地盤の液状化の起きる条件
昨年の選択理科における「地盤の液状化現象の起こりやすい条件」の研究やその様子を撮影したビデオを見て、私たちもやってみたいと思い、液状化を作り出せる「長ケ沢ダム」の現場に行った。そこには、昨年までの実験の跡は全然残っておらず、今年はどうなるか不安であったが、皆で地面に振動を加えるとすぐに地盤が液状化してきて、噴砂が始まってクレーターのようになった。
このような噴砂を実際に見て、この現象がどのような条件で起こるのか調べてみたくなった。また、昨年の研究をふまえて、地盤の液状化の起きる条件をより詳しく調べてみようと思った。
図１ 長ヶ沢ダムで見られる地盤の液状化現象による噴砂の様子
（人間の足と比べると、噴砂のあとは５０㎝程度であることがわかる。）
まずは液状化の実際の様子を調べるために、長ケ沢ダムに足を運び地盤の液状化の様子を観察した。
１９９６年６月６日（木）の調査では、液状化が起きる様子を観察した。そこで、液状化はいったいどこから発生しているのだろうか、ということが疑問になったので掘ってみた。ところが掘っても水は流れて来るし土は崩れるし、どの部分で地盤の液状化が始まったのかよくわからなかった。そこで手で掘ってみることになった。噴砂でできたクレーターから手を入れていくと、液状化が起きているところが非常に柔らかくなっているので、手がどんどん入って行き、肩近くまで入った。しかも、別な場所から手を入れると、他の噴砂のクレーターから手を入れた人と地下で手をつなぐことが出きることが多かった（図３）。これは、ある条件のもとでは地下全体が液状化しているからと考えた。しかし、この観察では、地盤の液状化の起きる条件に迫るためには、もっと条件を限定しなくてはならないということしかわからなかった。
図２ 噴砂によるクレーターから手を入れている様子
（この中は、非常に柔らかく、手がどんどん入っていく）
図３ 噴砂によってできたクレーターに、２人で手を入れている様子
１９９６年９月２７日（金）に長ヶ沢ダムに調査に行った。この時、地盤の液状化で噴き出してくる泥水が、周辺の砂よりも黒いことに気づいた（図４）。よく観察すると、そこに含まれる粒は、液状化していない部分よりも小さそうである。
図４ 噴砂でできた黒っぽい泥の吹き出したクレーター
長ケ沢ダムの調査で、土の粒が小さい方が液状化しやすそうではないかと考えた。また、水分の量も関係しそうなので、１９９６年１０月５日（土）に長ケ沢ダムでまたまた地盤の液状化の状態をつくり、液状化した部分とそうでない部分のサンプルをとってきて、その砂や泥に含まれる水の量と全体における水の量を測定した。その結果が表１である。
地盤の液状化ができた場合
全体の質量（ｇ） ４２ ４６ ４９ ５１ ５３ ５５ ５６ ５６ ５６ ５７ ５７ ５９ ６０ 水の質量（ｇ） ７ ８ ８ ９ ８ ８ ８ ８ ８ ９ ９ １０ １０ 水の割合（％） １７ １７ １６ １８ １５ １５ １４ １４ １４ １６ １６ １７ １７ 地盤の液状化が起きない場合
全体の質量（ｇ） ３３ ３７ ３８ ４１ ４１ ４２ ４２ ４８ 水の質量（ｇ） ５ ６ ６ ６ ７ ７ ７ ７ 水の割合（％） １４ １４ １４ １３ １５ １４ １４ １３ 表１ 地盤の液状化が起きた場合と起きない場合の地盤に含む水の割合
これを見ると、地盤に含む水の質量が１４％を境にして液状化が起きやすくなったり起きにくかったりしているように見える。しかし、これは他の条件、例えば、振動の与え方、地盤に含まれる砂や泥の粒についての実験の条件をそろえていないために、おおまかな傾向しかわからない。
それでも、サンプルとして持ってきたものを見ると、液状化した方は野外で見たように色が黒から灰色のものが多く、また、その粒も小さいものが多かったので、地盤に含む水の量と土の粒径と地盤の液状化の起こりやすさに関係があるのではないかということに注目してみようということになった。
仮説１．水分が多いほど液状化は起きやすい。
（埋立地など水分の多いところで地盤のの液状化も起きているし、昨年の 選択理科の実験でもそのような傾向がみられたから。）
仮説２．地盤をつくる土の粒が小さいほどを液状化は起きやすい。
（長ケ沢ダムの観察から考えられたから。）
ふるいを使い砂の粒を分けた。粒は以下のような大きさに分けた。
Ａ ０．２５ｍｍ未満
Ｂ ０．２５ｍｍ以上 ０．５ｍｍ未満
Ｃ ０．５ ｍｍ以上 １．０ｍｍ未満
Ｄ １．０ ｍｍ以上 ２．０ｍｍ未満
Ｅ ２．０ ｍｍ以上 ４．０ｍｍ未満
Ｆ ４．０ ｍｍ以上
水と砂を入れ液状化を起こす装置は、昨年度も使った液状化１号である。そこにＡ～Ｆのサンプルを一度にのせ、砂の揺れる幅を１０ｃｍ、揺れる周期（１往復する時間）を１秒にし、各実験で３０回往復させて液状化が起きるかを調べた。
Ａ～Ｆの砂をそれぞれ３０ｃｍ３ずつフイルムケースにとり､液状化１号にのせた。そして水平方向に３０回振動させては、液状化しているかどうか確かめた。液状化していないときは、さらに水を１ｃｍ３加え､同様の実験を繰り返した。
液状化しているかどうかは、見た目でだけでなく、割箸で押してみて割箸がするする入って行くかどうかで、サンプル全体が液状化しているかを判断した。
実験結果は、表２から表５である。横軸は砂粒の直径、縦軸は水の量をあらわしている。表の中の「○」は液状化が起きたところ。「×」は液状化が起きていないところをあらわしている。
表２ 砂粒の直径と水の量による液状化の起きる場合（１回目） （○は液状化が起きた。×は液状化が起きなかった。）
表３ 砂粒の直径と水の量による液状化の起きる場合（２回目） （○は液状化が起きた。×は液状化が起きなかった。）
表４ 砂粒の直径と水の量による液状化の起きる場合（３回目） （○は液状化が起きた。×は液状化が起きなかった。）
表５ 砂粒の直径と水の量による液状化の起きる場合（４回目） （○は液状化が起きた。×は液状化が起きなかった。）
表６ 砂粒の直径と水の量による液状化の起きる場合のまとめ
砂の中に占める水の割合がある程度の量を越えると地盤の液状化の可能性が 大きくなる。砂粒がほぼ均質で砂の体積が３０ｍｍ３ の場合、水の体積が１０ ｃｍ３ がその境界である。これは、水の量がある程度を越えると、砂粒が振動 を受けて水の中に浮きやすくなるためと思われる。
砂粒の直径が２ｍｍを越えると、急に液状化しにくくなる。これは、砂粒が 大きくなると、質量の割には表面積があまり大きくならず水に浮きにくくなる ことと、砂粒同士の接触している面積が大きいため、粒の間に働く摩擦力が大 きくなるためと思われる。
長ケ沢ダムに何回も行き観察することにより、液状化の原因の仮説を考える ことができてよかった。
液状化は、水の条件と砂粒の大きさの条件に関しては、水がある量を越える と急激に起きやすくなったり、砂粒がある大きさより大きくなると急に起きに くくなったりするのは驚きだった。
今回は砂粒をそろえたが、自然の中では色々な直径の砂粒が混じっているも のと思われる。今後は、砂粒が混じった状態の時に液状化の起きやすい条件が どう変化するのかを調べてみたい。