【第2回 舗 装 工 学 講 演 会 講 演論 文集1997年12月 】 支持 力を考慮 に入れた舗 装の維持修繕 計画の最適化 姫 野 賢 治1・ 弓 削 富 司 夫2・ 石 谷 雅 彦3・ 亀 山 修 一4・笠 原 篤5 1 フ ェ ロー 会 員 工 博 中 央 大 学 教 授 理 工 学 部 土 木 工 学 科(〒112東 京 都文 京 区春 日1-13-27) 2 正 会 員 大 成 ロテ ッ ク(株)技 術 部 課 長(〒104東 京 都 中 央 区 京 橋3-13-1) 3 正 会 員 博 士(工 学)大 成 ロテ ッ ク(株)技 術 部 課 長(〒104東 京 都 中央 区 京 橋343-1) 4 正 会 員 博 士(工 学)北 海道 工業 大学 講 師 工学 部土 木 工学 科(〒006札 幌 市 手 稲 区前 田7条15丁 目) 5 フェ ロー 会 員 工 博 北 海 道 工 業 大 学 教 授 工 学 部 土 木 工 学 科(〒006札 幌 市 手 稲 区 前 田7条15丁 目) 1989年 以 降 建 設 省 に よ っ て 舗 装 構 造 とそ の 路 面 性 状 に関 して 全 国28箇 所 で 実施 され て い る 新 基 準 調 査 の デ ー タ に基 づ い て,舗 装 の パ フ ォ ー マ ン ス を評 価 した,得 られ た パ フ ォー マ ンス カー ブ とFWDに よ って 測 定 さ れ た た わ み 量 との 関 係 を 明 らか にす る こと に よ っ て,舗 装 の 支 持 力 を取 り入 れ た パ フ ォー マ ンス モ デ ル を構 築 した.ま た,得 られ た関 係 を 用 い て,国 道12号 にお い て 測 定 したFWDた わ み か ら、MCIを 通 じて 舗 装 の パ フ ォ ー マ ン ス を予 測 し,遺 伝 的 ア ル ゴ リ ズム(GA)に よ って 修 繕(オ ーバ レイ)計 画 の 最 適化 を お こな っ た. Key Words : MCI, performance, FWD, bearing capacity, maintenance and rehabilitation strategy, genetic algorithm ま た,得 1.は じ め に 道12号 現 在,わ が 国 にお い て は 舗装 のサ ー ビス性 能 を表 す 指 標 と してMCIが 広 く使 わ れ て い る.MCIは わ ら れ た パ フ ォー マ ン ス モ デ ル を 用 い て 国 に お い て 測 定 さ れ たFWDた 内 の パ フ ォ ー マ ン ス を 予 測 し,遺 伝 的 ア ル ゴ リ ズ ム 4)(Genetic Algorithm:以 下 単 にGAと 言 う)に よ っ だ ち掘 れ 量,平 坦 性,ひ び 割 れ 率 な どの 路 面 性 状値 て 最 も 経 済 的 と な る 修 繕(オ か ら算 出 され る.舗 装 の パ フ ォー マ ン ス は,累 積 交 た.本 通 量 と路 面 調 査 か ら算 出 され るMCIを わ み か ら各 区間 研 究 の 流 れ を 図-1に ー バ レ イ)計 画 を求 め 示 す. 回帰 分 析 す る こ とに よ って 得 られ る.し か しなが ら,路 面 性 状 値 と累 積 交 通 量 の みか らパ フ ォー マ ンス を推 定 した場 2.MCIの 算出 合,舗 装 の健 全度(支 持 力)が パ フ ォー マ ンス に 及 解 析 に は1989年 ぼす 影 響 を 評価 す る こ とが で き な い. 著 者 らは以 前,建 設 省 基 準 調 査 デ ー タ1)か ら得 ら か ら1994年 準 調 査 デ ー タ を 用 い た.新 ま で の5年 間の新基 基 準 調 査 は1989年 れ た舗 装 のパ フ ォー マ ン ス と多 層 弾 性 論 か ら算 出 さ 建 設 省土 木 研 究 所 に よ っ て,全 国 の28箇 れ る 舗装 表 面 のた わ み量 との 関係 を求 め,舗 装 の支 て 継 続 的 に 行 わ れ て い る 調 査 で あ り,路 持 力(た わ み 量)か らパ フ ォー マ ンス を予測 す る こ の 他 に,FWDに とを試 み た2).し か しな が ら,解 析 に用 い た た わ み 環 境 調 査,交 よ る た わ み 量 測 定,す 所 にお い 面性状調査 べ り抵 抗, 通 に 関 す る 調 査 な ど も実 施 し て い る. 新 基 準 調 査 か ら得 られ た ひ び 割 れ 率,わ は 多層 弾 性 論 か ら算 出 した も ので あ り,実 際 に測 定 だ ち 掘 れ, 平 坦 性 か ら各 調 査 路 線 の 各 年 度 に お け るMCIを され たた わ み を用 いて い なか っ た. 以 降, 式 (1)に よ っ て 算 出 す る5). 1989年 以 降,建 設 省 に よ っ て 行 わ れ て い る新 基 準 調 査3)で は,わ だ ち掘 れ,平 坦 性,ひ び割 れ率,な どの路 面 性 状 値 の 他 にFWDに (1) よ る た わ み 量 も継 続 こ こで, 的 に測 定 して い る.本 研 究 で は,新 基 準 調 査 か ら得 られ た路 面 性 状 デ ー タか ら算 出 した舗 装 のパ フ ォー C:ひ び 割 れ 率(%) マ ンス とFWDに D:最 大 わ だ ち 掘 れ 深 さ(mm) σ:平 坦 性(mm) よ って 測 定 され た たわ み 量 と の関 係 を明 らか にす る こ とを 目的 と した. ―17― た だ し,新 基準 調 査 にお い て は4種 類 の ひ び割 れ を軽度,中 度,重 度 の3段 階 に 分割 して い る ことか ら,式(2)を 用 いて 調 査 結 果 を ひび 割 れ 率(C)に 変 換 した. (2) こ こ で, m:調 査 し た 車 線 の 幅(m) n:調 査 区 間 の 距 離(m) 網 状 ひ び 割 れ(m2)軽 度a,中 度b,重 度c 角 型 ひ び 割 れ(m2)軽 度d,中 度e,重 度f 縦 断 ひ び 割 れ(m)軽 度g,中 度h,重 度i 横 断 ひ び 割 れ(本)軽 度j,中 度k,重 度l また,わ だ ち掘 れ と平 坦 性 に つ い て は 内 側 わ だ ち 部 と外側 わ だ ち 部 の2箇 所 で 測 定 され て い る が,本 研 究 で は この うち,測 定 値 の大 き い方 を用 いた. 3.舗 装 の パ フ オ ー マ ン ス 式(1)で算 出 され たMCIと 大 型 車 交 通 量Wか ら, 各 路線 に お け る舗 装 のパ フ ォー マ ン ス を 求 め る.建 設 省土 木 研 究 所 で は,新 基 準 調 査 以 前 に お こな わ れ た 基 準 調 査 デ ー タ か らパ フ ォ ー マ ンス カ ー ブ を 式 (3)の よ う な 指 数 関 数 で 近 似 し,比 較 的 良 い 結 果 を 得 て い る こ とか ら1),本 研 究 にお い て も式(3)を 用 い, 各路 線 にお け る パ フ ォー マ ンス カ ー ブ を求 め た. (3) 図-1解 析の流れ こ こで, W:累 積 大 型 車 交 通 量(万 MCI0:MCIの A,B:パ た だ し,供 初 期 値(=9.5) 道 路,903:国 ラ メー タ 用 開 始 時 に お け るMCI(MCI0)は て の 路 線 に お い て,9.5と B=1と 新 基 準 調 査 か ら得 ら れ た パ フ ォ ー マ ン ス カ ー ブ の 一 例(901:国 道3号 岡 垣BP ,902:国 道10号 椎田 台) 4.FWDた 示 す. わ み と舗 装 の パ フ ォ ー マ ン ス の 関係 舗 装体 の支 持 力 を取 り入 れ た パ フ ォー マ ンス モデ た,A=200 範 囲 で 変 動 させ た とき の パ フ ォ ー マ ン ス カ ー ブ を 図-3に 図-4に 範 囲 で 変 動 させ た と き の パ フ ォ ー マ ン ス カ ー ブ を 図-2に,ま と し,Bを0.6∼4.0の 東 多 久BP)を すべ 仮 定 した. し,Aを100∼400の 道203号 示 す.パ パ フ ォー マ ン ス カ ー ブ の 形 状 に,パ フ ォ ー マ ン ス カ ー ブ の 横 軸(大 ラ メー タA,Bと,FWD測 ラ メ ー タBは ラ メ ー タAは 型 車 交 通 量)方 ル を構 築 す るた め に,上 述 した解 析 か ら得 られ たパ パ 向へ 定 か ら得 られ た た わ み 量 と の関 係 を求 め た. FWD測 定 時 にお け る舗 装 表 面 温 度 は 各 路 線 に よ って 異 な る こ とか ら,最 初 に,た わ み の温 度 補 正 を の 拡 大 率 に 影 響 を 与 え て い る. ―18― お こ な っ た.本 研 究 で は,測 る 手 法 で は な く,一 を お こ な い,得 旦,測 定 た わ み を直 接 補 正 す 定 たわ み を用 いて 逆 解 析 られ た ア ス フ ァル ト混 合 物 層 の 逆 解 析 弾 性 係 数 を 山 本 ら の 方 法6)に よ っ て 基 準 温 度 (25℃)に お け る 弾 性 係 数 に 変 換 し,そ の 後,多 層 弾 性 論 に よ っ て 表 面 た わ み を 算 出 し た. 阿 部 らの 研 究7)に よ り,FWDの D1500の 差(D0-D1500)とTAの 測 定 た わ みD0と 間 に は相 関 が あ る こ と が 明 らか に な っ て い る こ と か ら,本 研究では舗装 体 の 支 持 力 を 表 す 指 標 と し て た わ み 差D0-D1500を 用 い る こ と に した. 各 路 線 に お い て 得 ら れ た パ ラ メ ー タA,Bと,温 度 補 正 さ れ た た わ み 差(D0-D1500)と ぞ れ 図-5,図-6に 示 す.両 っ て 近 似 し た と こ ろ,式(4)お な 関 係 が 得 ら れ た.こ な か っ た が,本 図-2パ の 関係 をそ れ 者 の 関係 を指 数 関 数 によ ラ メ ー タAと パ フ ォー マ ン ス カー ブ の関 係 (パ ラ メ ー タB=1) よ び 式(5)に 示 す よ う れ らの 間 に高 い相 関 は 見 られ 研 究 で は,舗 装 マ ネ ジ メ ン トシス テ ム に 基 づ く維 持 修 繕 計 画 の フ レー ム ワ ー ク を 構 築 す る こ と を 主 な 目的 と して い る こ と か ら,こ に よ っ てFWDた れ らの 式 わ み か らパ フ ォー マ ンス を 予測 す る こ と と し た. (4) (5) た わ み差D0-D1500)を けるMCIと パ ラ メー タ と した とき に お 累積 大 型 車 交 通 量 の 関係 を 図-7に 示 す. この 図 か ら,た わ み 差 が 小 さ い と き に は舗 装 体 の支 持 力 が 大 き い た め,MCIは 図-3パ ほ と ん ど低 下 しな いが, た わ み 差 が大 き くな る に つ れMCIの ラ メ ー タBと パ フ ォー マ ン ス カー ブの 関 係 (パ ラ メ ー タA=200) 低 下 が著 し くな る こ とが 分 か る. 5.国 道12号 の修 繕 計 画 の 最 適 化 本研 究 で 構 築 した支 持 力 を考 慮 に入 れ たパ フ ォー マ ンス モデ ル を用 いて 舗 装 の修 繕 計 画 の最 適 化 をお こな っ た.国 道12号 か ら最 適 化 す る区 間(平 均 区 間長:100m,区 間 数:30)を 年 度 のMCIとFWDた 選 定 し,測 定 され た初 わ み,お よ び 交 通 量 デ ー タ か ら区間 内 にお け る パ フ ォー マ ンス を予 測 した.予 測 され たMCIを 基 に解 析 期 間 内 に必 要 とな る トー タル コス トを算 出 し,こ れ を最 小 とす る修 繕 計 画 を決 定 した.た だ し,解 析 期 間 は20年,修 オ ー バ レイ,修 繕 後 のMCIは9.5に 図-4パ 繕 方法は切削 回復 す る もの と した.ま た,修 繕 の 前後 にお い て,パ フ ォー マ ンス カー ブ の 形 状 に は変 化 が な い もの と仮 定 した. ―19― フ ォー マ ン ス カ ー ブ 図-5パ 図-7た ラ メー タAと わ み 差D0-D1500と た わ み 差D0-D1500の 関 係 図-6パ パ フ ォー マ ンス カ ー ブ の 関 係 (1)ト ー タ ル コ ス トの 算 出 図-8修 た わ み 差D0-D1500の 関 係 繕 面 積 と修繕 単価 の関 係 1m2当 た りの 修繕 単価 は,修 繕 面 積 の 関数 で あ り, 各 区 間 に お い て 測 定 さ れ たFWDた (5)に よ っ て パ ラ メ ー タA,Bを わ み か ら 式(4), 決 定 し,各 区間 内 の 大 型 車 交 通 量 デ ー タ を も と に,式(3)に よ って 各 年 度 のMCIを ら式(6)に 算 出 した.得 ラ メ ー タBと られ たMCIか 修繕 面 積 が 大 き い ほ ど単 価 が 安 くな る こ とか ら,修 繕 費 用 の算 出 に は式(7)で 表 され る ロ ジ ステ ィ ッ ク 曲 線 を用 い た.修 繕 面 積 と修 繕 単 価 の 関 係 を図-8に よ 示 す. っ て 解 析 期 間 内 に 必 要 と な る トー タ ル コ ス トを 算 出 し た8). (7) (6) こ こ で, s:修 こ こ で, tpwcn:ト ー タ ル コ ス ト(評 pwfn=1/(1+i)n,i:割 OC:修 繕費用 MC:維 持費用 UC:利 用 者 費 用(車 繕 面 積(×103m2) 価 関 数) 道 路 管 理 者 に よ る 維 持 管 理 費 用(MC)とMCIの 引 率(8%) 関 係 は,建 る9). 両 走 行 費) ― 20― 設 省 に よ っ て 式(8)の よ う に 報 告 さ れ て い (8) ま た,利 用 者 費 用 と し て は,車 象 と し た.車 両 走 行 費 の み を対 両 走 行 費(UC)とMCIの 関 係 は安 崎 ら10)が 報 告 し て い る 式(9)を 用 い た. (9) こ こ で, n:車 両走行台数 l:区 間長 (2)遺伝 的 ア ル ゴ リズ ム の適 用 解析 年 数20年,区 間 数30の 場 合,修 繕 をお こな うか 否か の組 み 合 わ せ は220×30通りに も達 し,従 来 の最 適化 手法 で は多 大 な 計 算 時 間 を要 して し ま う こ とか ら,本 研 究 で は最 適 化 手 法 と してGAを た.GAは 採用し 図-9遺 伝 的 ア ル ゴ リ ズム の 流 れ 生 物 集 団 の 進化 過 程 に 着 想 を 得 た,確 率 的探 索 方 法 で あ り,本 問 題 の よ うな 莫大 な組 み 合 わ せ とな る場 合 で も,短 時 間 で 最 適解 近傍 に到 達 で き る とい う特 徴 を有 して い る.GAに よ る修繕 計 画 の 最適 化 の流 れ を図-9に 示す. (3)最適化 され た修 繕 計 画 GAに よ っ て 最 適 化 さ れ た 修 繕 計 画 に お け るMCI の 推 移 を 図-10に 示 す.こ の 図 か らMCIは の 増 加 と と も に 低 下 し,MCIが 約4以 供用年数 下 にな る と修 繕 が 必 要 と な る こ と が 分 か る. 次 に,MCIが あ る値 以 下 にな った と き にオ ー バ レ イ を お こな う も の と し,解 析 期 間 内 にお いて 必 要 と な る トー タ ル コ ス トを 算 出 し た.MCIの ∼6と 変 動 さ せ,下 図-10GAに よ って 最 適 化 され た 修 繕 計 画 下 限 値 を1 限値 に 到 達 した とき に修 繕 をお こ な っ た 場 合 に 必 要 と な る トー タ ル コ ス ト とGAに 表-1ト よ っ て 得 られ た 修 繕 計 画 に 要 す る トー タ ル コ ス ト を 表-1に MCIの 示 す. 下 限 値 を1-6に 変 動 さ せ た 場 合,ト ル コ ス トが 最 小 と な るMCIは4で あ り,こ ータ の値よ り MCIが 大 き く な っ て も,あ る い は 小 さ く な っ て も ト ー タ ル コ ス ト は 増 大 す る .一 方,GAに よ って 最 適 化 さ れ た 維 持 修 繕 計 画 の トー タ ル コ ス トは,MCIの 下 限 値 を4と し た 場 合 に 必 要 と な る トー タ ル コ ス ト と ほ と ん ど変 わ ら な い こ と か ら,維 も 経 済 的 と な るMCI,す る か 否 か の 基 準 値 をGAに 持修 繕 計画 が 最 な わ ち オ ー バ レイ を実 施 す よ っ て 決 定 す る こ とが で き る. ― 21― ー タ ル コ ス トの 比 較 6.結 論 Level of Pavement Algorithms. 本 研 究 で 得 られ た 結 果 を 要約 す る と以 下 の よ う に Conference な る. ・ 2, 新 基 準 調 査 に よ っ て 得 られ た デ ー タか ら,調 3) 査 路 線 にお け る舗 装 の パ フ ォー マ ンス を求 め 係 を 求 め,舗 よ Proceeding Road 674•`pp. & 682, 中 村 、 伊 佐: of Airfield the using Second Pavement Genetic International Technology , Vol. 1995. 新 基 準 調 査 結 果 報 告 初 期 調 査 編(そ (そ の2), 土 木 研 究 所 資 料 第3157号, の 1993 . 4 Optimization, and Machine Learning, Addison-Wesley の関 Publishing Company, Inc., 1989. 装 の 支 持 力 に 基 づ くパ フ ォ ー マ 5) ン ス モ デ ル を 構 築 し た. ル を用 い て,国 建 設 省 道 路 局 国 道 第1課, 土 木 研 究 所: 繕 の 計 画 に 関 す る 調 査 研 究, 本 手 法 によ っ て 得 られ た パ フ ォー マ ンス モ デ FWDデ Systems 4) Gordberg, D. E.: Genetic Algorithms in Search , 得 ら れ た パ フ ォ ー マ ン ス カ ー ブ とFWDに っ て 測 定 さ れ た た わ み 量(D0-D1500)と ・ pp. on 1), た. ・ ", Management 報 告, 道12号 にお い て 測 定 さ れ た 6) ー タ か ら舗 装 の パ フ ォ ー マ ン ス を 予 第35回 建 設 省 技 術 研 究 会 昭 和54年. 山 本 富 業, 松 尾 憲 政: FWDに よ る ア ス フ ァ ル ト混 合 物 層 の 推 定 弾 性 係 数 に 関 す る 検 討, 測 し,解 析 期 間 内 に 必 要 とな る トー タル コ ス 会 議 論 文 集, トが最 小 とな る修 繕 計 画 を遺 伝 的 アル ゴ リズ 7) ム に よ って 求 め た. 舗 装の維持修 pp. 368-369, 阿 部 長 門, 丸 山 暉 彦, pp. 41-48, 日本 道路 1995. 姫 野 賢 治, 指 標 に 基 づ く 舗 装 の 構 造 評 価, 460/V-18, 第20回 林 正 則: た わ み評 価 土 木 学 会 論 文 集No . 1993. 2. 8) R. Hass, W. R. Hudson and J. Zaniewski: Modern 参考文献 pavement management, Krieger publishing company, Florida, 1994. 1) 建 設 省 土 木 研 究 所 資 料: ア ス フ ァル ト舗 装 の構造 設 計 に 関す る検 討 検 討 報 告 書, 土 木 研 究 所 資 料 第3041号 , 9) 1991. 2) Ishitani, M. , Kameyama, S. , Himeno, K., Kasahara, A. : " Maintenance and Rehabilitation St rategy at Network OPTIMIZATION REHABILITATION OF PAVEMENT STRATEGY 建 設 省: 舗 装 の管 理 水 準 と維 持 修 繕 工 法 に関 す る総 合 的 研 究, 第41回 10) 安 崎 裕, 建 設 省 技 術 研 究 会 報 告, 片 倉 弘 美, 伊 佐 真 秋: 行 費 用 に 関 す る 検 討, 舗 装, MAINTENANCE CONSIDERING 1987. 舗 装 の 供 用 性 と車 両 走 Vol. 25, No . 3, 1990. AND ITS BEARING CAPACITY Kenji HIMENO , Fujio YUGE, Masahiko ISHITANI, Shuichi KAMEYAMA and Atsushi KASAHARA Pavement performance is evaluated based on " New Investigation on national highways " carri ed out by Japanese Ministry of Construction since 1989 related to pavement structures and surface conditions . Combining the performance curves and the measured FWD deflections, a new performance model is proposed taking pavement structural adequacy into consideration. The proposed model is applied on Japanese National Highway No.12, and an attempt is made to optimize pavement rehabilitation strategy using Genetic Algorithm (GA) through FWD deflecti on measurements and performance prediction in terms of Maintenance Control Index (MCI) . ―22―
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