PERMANENTA DEFORMATIONER I FINKORNIGA UNDERGRUNDSMATERIAL

Transkript

1 PERMANENTA DEFORMATIONER I FINKORNIGA UNDERGRUNDSMATERIAL FÖRORD Samband som beskriver vägars nedbrytning ingår som en viktig del i system för underhåll av vägar. Den spårbildning som sker på vägarna utgör en viktig del av den nedbrytning som sker av vägkonstruktioner. Syftet med detta projekt är att ge ett bidrag till utvecklingen av en spårutvecklingsmodell i första hand i form av en beskrivning av hur permanenta deformationer uppkommer i undergrundsmaterial. Projektet har bedrivits som doktorandarbete vid avdelningen för Vägteknik inom Institutionen för Infrastruktur och samhällsplanering vid KTH. Föreliggande resultat är redovisade i en licentiatuppsats hösten Finansieringen av projektet har skett med medel från Vägverket. Vid KTH har projektet administrerats av Centrum för utbildning och forskning inom drift och underhåll av infrastrukturen, CDU. Projektet har tillhört programområde Teknik, tema Vägunderhåll. Delar av projektet har utförts i samarbete med bl.a. Cold Region Research and Engineering Laboratory, CRREL; i USA, South African Council for Scientific and Industrial Research, CSIR, Danmarks Tekniska Universitet, DTU, samt Väg- och Transportforskningsinstitutet, VTI. Till projektet har varit knutet en styr-och referensgrupp bestående av följande medlemmar: Hans Cedermark Föreståndare vid CDU, Tekniska Högskolan Ulf Isacsson Professor vid Vägteknik, Tekniska högskolan Rolf Magnusson Adjungerad professor vid Vägteknik, Tekniska Högskolan Thomas Wahlman Scandiakonsult Lennart Djärf Väg- och Transportforskningsinstitutet Lars-Göran Wågberg Väg- och Transportforskningsinstitutet Leif Sjögren Väg- och Transportforskningsinstitutet Rune Fredriksson Vägverket Klas Hermelin Vägverket Johan Lang Vägverket Åsa Lindgren Vägverket Hans Wirstam Vägverket Borlänge Rolf Magnusson 1

2 SAMMANFATTNING Inledning Vägtransporter har varit och är en av huvudkomponenterna för utvecklingen av länders ekonomi. Som ett resultat av detta har ansenliga resurser blivit tilldelade vägbyggnation samt vägunderhåll genom åren. I många länder har dock vägnätet nu fått en omfattning som innebär att det endast finns mindre behov av fortsatt utbyggnad. Dessutom har medelåldern på vägarna i vägnätet ökat och många vägar har nått den livslängd de en gång dimensionerades för. Detta medför att mer och mer uppmärksamhet och resurser behöver läggas på underhåll av befintliga vägar. Vägunderhållet har en viktig roll i att säkerställa en kontinuerlig användning av vägnätet på ett effektivt och säkert sätt. Underhåll minskar graden av vägnedbrytning, sänker driftkostnaden för fordonen samt ökar säkerheten och transportkapaciteten genom att förbättra vägens tillstånd. Trots tillfredsställande underhåll kommer en väg att brytas ned med tiden. Graden av nedbrytning beror på ett antal faktorer, såsom trafikbelastning, uppbyggnad av vägen i form av lagertjocklekar och material, material i undergrunden samt klimat och vattenförhållanden. Efter ett antal år har nedbrytningen av vägen gått så långt att en ny underhållsåtgärd är nödvändig. Underhåll av en väg är relativt dyrt, vilket medför att det bör utföras så sent som möjligt. Emellertid, om underhållsåtgärden utförs "för sent" kommer större nedbrytning att ha skett, vilket medför att betydligt dyrare underhållsåtgärder behövs. Detta betyder att det är viktigt att kunna förutsäga rätt tid för när en åtgärd behöver utföras. Forskningsstudier av vägnedbrytning har pågått sedan mitten av 1950-talet. Först användes vägsektioner uppbyggda i fält i full skala med verklig trafikbelastning. Det mest kända försöket från den tiden är AASHO-försöket (American Association of State Highway Officials), där forskning utfördes kring nedbrytning av både flexibla och styva vägar mellan åren i Illinois, USA. Fältförsök på ovanstående sätt tar relativt lång tid att utföra. Därför har det utvecklats utrustningar som accelererar nedbrytningen av en vägsektion i full skala. En rad olika utrustningar för accelererade fullskaleförsök har utvecklats. En utrustning kallas för HVS (Heavy Vehicle Simulator). Denna utrustning utvecklades i början av 1970-talet av CSIR i Sydafrika (The South African Council for Scientific and Industrial Research). HVS är en mobil utrustning som är 23 meter lång, 4 meter bred, 4 meter hög och väger ca kg. HVS är kapabel att belasta en 8 meter lång sektion av en vägkonstruktion antingen i en riktning eller i båda riktningarna med en belastning av mellan 30 och 110 kn. Belastningen sker med däck som kan bytas ut, så att inverkan av olika däckutforming kan studeras. Vid belastning kan däcket förflyttas stegvis i sidled 0,75 meter på testsektionen. Hastigheten på däcket kan varieras upp till 12 km/h. 2

3 Bild på den svensk/finska HVS utrustningen. Det kommer emellertid alltid att behövas fältstudier och fullskaleförsök med verklig trafik och klimat för att korrelera de resultat som erhålls i de accelererade fullskaleförsöken till verkligheten. Många modeller som förutsäger vägnedbrytning har utvecklats på grundval av resultat från mätningar av verkliga vägar, fullskaleförsök med verklig trafik samt accelererade fullskaleförsök. Mestadels är det empiriska modeller som har utvecklats genom att regressionsteknik tillämpats på exempelvis uppmätta spårdjupsdata. Sådana modeller är begränsade till de förhållanden som de utvecklats från och osäkerheten blir stor om man försöker tillämpa dem vid andra förhållanden. Framtida modeller som förutsäger tillståndet på en väg bör vara baserade på fundamentala materialegenskaper som utnyttjar teoretiska modeller. För att modellera en vägs nedbrytning behövs åtminstone tre olika modeller, en för spårbildning, en för ojämnheter i längsled, samt en för sprickbildning. Denna avhandling har begränsats till modellering av spårbildning p.g.a. att mycket av det underhåll som utförs i Sverige sker p.g.a. spårbildning i vägarna. Spårbildning kan delas upp i två olika delar. Spår orsakade av tung trafik samt spår orsakade av dubbdäck. Denna avhandling behandlar enbart spårbildning orsakad av tung trafik på vägar med flexibla överbyggnader. Mycket av forskningen kring spårbildning har inriktats på deformationer i asfalten, särskilt i USA. Detta kan delvis förklaras med att i många länder såsom USA, Holland, används tjocka beläggningar, vilket torde innebära att större delen av den permanenta deformationen härrör från asfalten. I Sverige används oftast tunnare beläggning, vilket borde innebära att en större del av den permanenta deformationen härrör från underliggande lager, såsom bärlager, förstärkningslager samt undergrund. Studier med tunna överbyggnader på CRREL, i USA och på DTU, i Danmark har visat att så mycket som % av den totala permanenta deformationen på vägytan kan härröra från permanenta deformationer i undergrunden. Detta innebär att även den permanenta deformationen i undergrundsmaterial är viktig att studera mer ingående. 3

4 Syfte och avgränsningar Målet med denna avhandling är att studera permanent deformation i undergrundsmaterial. Undersökningar av permanenta deformationer har utförts på undergrundmaterial testade vid accelererade fullskaleförsök genom användning av HVS maskinen, på CRREL och på VTI samt i triaxialutrustning på VTI. Syftet är bl.a. att utvärdera och validera en modell som förutsäger ackumulerad permanent töjning för undergrundsmaterial som en funktion av resilient töjning, spänning samt antalet belastningar. Denna modell har utvecklats på DTU, i Danmark. Ett annat mål med denna avhandling är att jämföra permanent deformation erhållet från fullskaleförsök med HVS maskinen med permanent deformation erhållet från triaxialförsök. Vidare studeras och diskuteras olika faktorer som påverkar permanent deformation i finkorniga jordarter. En avgränsning i denna licentiatrapport är att enbart den permanenta töjningsutvecklingen för relativt finkorniga undergrundsmaterial studeras. Förhoppningen är att fortsatta studier även skall kunna omfatta förstärkningsmaterial, bärlagermaterial, och asfaltmaterial, så att en totalmodell kan utvecklas. Denna modell bör så småningom kunna användas för att få fram den totala spårdjupsutvecklingen för en vägsektion och även utnyttjas t.ex. i ett PM-system. Licentiatavhandlingen består av tre delar, en litteraturdel, en metodbeskrivning samt en resultatdel. I litteraturdelen diskuteras faktorer som påverkar den permanenta deformationen i finkorniga jordarter. En presentation ges av olika generella tillvägagångssätt för hur man utvecklar modeller som förutsäger permanent deformation. Litteraturdelen behandlar även ett antal modeller som utvecklats för att förutsäga permanent deformation. Tre olika studier har använts i denna avhandling. Fullskaleförsök av vägsektioner på CRREL och på VTI har använts för att studera utvecklingen av ackumulerad permanent töjning i undergrundsmaterial. Triaxialtester på VTI har utförts för att studera ackumulerad permanent deformation för samma undergrundsmaterial som testats i de accelererade fullskaleförsöken och för att jämföra jordmaterialens permanenta och resilienta deformationsbeteende i triaxialtester och accelererade fullskaleförsök. Syftet med de olika testerna med HVS maskinen på CRREL och på VTI samt triaxialtesterna på VTI är att: 1) Jämföra resultat vad avser permanent och resilient töjning erhållna från tester med HVS maskinen med resultat från triaxialtester. 2) Bestämma parametrar i den valda modellen från DTU. 3) Validera den valda modellen. 4) Utvärdera olika faktorers inverkan på ackumulerad permanent deformation samt kontrollera resultaten med resultat från tidigare forskning inom området. 4

5 Faktorer som påverkar permanent deformation Tidigare forskning på granulära material har visat att den permanenta deformationen i huvudsak påverkas av följande faktorer: - Spänning: spänningsnivå, huvudspänningsrotation, spänningshistorik - Belastning: magnitud, antalet belastningar, belastningstid, frekvens, belastningsordning - Fukt: fukthalt, permeabilitet i materialet, vattenmättnadsgrad - Aggregat: typ av aggregat, partikelform, kornkurva, finjordshalt, maximal kornstorlek En annan faktor som borde komplettera ovanstående faktorer är förekomsten av frys - tö cykler, vilka kan ha stor inverkan på utvecklingen av permanenta deformationer. För finkorniga jordarter finns det även andra faktorer som också kan vara av intresse, såsom halt av organiskt material, plasticitetsindex, flytgräns, o.s.v. Listan på faktorer som kan påverka utvecklingen av permanent deformation kan göras väldigt lång. De faktorer som verkar påverka utvecklingen av den permanenta deformationen i undergrundsmaterial mest är fukthalt, pålagd vertikalspänning och omgivande spänning, typ av material samt antalet belastningar, men de flesta av de faktorer som beskrivits ovan verkar påverka utvecklingen av permanent deformation mer eller mindre. Modell för beskrivning av permanent deformation För att utveckla en modell som kan förutsäga en vägs nedbrytning kan flera olika tillvägagångssätt tillämpas. Modellerna kan delas in i olika grupper kallade subjektiva-, extrapolerande-, empiriska-, mekanistisk / empiriska-, samt mekanistiska modeller. Subjektiva modeller försöker fånga erfarenheter på ett formellt eller strukturerat sätt. Extrapolerande och empiriska modeller utnyttjar exempelvis regressionsanalyser på stora mängder mätdata som beskriver tillståndsutveckling för att förutsäga vägens nedbrytning. De empiriska modellerna skiljer sig från de extrapolerande modellerna genom att de i större utsträckning använder fysikaliska variabler. Dessa två grupper skulle dock kunna refereras till som en grupp. De mekanistisk / empiriska modellerna kan delas in i två delar. I den första delen, den mekanistiska delen, beräknas materialresponsen i form av spänningar och töjningar under trafikbelastning. Detta utförs med mekanistiska modeller, vilka idag ofta är baserade på linjär elasticitetsteori. I den andra delen, den empiriska delen, beräknas materialresponsernas effekt på vägens tillstånd. Rent mekanistiska modeller har såvitt känt ännu ej tagits fram. Dessa modeller bör baseras på de fundamentala egenskaperna hos en vägkonstruktion och de bör utesluta all empiri vid beräkning av nedbrytningen av en väg. De mekanistiska modellerna bör också beräkna materialresponser och deras effekt på nedbrytningen rent analytiskt. 5

6 Det finns många modeller som utvecklats för att förutsäga nedbrytningen för en väg. Vid modellering av spårdjupsutveckling och permanent deformation har det utvecklats modeller både utifrån ett vägtekniskt och geotekniskt synsätt. De modeller som utvecklats har oftast varit empiriska eller extrapolerande modeller. På senare tid har dock mekanistisk / empiriska modeller börjat utvecklas. I kapitel i denna licentiatavhandling beskrivs en del modeller. Den modellen som valts att utvärderas i denna licentiatavhandling kommer från DTU (Danmarks Tekniska Universitetet) i Lyngby, Danmark. Denna modell kan sägas vara mekanistisk / empirisk. Modellen kan delas in i två delar, en del som beräknar materialrespons i form av spänningar och elastiska töjningar i en vägkonstruktion och en del som utifrån materialresponsen beräknar den permanenta töjningen som fås i det lager som studeras. På DTU har spänningar och elastiska töjningar beräknats för undergrundsmaterial testade i deras accelererade fullskaleförsöksutrustning, RTM, Road Testing Machine. Spänningar och elastiska töjningar har beräknats både med linjärelastiska program och med icke linjärelastiska program. Man kom fram till att de icke linjärelastiska beräkningarna överensstämde bättre med uppmätta spänningar och elastiska töjningar än de linjärelastiska beräkningarna. I denna licentiatavhandling behandlas enbart den andra delen av modellen. Den första delen av modellen behövs dock när en beräkning skall genomföras av spårdjupsutvecklingen för en vägsektion i fält, där inga mätningar utförts vad avser spänningar och elastiska töjningar i materialen. Modellen, som kallas för spännings-töjnings modellen, har följande utseende: β α σ z ε ( ε ) γ pz = A N z p där: ε pz = vertikal ackumulerad permanent töjning på djupet z ε z [microstrain] = vertikal dynamisk (elastisk) töjning på djupet z [microstrain] N = antalet belastningar σ z = vertikal spänning på djupet z p = referensspänning [Mpa], atmosfärstryck 0,1 MPa A, α, β, γ = konstanter. 6

7 Ökningen av den permanenta töjningen vid olika belastningsnivåer kan beräknas med följande formel: N n ε pz( n) = σ z A p β γ ε z 1 α β α σ z γ ε pz( n+ 1) = A ( N n + dn) ε z p där: ε pz(n) = beräknad ackumulerad plastisk töjning vid tidssteg n ε pz(n+1) = beräknad ackumulerad plastisk töjning vid tidssteg n+1 N n = beräknat antal belastningar baserat på beräknad plastisk dn töjning vid tidssteg n och den mätta spänningen och töjningen vid tidssteg n+1 = tillskott i antalet belastningar baserat på antalet belastningar vid tidssteg n+1 minus antalet belastningar vid tidssteg n. För att utveckla spännings-töjningsmodellen vid DTU användes mätta värden på spänningar och resilienta töjningar erhållna från accelererade fullskaleförsök. Parametrarna A, α, β and γ, erhölls från en minimiseringsprocess, i vilken differensen mellan uppmätt och uppskattad permanent töjning minimeras genom att justera parametrarna. Följande parametrar erhölls för den testade moränleran, som användes som undergrundsmaterial i försöken på DTU. A = 0,087 α = 0,333 β = 0,333 γ = 1. 7

8 Undersökning med utrustning för accelererad provning De undergrundsmaterial som studerats i denna licentiatrapport är en siltig sand samt en silt erhållna från CRREL, i New Hampshire, USA, en ensgraderad sand erhållen från VTI, i Linköping, Sverige, samt till viss mån även en moränlera erhållen från DTU, i Lyngby, Danmark. Studien har baserats på resultat av permanenta töjningsmätningar, resilienta töjningsmätningar samt spänningsmätningar från accelererade fullskaleförsök på CRREL och på VTI samt från triaxialförsök på VTI. Som accelererad testutrustning användes en HVS maskin både på CRREL och på VTI. Permanenta och resilienta töjningsmätningar utfördes med εmu-spolar både på CRREL och på VTI. Som spänningsmätare användes jordtrycksmätare från Dynatest i Danmark på CRREL samt jordtrycksmätare från Nottingham på VTI. På CRREL mättes både spänningar och töjningar i vertikal riktning samt i två horisontella riktningar, tvärs och längs med vägens riktning. På VTI mättes enbart den vertikala spänningen samt den vertikala töjningen. Även fukthalten i materialen och i viss mån även temperaturen i materialen mättes. Undersökningar utfördes i båda fallen inomhus vid konstanta temperaturförhållanden på ytan av vägsektionen. På CRREL användes 20 C och på VTI 10 C som testtemperatur. Vid testerna på CRREL bestod konstruktionen uppifrån räknat av 76 mm asfaltlager, 229 mm av krossat obundet bärlager och 3 meter av undergrundsmaterial för båda undergrundsjordarterna. Totalt testades 4 olika sträckor med siltig sand som undergrundsjordart och 6 stycken sträckor med silt som undergrund. På VTI testades två olika konstruktioner, men där bestod undergrunden av en ensgraderad sand i båda fallen. Vägsektionen som kallades Island 2 på VTI bestod av 2 lager ytbehandling med en totaltjocklek av 30 mm, 200 mm krossat bärlager, 200 mm okrossat grus, samt undergrund av ensgraderad sand. Vägsektionen som kallades Island 3 bestod av samma lager och material förutom att de översta 100 mm av det krossade bärlagret ersatts med ett bitumenstabiliserat bärlager som också var 100 mm tjockt. Några problem med testerna på CRREL var att försöken stoppades relativt tidigt samt att spänningsmätningarna enbart utfördes på 4 olika ställen för både den siltiga sanden och silten. Detta kan jämföras med töjningsmätningarna som utfördes i 7 olika lager för varje test. Detta ger sammanlagt en mätning av de permanenta och resilienta töjningarna i 70 olika lager till skillnad mot 8 lager vid spänningsmätningar. Båda typen av mätningar behövs för denna studie. Försöken stoppades redan vid ett spårdjup på ytan av 12,5 mm, vilket är kriteriet för när underhållsåtgärder börjar sättas in på det högtrafikerade vägnätet i New Hampshire, USA. Vid 12,5 mm spårdjup anses det även föreligga en risk för vattenplaning. Ett annat problem med studier med HVS maskinen är att försöken är relativt dyra och därför försöker man kombinera olika undersökningar i samma test. Till följd av detta är det svårt för en enskild forskare att ha inflytande över hur försöken skall läggas upp. Problemen med testerna med HVS maskinen på VTI är att inledningsvis har de permanenta töjningsmätningarna gett mindre tillförlitliga värden, samt att det även här är svårt att ha inflytande över hur testerna och mätningar av spänningar och töjningar, m.m. skall utföras. Här stoppas försöken efter att minst 25 mm spårdjup erhållits på ytan, vilket är bättre ur forskningssynpunkt. Däremot mäts på VTI resilient och permanent töjning samt spänning i mindre antal punkter samt mer sällan än på CRREL. 8

9 Undersökningar med triaxialutrustning För triaxialtesterna användes samma material som använts vid testerna med HVS maskinen på CRREL och på VTI, d.v.s. en siltig sand, en silt respektive en ensgraderad sand. I viss mån testades även moränleran som användes som undergrundsmaterial i de accelererade fullskaleförsöken på DTU. Vidare användes de densiteter och vattenhalter som uppmätts i undergrundsmaterialen vid testerna med HVS maskinen på CRREL och på VTI, för att så långt som möjligt kunna efterlikna de accelererade försöken. Även spänningarna som användes i triaxialtesterna erhölls från mätta värden från testerna med HVS maskinen. Dessa spänningar valdes som de spänningar som utvecklats efter ca belastningar med HVS maskinen. Spänningarna i de accelererade fullskaleförsöken ökar med antalet belastningar, men planar ut efter ca belastningar. Permanenta och resilienta töjningar i triaxialförsöken mättes med tre stycken inre LVDTs samt en yttre LVDT. Resultat och slutsatser Resultatkapitlet är uppdelat i fyra delkapitel. I kapitel 5.1 jämförs ackumulerad permanent töjning och resilient töjning erhållna i undergrundsmaterial från HVS tester med erhållen ackumulerad permanent töjning och resilient töjning från triaxialtester. Tre undergrundsmaterial testades, siltig sand, silt och ensgraderad sand. I kapitel 5.2 undersöks olika faktorer som påverkar permanent deformation för fyra olika undergrundsmaterial, d.v.s. de material som beskrivits ovan samt en moränlera erhållen från DTU i Danmark. I modellen som utvecklades på DTU måste det bestämmas ett antal kurvanpassningsparametrar för varje jordart, se kapitel I kapitel 5.3 har parametrarna för siltig sand och silt tagits fram genom att använda resultat både från responsmätningar i HVS maskinen och från triaxialtester. Dessa parametrar jämförs sedan för att undersöka korrelationen mellan de erhållna parametrarna för de två olika metoderna. Resultaten från triaxialtesterna och några av resultaten från HVS testerna används för att bestämma de parametrar som behövs i modellen. Resterande testresultat används för att validera modellen. Resultatet av denna validering återfinns i kapitel

10 Accumulated permanent strain [microstrain] C1 Measured DTU model Number of load applications Accumulated permanent strain [microstrain] C2 lower Measured DTU model Number of load applications Exempel på validering av modellen. Här jämförs mätt permanent töjning med vad modellen från DTU ger vid ett antal olika belastningar. Slutsatserna i denna licentiatavhandling beskrivs nedan. I kapitel 5.1, visade resultaten att spänningen ökar med ökat antal belastningar i HVS försöken. Orsakerna till det är inte helt lätt att förklara, men de ökade spänningarna i undergrunden kan sannolikt förklaras med packning av de olika lagren i hjulspåret och som en konsekvens kan en koncentration av belastningen uppstå under hjulet. En snävare fördelning av belastningen med djupet utvecklas. I triaxialtesterna hålls spänningen på en konstant nivå genom hela testet. Den resilienta töjningen ökar också i HVS försöken med antalet belastningar. Detta beror troligtvis på att spänningen ökar med antalet belastningar i HVS försöken. Den resilienta töjningen ökar något med antalet belastningar även i triaxialtesterna. Vid jämförelse av resultaten från HVS tester och triaxial tester observerades att den ackumulerade permanenta töjningen utvecklas relativt fort i början av triaxial testerna för att sedan plana ut hastigt. Dessa töjningskurvor skiljer sig markant från töjningskurvorna erhållna vid HVS försök. De ackumulerade permanenta töjningskurvorna från HVS testerna är mycket jämnare i sin utveckling. 10

11 Modellen från DTU valdes för att förutsäga ackumulerad permanent töjning för undergrundsmaterialen som undersöktes i denna studie. Modellen har fyra kurvanpassningsparametrar som måste tas fram med hjälp av resultat från mätningar av permanenta och resilienta töjningar samt spänningar. Målet med att jämföra de parametrar som erhålls genom HVS försök med de parametrar som erhålls från triaxialförsök är att studera om triaxialtester går att använda för att erhålla parametrar som sedan kan användas i en modell för att förutsäga den permanenta töjningen för en verklig väg. Om triaxialtester kan ge samma parametrar som fås vid HVS testning medför det att det både blir enklare och billigare att bestämma parametrar för andra nya material än om testerna måste utföras i HVS maskinen. Vid studier av resultatet i denna licentiatavhandling visade det sig dock att triaxialtesterna inte alls ger samma parametrar i DTU modellen som de som erhålls genom HVS tester, vilket medför att triaxialtester ej kan användas för att bestämma parametrarna i en modell som ska kunna förutsäga permanent töjning i undergrundsmaterial i verkliga vägar. Med triaxialtester går det inte att beskriva det permanenta töjningsbeteende för undergrundsmaterial som förekommer vid tester i HVS maskinen. P.g.a. detta presenteras enbart de parametrar som erhålls genom HVS tester i kapitel 5.3. Olika parametrar behöver tas fram för varje jordart i DTU modellen. Efter tester med HVS maskinen kan jordarterna troligtvis grupperas efter likartade töjningsegenskaper. För den siltiga sanden och silten kunde parametrarna i DTU modellen bestämmas med hjälp av HVS försöken på CRREL. Däremot kunde inte någon modell för sanden tas fram p.g.a. problem vid mätningen av ackumulerad permanent töjning med εmuspolarna i HVS försöken på VTI. DTU modellen med de parametrar för siltig sand och silt som erhållits från HVS försöken, validerades genom försök i HVS utrustningen, kapitel 5.4. Korrelationen mellan kalkylerad och uppmätt ackumulerad permanent töjning visar att modellen kan användas för de testade materialen. Modellen verkar fungera bra för de testade jordarterna. De erhållna parametrarna för siltiga sanden och silten kan ses i tabellen nedan. ε pz = A N α β σ z p ( ε ) γ z Testfönster Material A α β γ Utförd RTM 1, 2, 3 Moränlera 0,087 0,333 0,333 1 På DTU 701 C1 Siltig sand 0,329 0,333 0,333 1 I denna studie 702 C2 övre Silt 0,083 0,333 0,333 1 I denna studie 11

12 En rad olika parametrar påverkar den permanenta deformationen i ett material, som kan ses in kapitel 3.2 och i kapitel 5.2. För att erhålla en modell som har en hög pålitlighet bör dessa parametrar tas med i modellen, men om en modell tar med alla dessa faktorer blir den väldigt komplicerad. Indata för en sådan modell kan vara väldigt svåra att få tag på, vilket medför att en sådan modell kan bli mindre användbar i praktiken. Däremot borde kanske en del av dessa parametrarna implementeras i modellerna. För modellen från DTU kommer t.ex. vattenhalten att studeras i nästa steg i utvecklingen av modellen. När man utför HVS studier är både instrumenteringen och mätningarnas kvalitet mycket viktiga. Några saker framkom vid analyser i denna studie. 1. HVS testerna bör utföras för så många belastningar som möjligt. Mycket data behövs för utveckling av modeller för att förutsäga permanent töjning för olika material. 2. Spänningar, resilienta töjningar samt permanenta töjningar bör mätas så ofta som möjligt för olika antal belastningar. På detta sätt erhålls fler värden vilket gör det lättare att studera hur den verkliga ackumulerade permanenta töjningskurvan ser ut. 3. Det är fördelaktigt om spänningar och töjningar mäts i alla tre riktningar i HVS testerna, d.v.s. både horisontellt längs- och tvärs vägen, samt vertikalt. 4. Om mätningarna av töjningar och spänningar utförs på olika nivåer måste en korrektionsberäkning utföras innan en modell för ackumulerad permanent töjning kan utvecklas. Det är därför bättre om spännings- och töjningsmätningarna kan utföras på samma djup i väg-konstruktionen. 5. Om möjligt bör mätningarna av spänningarna och töjningarna i undergrunden ske i minst 3 olika nivåer i vägkonstruktionen. Detta medför att kurvor kan tas fram där spänningar och töjningar kan interpoleras fram för andra djup än vad som är mätt. 6. Storleken på de ackumulerade permanenta töjningarna varierar med olika densiteter samt olika fukthalter. Det är därför viktigt att mäta densiteter och fukthalter nära εmu-spolarna så att relevanta densiteter och fukthalter kan användas i modellutvecklingen. 7. Om olika metoder och instrument används för att mäta töjningar eller spänningar måste dessa noggrant kalibreras mot varandra för att värdena skall kunna jämföras. 12

13 Framtida arbete Vid fortsatt arbete inom detta området bör följande studier ges hög prioritet: Mer data behövs från HVS försök för att få fram parametrarna i DTU modellen för andra material och för att validera modellen. Detta kan utföras med hjälp av data från framtida HVS studier på VTI och på CRREL. Modellen från DTU bör vidareutvecklas genom att en sådan viktig parameter som vattenhalt införs i modellen. För att utveckla en totalmodell som kan användas i PM-system för att beskriva spårdjupsutvecklingen, behövs parametrarna i DTU modellen tas fram för material till förstärkningslager, bärlager och asfaltlager, m.m. Dessa parametrar kan också tas fram genom HVS försök. Testresultaten från HVS försöken bör valideras mot fältförsök med verklig trafik samt verkligt klimat. En känslighetsanalys bör utföras för modellen för att se hur förutsagd ackumulerad permanent töjning varierar för exempelvis olika omgivande tryck, då dessa är svåra att mäta i verkligheten. Spänningar och elastiska töjningar bör beräknas genom att använda data från exempelvis belastningar med en fallviktsdeflektometer för att se om det är möjligt att korrelera mätta värden i HVS testerna med verkliga värden i vägar. Sådana beräkningar måste utföras för att DTU modellen skall kunna användas för vägar i fält, där det är svårt att mäta spänningar och elastiska töjningar. Andra modeller för att förutsäga ackumulerad permanent töjning i vägmaterial bör också studeras. En intressant sådan modell har utvecklats av Ramsamooj, se kapitel Modellen är intressant p.g.a. att den är en geoteknisk modell som försöker knyta ihop geoteknik med vägteknik och för att den inte innehåller några empiriska parametrar. Fortsatta studier bör ske för att validera och utveckla instrumenten vid HVS mätningar för att öka tillförlitligheten. 13

14 IMPLEMENTERING Arbetet i projektet har redovisats på VTI:s forskardagar, på CDU-seminarier samt på en konferens i RENO som behandlade accelererade fullskaleförsök av vägkonstruktioner. Avsikten är även att publicera artiklar i vetenskapliga tidsskrifter. Det slutliga målet är att man skall kunna implementera arbetet som utförts i projektet i en modell för att förutsäga nedbrytningsförloppet av vägar, exempelvis som en del i ett system för planering av underhållsinsatser. Den brett sammansatta referensgruppen har gett underlag för en god spridning av forskningsresultatet till forskningsinstitut, högskolor, myndigheter samt privata företag. Genom doktorandens arbete på Vägverket kommer forskningsresultatet också till användning, exempelvis som en del i HVS arbetet som doktoranden har hand om för Vägverkets räkning. Därigenom får också arbetet internationell spridning. 14

15 REFERENSER I URVAL 1. "Allmän Teknisk Beskrivning för Vägkonstruktioner, VÄG 94". Vägverket, Borlänge, "HVS Nordic; Heavy Vehicle Simulator for Accelerated Pavement Testing". Brochure from the Swedish National Road and Transport Research Institute, VTI, Linköping, Sweden, January Arm, M., Svensson, J., Ydrevik, K., "Deformationsegenskaper hos finkornig jord". Swedish National Road and Transport Research Institute, Sweden, VTI notat nr. 770, In Swedish. 4. Behzadi, G., Yandell, W.O., "Determination of Elastic and Plastic Subgrade Soil Parameters for Asphalt Cracking and Rutting Prediction". Transportation Research Record No 1540, Transportation Research Board, Nov Brown, S.F., "Achievements and Challenges in Asphalt Pavement Engineering". ISAP 8th International Conference on Asphalt Pavements, Seattle, USA, Djärf, L., "Tillståndsförändrings- (nedbrytnings) modeller på asfaltbelagda och ytbehandlade vägar, lägesrapport ". VTI notat , Statens Väg- och Transportforskningsinstitut, Linköping, In Swedish. 7. Göransson, N.-G., Wågberg, L.-G., "Tillståndsuppföljning av observationssträckor; Datainsamling, lägesrapport ". VTI notat , Statens väg- och transportforskningsinstitut, Linköping, In Swedish. 8. Hallberg, S., "The AASHO Road Test. År Utförande och preliminära försöksresultat." Sammanfattning av seminarieövningar i fortsättningskursen i Vägbyggnad vid Kungl. Tekniska Högskolan, hösten In Swedish. 9. Huang, Y.H., "Pavement Analysis and Design". University of Kentucky, Prentice-Hall, Inc., New Jersey, Hugo, F., Smit, A. de Fortier, Warren, P., "Interim Report on Accelerated Pavement Testing Data Survey". Transportation Research Circular, Number E-C004, February Huhtala, M., Pihlajamäki, J., "HVS-NORDIC: The activity of the first period in Finland ". Finnra Reports 21/2000, Finnish National Road Administration, Helsinki, Finland, Jacobson, T., Wågberg, L.G., "Utveckling av prognosmodell för beläggningsslitage, slitageprofil och årskostnad". VTI notat nr , Statens väg- och transportforskningsinstitut, Linköping, In Swedish. 13. Janoo, V., Irwin, L., Eaton, R., Haehnel, R., "Pavement Subgrade Performance Study: Project Overview". Final Report, CRREL, Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire, USA, Lang, J., "Beräkningsmodeller i ett svenskt PMS. Prognosmodeller för vägytetillstånd". Vägverket, Borlänge. In Swedish. 15

16 15. Paute, J.-L., Hornych, P., "Influence of water content on the cyclic behaviour of a silty sand". Symposium in Flexible Pavements, Proceedings of the European symposium EUROFLEX 1993, Lisbon, Portugal, September, Ramsamooj, D.V., Piper, R., "Theoretical Prediction Of Rutting In Flexible Pavement Subgrades". Canadian Geotechnical Journal, Volume 29, Number 5, October 1992, pp , National Research Council Canada, Toronto, Ontario, Canada, Riley, M., Bennett, C., "Preliminary Specifications for the HDM-4 Road Deterioration Model". University of Birmingham. 18. Rust, F.C., de Beer, M. "The Heavy Vehicle Simulator (HVS) Accelerated Testing Programme". CSIR (the South African Council for Scientific and Industrial Research), Division of Roads and Transport Technology, November STINA, Samarbetsprojekt för tillämpning i Norden av AASHOundersökningen, Slutrapport, Teknisk del, Nordisk utredningsserie A 1977:3, Nordiska ämbetsmannakommittén för transportfrågor, Nordiska ministerrådets sekretariat, Oslo, december, In Swedish. 20. Ullidtz, P., "Modelling Flexible Pavement Response and Performance". Technical University of Denmark, Polyteknisk Forlag, Lyngby, Denmark, Wiman, L.G., "SHRP/LTPP Rapport från den svenska bevakningsgruppen". VTI meddelande nr 786:1996. Statens väg- och transportforskningsinstitut, Linköping In Swedish. 22. Wågberg, L.G., "Pavement distress and profile measurements". Rapport från den svenska bevakningsgruppen, SHRP-LTPP, 1990, Ansvarig: Wiman, L.G., Statens väg- och transportforskningsinstitut, Linköping, Zhang, W., Ullidtz, P., Macdonald, R., "Pavement Subgrade Performance Study; Part II: Modeling Pavement Response and Predicting Pavement Performance". Danish Road Directorate, Danish Road Institute, Roskilde, Denmark, Report 87,