Controls on the Residual Shear Strength of Sliding-Zone Soil in Shallow Expansive-Soil Slopes

私たちの足元の地面は、単なる土であることは稀です。世界の多くの地域において、それは水分を吸えば膨らみ、乾燥すれば縮む、生きている、呼吸する物質なのです。これは、水分量の変化に対して激しく反応する、粘土質の多い土壌である「膨張性土壌」の世界です。雨がこの物質でできた斜面に染み込むと、土壌は水を吸収して膨張し、そのグリップ力を失います。太陽がそれを乾燥させると、土が割れて、さらなる水が流れ込むための経路を作り出します。この湿潤と乾燥のサイクルは、浅層崩壊（地表近くの土層が安定した地盤から滑り落ちる現象）の主要な要因となります。エンジニアや地質学者にとって、これらの崩壊を予測する鍵は、土壌の「残留せん断強度」を理解することにあります。これは、地面の初期の強度ではなく、すでに滑り始めて、長い距離を引きずられてきた後の、最終的な弱まった抵抗力のことを指します。もしこの段階で土壌が自らを保持できなくなれば、滑落は継続し、小さな滑り（スリップ）を壊滅的な事象へと変貌させる可能性があります。

数十年にわたり、科学者たちは水がこの土壌を弱体化させること、そして上部からの重い圧力が土壌を保持する助けになることを知っていました。しかし、重要なパズルのピースが一つ欠けていました。それは、「土壌が動く速度がその強度にどのように影響するか」という点です。現実の世界では、地すべりは単一の一定速度で動くわけではありません。数年間ゆっくりとクリープ運動を続け、嵐の最中に突然加速したり、異なる土層に遭遇するにつれて加速したり減速したりします。中国の桂林理工大学の研究者たちは、広西チワン族自治区の巴栖における実際の地すべりの土壌を用いてテストを行うことで、この謎を解明しようと試みました。彼らは、地すべりの速度自体が土壌を強くしたり弱くしたりするのか、そしてその速度が、地中の水分量や土を押し下げる圧力とどのように相互作用するのかを知りたいと考えました。

答えを見つけるために、チームは「リングシヤ装置」と呼ばれる特殊な機械を使用しました。大きな、平らなドーナツ型の箱の中に土が入っている様子を想像してください。研究者たちは、斜面の圧力を模して上に重い荷重を置き、さまざまな天候条件を模して含水率を調整し、それから箱の下部を回転させながら上部を固定しました。このセットアップにより、連続的に滑り続ける土壌の強度を測定するために不可欠な、土がなくなることなく最大250ミリメートルという非常に長い距離を土をドラッグすることが可能になりました。彼らは、乾燥、中程度の湿潤、および非常に湿潤した状態を表す3つの異なる水分レベルでテストを行いました。また、浅い層の軽い重みから深いセクションの重い重みまで、6つの異なる圧力レベルを適用しました。最後に、回転速度を、ゆっくりとした毎分0.1ミリメートルから、比較的速い毎分10ミリメートルまで変化させました。

結果は、驚くべき複雑な物語を明らかにしました。予想通り、水分を増やすと土壌は弱くなり、上部からの圧力を高めると土壌は強くなりました。しかし、速度の影響は直線的ではありませんでした。土壌は、動く速度が速くなるにつれて単純に弱くなったり、あるいは強くなったりするわけではありませんでした。代わりに、その強度はU字型の曲線を描きました。土壌が非常にゆっくりと動いているとき、粒子が整然とした滑らかな層へと再配列される時間があるため、容易に滑ることができました。速度が中程度のペースに上がると、強度は最低値まで低下しました。これは、土壌が滑らかな秩序へと落ち着くには速すぎ、かといって新たな抵抗を築き上げるほど速くもなかったために起こりました。この中間ゾーン、すなわち毎分1ミリメートル付近において、土壌は最も脆弱な状態にありました。内部構造が修復されるよりも速く引き裂かれたため、土壌は最大級の弱体化状態に陥ったのです。

しかし、速度がさらに上がり、毎分5ミリメートルや10ミリメートルに達すると、土壌は再び強まり始めました。この回復が起こったのは、動きがあまりに急速であったため、土壌粒子が滑らかな表面へと整列する時間がなかったからです。その代わりに、粒子内の粗いエッジや小さな岩が衝突し、互いに噛み合うことで、滑落に抵抗する摩擦を生み出したのです。研究者たちは、テスト後に強力な顕微鏡で土壌を観察することで、このことを確認しました。低速では、土壌の表面は磨かれ平坦でした。危険な中間速度では、表面は壊れて凹凸があり、隙間や緩んだ粒子がありました。最高速では、表面は粗くギザギザしており、粒子が滑らかにならずに、滑落を遅らせる機械的なグリップを提供していました。

チームはまた、水銀を材料の中に強制的に押し込む手法を用いて、土壌内部の微細な穴、すなわち「ポア（空隙）」についても調査しました。彼らは、地すべりの速度によって、水が移動できる空間の量が変化することを発見しました。土壌が最も弱かった中間速度では、土壌には最も多くの開いた空間があり、水が粒子の隙間に流れ込んで潤滑剤として機能することを許していました。最高速では、土壌はよりきつく圧縮され、水が干渉するためのスペースが減少したため、土壌の強度の回復に寄与しました。この発見は、地すべりが速くなるほど単に弱くなるという古い概念に異を唱えるものです。むしろ、地すべりの速度が、どの物理的プロセスが支配的になるかを決定しているのです。つまり、低速の動きは滑らかな滑走を許し、中程度の動きは弱さの完璧な嵐を生み出し、非常に速い動きは、粗さと噛み合いを通じて土壌に抗わせるのです。

この研究は、なぜ膨張性土壌における浅層崩壊がそのような挙動を示すのかについて、より明確な全体像を提供しています。それは、斜面が最も危険になる瞬間は、動き始めたばかりのときでも、極端に速く動いているときでもなく、その「決定的な中間速度」を通過して加速しているときである可能性を示唆しています。もし斜面がこの特定の速度で動いているならば、それは最も脆弱な状態にあり、わずかな水の増加や圧力のわずかな上昇であっても、それを限界点へと押し進める可能性があります。逆に、地すべりがこの地点を通り過ぎて加速した場合、実際にはより多くの抵抗に遭遇することもありますが、これは斜面が安全であることを意味するものではありません。これらの知見は、エンジニアに対し、斜面の安定性は土壌がどれほど濡れているかや、丘がどれほど重いかだけでなく、地面がどれほどの速さで動こうとしているかによっても決まるということを教えてくれます。これらの隠れたダイナミクスを理解することで、科学者は小さな滑りがいつ重大な災害へと発展するかをより正確に予測できるようになり、敏感に膨張・収縮するこれらの土壌の上に住むコミュニティを守るための新たな手段を提供することになります。