Assessment of structural design methods for heavy wheel loads and container loads with the experimental study of existing heavy duty industrial pavements

Suomessa ei ole virallista ohjeistusta raskaasti kuormitetuille kentille tehtävää rakennemitoitusta varten. Kohteen vaativuudesta riippuen mitoitukset on tehty kokemusperäisesti soveltaen joko tierakenteiden suunnitteluohjeita ja mitoitusmenetelmiä tai ulkomaisia suunnitteluohjeita. Vuonna 2003 tehty Vuosaaren sataman vaativa rakennemitoitus on hyvä esimerkki kyseisestä käytännöstä. Tutkimuksen tavoitteina oli selvittää miten hyvin ulkomaiset rakennemitoitusmenetelmät soveltuvat Suomen oloihin. Toisena tavoitteena oli tutkia kokeellisesti pääkaupunkiseudulle rakennettujen raskaasti kuormitettujen kenttien rakennekerroksia ja rakenteiden kuormituskestävyyttä ja vaurioitumista käytön aikana. Mitoitusmenetelmien tutkimuksessa kiinnitettiin erityisesti huomiota dynaamisiin ja staattisiin mitoituskuormiin, mitoituskriteereihin, rakennekerrosmateriaaleihin sekä pysyvien muodonmuutosten huomioon ottamiseen. Tutkimuksessa käsitellyt mitoitusmenetelmät olivat yhdysvaltalaisen Asphalt Instituten mitoitusohje syväasfalttirakenteille sekä Englannin (Interpave) ja Ruotsin (CBI) betoniyhdistyksien mitoitusohjeet betonikivipäällysteille. Tutkimuksessa käsiteltiin myös australialaista HIPAVE-ohjelmaa, joka on tie- ja lentokenttärakenteiden mitoituksessa käytettyjen CIRCLY- ja APSDS-ohjelmien jatkokehityksen tulos. Lisäksi tutkimuksessa analysoitiin Vuosaaren sataman rakennekerroksien mitoitusprosessia ja tehtiin Vuosaaren sataman rakennekerroksien vaihtoehtoinen mitoitus tutkituilla mitoitusmenetelmillä. Kokeellisen tutkimuksen pääkohteet olivat Jätkäsaaren ja Sompasaaren vanhat satamakentät sekä Tikkurilan linja-autoterminaali. Kokeellinen tutkimus koostui koekohteissa tehdyistä pudotuspainomittauksista ja maatutkamittauksista sekä laboratoriossa tehdyistä jäykkyysmoduulikokeista, jaksollisista virumiskokeista ja sideainekokeista. Rakennekerrosten jäykkyysmoduulit määritettiin suoralaskentamenetelmällä mitattujen taipumasuppiloiden ja maatutkamittauksen rakennekerrostulkinnan perusteella. Kokeellisen tutkimuksen perusteella Jätkäsaaren sataman rakennekerrokset olivat täyttömaata ja päällysteen paksuus oli 50 - 350 mm. Sompasaaren koekohde oli perustettu kalliopohjalle ja kokonaisrakennepaksuus oli 400 - 550 mm ja päällysteen paksuus 60 - 150 mm. Tikkurilan linja-autoterminaalissa perusparannuksen yhteydessä rakennetun uuden kantavaan kerrokseen alle jätetty vettä läpäisemätön vanha asfalttikerros aiheutti rakenteen deformoitumista keväisin roudan sulaessa ja kantavan kerroksen vesipitoisuuden kasvaessa CBI:n mitoituskriteeri ja materiaaliparametrit staattisille kuormille sekä Interpaven käyttämät konttikuormat soveltuvat käytettäviksi Suomessa tavanomaisille pohjamaille. Käytetyt mitoitusmenetelmät eivät kuitenkaan soveltuneet kalliopohjalle tai louhetäytöille rakennettavien kerroksien mitoitukseen, koska laskentatavat olivat soveltumattomia ja/tai mitoitusdiagrammeja ei ollut tehty kantaville pohjamaille. HIPAVE:ssa monimutkaiset kuormituskokonaisuudet pystytään ottamaan huomioon muita mitoitusmenetelmiä paremmin, mutta menetelmän soveltuvuuden syvällisempi tarkastelu vaatii kuitenkin HIPAVE-ohjelman täysversion käyttöä.In Finland, there are no official guidelines for the thickness design of heavy duty structures loaded with heavy wheel loads and containers loads. Structural designs have been made either empirically applying national guidelines and design methods developed for the road pavements or using international design methods developed for the heavy wheel loads. The thickness design of the Port of Helsinki, Vuosaari Harbor is a good example of this type of practice. Objectives of the thesis were to assess four international structural design methods for the Finnish subgrade conditions and to investigate existing heavy duty industrial structures in the Helsinki metropolitan area. In the evaluation of design methods, a special attention was paid to the dynamic and static loads, failure criteria, layer materials, and a consideration of a permanent deformation. Assessed design methods were the Asphalt Institute full-depth thickness design method (USA), Interpave's (United Kingdom) and CBI's (Sweden) methods for concrete block paving, and the Australian advanced heavy duty industrial pavement design procedure and software called HIPAVE. In addition, the original thickness designs of Vuosaari Harbor, developed in 2003, were examined. The HIPAVE is a result of a further development of the CIRCLY- and APSDS-design programs for the road and airport pavements. The Asphalt Institute, Interpave and CBI design methods were also employed to develop an alternative thickness design for the Vuosaari Harbor area. The existing structures investigated were old port areas of Jätkäsaari and Sompasaari in Helsinki and the Tikkurila bus terminal in Vantaa. Structural field tests were conducted using the Falling Weight Deflectometer (FWD) and the Ground Penetrating Radar (GPR). Laboratory tests for asphalt mixtures included indirect tensile stiffness modulus, cyclic creep test for the permanent deformation and penetration and softening point tests for bitumen. A forwardcalculation method was used to determine layer stiffness moduli from the FWD deflection bowls utilizing GRP data for the layer thickness interpretation. Based on the experimental study, the Jätkäsaari Harbor was built on land fill and thickness of the structural layers varied between 50 - 350 mm. The test site of Sompasaari port was built on rock foundation, the total layer thickness was 400 - 550 mm and the asphalt pavement thickness was 60 - 150 mm. In the Tikkurila bus terminal, during rehabilitation an impermeable old asphalt pavement layer was left underneath an unbound base layer, which caused structural damages in the spring time when frost was melting. The CBI failure criteria, the static stiffness moduli values, and the Interpave's container loads seem to be applicable to be used in Finland. However, none of the studied design methods were applicable for the thickness design when subgrade was rock foundation or rock-fill embankment because of theoretical deficiencies or lack of design charts. The HIPAVE was the most convenient design method for managing complicated combinations of container loads. However, more research is needed and the full version of the HIPAVE-program should be used instead of demo version used