Pavement analysis and design (2nd edition)

785 Pages·2004·48.3 MB·English

by  Yang Hsien Huang

Pavement Analysi s
and Desig n
Second Edition
Yang H. Huang
University of Kentucky
PEARSON
Prentice
Hall
Upper Saddle River, NJ 07458
72.
3
( 31
Marcia Horton
Laura Fischer
Andrea Messineo
David W. Riccardi
Vince O'Brien
David A. George
Rose Kernan
Paul Belfanti
Carole Anson
Jayne Conte
Gregory Dulles
Bruce Kenselaar
Trudy Pisciotti
Lisa McDowell
Holly Stark
London
Sydney
Hong Kong
Toronto
Tokyo
Upper Saddle River, New Jersey
Contents
Preface to Second Editio n ix
Preface to First Edition xi
CHAPTER 1 Introduction 1
1.1 Historical Developments 1
1.2 Pavement Types 8
1.3 Road Tests 19
1.4 Design Factors 26
1.5 Highway Pavements, Airport Pavements, and Railroad Trackbeds 37
Summary 41
Problems and Questions 43
CHAPTER 2 Stresses and Strains in Flexible Pavements 45
2.1 Homogeneous Mass 45
2.2 Layered Systems 57
2.3 Viscoelastic Solutions 76
Summary 89
Problems 90
CHAPTER 3 KENLAYER Computer Program 94
3.1 Theoretical Developments 94
3.2 Program Description 106
3.3 Comparison with Available Solutions 109
3.4 Sensitivity Analysis 130
Summary 141
Problems 143
CHAPTER 4 Stresses and Deflections in Rigid Pavements 147
4.1 Stresses Due to Curling 147
4.2 Stresses and Deflections Due to Loading 153
v
vi Contents
4.3 Stresses Due to Frictio n
4.4 Design of Dowels and Joint s
Summary
Problems
CHAPTER 5 KENSLABS Computer Progra m
5.1 Theoretical Development s
5.2 Program Descriptio n
5.3 Comparison with Available Solution s
5.4 Sensitivity Analysi s
Summary
Problems
CHAPTER 6 Traffic Loading and Volum e
6.1 Design Procedure s
6.2 Equivalent Single-Wheel Loa d
6.3 Equivalent Axle Load Facto r
6.4 Traffic Analysis
Summary
Problems
CHAPTER 7 Material Characterizatio n
7.1 Resilient Modulu s
7.2 Dynamic Modulus of Bituminous Mixture s
7.3 Fatigue Characteristics
7.4 Permanent Deformation Parameter s
7.5 Other Propertie s
Summary
Problems
CHAPTER 8 Drainage Desig n
8.1 General Consideratio n
8.2 Drainage Material s
8.3 Design Procedure s
Summary
Problems
CHAPTER 9 Pavement Performanc e
9.1 Distress
9.2 Serviceability
9.3 Surface Friction
438
CHAPTER 10
CHAPTER 11
CHAPTER 12
CHAPTER 13
APPENDIX A 655
viii Contents
A.3 Method of Successive Residuals 662
A.4 Complex Modulus 666
APPENDIX B Theory of Elastic Layer Systems 671
B.1 Differential Equations 671
B.2 Circular Loaded Area 673
B.3 Boundary and Continuity Conditions 674
B.4 Extension to Concentrated Load 676
APPENDIX C KENPAVE Software 677
C.1 Software Installation 677
C.2 Main Screen 678
C.3 LAYERINP 679
C.4 SLABSINP 681
APPENDIX D An Introduction to Superpave 682
D.1 Asphalt Binder Grading System 682
D.2 Aggregates in HMA 684
D.3 Asphalt Mix Design 689
Summary 692
Problems 693
APPENDIX E Pavement Management Systems 694
E.1 PMS Activity Levels 694
E.2 Network-Level Elements 695
E.3 Project-Level Elements 700
E.4 Life-Cycle Cost Analysis 703
E.5 PMS Data and Software 711
E.6 Infrastructure and Asset Management 713
E.7 Pavement Preservation 714
Summary 714
Problems 714
APPENDIX F A Preview of 2002 Design Guide 716
F.1 General Features 716
E2 Design inputs 717
F.3 Distress Prediction Models 722
Summary 727
APPENDIX G List of Symbols 728
APPENDIX H References 741
Author Index 761
Subject Index 767
Preface to Second Editio n
The first edition of Pavement Analysis and Design was published in 1993 . The wide -
spread adoption of this book by so many colleges as an undergraduate or graduate tex t
has encouraged me to write this second edition . A major event during the past decad e
was the completion of the Strategic Highway Research Program (SHRP), which led t o
the development of the highly publicized 2002 Pavement Design Guide . However, a t
the time of this writing, the final draft of the 2002 Guide is still not available . It wil l
likely be a few more years before the Guide is approved and implemented by th e
American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO ) . Fo r
this reason, only a brief preview of the 2002 Pavement Design Guide is presented, in a n
appendix.
Other than those improvements in the computer programs that necessitat e
changes in the text, not much is changed in the theoretical part of this book . Although
new procedures were developed by SHRP for material characterization and pavemen t
evaluation, these procedures, such as Superpave, are still in the developmental stag e
and will be subject to change as more experience is gained in their use . In this secon d
edition, Superpave is presented in an appendix . To extend the usefulness of the book, a
new appendix on Pavement Management System is added . It is hoped that a more ex -
tensive revision will be made in the third edition, after the 2002 Pavement Desig n
Guide is fully implemented and all the testing and evaluation procedures are finalized .
Major changes made in this edition are the following :
1. The floppy disk containing the four DOS programs is replaced by a CD contain-
ing a Windows program called KENPAVE, which combines the original KEN -
LAYER, LAYERINP, KENSLABS, and SLABSINP into a single package ,
together with the addition of some computer graphics . The software was writte n
in Microsoft Visual Basic 6 .0 and can be run on any computer with Windows 9 5
or higher. Detailed instructions on the use of KENPAVE can be found in th e
software program .
2. Section 13 .5 on the AASHTO method of overlay design has been totally revised .
The 1986 AASHTO Design Guide was used in the first edition . The guide was re -
vised in 1993 with practically no change in the design of new pavements, but th e
design of overlay was completely rewritten .
3. New developments and information from the literature have been added to kee p
the book current . A new method based on the Mohr—Coulomb failure criterio n
ix
x Preface to the Second Edition
has been added in KENLAYER for nonlinear analysis, and new comparisons ar e
made between KENLAYER and the latest Windows version of MICH-PAVE .
4. Three new appendices have been added : Appendix D—An Introduction to Su-
perpave; Appendix E—Pavement Management Systems ; and Appendix F—A
Preview of 2002 Design Guide . Appendix C is combined with Appendix B ; a ne w
Appendix C contains a brief description of KENPAVE .
5. To provide room for the above additions, Sections 3 .4.3 (on contained rock as-
phalt mats) and 10 .5 (on probabilistic computer programs) have been deleted .
Also deleted from the appendices are the description of the input programs an d
the programming details of KENLAYER and KENSLABS, such as subroutine s
and flowcharts . The description of input and output parameters in Chapters 3
and 5 and the illustrative examples in the appendices also have been removed ,
because they can now be found in the software program .
I wish to acknowledge gratefully the contribution of my colleague, Dr . Kamyar C .
Mahboub, who wrote the appendices on Superpave and Pavement Management Sys-
tems. These new additions broaden the scope of this book and make it more suitabl e
for a wider audience . I also want to offer my heartfelt thanks to AASHTO, the Trans -
portation Research Board, the Federal Highway Administration, the Asphalt Institute ,
the Portland Cement Associations, and many others who have permitted the use of th e
information they developed . Finally, I would like to thank my wife Jane for her suppor t
in the use of our retirement time on this book .
YANG H. HUANG, Sc. D., P. E .
Professor Emeritus of Civil Engineering
University of Kentucky
Preface to First Editio n
During the past two decades, I have been teaching a course on pavement analysis an d
design to both seniors and graduate students at the University of Kentucky . I had diffi -
culty finding a suitable textbook for the course because very few are available . There
are at least two reasons that a professor does not like to write a textbook on pavemen t
analysis and design . First, the subject is very broad . It covers both highway and airpor t
pavements and involves analysis, design, performance, evaluation, maintenance, reha -
bilitation, and management . It is difficult, if not impossible, to cover all these topics i n
sufficient detail to serve as a textbook with enough illustrative examples and home -
work problems for the students . Second, empirical methods have been used most fre-
quently for pavement analysis and design, and a book based on empirical procedure s
becomes out of date within a short time . No one is willing to write a book with such a
short life . Because of the above difficulties, I have written this book as an alternative . I
have limited the content to the structural analysis and design of highway pavement s
and covered essentially the mechanistic—empirical design procedures rather than th e
purely empirical methods .
To facilitate the teaching of mechanistic—empirical methods, I have included tw o
computer programs that I developed for pavement analysis and design . These pro -
grams have been used by my students for more than ten years and have been constant -
ly updated and improved . They are original and contain salient features not availabl e
elsewhere. For example, the KENLAYER program for flexible pavements can be ap-
plied to a multilayered system under stationary or moving multiple wheel loads wit h
each layer being either linear elastic, nonlinear elastic, or viscoelastic . The KENSLAB S
program for rigid pavements can be applied to multiple slabs fully or partially support -
ed on a liquid, solid, or layered foundation with moment or shear transfer across th e
joints. Both programs can perform damage analysis by dividing a year into a number o f
periods, each having a different set of material properties and subjected to varyin g
repetitions of different axle loads . These programs were originally written for an IB M
mainframe, but were later adapted to an IBM-PC and can be run by using the dis k
provided with this book .
In addition to the documentation of the computer programs, this book present s
the theory of pavement design and reviews the methods developed by several organi-
zations, such as the American Association of State Highway and Transportation Offi -
cials (AASHTO), the Asphalt Institute (AI), and the Portland Cement Associat ion
(PCA). Because most of the advanced theory and detailed information are presente d
xi