Analysis of Response and Development of Permanent Deformation of Unbound Granular Materials Using a Testing Box Technique

Abstract: Popular Abstract in Swedish Växande krav på transporters kvalitet och kvantitet ger höga förväntningar på vägarnas kvalitet. Därför har omfattande resurser ägnats åt vägbyggnad och särskilt förbättring av befintliga vägar för att bemöta krav på säkerhet, komfort och bärighet. Ett välfungerande vägnät är en viktig komponent i den ekonomi- och samhällsutvecklingsprocess som förbrukar en stor del av nationens budget. I de flesta ingenjörskonstruktioner blir konstruktionen oanvändbar när brott sker. Brott i konstruktionen associeras med kollaps. Vägar kollapsar inte förutom i extrema fall utan blir ojämna att köra på, mindre säkra och därmed mindre användbara. Därför måste brott för vägar och vägmaterial definieras i termer av användbarhet och/eller andra kriterier såsom reparationsmöjligheter. Sådana kriterier finns. Ofta är de baserade på risken för vattenplaning eller andra lämpliga begränsningar. Om spårdjupet är större än 15 mm uppfyller vägen till exempel inte längre den avsedda funktionen. De obundna materialen i vägkonstruktionen spelar en viktig roll i motståndet mot utvecklingen av spårbildning och har därför stor påverkan på vägens livslängd. Ett antal parametrar påverkar vägens nedbrytning. Dessa faktorer kan delas in i fem huvudgrupper: • Fordon (axellast och konfiguration, däcktryck, dubbdäck, hjul typ etc.) • Trafik (Trafikmängd, säsongsvariation, fordonshastighet) • Vägkonstruktion (konstruktion, materialegenskaper, dränering etc.) • Klimat (förändringar i temperatur, nederbörd, tjällyftning etc.) • Undergrundens material • Tid (åldrande av asfalt) Det är nästan omöjligt att beakta alla dessa parametrar i en studie och därför vissa begränsningar eller förenklingar är därför oundvikliga. Fokus och mål i en undersökning är naturligtvis viktigt för insamling av de parametrar som skall studeras och vilka andra faktorer som bör hållas konstant. I denna studie har följande parametrar ansetts vara viktiga och därför undersökts: • Effekter av olika vertikala laster. • Effekter av antalet belastningar. • Effekter av olika lagertjocklekar. Det finns naturligtvis andra faktorer som påverkar resultaten, såsom vattenhalt, som inte har undersökts i detta arbete. En omfattande litteraturstudie av befintliga mätmetoder har genomförts för att få bättre förståelse av för- och nackdelar med varje metod. En slutsats från litteraturstudien om olika utrustningar är att den vanligaste utrustningen som används för att studera permanenta deformationen i obundna material är triaxialutrustning. Litteraturstudien fortsatte med befintliga modeller för respons och permanenta deformationer. Flera modeller som föreslagits av olika forskare studerades och slutligen valdes tre modeller ut för vidare undersökningar och jämförelse med egna mätningar. I vägkonstruktioner kan den icke-linjära responsen på en punkt under ytan endast mätas i form av deformation eller töjning. Samtidigt måste den horisontella spänningen som ökar med djupet beaktas som en viktig faktor som påverkar hur materialet motstår utvecklingen av permanenta deformationer. Av denna anledning utvecklades en testlåda som användes för att mäta deformationer i obundna material. Metoden innefattar en låda med måtten 800 × 800 × 800 mm där en del av en vägkropp kan konstrueras som har liknande villkor som en riktig väg med avseende på den horisontella spänningen. För att studera och klassificera mekaniska egenskaperna hos obundna material från olika stenbrott, grundad på ackumulerad permanent deformation, användes sex olika material i experiment i testlådan. Dessa material, med undantag av material d6 som är naturmaterial, är krossade 0-40 mm aggregat som ofta används som bärlager material i svenska flexibla överbyggnader. Mätningarna i testlådan delades in i två grupper. I den första gruppen som kallas för responsmätningar har sex obundna material testats under liknande förhållanden med avseende på antal lastrepetitioner, vertikal last, packningsgrad och fukthalt. Syftet med dessa mätningar var att klassificera dessa material med avseende på responsegenskaper. Ett av materialen som kallas d1 (0-40 mm krossat material som används som bärlager i vägkonstruktioner) användes i triaxial mätningar och resultaten av dessa mätningar användes i en analys för att beräkna materialparametrarna och Dessa materialparametrar används sedan i ett numeriskt verktyg för att beräkna responsegenskaper för sex olika materialtyper. Resultaten har sedan jämförts med uppmätta värden från testlådan. För att utvärdera och jämföra den uppmätta deformationen vid olika serier av mätningar i testlådan med andra etablerade modeller valdes tre modeller ut och data från testlådan användes för att beräkna modellparametrar. De material som användes från tester i testlådan var material d1, d3, och en blandning av återvunnen asfalt och material d1. Den första modellen som används i denna analys har presenterats av Korkiala-Tanttu. Denna modell är en icke- linjär elasto-plastik modell som beräknar den permanenta vertikala deformationen i obundna material. Den andra modellen som har använts för att förutsäga och jämföra med ackumulerade permanenta deformationer är en modell som föreslagits av Gidel et al.. Modellen är mycket enkel och beräknar den vertikala permanenta töjningen till följd av yttre påfrestningar och antal lastupprepningar. Den tredje modellen som har använts för att utvärdera resultaten av mätningarna i testlådan är en modell som föreslagits av Tseng & Lytton. Denna modell används för att beräkna den permanenta deformationen med hänsyn till antal upprepade belastningar. Modellen antar också att relationen mellan den elastiska och permanenta deformationen i fält är densamma som i laboratoriet. Jämförelsen mellan de uppmätta värdena i testlådan och de tre nämnda materialmodellerna visade några intressanta resultat med avseende på materialparametrar. I de flesta fall var värdet av de beräknade permanenta deformationerna mycket lika de uppmätta värdena. För att verifiera resultaten av mätningarna och materialparametrarna som erhållits från jämförelse med de tre nämnda modellerna utfördes en serie av analyser med hjälp av APT (accelerated Pavement Test) data från HVS (Heavy Vehicle Simulator) - mätningar som används i accelererad provning av vägkonstruktioner). Data från mätningar i fyra olika vägstrukturer användes i denna analys. Resultaten är jämförbara och de modeller som används visade god överensstämmelse med uppmätta värden från HVS mätningar. Testlådan har många intressanta funktioner som gör den lämplig för många typer av experiment på obundna material. I grund och botten är den avsedd att representera en riktig vägöverbyggnad så nära som möjligt med hänsyn till det horisontella trycket och storlek av partiklar. Mätningarna i testlådan och siktanalys av material som används i experimenten visade intressanta resultat. Mätningar i lådan visade förväntade materialegenskaper hos obundna material under belastningar. En snabb utveckling av deformationer i början som avtar med antal upprepade belastningar. Siktanalysen visade hur material krossas som kan vara en orsak till deformationer i materiallagret. En jämförelse av uppmätta värden med beräknade permanenta deformationer från etablerade modeller visade att testlådans resultat är jämförbara med de förutspådda värdena. Även om resultaten är lovande finns det naturligtvis begränsningar med att använda testlådan. Fler mätningar behövs för att säkrare kunna bedöma tillförlitligheten i testlådan som en parallell metod till andra etablerade mätmetoder.