地盤工学とは｜土木工学の基礎・地盤調査、基礎設計と安定性の解説

地盤工学の基礎をわかりやすく解説。地盤調査、浅・深基礎設計、斜面や擁壁の安定性評価、施工・モニタリングの要点を網羅。

地盤工学は、土木工学の重要な分野であり、地球の物質、特に土壌や岩石の力学的性質を明らかにして、これを土木構造物の安全性・機能性・耐久性に反映させる学問・技術です。地盤工学は単に材料特性を調べるだけでなく、現場の状況を把握して設計や施工、維持管理に結びつける実務的な分野でもあります。

地盤工学の主な対象と目的

• 地下の状態と材料（層構成、地下水位、密度など）の把握
• これらの材料の関連する物理的・機械的および化学的特性（せん断強さ、圧縮性、透水性、風化程度など）の評価
• 自然の斜面や人工的に作られた土壌堆積物の安定性確保
• 現場の状況がもたらすリスクの評価と低減

主な業務領域（設計・施工・監視）

• 地盤調査・試験：ボーリング、標準貫入試験（SPT）、コーン貫入試験（CPT）、室内試験（圧縮試験、せん断試験、透水試験など）
• 解析・設計：地盤の支持力、沈下推定、斜面安定解析、液状化評価、有限要素法や極限平衡法などの解析手法による設計
• 地盤改良・補強：薬液注入、深層混合処理、柱状改良、締固め、鋼管矢板や土留め工など
• アースワーク（earthworks）と構造物の基礎の設計・施工：浅い基礎（直接基礎、布基礎）や深い基礎（杭基礎）などを選定・設計します。
• 施工中および維持管理のモニタリング：傾斜計、孔内水圧計（ピエゾメーター）、沈下板、地中レーダーなどの計測で挙動を監視

地盤調査とその重要性

設計の前提となるのが十分な地盤調査です。ボーリングによる土層の把握、採取試料の室内試験、現場での力学試験（SPTやCPT）、地下水位の観測などを組み合わせて、地盤の挙動を予測します。これにより沈下量の推定や支持力判定、液状化の可能性評価が可能になります。

基礎設計と構造への影響

地上構造物の基礎は、構造物の種類・荷重・地盤条件に応じて選定されます。浅い基礎は地表付近の強い層に荷重を伝える方法で、低層建築などに用いられます。一方で深い基礎（杭基礎）は弱い地盤を貫通してより強い支持層に荷重を伝達します。基礎設計では支持力、沈下、安定性（転倒・滑動）、地盤-構造物相互作用を総合的に検討します。

擁壁・土留め構造とダム

擁壁や土留め構造は斜面崩壊や土圧に対抗するための重要な要素です。擁壁構造には、土留めダムや各種擁壁（重力式、補強土擁壁、土圧バランス工法など）があり、設計では土圧計算、排水計画、安定解析が必要です。

施工管理とモニタリング

• 施工中の品質管理（材料、締固め、施工方法の管理）
• 計測による変位・沈下・地下水位の監視（早期に問題を検出して対策を実施）
• 長期的な維持管理（劣化や環境変化に対応した点検と補修）

地盤に関わる代表的なリスクと対策

• 過大沈下：設計時の荷重分布見積もり、地盤改良で軽減
• 支持力不足：深層杭などで支持層へ荷重移行
• 斜面崩壊：排水対策、排土、切土および補強工法の適用
• 液状化：砂質地盤に対する改良（置換、締固め、注入）や免震基礎設計

設計手法と規準

設計では、経験式や理論式、数値解析（有限要素法など）を組み合わせます。設計に用いるパラメータは試験結果に基づき、国内外の設計基準・ガイドラインに従って安全係数を設定します。地震時挙動の評価や環境影響の把握も近年ますます重要になっています。

まとめ

地盤工学は土木構造物の安全・機能・経済性を支える基盤技術です。十分な地盤調査と適切な解析・設計、施工管理、そしてモニタリングを組み合わせることで、沈下、支持力不足、斜面崩壊などのリスクを低減し、安全な社会インフラの構築に寄与します。現場ごとの特性を踏まえた総合的な判断が不可欠です。

質問と回答

Q: ジオテクニカルエンジニアリングとは何ですか?

Q: 地盤工学では、何を使って地下の状態や材料を判断するのですか?

Q: 地盤工学によって決定される材料の物理的・機械的・化学的特性とはどのようなものですか?

Q: 地盤工学の目的は何ですか?

Q: 地盤工学の目的は、モニタリングですか?

Q: 地上構造物用の基礎にはどのようなものがありますか?

Q: 地盤工学における擁壁の例にはどのようなものがありますか?

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