Traditionally, flexible pavement design relies on past experience and semi-empirical methods developed through a combination of element testing and modelling. Element testing in this area especially, has centred on the performance of clean sands. This is in conflict with actual practice where a wide range of fines and soil gradations could be present in a real-world project. This research investigates the characteristics of natural sands and examines the influence of these marginal materials in pavement design using element testing and controlled modelling of an actual flexible pavement system. The element tests concentrated on separate, natural soils sourced from Kazakhstan which had similar mineralogy, but varying amounts of fines. One of the key parameters examined was equivalent void ratio and its efficiency to account for the behaviour change in granular materials which comes from increased fines content. Starting with monotonic triaxial results combined with strength-dilatancy methods it was shown that prediction of shear strength in a silty-sand could be improved by 13%. Incorporating this finding into repeat load triaxial tests, the transitions between elastic, plastic, and ratcheting failure behaviours (i.e. shakedown boundaries), commonly used to help predict the lifespan of a flexible pavement, were examined. It was seen that cycling a silty-sand, the stress path and yield surface could change depending on the fines content. The Cambridge Airfield Pavement Tester (APT) was designed and constructed to measure permanent subgrade deformation resulting from various surface loads. The number of input variables required to design flexible pavements is one of the most frequently stated problems in the field; variation of aircraft types, environmental conditions, and materials makes mechanistic design of the soil foundation problematic. Accordingly physical pavement modelling continues to be the only experimental method that allows input parameters and material characteristics to be examined simultaneously. Digital image correlation (DIC) was incorporated into the system; the first time this technology has been used in flexible pavement research. A Null Pressure System was also installed to measure soil stress distributions. It was observed that the critical failure mechanisms for thin and thick surficial layers are different, resulting in changes in the rates of surface rutting. Finally, by combining element and APT results, knowledge of the causal relationships between subsurface deformation and failure mechanisms in flexible pavement were advanced. In-situ soils, which are frequently incorporated into subgrade designs, were found to have a substantial role in the serviceability of the pavement. Correlations between element tests and APT results highlighted the complicated loading and boundary conditions present in a pavement.

Ziel der vorliegenden Dissertation war die Erweiterung der Kenntnisse über das nichtlinear-elastische Spannungs-Verformungsverhalten von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB). Ein analytisches Bemessungsverfahren ist aufgrund der schwierigen Modellierbarkeit des Verformungsverhalten der einzelnen Straßenbaustoffe bisher nicht existent. Die Dissertation soll einen Beitrag zur Entwicklung eines solchen Bemessungsverfahrens leisten. Eine Literaturrecherche zum Verformungsverhalten von ToB bildet die Grundlage für die Festlegung der Vorgehensweise. Basis der weiteren Untersuchungen sind Triaxialversuche, die an der Universität Nottingham an verschiedenen Gesteinskörnungen durchgeführt wurden. Mit Hilfe der Shakedown-Theorie konnte belegt werden, dass sich ToB in unterschiedlichen Beanspruchungsbereichen nach verschiedenen Gesetzmäßigkeiten verhalten und dass Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von ToB bereichsweise verschieden formuliert werden müssen. Somit ist es möglich, Gültigkeitsgrenzen für elastische Stoffmodelle zu ermitteln sowie Beanspruchungsgrenzen für ToB festzulegen. Mit ausgewählten Stoffmodellen erfolgten Beanspruchungsberechnungen nach der Finite-Elemente Methode (FEM). Die beste Annäherung zwischen Messwerten und Rechenergebnissen ergibt sich bei Anwendung des DRESDNER Modells. Berechnungen für Befestigungen nach den RStO 01 haben gezeigt, dass die Beanspruchungen auf den ToB bei Anwendung des DRESDNER Modells stark von denen bei Anwendung linearer Elastizität abweichen können. Durch unterschiedliche Überbauungsdicken der ToB besitzen diese einen verschieden hohen Anteil am Tragverhalten der Befestigung. Abschließend wird eine Methode zur Ermittlung von Sicherheitsniveaus vorgestellt. Bei Kenntnis der entsprechenden Schichtparameter lassen sich die Beanspruchungen jeder beliebigen Bauweise mit denen von Bauweisen nach RStO vergleichen. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass das Sicherheitsniveau einer bestimmten Bauweise nach RStO genauso groß ist, wie eine Befestigung mit einer dünneren Asphalttragschicht, dafür jedoch einer steiferen ToB. / The aim of this thesis was the extension of the knowledge about the resilient stress-deformation behaviour of unbound granular materials (UGM). Due to difficulties in modelling the behaviour of the single materials an analytical design method does not exist at present. Therefore this thesis makes a contribution for developing such a design method. A study of international publications about the current knowledge of the stress-deformation behaviour of UGM and repeated load triaxial tests, which have been performed at Nottingham University, were the base for all further investigations. With the shakedown concept it could be shown that materials behave in a different manner depending on the applied stress level and that material laws for describing the resilient deformation behaviour of UGM have to be formulated separately for different stress ranges. Within this thesis a method is introduced which helps to find boarders for the applicability of different material laws and limiting stress lines where below the lines stable behaviour and admissible deformations for the material are expected. Applying selected material laws finite element calculations have been performed. Comparing calculation results with measurement results it can be shown that the Dresden model offers the best approach. Calculations for pavement constructions applying the Dresden model have resulted that the vertical stresses differ very much in comparison with elastic behaviour for the UGM. It can be concluded that the thickness of the covering bounded layers have an effect to the contribution of the unbound granular layers at the complete deformation behaviour of the pavement construction. Finishing a method is introduced to determine the safety levels of pavement constructions. It seems to be possible to compare the stress-strain levels of any pavement construction with those from the german standard RStO 01. Existing functions could be modified to determine safety coefficients, i. e. ratios between admissible and existing numbers of load cycles. It can be concluded that there are the same safety levels for different pavement constructions ? a thinner asphalt layer can be compensated with a stiffer UGM.

Les matériaux granulaires sont souvent utilisés dans les chaussées à faible trafic, pour la réalisation des couches d'assise non liées. L'objectif de la thèse est une meilleure compréhension du comportement hydromécanique des matériaux granulaires insaturés sous charge répétée en tenant compte des différents effets couplés: teneur en eau et teneur en fines. Une série d'essais triaxiaux à chargements répétés (TCR) est réalisée avec les différents échantillons de sable de Missillac remodelés à différentes teneurs en eau et en fines pour caractériser les comportements de déformation permanent et résilient. En outre, les courbes de rétention sont obtenues par des essais de succion. Puis, sur la base des résultats expérimentaux, les modèles de déformations permanentes et réversibles existants sont améliorés pour prendre en compte les teneurs en fines et en eau variables. Finalement, le comportement de l'état limite du sable Missillac est estimé avec les effets des teneurs en fines et en eau. / Granular materials are often used in low traffic pavement structures as unbound granular base and sub-base layers. The objective of this context is a better understanding of hydromechanical behaviour (deformation behaviour mainly) of the unsaturated granular materials under repeated loading taking into account the various coupled effects: water content and fine content. A series of RLTTs are conducted with the different remolded Missillac sand samples at different water contents and fine contents to characterize the permanent and resilient deformation behaviour. Besides, the soil water retention curves (SWRCs) are obtained by suction measurement. Then, based on the experimental results, the existing permanent and resilient deformation models are improved to accommodate to the changeable fine content and water content. In the end, the shakedown behaviour of Missillac sand is estimated with the effects of fine content and water content.

Ziel der vorliegenden Dissertation war die Erweiterung der Kenntnisse über das nichtlinear-elastische Spannungs-Verformungsverhalten von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB). Ein analytisches Bemessungsverfahren ist aufgrund der schwierigen Modellierbarkeit des Verformungsverhalten der einzelnen Straßenbaustoffe bisher nicht existent. Die Dissertation soll einen Beitrag zur Entwicklung eines solchen Bemessungsverfahrens leisten. Eine Literaturrecherche zum Verformungsverhalten von ToB bildet die Grundlage für die Festlegung der Vorgehensweise. Basis der weiteren Untersuchungen sind Triaxialversuche, die an der Universität Nottingham an verschiedenen Gesteinskörnungen durchgeführt wurden. Mit Hilfe der Shakedown-Theorie konnte belegt werden, dass sich ToB in unterschiedlichen Beanspruchungsbereichen nach verschiedenen Gesetzmäßigkeiten verhalten und dass Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von ToB bereichsweise verschieden formuliert werden müssen. Somit ist es möglich, Gültigkeitsgrenzen für elastische Stoffmodelle zu ermitteln sowie Beanspruchungsgrenzen für ToB festzulegen. Mit ausgewählten Stoffmodellen erfolgten Beanspruchungsberechnungen nach der Finite-Elemente Methode (FEM). Die beste Annäherung zwischen Messwerten und Rechenergebnissen ergibt sich bei Anwendung des DRESDNER Modells. Berechnungen für Befestigungen nach den RStO 01 haben gezeigt, dass die Beanspruchungen auf den ToB bei Anwendung des DRESDNER Modells stark von denen bei Anwendung linearer Elastizität abweichen können. Durch unterschiedliche Überbauungsdicken der ToB besitzen diese einen verschieden hohen Anteil am Tragverhalten der Befestigung. Abschließend wird eine Methode zur Ermittlung von Sicherheitsniveaus vorgestellt. Bei Kenntnis der entsprechenden Schichtparameter lassen sich die Beanspruchungen jeder beliebigen Bauweise mit denen von Bauweisen nach RStO vergleichen. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass das Sicherheitsniveau einer bestimmten Bauweise nach RStO genauso groß ist, wie eine Befestigung mit einer dünneren Asphalttragschicht, dafür jedoch einer steiferen ToB. / The aim of this thesis was the extension of the knowledge about the resilient stress-deformation behaviour of unbound granular materials (UGM). Due to difficulties in modelling the behaviour of the single materials an analytical design method does not exist at present. Therefore this thesis makes a contribution for developing such a design method. A study of international publications about the current knowledge of the stress-deformation behaviour of UGM and repeated load triaxial tests, which have been performed at Nottingham University, were the base for all further investigations. With the shakedown concept it could be shown that materials behave in a different manner depending on the applied stress level and that material laws for describing the resilient deformation behaviour of UGM have to be formulated separately for different stress ranges. Within this thesis a method is introduced which helps to find boarders for the applicability of different material laws and limiting stress lines where below the lines stable behaviour and admissible deformations for the material are expected. Applying selected material laws finite element calculations have been performed. Comparing calculation results with measurement results it can be shown that the Dresden model offers the best approach. Calculations for pavement constructions applying the Dresden model have resulted that the vertical stresses differ very much in comparison with elastic behaviour for the UGM. It can be concluded that the thickness of the covering bounded layers have an effect to the contribution of the unbound granular layers at the complete deformation behaviour of the pavement construction. Finishing a method is introduced to determine the safety levels of pavement constructions. It seems to be possible to compare the stress-strain levels of any pavement construction with those from the german standard RStO 01. Existing functions could be modified to determine safety coefficients, i. e. ratios between admissible and existing numbers of load cycles. It can be concluded that there are the same safety levels for different pavement constructions ? a thinner asphalt layer can be compensated with a stiffer UGM.