Advanced

Mechanistic-Empirical Modeling of Permanent Deformation in Asphalt Concrete Layers

Oscarsson, Erik LU (2011) In Bulletin 259.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

De allra flesta av oss bilister har någon gång kört på en väg med tydliga spår i vägytan. Man märker tydligt hur både komforten och säkerheten minskar eftersom möjligheten att styra fordonet försämras. Dessutom försämras trafiksäkerheten ytterligare när regn eller snö ansamlas och orsakar vattenplaning eller halka. Därför får de gradvis framväxande spåren inte bli för djupa. Problemet hanteras genom att utföra underhåll eller att bygga ny väg, vilket årligen kostar Trafikverket ca åtta respektive ca 11 miljarder kronor. För att förhindra framtida problem måste man säkerställa att åtgärden är långsiktigt hållbar. Samtidigt vill man inte överdimensionera av ekonomiska och miljömässiga skäl. Därför... (More)
Popular Abstract in Swedish

De allra flesta av oss bilister har någon gång kört på en väg med tydliga spår i vägytan. Man märker tydligt hur både komforten och säkerheten minskar eftersom möjligheten att styra fordonet försämras. Dessutom försämras trafiksäkerheten ytterligare när regn eller snö ansamlas och orsakar vattenplaning eller halka. Därför får de gradvis framväxande spåren inte bli för djupa. Problemet hanteras genom att utföra underhåll eller att bygga ny väg, vilket årligen kostar Trafikverket ca åtta respektive ca 11 miljarder kronor. För att förhindra framtida problem måste man säkerställa att åtgärden är långsiktigt hållbar. Samtidigt vill man inte överdimensionera av ekonomiska och miljömässiga skäl. Därför används modeller för att beräkna hur spårbildningen utvecklas vid olika trafiklaster och klimat i den planerade vägkonstruktionen. På det sättet kan man välja de material och lagertjocklekar som minimerar kostnaden på lång sikt.



Spårbildning orsakas av en kombination av dubbdäckens nötning samt permanenta deformationer både i asfaltlager och underliggande lager av krossat bergmaterial och jord. Denna avhandling fokuserar på modellering av permanenta deformationer i asfaltlager, som består av efterpackning, eller förtätning, och flytning som innebär att materialet trycks ned i hjulspåret och trycks upp vid sidan. Permanenta deformationer i asfaltlager orsakas av faktorerna trafik, material, överbyggnadskonstruktion och klimat. Trafiken påverkar genom antalet belastningar, storleken på lasten och belastningstrycket mellan däck och vägyta. Material och konstruktion spelar in genom att olika typer av asfaltmaterial placerade på olika djup i vägkonstruktionen skapar olika förutsättningar för att motstå de permanenta deformationerna. Klimatet påverkar genom att asfalten, som består av krossat berg och råoljeprodukten bitumen, har mekaniska egenskaper som är mycket temperaturberoende.



De modeller som utvärderades i denna avhandling är de amerikanska M-E PDG och CalME, och den svenskutvecklade PEDRO. De aspekter som studerades var metoder för att anskaffa indata, modellering och kalibrering. Insamling av indata är viktig eftersom dess kvalitet begränsar resultatens kvalitet. Modelleringen och dess element utvärderades med avseende på dess överensstämmelse med observerat beteende på verkliga vägar. Slutligen studerades även omfattningen av kalibreringen, som är en empirisk korrektion som korrelerar modellresultat med observerat spårdjup.



Utvärderingen utfördes genom att ett antal vägsektioner bestående av olika material utsattes för olika trafikbelastningar och klimat. Dessa uppgifter har sedan använts som indata till modellerna. Modellresultaten jämfördes sedan med observerat spårdjup från de aktuella vägsektionerna. Utvärderingen utfördes med två motorvägsektioner utsatta för verkliga trafik- och klimatförhållanden, och med två fullskalesektioner utsatta för intensiv mekanisk belastning av en maskin som simulerar tunga fordon (Heavy Vehicle Simulator). Modellerna kunde generellt sett beräkna de observerade permanenta deformationerna under vissa förhållanden. De utvärderade modellerna uppvisade därmed både rimliga och användbara egenskaper men även vissa begränsningar. Ytterligare validering under svenska förhållanden vore värdefull för att implementera delar av modellerna för dimensionering i Sverige. (Less)
Abstract
Three mechanistic-empirical permanent deformation models were evaluated under Swedish conditions with respect to traffic, climate and materials using accelerated pavement testing and long-term pavement performance studies. The mechanistic-empirical pavement design guide (M E PDG), the incremental-recursive mechanistic-empirical CalME model (CalME), and the PErmanent Deformation of asphalt concrete layer for ROads (PEDRO) model generally showed both useful features and limitations. The M E PDG results were more accurate at the lowest material input data quality level (level 3) than at the highest (level 1). The main cause was probably the demonstrated inaccuracy of the predicted dynamic modulus at level 3 compared with measured level 1... (More)
Three mechanistic-empirical permanent deformation models were evaluated under Swedish conditions with respect to traffic, climate and materials using accelerated pavement testing and long-term pavement performance studies. The mechanistic-empirical pavement design guide (M E PDG), the incremental-recursive mechanistic-empirical CalME model (CalME), and the PErmanent Deformation of asphalt concrete layer for ROads (PEDRO) model generally showed both useful features and limitations. The M E PDG results were more accurate at the lowest material input data quality level (level 3) than at the highest (level 1). The main cause was probably the demonstrated inaccuracy of the predicted dynamic modulus at level 3 compared with measured level 1 results, and the M E PDG calibration at level 3. The CalME underestimated the permanent deformation in the semi-rigid section due to its response modeling sensitivity to overall pavement stiffness. Further, the results indicated that the relation between elastic and plastic material properties may change throughout the pavement life. The PEDRO model behavior due to lateral wander and observed field temperatures was reasonable. The zero shear rate viscosity assessment method for asphalt concrete, utilized in PEDRO, should be further evaluated. All models produced reasonable permanent deformation results although further validation and calibration is recommended before employment for pavement design purposes in Sweden. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Pellinen, Terhi, Aalto University, Espoo, Finland
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
permanent deformation, modeling, Mechanistic-Empirical, rutting, asphalt concrete, full-scale pavements
in
Bulletin
volume
259
pages
208 pages
publisher
Department of Technology and Society, Lund University
defense location
Lecture hall V:B, V-building, John Ericssons väg 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2011-04-27 10:15
ISSN
1653-1930
ISBN
978-91-7473-083-8
language
English
LU publication?
no
id
e44c627a-b067-4f94-a14e-6d411cebbb78 (old id 1884775)
date added to LUP
2011-04-01 12:35:23
date last changed
2016-09-19 08:44:46
@phdthesis{e44c627a-b067-4f94-a14e-6d411cebbb78,
  abstract     = {Three mechanistic-empirical permanent deformation models were evaluated under Swedish conditions with respect to traffic, climate and materials using accelerated pavement testing and long-term pavement performance studies. The mechanistic-empirical pavement design guide (M E PDG), the incremental-recursive mechanistic-empirical CalME model (CalME), and the PErmanent Deformation of asphalt concrete layer for ROads (PEDRO) model generally showed both useful features and limitations. The M E PDG results were more accurate at the lowest material input data quality level (level 3) than at the highest (level 1). The main cause was probably the demonstrated inaccuracy of the predicted dynamic modulus at level 3 compared with measured level 1 results, and the M E PDG calibration at level 3. The CalME underestimated the permanent deformation in the semi-rigid section due to its response modeling sensitivity to overall pavement stiffness. Further, the results indicated that the relation between elastic and plastic material properties may change throughout the pavement life. The PEDRO model behavior due to lateral wander and observed field temperatures was reasonable. The zero shear rate viscosity assessment method for asphalt concrete, utilized in PEDRO, should be further evaluated. All models produced reasonable permanent deformation results although further validation and calibration is recommended before employment for pavement design purposes in Sweden.},
  author       = {Oscarsson, Erik},
  isbn         = {978-91-7473-083-8},
  issn         = {1653-1930},
  keyword      = {permanent deformation,modeling,Mechanistic-Empirical,rutting,asphalt concrete,full-scale pavements},
  language     = {eng},
  pages        = {208},
  publisher    = {Department of Technology and Society, Lund University},
  series       = {Bulletin},
  title        = {Mechanistic-Empirical Modeling of Permanent Deformation in Asphalt Concrete Layers},
  volume       = {259},
  year         = {2011},
}