圧密沈下とは｜沈下量と沈下時間の計算を例題で、過圧密と正規圧密の違い

粘性土は粒が細かく水を通しにくいため、荷重がかかっても内部の水がすぐには抜けません。図1のとおり、載荷直後は増えた荷重を間隙水の圧力（間隙水圧）が受け持ち、水が絞り出されるにつれて荷重が土粒子へ移り、抜けた水の分だけ土が縮んで沈下します。

河川砂防技術基準は、地下水のくみ上げによる広域的な地盤沈下も同じ仕組みで説明していて、帯水層の水圧が下がると粘性土中の水圧も徐々に低下し、土粒子構造が収縮する「脱水圧密現象」が各層で累積して地表の沈下になるとしています。盛土や建物の荷重による沈下も、地下水くみ上げによる地盤沈下も、粘性土の中で起きていることは同じです。

沈下が進む層を杭が貫いている場合は、沈下する地盤が杭を下へ引きずる負の摩擦力も検討の対象になります（支持杭と摩擦杭の違い）。

違いは、地盤が過去に受けた最大の荷重と、いま受けている荷重の関係です。圧密試験で荷重を段階的に増やすと、ある荷重までは縮みが小さく、超えると急に大きく縮み始めます。この境目が圧密降伏応力 pc で、過去に受けた最大の荷重の目安です。現在の土かぶり圧 pv が pc より小さい状態を過圧密、pv と pc が等しい状態を正規圧密と呼びます。

堆積したままの粘土は正規圧密ですが、一般的な粘土地盤は、過去の地下水位の変動や侵食などの履歴によって過圧密状態にあることが多いとされています。

設計上は、荷重を加えた後の圧力が pc を超えなければ沈下は小さく、超えると図2のとおり圧縮指数 Cc の傾きで大きく沈下します。圧密沈下の検討では、粘性土層の厚さと並んで、圧密降伏応力の見極めが最初の要点です。

最終的な沈下量のうち、ある時点までに起きた沈下の割合を圧密度 U といいます（U ＝ その時点の沈下量 ÷ 最終沈下量）。圧密度は時間係数 Tv で決まり、Tv ＝ cv × t ／ H² の関係があります。t は経過時間、H は排水距離です。同じ圧密度に達するまでの時間は t ＝ Tv × H² ／ cv となり、排水距離の2乗に比例します。粘性土層の上下が砂層なら両面から水が抜けるので排水距離は層厚の半分、片面だけなら層厚そのものです。

排水距離が2倍になると、沈下にかかる時間は4倍になります。厚い粘性土層の中に砂の層が挟まっているかどうかで沈下時間が大きく変わるため、柱状図で薄い砂層を見落とさないことが大切です。

圧密沈下の検討には、まず柱状図で粘性土層の分布と厚さ、そして水の抜け道になる砂層の位置を確認します。粘性土はN値だけで判断しにくいため、乱れの少ない不撹乱試料を採取して圧密試験を行い、圧密降伏応力・圧縮指数・体積圧縮係数・圧密係数を求めます。

河川砂防技術基準は、軟弱地盤の調査で粘性土に対して含水比、湿潤密度（間隙比）、液性限界・塑性限界、一軸圧縮試験、圧密試験などを組み合わせることを挙げていて、結果は深度方向に含水比・間隙比・非排水せん断強さ・圧密降伏応力・圧密係数などの変化が分かるよう図示するとしています。

沈下が許容できない場合は、地盤改良を行う、盛土を段階的に立ち上げて沈下を先に進ませる、といった対策の検討に入ります。どの対策を選ぶかは沈下量と沈下時間の見積もり次第で、その根拠が上の値です。

ただ、試料ごとの試験値を成績表から拾って層ごとにまとめ、報告書の表にする作業は、試料が多いほど転記と見直しに時間を取られます。サファリテックの地質調査AI「CAMEL」は、室内土質試験の成績表を読み取って一覧表に整理し、土質試験結果一覧表をExcelで出力します。過圧密の判定や沈下の許容値の判断は技術者が担います。機能の一覧はサービス資料にまとめています。