A 3D-FE model for the rutting prediction in geogrid reinforced flexible pavements

The aim of this thesis is to present the results of the 3D-finite element simulations about the development of the rutting phenomenon in a traditional flexible pavement and a reinforced one, both subjected to a cyclic mechanical load. In particular, through Abaqus/CAE software, a road section reinforced by a fiberglass geogrid is analysed and compared with a traditional road section, in order to investigate the benefits offered by the geosynthetic completely embedded at two-thirds of the asphalt concrete layer (AC) in terms of permanent deformations. The basic road section is made up of two bound layers (AC and base), beneath which other two unbound layers (sub-base and subgrade) are positioned. Creep and Drucker-Prager models are used in Abaqus/CAE software for representing the time and load dependent permanent deformations of the layers. The unbound granular material of the sub-base layer is investigated through laboratory tests performed at the DICEAM Laboratory of the Mediterranea University of Reggio Calabria – Italy, in order to obtain its mechanical properties necessary to calculate the Drucker-Prager parameters for the 3-D FEM. Moreover, taking into account the real data from an ANAS (the main Italian highway company) survey about the heavy traffic on the stretch of the SS 106 road close to the Metropolitan Area of Reggio Calabria - Italy, the load equal to 700 kPa is applied with a triangular distribution on each of two rectangular areas (which simulate the tyres tracks) calculated according to Huang method. Finally, both simulations are performed to obtain the accumulated effect after 3,650 load cycles. The improvement offered by the fiberglass geogrid is highlighted by the simulations output. Specifically, in the case of reinforced section, where the geogrid distributed the load, the stress level in AC layer was less than in the case of traditional pavement. Furthermore, the value of the total rut depth calculated with different graphical methods, resulting from permanent deformations of the pavement layers, for the traditional section is higher than the result for reinforced pavement.

L’obiettivo di questa tesi è presentare i risultati delle simulazioni 3D agli elementi finiti sullo sviluppo del fenomeno dell’ormaiamento in una pavimentazione flessibile tradizionale ed in una rinforzata, entrambe soggette a un carico meccanico ciclico. Nello specifico, attraverso il software Abaqus/CAE, una sezione stradale rinforzata da una geogriglia in fibra di vetro è analizzata e confrontata con una sezione tradizionale, al fine di studiare i benefici in termine di deformazione permanente offerti dal geosintetico inserito a due terzi dello strato di conglomerato bituminoso (Asphalt Concrete – AC). La sezione tipo è composta da due strati legati (AC e base), sotto i quali sono posizionati altri due non legati (sottobase e sottofondo). I modelli che sono stati impiegati in Abaqus/CAE per rappresentare al meglio la dipendenza dal tempo e dal carico delle deformazioni permanenti degli strati, sono creep e Drucker-Prager (D-P). Il materiale granulare della sottobase è stato sottoposto a prove di laboratorio presso il DICEAM dell’Università Mediterranea di Reggio Calabria – Italia, al fine di ottenere le proprietà meccaniche utili a calcolare i parametri di D-P per la modellazione agli elementi finiti. Inoltre, tenendo in considerazione i dati reali relativi al monitoraggio di veicoli pesanti effettuato da ANAS sul tratto di strada della SS 106 adiacente all’Area Metropolitana di Reggio Calabria, il carico di 700 kPa è applicato con una distribuzione triangolare su ciascuna delle due aree rettangolari (che simulano le impronte delle ruote) calcolate secondo il metodo di Huang. Per concludere, entrambi le simulazioni sono effettuate per ottenere l’effetto dopo 3,650 cicli di carico. I risultati evidenziano il miglioramento offerto dalla geogriglia in fibra di vetro. In particolare, nel caso della sezione rinforzata dove il geosintetico distribuisce il carico, il livello di sforzo nello strato di conglomerato bituminoso è più basso che nel caso della pavimentazione tradizionale. Inoltre, la profondità dell’ormaia risultante dalle deformazioni permanenti di tutti gli strati e calcolata con metodi grafici differenti, è in tutti i casi più elevata per la sezione tradizionale che per quella rinforzata.