(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
道床バラストと混合して道床を構成する人工バラストであって、
複数の平滑な平面部を全面に有する多面体形状であり、
前記道床バラストと略同一の大きさのアルミニウム合金製、熱硬化性樹脂製又はジオポリマーコンクリート製のブロック体であり、
前記道床バラストの角部が前記平面部と接触した状態で、この平面部を滑りながらこの道床バラストが往復運動することによって、列車通過時に発生する衝撃荷重を吸収すること、
を特徴とする人工バラスト。
【請求項２】
請求項１に記載の人工バラストにおいて、
６つの四角形の平滑な平面部を有する六面体形状であること、
を特徴とする人工バラスト。
【請求項３】
請求項１に記載の人工バラストにおいて、
２つの略平行な三角形の平滑な底面部と３つの四角形の平滑な側面部とを有する三角柱形状であること、
を特徴とする人工バラスト。
【請求項４】
バラスト層によって支持体を支持する道床であって、
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の人工バラストと道床バラストとが混合された混合層を備えること、
を特徴とする道床。
【請求項５】
請求項４に記載の道床において、
前記混合層は、前記支持体がまくらぎであるときに、このまくらぎの下面から深さが100〜200mmの範囲内であること、
を特徴とする道床。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の道床において、
前記混合層は、前記支持体がまくらぎであるときに、このまくらぎ１本当たりの前記人工バラストの混合量が80〜120個であること、
を特徴とする道床。
【請求項７】
請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の道床において、
前記支持体は、前記バラスト層に作用する衝撃を緩和する緩衝部材を底面に備える弾性まくらぎであること、
を特徴とする道床。
【請求項８】
バラスト層によって支持体を支持する道床を改良する道床の改良工法であって、
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の人工バラストと道床バラストとが混合された混合層を形成する混合層形成工程を含むこと、
を特徴とする道床の改良工法。
【請求項９】
請求項８に記載の道床の改良工法において、
前記混合層形成工程は、前記支持体がまくらぎであるときに、このまくらぎの下面から深さが100〜200mmまでの範囲内に前記混合層を形成する工程を含むこと、
を特徴とする道床の改良工法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の道床の改良工法において、
前記混合層形成工程は、前記支持体がまくらぎであるときに、このまくらぎ１本当たりの前記人工バラストの混合量が80〜120個になるように前記混合層を形成する工程を含むこと、
を特徴とする道床の改良工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、道床バラストと混合して道床を構成する人工バラスト、及びバラスト層によって支持体を支持する道床とその改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の人工バラストは、外壁面の少なくとも一つの面が平面であり、この平面が細かな凹凸を有するセメントコンクリート製の構造体である（例えば、特許文献１参照）。このような従来の人工バラストは、砕石とともに混合して道床を形成し、この道床を突き固めたり転圧したりすることによって締固められたときに、砕石の稜線の角部と凹凸を有する平面との相関関係によって道床の沈下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2009-052320号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バラスト層の劣化防止対策工に関しては、弾性まくらぎをはじめ各種開発されているが、その効果が明らかなものは殆どない。また、現状では、列車通過時の衝撃荷重に低減効果が確認されたものは皆無である。鉄道のバラスト軌道においては、列車通過時の衝撃荷重を受けて砕石が摩耗劣化し、ひいては砕石が回転・移動して、軌道面に不整が発生する。この維持のために、鉄道事業者は夜間の人海戦術にて補修作業を行っているが、現状では決定的な効果が確認できた対策工はない。
【０００５】
この発明の課題は、列車通過時の衝撃荷重を低減することができる人工バラスト及び道床とその改良工法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１〜図３及び図８〜図１０に示すように、道床バラスト（１０）と混合して道床（９）を構成する人工バラストであって、複数の平滑な平面部（１１ｃ；１１ｄ，１１ｅ）を全面に有する多面体形状であり、前記道床バラストと略同一の大きさのアルミニウム合金製、熱硬化性樹脂製又はジオポリマーコンクリート製のブロック体であり、前記道床バラストの角部が前記平面部と接触した状態で、この平面部を滑りながらこの道床バラストが往復運動することによって、列車通過時に発生する衝撃荷重を吸収することを特徴とする人工バラスト（１１）である。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の人工バラストにおいて、図３に示すように、６つの四角形の平滑な平面部（１１ｃ）を有する六面体形状であることを特徴とする人工バラストである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１に記載の人工バラストにおいて、図８に示すように、２つの略平行な三角形の平滑な底面部（１１ｄ）と３つの四角形の平滑な側面部（１１ｅ）とを有する三角柱形状であることを特徴とする人工バラストである。
【０００９】
請求項４の発明は、図１、図２、図９及び図１０に示すように、バラスト層によって支持体（７）を支持する道床であって、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の人工バラスト（１１）と道床バラスト（１０）とが混合された混合層（１２）を備えることを特徴とする道床（９）である。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項４に記載の道床において、前記混合層は、前記支持体がまくらぎであるときに、このまくらぎの下面から深さ（Ｄ）が100〜200mmの範囲内であることを特徴とする道床である。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項４又は請求項５に記載の道床において、前記混合層は、前記支持体がまくらぎであるときに、このまくらぎ１本当たりの前記人工バラストの混合量が80〜120個であることを特徴とする道床である。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の道床において、図９及び図１０に示すように、前記支持体は、前記バラスト層に作用する衝撃を緩和する緩衝部材（７ａ）を底面に備える弾性まくらぎであることを特徴とする道床である。
【００１３】
請求項８の発明は、図４〜図７に示すように、バラスト層によって支持体（７）を支持する道床（９）を改良する道床の改良工法であって、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の人工バラスト（１１）と道床バラスト（１０）とが混合された混合層（１２）を形成する混合層形成工程（＃１２０；＃１４０）を含むことを特徴とする道床の改良工法（＃１００）である。
【００１４】
請求項９の発明は、請求項８に記載の道床の改良工法において、前記混合層形成工程は、前記支持体がまくらぎであるときに、このまくらぎの下面から深さ（Ｄ）が100〜200mmまでの範囲内に前記混合層を形成する工程を含むことを特徴としている道床の改良工法である。
【００１５】
請求項１０の発明は、請求項８又は請求項９に記載の道床の改良工法において、前記混合層形成工程は、前記支持体がまくらぎであるときに、このまくらぎ１本当たりの前記人工バラストの混合量が80〜120個になるように前記混合層を形成する工程を含むことを特徴とする道床の改良工法である。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によると、列車通過時の衝撃荷重を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の第１実施形態に係る人工バラストを備える軌道を概略的に示す正面図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係る人工バラストを備える軌道を概略的に示す側面図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る人工バラストを概略的に示す外観図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は正面図であり、（Ｄ）は側面図であり、（Ｅ）は底面図である。
【図４】この発明の第１実施形態に係る道床の改良工法における道床更新時の工程図である。
【図５】この発明の第１実施形態に係る道床の改良工法の道床更新時の作業を説明するための模式図であり、（Ａ）は掘削工程を示す模式図であり、（Ｂ）は混合層形成工程を示す模式図であり、（Ｃ）は道床整理工程を示す模式図である。
【図６】この発明の第１実施形態に係る道床の改良工法における道床新設時の工程図である。
【図７】この発明の第１実施形態に係る道床の改良工法の道床新設時の作業を説明するための模式図であり、（Ａ）は混合層形成工程を示す模式図であり、（Ｂ）は軌きょう敷設工程を示す模式図であり、（Ｃ）は道床整理工程を示す模式図である。
【図８】この発明の第２実施形態に係る人工バラストを概略的に示す外観図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は正面図であり、（Ｄ）は側面図であり、（Ｅ）は底面図である。
【図９】この発明の第３実施形態に係る人工バラストを備える軌道を概略的に示す正面図である。
【図１０】この発明の第３実施形態に係る人工バラストを備える軌道を概略的に示す側面図である。
【図１１】重錘落下衝撃載荷実験を概略的に示す斜視図である。
【図１２】重錘落下衝撃載荷実験を概略的に示す平面図である。
【図１３】図１３のXIII-XIII線で切断した状態を概略的に示す断面図である。
【図１４】重錘落下衝撃載荷実験を概略的に示す縦断面図である。
【図１５】重錘落下衝撃載荷実験によるバラスト層に作用する加速度スペクトルを示すグラフである。
【図１６】重錘落下衝撃載荷実験による沈下量の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１に示す列車１は、軌道５上を運転させる目的で組成された移動体である。列車１は、旅客を輸送するための旅客列車、貨物を輸送するための貨物列車、又は旅客列車と貨物列車とを併結して運転する混合列車などである。列車１は、１両又は複数両の車両１Ａによって編成されている。車両１Ａは、軌道５上を走行する鉄道車両である。車両１Ａは、電車、気動車、機関車、客車又は貨車などである。車両１Ａは、車体２と車輪３などを備えている。
【００２１】
車体２は、乗客又は貨物を積載し輸送するための構造物である。車輪３は、左右一対のレール６とそれぞれ回転接触する部材である。車輪３は、図１に示すように、レール頭部の頭頂面と接触して摩擦抵抗を受ける踏面と、脱輪を防止するために車輪３の外周部に連続して形成されたフランジ面などを備えている。
【００２２】
路盤４は、軌道５を支持する基盤であり、軌道５上を列車１が通過するときの荷重を支持する構造物である。路盤４は、例えば、噴泥や凍上し難い良質な自然土若しくはクラッシャランを用いて十分に締め固めた砕石路盤（土路盤）、アスファルト混合物からなる上部路盤と砕石からなる下部路盤とから構成されたアスファルト路盤（強化路盤）、又は鉄筋コンクリート版及び粒度調整砕石によって構成されたコンクリート路盤などである。
【００２３】
軌道５は、列車１が走行する通路（線路）である。軌道５は、レール６と、まくらぎ７と、レール締結装置８と、道床９などを備えている。図１及び図２に示す軌道５は、鉄道線路に敷設される一般的な軌道構造であり、主としてレール６、まくらぎ７、道床バラスト１０及び人工バラスト１１によって構成されているバラスト軌道である。
【００２４】
レール６は、列車１の車輪３を支持し案内してこの列車１を走行させる部材である。レール６は、図１に示すように、列車１の車輪３と接触するレール頭部と、まくらぎ７に取り付けられるレール底部（フランジ部）と、レール頭部とレール底部とを繋ぐレール腹部（ウェブ部）などを備えている。
【００２５】
図１及び図２に示すまくらぎ７は、レール６を支持する支持体（支承体）である。まくらぎ７は、左右のレール６の間隔（軌間）を正確に保持するとともに、レール６から伝達される列車荷重を道床９に分散させるために、レール６と道床９との間に設置されている。まくらぎ７は、軌道５の一部を構成する軌道構成部材である。図１及び図２に示すまくらぎ７は、レール６に対して直角に並べて敷設される横まくらぎ（一般区間で使用される並まくらぎ）である。まくらぎ７は、例えば、緊張材として使用される鋼材（Prestressing Steel(PC))によってプレストレスが与えられたプレストレスコンクリート製まくらぎ（PCまくらぎ）である。まくらぎ７は、図２に示すように、レール６の長さ方向に所定の間隔をあけて配置されており、レール６を離散的に支持している。まくらぎ７は、在来線用の場合には長さが2100mm、幅が200mm、厚さが140mmであり、新幹線用の場合には長さが2600mm、幅が240mm又は350mm、厚さが150mmである。
【００２６】
図１及び図２に示すレール締結装置８は、レール６をまくらぎ７に締結する装置である。レール締結装置８は、レール６とまくらぎ７との間に挿入されて車両走行時に発生する衝撃を緩和する軌道パッドと、レール６の底部上面を押さえ付けてまくらぎ７に締結する締結ばねなどを備えている。図１及び図２に示すレール締結装置８は、例えば、締結ばねにばねクリップを使用してこのばねクリップの弾性力によってレール６の底部を押圧して、このレール６をまくらぎ７に締結する線ばね式レール締結装置である。
【００２７】
道床９は、バラスト層によってまくらぎ７を支持する構造体である。道床９は、道床バラスト１０及び人工バラスト１１を積層したバラスト層によって構成されたバラスト道床であり、路盤４に荷重を分散し伝達する。道床９は、まくらぎ７の下面から路盤面までの距離である道床厚が在来線の場合には線路等級に応じて150〜250mm以上であり、新幹線の場合には一般区間(土路盤区間)で300mm以上である。
【００２８】
道床バラスト１０は、まくらぎ７と路盤４との間に敷き詰められる砕石などの粒状体である。道床バラスト１０は、例えば、花こう岩、けい岩、玄武岩又は安山岩などの硬い岩石を砕石機によって15〜70mm程度の大きさに破砕した石である。道床バラスト１０は、比重が2.5〜3.0g/cm3であり、粒度が19.1〜63.5mmである。
【００２９】
図１及び図２に示す人工バラスト１１は、道床バラスト１０と混合して道床９を構成する部材である。人工バラスト１１は、図３に示すように、複数の平滑な平面部１１ｃを有する多面体形状であり、４つ以上の平面によって囲まれた立体である。図４に示す人工バラスト１１は、６つの四角形の平滑な平面部１１ｃを有する六面体形状である。人工バラスト１１は、複数の頂点部１１ａと、この頂点部１１ａを結ぶ直線の辺部（稜線部）１１ｂと、この辺部１１ｂによって囲まれた平面部１１ｃとを備えている。人工バラスト１１は、例えば、全ての平面が長方形（矩形）によって構成された直方体（六面体）、又は全ての平面が正方形によって構成された立方体（正六面体）などの多面体である。人工バラスト１１は、道床バラスト１０と略同一の大きさであり、道床バラスト１０の粒度範囲内になるように辺部１１ｂの長さが19.1〜63.5mmであり、列車通過時の衝撃荷重低減効果の観点から50〜60mmが特に好ましい。人工バラスト１１は、比重が2.5〜3.0g/cm3であり、道床バラスト１０と略同一の比重である。人工バラスト１１は、道床バラスト１０の角部が平面部１１ｃと接触した状態でこの人工バラスト１１間を滑りながら道床バラスト１０が往復運動して、列車通過時に発生する衝撃荷重を吸収するように、ある程度の硬度を有し平面部１１ｃが平滑状態を維持可能な部材であることがこのましい。人工バラスト１１は、金属製、合成樹脂製又はジオポリマーコンクリート製のブロック体である。人工バラスト１１は、例えば、金属製の場合にはアルミニウム合金の一種であるジュラルミン、合成樹脂製の場合には熱硬化性樹脂の一種であるエポキシ樹脂、ジオポリマーコンクリート製の場合にはローマンコンクリートの一種であり、石炭灰（フライアッシュ）、高炉スラグ微粉末、シリカフューム、水ガラス(ケイ酸アルカリ溶液)及び必要に応じて骨材を混合して縮重合させた硬化物が好ましい。人工バラスト１１は、例えば、機械加工の場合には断面形状が四角形の金属製又は合成樹脂製の柱状部材又は棒状部材を所定長さに切断することによってブロック体に形成され、成型加工の場合には金属、合成樹脂又はジオポリマーコンクリートを多面体形状の型内に流し込むことによってブロック体に形成される。
【００３０】
図１及び図２に示す混合層１２は、道床バラスト１０と人工バラスト１１とが混合された層である。混合層１２は、道床バラスト１０と人工バラスト１１とが乱雑（ランダム）に混入されて形成されている。混合層１２は、列車１の通過時の衝撃荷重のうち低周波領域の変位挙動成分を減衰させて低減しバラスト層の劣化を防止する。混合層１２は、まくらぎ７の下方に所定の深さでこのまくらぎ７と略同じ長さ及び幅で形成されている。
【００３１】
混合層１２は、まくらぎ７から道床９に伝わる衝撃荷重の大きさがまくらぎ７に近いほど大きくなるため、できるだけまくらぎ７に近い位置に施工するほうが有利である。しかし、混合層１２は、まくらぎ７の下面の直近位置に構築すると施工性が劣る上に、施工後の軌道整備における高さの調整が若干困難になる。このため、混合層１２は、まくらぎ７の下面よりも深さＤ≧100mmに形成することが好ましい。また、混合層１２は、まくらぎ７の下面との間の道床バラスト１０が施工後に摩耗が進むと同時に、道床バラスト１０が人工バラスト１１の間に密に挟まって、接触構造が安定化する段階で大きな初期沈下を発生する。このため、混合層１２は、この初期沈下量を見込むと、まくらぎ７の下面から深さＤ=100〜200mmの範囲内であることが好ましい。
【００３２】
混合層１２は、まくらぎ７の１本当たりの人工バラスト１１の混合量が80個を下回ると、人工バラスト１１の分布が疎らになってまくらぎ下面全面に混合層１２が作れなくなり、衝撃荷重を抑制できなくなる問題点がある。一方、混合層１２は、まくらぎ７の下面から深さＤ≦200mmの範囲に形成する必要があり施工範囲が限定されるため、まくらぎ７の直近まで混合層１２を施工した場合でも、人工バラスト１１の混合量は概ね200個が上限値であり120個が上限値としては好ましい。このため、混合層１２は、バラスト層内に１層形成する場合を想定すると、まくらぎ７の１本当たりの人工バラスト１１の混合量が80〜120個の範囲内であることが好ましい。
【００３３】
次に、この発明の第１実施形態に係る人工バラストの原理について説明する。
以下では、人工バラストの衝撃荷重の減衰原理について仮説として説明する。
従来の人工バラストの場合には、表面に凹凸を有するセメントコンクリート製の構造体である。このため、従来の人工バラストの場合には、表面の凹凸で引っかかり、列車通過時の衝撃荷重が繰り返し作用すると耐久性がないため摩耗が進み、形状が徐々に丸くなり衝撃荷重を低減する機能がなくなってしまう。一方、人工バラスト１１の場合には、平面部１１ｃを有し均質な弾性体であるため、人工バラスト１１に外力が加わると変形量（圧縮量又は伸び量）と荷重との関係が弾性ばねに近似した線形（直線）になる。一方、人工バラスト１１の平面部１１ｃと接触する道床バラスト１０には凹凸があるため、ヘルツ（Hertz）の接触理論より変形量と荷重との関係が線形にはならない。このため、線形に変形する人工バラスト１１と非線形に変形する道床バラスト１０とが接触すると、荷重の伝達に関して過不足が発生し、道床バラスト１０の接触部の先端箇所が大きく暴れる。その結果、弾性波動として道床バラスト１０から人工バラスト１１に伝わった衝撃荷重と変形量とが一致せず、道床バラスト１０と人工バラスト１１との接触部において衝撃荷重に大きな損失が発生し衝撃荷重の減衰効果が発揮されて衝撃荷重が低減する。
【００３４】
バラスト層は粒状体であるため、衝撃荷重の振動に対しては粒子として機能し、液体と同じ作用をすると考えられる。衝撃荷重が上面から加わると、衝撃荷重がバラスト層を通過するときに、バラスト層の内部に波動として伝わるが、道床バラスト１０と人工バラスト１１との接触点では衝撃荷重が変位振幅に変換される。接触点における変位振幅は、液体内の波動伝搬におけるホイヘンスの原理のように新たな加振減となり、その際に方向性が失われる。例えば、30cmの直方体のバラスト層の上面に列車の衝撃荷重を加えた場合を想定すると、衝撃荷重は直方体の上面に主に上下方向の振動として加わるが、バラスト層の下面のみではなく側方の４面に対してもあたかも水圧が均等に加わるように衝撃波が均等に伝わる。通常の物質では、下面１面で荷重を受けるのに対して、バラストでは下面と側面の合計５面で荷重を受けるため、荷重レベルが大幅に低減される。矩形の人工バラスト１１をバラスト層に混入すると、低周波領域の振動に対して人工バラスト１１が荷重をさらに側方に伝えるデバイスとして機能する。
【００３５】
混合層１２よりも上層の道床バラスト１０及び混合層１２の内部の道床バラスト１０が初期沈下の時点で摩耗して丸くなると、複数の人工バラスト１１の平面部１１ｃ同士の谷間に、丸く摩耗した道床バラスト１０が挟まった構造になる。バラスト層の上から低周波の変位挙動が作用すると、隣接する人工バラスト１１の平面部１１ｃの谷間を、摩耗した道床バラスト１０が滑って上下運動し、力を側方に押し出す作用をする。隣接する人工バラスト１１の平面部１１ｃ同士の谷間を道床バラスト１０が往復運動することによって、変位振幅が吸収されて、混合層１２よりも下層にはこの変位振幅が伝わらない。バラスト層は、本来摩擦によって安定しているが、平滑な平面部１１ｃを有する人工バラスト１１をこのバラスト層の内部に導入することによって、低周波領域の変位が吸収されて、列車通過時の衝撃荷重が低減する。
【００３６】
次に、この発明の第１実施形態に係る道床の改良工法について説明する。
（道床更新時）
図４に示す改良工法＃１００は、バラスト層によってまくらぎ７を支持する道床９を改良する工法である。改良工法＃１００は、図５に示すように、既存の道床９を交換するときに実施される。改良工法＃１００は、図４に示すように、掘削工程＃１１０と、混合層形成工程＃１２０と、道床整理工程＃１３０などを含む。掘削工程＃１１０は、道床９から道床バラスト１０を掘削する工程である。掘削工程＃１１０では、図５（Ａ）に示すように、まくらぎ７の下面から深さＤ≧200mmの範囲内の既存の道床バラスト１０が道床９から掻き出される。図４に示す混合層形成工程＃１２０は、人工バラスト１１と道床バラスト１０とが混合された混合層１２を形成する工程である。混合層形成工程＃１２０では、図５（Ｂ）に示すように、掘削工程＃１１０において掻き出された道床バラスト１０を回収し、新品の道床バラスト１０と人工バラスト１１とをランダムに混合した混合物がまくらぎ７の下面に掻き込まれててん充されるとともに、この混合層１２の上に新品の道床バラスト１０が掻き込まれててん充される。混合層形成工程＃１２０では、まくらぎ７の下面から深さＤ=100〜200mmの範囲内に混合層１２が形成されるとともに、まくらぎ７の１本当たりの人工バラスト１１の混合量が80〜120個になるように混合層１２が形成される。図４に示す道床整理工程＃１３０は、道床９を所定の道床断面に整える工程である。道床整理工程＃１３０では、図５（Ｃ）に示すように、道床バラスト１０及び人工バラスト１１をまくらぎ７の下方につき入れるつき固め作業が実施された後に、道床９に振動を加えることによって初期沈下を与え軌道５の安定化が図られて、軌道面の高さが調整される。
【００３７】
（道床新設時）
図６に示す改良工法＃１００は、図７に示すように、新設の道床９を敷設するときに実施される。改良工法＃１００は、図６に示すように、混合層形成工程＃１４０と、軌きょう敷設工程＃１５０と、道床整理工程＃１６０などを含む。混合層形成工程＃１４０は、人工バラスト１１と道床バラスト１０とが混合された混合層１２を形成する工程である。混合層形成工程＃１４０では、図７（Ａ）に示すように、最初に新品の道床バラスト１０が路盤４上に所定の厚さで散布される。次に、混合層形成工程＃１４０では、路盤４上に散布された道床バラスト１０の上に、新品の道床バラスト１０と人工バラスト１１とをランダムに混合した混合物が散布される。その後に、混合層形成工程＃１４０では、混合層１２の上に新品の道床バラスト１０が散布される。混合層形成工程＃１４０では、まくらぎ７の下面から深さＤ=100〜200mmの範囲内に混合層１２が形成されるとともに、まくらぎ７の１本当たりの人工バラスト１１の混合量が80〜120個になるように混合層１２が形成される。図６に示す軌きょう敷設工程＃１５０は、道床９上に軌きょうを敷設する工程である。軌きょう敷設工程＃１５０では、図７（Ｂ）に示すように、左右のレール６がまくらぎ７に締結された状態のはしご状の軌きょうが道床９上に敷設される。図６に示す道床整理工程＃１６０は、道床９を所定の道床断面に整える工程である。道床整理工程＃１９０では、図７（Ｃ）に示すように、道床バラスト１０及び人工バラスト１１をまくらぎ７の下方につき入れるつき固め作業が実施されて、軌道面の高さが調整される。
【００３８】
この発明の第１実施形態に係る人工バラスト及び道床とその改良工法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、人工バラスト１１が複数の平滑な平面部１１ｃを有する多面体形状である。このため、表面に凹凸を有する道床バラスト１０と平滑な平面部１１ｃを有する人工バラスト１１との接触部において衝撃荷重に大きな損失が発生し、衝撃荷重の減衰効果が発揮されて衝撃荷重を低減することができる。その結果、列車通過時の衝撃荷重成分が大幅に低減されて、軌道沈下を防止することができるとともに、バラスト層の劣化が防止されて、バラスト軌道の維持管理に要する費用を低減することができる。
【００３９】
(2) この第１実施形態では、人工バラスト１１が６つの四角形の平滑な平面部１１ｃを有する六面体形状である。このため、製造が容易で単純な構造の六面体形状の人工バラスト１１によって列車通過時の衝撃荷重成分を大幅に低減し、バラスト層の劣化を簡単に防止することができる。
【００４０】
(3) この第１実施形態では、人工バラスト１１が道床バラスト１０と略同一の大きさである。このため、道床バラスト１０と混合することによって道床バラスト１０と同様にまくらぎ７をむらなく支持することができ、まくらぎ７に伝わる列車荷重を路盤４に広く均等に分散させ、軌道構造に一定の弾性力を付与することができる。
【００４１】
(4) この第１実施形態では、人工バラスト１１が金属製、合成樹脂製又はジオポリマーコンクリート製のブロック体である。このため、金属製又は合成樹脂製の柱状部材又は棒状部材を所定長さに切断することによって、人工バラスト１１を簡単に製造することができる。また、金属、合成樹脂又はジオポリマーコンクリートを型内に流し込むことによって、人工バラスト１１を簡単に製造することができる。
【００４２】
(5) この第１実施形態では、人工バラスト１１と道床バラスト１０とが混合された混合層１２を道床９が備えている。このため、列車通過時の衝撃荷重のうち低周波領域の変位挙動成分を減衰させ低減し、バラスト層の劣化を防止することができる。また、短時間で施工可能な簡単な工事によって、軌道５を低コストで改良することができる。
【００４３】
(6) この第１実施形態では、混合層１２がまくらぎ７の下面から深さ100〜200mmの範囲内である。また、この第１実施形態では、まくらぎ１本当たりの人工バラスト１１の混合量が80〜120個である。このため、列車通過時の衝撃荷重成分を大幅に低減することができる。
【００４４】
（第２実施形態）
以下では、図１〜図３に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図８に示す人工バラスト１１は、２つの略平行な三角形の平滑な底面部１１ｄと、３つの四角形の平滑な側面部１１ｅとを有する三角柱形状であり、４つ以上の複数の平面によって囲まれた立体である。人工バラスト１１は、複数の頂点部１１ａと、この頂点部１１ａを結ぶ直線の辺部（稜線部）１１ｂと、この辺部１１ｂによって囲まれ底面部１１ｄ及び側面部１１ｅとを備えている。人工バラスト１１は、例えば、２つの底面が三角形によって構成され３つの側面が四角形によって構成された三角柱、又は２つの底面が正三角形によって構成され３つの側面が四角形によって構成された正三角柱などの角柱である。人工バラスト１１は、金属製、合成樹脂製又はジオポリマーコンクリート製のブロック体であり、道床バラスト１０と略同一の大きさであり、道床バラスト１０と略同一の比重である。人工バラスト１１は、例えば、機械加工の場合には断面形状が三角形の金属製又は合成樹脂製の柱状部材又は棒状部材を所定長さに切断することによってブロック体に形成され、成型加工の場合には金属、合成樹脂又はジオポリマーコンクリートを角柱状の型内に流し込むことによってブロック体に形成される。
【００４５】
この発明の第２実施形態に係る人工バラスト及び道床とその改良工法には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、人工バラスト１１が２つの略平行な三角形の平滑な底面部１１ｄと３つの四角形の平滑な側面部１１ｅとを有する三角柱形状である。このため、製造が容易で単純な構造の角柱形状によって列車通過時の衝撃荷重成分を大幅に低減し、バラスト層の劣化を簡単に防止することができる。
【００４６】
（第３実施形態）
図９及び図１０に示すまくらぎ７は、緩衝部材７ａを底面に備える弾性まくらぎである。まくらぎ７は、振動騒音の低減及び軌道保守の省力化を図ることを目的として設置される。図９及び図１０に示すまくらぎ７は、例えば、有道床軌道で使用される有道床弾性まくらぎであり、列車１の通過時に発生する振動を低減するとともに道床バラスト１０の微粒子化を防止する。まくらぎ７は、緩衝部材７ａなどを備えている。
【００４７】
緩衝部材７ａは、バラスト層に作用する衝撃を緩和する部材である。緩衝部材７ａは、まくらぎ７と道床９との間に挟み込まれる。緩衝部材７ａは、例えば、ポリエチレン、発泡ポリウレタン、発泡ポリエチレン、合成ゴム、天然ゴム、ウレタンゴム又はスチレンゴムなどの弾性体であり、厚さが15mm程度の高減衰素材の弾性シートが好ましい。緩衝部材７ａは、まくらぎ７の底面に貼り付けられている。混合層１２は、まくらぎ７の下面（緩衝部材７ａの下面）から深さＤ=100〜200mmの範囲内に形成されている。
【００４８】
この発明の第３実施形態に係る人工バラスト及び道床とその改良工法には、第１実施形態及び第２実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第３実施形態では、バラスト層に作用する衝撃を緩和する緩衝部材７ａをまくらぎ７の底面に有する弾性まくらぎである。このため、高減衰素材の弾性シートのような緩衝部材７ａをまくらぎ７の下面に貼り付ける工法を併用することによって、軌道沈下現象を大幅に減らすことができる。
【実施例】
【００４９】
次に、この発明の実施例について説明する。
図１〜図３に示す人工バラスト１１による列車通過時の衝撃荷重の低減効果を確認するために、重錘落下衝撃載荷実験を実施した。重錘落下衝撃載荷実験は、公益財団法人鉄道総合技術研究所の日野土木実験所の軌道動的載荷試験装置を使用して実施した。重錘落下衝撃載荷実験では、図１１〜図１４に示す軌道動的載荷試験装置２０によって図１２に示す中央のまくらぎ７上の左右のレール６に合計で平均200kNの衝撃荷重をストローク（落下高さ）12mm、加振周波数（落下頻度）0.2Hzで繰り返し載荷した。
【００５０】
図１１〜図１４に示す軌道５は、実物の新幹線用軌道であり、レール６は60kgレールであり、まくらぎ７は標準軌用の3Hまくらぎである。軌道５は、図１１に示すように、左右のレール６を３本のまくらぎ７にレール締結装置８によって締結した軌きょうを、施工基面（路盤）上に形成された幅3000mm×奥行6000mmのピットにバラスト層の厚さがまくらぎ下面から350mmになるように敷設した。
【００５１】
図１１〜図１４に示す軌道動的載荷試験装置２０は、実物大の軌道５に対して動的又は静的な軸重を載荷する試験装置である。ここで、図１１〜図１３に示す単位はmmである。軌道動的載荷試験装置２０は、有道床軌道（バラスト軌道）の沈下特性の解明や新たな軌道構造の耐久性を確認するために使用される。軌道動的載荷試験装置２０は、図１２〜図１４に示す重錘２１と、図１１及び図１４に示すレーザ変位計２２Ａ，２２Ｂと、図１１に示すフレーム２３と、図１４に示す加速度センサ２４Ａ，２４Ｂなどを備えている。図１２〜図１４に示す重錘２１は、軌道５に衝撃荷重を作用させる部材である。図１２〜図１４に示す重錘２１は、長さ1800mm×幅400mm×高さ200mmの箱型の新幹線軌道用重錘である。レーザ変位計２２Ａは、まくらぎ７の一方の端部の沈下量を測定する装置であり、レーザ変位計２２Ｂは他方の端部の沈下量を測定する装置である。図１１に示すフレーム２３は、レーザ変位計２２Ａ，２２Ｂを支持した状態で不動点上に設置される部材である。加速度センサ２４Ａ，２４Ｂは、バラスト層内の加速度を検出する装置である。加速度センサ２４Ａ，２４Ｂは、図１４に示すように、左右のレール６の直下に異なる深さで配置されている。軌道動的載荷試験装置２０は、図１２及び図１３に示す重錘２１を油圧アクチュエータによって上昇させた後にこの重錘２１をレール６上に落下させる動作を繰り返すことによって、鋭いパルス状の衝撃荷重を軌道５に繰り返し載荷して重錘落下試験を実施する。軌道動的載荷試験装置２０は、衝撃載荷に伴うバラスト層内のバラスト加速度を加速度センサ２４Ａ，２４Ｂによって測定するとともに、沈下量をレーザ変位計２２Ａ，２２Ｂによって測定する。
【００５２】
図１５に示すグラフは、図１１〜図１４に示す軌道動的載荷試験装置２０によって軌道５に衝撃荷重を繰り返し作用させたときに、まくらぎ７の下面から深さ100mm及び200mmの４測定点の加速度センサ２４Ａ，２４Ｂによって測定したバラスト層に作用する加速度の平均値の加速度スペクトル波形である。図１５に示す縦軸は、バラスト加速度(m/s2)であり、横軸は周波数(Hz)である。なお、加速度スペクトル波形は、バラスト層への初期載荷が終わって比較的安定した状態で個々の測定点における４回の載荷波形をもとに求めた。
【００５３】
図１５に示す比較例１は、軌道５のバラスト層が通常の道床バラスト１０のみによって形成されている無対策のバラスト層の場合の実験結果である。比較例２は、軌道５のバラスト層の一部が通常の道床バラスト１０と従来の人工バラストとの混合層である場合の実験結果である。ここで、従来の人工バラストは、表面に凹凸を有するセメントコンクリート製の人工ブロックである。この従来の人工バラストは、縦60mm×横60mm×高さ50mmの東洋道路興業株式会社（綾羽工業株式会社製造）の高強度繊維補強ブロック（商品名：モモコキューブ）であり、図１１及び図１２に示す中央のまくらぎ７の下面から深さ100〜200mmの範囲内に140個投入した。
【００５４】
実施例１は、軌道５のバラスト層の一部が通常の道床バラスト１０と人工バラスト１１との混合層１２である場合の実験結果である。ここで、人工バラスト１１は、縦60mm×横60mm×高さ50mmのジュラルミン製の矩形ブロックであり、図１１及び図１２に示す中央のまくらぎ７の下面から深さ100〜200mmの範囲内に140個投入した。実施例２は、実施例１と同様に軌道５のバラスト層の一部が通常の道床バラスト１０と人工バラスト１１との混合層１２である場合であり、かつ、まくらぎ４が底面に高減衰素材を備える弾性まくらぎである場合の実験結果である。ここで、高減衰素材には、低反発ゴム（入間川ゴム株式会社製  NXB-365）を使用した。
【００５５】
図１５に示すように、比較例１の場合には、低周波領域に大きな応答のピークがあり、道床バラスト１０に大きな動きが発生していることが確認された。比較例２の場合には、比較例１に比べて低周波領域の応答のピークは低下しているが、比較例１と同様に道床バラスト１０に大きな動きが発生していることが確認された。一方、実施例１の場合には、通常の道床バラスト１０に人工バラスト１１を混入することによって、比較例１，２に比べて低周波領域の応答が大幅に低減しており、混合層１２によって低周波領域の変位挙動を抑制する効果が確認された。実施例２の場合には、まくらぎ７に弾性まくらぎを使用することによって、実施例１に比べてより一層の低周波領域の変位挙動を抑制する効果が確認された。
【００５６】
図１６に示すグラフは、図１１〜図１４に示す軌道動的載荷試験装置２０によって軌道５に衝撃荷重を繰り返し作用させたときの軌道５の沈下量の時間変化を示す沈下曲線である。図１６に示す縦軸は、沈下量(mm)であり、横軸は載荷回数(回)である。図１６に示す比較例３は、軌道５のバラスト層が通常の道床バラスト１０のみによって形成されている場合であり、かつ、まくらぎ４が底面に高減衰素材を備える弾性まくらぎである場合の実験結果である。ここで、高減衰素材には、実施例１と同じ低反発ゴム（入間川ゴム株式会社製  NXB-365）を使用した。
【００５７】
図１６に示すように、比較例１の場合には、非常に大きいな初期沈下が発生しており、載荷回数に応じて沈下量が増加することが確認された。比較例１の場合には、図１６に示す載荷回数3000回までを示しているが、載荷回数10000回を超えても沈下量が収束しないことが確認された。比較例２，３の場合には、比較例１に比べて初期沈下は低下しているが、軌道沈下の抑制効果が不十分であることが確認された。一方、実施例１の場合には、初期載荷に相当する初めの載荷回数1000回以降では略沈下が収まっていることが確認された。実施例２の場合には、高減衰素材を併用することによって、載荷回数約1000回以降で沈下が殆ど発生せず、略完全に軌道沈下を抑制する顕著な効果が確認された。以上より、バラスト層の内部に人工バラスト１１を混入することによって軌道沈下を抑制可能なことが確認された。また、弾性まくらぎと併用することによって軌道沈下をより一層抑制可能なことが確認された。
【００５８】
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
この実施形態では、人工バラスト１１がジュラルミン製のブロック体である場合を例に挙げて説明したが、ジュラルミン以外の高強度の他のアルミニウム合金である場合についてもこの発明を適用することができる。また、この第２実施形態では、人工バラスト１１が三角柱形状である場合を例に挙げて説明したが、三角錐形状又は四角錐形状である場合についてもこの発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１  列車
１Ａ  車両
２  車両
３  車輪
４  路盤
５  軌道
６  レール
７  まくらぎ
７ａ  緩衝部材
８  レール締結装置
９  道床
１０  道床バラスト
１１  人工バラスト
１１ａ  頂部
１１ｂ  辺部
１１ｃ  平面部
１１ｄ  底面部（平面部）
１１ｅ  側面部（平面部）
１２  混合層
２０  軌道動的載荷試験装置
２１  重錘
２２Ａ，２２Ｂ  レーザ変位計
２３  フレーム
２４Ａ，２４Ｂ  加速度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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