断熱工法を用いた既設アスファルト舗装の凍上対策について
国立研究開発法人

土木研究所

寒地土木研究所

寒地道路保全チーム

○上野千草

同上

井谷雅司

同上

丸山記美雄

1.はじめに積雪寒冷地においては厳冬期に凍結が路床まで達し、凍上により舗装にひび割れが生じる場合がある 1)。また、凍結融解作用により路床の支持力が低下し、舗装にひび割れや沈下などの破損が生じることがある。このため、凍上対策は積雪寒冷地において舗装を構築する上で極めて重要である。本文
では、置換厚が不足し凍上による被害が生じている既設アスファルト舗装の凍上対策として、断熱工法の適応性を検討した結果を報告する。

2. 凍上の要因および対策(1) 凍上の要因
凍上現象に影響する要因は多く挙げられるが、究極的には、温度、水分、土質、荷重の四つにまとめられる。このうち、温度、水分、土質を凍上の 3 要素と呼び、全ての条件が揃うことで凍上は発生するが、1 つでも欠けると凍上は発生しない 2)。
(2) 凍上の対策
凍上の 3 要素のうち一つ以上の要素を除くことにより凍上を抑制できる。凍上抑制対策工法には置換工法、断熱工法、安定処理工法、遮水工法等があり、凍上性の土質の材料を非凍上性の材料で置き換える置換工法が主として用いられている 2)。構造的な制約等がある場合は置換工法以外の温度や水分の要素を除く工法が検討される場合がある。本研究では既設舗装の掘り返しを最小限に押さえることで、置換工法で修繕を行う場合よりもコスト縮減を図ることが可能となる断熱工法に着目し、その適応性を評価した。
3. 調査概要
当研究所所有の苫小牧寒地試験道路にて断熱工法を用いた試験舗装を施工し、各種調査を実施した。
(1) 試験施工断面の検討
断熱工法にて舗装断面を決定する際に、必須となる評価項目は①耐圧構造の評価と②断熱性能の評価がある 2)。耐圧構造の評価は、「EPS 工法-発泡スチロール（EPS）を用いた超軽量盛土工法」3)より以下の式より評価した。
>

+

ここに、
：断熱材の許容応力度 (kN/m2)：断熱材上面での上載物荷重 (kN/m2)：断熱材上面での活荷重 (kN/m2)(1)

(=(ここに、)()(2))

P：輪荷重 (kN/m2)
B：車輪輪帯幅 (m)
L：車輪接地長 (m)h：路面から評価面までの深さ (m)：舗装部の分散角 ( °)i：衝撃係数表-1 耐圧構造の評価
断熱材の許容応力度:s z

180 kN/m

上載物荷重：:s z

11.35kN/m

122

3
アスファルト混合物層密度22.5 kN/m0.12 m
計 アスファルト混合物層厚3算
下層路盤密度19.6 kN/m
条0.40 m
下層路盤厚3件
砂密度16.2kN/m
0.05 m
砂層厚2
交通荷重:s z
130.79 kN/m
層厚:h0.12 +0.40+0.05=0.57 m
100 kN
荷重:P計0.5 m算
接地幅:B
条
0.2 m
接地長:L件0.3
衝撃係数:i30°
荷重分散角:q
2s z +s z
142.14kN/m
s z > s z 1 +s z 2 【OK】
判定

置換工区

断熱工区

無対策工区

アスファルト混合物層
t=12cm

アスファルト混合物層
t=12cm

アスファルト混合物層
t=12cm

下層路盤
切込砕石40 mm級
t=40cm

下層路盤
切込砕石40 mm級
t=40cm

下層路盤
切込砕石40 mm級
t=40cm2

12凍上抑制層
切込砕石80 mm級
t=30cm

路床
火山灰質砂

砂 t=5 cm
断熱材 t=5 cm
砂 t=5 cm

路床
火山灰質砂

路床
火山灰質砂

図-1 舗装構成
本試験施工では下層路盤下に断熱材を配置する計画とし表-1 の条件で評価を行った。評価の結果、
表-1 の最下段に示すとおり、下層路盤下に断熱材を配置することで断熱材の耐力を確保できることが明らかとなったため、図-1 に示す断面で試験舗装を施工した。なお、断熱材を埋設した断熱工区の他に、比較工区として凍上対策として一般的に使用されている置換工法を用いた置換工区と、凍上対策を施さない無対策工区を設けた。
当該地域の 10 年確率凍結深さに置換率 70 %を掛けた設計置換厚は 80 cm4)であり、置換工区はこれを満足させるため凍上抑制層を 30 cm 設けている。断熱工区は、凍上抑制層を設けずに下層路盤下に砂層と断熱材を用いた断熱層を設けている。砂層は断熱材設置面の不陸整正のおよび断熱材の保護を目的としている。断熱材は JIS A 9511 A 種押出法ポリエチレンフォーム保温板（2 種 b）に適合する材料を t=5 cm の厚さで設置した。無対策工区は、凍上抑制層も断熱層も設けない断面となっている。なお、各工区の延長は 50 m である。
(2) 調査項目断熱性能等の評価を行うため表-2 に示す調査を実施した。凍結深さ測定は断熱材の断熱効果を評価するためメチレンブルー凍結深度計を用いて実施した。さらに、凍上抑制効果を評価するため、レベル測量により凍上量を測定した。また、融解期に FWD 測定車を用いて支持力測定を実施した。

表-2 調査項目
調査項目

評価項目

使用機器

測定回数

測定点数

凍結深さ測定最大凍結深さメチレンブルー凍結深度計

6回/年

1点

凍上量調査

最大凍上量

レベル

6回/年

25点

支持力調査

D 0 たわみ量

FWD測定車20～25回/年

5点

4. 調査結果
各調査を 2016 年度から 2020 年度までの 11 月～3 月に実施した。この期間を含めた過去 21 年間の凍結指数および積雪深さを図-2 に示す。当該地区の 21 年間の平均凍結指数は 473 ℃・days であり、調査を実施した 5 年間はいずれもこの値を下回り比較的温暖な気象条件であった。また、当該地区の21 年間の平均最大積雪深は 32.0 cm であり、調査期間における年最大積雪深は 17~43 cm となっている。なお、調査箇所において積雪が確認された場合は、翌朝除雪車を用いて除雪を行い、供用中の国道と同様に路面が露出する環境を維持した。

700

平均 473℃・days

積雪深

160

10014090

600

120

500

100

40080

300

60200

4010020

平均 32.0cm

02000

2004

2008

2012

2016

02020

図-2 凍結指数・年最大積雪深

置換工区

断熱工区

無対策工区

80

最大凍結深さ(cm)

凍結指数

年最大積雪深(cm)

凍結指数（℃・days）

800

7060504030201002016

2017

2018

2019

2020

図-3 最大凍結深さ（1）最大凍結深さ調査結果を図-3 に示す。置換工区の最大凍結深さがいずれの年度においても最も大きくなっている。
これは、凍上抑制層に用いられている切込砕石の含水比が路床土と比較して低いこと、および熱伝導率が高いこと等が影響し凍結が入りやすかったためと考える。なお，置換工区において置換厚 82 cmを超えた最大凍結深さが 2020 年に観測されている。断熱工区の断熱材埋設深さは図-1 に示すとおり57～62cm であるが、この工区の最大凍結深さはいずれの年度もこれより浅いか、断熱材埋設深さ内で収まっており路床面まで凍結が到達していない結果となった。無対策工区では、2019 年度を除き路床面の位置する 52 cm より深くまで凍結が入り、路床が凍結した結果となっている。
（2）最大凍上量調査結果を図-4 に示す。無対策工区では、凍結が路床まで達している 2016、2017 および 2020 年度に 15 mm 程度の凍上量が観測された。一方、置換工区および断熱工区はいずれの年度においても路床まで凍結が達していないことから、最大凍上量は数 mm 程度であった。また、両工区の最大凍上量の差はいずれの年度においても 1 mm となっており、両工区は同程度の凍上抑制効果を発揮していることが示された。

置換工区

断熱工区

無対策工区

1000
置換工区

断熱工区

無対策工区

800

15D0たわみ量(mm)

最大凍上量(mm)

2010

5600
400
200

002016201720182019

図-4 最大凍上量

2020

2016

201720182019

2020

図-5 D0 たわみ量

（3）D0 たわみ量
FWD 測定車を用いて、各年度の融解期において D0 たわみ量が最大となった調査日の値を整理した。
結果を図-5 に示す。いずれの年度も融解期において D0 たわみ量が最大となるのは 3 月上～中旬であった。D0 たわみ量は平均すると置換工区が最も小さいが、置換工区で路床まで凍結の入った 2020 年度のみ断熱工区の値を上回った。これは路床の支持力低下によるものと推察される。断熱工区の D0 たわみ量は概ね置換工区と同程度あるいは若干大きな傾向が見られた。これは、切込砕石を用いた凍上抑制層と断熱材および砂を用いた断熱層の弾性係数の違いによるものと考えられるが、D0 たわみ量に顕著な差は現れなかった。一方、無対策工区では、置換工区の D0 たわみ量と比較して 100 m 程度大きな値となる年度が存在した。これは凍結融解作用により路床の支持力が低下したためと考えられる。
5. まとめアスファルト舗装において断熱工法を用いた試験施工を実施し，5 年間追跡調査を行った結果、以下の知見が得られた。
・凍結深さ測定の結果、断熱工区において路床への凍結の侵入を抑制していることが明らかとなった。
・凍上量測定の結果、断熱工区は置換工区と同程度の凍上抑制効果が得られることが明らかとなった。
・FWD による支持力調査の結果、融解期における断熱工区の D0 たわみ量は、置換工区より若干大きな値を示すものの、断熱工区は置換工区と概ね同程度の支持力を有する結果となった。
以上よりアスファルト舗装における断熱工法の適応的が確認できた。断熱工法は特に置換厚が大きく凍上対策コストが大きくなる寒冷な地域において、よりコスト縮減が期待できるため、今後、より寒冷な気象条件や、交通条件別に断熱材の最適な設置深さについて検討を進めていきたい。
参考文献
1) 石川達也，川端伸一郎，亀山修一，安倍隆二，小野丘：舗装構造の疲労寿命に及ぼす粒状路盤の凍結融解の影響とその評価，土木学会論文集 E1（舗装工学），Vol.67，No.3，pp.109-116，2011.
2) 土木学会：舗装工学ライブラリー6 積雪寒冷地の舗装、pp.30-32、2011
3) 発泡スチロール土木工法開発機構：EPS 工法-発泡スチロール（EPS）を用いた超軽量盛土工法、
pp.89-93、1993.
4) 北海道開発局：道路設計要領，第 2 集道路付帯施設，p.参 19，2020.