地面の強度を倍増させるグリッド

南カリフォルニアのロングビーチ港は、アメリカで2番目に忙しいコンテナ港であり、東西を結ぶ主要な物流拠点です。隣接するロサンゼルス港と合わせると、毎年およそ5000億ドル相当の貿易品がこの港を通過します。輸送需要の驚異的な増加に対応するため、港はほぼ絶えず改善と拡張を続けています。 2000年代初頭、ロングビーチ港はピアTマリンターミナルでコンテナ保管ヤードを拡張していましたが、エンジニアは問題に直面しました。拡張しようとしていたエリアは、古い未使用のドライドックであり、ヤードの他の部分よりもはるかに低い位置にありました。そこを埋めるためには、大量の土砂が必要でした。コンテナターミナルほど舗装が難しい場所は他にありません。クレーン、フォークリフト、ヤードトラックといった重機の絶え間ない往来があり、地元の埋め立て材は質が悪く、海から掻き集められた柔らかく水浸しのシルト（泥）で、雨の中のケーキのような構造的強度しかありませんでした。 伝統的には、すべての泥を取り除き、文字通り山のような高価な埋め戻し材を運び込む必要がありました。このプロセスは数百万ドルかかり、数年を要します。その代わりに、エンジニアたちは構造的な基礎というよりは、巨大なプラスチック製のアコーディオンのようなソリューションに目を向けました。この3Dネットワークは、土を所定の位置に保持するだけでなく、その柔らかい浚渫土を、100トン級の機械や何列にもわたる重いコンテナスタックを支えられる高容量プラットフォームへと物理的に変貌させました。 エンジニアリングの世界では、「ジオ」という接頭辞がよく使われます。半技術的な響きの言葉にそれを付けるだけで、おそらくそのような製品が存在するでしょう。ジオテキスタイル、ジオグリッド、ジオフォームなどです。今日はジオセルがどのように機能するかを紹介します。もちろん、ガレージに小さな模型を作って、実際に動作する様子を見られるようにしました。私はグラディで、これはPractical Engineeringです。 エンジニアリングと聞くと、鋼鉄、コンクリート、ボルト、ギア、電気部品、パイプ、梁など、私たちが使う典型的な材料を思い浮かべやすいでしょう。通常、最初に思い浮かぶのは土ではありません。ほとんどの地盤工学エンジニアは、好みの媒体を説明するために「ロック」または「ソイル」という別の4文字の単語を使います。しかし、彼らが何と呼ぶにしても、それは結局のところ、彼らが選べるものではありません。ほとんどのエンジニアは厳格な仕様に従う材料を扱いますが、地盤工学エンジニアは自然が与えてくれる材料を扱います。そして、それらの材料はしばしばひどいものです。私たちの構築された環境の多くは、私たちの足元の土や岩の挙動を予測し、改善する能力に完全に依存しています。そして、それらの材料は、エンジニアが扱う他のどんな材料とも根本的に異なり、特にその失敗の仕方が異なります。 地面を歩いているとき、それが荷重の下で「失敗」する可能性があることなど、ほとんど考えないでしょう。しかし、橋に最大積載量があるように、あらゆる土、砂、粘土、ロームには、物理的に限界を超える前に耐えられる特定の圧力があります。もちろん、ほとんどの土は少し圧縮されます。これは通常、沈下と呼ばれます。しかし、それ以上に悪化することも起こり得ます。土は垂直荷重の下で消えることはできません。コンクリートのように砕けたり、鋼鉄の梁のように曲がったりしません。代わりに、せん断します。土粒子間の摩擦は、土壌内の圧力に抵抗するには十分ではなく、それらは平面上で互いに滑り落ちます。一般的に、これは土が下方に移動し、次に外側に移動し、次に上方に移動し、その上のものを沈ませたり傾けたりする様子です。 これは支持力破壊と呼ばれます。これは土壌の最も重要な破壊モードの1つであり、ほぼすべての種類の構造物を設計する際に考慮する必要があります（すべてが地面の上に建つため）。建物、ダム、擁壁、そしてもちろん道路のエンジニアは、この限界に対処しなければなりません。 荷重を分散させるのが最も簡単な解決策です。泥だらけの芝生の上でハイヒールを履いていると沈みますが、幅の広い合板を置いてその上に立つと沈みません。エンジニアリングでは、これはより広い地面面積に重量を分散させるために、幅の広いコンクリート基礎を建設することを意味します。問題は、コンクリートが高価であることです。多くの構造物では、広範な基礎は理にかなっています。しかし、すべての道路がコンクリートで舗装されていないのには理由があります。 もう1つの選択肢は、路盤を交換することです。土が泥状であれば、すべて掘り出して運び出します。そして、「選択埋め戻し材」と呼ばれるものを運び込みます。これは、エンジニアが荷重を支えられると判断した材料を指す曖昧な用語です。道路の場合、通常は高品質で角張った砕石です。しかし、大きな砂利の塊だけでなく、すべてを互いに固定するのに役立つ細かい粒子も必要です。これは一般的に「ロードベース」と呼ばれ、舗装道路と未舗装道路の両方で、荷重支持の大部分を担います。しかし、そのうちどれだけが必要かは重要な決定です。荷重からの応力は深さと共に広がり、下方に達するにつれて拡散します。ロードベースの層は、その「応力円錐」からの残りの圧力が、ネイティブな土壌が破壊されずに支持できるほど十分に低くなるように、十分に厚くなければなりません。路盤が弱いほど、ベースは厚くなります。場合によっては数フィートにもなり、掘削、運搬、敷設、締固めが膨大に必要になります。 基礎と路盤交換は多くの場合良い解決策ですが、既存の土壌に外部からの補強材を持ち込む方が理にかなっている状況もあります。これらはしばしばジオシンセティックスとして知られています。地面をより強く機能させるために作られた人工材料です。ジオシンセティックスのオプション1はジオテキスタイルです。これは、個々の砂利や岩の粒子が下の泥に沈むのを防ぐ物理的な境界として機能する、工業用強度の布地です。一部の状況では、土を運び出すことなく水を流すフィルターとしても使用されます。しかし、それらはあまり強度を持たず、より重要なのは、上の層や下の層とあまり連動しないことです。ジオテキスタイルは土壌とは比較的独立して動くことができ、荷重が十分に重い場合、全体がまだ凹んだり垂れ下がったりする可能性があります。 オプション2はジオグリッドです。これはまさにその名の通り、土壌層を補強するために使用される硬いプラスチックメッシュです。これは基本的に、コンクリートの鉄筋補強と同じ方法で機能します。ジオテキスタイルに対する利点は明らかです。材料がはるかに強いだけでなく、グリッドにより、上の材料と下の材料を掴むことができます。このチャンネルの最初のビデオの1つは、補強土擁壁に関するものでした。私はガラス繊維の窓網の層で砂の立方体を作り、車のホイール1つを支えることができました。世界中で見られる擁壁の多く、特に高速道路プロジェクトでは、このような技術が使用されています。弱い土壌に対しても、それができることは本当に驚くべきことです。しかし、そのデモには複数の層があり、ジオグリッドの限界の1つを示しています。それは本質的に2Dであるということです。近くの土を掴むことはできますが、グリッドから離れるほど、助ける能力は低下します。より厚い層を補強する必要がある場合は、オプション3、つまりジオセルが登場します。 ジオテキスタイルがシートで、ジオグリッドがメッシュだとすれば、ジオセルは3D構造です。それは基本的に、いくぶんハニカム状に溶接されたプラスチックストリップから形成されています。そして、これらのストリップはジオグリッドのように埋め戻し材と連動するだけでなく、それをカプセル化します。これはかなり直感的だと思います。この非拘束の砂の上に重い物体を落とすと、かなり深く沈みます。しかし、砂を狭い領域に閉じ込めると、沈み込みははるかに少なくなります。前述したように、土は重い荷重の下で消えることはできず、破壊されるためにはせん断して移動しなければなりませんが、閉じ込められていると、移動する場所がありません。 これらの閉じ込め