高速道路工学

高速道路工学

米国ノースカロライナ州のアパラチア山脈の頂上にあるブルーリッジパークウェイ
職業
名前	高速道路技術者 道路技術者 ストリートエンジニア
同義語	道路工学 道路工学
職業の種類	職業
活動分野	土木工学（交通工学） 工事
説明
能力	道路の幾何学的設計 舗装設計 交通工学 暗渠設計 建設管理/建設工学 資産運用管理 土地測量（建築測量） 土質工学（土工、斜面安定解析、擁壁）
必要な教育	土木、運輸、または建設工学の学士号および/または修士号。 プロフェッショナルエンジニア（PE）資格 専門土地測量士資格（PLS）（オプション）
雇用分野	コンサルティング会社 州または連邦運輸省（DOT） 地方自治体の公共事業部 道路建設のゼネコン 学術機関
関連の仕事	橋梁工学 トンネル工学 自転車輸送計画とエンジニアリング 都市計画

高速道路工学（道路工学や街路工学とも呼ばれる）は、交通工学の土木工学のサブ分野から分岐した専門的な工学分野であり、道路、高速道路、街路、橋、トンネルの計画、設計、建設、運用、保守を行い、人や物の安全で効果的な輸送を確保する。 ^{[1] [2] [3]高速道路工学は、}第二次世界大戦後の20世紀後半にかけて重要になった。高速道路工学の基準は継続的に改善されている。高速道路技術者は、将来の交通量、高速道路の交差点/インターチェンジの設計、幾何学的配置と設計、高速道路の舗装材料と設計、舗装の厚さの構造設計、舗装の保守を考慮する必要がある。^[1]

道路建設の始まりはローマ時代に遡る。^[2] 2頭の馬に引かれた馬車から100頭の馬に匹敵する馬力の車両へと技術が進歩するにつれ、道路開発もそれに追随する必要があった。現代の高速道路の建設は19世紀後半から20世紀初頭まで始まらなかった。^[2]

高速道路工学に特化した最初の研究は、1930年に英国で運輸研究所（TRL）の設立により開始されました。 ^{[2]米国では、} 1944年に連邦補助高速道路法が可決され、人口5万人以上の都市の90％を接続することを目的としたことで、高速道路工学が重要な分野になりました。 ^[2]時が経つにつれて大型化する車両からの絶え間ないストレスにより、舗装の改良が必要になりました。技術が時代遅れであったため、1958年に英国で最初の高速道路（プレストンバイパス）が建設され、新しい舗装技術の開発に大きな役割を果たしました。^[2]

高速道路計画には、道路網上の現在および将来の交通量の予測が含まれます。高速道路計画は高速道路開発の基本的な要件でもあります。高速道路エンジニアは、高速道路システムが及ぼす可能性のあるすべての民間への影響を予測し、分析するよう努めています。考慮すべき事項には、騒音公害、大気汚染、水質汚染、その他の生態学的影響など、環境への悪影響があります。^[3]

先進国は、老朽化し​​た交通高速道路の維持費の高さに常に直面しています。自動車産業の成長とそれに伴う経済成長により、より安全で、性能が良く、渋滞の少ない高速道路の需要が生まれました。商業、教育機関、住宅、防衛の成長は、これまで主に政府予算から賄われてきたため、公共高速道路の資金調達は課題となっています。^[4]

高速道路の多目的特性、経済環境、高速道路料金設定技術の進歩は常に変化しており、それに応じて高速道路の資金調達、管理、維持管理へのアプローチも常に変化しています。^[5]

地域社会の経済成長は、移動性を高める高速道路の発展に依存しています。しかし、高速道路の計画、設計、建設、維持管理が不適切だと、どんな規模の地域社会でも社会的、経済的特性が損なわれる可能性があります。高速道路の発展による一般的な悪影響には、生息地や生物多様性の破壊、大気汚染や水質汚染、騒音や振動の発生、自然景観の破壊、地域社会の社会的、文化的構造の破壊などがあります。高速道路のインフラは、高い品質と基準で建設、維持管理されなければなりません。^[6]

高速道路の計画、スケジュール、建設、維持管理に環境配慮を組み込むには、3つの重要なステップがあります。このプロセスは、以下の要素を体系的に扱うため、環境影響評価（EIA）として知られています。^[6]

• 自然環境と社会経済環境に及ぼす可能性のある影響の全範囲の特定^[6]
• これらの影響の評価と定量化^[6]
• 予測される影響を回避、緩和、補償するための対策の策定。^[6]

高速道路システムは、毎年約5000万人が交通事故で負傷しており、死亡者数は120万人にのぼるため、人的傷害と死亡のコストが最も高い。^[7]交通事故による負傷は、人生の最初の50年間における不慮の死亡の最大の原因である。^[8]

安全管理は、交通事故の発生と重大性を減らすための体系的なプロセスです。道路交通システムと人間と機械の相互作用は不安定であり、高速道路の安全管理に課題をもたらします。高速道路システムの安全性を高めるための鍵は、高速道路と人間と機械の相互作用の平均範囲にはるかに耐えられるように設計、構築、および維持することです。高速道路工学の技術的進歩により、長年にわたって使用されている設計、構築、および保守方法が改善されました。これらの進歩により、より新しい高速道路の安全性の革新が可能になりました。^[8]

あらゆる状況と機会が適切に特定され、考慮され、実施されることを確実にすることで、高速道路の計画、設計、建設、保守、運用のあらゆる段階で評価され、高速道路システムの安全性が向上します。^[3]

高速道路の最も適切な位置、線形、形状は、設計段階で選択されます。高速道路の設計には、3 つの主要な要素 (人間、車両、道路) と、これらの要素がどのように相互作用して安全な高速道路を実現するかを考慮する必要があります。人間の要素には、ブレーキとステアリングの反応時間、交通標識と信号の視力、および車追従行動が含まれます。車両の考慮事項には、車線幅と最大傾斜を決定し、設計車両を選択するために不可欠な車両のサイズとダイナミクスが含まれます。高速道路エンジニアは、カーブや勾配を通過する際の車両の安定性を確保し、2 車線双方向道路のカーブに沿って追い越し操作を行うための十分な視界距離を確保するために、道路の形状を設計します。^[3]

高速道路や交通の技術者は、特定の地形に合わせて高速道路を設計する際に、多くの安全性、サービス、性能基準を満たす必要があります。高速道路の幾何学的設計は、主に高速道路の目に見える要素を指します。高速道路の幾何学的設計を行う高速道路技術者は、設計が周囲のインフラに及ぼす環境的、社会的影響も考慮する必要があります。^[9]

高速道路を敷地の地形にうまく適合させ、安全性を維持するためには、設計プロセスで適切に対処しなければならない特定の考慮事項があります。これらの設計上の考慮事項のいくつかは次のとおりです。^[9]

• 設計速度
• 設計交通量
• 車線数
• サービスレベル (LOS)
• 視界距離
• 線形、横断勾配摺り付け、勾配
• 断面
• 車線幅
• 構造限界、水平および垂直クリアランス

高速道路の運用パフォーマンスは、設計上の考慮事項に対する運転者の反応とその相互作用を通じて見ることができます。^[9]

道路建設に使用される材料は、ローマ帝国の初期にまで遡り、時代とともに進化してきました。これらの材料の特性を評価し、舗装構造設計に適用する方法の進歩は、材料の進歩に伴って進んできました。^[10]

舗装面には、舗装用コンクリート（PQC）、ポートランドセメントコンクリート（PCC）、ホットミックスアスファルト（HMA）の3つの主要な種類があります。この摩耗層の下には、舗装システムに構造的なサポートを提供する材料層があります。これらの下層表面には、骨材ベースとサブベース層、または処理されたベースとサブベース層、さらにその下の天然または処理された路盤が含まれます。これらの処理層は、追加のサポートのためにセメント処理、アスファルト処理、または石灰処理される場合があります。^[10]新しい材料

柔軟性舗装、アスファルト舗装、またはターマック舗装は、通常、3層または4層で構成されています。4層の柔軟性舗装では、圧縮された天然土の路床の上に表層、基層、下層路盤が構築されます。3層の柔軟性舗装を構築する場合、路盤層は使用されず、基層は天然路床の上に直接配置されます。^[11]

柔軟な舗装の表層は、ホットミックスアスファルト（HMA）で作られています。通常、基層には非安定化骨材が使用されますが、基層はアスファルト、発泡アスファルト、ポートランドセメント、またはその他の安定化剤で安定化することもできます。路盤は一般に地元の骨材で構築され、路床の上部はセメントまたは石灰で安定化されることがよくあります。^[11]

柔軟性舗装では、表面で最も高い応力が発生し、舗装の深さが増すにつれて応力は減少します。したがって、表面には最高品質の材料を使用する必要がありますが、舗装の深さが増すにつれて低品質の材料を使用できます。「柔軟性」という用語は、アスファルトがわずかに曲がって変形し、交通負荷がかかったり取り除かれたりしたときに元の位置に戻る能力があるために使用されています。これらの小さな変形が永久的になり、長期間にわたって車輪の軌道にわだち掘れを引き起こす可能性があります。^[11]

柔軟性舗装の耐用年数は、通常20年から30年の範囲で設計されています。^[12]柔軟性舗装の各層に必要な厚さは、使用される材料、大きさ、交通荷重の繰り返し回数、環境条件、および舗装の望ましい耐用年数によって大きく異なります。これらの要因は、舗装が過度の損傷を受けることなく設計寿命まで持続するように、設計プロセス中に考慮されます。^[11]

剛性舗装は、一般的に空港や州間高速道路システムなどの主要幹線道路の建設に使用されます。さらに、耐久性の高い工業用床スラブ、港湾ヤードの舗装、大型車両駐車場やターミナルの舗装としても一般的に使用されています。柔軟な舗装と同様に、剛性高速道路舗装は、現代の高速交通に対応するために、全天候型の耐久性の高い構造物として設計されています。安全な車両走行のための高品質の走行面を提供し、路床土壌に伝達される誘導応力が許容できる大きさになるように車両の輪荷重を分散する構造層として機能します。^[12]

ポートランドセメント コンクリート（PCC）は、硬質舗装スラブの建設に最もよく使用される材料です。その人気の理由は、入手しやすさと経済性にあります。硬質舗装は、頻繁に繰り返される交通負荷に耐えられるように設計する必要があります。硬質舗装の一般的な設計耐用年数は30年から40年で、柔軟舗装の約2倍の寿命です。^[12]

剛性舗装の設計上の重要な考慮事項の 1 つは、交通の繰り返し応力による疲労破壊を減らすことです。一般的な高速道路は、その耐用年数を通じて何百万回もの車輪の通過を経験するため、疲労破壊は主要道路でよく発生します。交通荷重などの設計基準に加えて、熱エネルギーによる引張応力も考慮する必要があります。舗装設計が進むにつれて、多くの高速道路エンジニアは、剛性舗装における熱誘導応力が車輪荷重による応力と同じくらい強くなる可能性があることに気づきました。コンクリートの引張強度が比較的低いため、熱応力は剛性舗装の設計上の考慮事項にとって非常に重要です。^[12]

硬質舗装は、一般的に、準備された路盤、基礎または路盤、コンクリートスラブの 3 層で構築されます。コンクリートスラブは、スラブパネルの平面寸法の設計選択に従って構築され、舗装内で発生する熱応力の強度に直接影響します。スラブパネルに加えて、スラブのひび割れ挙動を制御するために温度補強材を設計する必要があります。ジョイント間隔は、スラブパネルの寸法によって決まります。^[12]

一般的に使用されるコンクリート舗装の主な 3 つのタイプは、ジョイント式プレーンコンクリート舗装 (JPCP)、ジョイント式鉄筋コンクリート舗装 (JRCP)、および連続鉄筋コンクリート舗装 (CRCP) です。JPCP は、舗装の自然なひび割れを誘導する収縮ジョイントを使用して構築されます。これらの舗装では、鉄筋は使用されません。JRCP は、舗装のひび割れを制御するために収縮ジョイントと鉄筋の両方を使用して構築されます。舗装内の高温と湿気による応力によってひび割れが発生しますが、鉄筋がこれをしっかりと保持します。横方向のジョイントには、通常、車両の荷重をひび割れ全体に伝達するのに役立つダボバーが配置されます。CRCP は、舗装の自然な横方向のひび割れをまとめるために、連続鉄筋のみに依存しています。プレストレスト コンクリート舗装も高速道路の建設に使用されていますが、他の 3 つほど一般的ではありません。プレストレスト舗装は、熱によって生じる応力や荷重を部分的または完全に中和することで、より薄いスラブ厚を可能にします。^[12]

柔軟性舗装の耐用年数にわたって、交通負荷が蓄積されると、過度のわだち掘れやひび割れ、乗り心地の低下、滑り抵抗の低下などが生じる可能性があります。これらの問題は舗装を適切に維持することで回避できますが、その解決策には通常、過度の維持費がかかったり、予想される交通負荷に対して舗装の構造容量が不十分になったりする可能性があります。^[13]

高速道路の耐用年数を通じて、そのサービスレベルは厳密に監視され、維持されます。高速道路のサービスレベルを維持するために使用される一般的な方法の1つは、舗装の表面にオーバーレイを配置することです。^[13]

柔軟性舗装に使用されるオーバーレイには、アスファルトコンクリートオーバーレイ、ポートランドセメントコンクリートオーバーレイ、超薄型ポートランドセメントコンクリートオーバーレイの3つの一般的なタイプがあります。従来のPCCオーバーレイのコンクリート層は、柔軟性表面の上に接着せずに配置されます。超薄型PCCオーバーレイの典型的な厚さは4インチ（10 cm）以下です。^[13]

柔軟舗装オーバーレイの設計手順には主に2つのカテゴリがあります。^[13]

• コンポーネント分析設計
• たわみに基づく設計

剛性舗装の耐用年数が近づくと、摩耗した舗装を完全に作り直すか、オーバーレイ層を敷設するかを決定する必要があります。耐用年数がまだ終わっていない剛性舗装にもオーバーレイを敷設できることを考えると、オーバーレイ層をより頻繁に敷設する方が経済的に魅力的であることが多いです。構造的に健全な剛性舗装に必要なオーバーレイの厚さは、耐用年数が終わったものよりもはるかに薄くなっています。剛性オーバーレイとフレキシブルオーバーレイはどちらも、JPCP、JRCP、CRCPなどの剛性舗装の改修に使用されます。^[14]

剛性舗装オーバーレイには、舗装オーバーレイと既存のスラブ界面の接着状態に応じて分類される3つのサブカテゴリがあります。^[14]

• 接着オーバーレイ
• 非接着オーバーレイ
• 部分的に接着されたオーバーレイ

高速道路システムの適切な排水設計は、その成功にとって極めて重要です。高速道路は「高くて乾いた」状態を保つように整地され、建設されるべきです。^[15]道路の他の部分がどれだけうまく設計され、建設されているかに関係なく、道路がその耐用年数全体に耐えるためには、適切な排水が必須です。高速道路構造物に過剰な水が溜まると、たとえそれが壊滅的でないとしても、必然的に早期の故障につながります。^[16]

各高速道路の排水システムは、その場所によって異なり、非常に複雑になることがあります。地域の地形によっては、適切な排水方法の多くが適用できない場合があります。高速道路技術者は、どのような状況で特定の設計プロセスを適用すべきかを判断する必要があります。通常、構造物から水を排出するために、いくつかの適切な方法と材料を組み合わせて使用​​します。^[16]舗装の地下排水と暗渠は、舗装の寿命を延ばし、優れた信頼性の高い性能を実現します。^[17]コンクリート舗装の下の過剰な水分は、ポンピング、ひび割れ、ジョイントの破損を引き起こす可能性があります。

侵食防止は、高速道路の排水システムの設計において重要な要素です。表面排水は、構造物から雨水を排水できるようにする必要があります。高速道路は、流出水が路肩、溝、敷地から遠ざかるように、傾斜または冠水を考慮して設計する必要があります。排水システムの設計には、流出と浸透の予測、開水路の分析、および表面水を適切な場所に導くための暗渠設計が必要です。^[16]

高速道路建設に先立って、一般的には詳細な調査と路盤の準備が行われます。^[3]高速道路を建設する方法と技術は、時間の経過とともに進化し、ますます洗練されてきました。この技術の進歩により、高速道路建設プロジェクトを管理するために必要なスキルセットのレベルが向上しました。このスキルは、プロジェクトの複雑さと性質、新規建設と再建の違い、都市部と農村部のプロジェクトの違いなどの要因に応じて、プロジェクトごとに異なります。^[18]

高速道路建設には多くの要素があり、システムの技術的要素と商業的要素に分けることができます。^[18]それぞれの例を以下に示します。

• 技術的要素
  • 材料
  • 素材の品質
  • インストール技術
  • 渋滞
• 商業的要素
  • 契約の理解
  • 環境面
  • 政治的側面
  • 法的側面
  • 国民の懸念

通常、建設はプロジェクトの種類に関係なく、敷地の最も低い標高から始まり、上に向かって進んでいきます。プロジェクトの地質仕様を検討することで、以下の情報が得られます。^[18]

• 既存の地盤条件
• 掘削、整地、現場への資材輸送に必要な機器
• 掘削対象物の特性
• 地下作業に必要な排水要件
• 掘削保護のための支保工要件
• 圧縮と粉塵抑制のための水量

路盤層は、路床と舗装の基層の間にある、厳選された材料で設計された層です。路盤層の厚さは通常4～16インチの範囲で、舗装セクションに必要な構造容量に耐えられるように設計されています。^[18]

高速道路の路盤によく使われる材料には、砂利、砕石、セメント、フライアッシュ、石灰などで固めた路盤土などがあります。浸透性路盤は、浸透した水を路面から排水する能力があるため、ますます普及しています。また、路盤下の水が路面に到達するのを防ぎます。^[18]

現地の材料費が過度に高額であったり、路盤の構造支持力を高めるために必要な材料が容易に入手できない場合、高速道路技術者は、ポートランドセメントや発泡アスファルトを混ぜて土の支持力を高めたり、架橋スチレンアクリルポリマーなどのポリマー土壌安定化剤を使用して、現場材料のカリフォルニア支持力比を4～6倍に高めたりすることができます。 ^[19]

基層は、舗装部分のうち表層の真下に位置する部分です。路盤がある場合、基層はこの層の周りに直接構築されます。そうでない場合は、路床の上に直接構築されます。典型的な基層の厚さは4〜6インチで、下層の特性によって決まります。^[18]

舗装面には継続的に大きな荷重がかかり、基層がこれらの応力の大部分を吸収します。一般的に、基層は砕石、スラグ、砂利などの未処理の砕石骨材で構築されます。基層材料は、建設交通の下で安定性と優れた排水特性を備えています。^[18]

路盤材はセメント、ビチューメン、塩化カルシウム、塩化ナトリウム、フライアッシュ、石灰などで処理されることが多い。これらの処理により、重い荷重に対する支持力が向上し、凍結に対する感受性が高まり、路盤と表層の間の防湿層として機能します。^[18]

高速道路建設で最も一般的に使用される舗装面には、ホットミックスアスファルトとポートランドセメントコンクリートの2種類があります。これらの舗装面は、滑らかで安全な走行面を提供すると同時に、さまざまな路盤層を介して交通の重い荷重をその下の路床土に伝達します。^[18]

ホットミックスアスファルト表層はフレキシブル舗装と呼ばれています。スーパーペイブシステムは1980年代後半に開発され、設計手法、配合設計、仕様、材料の品質試験に変化をもたらしました。^[18]

効果的で長持ちするアスファルト舗装を建設するには、作業品質と設備管理に熱心な経験豊富な建設作業員が必要です。^[18]

建設上の問題:

• アスファルト混合物の分離
• 横になる
• 圧縮
• 関節

プライムコートは、HMA表層を敷設する前にベースコースに塗布される低粘度アスファルトです。このコートは緩い材料を結合し、ベースコースとアスファルト表面の間に粘着層を形成します。 ^[18]

タックコートは、既存の舗装面と新しいアスファルトオーバーレイの間に接着を作成するために使用される低粘度アスファルトエマルジョンです。タックコートは通常、HMAとコンクリートの接着を助けるために隣接する舗装（縁石）に塗布されます。^[18]

ポルトランドセメントコンクリート表層は、剛性舗装、またはコンクリート舗装と呼ばれます。コンクリート舗装には、ジョイント付き平らな舗装、ジョイント付き補強舗装、連続補強舗装の3つの一般的な分類があります。^[18]

交通荷重は、PCC混合物の大きな骨材が互いに噛み合うか、表面の横方向の継ぎ目にある荷重伝達装置を介してセクション間で伝達されます。ダボバーは、ジョイントの水平方向と垂直方向の位置合わせを維持しながら、横方向の継ぎ目間で荷重を効率的に伝達するための荷重伝達装置として使用されます。タイバーは、隣接する舗装セクションを所定の位置に保持するために縦方向の継ぎ目に沿って配置される異形鋼バーです。^[18]

高速道路のメンテナンスの全体的な目的は、欠陥を修復し、舗装の構造と有用性を維持することです。適切なメンテナンス計画を作成するには、欠陥を定義、理解、記録する必要があります。メンテナンス計画は最適化の問題を解決するものであり、予測することができます。予測メンテナンス計画では、経験的かつデータ駆動型の方法により、機械モデルよりも正確な結果が得られます。^[20]柔軟な舗装と硬い舗装では欠陥が異なります。^[21]

高速道路の保守には主に 4 つの目的があります。

• 機能的舗装欠陥の修復
• 舗装の機能的および構造的な耐用年数を延ばす
• 道路の安全と標識を維持する
• 道路の予備部分を許容できる状態に保つ

定期的なメンテナンスを実施することで、高速道路システムとそのすべての構成要素を、建設時の元の状態に維持することができます。^[21]

プロジェクト管理には、プロジェクト活動の開始から完了までの組織化と構造化が含まれます。活動には、高速道路や橋などのインフラの建設、またはそのようなインフラの建設に関連する大規模および小規模の保守活動が含まれます。プロジェクト全体と関連する活動は、専門的な方法で処理され、期限と予算内で完了する必要があります。さらに、社会的および環境的影響を最小限に抑えることは、プロジェクト管理を成功させる上で不可欠です。^[22]

Wikisource には、このトピックに関するオリジナルの作品があります:高速道路工学

• Googlebooks の高速道路エンジニアのためのヒューマンファクター