Falling weight deflectometer tests on multi-layered pavement structures: Innovative experiments and multi-method structural simulations

Abstract

Fallgewichsdeflektometer (FWD)-Versuche sind zerstörungsfreie in-situ-Experimente, die durchgeführt werden, um Einblick in den strukturellen Zustand starrer und flexibler Fahrbahnkonstruktionen zu erhalten. Der Aufprall des Fallgewichts erzeugt eine gedämpfte Schwingung der getroffenen Fahrbahnkonstruktion. Verschiebungsmesssensoren, sogenannte Geophone, messen die maximalen Auslenkungen in bestimmten Abständen von der Fallgewichtsachse entlang der Fahrtrichtung. Zwei damit verbundene Herausforderungen bilden die Motivation für die vorliegendeArbeit: (i) Bei Betonplatten starrer Fahrbahnkonstruktionen kann der beschriebene Standard-FWD-Versuch mögliche Asymmetrien des Tragverhaltens nicht erkennen. (ii) Die Durchführung von nominell identischen FWD-Versuchen auf derselben mehrschichtigen Fahrbahnkonstruktion,aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten, ergibt normalerweise unterschiedliche Oberflächendurchbiegungen.Die vorliegende Dissertation befasst sich mit diesen beiden Herausforderungen im Kontext ingenieurmechanischer Ansätze, die innovative experimentelle Versuchsprotokolle und effiziente Struktursimulationen kombinieren, die mit mehreren Methoden durchgeführt werden.Kapitel 2 befasst sich mit der Quantifizierung von Asymmetrien des Tragverhaltens starrer Fahrbahnkonstruktionen, wobei die oberste Schicht aus rechteckigen Betonplatten besteht. Der Hauptbeitrag ist eine experimentelle Innovation: Bei in Betonplattenmitte durchgeführten FWD Versuchen werden die Durchbiegungen in acht verschiedenen radialen Richtungen und in neun verschiedenen Abständen vom Zentrum des Fallgewichts gemessen. Daraus ergibt sich ein dichtes Gitter von Punkten, an denen Durchbiegungen gemessenen werden. Die dort gewonnenen experimentellen Daten erlauben die bisher unmögliche Bewertung von Asymmetrien des Verhaltens der getesteten Fahrbahnkonstruktionen, basierend auf einem neuen Deflektionsmuldenparameter,der als Asymmetrie-Indikator bezeichnet wird. Eine alte Betonplatte, die 22 Jahre in Betrieb war, weist erhebliche Asymmetrien auf. Eine neu gebaute Platte verhält sich wiederum praktisch doppelsymmetrisch, wenn auch nicht radialsymmetrisch. Das liefert die Motivation, ein Modell mit endlicher Plattengröße für die elastostatische Nachrechnung des FWD-Versuchs auf der neuen Platte zu verwenden. Das Modell besteht aus einer Kirchhoff-Platte mit freien Rändern, die auf einer Winkler-Bettung gelagert ist. Die Steifigkeit der simulierten Platte wird gleich jener der realen Betonplatte gesetzt. Nach Optimierung von zwei Variablen: dem Bettungsmodul und einer neu eingeführten Oberflächenhilfslast, reproduziert das Modell die gemessenen Durchbiegungen sehr zufriedenstellend. Somit bietet das vorgeschlagene Modell eine interessante Alternative zum üblicherweise verwendeten, radialsymmetrischen dense-liquid-Modell (unendliche Platte auf Winkler-Bettung), bei dem die Steifigkeit der Platte und der Bettungsmodul optimiert werden,um gemessene Durchbiegungen bestmöglich zu reproduzieren.In Kapitel 3 werden FWD-Versuche mit einer T-förmigen Anordnung von Geophonen vorgeschlagen,gleichsam als Kombination der Vorteile (1) des Standard-FWD-Versuchs, nämlich:schnelle in-situ Charakterisierung und (2) des innovativen FWD-Testprotokolls von Kapitel 2,nämlich: Aussagekraft bezüglich der Bewertung von asymmetrischem Strukturverhalten. Die Hauptinnovation bezieht sich auf eine neue Anordnung der Geophone: Sieben sind entlang der Fahrtrichtung platziert, und zwei weitere entlang einer Achse orthogonal zur Fahrtrichtung,eines links und eines rechts des Fallgewichts. Um den Abstand der seitlichen Geophonevom Zentrum des Fallgewichts zu optimieren, werden FWD-Versuche mit multidirektionalen Durchbiegungsmessungen an zehn Platten durchgeführt: vier neu gebaute Platten und sechs alte Platten, die jahrzehntelang in Betrieb waren. Zwei zusätzliche Deflektionsmuldenparameter werden eingeführt: (i) der effektive Asymmetrieindex, AE28, der alle Asymmetrien, die mittels FWD-Versuchen mit multidirektionaler Messung von Durchbiegungen festgestellten werden können, in nur eine aussagekräftige Zahl zusammenfasst und (ii) der laterale Asymmetrieindex, LASIX, der für die Auswertung von FWD-Versuchen mit einer T-förmigen Anordnung von Geophonen maßgeschneidert ist. Der Abstand der beiden seitlichen Geophone vom Zentrum des Fallgewichts wird so optimiert, dass entsprechende Werte von LASIX bestmöglich mit Werten des effektiven Asymmetrieindex korrelieren. Als optimal erweist sich ein Abstand von 1,20 m. Weiters wird der Ursprung des asymmetrischen Verhaltens der Platten untersucht. Kleine LASIX-Werte,die für leichte Asymmetrien stehen, treten hauptsächlich aufgrund der endlichen Größe der Platten und/oder der Interaktion zwischen benachbarten Platten auf. Große LASIX-Werte, die für starke Asymmetrien stehen, entstehen durch die zusätzliche Langzeitbeanspruchung der Fahrbahnkonstruktion durch Gebrauchslasten, die zu einer ungleichmäßigen Schädigung des Untergrunds führen. Die LASIX-Werte korrelieren nachweislich gut mit den Richtungsvariationskoeffizienten des Parameters AREA7, der im dense-liquid-Standardmodell als Grundlage für die Quantifizierung des Bettungsmoduls verwendet wird. Damit ermöglicht LASIX die Klärung,ob die Annahme eines einheitlichen Bettungsmoduls sinnvoll oder fraglich ist. Die empfohleneT-förmige Anordnung von Geophonen ist vom Blickwinkel der praktischen Anwendbarkeit attraktiv,da sie hochautomatisierte und daher schnelle FWD-Versuche durchführbar macht, wo beider Vor-Ort-Aufwand jenem von Standard-FWD-Versuchen entspricht und gleichzeitig ein noch nie dagewesenes Quantifizieren des asymmetrischen Plattenverhaltens ermöglicht.Kapitel 4 ist der innovativen Instrumentierung von drei FWD-Feldmessstellen gewidmet. Ein starrer und zwei flexible Fahrbahnkonstruktionen wurden mit Temperatursensoren, Asphalt-Dehnungsmesssensoren und Beschleunigungsaufnehmern ausgestattet. Dies ermöglicht die Erfassung der Temperaturverteilung in der Fahrbahnkonstruktion, der Verformung des Asphalts an ausgewählten Punkten während der FWD-Versuche und der Ausbreitung von Fronten elastischer Wellen, die durch die Schichten der Fahrbahnkonstruktionen laufen. Die mit dem Entwurf,der Herstellung und dem Betrieb der Feldmessstellen gesammelten Erfahrungen werden geteilt.Hinsichtlich des Einbaus von Asphalt-Dehnungsmesssensoren wird empfohlen, in heiße Asphaltschichten unmittelbar nach deren Einbau und unmittelbar vor deren Verdichtung Stahlattrappenals Platzhalter für die Asphalt-Dehnungsmesssensoren in die Oberfläche einzubauen und kurz vor Installation der nächsten Schicht durch den eigentlichen Sensor zu ersetzen. Erste Daten aus dynamischenTests an den Feldmessstellen werden präsentiert. Bei unterschiedlichen Temperaturendurchgeführte FWD-Versuche liefern erwartungsgemäß unterschiedliche Oberflächendurchbiegungen.Schläge mit einem Vorschlaghammer auf eine Metallplatte, die über eine Hartgummiplatte auf die Fahrbahn übertragen werden, werden als kostengünstiges, einfach durchzuführendes und schnell wiederholbares dynamisches Testverfahren eingeführt. Die Versuche erlauben dieMessung der Geschwindigkeit von elastischen Longitudinalwellen, die sich von einem Beschleunigungsaufnehmer zum anderen ausbreiten. Das ermöglicht die Quantifizierung der Steifigkeiteinzelner Schichten von Fahrbahnkonstruktionen, basierend auf der Theorie zur Ausbreitungelastischer Wellen durch isotrope Materialien. Bei flexiblen Fahrbahnkonstruktionen wird gezeigt,dass saisonale Schwankungen der FWD-Ergebnisse hauptsächlich auf temperaturabhängigeSteifigkeitsänderungen von Asphaltschichten zurückzuführen sind, da andere Schichten deutlich geringere Steifigkeitsschwankungen aufweisen. Bei der starren Fahrbahnkonstruktion wird gezeigt,dass Vorschlaghammertests es ermöglichen, Situationen mit Vollflächenkontakt entlang allerSchichttrennflächen von Situation zu unterscheiden, bei denen es zu Temperaturgradienten induziertem Aufwölben der Betonplatte kommt, was zu einem teilweisen Kontaktverlust entlang einer Schichttrennfläche führt.Kapitel 5 bezieht sich auf die asphaltbezogene Temperaturkorrektur von Durchbiegungen,die während FWD-Versuchen auf einer Fahrbahnverbundkonstruktion gemessen wurden. An einer der im Kapitel 4 beschriebenen Feldmessstellen (starre Fahrbahnkonstruktion) wurden fünf FWD-Versuche im Sommer, im Winter bzw. in der Übergangszeit durchgeführt. Die gemessenen Durchbiegungen ergeben sich durch temperaturabhängige Steifigkeitsänderungen der Asphaltschicht und durch jahreszeitliche Steifigkeitsänderungen des Untergrunds. Die wesentliche Neuerung besteht darin, die gemessenen Durchbiegungen so zu korrigieren, dass sie nur noch Informationen über die saisonalen Steifigkeitsänderungen des Untergrunds enthalten. Dazu sind einige Schritte erforderlich. Zuerst werden die Steifigkeiten der Materialien der vier obersten Schichten des Fahrbahnaufbaus wie folgt ermittelt. Zwei Betonarten und Asphalt werden im Labor durch zerstörungsfreie einachsige Druckversuche bzw. zyklische Zug-Druck-Versuche (Dynamisch-Mechanische Analyse) charakterisiert. Die Steifigkeit der zementstabilisierten Schicht wird in-situ mit den in Kapitel 4 beschriebenen Vorschlaghammerversuchen quantifiziert. Der jahreszeitlich veränderliche Elastizitätsmodul des Untergrunds wird zusammen mit seiner konstanten Dicke durch mehrschichtige elastostatische Simulationen zurückgerechnet, sodass die simulierten Verformungen nahezu perfekt mit den gemessenen Verformungen übereinstimmen. Die Aussagekraft des angepassten Modells wird dadurch bestätigt, dass vorhergesagte Asphaltdehnungen hinreichend gut mit in-situ-Messungen übereinstimmen. Das mehrschichtige Modell wird verwendet, um Durchbiegungen für Asphalttemperaturen zwischen −5○C und +30○C zu berechnen, während die Dicken und Steifigkeiten aller anderen Schichten mit kontanten saisonale Durchschnittswerten in Rechnung gestellt werden. Die numerischen Ergebnisse ermöglichen die Entwicklung einer von Westergaard inspirierten Formel zur Umwandlung von gemessenen Durchbiegungen in korrigierte Durchbiegungen, die sich auf eine Asphalttemperatur von 20○C beziehen. Somit resultieren die verbleibenden jahreszeitliche Schwankungen der korrigierten Durchbiegungen auf jahreszeitlichen Schwankungen der Steifigkeit des Untergrunds. Mit der AREA4-Methode des dense-liquid-Modells werden Bettungsmoduln aus den korrigierten Durchbiegungen quantifiziert.Diese Bettungsmoduln korrelieren gut mit saisonalen Schwankungen des Elastizitätsmoduls des Untergrunds. Die gewonnenen Erkenntnisse betreffend den Einfluss der Steifigkeit des Asphalts bzw. des Untergrunds auf die Oberflächendurchbiegungen ermöglichen die Entwicklung eines weiteren Korrekturansatzes. Er ist besonders gut für die Anwendung in der Ingenieurpraxis geeignet, da er sehr einfach ist und ausschließlich gemessene Durchbiegungen als Eingabewerte erfordert. Dieser Ansatz besteht darin, die bei einem FWD-Versuch an einem Referenzdatumgemessenen Durchbiegungen gleichmäßig zu erhöhen oder zu verringern, sodass die verschobene Durchbiegung, die sich auf einen Abstand von 1500 mm vom Zentrum des Fallgewichts bezieht,gleich jener Durchbiegung ist, die in dieser Distanz während eines FWD-Versuchs an einem anderen Datum gemessen wurde. Abermals werden Bettungsmoduln aus korrigierten Durchbiegungen quantifiziert, und es wird gezeigt, dass sie gut mit saisonalen Steifigkeitsänderungen des Untergrunds korrelieren. Das entwickelte Verfahren ist auch deshalb attraktiv, weil es korrigierte Durchbiegungen (anstelle von korrigierten Werten von aus Durchbiegungen abgeleiteten Größen) liefert, und somit die Anwendung aller Methoden ermöglicht, die üblicherweise für die Interpretation und/oder Auswertung von FWD-Versuchsergebnissen verwendet werden. Das schließt sowohl verschiedene Deflektionsmuldenparameter als auch diverse Strukturmodelle ein.

Falling Weight Deflectometer (FWD) tests are non-destructive in situ experiments performed to gain insight into the structural health of rigid and flexible pavement structures. The impact of the falling weight induces a damped vibration of the hit pavement structure. Displacementsensors called geophones measure the maximum deflections at specific distances from the axis of the falling weight along the driving direction. Two associated challenges provide the motivation for the present thesis: (i) As regards concrete slabs of rigid pavements, the described standard FWD test cannot detect potential asymmetries of the structural behavior. (ii) Performingnominally identical FWD tests on the same multi-layered pavement structure, but at different dates, usually yields different surface deflections. The present thesis tackles these two challenges in the context of engineering mechanics approaches which combine innovative experimental techniques and efficient structural simulations performed with multiple methods.Chapter 2 deals with quantification of asymmetries of the structural behavior of rigid pavement structures where the topmost layer consists of rectangular concrete slabs. The main contribution is an experimental innovation: During central FWD tests, the deflections are measured along eight different radial directions, and at nine different distances from the center of the falling weight. This results in a dense grid of points at which deflections are measured. The collected experimental data enable the unprecedented assessment of asymmetries of the behavior of the tested pavement structures, based on a new deflection basin parameter called asymmetry indicator.An old concrete slab, which had been in service for 22 years, shows significant asymmetries. A newly built slab, in turn, is found to behave in a virtually double symmetric fashion, albeit not in a radial-symmetric fashion. This provides the motivation to use a finite-slab-size model for the elastostatic re-analysis of the FWD test of the new slab. The model consists of a Kirchhoff-Loveplate with free edges, supported by a Winkler foundation. The stiffness of the plate is set equal to that of the concrete slab. The model reproduces the measured deflections accurately, after optimization of two variables: the modulus of subgrade reaction and a newly introduced auxiliary surface load. Thus, the proposed model provides an interesting alternative to the standard radial-symmetric “dense-liquid” modeling approach, referring to an infinite plate on a Winklerfoundation, where the stiffness of the plate and the modulus of subgrade reaction are optimized in order to best reproduce measured deflections.In Chapter 3, FWD tests with a T-shaped arrangement of geophones are proposed with the aim to combine the advantages of (i) the standard FWD testing approach, namely: rapid in situ characterization, and (ii) the innovative FWD test protocol of Chapter 2, namely: expressiveness regarding the assessment of asymmetric structural behavior. The main innovation refers to a new arrangement of the geophones: seven are placed along the driving direction, and another two along an axis orthogonal to the driving direction, one left and one right of the falling weight.In order to optimize the distance of the lateral geophones from the center of the falling weight,FWD tests with multi-directional measurements of deflections are performed on ten slabs: four newly-installed slabs, and six decades-old slabs. Two additional deflection basin parameters are introduced: (i) the effective asymmetry index, AE28, which summarizes all asymmetries detected by means of FWD tests with multi-directional measurement of deflections into just one expressivenumber, and (ii) the lateral asymmetry index, LASIX, which is customized for the evaluation of FWD tests with a T-shaped arrangement of geophones. The distance of the two lateral geophones from the center of the falling weight is optimized such that corresponding values of LASIX correlate best with values of the effective asymmetry index. The optimal distance is found to amount to 1.20 m. The origin of the asymmetric behavior of the slabs is explored. Small values of LASIX, representative for mild asymmetries, emerge mostly due to the finite size of the slabs and/or slab-to-slab interaction. Large values of LASIX, representative for strong asymmetries,emerge due to the additional long-term exposure of the pavement structure to service loads that cause a non-uniform degradation of the subgrade. Values of LASIX are shown to correlate well with the coefficients of directional variation the AREA7 parameter which is used in the standard dense-liquid model as the basis for quantification of the modulus of subgrade reaction. Thus,LASIX allows for clarifying whether the assumption of a uniform modulus of subgrade reactionis reasonable or questionable. The recommended T-shaped arrangement of geophones is also appealing from the viewpoint of practical applicability, because it renders highly automated and,therefore, rapid FWD testing feasible, with on-site efforts equal to those known from standard FWD testing, while allowing for the unprecedented quantification of asymmetric slab behavior.Chapter 4 is devoted to the innovative instrumentation of three FWD field-testing sites. One rigid and two flexible pavement structures were equipped with temperature sensors, asphalt strain gauges, and accelerometers. This allows for capturing the temperature distribution inside the pavement structure, the deformation of asphalt at selected points during FWD testing, andthe propagation of fronts of elastic waves travelling through individual layers of the pavement structure. The experience with the design, the instrumentation, and the operation of the field testing sites is shared. As regards the installation of asphalt strain gauges, it is recommended to install steel dummies as place-holders into the surface of hot asphalt layers, immediately after their construction and right before their compaction, and to replace the dummies by the actual sensors right before the installation of the next layer. First data from dynamic testing at the field-testing sites are presented. FWD tests performed at different temperatures deliver, as expected, different surface deflections. Sledgehammer strokes onto a metal plate, transmitted to the pavement via a rubber pad, are introduced as a cheap, simple-to-perform, and quickly repeatable dynamic test method for measuring the speed of longitudinal elastic waves propagating from one accelerometer to another. This allows for quantifying the stiffness of individual layers of pavement structures, based on the theory of propagation of elastic waves through isotropic media. As regards flexible pavements, it is found that the seasonal variation of FWD results can be primarily traced back to the temperature-dependent stiffness variation of asphalt layers,as other layers present significantly milder stiffness variations. As regards rigid pavements, the sledgehammer tests are shown to allow for situations with full-face contact along all interfaces from situations suffering from temperature-gradient-induced curling of concrete slabs, leading to partial loss of contact along an interface between two neighboring layers.Chapter 5 refers to the asphalt-related temperature correction of deflections measured during FWD testing of a concrete-over-asphalt composite pavement structure. Five FWD tests were performed at one of the field-testing sites described in Chapter 4 (rigid pavement structure). These tests were carried out in summer, winter, and transitional periods. The measured deflections are influenced by temperature-dependent stiffness changes of the asphalt layer and by seasonal stiffness changes of the subgrade. The main innovation refers to correcting the measured deflections such that they contain information on the seasonal stiffness changes of the subgrade only. To this end, several steps are necessary. At first, the stiffnesses of the materials of the four top mostlayers of the pavement structure are determined as follows. Two types of concrete and asphalt are characterized in the laboratory by means of non-destructive uniaxial compression tests and cyclic tension-compression tests (Dynamic Mechanical Analysis), respectively. The stiffness of the cement-stabilized layer is quantified in situ using the sledgehammer tests described in Chapter 4.The seasonally variable elastic modulus of the subgrade, together with its constant thickness, are back-calculated using multi-layered elastostatic simulations, such that simulated deflections agree almost perfectly with measured deflections. The fitted model is corroborated, because predicted strains of asphalt agree sufficiently well with in situ measurements. The multi-layered modelis used to compute deflections for asphalt temperatures between −5○C and +30○C, while the thicknesses and the stiffnesses of all other layers are set equal to seasonal averages. The numerical results allow for developing a Westergaard-inspired formula that translates measured deflections into corrected deflections which refer to an asphalt temperature of 20○C. Thus, the remaining seasonal variation of the corrected deflections refers to the seasonal variation of the stiffnessof the subgrade. The AREA4 method of the dense-liquid model is used to quantify, from the corrected deflections, values of a uniform spring stiffnesses per unit area. These k-values correlate well with the seasonally varying stiffness of the subgrade. The elaborated knowledge regarding the influence of the stiffness of asphalt and of the subgrade, respectively, on surface deflections,allows for the development of another correction approach. It is particularly well suited for application in the engineering practice, because it is very simple and requires only measured deflections as required input. This approach consists of uniformly increasing or decreasing thed eflections measured during FWD testing on a reference date, such that the shifted deflection ata distance of 1500 mm from the center of the falling weight, is equal to the deflection measured atthat distance during FWD testing performed on any other date. Again, k-values are quantified from corrected deflections, and they are shown to correlate reasonably well with seasonal stiffness changes of the subgrade. The developed method is also appealing because it provides corrected deflections (rather than corrected values of quantities derived from deflections), and this allowsfor applying all methods typically used for the interpretation and/or evaluation of FWD test results, including deflection basin parameters and structural models.