Formation Mechanism of Loessial Soil Surface Collapse and its Threshold Disaster-Inducing Parameters in Xining City

中国北西部の乾燥した風景の中では、しば lượng はしば「黄土」として知られる、風によって運ばれた独特の堆積物で地表が構成されている。この土壌は軽く、多孔質であり、乾燥しているときはその形状をよく保持するため、急峻な崖を形成し、多くの古代の集落の基礎となる。しかし、この同じ土壌は、危険な秘密を抱えている。それは、水に対して非常に敏感であるということだ。黄土が濡れると、内部構造を失い、自重で崩壊したり、泥状の流体へと分解したりすることがある。科学者たちは、水がいかにしてこれらの土壌を沈下させるかを長年研究してきたが、より突発的で激しい形態の崩壊については、これまで見過ごされることが多かった。数年にわたって基礎に亀裂を入れるような、ゆっくりとしたクリープ現象による沈下とは異なり、この現象は、地面が突然陥没し、道路や車両を飲み込むような深い巨大な穴を作り出すものである。この急速な崩壊がどのようにして起こるのか、そしてどのような特定の条件がそれを引き起こすのかを正確に理解することは、この脆弱な大地の上に築かれた都市を守るために不可欠である。

青海省西寧市において、この脅威は2020年1月13日に悲劇的な現実となった。賑やかな通りの真ん中で巨大な穴が開いたことで、市バスが地中に転落したのである。この災害により10人が死亡し、17人が負傷した。事態の発生後、青海省環境地質探査局の研究チームといくつかの大学の研究者たちは、単なる悲劇の解明だけでなく、その背後にある正確なメカニズムを理解するために調査を開始した。彼らは、崩落が発生した特定の地点に焦点を当てた。そこは、この地域全体に見られる風成堆積物の変種である、黄土質土壌で構成された場所であった。深層掘削、入念なフィールド観察、そして室内実験を組み合わせることで、研究チームは、舗装が割れるずっと前から始まっていた一連の出来事を紐解き、地面がどのように崩壊したかという隠された物語を再構築した。

調査は、地表の下に何があるかを探ることから始まった。研究者たちは、直径約8メートル、深さ11メートル以上に達する崩落ピットの周囲に4つの穴を掘った。そこで彼らが発見したのは、地面の層状の歴史であった。最上層は道路そのものであり、その下に厚い黄土質土壌の層があった。さらに深く掘り進めると、建設時に残された空間か、あるいは古いメンテナンス用のチャンバーと思われる、高さ約2メートルの人工的な空洞が見つかった。極めて重要なことに、地表からわずか2メートルの下に、埋設された鋳鉄製の水道管の破損も発見された。これらの管の周囲の土壌は、単に湿っているだけでなく、飽和状態にあり、管自体にも漏水の兆候が見られた。研究チームは、地面が単に雨によって崩れたのではなく、内側からゆっくりと侵食されていたのだということに気づいた。

この隠れた侵食プロセスは、土壌の2つの特定の挙動に基づいている。第一に、黄土は「崩壊性」を持つ。つまり、圧力下で濡れると、収縮して沈下する性質がある。第二に、そして今回の災害においてより重要なのは、土壌が「分解性」を持つことである。これは、天然の鉱物によって結合されている土壌粒子が、水に浸されることで突然その結合力を失う現象である。研究者たちは、この地域の土壌にはイライトと呼ばれる鉱物がかなりの量含まれており、これが水に触れると膨張し、方解石（カルサイト）は溶解することを発見した。管からの漏水が土壌に浸透すると、これらの鉱物が反応し、土壌構造を破壊して、緩い流動性の泥へと変化させた。この泥が近くの配管や下の人工的な空洞へと洗い流され、隠れた空洞のトンネルを作り出したのである。

この侵食は一度に起こったのではない。研究者たちは、災害に至った明確な一連の過程を辿った。まず、配管や溝の周囲にある緩い埋戻し材の中で、水と土壌が相互作用することから始まった。管から水が漏れ出すにつれ、土壌が軟化し、垂直方向の崩壊を引き起こして微細な亀裂を生じさせた。時間が経つにつれてこれらの亀裂は大きくなり、土壌が分解し始め、下の空洞へと洗い流されていった。これにより、道路の下に隠された空洞、すなわち中空の空間が形成された。土壌がより多く洗い流されるにつれ、空洞は拡大し、その上の土の屋根部分は薄く、弱くなっていった。最終的な引き金となったのは、都市自体の重量であった。空洞の上にある道路は主要な幹線道路であり、停車中の車両の静的な重量と、走行する交通の動的な振動を常に受けていた。バスが弱まった屋根の上を通過したとき、土壌はもはやその荷重を支えることができず、地面は瞬時に崩落した。

土壌がいつ危険な状態になるのかを正確に判断するため、チームは研究室で一連の実験を行った。彼らは現場から採取した土壌サンプルを用い、異なる含水率において水に対してどのように反応するかをテストした。彼らは、土壌が結合を維持できなくなり、分解が始まる具体的な「転換点」、すなわち閾値を見つけ出そうとした。彼らは、非常に乾燥したものからかなり濡れたものまで、様々な量の水を含ませたサンプルを用意し、それらを水の中に投入して、どの程度の速さでバラバラになるかを観察した。結果は精密であった。土壌の含水率がある一定のレベルを下回ると、水にさらされた際に急速に分解することが判明した。具体的には、潜在的な地盤崩落災害の水分閾値は27%に設定されることが確立された。水にさらされる条件下で含水率がこの閾値を下回ると、黄土質土壌は急速な分解を起こし、隠れた空隙を生じさせ、その後の拡張または完全な崩壊を引き起こす。この27パーセントという数値が、この種の土壌における決定的な警告サインとなった。

本研究は、西寧での崩落は自然による無作為な現象ではなく、予測可能な一連の失敗の結果であると結論づけている。漏水した水道管、黄土の特定の鉱物組成、そして隠れた空洞の存在が、災害のための完璧な条件を作り出したのである。バスの振動と重量は、単にすでに損なわれていた構造に最後の一押しを与えたに過ぎなかった。研究者たちは、都市がこれまでこのような崩落に対し、単に穴をコンクリートで埋めることで対応してきたことを指摘しているが、これは原因ではなく症状に対処しているに過ぎない。隠れた侵食と、それを引き起こす特定の水分閾値を理解しなければ、地面は脆弱なままとなる。27%の水分限界と侵食のプロセスを特定することで、チームは新たな監視方法を提示した。もし、配管や道路付近の土壌の水分量を測定し、この決定的な閾値以下に保つことができれば、あるいは空洞が大きくなる前に検知することができれば、将来の崩落を防ぐことができる。これにより、生命とインフラを、大地による突然かつ静かな飢餓から守ることが可能となるのである。