Analys av rullande bärighetsmätningar. Teknisk undersökning av relationer mellan vägens styvhet, materiallager och mätvärden

Abstract (Swedish)

Bärighetsmätningar är avgörande för att bedöma vägars kapacitet att hantera ökande trafikbelastningar. Enligt Trafikverket förväntas en ökning av personbilar med 27%, bussar med 17% och godstransporter med 46% fram till år 2040. Denna prognostiserade tillväxt leder till ökat vägslitage vilket i sin tur kräver mer omfattande underhåll och komplexare åtgärder i högtrafikerade områden. Traditionellt används fallviktsmätning för att bedöma vägars bärighet men denna metod kräver trafikledning och ger endast punktvis information om vägens tillstånd. Forskning visar att asfaltens egenskaper påverkas av belastningstid och temperatur vilket gör rullande bärighetsmätningar mer effektiva. Dessa mätningar ger dessutom kontinuerlig data längs hela vägsträckan och minimerar trafikstörningar.

Huvudsakligen används två metoder för rullande bärighetsmätningar: Raptor (Rapid Pavement Tester) och TSD (Traffic Speed Deflectometer). TSD mäter hastigheten på deflektioner med dopplerlasrar medan Raptor mäter avståndet till vägytan med linjelasrar. Studien syftar till att undersöka relationen mellan vägmaterialens styvhet och deras respons på belastningar med fokus på teoretiskt beräknade Raptor-mätvärden. Målet är att direkt kunna använda mätdatan för att få en översiktlig bild av vägens tillstånd och identifiera lager med nedsatt bärighet.

Det finns tolv lasrar monterade på Raptor fordonet som inte mäter deflektioner utan i stället genererar så kallade RDI:er (Raptor deflection indicies). Mätningar från tre lasrar på en balk kan kombineras för att beräkna en RDI. För att sedan särskilja mellan olika RDI-värden som beräknas från olika kombinationer av lasrar, används index som representera laserpositionerna i förhållande till lasthjulets placering. Totalt genereras 22 olika RDI-värden som delas in i tre grupper: symmetriska, osymmetriska och stora RDI:er. Genom Harr’s algoritm kan dessa RDI-värden beräknas med deflektioner.

I detta arbete undersöktes möjligheten att upprätta relationer mellan styvheter och teoretiskt beräknade mätvärden från Raptor genom användning av både elastiska och viskoelastiska analyser. RDI:erna beräknades med PMS-objekt i en elastisk miljö medan beräkningar i en viskoelastisk miljö genomfördes med hjälp av 3D Move Analysis och Raptors inbyggda programvara där både styvheter och lagertjocklekar varierades. För att identifiera samband och korrelationer mellan styvheter och RDI:er tillämpades sedan regressionsanalyser och Kendalls rangkorrelationsanalyser.

I denna studie identifierades en rad olika RDI:er som beskriver egenskaperna för de enskilda lagren i en vägkonstruktion. Dock kunde ingen specifik RDI fastställas som optimalt beskriver dessa egenskaper. Vidare visade analysen att det inte är möjligt att upprätta ett entydigt matematiskt samband mellan RDI och styvhet genom en linjär regressionsanalys. Detta beror på att relationen mellan RDI och styvhet inte är strikt linjärt och varierar med avseende på lagrets tjocklek.

Slutsatsen är att inte enbart elasticitetsmoduler har en inverkan på de beräknade RDI-värden utan även lagertjocklekar spelar en kritisk roll. Materialmodellen för de viskoelastiska egenskaperna ger liknande beräkning av RDI:er. Däremot har vägkonstruktionens konfiguration, såsom två- eller trelagersystem en större effekt. Utifrån dessa slutsatser har rekommendationer för fortsatt arbete föreslagits. I dessa inkluderas att fler lagertjocklekar bör studeras och att praktiskt mätdata kan jämföras med resultat från denna studie.

Bearing capacity measurements are crucial for assessing the ability of roads to handle increasing traffic loads. According to the Swedish Transport Administration, a rise in passenger cars by 27%, buses by 17%, and freight transport by 46% is expected by 2040. This projected growth leads to increased road wear, requiring more extensive maintenance and complex measures in high-traffic areas. Traditionally, falling weight deflectometer (FWD) testing is used to evaluate road bearing capacity, but this method requires traffic management and provides only point-specific information about the road's condition. Research indicates that asphalt properties are influenced by load duration and temperature, making rolling weight deflectometer (RWD) measurements more effective. These measurements provide continuous data along the entire road stretch and minimize traffic disruptions.

Two main methods are used for rolling bearing capacity measurements: Raptor (Rapid Pavement Tester) and TSD (Traffic Speed Deflectometer). TSD measures deflection speeds using doppler lasers, while Raptor measures the distance to the road surface using line lasers. This study aims to investigate the relationship between the stiffness of road materials and their response to loads, focusing on Raptor measurements. The goal is to use the measurement data directly to obtain an overview of road conditions and identify layers with reduced bearing capacity.

The Raptor vehicle is equipped with twelve lasers that do not measure deflections but instead generate RDI (Raptor Deflection Indices). Measurements from three lasers on a beam can be combined to calculate an RDI. To distinguish between different RDI values calculated from various combinations of lasers, indices representing laser positions relative to the load wheel placement are used. A total of 22 different RDI values are generated, divided into three groups: symmetrical, asymmetrical and large RDIs. Using Harr’s algorithm these RDI values can be calculated with deflections instead.

This study investigated the possibility of establishing relationships between stiffness and theoretically calculated measurements from Raptor using both elastic and viscoelastic analyses. RDIs were calculated with PMS object in an elastic environment, while calculations in a viscoelastic environment were performed using 3D Move Analysis and Raptors built-in software. Theoretical Raptor measurements were calculated for four different base constructions. To identify relationships and correlations between stiffness and RDIs, regression analyses and Kendall's rank correlation analyses were applied.

The study identified various RDIs that describe the properties of individual layers in a road construction. However, no specific RDI could be established as optimally describing these properties. Furthermore, the analysis showed that it is not possible to establish a clear mathematical relationship between RDI and stiffness through linear regression analysis, as the relationship between RDI and stiffness is not strictly linear and varies with respect to layer thickness.

The conclusion is that not only elastic moduli affect the calculated RDI values, but layer thicknesses also play a critical role. The material model for viscoelastic properties provides similar RDI calculations. However, the configuration of the road construction, such as a two- or three-layer system, has a more significant effect. Based on these conclusions, recommendations for future work have been proposed, including studying more layer thicknesses and comparing practical measurement data with the results from this study.

• author: Mitelski, Patrik
• supervisor: Sven Agardh
• organization: Transport and Roads
• alternative title: Analysis of rolling bearing capacity measurements. Technical investigation of the relationships between road stiffness, material layers, and measurement values
• course: VTVM05 20241
• year: 2024
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Bärighet, Rullande bärighetsmätning, Raptor, Viskoelasticitet, Elasticitet, Linjär regression, Kendall’s rangkorrelation
• publication/series: CODEN: LUTVDG/(TVTT-5360)/1- 102/2024
• report number: 393
• ISSN: 1653-1922
• language: Swedish
• id: 9173724
• date added to LUP: 2024-09-09 08:32:20
• date last changed: 2024-09-09 08:32:20