技術もあるほどです。


以上のように、基礎底は凍結深度より必ず深くします。そうしないと、建物が地面から押し上げられ、傾いてしまいます。


凍結深度の計算方法

では、凍結深度はどのように決められているのでしょうか。現在は、各地方自治体が観測や計測データに基づいて、凍結深度を定めています。しかし理論式による計算も可能です。凍結深度は下式で求められます。

Zは凍結深度、Cは土質による定数(2〜5の値)、Fは凍結指数です。凍結指数は、単位を「℃・day」で表します。日平均気温を累積し、数値が減少する期間の累積幅から算定されます。例えば、1月1日の累積温度が0だとして、1月30までは外気温が低下し、累積温度が−400になれば、凍結指数F=400です。


このように凍結深度を計算する方法はあります。ただ、建築で考える凍結深度は、あくまでも地方自治体が設定する値です。個人の判断には注意が必要です。

まとめ

今回は凍結深度の意味や、凍結深度と基礎との関係について説明しました。西日本より南の県では意識しませんが、北日本では必須となる考え方です。


建物の安全性に影響するので、凍結深度の意味をしっかり理解しておきたいですね。以上参考になれば幸いです。

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