Characterization on unbound materials for flexible pavement design

Abstract

Current pavement design procedures, for unbound layers, are often empirically based on previous research and/or based on in-situ experience. However, it is known that these unbound materials behave in a much more complex manner and that their behavior can have a significant impact during pavement design procedures. These materials are known to behave in a non-linear manner dependent on a range of factors including materials based and condition-based factors. Despite these known influencing factors pavement design procedures still most often continue to consider their behavior as either static and/or linear in nature most often for simplicity of calculation purposes. With the development of laboratory testing procedures, the development of constitutive based regression models commenced with multiple models aiming to most accurately define the behavior of these unbound materials based on mechanical or physical properties. Many constitutive models were developed over the years, however, their full potential for incorporation into pavement design procedures was not effective and feasible until the development of computer-based modeling programs that can more rapidly assess the predicted responses within pavement structures. Despite the potential for their inclusion into computer-based Finite Element Modeling (FEM) most often this relatively new arena of FEM based pavement design analysis still limits and overly simplifies unbound material behavior in modeling and analysis procedures. The majority of current research into these FEM analysis procedures limit their design of unbound pavement materials to a linear-isotropic based behavior as research has been focused more on the in-depth investigation of the upper bound pavement layers. This oversimplification can potentially have a significant effect of the pavements structures overall responses and is necessary to be included within FEM based pavement analysis procedures in order to more accurately predict pavement responses. This imbalance and lack of knowledge on the impact that the nonlinear anisotropic laboratory-based FEM modeling of unbound base materials may have on overall pavement responses is the focus of the current dissertation. With this knowledge gap in mind, the current research focuses on investigating the pavement responses through FEM analysis, incorporating nonlinear anisotropic laboratory-based modeling of the unbound base layer and the impact this characterization has on a wide array pavement structures and on their predicted pavement responses at critical locations.

Οι τρέχουσες διαδικασίες διαστασιολόγησης, για τα ασύνδετα επίπεδα, βασίζονται συχνά εμπειρικά σε προϋπάρχουσες έρευνες ή/και σε διαχρονική εμπειρία στο πεδίο. Παρολαυτά, είναι γνωστό ότι αυτά τα ασύνδετα υλικά συμπεριφέρονται με έναν σημαντικό πιο περίπλοκο τρόπο και ότι η συμπεριφορά τους αυτή μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις κατά τη διαδικασία διαστασιολόγησης. Τα υλικά αυτά είναι γνωστό ότι συμπεριφέρονται με μη γραμμικό τρόπο εξαρτώμενου από μια σειρά παραγόντων τόσο σχετιζόμενων με το υλικό όσο και με τις συνθήκες. Παρόλη τη γνώση γύρω από τους παράγοντες αυτούς κατά τη διαστασιολόγηση οδοστρωμάτων η συμπεριφορά των υλικών εξακολουθεί και θεωρείται είτε στατική ή/και γραμμική κυρίως για λόγους απλοποίησης των υπολογισμών. Με την ανάπτυξη εργαστηριακών ελέγχων, αναπτύχθηκαν ταυτόχρονα και καταστατικά μοντέλα-προσομοιώσεις παλινδρόμησης με στόχο τον πιο ακριβή προσδιορισμό της συμπεριφοράς των ασύνδετων υλικών βάσει μηχανικών ή φυσικών χαρακτηριστικών. Πολλά καταστατικά μοντέλα αναπτύχθηκαν στη διάρκεια των χρόνων, ωστόσο, η ενσωμάτωση τους σε πλήρη δυναμική στη διαστασιολόγηση οδοστρωμάτων δεν ήταν δυνατή εωσότου αναπτυχθούν και τα αντίστοιχα προγραμματιστικά μοντέλα βασισμένα σε Η/Υ που μπορούν πιο άμεσα να αξιολογήσουν τις προβλεπόμενες αποκρίσεις σε δομές οδοστρωμάτων. Παρά τις προοπτικές για την συμπερίληψη του σε Προγράμματα Μοντελοποίησης Αριθμητικής Μεθόδου Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM), τις περισσότερες φορές το σχετικά νέο πεδίο σχεδιασμού και ανάλυσης βάσει FEM ακόμη περιορίζει και υπεραπλοποιεί τη συμπεριφορά των ασύνδετων υλικών στις διαδικασίες προσομοίωσης και ανάλυσης. Η πλειονότητα των τρεχουσών ερευνών σε διαδικασίες ανάλυσης FEM περιορίζει το σχεδιασμό των ασύνδετων υλικών σε γραμμικές-ισοτροπικές συμπεριφορές καθώς η έρευνα εστιάζει στη διερεύνηση των άνω στρωμάτων βάσης συνδεδεμένων υλικών. Αυτή η υπεραπλούστευση μπορεί δυνητικά να έχει σημαντική επίδραση στις αποκρίσεις των δομών οδοστρωμάτων και είναι απαραίτητο να συμπεριληφθεί στις διαδικασίες ανάλυσης οδοστρωμάτων βάσει FEM για την πιο ακριβή πρόβλεψη των αποκρίσεων των οδοστρωμάτων. Η ανισορροπία και έλλειψη γνώσης στην επίδραση επί των αποκρίσεων οδοστρωμάτων των μη γραμμικών ανισοτροπικών εργαστηριακά βασισμένων FEM προσομοιώσεων ασύνδετων υλικών βάσης αποτελούν την εστίαση της τρέχουσας διατριβής. Με δεδομένο αυτό το κενό γνώσης, η τρέχουσα έρευνα εστιάζει στη διερεύνηση των αποκρίσεων οδοστρωμάτων μέσω ανάλυσης FEM, ενσωματώνοντας μη γραμμικές ανισοτροπικές εργαστηριακά βασισμένες προσομοιώσεις των στρωμάτων βάσης ασύνδετων υλικών και αναλύοντας την επίδραση του χαρακτηρισμού αυτού σε μια ευρεία γκάμα δομών οδοστρωμάτων και των προβλεπόμενων αποκρίσεων τους σε σημαντικές τοποθεσίες.