Validation of heavy vehicle loading responses and temperature predictions in flexible pavements using field data

QC 20221125

Abstract

Det är väl känt att både belastning från trafik och klimat påverkar vägars strukturella beteende. Strukturella dimensioneringsmetoder för vägar tar hänsyn till båda dessa belastningar och förutser deras inverkan på nedbrytningsförloppet under dimensioneringsperioden. Nya metoder och modeller är under utveckling som syftar till att utöka och förbättra förutsägelserna av vägars tillståndsförändringar och därmed nedbrytningsprocessen. Dessa modeller behöver valideras mot uppmätta data innan de börjar användas i allmänna dimensioneringsprogram. 

Denna doktorsavhandling undersöker påverkan av klimatfaktorer så som temperatur, fukt och frys-tö cyklar på vägars strukturella beteende. Dessutom har det undersökts hur långa och tungt lastade fordon påverkar tunna vägkonstruktioner vid olika klimatförhållanden. Avhandlingens slutsatser baseras på jämförelser av fullskaliga försök med tunga fordon som används på vägnätet i dag med beräkningar. Insamlad last- och töjningsdata från sensorer i vägkroppen som belastas med tung trafik samt vägtemperatur, fukt och frost har använts för att validera modeller för att beräkna den uppmätta mekanistiska samt termiska responsen i vägar. 

De modeller som har utvecklas och validerats har inkluderats i en ny mekanistisk – empirisk vägdimensioneringsmetodik som är under utveckling i Sverige. Resultaten presenteras här i fem artiklar samt i en kort sammanfattande del. Doktorsavhandlingen är en fortsättning av en Licentiatavhandling som tidigare har publicerats vid KTH. Delar av det arbetet är även inkluderat i denna avhandling. 

Den första artikeln redogör för korrelationen mellan frostindex och frostnedträngning i vägkonstruktioner. För detta har använts lufttemperaturdata som spänner över 10 år från 44 väderstationer samt temperaturmätningar i 49 vägkonstruktioner som täcker hela Sverige. 

Artikel 2 presenterar resultaten från jämförelser av uppmätt mekanistisk respons från inbyggda sensorer i en testväg med beräknade värden. De inbyggda sensorerna bestod av asfalttöjningsgivare (ASG) som mäter dragtöjning i horisontal riktning i underkant asfalt, töjningsgivare (εMU) som mäter vertikal töjning i olika lager i konstruktionen, samt spänningsdosor (SPC) som mäter vertikalt tryck i de obundna materialen. Fallviktsmätningar (FWD) gjordes för att bakberäkna lagrens styvheter. Målet var att bekräfta att den beräkningsmetod som har utvecklats kan fånga och förutsäga responsen i vägkonstruktionen som orsakas av tunga axelbelastningar. Tre långa och tunga fordon (LHV) användes för detta med totalvikt på 64, 68 och 74 ton. Nedbrytningseffekten av dessa tre fordon jämfördes inbördes och det kunde visas att de längsta lastbilarna orsakade mer nedbrytning jämfört med kortare lastbilar med färre axlar. 

Artikel 3 fokuserar på klimatets inverkan på det mekanistiska beteendet av tunna väguppbyggnader. Tunga lastbilar körde över en instrumenterad vägsträcka vid fyra olika tidpunkter inom loppet av ett år för att studera skillnaden i vägens beteende. Temperatur samt fukt registrerades kontinuerligt under perioden. Temperatursensorer samt tjälstav användes för att mäta temperaturen i vägen och en fuktstav med fuktgivare (TRD) för fuktkvoten. 

Instrumenteringen som användes för att samla den mekanistiska responsen, samt temperatur- och fuktvariationer visade sig vara robust och tillförlitlig. Jämförelse av uppmätt mekanistisk respons med beräknad respons genom att använda elastisk flerlagersteknik (MLET) där asfaltens och de obundna materials styvhet uppdaterades med registreringar från klimatvariablerna visade sig överensstämma väl.  

I artikel 4 användes samma teknik som presenterades i artikel 3 men nu för en väg med tjockare asfaltbeläggning. Data från responsmätningar från vägar under fyra olika tidsperioder undersöktes med huvudsyftet att studera beteendet under tjällossningsperioden. Tre olika strategier användes för att modellera det mekanistiska beteendet; dels elastiskt beteende av alla lager, dels viskös-elastiskt beteende av de asfalterade lagren och slutligen att de obundna materialen var spänningsberoende enligt den sk. k-theta modellen. 

Jämförelsen visade endast på en marginell förbättring (1-4%) med den viskös-elastiska eller den spänningsberoende strategierna jämfört med den linjärelastiska strategin. Det bestämdes därför att linjära modellen gav tillräcklig noggrannhet för att fånga responsens huvuddrag även i kritiska punkter. 

Artikel 5 presenterar utveckling och kalibrering av en-dimensionell finit kontroll volym (FCM) modell som förutsäger temperaturen i vägkonstruktioner. Modellen är redan nu implementerad i det nya mekaniska-empiriska ramverket för dimensionering av vägkonstruktioner i Sverige. Modellen använder meteorologiska indata; lufttemperatur, utstrålning och vindhastighet för att modulera de tre huvudprocesserna värmeledning, konvektion och strålning. 

Som validering och skattning av kvalitén av modellen har jämförelser gjorts med uppmätta temperaturer. Jämförelse har gjorts vid vägytan, i asfalten, samt i de obundna lagren. Fyra vägkonstruktioner i olika klimatzoner i Sverige har använts. Generellt fås en bra överensstämmelse. Det finns dock potential för förbättringar genom att bättre ta hänsyn till vägens ytegenskaper, överföring av latent värme samt genom att inkludera fukttransporter i de obundna materialen. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-321778