The structural behaviour of pavement structures is known to be affected by the traffic-related loading and by the ambient factors to which the structure is subjected. A new mechanistic-empirical (M-E) pavement design method is under development in Sweden with the main purpose to adequately predict pavement structural response and performance. An M-E design method for a flexible pavement means application of the principles of engineering mechanics to evaluate the response of pavement structure to traffic loading and much improved design methods to carry out distress prediction or how performance changes with time. This would ensure a fundamental understanding of how the pavement structure responds to a certain action or loading conditions. 

The mechanistic-empirical approach is more flexible as it is able to adapt to new situations such as new pavement materials and loading situations. It is important to take into account the real loading and climatic conditions and predict the resulting changes in material properties and structural behaviour at the time of loading as well as in the long-term. New models are therefore required for the further development of pavement design method, and it needs to be validated through reliable data obtained through realistic measurements.

In this licentiate thesis, the effects of the environmental factors and loading by heavy vehicles in pavements are investigated. The results of the study are based on environmental data from multiple locations in Sweden and on measurements from two instrumented road sections located near the village of Långträsk in the northern part of Sweden. Both roads consist of thin flexible pavements, the behaviour of which is highly dependent on the variation of the temperature of the asphalt layer, the moisture content in the unbound granular layers, and frost depth conditions.

The licentiate report consists of three scientific publications. 

Paper 1 presents a country-specific case study in which the frost penetration depth in various Swedish roads is predicted by a statistically derived empirical model that uses the air freezing index calculated from the air temperature as an input. The model correlation is based on meteorological data from 44 meteorological stations and pavement cross-sectional temperature distribution data from 49 road weather information system (RWIS) stations over all five climatic zones throughout all of Sweden.

Paper 2 focuses on the response of an instrumented test section subjected to loading by falling weight deflectometer (FWD) and heavy vehicles. The mechanical response instrumentation consisted of asphalt strain gauges (ASG), strain measuring units (εMU), and soil pressure cells (SPC) installed at different locations in the structure. The layer stiffness values were obtained via backcalculation based on the FWD surface deflections bowls. The recorded values of the mechanical response were compared against calculated values by multilayer elastic theory (MLET) based software. Three different heavy vehicles weighing from ~64 tons to ~74 tons were compared in terms of damage caused to the pavement structure. It was found that if the number of axles was increased and dual tyres were used, longer heavier vehicles were not more destructive to the pavement structure than shorter vehicles with fewer axles and higher axial load and tyre pressure.

In paper 3, the effect of the seasonal variation of the environmental factors on the behaviour of an instrumented road test section was investigated. The same loading configuration described in paper 2 was used on four different measurement campaigns in different seasons over the span of 1 year. The environmental variables were monitored throughout the year by asphalt thermocouples, a frost rod, and time-domain reflectometer (TDR) probes. The mechanical response sensors and the environmental sensors were found to be a reliable data collection method throughout the entire year. By comparing the recorded response values to the MLET calculated values, it was shown that it is possible to model the mechanical behaviour of pavement structures using linear-elastic MLET if the temperature variations in the asphalt layer and the moisture variations in the granular layers are taken into account.

Utvecklingen av det strukturella tillståndet av vägbyggnader är beroende av trafikmängd samt vägkonstruktionens omgivningsfaktorer. En mekanistisk-empiriskdimensioneringsmetod för vägkonstruktioner är under utveckling i Sverige med huvudsyftet att på realistiskt sätt kunna förutsäga vägens respons och tillståndsutveckling. En M-E dimensionering betyder att man applicerar mekanistiska grundprinciper för att bestämma vägkonstruktionens respons under trafikbelastning och tillämpar sedan överföringsfunktioner för att förutsäga nedbrytningsförloppet. Att använda en mekanistiskt baserad metod innebär att man får en grundläggande förståelse av hur vägkonstruktionen svarar på en specifik påverkan eller belastning. Detta mera realistiska tillvägagångsätt ger dessutom ökad flexibilitet och gör att metoden kan appliceras vid nya belastningsfall eller under nya klimatförhållanden. Det blir därför möjligt att ta hänsyn till det riktiga belastningsfallet under de rätta klimatförhållandena. Detta gör att nyamodeller för vägkonstruktionens respons behövs och att dessa måste valideras för realistiska trafikbelastningsfall. I denna licentiatavhandling undersöks hur omgivningsvariabler och trafikbelastning från tunga lastbilar påverkar vägkonstruktioner. Resultat från denna studie bygger på omgivningsdata från ett stort antal mätstationer i Sverige och från mätningar från två instrumenterade vägsträckor nära byn Långträski Norrland. Båda vägkonstruktionerna består av tunna vägöverbyggnader och därför är responsen starkt beroende av beläggningstemperaturen och fuktinnehållet i vägbyggnadens obundna lager samt frostdjupet.Rapporten bygger på tre publikationer.Första artikeln presenterar hur frostdjup i svenska vägar kan förutsägas utifrån en statistisk modell som använder ett frostindex beräknat från lufttemperaturen. Modellen bygger på en anpassning av data från 44 meteorologiska väderstationer och 49 av Trafikverkets väderinformationsstationer distribuerade över alla fem klimatzoner i Sverige. Den andra artikeln fokuserar på responsmätningar från en instrumenterad vägtestplats där både fallvikt samt tunga lastbilar har använts för lastgenerering. Den vägtekniska instrumenteringen bestod av asfalttöjningsgivare (ASG), trycktöjningsgivare (MU), och jordtyckceller (SPC) installerade på olika djup. Styvhet av de olika lagren bakberäknades baserat på data från fallviktsmätningarna. De registrerade värdena från de vägtekniska givarna jämfördes med desom beräknades med hjälp av beräkningsverktyget ERAPave. Tre lastbilar med den totala tyngden mellan ~64 –~74 ton användes sedan för att jämföra deras relativa nedbrytningseffekt. Slutsatsen är att om antal axlar ökas med ökad tyngdoch om parmonterade däck användes är nedbrytningseffekten från 74 ton lastbil inte större än från en lättare lastbil med färre axlar. I artikel tre fokuseras det på effekten av hur klimatfaktorer påverkar vägkonstruktionens respons. Samma lastbilar som iden andra artikeln användes under fyra mätkampanjer vid olika tidpunkter på året. Omgivningsparametrarna registrerades i form av beläggningstemperatur och fukt i de obundna lagren samt frostdjupet. Vägens mekaniska respons beräknades genom att uppdatera styvhetsmodulerna utifrån beläggningens temperatur och de obundna lagrens med fuktkvoter och jämföra med de uppmätta responsvärdena. Beräkningsmetodiken visar sig ge bra överensstämmelse med det om uppmättes. 

It is well established that both traffic-related loading and environmental conditions influence the structural behaviour of pavements. Pavement design methods aim to consider the effect of traffic loading and environmental variables on pavement structure, foresee their changes during the lifetime of the pavement and predict the resulting distresses and pavement life. Newer models are required to further advance the development of pavement design methods. Validations using reliable and representative data are required prior to incorporating these models in pavement design methods.

The impact of environmental factors such as temperature, moisture content and freeze-thaw cycles on pavement behaviour have been examined in this doctoral thesis. Furthermore, the impact of increased loading by new long heavy vehicles on low-volume roads subjected to large variations of the environmental conditions has been investigated. The findings presented in this thesis have been based on field data collected on roads that have been and currently are in day-to-day operation. The collected data on mechanical response, temperature, moisture and frost was used to validate models on mechanical behaviour and thermal behaviour, as well as the effect of their interaction in pavement structures. 

The models developed and validated in this study are aimed to be integrated into a new mechanistic-empirical pavement design framework that is currently under development in Sweden. The work done for this thesis is presented hereby in the form of 5 papers and a short summary part. This thesis is a continuation of a licentiate thesis previously published at KTH Royal Institute of Technology. Part of the material published in the licentiate thesis has been included in this doctoral thesis.

Det är väl känt att både belastning från trafik och klimat påverkar vägars strukturella beteende. Strukturella dimensioneringsmetoder för vägar tar hänsyn till båda dessa belastningar och förutser deras inverkan på nedbrytningsförloppet under dimensioneringsperioden. Nya metoder och modeller är under utveckling som syftar till att utöka och förbättra förutsägelserna av vägars tillståndsförändringar och därmed nedbrytningsprocessen. Dessa modeller behöver valideras mot uppmätta data innan de börjar användas i allmänna dimensioneringsprogram. 

Denna doktorsavhandling undersöker påverkan av klimatfaktorer så som temperatur, fukt och frys-tö cyklar på vägars strukturella beteende. Dessutom har det undersökts hur långa och tungt lastade fordon påverkar tunna vägkonstruktioner vid olika klimatförhållanden. Avhandlingens slutsatser baseras på jämförelser av fullskaliga försök med tunga fordon som används på vägnätet i dag med beräkningar. Insamlad last- och töjningsdata från sensorer i vägkroppen som belastas med tung trafik samt vägtemperatur, fukt och frost har använts för att validera modeller för att beräkna den uppmätta mekanistiska samt termiska responsen i vägar. 

De modeller som har utvecklas och validerats har inkluderats i en ny mekanistisk – empirisk vägdimensioneringsmetodik som är under utveckling i Sverige. Resultaten presenteras här i fem artiklar samt i en kort sammanfattande del. Doktorsavhandlingen är en fortsättning av en Licentiatavhandling som tidigare har publicerats vid KTH. Delar av det arbetet är även inkluderat i denna avhandling.