疲労破壊輪数による舗装構造設計の一例
中村治1
1中日本建設コンサルタント株式会社（〒460-0003 名古屋市中区錦１丁目）

舗装計画交通量は、設計期間における平均的な大型車日交通量とされ、これまでの一般的な舗装設計においては、この大型車日交通量と設計CBRから諸基準で設定された必要TAを満たす標準舗装構成を計画することが多い状況であった．本稿では、工事用道路を例に、舗装設計における性能指標の一つである疲労破壊輪数に着目して、計画道路を通過する累積49kN換算輪数を設定し、これを満たす舗装構成を検討することにより、最適な舗装構成を定量的に計画した構造設計例を紹介するものである．
Key Words : 舗装計画交通量，疲労破壊輪数，信頼性，ＴＡ

１．はじめに

２．検討課題

本報告は、工事用道路を例にして、舗装設計における性能指標の一つである疲労破壊輪数を用いた舗装構造設計の具体的手法について報告するものである．
対象路線は、愛知県新城市に位置し、第二東名高速道路鳳来地区の土運搬および資材搬入に用いる工事用道路のうち、浦沢工事用道路（現況林道）と栗衣工事用道路（現況市道）の２路線である．

浦沢工事用道路の計画交通量は、工事ピーク時の想定工事車両台数から約400台/日と設定されている．
そして、この大部分が工事運搬車であるということから、１日当たりの大型車交通量も400台/日と設定され、当交通量に応じた舗装交通区分は、N5(旧区分でB交通)という工事用道路としては極めてサービスレベルの高い舗装構成となる状況にあった．
表−１

舗装計画交通量と交通区分

舗装計画交通量
新区分
旧区分（台/日･方向)

図−１

路線位置図

上記２路線は、工事用道路として利用された後には林道および市道として移管される計画となっており、工事完了後の引き渡しを見据えた舗装設計を行う必要があった．

必要TA(CBR20)N73000以上D交通

N61000〜3000

C交通

2620

N5250〜1000

B交通

17

N4100〜250

A交通

13

N340〜100L交通

11

N215〜40--

N115未満--工事完了後の大型車交通量は極めて少ないものと予想されるなか、当該舗装構成について、工事用道路としての特性を勘案し、検討を行う必要があった．
中部地整等において「工事中の迂回路の舗装は1ランク下」の基準1)はあるが、H13年から導入された性能規定2)の流れを考慮し、本設計では、工事車両台数を1日当たりの交通量とするのではなく、トータル交通量から累積の通過輪荷重(疲労破壊輪数)に換算して、舗装設計を行うものとした．以下にその概略フローを示す．

１台当たりの通過輪数の設定

累積大型車交通量の設定

累積49kN換算輪数の算出

必要TAの計算

設計CBR

舗装構成の設定

舗装構成の決定（経済比較）

図−２

検討フロー

また、栗衣工事用道路においては、現道の舗装構成に準じるものとしており、当該舗装構成について疲労破壊輪数を算出し、その妥当性を確認するものとした．

３．アスファルト舗装の構造設計(1) 疲労破壊輪数について
疲労破壊輪数は、舗装の構造に関する必須の性能指標の一つであり、「舗装路面に49kNの輪荷重を繰り返し加えた場合に、舗装にひび割れが生じるまでに要する回数…」と定義されている．疲労破壊輪数の基準値としては舗装計画交通量に応じ下表のとおり規定されている．
表−２

疲労破壊輪数の基準値

上記式は、4乗則を用いており（「交通荷重が舗装に与える ダメージは輪荷重と標準荷重49kNの比の４乗に比例して指数関数的に増加する」）舗装の疲労破壊は大型車の交通荷重による影響が支配的であることがわかる．
(2) 信頼性を考慮した設計
具体的な舗装断面の設計方法としては、設定された信頼度に対する下記の計算式を用いて、路床の設計CBRと疲労破壊輪数から求められる必要等値換算
厚TAを下回らないように舗装各層の厚さを決定する．
信頼度90%

TA

3.84N 0.16
CBR 0.3

信頼度75%

TA

3.43N 0.16
CBR 0.3

信頼度50%

TA3.07N 0.16
CBR 0.3

式−１

ここに、TA ：必要等値換算厚N ：疲労換算輪数
CBR：路床の設計CBR

ここで信頼度とは、例えば信頼度90%とした場合、実際の交通量が疲労破壊輪数に達した時点で、設計で設定されたひび割れ率を超える舗装の割合が10%ということである．（10%の舗装面積が舗装破壊に至る．）すなわち、路線の重要度等に応じて信頼度を小さくすることで初期建設コストを抑えた（設計期間中の適切な維持作業を前提として）設計が可能となる．

４．舗装設計例その１(浦沢工事用道路)

旧区分

新区分

舗装計画交通量（台/日･方向)

疲労破壊輪数(回/10年)

D交通

N73000以上

35,000,000

C交通

N61000〜3000

7,000,000

B交通

N5250〜1000

1,000,000

A交通

N4100〜250

150,000

L交通

N340〜100

30,000N215〜407,000N115未満1,500(1) 基本条件の設定
本道路を利用する工事車両台数は、概略の工事数量から以下のとおりと想定される．
表−３①全体工事量②③（①/②)
1台当たり運搬量 全体工事車両数

土量

361,000 m3

6 m3/台Co量15,500 m3

6 m3/台60,167 台
2,583 台合計

また、設計期間における交通量および輪荷重が設定されている場合等には、以下の式により累積49kN
換算輪数を求めることができる．
nN

N 49 365 ai
i 1m

N 49
j 1

Pj
494Nj

62,750 台

ここで載荷される輪荷重の分布状況は、車両総重量20tの土運搬車および生コン車を想定し、往路で20t[(前輪2t､後輪8t)×2],復路で10t[(前輪1t,後輪4t)×2]と設定した．
図−３ 輪荷重分布の設定状況
8t(4t)

往路

ここに N49：1日1方向当たりの49kN換算輪数
Pj：番目の輪荷重の大きさに区分される輪荷重の代表値
m：輪荷重の大きさに区分数 j=1〜mNj：Pjの通過数
N：設計期間の累積49kN換算輪数
n：設計期間
ai：N49に対するi年後の伸び率 i=1〜ｎ10t

8t(4t)

10t

2t(1t)
2t(1t)
復路10t()は復路の輪荷重１往復で(2t+8t+1t+4t)の輪荷重が通過する．

表−５ 舗装構成の経済比較（浦沢）＜現道舗装構成案（100%の舗装修繕）＞

また、設計CBRとしては、現地の地質状況からCBR=20%と想定した．

名称(2) 疲労破壊輪数及び必要ＴＡの設定
上記で設定した輪荷重分布状況をもとに輪荷重の範囲ごとに割り当てた代表値から本道路を通過する全体の49kN換算輪数を算出したところ、下表のとおり333,253輪となった．
表−４

累積49kN換算輪数の計算(浦沢)

Pj

NLj

αi=(Pj/5)^4αi×NLj

輪荷重の範囲

代表値
(t)

輪数(輪)

換算係数

49kN輪荷重
換算輪数(輪)

〜1
1〜2
2〜3
3〜4
4〜5
5〜6
6〜7
7〜8
8〜9
9〜10
10〜1111〜12
12〜13
13〜14
14〜15

0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
7.5
8.5
9.5
10.5
11.5
12.5
13.5
14.5

62,75062,75062,75062,7500.00010.0081
0.06250.24010.65611.46412.8561
5.06258.352113.032119.448127.984139.0625
53.144170.7281

備考

6.275 復路前輪
508.275 往路前輪
015066.275 復路後輪
000317671.875 往路後輪000000N49

信頼度75%： TA
信頼度50%： TA

3.84N 0.16
CBR 0.33.43N 0.16
CBR 0.3
3.07N 0.16
CBR 0.3

舗装構成(cm)

表層(As)

1.00

55

1,100

上層路盤(粒調)

0.35

103.5490

合計

158.5

1,590

TA状況

信頼度50%に=TA

工費(円/m2)

-1.06

不足

打ち換え(100%)

5

1,460

(切削ｵｰﾊﾞ-ﾚｲ)(3)(1,290)

打ち換えの場合のm2あたり工事費

3,050(切削ｵｰﾊﾞ-ﾚｲの場合のm2あたり工事費)(2,880)＜信頼度50%案（50%の舗装修繕）＞
名称a

舗装構成(cm)

表層(As)

1.00

55

1,100

上層路盤(粒調)

0.35

155.25670

合計

2010.25

1,770

TA状況

信頼度50%にTA

工費(円/m2)

0.69

余裕

打ち換え(50%)5730(切削ｵｰﾊﾞ-ﾚｲ(50%))(3)(645)打ち換えの場合のm2あたり工事費

2,500(切削ｵｰﾊﾞ-ﾚｲの場合のm2あたり工事費)(2,415)333,253 輪

上記輪数とCBR=20%より式−１を用いて必要な等値換算厚(TA)を計算すると下記のとおりとなる．
信頼度90%： TAa＜信頼度90%案＞【採用案】
名称a

舗装構成(cm)

TA

工費(円/m2)

表層(As)

1.00

5

5

1,110

上層路盤(粒調)

0.35

10

3.5490下層路盤(RC40)

0.25

15

3.75

550

合計

3012.25

2,150

TA状況

信頼度90%に打ち換え-(切削ｵｰﾊﾞ-ﾚｲ)-

11.96 cm

=10.68 cm=9.56 cm

(3) 舗装構成の決定
上記で求めた必要TAと仮定した舗装構成のTAの差に応じた舗装修繕費を含めた経済比較を行ったところ、表−５の状況となった．なお、現況林道は大部分が未舗装区間であるが、一部区間で舗装されており、現況舗装構成案として信頼度50%以下の案を比較の対象とした．
比較の結果、当初から信頼度90%の舗装構成とした場合が最も経済的となった．

0.29

余裕m2あたり工事費

2,150(2,150)

５．舗装設計例その２(栗衣工事用道路)(1) 基本条件の設定
当該道路は、現況において簡易舗装が敷設されており、工事用道路としての改良範囲が僅かであることを勘案し（待避所、曲線部の拡幅が主）、現道の舗装構成を踏襲するものとした．
表−６ 現道舗装構成（栗衣工事用道路）
表層

密粒度As4cm

上層路盤

粒度調整砕石11cm

表−６の舗装構成は、「愛知県道路構造の手引き(H16.4)」3)に記載の設計CBR12%の標準舗装構成であることから、設計CBRについてはCBR12%を用いることとした．
(2) 対応交通量の検証
上記の現道舗装構成のTAから、疲労破壊輪数を逆算し、対応可能な工事用車両を検証する．
表−７ 現況TA（栗衣工事用道路）材料

層厚等値換算係数Ta'

表層

ｱｽﾌｧﾙﾄ

4cm

14.0

上層路盤

粒度調整砕石

11cm

0.35

3.9

合計

15cm

7.9

現況TAは上表よりTA=7.9となり、CBR=12%と式−
１から疲労破壊輪数Nを逆算すると下記のとおりとなる．
信頼度90% N= 9,211 回 → N2(簡易舗装)に相当
信頼度75% N= 18,656 回 → N2(簡易舗装)に相当
信頼度50% N= 37,307 回 → N3(L交通)に相当

表−８

１往復当たりの49kN換算輪数

Pj

NLj

αi
=(Pj/5)^4

αi×NLj

代表値(t)

輪数(輪)

換算係数

49kN輪荷重
換算輪数(輪)

0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
7.5
8.5
9.5
10.5
11.5
12.5
13.5
14.5

11110.0001
0.0081
0.06250.24010.65611.46412.8561
5.06258.352113.032119.448127.984139.0625
53.144170.7281
N49

備考

0.0001 復路前輪
0.0081 往路前輪
00.2401 復路後輪
0005.0625 往路後輪0000005.3108 輪

この疲労破壊輪数Nを大型車交通量に換算する．
浦沢工事用道路と同様に工事車両として20t車を想定し、１往復当たりの49kN換算輪数を求めると、5.3108輪/1往復となる．（表−８）すなわち、舗装が疲労破壊するまでの大型車交通量としては表−９以下の通りとなる．
当該道路を利用する工事用車両は1,000台程度であり、信頼度90%における疲労破壊輪数1,734台以下となる．よって、現道舗装構成にて対応可能と判断した．

表−９対応大型車交通量（栗衣）信頼度90%

9,211/5.3108= 1,734台/往復

信頼度75%

18,656/5.3108= 3,512台/往復

信頼度50%

37,307/5.3108= 7,024台/往復

６．まとめ
以上の検討を踏まえ、４．の浦沢工事用道路では、想定される実工事用車両台数から必要とされる疲労破壊輪数を算出し、最適な舗装構成を定量的に提案することができた．
また、５．の栗衣工事用道路では、既設舗装のTAから算出した疲労破壊輪数により、現況舗装の工事用道路としての対応可否について検証することができた．
舗装設計に性能規定が導入されて５年あまり経つが、現時点では従来の大型車日交通量から設定された交通区分に対応した標準舗装構成で設計されていることが多いのが実情である．H18に改訂された各種舗装基準 4) においては、従来設計方法(TA法)にあっても性能規定の一つとして位置づけながら積極的な性能設計の普及が望まれている。
対象とする道路が工事用道路として利用されるな
ど、具体的な実交通量が比較的正確に設定できるよ
うな状況においては、本例のように累積49kN換算輪数から必要TAを求め、舗装構成を設定することが可能であり、経済的かつ定量的な舗装設計を行うことができる．
参考文献
1) (財)道路保全技術センター：道路設計要領,2000
2) (社)日本道路協会：舗装の構造に関する技術基準・同解説,2001
3) 愛知県建設部：道路構造の手引き,2004
4) (社)日本道路協会：舗装設計施工指針,2006(社)日本道路協会：舗装設計便覧,2006