路面検査技術の応用と我が国の道路工事技術の発展傾向

ここ数年来、交通インフラ建設への投資が増大するにつれて、我が国の道路開通距離は年々急速に増加している。2006年末現在、全国の道路の開通総距離は345万キロに達し、そのうち高速道路は4,53万キロに達した。将来的には、我が国の道路建設の急速な発展に対応して、良好な道路使用性能を維持するために、大量の既存の路面を補修改造する必要があることが予想される。路面性能測定は道路建設と管理における重要性、基礎的な技術であり、それは工事品質の測定と制御にとって極めて重要であるだけでなく、道路網の養護政策決定の科学性を決定し、養護資金の分配の合理性に直接影響を与える。
我が国の関連規範に基づき、旧路面検査の主要指標は曲げ沈み、平坦度、摩擦係数、破損状況などを含む。また、実際のプロジェクトの需要に応じて轍、厚さ、末端の完全性などの指標を加えることができる。伝統的な検査手段は主に以下を含む：（1）ベックマンビーム曲げ沈殿計、百分計を採用し、標準軸搭載黄河車と協力し、レバー原理を利用してロードメーターの弾性曲げ沈殿を試験する、（2）3メートルの直尺を用いて、路面の縦方向平坦度、横断面の轍状況をテストする、（3）振り子式摩擦係数計を用いて、人工的に路面摩擦係数を1点ずつテストする、（4）コア取機を用いて、コアサンプルをドリルして路面の厚さをテストし、コアサンプルの完全性を判断する、（5）人工的な破損調査を用いて、路面の破損状況を調べる。これらの早期試験方法は時間と労力がかかり、交通に影響を与えるだけでなく、路面構造を破壊しなければならないものもあり、データ精度も確実に保証されにくいため、すでに新型検査設備に取って代わられている。次に、現在多く応用されているいくつかの新型検査技術を重点的に紹介する。

路面座屈検出
曲げ沈みは路面検出の重要な指標として、その検出と分析技術の発展は非常に迅速である。1 953年にベックマン（BenkeIman）が梁式曲げ沈み計を発明して以来、路面曲げ沈み検出装置は静力曲げ沈み計、定常動力曲げ沈み計からパルス式動力曲げ沈み計に発展し、単点大曲げ沈み検出から路面曲げ沈み鉢の検出に発展し、柔軟性路面の意味での曲げ沈み概念に限定し、剛性路面の構造評価と設計分析に発展し、路面構造性能の評価も路面全体の強度評価から路面各層の剛性の逆分析に発展した。
ベックマンビーム法を用いた路面反発曲げ沈み値の測定は操作が簡便で、応用が広いが、試験は人工操作であり、試験結果は人為的要素の影響が大きく、速度測定が遅い。自動曲げ沈み計の基本的な動作原理はベックマンビームの原理と同じで、いずれも簡単なレバー原理を採用し、測定車は測定区間を一定速度で走行し、試験車の前に取り付けられ、後軸間のシャーシの下に取り付けられた曲げ沈み測定ビームを車両シャーシの前端に置き、地面に支えられて動かないままにし、後軸の2車輪隙間が測定ヘッドを通過すると、曲げ沈みは変位センサなどの装置を通じて自動的に記録され、この時、測定ビームは牽引され、2倍の自動車速度で次の測定点に引きずられ、繰り返して前に連続して測定され、一般的な試験速度は1.5 km／h−4 0 km／h
ドロップハンマー式曲げ沈み計（FWD）はパルス式動力曲げ沈み計の典型的な代表であり、その技術特徴は主に：速度測定が速く、精度が高く、そして実際の走行荷重が路面に対する動力作用をよくシミュレーションし、すでに多くの国に路面検出と評価に広く応用されている。その主な原理は以下の通りである：コンピュータ制御下の油圧システムを通じて1重錘を引き上げて解放して、それによって路面にパルス荷重を加えて、荷重の大きさは錘の重さと高さを変えることによって調整して、そして剛性円盤を通じて路面に作用する。路面の曲げ沈みは5〜9個のセンサで測定し、これにより曲げ沈み鉢の形状をより正確に反映することができ、路面弾性率逆算に基礎を提供する。弾性率があれば、路面構造の応力、歪み状況をさらに分析し、荷重能力を評価することができる。1980年代以降、FWDは広く利用され、現在までに50以上の国と地域で導入されている。米連邦道路局は比較分析を経て、FWDがより理想的な路面積載能力評定設備であることを確認し、SHRP計画における路面積載能力評定部分を実施する重要な設備に選ばれた。
現在、国内外でFWDを中心に展開されている主な研究は、安定で信頼性の高い弾性率反転技術である。FWDトラップデータの分析により、路面の各構造層の動的弾性率を反転し、さらに担持シリコン力を判別する。国内外のこの技術に対する注目点は路面力学特性シミュレーション、弾性率逆分析の信頼性、反転結果の検証などである。また、FWDは旧セメントコンクリート路面板体の脱空判定、継ぎ目荷重伝達能力判定、路盤施工過程における動態監視、路盤衝撃圧密効果評価など多方面に使用でき、応用は日増しに広くなっている。
FWDを除いて、デンマーク、米国などが開発を予定している次世代曲げ沈み計RWD（ローラー式曲げ沈み計）は研究段階にあり、高周波レーザースキャンを採用し、走行中に車が道路メーターで発生した曲げ沈みを連続的に記録することができ、その利点は路面の実際の力状態を記録し、速度測定がFWDよりはるかに大きいため、交通への影響が小さく、理想的な曲げ沈み検出装置である。

路面平坦度検出
路面平坦度は路面評価及び路面施工品質検収における重要な指標であり、主に路面縦断面曲線の平坦性を反映している。路面縦断面曲線が相対的に平滑である場合、路面が相対的に平坦であり、走行快適性が良いことを示し、反対に平坦度が相対的に悪いことを示す。路面平坦度の検出は意思決定者に重要な情報を提供し、意思決定者が路面のメンテナンスのために最適な意思決定を行うことができるようにする。一方、路面平坦度の検出は路面施工品質の情報を正確に提供し、路面施工に品質評価の客観的な指標を提供することができる。
1970年代において、平坦度測定は主に水平計、3メートル直尺などであり、精度が低く、速度が遅い。90年代以降、平坦度検出手段は徐々に向上し、連続式平坦度計、揺れ累積計、レーザー断面計などの新型検出装置が現れた。
現在、路面平坦度試験設備は主に断面類と反応類の2種類に分けられる。断面類は実際に路面表面の凹凸を測定する場合であり、例えば連続式平坦度計、レーザー断面計などである。反応類は運転手と乗客が直接感じる平坦度指標であるため、実際には揺れ累積計などの快適性能指標であり、その原理はテスト車が一定の速度で路面を走行することであり、路面の平坦さが自動車の加振を引き起こすため、機械センサを通じて後軸と車両間の一方向変位累積値VBIを測定し、VBI値が大きいほど走行は快適ではない。VBlは標準的な平坦度指標ではないため、定格試験を通じて断面類設備の平坦度指数IRI値との変換関係を確立して定格変換する必要がある。
全体的に言えば、断面類設備は現在国内外の平坦度検査発展の主なliuchan品である。初期の製品は連続式平坦度計であり、その検出原理は簡単であり、間隔が3メートルの前後輪を支点として平衡梁を架け、変位センサから平衡梁の中点から路面までの垂直距離の変化量を検出し、それから平坦度標準差に換算した。連続式平坦度計はテスト速度が遅いため、通常の測定速度は5 km/h前後で、主に工事中の検査に用いられる。
レーザー断面計は現在応用の多い断面類試験設備であり、正常速度測定は80 km/h前後であり、試験速度が速く、精度が高い特徴があり、平坦度などの指標の試験に用いることができ、その基本原理はレーザーセンサーを利用して車体から路面までの距離を測定し、同時に加速度計を利用して車体自身の垂直変位を測定し、それによって路面縦断面の断面を得て、それからこの断面を利用して平坦度指数をリアルタイムに計算する。レーザー断面計をめぐる研究は主に試験の再現性、再現性である。欧州と米国では大規模な再現性と再現性の研究が行われており、使用されている主流デバイス間に相関関係が構築されている。現在、我が国で使用されているレーザー断面計には多くのブランドがあり、これらの設備はすでに大量に使用され始めているが、システムの再現性研究はまだ行われていないため、異なる設備間のデータの比較性については考察が必要である。

路面轍検出
轍とは道路の縦方向に沿って車両の集中位置に路面に発生する帯状溝を指し、交通量の増加、車両の水路化交通、持続的な高温などの要素の総合的な影響により、轍はすでに我が国のアスファルト路面の早期破壊によく見られる路面病害の一種となっている。轍は走行安全に重大な影響を与え、特に雨上がりには車両の横滑りを引き起こしやすく交通事を引き起こす
したがって、この指標の検出はすでに人々の注目を集めている。
初期の轍試験は主に3 m直尺法を採用し、利点はコストが低く、直感的に便利で、欠点は速度が遅く、効率が低く、交通に影響を与えることである。コンピュータ技術、超音波技術、レーザー技術の急速な発展に伴い、超音波轍試験器、レーザー断面器などの新型轍試験設備が出現した。その中で、超音波轍テスターは一般的に30個ぐらいの超音波センサーから構成され、センサー間の間隔は約100 mm、テスト幅は約3 mである。道路メーターからの距離を測定して路面横断面を描き、直尺分析によって路面大轍深さを確定し、その利点は価格が低く、横方向に沿って密布でき、断面連続性が良いことである。欠点は、単一のセンサの精度がレーザーセンサより低く、外界の影響が大きく、垂直にしか下向きにできないことである。レーザ断面計は平坦度をテストするほか、轍をテストすることができ、すなわち横方向に分布する5個〜9個のレーザセンサによって路面からの高さをテストし、いくつかの測点高距離によって路面横断面をシミュレーションすることによって轍を迅速に計算することができる。
ここ数年来、2つの断面レーザースキャナーを含み、m範囲内で1 280点のデータを収集することができ、サンプリング率は25断面／秒であり、工事応用上で路面轍の実際の状況をよりリアルに反映することができる試料機が開発され、登場した。システムは温度、湿度、路面の色と平坦度の影響を受けず、雨の日もテストできる。また、レーザー轍走査試験システムは高い再現性と精度を有し、試験高さの精度は±1 mmであり、このような製品は将来の発展傾向になると予想される。

路面摩擦係数検出
路面の滑り止め性能は路面の使用性能の重要な構成部分であり、道路走行の安全性に直接影響を与える。路面の滑り止め性能は縦方向と横方向の2つの方面を含み、縦方向の滑り止め性能は車両のブレーキ時の滑り距離を決定し、追突交通事故の発生を避けるために直接的な決定作用がある、横方向の滑り止め性能は車両の方向制御能力を決定し、車両のカーブ走行の安全性に重要である。近年、安全意識の高まりに伴い、路面の滑り止め性能が一般的に重視され始めている。しかし、現段階で我が国で規範化されて常用されている振り子式摩擦係数計は摩擦係数試験に応用する際に不足点があり、主に道路交通に影響を与え、試験速度が遅く、効率が低く、操作者に安全上の危険性があるなどが現れている。
このような現状に対して、自動化摩擦係数測定装置はここ数年、英国、スウェーデンなどの国から徐々にわが国に導入されてきた。試験方法によって、このような設備は3種類に分けることができます。横力係数試験器、ブレーキ式摩擦係数試験器、非*ブレーキ式摩擦係数試験器など。
横力係数測定器は我が国で広く応用されており、海外からの導入価格が高いため、1990年代半ばに国産化を実現した。この設備の基本原理は試験輪と走行方向が一定の角度をなし、横力と試験輪の路面荷重に対する比値は横力係数であり、車両が路面を横滑りする危険性を反映し、正常速度測定は約50 km／hであり、ブレーキ式摩擦係数測定器は走行中、間隔ごとの距離は自動的に試験輪にブレーキをかけ、ブレーキ期間は試験輪が路面を滑る。センサーに記録された
力は、制動力係数を計算することができます。この設備は米国で滑り止め能力試験標準設備の一つであり、試験速度は110 km／hに達することができる。不*ブレーキ式摩擦係数テスタのテストホイールと走行ホイールの間は、不等径の同軸歯車とチェーンで接続されており、テストホイールの転動線速度が走行ホイールの転動線速度よりも小さくなるようになっている。正常試験時にはローラーベルトが滑る運動状態を呈し、力センサに記録されたデータに基づいて路面摩擦係数を計算することができる。この設備の路面での試験速度は50 km/h程度で、ヨーロッパでの応用が多く、現行の規範で規定された採集設備ではないため、摩擦係数試験を行う際にはサイクロンや横力係数試験器との比較試験を行い、両者の関係を確立する必要がある。
現在、路面の滑り止め能力試験には主にサイクロイドを採用しており、横力係数計はすでにかなりのユーザーを持ち始めており、ブレーキ式とノーブレーキ式摩擦係数試験器は現在少数のユーザーしかいない。安全性と精度の面での優位性から、自動化摩擦係数計は我が国で主流になることが予想される。

ロードメーター破損状況調査
道路メーターの破損状況は往々にして道路使用者の路面工事及びメンテナンス品質に対する直観的な感覚であり、そのため、我が国の各級道路部門は路面の破損状況に対してずっと重視している。現在、この指標は主に人工採集に依存しており、主観性が大きく、効率が低いほか、大きな安全上の危険性がある。このような状況に対して、国内の一部の単位は近年、路表破損試験システムを導入し、その基本原理は撮像システムを通じて路表画像を連続的に収集し、その後、後処理ソフトウェアの自動処理と人工判読を結合して識別し、路表破損を分類し統計することである。道路メーター破損試験システムは2作の効率を大幅に向上させ、人工破損調査の危険性を回避し、我が国の道路建設の急速な発展に伴い、必ず広く応用される設備となる。
現在、道路メーターの破損テストシステムは主に米国、カナダなどいくつかの国の製品があり、輸入設備の価格が高いため、国内にも少数の機関が自主研究開発を行い、早期の製品が投入されている。このような製品の調査によると、（1）現在の設備は主に亀裂類病害を識別でき、抱包、沈下などの三次元病害に対してまだ正確に識別できない、（2）後処理の仕事量が比較的に大きく、このような製品は破損の自動認識を実現できず、誤審、漏れ判定率が比較的に高く、例えば距離汚染をピット溝などと判別しやすいため、人工的に後期に図を追って判読する必要があり、処理時間が長すぎる：（3）人為及び天気要素は試験結果の正確性に一定の影響を与え、例えば異なる天気状況下で識別の効果はすべて異なる。この問題に対して、各設備業者は改善を加えており、重点は表面破損の自動識別、分類、誤審、漏れ判定率を減少し、路面破損率などの指標を自動的に出力することである。

路面厚さ、完全性検査
現在、我が国の道路路面の厚さ試験は主に芯取り法を用いて測定し、同時に人工観察を通じて末端の完全性状況を判定した。電磁波技術の発展に伴い、路面レーダはすでに国内外で使用を試み始めており、この技術は過渡電磁場理論、時間領域測定技術、ナノ秒パルス源技術、超広帯域アンテナ技術と信号処理技術などの多学科を結合しており、主な原理は路面構造層における電磁波の伝播と反射を利用して、エコー時間、波幅と波形に基づいて、厚さを確定するとともに、基層が緩んだ後の誘電率の変化を通じて、基層の弛み率を判定し、それによって基層の完全性状況を理解する。この過程で、重点的に路面誘電体の誘電体特性を分析研究することであり、レーダーが受信した反射波は誘電体誘電体特性の関数であり、路面レーダー画像データの解釈、判読、反転はすべて誘電体誘電体性能の分析に依存しているため、誘電体特性の深い分析は現在のレーダー技術応用の重要な技術点である。
路面レーダーの工事への応用は始まったばかりで、現在国内には約20台ほどあり、これらの設備のブランドは異なり、主に米国と欧州で生産されているが、試験原理は基本的に同じで、試験周波数が高いほど精度が高く、探査深度が浅い。路面レーダーはすでに路面の非破壊検査技術の重要な構成部分となり、路面構造層の厚さ、圧縮度、基層の状況、含水量、アスファルト含有量などの検査技術の発展方向を代表している。
現在、アスファルトコンクリートの表面層の厚さ測定における路面レーダーの精度は約3%であり、セメントコンクリート板体の脱空判定などの構造層完全性、末端層の緩み判定などの面での研究はさらに深化する必要がある。路面の他の重要な性能指標、例えば圧密度、空隙率、含水量、アスファルト含有量などの研究もまだ探索段階にあり、まだ工事中に広く応用されていない。また、実際の状況は客観的な判定が困難であることが多いため、異なる検出方法を用いて相互に実証することができ、例えばドロップハンマー式曲げ沈殿計と道路用レーダーを用いてプレートの脱空状況、基層の積載能力の状況を共同で探査し、それによって路面構造層に存在する隠れた危険を適時に発見し、道路の内在品質と使用寿命を把握し、道路のメンテナンスを指導する。
路面レーダーの応用は、レーダーアンテナ自体の精度のほか、後処理ソフトウェアも非常に重要であり、装置は検出の手段を提供し、ソフトウェアは応用の広さと深さを決定し、国内ユーザーの十分な重視を引き起こすべきであると言える。各レーダーメーカーには付属の後処理ソフトウェアがあり、他にも専門性研究所が開発したより専門的な後処理ソフトウェアがあり、特に米国とフィンランドの研究が深い。
将来の路面レーダー技術の普及応用の速度は、主に実用ソフトウェアの開発速度と深さに依存すると考えられる。

全体的に言えば、新型検査設備はここ数年来絶えず出現し、私たちにより豊富な情報を提供してくれたので、どのように自動化検査技術を利用して路面の使用性能を評価し、合理的な修理方案を提出するかは、次の段階の検査設備のユーザーの関心の焦点となるだろう。
路面検出技術の全体的な傾向は、人工検出から自動検出技術へ、破損類検出から非破壊検出技術へ、低速度、低精度から高速度、高精度へと発展している。近年、自動化路面の非破壊検査設備が増えていることに対応して、自動化検査設備をめぐる研究も深さで向上するだろう。総合的に言えば、路面検査技術の我が国での発展方向は以下の通りである。（1）先進的な無傷試験設備のユーザーがますます増え、そして徐々に国内組立と国産化を実現する、（2）試験技術をめぐる研究は徐々に深化し、特に技術を評価し、関連する実用ソフトウェアの市場化を通じて普及する。（3）多種の非破壊検査設備のテスト結果を利用して路面状況を総合的に評価し、メンテナンス技術のルート決定を行う、（4）各種検査データは直接路面管理システムを導入し、情報化管理を実現する。