土質力学とは？わかりやすく解説

土質力学（どしつりきがく、英語：soil mechanics）は、土の力学的性質や透水性などの各性質、地盤内の応力と変位、土圧、支持力、斜面の安定などの理論と応用について扱う力学である。

より広い分野の工学をさす地盤工学 (geotechnics) と類義である。土木工学の基礎となる3力学「構造力学」・「水理学」「土質力学」のうちの一つを形成する。

土質力学の基礎理論

物理量

土は、

土粒子 (soil particles)
水 (water)
空気 (air)

の3相から構成されている。体積をそれぞれ V_s, V_w, V_a で表し、質量をそれぞれ m_s, m_w, m_a(=0) で表す。したがって、土の体積 V = V_s + V_w + V_a、土の質量 m = m_s + m_wとなる。水と空気の2相を合わせて、間隙（void、添字：v）とも呼ぶ。

これらを用いて、

間隙比 (Void ratio)　e = V_v/V_s
間隙率 (Porosity)　n = V_v/V
飽和度 (Degree of Saturation)　S_r = V_w/V_v×100 (%)
含水比 (Water content)　w = W_w/W_s×100 (%)
体積含水比 (Water content by volume)　θ =V_w/V×100 (%)
鋭敏比 (Sensitivity ratio)　S_t = 乱さない土の一軸圧縮強さ / 乱した土の一軸圧縮強さ
土粒子の密度　（density of soil particles (g/cm3)）
土粒子の比重　（specific gravity of soil (単位なし））
相対密度 (Relative density)　D_r = (e_max - e) / (e_max - e_min)

などの物理量がよく用いられる。含水比は締固め（後述）に影響し、鋭敏比は「攪乱による強度の低下」を意味し、相対密度は「砂の締まり具合」を表す。

また、含水比の変化に伴う土の状態（コンシステンシー）を示すには、次のようなパラメータが用いられる。

塑性指数 (Plasticity index)　I_p = w_L - w_p
液性指数 (Liquidity index)　I_L = (w - w_p) / I_p
コンシステンシー指数 (Consistency index)　I_c = (w_L - w) / I_p

粒度分布

ある粒径をもった土粒子の混合割合を粒度という。普通、ふるい分け試験によって得られた重量比で示される。ふるい分け試験では、目の粗いふるいを上から順番に重ね、試料を一番上に乗せてふるうことで、土が粒径ごとに分けられる。

ある粒径のふるい目を通過した土の量の重量百分率(%)を縦軸に、粒径を対数目盛の横軸にしてプロットしたものを粒径加積曲線という。このグラフから重量百分率50%にあたる粒径を、有効粒径 $D_{50}$

土の限界状態を示すロスコー面

土の破壊は普通、せん断破壊であるから、土の強度といえばせん断強度をさす。強度の測定には主に、一面せん断試験、三軸圧縮試験、一軸圧縮試験が用いられる。

せん断試験には以下のようなものがある。

室内試験
- 直接せん断試験
  - 一面せん断試験
  - 単純せん断試験
  - リングせん断試験
- 間接せん断試験
  - 一軸圧縮せん断試験
  - 三軸圧縮せん断試験
現場試験
- ベーンせん断試験

地盤内の応力と変位

地盤の上に荷重がかかったときに、地盤内にどのような応力が作用し、どれだけ変形を生じるかを知ることは、工学上非常に重要である。代表的な解析法にはブシネスク（Boussinesq）の理論がある。

土圧

土圧 (Earth Pressure)とは、地盤内における土による圧力のことで、状態によって静止土圧、受動土圧、主働土圧に分類される。

地盤の支持力

地盤は上に立てた構造物の荷重を支えなければならない。しかし、その荷重が地盤の支持力を上回ると、地盤は崩壊してしまう。そのため、十分な支持力を発揮させるために、構造物を基礎で支えるなどの処置がとられる。

基礎の静力学的支持力公式であるテルツァーギの支持力公式（英語: Terzaghi's Bearing Capacity Theory）によると、幅B 、根入れ深さD_f の浅い基礎の支持力 q は、

q=cN_{\mathrm {c} }+{\frac {1}{2}}\gamma _{1}BN_{\gamma }+\gamma _{2}D_{\mathrm {f} }N_{\mathrm {q} }

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