主働土圧（しゅどうどあつ）とは、壁体が土から離れる方向に移動する際に発生する土圧で、せん断破壊によって生じ、土圧値が最小となるのが特徴です。土木・地盤工学における重要な設計要素であり、受働土圧や静止土圧とは発生条件や大きさが異なります。土の種類や含水状態などの影響を受けるため、構造物設計では適切な計算が必要です。
主働土圧（しゅどうどあつ）とは の詳細説明
主働土圧（しゅどうどあつ）の詳細について、より深く掘り下げて説明します。
主働土圧は、クーロンの土圧論やランキンの土圧論といった理論的基盤に基づいて計算されます。これらの理論では、土のせん断強度や内部摩擦角が重要なパラメータとなります。
主働土圧係数（Ka）は次の式で表されることが一般的です。
Ka = (1-sinφ)/(1+sinφ) = tan²(45°-φ/2)
ここでφは土の内部摩擦角を示しています。この係数を用いて、土の単位体積重量γと壁の高さHから主働土圧Paを計算できます。
Pa = 1/2・γ・H²・Ka
主働土圧の作用位置は、一般的に壁高さの1/3の位置（底面から）とされています。これは三角形分布の土圧を考えた場合の圧力中心に相当します。
主働土圧の発生メカニズムとしては、壁体の移動に伴い土塊内にすべり面が形成され、そのすべり面に沿って土塊が移動することで土圧が減少します。このすべり面は、水平面に対して（45°+φ/2）の角度で形成されることが理論的に示されています。
地下水位がある場合は、水圧も考慮する必要があります。この場合、有効応力に基づいた計算が必要となり、計算式はより複雑になります。
実務では、壁面摩擦角や地盤の傾斜、壁体の傾斜なども考慮したより精緻な計算式が用いられることが多いです。これらの影響を適切に評価することで、より安全で経済的な構造物設計が可能になります。
主働土圧と受働土圧の違い
主働土圧と受働土圧は、土圧の基本的な概念として土木工学で重要な役割を持っています。両者は壁面の移動方向によって発生する土圧の種類が異なり、土木構造物の設計において考慮すべき重要な要素です。それぞれの特徴と違いについて説明していきます。
土圧の方向性による分類
主働土圧と受働土圧は、壁体の移動方向によって区別されます。
| 土圧の種類 | 壁体の移動方向 | 土圧の大きさ | 発生状況 |
|---|---|---|---|
| 主働土圧 | 土から離れる方向 | 小さい | 壁体が土塊から離れる時 |
| 受働土圧 | 土に向かう方向 | 大きい | 壁体が土塊を圧縮する時 |
主働土圧は壁体が土塊から離れる際に発生します。このとき土塊内にはせん断破壊が生じ、土圧値は最小となります。
一方、受働土圧は壁体が土塊側に押し込まれる際に発生します。このとき土塊は圧縮され、土圧値は最大となります。
計算式の違い
主働土圧と受働土圧では、計算に用いる係数が異なります。
主働土圧係数（Ka）は、クーロンの土圧論やランキンの土圧論に基づいて算出されます。主働土圧係数は通常1.0より小さい値となります。
受働土圧係数（Kp）も同様の理論に基づいて計算されますが、主働土圧係数の逆数に近い値となります。そのため、受働土圧係数は通常1.0より大きな値になります。
土の内部摩擦角がφの場合、ランキン理論では以下の式で表されます。
- 主働土圧係数：Ka = (1-sinφ)/(1+sinφ)
- 受働土圧係数：Kp = (1+sinφ)/(1-sinφ)
設計上の考慮点
主働土圧と受働土圧は構造物の設計において異なる役割を持ちます。
主働土圧は擁壁などの土留め構造物に作用する力として、構造物を押し倒そうとする外力となります。そのため、設計では主働土圧に対する安定性検討が必要です。
受働土圧は構造物の滑動や転倒に対する抵抗力として働きます。しかし、受働土圧を期待するためには土塊の変形が必要となるため、設計では安全側を考慮して全ての受働土圧を見込まないことがあります。
主働土圧が発生する条件
主働土圧（しゅどうどあつ）が発生する条件には大きく3つあります。
- 条件1 壁体の変位条件
- 条件2 土質条件の影響
- 条件3 外力や環境条件
それぞれ説明していきましょう。
壁体の変位条件
主働土圧が発生する最も基本的な条件は、壁体が土塊から離れる方向に変位することです。
擁壁や土留め壁などの構造物が外側に移動または回転すると、背面の土塊内にせん断破壊面が形成されます。この破壊面に沿って土塊がすべり始めるとき、主働土圧状態になります。
実験によると、主働土圧が完全に発揮されるためには、壁高さHに対して0.001H〜0.005H程度の水平変位が必要とされています。この変位量は土の種類や状態によって異なります。
土質条件の影響
主働土圧の発生には土質条件も重要な要素です。
砂質土では比較的小さな変位で主働土圧状態に達しますが、粘性土では大きな変位が必要となることがあります。また、土の内部摩擦角が大きいほど、主働土圧係数は小さくなり、発生する土圧も小さくなります。
地下水位の存在も主働土圧に影響します。地下水位以下では水圧と有効応力に基づく土圧の和として考慮する必要があります。
外力や環境条件
外力や環境条件も主働土圧の発生に影響を与えます。
| 条件 | 主働土圧への影響 |
|---|---|
| 上載荷重 | 土圧増加 |
| 地震力 | 動的土圧の追加 |
| 凍結・融解 | 土圧変動 |
| 締固め | 初期土圧増加 |
特に地震時には、慣性力の影響で土圧が増加する現象（地震時土圧）が発生します。これは物部・岡部の方法やモンノベ-オカベ法などで評価されます。
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