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土木材料の色彩の数値化

原理

 岩石や土砂の色彩は、風化作用、熱水変質作用、そのほかの化学的変化や含有物によって左右されている。そのため岩石、土砂の色彩を定量的に表現すれば、風化変質の程度や含有鉱物量などの定量的判断指標に応用できる。
測定は、客観的・定量的測定法として優れ、また軽量で操作が簡便な分光測色計(扶桑プレシジョン製 PRIMO MIRAGE 写真-1)にて行う。当測定器の表色はマンセル系、XYZ系、L*a*b*系が可能で、340-750nm間の分光反射率も得られる。図1に一般的に用いられる、L*a*b*座標系を示す。
風化作用の場合は一般的に風化が進行するにつれて、岩石の色彩が赤褐色系に変化していく。したがって特にa*、b*値は、数値が大きくなるほうに変化する。

分光測色計
写真-1 PRIMO MIRAGE


図-1 L*a*b*座標系

分析目的および結果の利用方法例

 図-2は岩石の色彩(b値)あるいは450nm付近の反射率と、圧縮強度の関係図である。強度が約100MN/m2以上と硬質な試料(古第三紀花崗岩)において、それぞれ良好な関係が認められる。分光測色によって、未風化硬質な岩石の強度特性の把握の可能性を示した例である。
図-3は、セレンを環境基準値以上溶出する試料の判別図である。色彩値a*b*値の分布(分光測色)により、セレン溶出岩の判定がその場で瞬時に把握できる例である(a*b*値が、赤あるいは青線より左側に分布する試料はセレンを基準値以上溶出する岩)。
ともに、岩石の風化あるいは変質に伴う色の変化と物性値の変化がリンクした例といえる。間接的な物性値推定方法のため、適用に制限や工夫が必要であるが、分光測色計は軽量かつ簡易で、その場分析が可能であることから現場作業にも適している。今後も、様々な分野への応用が期待できる。

岩石の色彩(b値)の反射率と、圧縮強度の関係図
図-2 分光測色結果利用例(1)

環境基準値以上溶出する試料の判別図
図-3 分光測色結果利用例(2)

((株)エイト日本技術開発 磯野陽子)

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天然ダム

 数100mmを超える降雨や大規模な地震等では山腹斜面の深部の基岩部分を含む深層崩壊等により、多量の土砂が河川に堆積し流水をせき止めるものを天然ダムといいます。天然ダムは水位が上昇し、天端から越流を始めると決壊し、下流に大量の土砂と水が流れることがあります。流域面積(雨が集まる範囲の面積)が広い天然ダムでは数時間で決壊することもあります。
 越流以外にも漏水で堤体を形成する土砂が流れ出すこと(パイピング)による決壊や天然ダムの堤体内水位が上昇して堤体がすべりを生じることにより崩れるケースもあります。

湛水池と深層崩壊斜面、天然ダム堤体の写真
図1 平成23年台風12号による天然ダムと深層崩壊斜面(奈良県十津川村栗平地区)

「株式会社エイト日本技術開発 海原荘一」

 

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深層崩壊

 深層崩壊とは山腹斜面の表層の堆積土砂層だけでなく、深部の基岩(岩盤)部分を含む深度の大きい斜面崩壊のことです。深層崩壊の発生は地下の地質構造(割れ目の方向など)や深層地下水が影響して生じると考えられています。また、降り始めからの雨量が数百mmという大きな降雨や大規模な地震により発生します。深層崩壊は降雨終了後数時間以上経過して発生することもあります。
 地すべりも基岩部分を含む土塊の移動現象ですが、地すべりは土塊の移動速度が遅いものが多いのに比べ、深層崩壊は崩壊土砂の動きが速く一瞬で広い範囲の山腹斜面が崩れてしまうこともあります。
 深層崩壊では崩壊土砂が数百万m3に及び、河道部ではその崩壊土砂で天然ダムを形成することもあります。河川の対岸で生じた深層崩壊で被災するなど表層だけが崩壊するケースよりも被害の及ぶ範囲が広いという特徴があります。
 近年では2008年の岩手・宮城内陸地震や2011年台風23号により紀伊半島で深層崩壊が発生しています。

深層崩壊斜面
図1 平成23年台風12号による深層崩壊斜面(奈良県五條市大塔町赤谷地区)

「株式会社エイト日本技術開発 海原荘一」

 

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玉石径はコア長の3倍

玉石とは

  日本道路公団第1集p1-32 10~50cm
  土質工学用語辞典(地盤工学会)p25 玉石 boulder 大礫以上
                 大礫(cobble)6.4cm~25.6cm

 日本道路公団の定義では10cmのフルイに残るものが玉石です。つまり、中径bが10cm以上あればよいので、短径cは10cm以下でも玉石があります。
中山(1965)の研究によれば、扁平度=1-c/bが、河川では0.20~0.50とされているので、c=(1-0.2~0.5)×bであり、中径b=10cmとした場合、短径c=5.0~8.0cmとなります。つまり短径c=5cm程度でもb=10cm以上の玉石であることが多いのです。大礫cobble6.4cmの定義や、ボーリングでの回転による押しのけ効果などを考慮すると、少なくともボーリング確認短径c=5㎝以上は、玉石と呼んでいいと考えられます。(b/cは平均的に1.5前後であることが多いので、b=6.4cmとするとc=4.3㎝、b=10cmとするとc=6.7cmになります)

フルイ上の中間径と長径・短径

ボーリング確認径は短径なので長径は何倍?

 河川堆積物の礫~玉石は、平たく並ぶ傾向があるので、垂直に確認するボーリングでは、短径cを確認することになります。そのため、長径aを推定するには、経験則として3倍されることが多く、下記の図書で3倍の経験則が記載されています。
「ボーリングデーターの見方と活用ノウハウ」、近代図書
「ボーリング図を読む」理工図書

 3倍という数値的根拠のひとつは、Krumbein(1955)の球形度{R=(bc/a2)^0.5} と、河川礫の平均球形度が80%の頻度でR=0.3~0.6にあるとした中山(1965)の研究成果から導けます。中径b=1.5cとした場合、R=1.2c/aなので、a/c=2.0~4.0で、平均3.0です。最大値ではなく、平均的に3倍という意味になります。ということは、遭遇確率や不均質分布を考慮した安全側の値ではありません。

全部が平均3倍なのか?

 子供の頃、河原で水面石飛ばしの礫をさがすと、意外にせんべいに近い礫があったような気がします。つまり、小さい礫は河川の水の摩耗で平坦になり、わりと扁平なものを見つけやすくかった記憶があります。小さめの礫ほど扁平なものが多い傾向は、日本全国の河川で確認されています。
木村(2014)によれば、利根川,天竜川,日野川,高梁川,重信川の玉石の径についていずれも同じような短径依存性があることが確認され、短径10cm以下では1/3程度は3~5倍であり、短径20cm以上ではほとんど3倍未満であることが判明しています。
現場毎に周辺の河川礫を測定し、現場特性に合わせて判断することが望ましいのは言うまでもありません。ただ、遭遇確率や不均質を考慮すると、平均の3倍則を当てはめるのではなく、下式の99%確率の式で推定するのも、ひとつの方法といえるでしょう。

 99%確率での推定式
 河川中流~下流: a/c=7.92c^-0.351   a:長径cm c:短径cm
 河川上流:    a/c=9.54c^-0.378

河川中流~下流(5河川 データ数1530個)
河川上流(5河川 データ数3391個)

「株式会社エイト日本技術開発 木村隆行」

参考文献
村田竹外:「礫・玉石混じり地盤の基礎知識」月刊推進技術,Vol.10 ,No1,pp15~22,1996
今田真治,木村隆行:「玉石における長径/短径の寸法効果」第43回地盤工学研究発表会,2008
木村隆行,居川信之,今田真治「玉石における長径と短径の相関」第49回地盤工学研究発表会,2014

 

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地形判読

地形とは,地表の高低や起伏の形を言います。谷,平野,台地,丘陵,山地,山脈などは,私たちが日常的によく目にする地形です。地球の表面は,断層運動や火山活動等の影響で持ち上がったり沈み込んだりします。さらに,そのようにしてできた高まりは流水や風の作用により浸食され,生成した土砂は流水や重力の作用により移動し,堆積します。このようなさまざまな成因により,多種多様な地形が形成していきます。

地形判読は,地形図や空中写真などを用いて地形を読み解くことにより,その土地の地形の成因を理解し,大地の物語を明らかにする作業です。地形図は同じ標高を線で結んだ「等高線」により地形の起伏などが描かれた図面で,等高線の間隔が広い所はなだらかな地形であり,逆に間隔が密な所は斜面が急峻であることを示します。空中写真は航空機などから地表を垂直に撮影した写真で,測量などにも用いられる極めて精度の高い写真です。

下に示す空中写真と,同じ地域の地形図を例に,地形判読をしてみましょう。ここは徳島県三好市池田町の中心地です。池田町の市街地が広がる図中央の平坦面は,「吉野川」の河床から数十m高い標高にあり,古い時代の吉野川の河床が地殻変動により隆起してできた河岸段丘と考えられています。市街地の北側の山麓を,現在の吉野川が西から東へ流れます。図右端のA地点では,東北東-西南西方向に直線状に延びる山麓斜面がみられます。その西にあるB地点のすぐ南には,標高差は小さいものの,西南西の方向に延びるはっきりとした崖がみられます。図の左の方へこの崖を追跡すると,なだらかな丘陵地形を分断する谷につながり,C地点に達します。A地点からB地点を経てC地点に至るほぼ直線状の地形(リニアメントと呼びます)は,中央構造線と呼ばれる活断層の運動によって形成された断層変位地形と考えられています。連続的な崖は,河岸段丘が中央構造線によって切断され、上下にずらされてできた断層崖です。またC地点からD地点にかけての範囲には,畑が発達するなだらかな丘陵地形が広がりますが,これはかつての吉野川をせき止めた地すべり移動体と考えられています。中央構造線は河岸段丘と地すべり移動体を共に切断していますので,それらの形成よりも後の,ごく最近に活動した(つまり,地震が発生した)ことが地形から読み取れます。

地形判読は,上の事例で紹介した活断層や地すべりといった地表の変動だけでなく,地質構成や地質構造,地盤の硬軟,地下水の状態といった,地質現象に関する様々な事象の推定にも利用されます。建設技術者は地形判読の技術磨き,それを活用することにより,施工対象地ばかりに目を奪われず,広い視野から地形・地質に関する情報を収集し,問題を解決していきます。これにより,災害に強い,安全な構造物が整備されていきます。

「池田町」の市街地は活断層に切断された河岸段丘面の上に発達している


上:国土地理院発行空中写真csi-74-9 c16a-23,24に一部加筆
下:国土地理院発行2.5万分の1地形図「阿波池田」に一部加筆

「株式会社荒谷建設コンサルタント 加藤弘徳」

参考文献
水野清秀・岡田篤正・寒川 旭・清水文健 (1993):2.5万分の1中央構造線活断層系(四国地域)ストリップマップ説明書.構造図(8),地質調査所,63p.

 

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水みち調査

地盤の一部に透水性の高い箇所が存在し、相対的に速い地下水の流動速度を有する区間を地下水流動区間(≒水みち)と言います。水みちの存在を把握することで、河川やため池堤体の健全性評価、土木工事における作業の安全性・経済性評価、地下水保全対策及び地下水汚染対策等に役立てることが出来ます。

水みちの深さ方向の位置を比較的簡便に検出する手法として、トレーサー(地下水と電気抵抗あるいは温度の異なる水)による地下水流動層検層があります。

トレーサーによる地下水流動層検層

  1. ボーリング孔内にトレーサー(食塩水、温水等)を投入します。
  2. トレーサーの濃度・温度の経時変化を定期的(3分後、5分後、10分後、15分後、30分後、60分後、90分、120分後等)に測定します。
  3. トレーサーの濃度・温度(希釈の速さ)の違いより、水みちの存在を検出します(下図参照)。


地下水流動検層結果例
(地盤調査の方法と解説より)


検層機器の例

トレーサーによる地下水流動層検層により、水みちの有無の確認に加え、その水みちの孔内流速の推定が可能となります。

その他の水みち調査手法

  • 他の計測器(孔内流向・流速計、孔内カメラ等)を用いることで、流下方向や実際の流速等、さらに詳細な水みちの情報を得ることが可能です。
  • 調査対象範囲が広域な場合、トレーサー試験、高密度電気探査(別途掲載)及び水質分析等が水みちの存在の絞り込み(初期調査)に際して有効な手法と考えられます。但し、これらの手法の採用にあたっては、事前に現地調査を行い、地盤・地質構造を十分に把握した上で現地調査計画を立案する必要があります。

「株式会社エイト日本技術開発 高津 順」

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鉱物のX線回折分析

原理

X線回折分析は、一般に堆積物に含有しているあるいは基盤岩を構成している鉱物を同定するのに利用されます。原理は、鉱物の結晶内部の原子配列周期とX線の波長とがほぼ同程度であることを利用します。X線が結晶に当ればBraggの条件(図1)で回折が起こり、この現象により鉱物結晶の3次元的な原子配列を把握することができます。結晶の原子配列は鉱物ごとに決まっているので、これより分析試料が保有している鉱物の同定が可能となります。

結果の一例

定方位法で得られた回折図の一例を図2に示します。分析の結果得られた図を回折図といいます。回折図中でとび出た線を回折線といって、その回折線の位置(2θCuK α=角度)から、鉱物の同定を行います。この結果分析した試料には、セリサイト・カオリン鉱物・石英・緑泥石・アルミニウム型バーミキュライトが、含有していることが明らかになりました。この含有鉱物種から分析した試料の、風化・変質状態などの把握を行います。

分析目的および結果の利用方法

X線回折分析の目的やその利用方法としては以下のような例が挙げられます。

  • 岩石種類を判定でき基盤岩の一般的な物性値の把握が可能。
  • 基盤岩の風化や変質程度が把握でき、基盤岩の強度低下の有無や、土木地質的問題点の把握が可能。
  • 地すべりや崩壊の調査では、含有粘土鉱物の種類の把握などから、すべり面や弱線の抽出が可能。
  • トンネル調査では、膨潤性粘土鉱物の有無やその含有量の推測が可能。

分析方法

X線回折分析には定方位法と不定方位法の2つの方法があります。その特徴を以下に整理します。

用途に応じての、使いわけが必要です。

定方位法
鉱物が一定の方向に揃うように試料を水簸し、ガラス板の上などに乾燥させて分析する方法。薬品・加熱処理をほどこすことで、含有する鉱物種の同定を行うことができる定性分析。
不定方位法
試料を粉末にして専用のフォルダにつめて分析する方法。薬品・加熱処理をほどこすことができないので定性分析は不可能であるが、回折線の長さや半価幅などから、鉱物の定量検討が可能。

図1 X線回折の原理
図1 X線回折の原理

図2 X線回折による鉱物鑑定の一例
図2 X線回折による鉱物鑑定の一例。解析データ

((株)エイト日本技術開発 磯野陽子)

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C.N.S元素分析

原理

C.N.S元素分析装置は、分析対象試料が含有する炭素(C)・窒素(N)・硫黄(S)を定量分析する装置です。元素分析の仕組みは、燃焼法を用いて元素をガス化(CO2・N2およびSO2)させ、カラムを通して段階的に分離させ、検出器で定量化します。各元素の値は、重量パーセントとして得ることができます。原理の一例として、パーキンエルマ社製の分析装置の構成を図-1に示します。

図1 2400II元素分析装置の構成
図1 2400II元素分析装置の構成

分析目的および結果の利用方法

C.N.S元素分析の目的やその利用方法としては以下のような例が挙げられます。

  • 堆積物の堆積環境の推測が可能(淡水成層or海成層、還元的or酸化的など)。
  • CNS成分量の深度方向変化状況を利用し、地層の客観的・定量的対比が可能。
  • CNS成分量変化と地盤の工学的性質の検討が可能。
  • pH=3以下を示すような酸性水を発生させる地盤材料の把握が可能。

結果の利用の例

酸性水発生岩検出の利用例
黄鉄鉱は熱水変質を受けた岩や海成起源の堆積岩に含有される鉱物であるが、その黄鉄鉱は地下の還元的環境から酸化的環境にもたらされる(例えば、トンネル掘削岩など)と、硫酸を発生させます。黄鉄鉱を含有するトンネル掘削岩を盛土材等に適用した場合、その盛土から酸性水が発生するとともに、岩石が保有していた有害重金属の溶出を促進させる場合があります。 図-2は、縦軸が過酸化水素を用いて試料中の黄鉄鉱を強制的に酸化させたときのpH、横軸はCNS元素分析で得られたTS(硫黄含有量)を示しています。このように、CNS元素分析を実施することで、将来的にpH=4以下の酸性水を発生させる可能性の高い地盤材料を、事前に把握することが可能となります。

図-2 硫黄含有量と過酸化水素水pH試験結果

堆積物の堆積環境推定の利用例
既存研究によりTOC(有機炭素量)とTS(硫黄含有量)の関係から、堆積物を淡水成層・海水成層・汽水成層と区分できることがわかっています。これを利用すると図-3に示すように、各地の沖積粘性土の堆積環境が推定でき、地盤の特性把握に役立てることができます。

図-3 堆積環境推定図
図-3 堆積環境推定図

地盤の工学的性質の検討例
軟弱地盤の工学的性質とその地盤の堆積環境は密接に関係していると考えられています。そこで、C.N.S元素量と地盤の主に物理特性との関係を検討した例を図-4に示します。これらより、C.N.S元素分析より、地盤の工学的性質の推測が可能であることが示唆されます。

図-4 TOCと液性限界・塑性指数・強度増加率の関係図
図-4 TOCと液性限界・塑性指数・強度増加率の関係図

なお、C.N.S分析の地盤への適用に関しては、最近の地盤調査・試験法と設計・施工への適用に関するシンポジウム発表論文集(社団法人地盤工学会、地盤調査・試験法の小型・高精度化に関する研究委員会)においても、紹介されています。

((株)エイト日本技術開発 磯野陽子)

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粘土鉱物

天然の粘土は、「粘土鉱物」と呼ばれる鉱物が主成分です。粘土鉱物は、自然界で起こる化学反応により、硬質な鉱物が化学変化してできた物質です。大部分は「層状珪酸塩鉱物」と呼ばれる結晶ですが、ほかにイモゴライト・アロフェンなどの準結晶質~非晶質(結晶の形をとらない)な物質も含まれます。「層状珪酸塩鉱物」は薄い板を何枚も重ねたような結晶構造をなしており、イモゴライト・アロフェンも基本構造は近い形をしています。 岩石を砕いていくと粘土に近いサイズの粒子になりますが、粘土鉱物とは性質が異なります。自然界の粘土には粘土鉱物以外の不純物も混ざっていますが、その性質は粘土鉱物の含有量や性質が大きく関わっています。

層状珪酸塩鉱物の結晶構造の解説図「層状珪酸塩鉱物」の形は図に示すように[四面体シート]と[八面体シート]という板状の結晶体が重なり合ってできています。これらの重なり方や間に挟まれるものの違いで、粘土鉱物の種類や性質が変わってきます。粘土鉱物は、その結晶構造が性質を大きく左右します。例えば「白雲母」は板の間に交換性陽イオンだけを挟んでいますが、「スメクタイト」はさらに水の層をはさんでいます。しかもその水分子を出し入れすることができ、それに伴って体積が大きく変化します。このような水を取り込んで体積が変化する粘土鉱物は「膨潤性粘土鉱物」と呼ばれています。

「膨潤性粘土鉱物」を含む地質は、水分の吸収・放出により、体積・含水比・比重・強度などの性質が大きく変化します。また、膨張・収縮を繰り返すと次第に組織が破壊され、強度が低下していきます。このため「膨潤性粘土鉱物」を多く含む岩盤は厄介な存在です。例えばこれらを多く含む岩盤は、地すべりや崖崩れが起こりやすくなっています。このため、こうした岩盤を対象に土木工事を行う場合には、慎重に調査・分析・検討を行う必要があります。

「(株)エイト日本技術開発 嶋 将志」

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石見銀山

石見銀山(いわみぎんざん)の由来

石見銀山は島根県大田市大森町の仙ノ山(せんのやま。標高537.8m)を中心とした銀銅鉱山で、大森銀山または佐摩(さま)銀山とも呼ばれました。室町時代末期の1526年に本格的な開発が始まり、以来およそ400年に渡り銀が採掘された日本最大の銀山であったといわれています。とくに16世紀から17世紀にかけて栄え、石見銀山を巡って戦国武将達が対立しました。17世紀には、多いときで年間銀産出量67.5トン、全世界の産出量の約1割を占めていましたが、その後銀産出量は減少していき、地震や水害等の被害によりあえなく閉山してしまいました。

現在は閉山していますが、「東西文明交流に影響を与え、自然と調和した文化的景観を形作っている、世界に類を見ない鉱山である」として、2007年7月にUNESCOの世界遺産に認定されました。石見銀山の特徴である「山を崩したり森林を伐採したりせず、狭い坑道を掘り進んで採掘するという、環境に配慮した生産方式」が「21世紀が必要としている環境への配慮」として非常に高く評価されたためです。

石見銀山(龍源寺間歩)入り口写真

石見銀山(龍源寺間歩)の坑道写真

《石見銀山(龍源寺間歩)》

石見銀山の位置の図
《石見銀山の位置》

石見銀山の地質と鉱床

石見銀山の周辺には大江高山火山群の噴出物が広がり、その下位には都野津層群が分布しています。都野津層群は鮮新世末から更新世に形成された地層で、西側に広く断続的に分布し、赤い色が特徴の石州瓦の陶土にも使われています。また、都野津層の下層には、中新統の火山岩と火砕岩類、堆積岩類が分布しています。

この火山岩と火砕岩類は、日本海形成期にその海底で生じた火山活動によって形成され、グリーンタフ層に属します。この地層は金属・非金属資源を富む地層で、周辺には石見鉱山、松代鉱山などの黒鉱鉱床が存在しています。

石見銀山付近には、第四世紀更新世(200万年前から70万年前)に活動した火山群が分布しています。これらの火山群は主にデイサイト質の溶岩ドームや火砕丘で形成されており、火山活動の末、石見銀山を生み出しました。

石見銀山の銀鉱床は、大江高山火山群の火山活動を引き起こしたマグマから発生した熱水によって約100万年前にできた鉱床です。石見銀山の鉱床は2つのタイプの鉱床、すなわち、鉱脈鉱床である永久(えいきゅう)鉱床と鉱染鉱床である福石(ふくいし)鉱床からなります。銀を多産したのは、地表近くに分布する福石鉱床であり、母岩となる岩石自体に鉱物を溶かし込んだ熱水が染み込んで鉱石ができたものです。福石鉱床の主な銀鉱物は、輝銀鉱、自然銀などの比較的単純な銀化合物です。また、岩石が比較的柔らかく、掘りやすいといった特徴があり、16世紀における銀の量産に一役買いました。

一方、永久鉱床はマグマ中の熱水の温度が下がることによって結晶化し、脈状に鉱物が生成したものです。地表から地下に分布し、銀を含んだ黄銅鉱・黄鉄鉱・方鉛鉱などを産出しました。永久鉱床の主な銀鉱物は、輝銀鉱、自然銀の他に、銅などの元素との複雑な化合物です。銅を主体として銀を伴う岩石であり、福石鉱床が少なくなるに連れ、次第に永久鉱床に着手されるようになりました。

銀鉱床ができるまでの解説図
《銀鉱床ができるまで》

参考
しまね観光ナビ
http://www.kankou.pref.shimane.jp/mag/07/07/ginzan_main_spot.html
石見銀山
http://www.iwamigin.jp/

「株式会社エイトコンサルタント 大川博史」

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