土工における【土質調査】とは？〜 土質調査の種類や重要性を解説！ 〜

わが国の建設現場において、土木工事は社会インフラの整備に不可欠な存在である。

道路、橋梁、トンネル、ダムなど、私たちの生活を支える多くの構造物は、地盤との関わりなしには成り立たない。

そのため、工事の安全性と品質を確保するためには、施工場所の地盤特性を正確に把握することが重要となる。

その要となるのが「土質調査」である。本記事では、土質調査の目的や種類、具体的な調査方法について詳しく解説していく。

土質調査とは

 
具体的には、地盤の強度、変形特性、透水性などの物理的・力学的性質を把握することを目的としている。

これらの情報は、構造物の設計や施工計画の立案に不可欠な基礎データとなる。

土質調査が行われる理由は多岐にわたる。

まず、構造物を支える地盤の支持力を確認し、構造物の安定性を検討する必要がある。

地盤の支持力が不足していれば、構造物の傾きや沈下、最悪の場合は崩壊につながる可能性がある。

また、地盤の変形特性を把握することで、供用時の沈下量を予測することができる。これは特に、長期的な安定性が求められる重要構造物において重要である。

さらに、地下水の状態を確認することも重要な目的の一つである。

地下水位や地下水の流れは、掘削工事の安全性や止水対策の検討に大きく影響する。加えて、建設材料として使用する土の品質を確認し、その適性を判断することも土質調査の重要な役割である。

これらの調査結果に基づいて、最適な施工方法の選定や施工管理基準の設定が行われる。

土質調査の種類

 
両者は相互に補完し合う関係にあり、それぞれの特徴を活かして総合的な地盤評価が行われる。

原位置試験は実際の地盤状態を保ったまま測定できる利点があり、室内試験は厳密な条件下での詳細な分析が可能という特徴がある。

原位置試験について

原位置試験は、実際の地盤において直接測定を行う試験方法である。

地盤の自然な状態を保ったまま試験できる利点があり、地盤の不均質性や異方性、応力履歴の影響を考慮した評価が可能である。

標準貫入試験（SPT）

最も一般的な原位置試験の一つ。この試験では、63.5kgのハンマーを75cm自由落下させ、サンプラーを30cm貫入させるのに要する打撃回数（N値）を測定する。

N値は地盤の硬さを表す指標として広く用いられており、既存の膨大な実績データとの比較が可能である。

また、試験時に採取される試料は、土質の判別や室内試験用の試料としても活用される。

ポータブルコーン貫入試験

小型で持ち運びが容易な試験機を用いて実施される。

コーンを一定の速度で地盤に貫入させ、その際の抵抗値を測定することで、表層地盤の強度特性を評価する。

特に、軟弱地盤や表層地盤の調査において有効である。試験装置が小型軽量であるため、狭隘な場所や傾斜地でも実施可能という利点がある。

スクリューウエイト貫入試験

スクリュー状の貫入体を回転させながら地盤に押し込み、その際の貫入抵抗から地盤の強度を評価する試験である。

特に軟弱地盤での調査に適しており、深度方向の連続的なデータが得られる。また、貫入時の回転トルクも計測できるため、地盤の異方性についても評価が可能である。

ベーン試験

主に軟弱な粘性土地盤を対象とした原位置試験である。十字型のベーン（羽根）を地盤に挿入し、回転させる際のトルクから粘性土の非排水せん断強さを求める。

この試験は、乱さない地盤の強度を直接測定できる利点がある。特に、浅い深度の軟弱地盤における強度評価に有効である。

平板載荷試験

実際の荷重条件に近い状態で地盤の支持力特性を評価できる試験である。

鋼製の載荷板を地盤に設置し、段階的に荷重を加えて沈下量を測定する。得られた荷重-沈下曲線から、地盤の支持力や変形係数を求めることができる。

この試験は、基礎の設計に直接的に活用できるデータを提供する。

現場透水試験

ボーリング孔を利用して地盤の透水係数を測定する試験である。

地下水の流れやすさを評価する際に用いられ、掘削工事における湧水対策や止水工の設計に重要なデータを提供する。

試験方法には、注水法や井戸法など複数の方法があり、地盤条件に応じて適切な方法を選択する。

単位体積質量試験

単位体積質量試験には、砂置換法、コアカッター法、RI計器による方法がある。

砂置換法は、現場で掘削した土を砂で置き換え、その体積と重量から密度を求める方法である。精度が高く、広く用いられている。

コアカッター法は、円筒形の採取器で土を採取し、その体積と重量から密度を求める方法で、比較的硬い地盤でも実施可能である。

RI計器による方法は、放射線を利用して非破壊で地盤の密度を測定する。測定が迅速で繰り返し測定が可能であり、施工管理に適している。

室内試験について

室内試験は、現場から採取した試料を実験室で詳細に分析する試験方法である。

温度や湿度が管理された環境下で、精密な測定機器を用いて試験を行うことができる。

試験結果の再現性が高く、様々な条件下での土の挙動を詳細に把握することが可能である。

土粒子の密度試験

土粒子の真比重を測定する基本的な試験である。

この値は、土の工学的な諸計算に必要不可欠な基本量である。

試験は、ピクノメーターを用いて、土粒子の質量と体積を精密に測定することで行われる。得られた土粒子の密度は、その土の鉱物組成を反映しており、土質分類の参考にもなる。

土の含水比試験

土に含まれる水分量を乾燥重量に対する百分率で表す試験である。

含水比は、土の状態を表す最も基本的な指標の一つである。

地盤の強度や圧縮性は含水比に大きく依存するため、この試験結果は様々な用途に活用される。

特に、粘性土の場合、自然含水比と液性限界・塑性限界との関係から、地盤の性状を判断することができる。

粒度試験

土を構成する粒子の大きさの分布を求める試験である。

粒度分布は、土の工学的性質を支配する重要な要因である。試験は、粗粒分についてはふるい分析を、細粒分については沈降分析を行う。

得られた粒度分布曲線から、土の分類や、透水性、圧縮性、せん断強さなどの推定が可能である。

コンシステンシー試験

粘性土の液性限界・塑性限界を求める試験である。

これらの値から算出される塑性指数は、粘性土の工学的性質を判断する重要な指標となる。

試験結果は、土質分類や、盛土材料としての適性判断、施工性の評価などに用いられる。

土の締固め試験

所定のエネルギーで土を締め固めた際の密度と含水比の関係を求める試験である。

この試験により、最適含水比と最大乾燥密度が得られ、これらの値は盛土の施工管理における重要な基準となる。

また、締固め曲線の形状から、土の締固め特性や施工性を評価することもできる。

せん断試験

土のせん断強さを求めるための試験である。

一面せん断試験、三軸圧縮試験などがあり、それぞれ特徴がある。

特に三軸圧縮試験では、地盤内の応力状態を再現した条件下で試験を行うことができ、詳細な強度特性の評価が可能である。

試験結果は、斜面安定解析や支持力計算などに直接活用される。

圧密試験

粘性土の圧密特性を求める試験である。土に荷重が作用した際の沈下量とその時間的変化を予測するために不可欠な試験である。

試験結果から得られる圧密降伏応力、圧縮指数、圧密係数などのパラメータは、沈下解析に直接用いられる。

また、圧密降伏応力から地盤の過圧密比を求めることができ、地盤の応力履歴を推定することも可能である。

まとめ

土質調査は、建設工事の計画・設計・施工の各段階において重要な役割を果たしている。

原位置試験と室内試験を適切に組み合わせることで、地盤の特性を総合的に評価することができる。

原位置試験では実際の地盤状態での特性を把握し、室内試験では詳細な土質パラメータを得ることができる。

これらの調査結果は、構造物の安全性確保や経済的な設計に直結するため、調査の計画から実施、評価に至るまで、高度な専門知識と経験が要求される。

近年では、情報化施工の普及に伴い、調査データのデジタル化や3次元地盤モデルの構築なども進められている。

また、環境への配慮から、非破壊調査技術の開発も活発である。今後も、より効率的で精度の高い調査技術の開発が期待される。同時に、既存の調査技術の信頼性と有用性を十分に理解し、適材適所で活用していくことも重要である。