土木学会論文集 E( 舗装工学 ), Vol.69, No.( 舗装工学論文集第 8 巻 ), I_67-I_7, 20. 小型 FWD と地中レーダを併用した 路面下空洞調査方法に関する検討 城本政一 青木政樹 2 竹内康 正会員博 ( 工 ) 大成ロテック ( 株 ) 事業本部技術研究所 ( 65-0027 埼玉県鴻巣市上谷 456) E-mail:masakazu_jomoto@taiseirotec.co.jp 2 正会員大成ロテック ( 株 ) 事業本部技術研究所 ( 同上 ) 正会員博 ( 工 ) 東京農業大学教授地域環境科学部 ( 56-8502 東京都世田谷区桜丘 --) 地震動の作用や経年劣化によって上下水道管の継ぎ手部分が損傷して埋め戻し砂が管内へ流入し, 路盤以下に空洞が生じることがある. このような箇所では路面に陥没等の異常が現れない場合があり, 重大事故回避の観点から早期の発見が望まれている. 本研究では, 福島県南相馬市の軽交通道路および路面下空洞を再現した試験舗装区において電磁波レーダ (GPR) と小型 FWD を併用した路面下空洞調査を実施し, その有効性について検討した. その結果, 当該調査法を用いてことで,GPR 調査のみでは見落とすような路面下空洞を効率良く検知できることがわかった. Key Words:Portable FWD, GPR, cavity, bearing capacity. はじめに日本の観測史上最大となるマグニチュード 9.0 を記録した東北太平洋沖地震は, 東北から関東にかけての東日本一帯に甚大な液状化被害をもたらした. 特に関東地方沿岸部での液状化被害は大きく, 住宅, 道路, 河川堤防, 港湾施設, ライフライン等に多大な被害が発生した. 関東地方における液状化被害の実態については, 関東地方整備局と地盤工学会によって調査報告書が作成され, 膨大なデータが公開されている ). しかし当該報告書では, 地盤の液状化については調査がなされているものの, 上下水管の埋め戻し砂の液状化のようなごく小規模な液状化は, 埋め戻し施工法の問題であり地盤の問題ではないとして, 収集の対象から除外されている. 写真 - に示すような小規模な液状化は, 関東地方だけでなく東北地方においても広範囲にわたり分布しており, 舗装下に埋設された上下水管の埋め戻し砂の液状化によって, 路面陥没やマンホールの隆起などが多く生じていた 2). このような破損箇所は, 比較的早い段階で応急的な補修が行われる. しかし, 地震動の作用や経年劣化によって上下水管の継ぎ手部分が損傷して埋め戻し砂が管内 へ流入し, 路盤以下に空洞が生じることがある. このような箇所では路面に陥没等の異常が現れない場合があり, 自動車の運転環境の悪化につながる舗装のわだち掘れやひび割れの原因となるだけでなく, 重大な事故を引き起こす道路の陥没の原因となるものであり, 早期の発見が望まれる. 下水管の破損等による路面下空洞の調査には,GPR (Ground Penetrating Radar system) が用いられることが多い.GPR は, 超短波 (VHF) から極超短波 (UHF) 領域の高周波電磁波を発 受信するアンテナ部とそれらの制写真 - 小規模液状化による下水管の破損 I-67
図 - GPR と小型 FWD を用いた路面下空洞調査のイメージ御を行う本体, および得られた結果を表示するディスプレイ部から成り立っている. 異常個所では, 多重反射現象がおき, その現象を受信アンテナでキャッチし, ディスプレイに映し出す. このディスプレイの測定波形画像にて, 異常箇所の深さや規模を求めるものである ). この方法では, 空洞の有無にかかわらず全測定結果の波形解析処理を行って異常箇所を抽出するとともに, 技術者が空洞の有無を最終的に判断しているが, 測定時のノイズや地中埋設物による反射信号を空洞と誤認するなど, 空洞の検出精度に問題が生じる場合がある. 一方, 舗装の支持力から構造的劣化や損傷具合を評価するために FWD(Falling Weight Deflectometer) が用いられている. 舗装路面下に空洞が生じている場合には, 当然のことながら測定たわみが大きくなる 4) ため, 支持力低下を誤認することは極めて少ない. しかし, 路面下空洞に関する事前情報が無い場合に, 測定たわみの変化から空洞の有無を特定することは困難である. 筆者らは, 福島県南相馬市鹿島区の軽交通道路を対象に,GPR と小型 FWD の測定法の弱点を補い, 精度良く路面下空洞を検知するために, これらを併用した路面下空洞調査法について検討を行ってきた 5). しかし, これまでの検討では, ボアホールカメラによる明確な路面下空洞を確認できなかった. そこで本研究では, 南相馬市において継続調査を行うとともに, 路面下空洞を再現した試験舗装区における測定データから,GPR と小型 FWD を併用した路面下空洞調査法の有効性および空洞の検出精度について検討することを目的としている. 2. 小型 FWD と GPR を併用した路面下空洞調査法 GPR では, 前述したように地中に電気的特性が異なる異物がある場合には, その物体の上 下面での反射波によって発生する多重反射現象から異常箇所の存在を確認することはできるが, その 正体 を特定することは難しい ). しかし, その正体が空洞であった場合には, 舗装 の支持力が低下するため, 載荷試験によって測定される舗装路面のたわみは, 他の箇所に比べて大きくなる. そこで本研究では, 図 - に示すように GPR で異常箇所を検知した場合には, 小型 FWD によってたわみ測定を行い, 異常箇所が空洞であるか否かを判断することとした. しかし, たわみ測定値は舗装の支持力のバラツキに応じて変化する. たわみ測定値は, 層厚のバラツキや測定値の誤差によって変動する. 井上ら 6) によると, 同じ構造を仮定し, 層厚や舗装材料のポアソン比のバラツキ, 測定値の誤差によって逆解析される層弾性係数の変動係数 C.V. は, アスファルト混合物層で 45%, 路盤層で 7%, 路床で % としている. 舗装構造が既知の場合には, 舗装各層の弾性係数の変動を考慮して, 多層弾性理論による順解析でたわみの上限値を求めることができるが, 軽交通舗装区間ではそのような事前情報が得られない場合が多い. そこで本研究では,GPR で異常が認められない同一舗装区間でのたわみ計測値は正規分布に従うと考え, その区間の平均値と標準偏差を用い, 式 () により信頼度を考慮したたわみの上限値を求めることとした. f k f m k () ここに,f k : たわみの上限値 (mm),f m : たわみの平均値 (mm), σ: 標準偏差 (mm),k: 信頼度 R(%) に応じた係数健全度評価を行うにあたっては, アスファルト舗装設計の信頼度の上限値を参考に,R=90%(k=.28) としてたわみの上限値を求め, その値を超えた箇所の GPR の多重反射部分を空洞と判定することとした.. 現地での検証結果南相馬市小高区内の軽交通道路にて, 前述のたわみ調査方法の検証をおこなった. 以下に, 測定箇所の概要および測定結果を示す. () 測定場所と測定方法の概要測定は, 南相馬市小高区内の軽交通道路でおこなった. この場所を調査対象とした理由は, 同地区は 202 年 4 月 6 日に立ち入り禁止が解除され, 道路が震災後のままほぼ手つかずであったこと, 地区内での宿泊は禁止されているが復旧作業のために今後交通量の増加が見込まれるため, 道路状況の把握が必要となることが挙げられる. なお, 調査機器として,GPR は,GSSI 社製 SIR-000( 周波数 400MHz) と, 小型 FWD は, 東京測器研究所社製 FWD-Light を使用した. また, 調査は 202 年 7 月 6 7 日に実施した. 調査位置は, 下水管マンホールを結ぶ直 I-68
線区間を選び, 路面下の状況を電磁波レーダで検査するとともに, 異常信号検出箇所とその周辺にて小型 FWD 試験を実施した. 調査実施箇所は図 -2 に示す通りで, 路面変状は確認されていない箇所であった. なお, 小型 FWD の載荷半径は 5cm, 載荷回数 5 回, 載荷重は平均で 8000N ( 重錘重さ 0kg, 落下高さ 500mm) あったため基準荷重を 8,000N とし, 式 (2) にしたがって FWD たわみを補正した. w w 8000 P (2) ここに,w w : 補正前 後のたわみ,P: 載荷重 (N) (2) 路面下空洞調査結果 GPR による調査結果を図 - に示す. ただし, 今回用いたレーダは, 正の反射を白色に, 負の反射を黒色で示 地点 No. 地点 No から No.2 まで約 0m 地点 No.2.2m 4.8m 2 4 5 7 6 5 2 4 GPR 測線 地点 No. 図 -2 小型 FWD 載荷位置 地点 No. 2 4 5 路盤 ~ 路床での異常信号 2 4 5 路盤 ~ 路床での異常信号 路床内の異常信号 路床内の異常信号 す設定である. 図 - より, 調査を行った箇所は生活道路であることから, 埋設管が多く存在している. このことから GPR の測定画像からでは, 多くの埋設管の中から空洞を判定することが困難な箇所であると言える. このような路線において, 図 - に示すように, 4.7m 及び 5.5m の位置に空洞と思われる測定画像 ( 使用したレーダでは, 白, 黒, 白の順で表される凸型の縞模様 ) が検出されたので,4.7m を地点 No.,5.5m の位置を地点 No.2 として, 小型 FWD によるたわみ量測定を行い, 空洞の有無については, ボ 0.0 0. 0.2 0. 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 縦断距離 (m) 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 測定値上限値 2 平均値 図 -4 地点 No. での小型 FWD 測定結果 縦断距離 (m).0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 0.0 0. 測定値上限値 平均値 0.2 0. 0.4 0.5 0.6 2 0.7 4 0.8 5 6 7 図 -5 地点 No.2 での小型 FWD 測定結果 [cm] 0 地点 No. 4 [cm] 0 地点 No.2 5 0 0 2 4 5 6 7 路盤 ~ 路床での異常信号 20 20 空洞 地点 No.2 0 0 図 - GPR 測定画像 ( 上 : 健全部, 中 : 地点 No., 下 : 地点 No.2) 空洞 40 図 6 各地点の測点 での路面下空洞 I-69
:GPR 計測線 : 小型 FWD 試験位置 ( は健全部 ) 舗装端からの横断距離 (m).5.0 0.5 D C B A 測線 2 測線 密粒度 As 上層路盤 5cm 5cm 20cm 40cm 下層路盤 20cm 路 床 模擬空洞 縦断距離 (m) 0.0 2.0.0 4.0 5.0 6.0 図 -7 模擬空洞を設置した試験舗装の概要 アホールカメラにより確認を行った. 小型 FWD によるたわみ量測定結果を図 -4,5 に, ボアホールカメラの画像を図 -6 に示す. なお, 調査地点での, 健全部の選定については, 埋設管が存在しない対向車線において,GPR にて異常反応が広範囲 (m 以上 ) で見られない箇所とした. このときの, 健全部 (n=5) での平均たわみ量は 0.04mm, 標準偏差 0.077mm であったことから, 式 () を用い, 空洞を判定する上限たわみ量は 0.40mm とした. なお, たわみ量の値は, 荷重補正のみ行った値で, 温度補正は行っていない. また, 健全部のデータ個数は, 誤差 0.05mm, 標準偏差 0.077mm である場合,8 個以上のデータ数で信頼度 90% を満足する, このことから健全部のデータ数は十分であると考え空洞調査をおこなった. たわみ量測定結果は,GPR より空洞の中心と考えられる測点 では, 測定たわみは上限値である 0.40mm を大きく越えていることがわかる. また, 地点 No. の測点 2, 地点 No.2 の測点 4 6のように, 比較的浅い位置に空洞を示す異常信号がある箇所でも同様に測定たわみは上限値を越えていた. このことより, 電磁波レーダで異状と考えられた箇所で路面下 40cm までの空洞においては式 () の判定式の有効性が確認された. しかしながら, 地点 No. の測点 5のように,GPR による異常信号が.0m と比較的深い位置にある場合には, 測定たわみが小さくなり, たわみ上限値を明らかに越えているとは言い難い結果となった. また, 地点 No.2 の測点 では, 異常信号は認められない箇所であっても上限値を大きく越える箇所があった. このような箇所は, GPR の検出範囲外の側方に空洞等の舗装の緩みがあり, 支持力が低下している可能性を示しているものと考えられる. 空洞反応あり C 工区 B 工区 A 工区 図 -8 測線 ( 空洞中央部 )GPR 計測結果 空洞反応なし C 工区 B 工区 A 工区 図 -9 測線 2( 空洞より 25cm 外 )GPR 計測結果 8kN 補正たわみ (mm) 0. 0 00 図 -0 8kN 補正たわみ (mm) 0. 0 00 0 50 00 50 空洞箇所 A B C D( 健全部 ) 健全部平均上限値 A C 工区での横断方向のたわみの変化 縦断方向距離 (cm) 0 00 200 00 400 500 600 C 工区 B 工区 A 工区 50cm 00cm 25cm 健全部上限値 図 - 縦断方向のたわみの変化 I-70
4. 模擬空洞による検証実験前述した福島県の実道での空洞調査において,GPR によって空洞を示す異常信号が検知されない箇所であっても 小型 FWD で計測したたわみが明らかに路面下空洞による異常値を示している箇所があった このような箇所は GPR の検出範囲外の側方に空洞等の舗装の緩みがあり 支持力が低下している可能性を示しているものと考えられる. この現象を確認するために, 模擬空洞を作成し, 検証をおこなった. 以下にその概要および測定結果を示す. 表 - FEM 解析条件 厚さ (cm) 弾性係数 (MPa) ポアソン比 表層 5 2,70.00 0.5 上層路盤 5 200.00 0.5 下層路盤 20 00.00 0.5 路床 00 70.00 0.40 5m 5m () 模擬空洞と試験舗装の概要空洞の深さと, たわみ量の関係を検証するために, 大成ロテック技術研究所構内に図 7( 上 : 平面図, 下 : 断面図 ) に示すように試験舗装を施工した. 小型 FWD および GPR の試験位置は平面図に示すとおりで,D 工区の横断方向 5 測点とその横 50cm の 測点, 合計 8 点のデータを健全部データとし, 平均値と標準偏差を算出した. なお, 健全部のデータ個数は, 誤差 0.05mm, 標準偏差 0.06mm である今回は,5 個以上のデータ数あることから信頼度 90% を満足することが確認された. また, 模擬空洞 (.0.0 0.2m) は木枠を用いて作製し, 転圧によって木枠が破損しないように砂や硬質発泡スチロールを密詰めにした. 空洞調査時には図 -7 に示すように, 試験舗装路肩部を掘削し, 木枠内部の充填材料を取り除いた. (2) 路面下空洞調査結果 GPR と小型 FWD による空洞調査は平成 25 年 4 月 8 日に行い 調査実施時の路面温度は 5 8 であった GPR による測定結果を図 8 9 に示す 図 8 は模擬空洞の真上 ( 図 7 の測線 ) を通過したときの結果である これに対し 図 9 は空洞縁部から横断方向に 25cm 離れた測線 ( 図 7 の測線 2) での結果である これらの結果より GPR では 空洞から 25cm 程度離れると舗装体内の異常を検知できないことがわかる 次に小型 FWD による測定結果を図 0 に示す 図 0, のたわみは 全て基準荷重を 8kN として補正した値である この結果を見ると B C 工区の空洞直上のたわみが非常に大きな値となっていることがわかる これは 当該工区では空洞が浅い位置にあるために重錘落下時の反力が得られず 小さい荷重で大きなたわみが発生したことが原因である なお 小型 FWD の載荷による路面陥没を防ぐために B C 工区の空洞には硬質発泡スチロールを挿入して実験を行った 各工区での横断方向の測定結果 ( 図 0) を見ると 載荷位置が空洞上部である場合には空洞位置が浅いほどたわみは大きくなるが 横断方向で 00cm 以降の B C 工区での結果では 空洞位置の深浅が必ずしもたわみの大.4m 図 -2 FEM モデル 0 50 00 50 0. 0 FEM A 工区 FEM B 工区 00 FEM C 工区 0 00 200 0. 0 実測 A 工区 実測 B 工区 00 実測 C 工区 図 - ゆるみなし FEM 解析結果 ( 左 :FEM 右 : 実測 ) 0 50 00 50 0. 0 FEM A 工区 FEM B 工区 00 FEM C 工区 0 00 200 0. 0 実測 A 工区 実測 B 工区 00 実測 C 工区 図 -4 ゆるみを考慮した FEM 解析結果 ( 左 :FEM 右 : 実測 ) I-7
小を決定していない これは, 模擬空洞の製造精度, 小型 FWD 試験の測定誤差等も含まれるかもしれないが, 同様の傾向が, 図 の縦断方向の測定結果のうち 25cm での結果にも表れており B 工区 (50 250cm) でのたわみの方が C 工区 (50 450cm) の結果よりも大きな値を示していることがわかる 地盤表面に作用した荷重の地盤内での影響範囲は 圧力分布のコンター図を描くと下方に至るほど広がる球根状に分布することが知られている つまり C 工区よりも僅か下方に空洞が位置する B 工区の方が荷重の影響線の範囲内に空洞が位置したために たわみが大きくなったものと考えられる また 空洞中心から 50cm 離れた場合 (50cm) では 何れの工区でも測定たわみは上限値を超えず 健全部として判定されることがわかった なお A 工区では空洞位置が深いこともあり 25cm の測線では健全部として判定された 以上のことより 表層下の比較的浅い位置に空洞がある場合には 空洞直上でなくとも小型 FWD のたわみの変化によって空洞を検出できることがわかった められたたわみ量より何れも大きな値を示していることから, 空洞が周囲の舗装材料の弾性係数等に大きな影響を与えていることが分かる. 模擬空洞の上部の板がたわみ, ゆるみが発生していたことを考慮し, この事象を確認するために, 空洞が直上にある層が空洞の影響により緩んだことで, 弾性係数が 50% に変化したと仮定し,FEM 計算を行った. 計算結果を図 -4 に示す. 図 -4 より, 空洞直上層の弾性係数を健全部の 50% に変化させても, たわみ量は実測定より小さな値となっている. 小型 FWD 試験は, 衝撃荷重を載荷する試験にあるのに対し,FEM 解析は静的解析であるため, 誤差は生じるが, 図 -,4 の FEM で計算したたわみ量が, 実測のたわみ量よりかなり小さいことから, 空洞箇所の直上材料がゆるみにより弾性係数が 50% 以下になるだけでなく, 空洞周囲がゆるみ, 空洞が崩れたことによる厚さの減少等が影響していると考えられる. しかしながら, 今回はその影響まで解析により検証することが出来なかった. () 測定たわみと FEM によるたわみの比較模擬空洞で測定されたたわみ量が, 空洞との位置関係および空洞周囲のゆるみにどのように影響されているかを, 確認するため FEM 解析を行い確認した. 以下に, 解析条件, 解析モデルを示す. なお,FEM 解析は,ADINA R&D 社の ADINA を用いて解析を行った. a) 解析条件解析は, 全材料を弾性体と考え, 静的解析を行った. 解析で使用する材料の弾性係数を表 - に示す. 各層の弾性係数は, 健全箇所で測定されたたわみ量 (0.265mm) と, 模擬空洞を作成するときに測定しているたわみ量を用いて決定した. b) 解析モデル関根 7) らによると小型 FWD では, 載荷板直径の 5 倍より深い位置の剛性評価はできないとしている. このことを考慮し, 解析モデルは, 図 -2 に示すように, 載荷版半径 5cm の圧力球根に影響を与えないよう縦 0m 横 5m (2 分の モデルのため縦方向の解析は半分の 5m) 深さ.4m( 路床を m) とし 横方向の片側は ( 図 -2 の右下側 ) 試験舗装と同じようにフリーとした. また, 各層の厚さは, 表 - の値を用い, モデルを作成した. 載荷位置は解析モデル中央に配置し, 載荷荷重は8,000N とした. また, 空洞は, 模擬空洞と同じく縦 m 横 m 深さ 20cm とし空洞の深さ, 載荷位置を模擬空洞と同じ条件となるよう解析を行った. C) 解析結果最初に, 空洞だけが独立で存在し, 空洞が周囲の材料に影響を与えていない ( ゆるんでいない ) 状態について FEM で計算した. 計算により求められたたわみ量を図 - に示す. 図 - より, 実際に測定されたたわみ量は,FEM で求 5. まとめ 本研究では,GPR と小型 FWD を併用した路面下空洞調査法の有効性および測定精度について検討してきた. 主な結果をまとめると以下の通りである. (a) 舗装構成が分かっていない路線であっても, 異常が認められない同一舗装区間の平均たわみ量, 標準偏差を用いることで, 空洞を判定するたわみ量の上限値を算出する方法を見出すことが出来た. また, この判定式を用いることで, 空洞箇所の判定を行いことができ, 空洞箇所を特定することできた. (b) GPR では探知できないようなゆるみが生じている箇所や, 空洞の周囲でも, 支持力が低下していれば, たわみ量を測定することでゆるみや空洞を検出可能なことが分かった. (C) FEM 解析により, 空洞が周囲に与える影響は, 直上にある層の弾性係数を 50% 以下にするような大きなものであることが分かった. 以上, 図 -4 のような, 空洞箇所が m と比較的深い箇所にある場合, 提案した式 () の判定式の精度まで確認することが出来なかったが, 空洞が路面下 40cm 以内で存在する場合は, 本研究で提案した判定式で効率的かつ簡易に空洞を判断することが出来ることが, 実道で確認することが出来た. また, 模擬空洞を作成し, 模擬空洞上でのたわみ量と FEM 解析結果を比較することで, 空洞が周囲に与える影響が大きいことが分かった. 今後は測定データを増やし, 実際の条件と一致するような FEM 解析における空洞モデルを作成することで, 空洞が周囲にどのような影響を与えているかを確認し, 空洞の検出精度を向上させていきたい. I-72
謝辞 : 本研究を行うにあたり, 東京農業大学生産環境工学科水利施設工学研究室の学生の諸氏には, テータ計測等のご協力をいただいた. また, データ解析にあたっては平成 24 年度科学研究費補助金 ( 基盤研究 (B) 226075, 研究代表者竹内康 ) の補助を受けたことを付記し, 関係各位に感謝するものである. 参考文献 ) 国土交通省関東地方整備局,( 公社 ) 地盤工学会 : 東北地方太平洋沖地震による関東地方の地盤液状化現象の実態解明報告書,20. 2) 竹内康 : 東北地方被災地における舗装の視察結果, アスファルト,Vol.54,No.227,pp.-7,202. ) 森充広, 長束勇, 畑山元晴 : 地中レーダ法の測定原理と適用事例, 農業土木学会誌,Vol.67,No.,pp.65-72,99. 4) 坪川将丈, 水上純一, 畑伊織, 前川亮太 : 東北地方太平洋沖地震による仙台空港の舗装被害, 土木学会論文集 E( 舗装工学 ),Vol.68,No.,pp.I_2-I_29,202. 5) 竹内康, 城本政一, 緑川兼広 : 軽交通道路における小型 FWD を用いた簡易な路面下空洞評価方法の検討, 第 2 回北陸道路会議, 報文集 B-9(CD-ROM),202. 6) 井上武美, 松井邦人, 三瓶辰之 : 舗装の逆解析において層弾性係数の推定に影響を及ぼす因子とその影響度の検討, 土木学会論文集,No.4/V-5,pp.77-85,99. 7) 関根悦夫, 鴨智彦, 阿部長門, 丸山暉彦 : 重錘落下による鉄道盛土の締固め管理方法, 土と基礎,Vol.48,No.4, pp.-6,2000. EXAMINATION ON ROAD SURFACE LOWER CAVITY INVESTIGATION METHOD USING PORTABLE FWD AND GPR Masakazu JOMOTO, Masashige AOKI and Yasushi TAKEUCHI Joint of water and sewer pipes can be damaged by the earthquakes and aging, then sand backfill surrounding the joint is drawn into the pipe, finally the cavity occurs. Sinkhole does not appear immediately, but early detection of below area for possible cavities is desired from the point of view of serious accident avoidance. In this study, we verified the method combined with portable FWD and GPR in lightly trafficked road of FUKUSHIMA Prefecture and test filed where there are cavities. As a result, by using this method, it was found that the cavities which were overlooked by GPR can be detected efficiently. I-7