土粒子

土粒子とは

土粒子とは、土を構成している固体の粒のことです。私たちが目にする土は、この土粒子と、粒子の間にある隙間（間隙）に存在する水分や空気が混ざり合ったものです。つまり、土粒子は土の「骨組み」となる部分と言えます。

土と土粒子の違いは重要です。土は土粒子、水、空気の三つの要素から成り立っていますが、土粒子はそのうちの固体部分だけを指します。例えば、湿った土を手に取ると、それは土粒子と水が混ざったものです。これを乾燥させると水分が抜けて、より土粒子の割合が高くなります。しかし、完全に乾燥させても、粒子の間には微小な空気の隙間が残ります。

地盤工学（土の性質や挙動を研究する学問）では、土粒子は非常に重要な要素と位置づけられています。なぜなら、土粒子の種類や大きさ、形状などによって、土全体の強さや水の通しやすさ、沈み具合といった性質が大きく変わるからです。例えば、大きな粒子が多い砂地盤は水はけが良く、小さな粒子が多い粘土地盤は水を保持する能力が高いという違いがあります。建物や道路などを建設する際には、その場所の土がどのような土粒子で構成されているかを調査し、適切な設計や工法を選ぶことが重要です。

土粒子の分類と種類

土粒子は大きさ（粒径）によって主に4つに分類されます。大きい順に、礫（れき）、砂、シルト、粘土です。礫は直径2mm以上の粒子で、小石のように目で見て確認できます。砂は直径0.075mm〜2mmの粒子で、砂浜の砂のように個々の粒を見ることができます。シルトは直径0.005mm〜0.075mmの粒子で、肉眼では個々の粒を識別するのが難しく、指で触ると少しざらざらした感触があります。粘土は直径0.005mm未満の非常に小さな粒子で、湿らせると粘り気が出て、形を作れるという特徴があります。

鉱物組成による分類も重要です。土粒子は様々な鉱物から構成されています。主な鉱物としては、石英、長石、雲母、方解石などが挙げられます。砂や礫の粒子は、主に岩石が風化して砕けたもので、元の岩石の鉱物組成を反映しています。一方、粘土粒子は主に粘土鉱物と呼ばれる特殊な鉱物からなり、カオリナイト、モンモリロナイト、イライトなどの種類があります。粘土鉱物は層状の構造を持ち、水分を吸収して膨らむ性質があります。特にモンモリロナイトは吸水して大きく膨張する性質があり、これを多く含む土は膨張性地盤として建設工事では注意が必要です。

粒子形状による分類も土の性質を理解する上で重要です。土粒子の形状は、球形に近いもの、扁平なもの、針状のもの、角ばったもの、丸みを帯びたものなど様々です。例えば、海岸の砂は波の作用で粒子が互いにこすれあうため、丸みを帯びた形状になることが多いです。一方、河川上流部の砂は角ばった形状のことが多いです。粒子の形状は土の強度や変形特性に影響を与えます。例えば、角ばった粒子が多い土は、粒子同士が噛み合って動きにくくなるため、一般的に強度が高くなります。また、扁平な粒子が多い土は、圧縮したときに粒子が平行に並びやすく、方向によって強度が異なる異方性を示すことがあります。

土粒子の物理的特性

土粒子の密度と比重は、土の重さやかさを理解する上で重要な特性です。土粒子の密度とは単位体積あたりの質量のことで、一般的に2.6〜2.8g/cm³程度です。これは水の密度（1.0g/cm³）の約2.6〜2.8倍であり、このことから土粒子の比重（水を基準とした相対的な重さ）も2.6〜2.8程度となります。土粒子の密度は鉱物組成によって変わります。例えば、石英や長石の密度は約2.65g/cm³、雲母は2.8〜3.0g/cm³、方解石は2.7g/cm³程度です。土の種類によっても異なり、火山灰土などの特殊な土では2.5g/cm³程度と低い値を示すこともあります。土粒子の密度がわかると、土全体のかさ密度（土粒子、水、空気を含めた単位体積あたりの質量）との比較から、その土がどれだけ締め固められているかを判断できます。

土粒子の硬さと強度も重要な特性です。硬さは鉱物の種類によって大きく異なります。例えば、石英は非常に硬い鉱物で、モース硬度（鉱物の硬さを表す尺度）で7程度です。これに対して、粘土鉱物は一般的に柔らかく、モース硬度は1〜2程度です。粒子の硬さは、土が外力を受けたときの変形や破砕のしやすさに影響します。硬い粒子からなる土は、圧縮されても粒子自体はあまり変形しませんが、柔らかい粒子からなる土は、粒子自体が変形したり、潰れたりすることがあります。また、粒子の結合力も重要です。砂のような大きな粒子は、主に物理的な接触（摩擦）によって互いに支え合っていますが、粘土のような微小粒子は、電気的な引力や化学的な結合によっても互いに結びついています。この違いが、砂と粘土の強度特性の違いにつながります。

土粒子表面の性質も土の挙動に大きく影響します。粒子表面には微細な凹凸があり、これが粒子同士の摩擦や噛み合わせに関係します。粒子表面の粗さは、顕微鏡で観察できるレベルの粗さから、分子レベルの粗さまで様々です。また、粒子表面の電気的性質も重要です。特に粘土粒子は表面に電荷を持っていて、通常はマイナスに帯電しています。このため、プラスの電荷を持つイオン（カルシウムイオン、ナトリウムイオンなど）を引きつける性質があります。この性質は土の化学的な性質や、水との相互作用に大きく関わっています。粒子表面の性質は、土の工学的性質（強度、圧縮性、透水性など）だけでなく、植物の生育や環境中の汚染物質の挙動にも影響するため、様々な分野で重要視されています。

土粒子と間隙の関係

間隙（かんげき）とは、土粒子と土粒子の間にある隙間のことです。この間隙には水分（間隙水）や空気（間隙空気）が存在します。間隙の大きさや形状、連続性は土粒子の大きさ、形、配列の仕方によって決まります。一般的に、粒子が大きいほど間隙も大きくなる傾向がありますが、粒度分布（様々な大きさの粒子の混ざり具合）によっても変わります。例えば、大小様々な粒子が混ざっている土では、小さな粒子が大きな粒子の間隙を埋めるため、全体の間隙は小さくなります。

間隙比と空隙率は、土の中の間隙の量を表す指標です。間隙比（e）は、土粒子の体積に対する間隙の体積の比で表されます。例えば、間隙比が0.6の土は、土粒子の体積を1とすると、間隙の体積は0.6という意味です。空隙率（n）は、土全体の体積に対する間隙の体積の比率で、パーセントで表すことが多いです。間隙比と空隙率は次の関係があります：n = e/(1+e)。一般に、砂の間隙比は0.4〜0.9程度、粘土の間隙比は0.9〜1.5程度です。間隙比が大きいほど、土は緩く、圧縮されやすい傾向があります。また、間隙比が小さいほど土の強度は増加する傾向があります。このため、建設工事では、地盤を締め固めて間隙比を減少させることで、地盤の支持力を高めることがよく行われます。

土粒子と水の相互作用は、土の挙動を理解する上で非常に重要です。間隙水は単なる水ではなく、土粒子との間で様々な相互作用を持っています。特に粘土粒子の周りの水は、粒子表面に強く引きつけられている「吸着水」と呼ばれる状態になっています。この吸着水は通常の水とは異なる性質を持ち、凍りにくかったり、電気的な特性が変わったりします。また、間隙水には毛管現象による力（毛管力）が働き、これが土粒子間に引力をもたらします。これは湿った砂が固まりになりやすいのと同じ原理です。湿った土が乾燥すると、この毛管力によって土は収縮し、ひび割れが生じることもあります。一方、粘土が水を吸収すると膨張することもあります。これは粘土鉱物の層間に水が入り込むためです。このような土粒子と水の相互作用は、土の強度、変形特性、透水性などに大きな影響を与えます。

土粒子の化学的特性

土粒子の化学組成は、その鉱物組成によって決まります。一般的な土粒子は、酸素（O）、ケイ素（Si）、アルミニウム（Al）、鉄（Fe）、カルシウム（Ca）、マグネシウム（Mg）、カリウム（K）、ナトリウム（Na）などの元素から構成されています。これらの元素は様々な化合物の形で存在し、主に酸化物、水酸化物、炭酸塩、ケイ酸塩などを形成しています。例えば、石英はケイ素と酸素からなる二酸化ケイ素（SiO2）、長石はケイ素、アルミニウム、酸素にカリウムやナトリウム、カルシウムが加わった複雑なケイ酸塩です。粘土鉱物はさらに複雑で、ケイ素とアルミニウムの酸化物の層が積み重なった構造をしています。土粒子の化学組成は、その生成過程（母岩の風化や分解）や環境条件（気候、生物活動など）によって変化します。また、土壌の生産性（肥沃度）にも大きく関わっています。

イオン交換能は、特に粘土粒子が持つ重要な化学的特性です。粘土粒子の表面は通常マイナスに帯電しており、プラスの電荷を持つイオン（陽イオン）を引きつける性質があります。このため、粘土粒子の周りには、カルシウムイオン（Ca²⁺）、マグネシウムイオン（Mg²⁺）、カリウムイオン（K⁺）、ナトリウムイオン（Na⁺）などの陽イオンが集まっています。これらのイオンは、土壌溶液中の他のイオンと交換することができます。この性質をイオン交換能と呼びます。イオン交換能は、粘土の種類によって大きく異なります。例えば、モンモリロナイトは高いイオン交換能を持ちますが、カオリナイトは比較的低いイオン交換能を持ちます。イオン交換能は、土壌の肥沃度や植物の栄養分の保持能力に大きく関わっています。また、汚染物質の吸着や移動にも影響するため、環境保全の観点からも重要です。

pH特性と影響も土粒子の重要な化学的特性です。pHとは溶液の酸性度を表す指標で、0から14の範囲で表されます。7が中性、7未満が酸性、7より大きいとアルカリ性（塩基性）です。土のpHは、その中の土粒子の種類や量、有機物の量、地下水の性質などによって変わります。一般的な土のpHは4〜8程度ですが、特殊な環境下では、より酸性やアルカリ性が強くなることもあります。土のpHは植物の生育に大きな影響を与えます。多くの植物は中性に近いpH（6〜7）で最もよく育ちますが、植物の種類によって好適なpH範囲は異なります。また、pHは土中の微生物の活動や、様々な栄養素の溶解度にも影響します。酸性の土では、アルミニウムや鉄、マンガンなどの元素が溶け出しやすくなり、植物に害を与えることがあります。また、アルカリ性の土では、リンや鉄、亜鉛などの栄養素が植物に吸収されにくくなることがあります。土のpHは、石灰（炭酸カルシウム）の添加や、硫黄の添加などによって調整することができます。

土粒子が地盤特性に与える影響

粒度分布と地盤強度の関係は、土木工学や建築の分野で重要視されています。粒度分布とは、土の中にある様々な大きさの粒子の割合のことです。均等な大きさの粒子だけからなる土（均等な粒度分布）と、様々な大きさの粒子が混ざっている土（不均等な粒度分布）では、地盤としての性質が大きく異なります。一般的に、不均等な粒度分布を持つ土の方が強度が高くなる傾向があります。これは、小さな粒子が大きな粒子の間の隙間を埋めることで、粒子間の接触点が増え、摩擦力が増すためです。例えば、砂と砂利と少量の粘土が混ざった土は、砂だけの土よりも強度が高くなることが多いです。ただし、細かい粒子（特に粘土）の割合が多すぎると、土の挙動は粘土の性質に支配されるようになり、強度が低下することもあります。このため、建設工事では、適切な粒度分布を持つ土を選んだり、不足している粒径の材料を追加したりすることがあります。

透水性（水の通しやすさ）は、土粒子の大きさや配列に大きく影響されます。一般的に、粒子が大きいほど間隙も大きくなるため、水が通りやすくなります。例えば、礫や砂は非常に透水性が高く、地下水が速く流れます。一方、シルトや粘土は透水性が低く、水はほとんど流れません。このため、ダムや堤防など、水を止める構造物では、粘土質の土が使われることが多いです。透水性は粒度分布にも影響されます。不均等な粒度分布を持つ土は、均等な粒度分布を持つ土よりも透水性が低くなる傾向があります。これは、小さな粒子が大きな粒子の間の隙間を埋めることで、水の通り道が狭くなるためです。また、土の締固め度（どれだけ密に詰まっているか）によっても透水性は変わります。密に締め固められた土は、緩い土よりも透水性が低くなります。

圧縮性と変形特性も土粒子の性質に大きく影響されます。圧縮性とは、圧力を加えたときに体積が減少する性質のことです。一般的に、粘土質の土は圧縮性が高く、荷重がかかると大きく沈下します。これは、粘土粒子が扁平で、荷重がかかると粒子が再配列しやすいためです。また、粘土粒子の周りには水が多く含まれており、荷重がかかるとこの水が絞り出されて（圧密と呼ばれる現象）、体積が減少します。一方、砂質の土は比較的圧縮性が低く、荷重がかかっても沈下量は少ないです。これは、砂粒子が硬く、粒子自体がつぶれにくいためです。変形特性も土粒子の種類によって異なります。例えば、粘土質の土は荷重を取り除いても元の形状に戻りにくい「塑性変形」を示すことが多いですが、砂質の土は比較的元の形状に戻りやすい「弾性変形」を示すことが多いです。これらの特性を理解することは、建物や道路の設計において、沈下量を予測したり、適切な基礎形式を選択したりする上で非常に重要です。

土粒子と環境要因

風化による変化は、土粒子の生成と変化の主要なプロセスです。風化とは、岩石や鉱物が、大気、水、生物などの影響を受けて、物理的または化学的に変化することを指します。物理的風化は、温度変化、凍結と融解、植物の根の成長などによって、岩石が物理的に小さく砕かれる過程です。これにより、大きな岩石から礫や砂などの土粒子が生成されます。化学的風化は、水や酸素、二酸化炭素などとの化学反応によって、鉱物の組成や構造が変化する過程です。例えば、長石は水と反応して粘土鉱物に変化することがあります。風化の進行度合いは気候条件に大きく左右されます。高温多湿の熱帯地域では化学的風化が促進され、粘土質の土が多く生成されます。一方、乾燥地域や寒冷地域では物理的風化が主となり、砂や礫が多く残ります。風化は非常に長い時間をかけて進行するプロセスですが、地球上の様々な場所に多様な土を生み出す重要な要因となっています。

生物活動の影響も土粒子に大きな変化をもたらします。植物の根は土の中に伸びていく過程で、物理的に土を押し広げたり、根から分泌される有機酸によって化学的に土粒子を変化させたりします。また、根が死んで分解されると、土の中に有機物が蓄積されます。微生物（細菌や菌類）も土粒子に大きな影響を与えます。微生物は有機物を分解して無機化する過程で、二酸化炭素や有機酸などを放出し、これらが土粒子と反応して変化させることがあります。また、一部の微生物は直接鉱物を溶かしたり、新たな鉱物を生成したりする能力を持っています。土壌動物（ミミズやダニ、トビムシなど）は、土を食べたり掘り返したりする活動を通じて、土粒子を混合させたり、粉砕したりします。特にミミズは、土を消化管の中に取り込んで有機物を消化し、その後排出するという活動を通じて、土粒子の表面に粘土やフムス（有機物）をコーティングする効果があります。これらの生物活動は土の構造や肥沃度に大きな影響を与えます。

汚染物質との相互作用も、土粒子の重要な特性です。土粒子、特に粘土粒子や有機物は、様々な汚染物質を吸着する能力を持っています。例えば、重金属（鉛、カドミウム、水銀など）は、粘土粒子の表面に吸着されたり、有機物と結合したりします。これにより、汚染物質の移動が遅くなったり、生物に対する毒性が低減したりすることがあります。一方で、一度吸着された汚染物質は長期間にわたって土中に残存し、条件が変わると再び放出されることもあります。農薬や石油製品などの有機汚染物質も、土粒子との相互作用を示します。これらは土の有機物部分に吸着されることが多く、分解速度は土の種類、温度、湿度、微生物活性などによって大きく異なります。また、土粒子の特性によって、汚染物質の生物への利用可能性（バイオアベイラビリティ）も変わります。強く吸着された汚染物質は、生物がそれを取り込みにくくなるため、毒性が低下することがあります。これらの特性を理解することは、汚染土壌の評価や浄化方法の選定において重要です。

土粒子の調査・試験方法

粒度試験は、土の中の様々な大きさの粒子の分布（粒度分布）を調べる試験です。主に、ふるい分析と沈降分析の二つの方法があります。ふるい分析は、様々な大きさの目（孔）を持つふるいを使って、土を粒子の大きさごとに分ける方法です。土をふるいに通し、各ふるいに残った土の重量を測定することで、粒子の大きさごとの割合を求めます。これは主に礫や砂など、比較的大きな粒子の分析に使われます。沈降分析は、水中での粒子の沈降速度が粒子の大きさに依存するという原理を利用した方法です。土を水に分散させ、時間とともに沈降していく粒子の量を測定することで、シルトや粘土など、小さな粒子の分布を分析します。粒度分布の結果は、粒径加積曲線と呼ばれるグラフで表されることが多く、このグラフから均等係数や曲率係数などの指標を求めることができます。これらの指標は、土の工学的特性を予測するのに役立ちます。

密度試験は、土粒子の密度（土粒子密度）を測定する試験です。最も一般的な方法は比重瓶法で、既知の体積と重量を持つ比重瓶を使用します。まず、乾燥させた土の重量を測定します。次に、土と水を比重瓶に入れ、全ての空気を除去した後の重量を測定します。また、同じ比重瓶に水だけを入れた場合の重量も測定します。これらの測定値から、土粒子の体積と重量を計算し、密度（重量÷体積）を求めます。土粒子密度は、土の種類によって異なりますが、一般的には2.6〜2.8g/cm³程度です。この値は、土の空隙比や飽和度の計算、土の分類、土の工学的特性の予測などに使用されます。また、有機物を多く含む土（例えば、泥炭）は、土粒子密度が低くなる（2.0g/cm³程度）ことがあります。これは、有機物の密度が鉱物質よりも低いためです。このため、土粒子密度は土中の有機物含有量の指標としても使われることがあります。

• 顕微鏡観察による土粒子の調査方法