Forsterkningsbehov ved bruk av fallodd og georadar

Abstract

Vedlikeholds- og utbedringsetterslepet på norske veger er stort, og store investeringer er nødvendig for å unngå videre forfall. For å øke nytteverdien av fremtidige forsterkningsprosjekter, er det nødvendig med gode metoder for best mulig tilpasning av tiltak for de aktuelle skademekanismene. Dette vil implisitt medføre en effektiv ressursbruk.

Kjennskap til de faktiske fysiske forholdene i den aktuelle vegkonstruksjonen vil forenkle tiltakstilpasning. Håndbøkene tilrettelegger for å basere dimensjoneringen på den empiriske indeksmetoden. I praksis er imidlertid visuelle undersøkelser, tidligere tiltak og ingeniørmessig skjønn mer brukt. En kvantifisert modell av vegkonstruksjonens strukturelle tilstand etableres sjeldent i Norge. Denne masteroppgaven undersøker hvordan fallodd- og georadarmålinger kan brukes for en slik modell, og som grunnlag for dimensjonering. Oppgaven tar utgangspunkt i problemstillingen: Hvordan kan FWD kombinert med GPR bidra til en bedre tilpasset ressursbruk i forsterkningsprosjekter? Dette er besvart via et teoretisk litteraturstudium og gjennom praktiske casestudier.

De fleste empiriske metoder, deriblant indeksmetoden, bygger på AASHTOs "Guide for Design of Pavement Structures" fra 1993. Denne har blitt kritisert for å være upresis, da den i liten grad baseres på grunnleggende fysisk teori. Dette gjør den mindre intuitiv, og vanskeligere å tilpasse virkeligheten. Mekanistisk-empiriske (ME) metoder; metoder der grunnleggende fysiske størrelser brukes empirisk, omtales mer positivt. Vegkonstruksjonens lagvise stivheter (E-moduler) står sentralt ME-metodikk. Etterberegninger fra nedbøyningsmålinger har vist godt samsvar med laboratorieundersøkelser, gitt kjennskap til lagtykkelser. Dette gjør kombinasjonen med GPR gunstig. Det er imidlertid demonstrert begrensninger i det teoretiske rammeverket i vanlige etterberegningsprogrammer, ettersom de færreste tar hensyn til viskoelastiske materialresponser og dynamiske belastninger. I praksis kan stivheter brukes til å beregne nødvendig reasfalteringstykkelse, basert på et mer empirisk grunnlag. Litteraturen tilknyttet dette er mindre omfattende.

Alle casestudiene baseres reelle prosjekter, der FWD- og/eller GPR-målinger var utført. To av prosjektene var mindre, kommunale veger. Den tredje en europaveg. Dette betød mindre kontrollerte rammer rundt vegkonstruksjonene og målingene, sammenlignet med forskningslitteraturen. Eksempelvis hadde et av prosjektene en varierende og stor grad av krakelering og deformasjoner, og i et annet var FWD-målingene utført ved lavere temperaturer enn anbefalt. Kjennskap til materialegenskaper under dekket var også begrenset. Dermed ble det mer krevende å oppnå pålitelige resultater. Et interessant funn var at bruken av GPR hadde en mye mindre påvirkning på forskjeller i stivheter, og dermed forsterkningsbehov, enn antydet i forskningslitteraturen. Et annet var at indeksmetoden tendenserer mot en stor grad av overdimensjonering, sammenlignet med ME-metoder.

Den mest sentrale konklusjonen var at bruk av etterberegnede stivheter fra FWD-målinger kan bidra til å redusere nødvendig omfang av andre undersøkelser. Samtidig kan det bidra til en god tiltakstilpasning, både gjennom bedre definerte fysiske forhold, samt bedre differensiering langs en strekning. Til tross for mindre forskjeller ved bruk av GPR-målinger enn hva som er antydet i litteraturen, gir GPR fordelen av å gi et mer kontinuerlig innblikk i vegkonstruksjonen enn eksempelvis oppgravingsprøver. Det er derfor muligheter for både tid- og kostnadsbesparelser, sammenlignet med mer brukte metoder i Norge.

There exists a large maintenance backlog in the Norwegian road network, and big investments are needed to avoid further decay. In order to improve the utility of future rehabilitations, methods are necessary to improve the adaptation of measures to the problems at hand. This will result in an more efficient resource utilization.

Knowledge of the physical conditions in the excisting road construction will simplify the adaptation of proper measures. NPRA's handbooks facilitate the use of the empirical ''index method'' for such. However, visual examinations, previous measures and engineering considerations are more widely used in practice. A quantified model of the structural state of the road is rarely established in Norway. This thesis investigates how the Falling Weight Deflectometer (FWD) and the Ground Penetrating radar (GPR) can be used to establish such a model as a basis for design, based on the thesis statement: How can FWD combined with GPR contribute to a better use of resources in rehabilitation projects? This was addressed through both a state of the art literature study and three case studies.

Most empirical methods are based on the framework introduced in AASHTO's "Guide for Design of Pavement Structures" from 1993, which makes them harder to relate and adapt to occuring deformation behaviours. However, the use of mechanistic-empirical (ME) methods have been shown to yield promising results in this regard. In these, basic physical properties are obtained, before applied on an empirical basis. Thus, the different layer's elastic modulus are crucial to ME-methodology. Backcalculations of deflection measurements to find the E-moduli have shown good agreement with laboratory tests when the layer thicknesses are known. This favours the combination with GPR. However, the theoretical framework of conventional backcalculation softwares are often simplified, and don't consider the viscoelastic material responses and dynamic loads. The elastic modulus can be used to calculate the necessary overlay thickness based on empirical data, however the literature associated with this is sparse.

All the cases were projects where FWD and/or GPR measurements had already been performed. Two of the projects were smaller, municipal roads, and the third a E-road. Thus, the influence of external factors were less controlled than in most of the research litterature. For example, one of the projects had a varying degree of cracking and deformation, and the FWD measurements in another were carried out at lower temperatures than recommended. Knowledge of material properties below the pavement was also limited, which complicated the process. An interesting finding was that the supplementation of GPR in hte backcalculations had much less impact on the results and thus the need for strengthening than expected. The results also indicate that the index method has a tendency to yield far thicker overlay than required, when compared to the ME-methods.

It was concluded that the use of backcalculated elastic modulus can reduce the necessary scope of other test methods, while simultaneously contributing to better suited measures. This can be achieved through more clearly defined physical conditions and more detailed differentiation along the road section. Despite the minor differences found when supplementing with GPR, it offers an advantage in providing more continuous knowledge of the construction than it's counterparts. Therefore, ME mehtods offers opportunities for both time- and cost savings compared to more commonly used methods in Norway.