凍上

凍上の概要

凍上（とうじょう）は、寒冷地において土壌が凍結し、その中に形成された氷が土を押し上げる現象です。これにより引き起こされる被害は凍上害と呼ばれ、特に建物や道路、インフラに深刻な影響を与えることがあります。特に、凍上は気温が氷点下の際に、地面の下で氷が形成されることで発生します。具体的には、地下にある水分が凍結し、氷が成長する過程で「アイスレンズ」と呼ばれるレンズ状の氷が形成され、これが土壌を持ち上げる原因になります。

凍上のメカニズム

凍上は、地中で氷が成長する際に、上下の荷重が影響を与える複雑な過程です。氷は凍結面から成長し、その成長には水の供給が不可欠です。アイスレンズは、周囲の土壌によって圧迫されることで、鉛直方向の成長が妨げられるため、横に広がる形で形成されます。これにより、十分な力を持った氷ができ、土壌を持ち上げることができます。特に、成長したアイスレンズが地面を30cm以上持ち上げることも珍しくありません。

凍上が発生するためには、適切な土質条件も必要です。例えば、毛細管現象が起こるような多孔質の土壌でなければならず、さらにその土壌は水分を保持できる特性を持っている必要があります。水分が凍ることにより、アイスレンズが形成されるためには、凍結面と地下水源の連続的な供給が不可欠です。

凍上被害の実態

凍上が進行すると、舗装面にひび割れを生じさせたり、建物の基礎に悪影響を与えたりすることがあります。また、アスファルトやコンクリート、さらには生物にも影響を与えることが明らかになっています。凍結期の早期には霜柱と呼ばれる現象も見られ、この時期はまだ凍結面が土中深くに達していないため、凍上と同様のメカニズムであるものの、元々の持ち上げられる土層が存在しないだけの違いです。

凍上に関する研究

凍上現象に関する研究は非常に古く、1694年にはBeskowが土壌の凍結の影響について言及しています。その後、Taberは凍上における水の移動が、土中のモル体積の膨張によってのみ説明できないことを立証しました。また、凍上研究は日本でも進められ、特に鉄道における凍上被害は深刻な問題として取り上げられました。中谷宇吉郎はこの研究の先駆者の一人であり、彼の研究は日本における凍上対策に大きな影響を与えました。

凍上対策

凍上を防ぐためには、土中の凍結性を低下させることが重要です。具体的には、土壌を砂利に変更したり、断熱材を使用したり、防水加工を施すことが効果的とされています。特に鉄道の維持管理では、枕木の高さを凍上の影響を受けないように調整する工夫が必要とされています。

まとめ

こうした凍上の現象は、寒冷地において非常に重要な要素であり、適切な対策を講じることが、建物やインフラを守るためには欠かせません。この現象を理解することにより、より安全な生活環境を確保するための具体的な方策を立てることができます。

もう一度検索