+ All Categories
Home > Documents > Falling Weight Deflectometer

Falling Weight Deflectometer

Date post: 18-Jul-2016
Category:
Upload: joisy-rivera-munarriz
View: 24 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
Description:
FWD
20
Engineering Framework for the  Self-Consistent Analysis of FWD Data (revised manuscript) Thomas M. Westover Graduate Research Assistant Department of Civil Engineering University of Minnesota 500 Pillsbury Drive S.E. Minneapolis, MN, USA 55455 Tel: (612) 626-1538 Fax: (612) 626-7750 Email: [email protected] Bojan B. Guzina Associate Professor Department of Civil Engineering University of Minnesota 500 Pillsbury Drive S.E. Minneapolis, MN, USA 55455 Tel: (612) 626-0789 Fax: (612) 626-7750 Email: [email protected] November 15 th , 2006   Total number of words in the paper (excluding title page) = 4,474 + 12*250 = 7474 Submitted to the Transportation Research Board for publication in Transportation Research Record
Transcript
Page 1: Falling Weight Deflectometer

Engineering Framework for the  Self­Consistent Analysis of FWD Data

(revised manuscript)

Thomas M. WestoverGraduate Research Assistant

Department of Civil EngineeringUniversity of Minnesota500 Pillsbury Drive S.E.

Minneapolis, MN, USA 55455 Tel: (612) 626­1538Fax: (612) 626­7750

Email: [email protected]

Bojan B. GuzinaAssociate Professor

Department of Civil EngineeringUniversity of Minnesota500 Pillsbury Drive S.E.

Minneapolis, MN, USA 55455Tel: (612) 626­0789Fax: (612) 626­7750

Email: [email protected]

November 15th, 2006  

Total number of words in the paper (excluding title page) = 4,474 + 12*250 = 7474

Submitted to the Transportation Research Board for publication inTransportation Research Record

Page 2: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 2

ABSTRACT

In nondestructive testing of flexible pavements, the Falling Weight Deflectometer (FWD) test is a common method to evaluate the mechanical characteristics of layered pavement structures.   Elastostatic backcalculation remains the norm in the interpretation of FWD data, even though its underlying (static) analysis is inconsistent with the dynamic nature of the FWD test.   Due to wave propagation effects, especially in the presence of a stiff layer, the peak pavement deflections induced by the FWD loading can differ significantly from their  static counterparts,   thus compromising the conventional backcalculation of pavement moduli.   In this study a frequency­domain based, pre­processing procedure is developed to extract the static pavement response from the transient FWD records, thus providing a more consistent input for the elastostatic recovery of pavement profiles.  To ensure the fidelity of the educed static deflections, the key drawbacks in typical (field) FWD   data,   namely   the   baseline   offset   and   the   low­frequency   noise   pollution,   are examined   and   remedied.   For   pavement   engineering   applications,   the   above   pre­processing procedure for extracting the static deflections from dynamic FWD records is implemented in a user­friendly graphical environment GopherCalc. By comparing the methodologies using both synthetically­generated (elastodynamic) data and field records, it  was   found   that   the   proposed  procedure   has   the  potential   of  mitigating   the   errors associated   with   the   dynamic   nature   of   the   FWD   test   while   still   retaining   the computationally­effective elastostatic backcalculation scheme.  

Page 3: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 3

INTRODUCTION

Degradation of pavements over time is a crucial concern for pavement engineers.   To decide on a proper corrective measure, one must be able to characterize and quantify the condition of the pavement and its substructure in an efficient and non­intrusive manner. With   the   increasing  need   for  economical  nondestructive   testing  methods,   the  Falling Weight Deflectometer (FWD) test has emerged as a viable way to estimate the pavement structural   adequacy   while   leaving   the   pavement   section   intact   and   traffic   largely unaffected.  

Due in part to its simplicity, elastostatic backcalculation is the most common form of FWD data interpretation.  Dynamic analyses are significantly more complex and often require  a  nearly  prohibitive  computational  effort   in   the  context  of   field  applications. Though some simplified elastodynamic models [1,2] and artificial neural networks [3, 4, 5]   have   been   employed   to   circumvent   these   difficulties,   elastostatic   backcalculation remains   the  dominant  method of   analysis.    Consequently,   the   traditional  methods  of backcalculation  assume  static  deformation  while   interpreting   the  dynamic  (i.e.   peak) deflections  of   the  pavement   system.     In  particular,   since   the  FWD  test   is  decidedly dynamic  in  nature,  phenomena such as wave reflection and refraction as  well  as   the viscoelastic   response   of   asphalt   concrete   are   unaccounted   for   in   the   elastostatic backcalculation.  Recently, a simple and efficient pre­processing procedure invoking the concepts of the Fourier transform and frequency response functions was proposed [6] that can potentially elevate the FWD backcalculation of pavement elastic layers within the framework of conventional elastostatic analyses, especially in the presence of a stiff layer.  In the approach, the (dynamic) peak values of the pavement response are replaced, as an input to backcalculation, by their zero­frequency (i.e. static) counterparts stemming from the Fourier analysis of transient deflection records.

Despite its potential for improving the pavement diagnosis from FWD records, the proposed approach necessitates the use of the complete deflection time histories for the   pre­processing   procedure.     In   this   regard,   the   Fourier­based   extraction   of   static deflections faces two key challenges caused by measurement errors, namely i) problem of   the   so­called   baseline   offset,   and   ii)   poor   signal­to­noise   ratio   characterizing   the pavement response at low frequencies.   A systematic treatment of these issues, together with its implementation in a user­friendly environment, is the main focus of this study.

Baseline offset.    In the FWD test, the response of the pavement to the imparted load is measured by an array of vertical velocity transducers known as geophones.  As a result of measurement noise and possible sensor drift, integration of the temporal velocity records to obtain pavement deflections can result in an accumulating offset that pollutes the   deflection   records   and   compromises   the   accuracy   of   backcalculation.     Such 

Page 4: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 4

accumulating error, manifest via a non­zero drift at the end of the deflection record, is known   as   the  baseline   offset  [7,8].   In   a   conventional   (peak­based)   elastostatic backcalculation   such   error   rarely   accumulates   to   a   significant   level   by   the   time   the pavement deflection reaches its maximum value, typically occurring early in the temporal record.   In the context of the featured Fourier analysis that utilizes the entire deflection record this error becomes significant and must be addressed.  In this study, a polynomial­type correction of the baseline offset is implemented and shown, through field examples, to significantly smoothen the frequency content of the pavement response and enhance the extraction of the zero­frequency (i.e. static) pavement deflections.

Low­frequency response.   Due to physical limitations of a geophone, the low­frequency response of the captured velocity records are characterized by poor signal­to­noise ratios, manifest in the erratic behavior of the pavement response function in the range   of   0­10   Hz.     This   very  part   of   the   response   is   however   critical   for   the  pre­processing procedure and must be dealt with appropriately.  In this study, the deficiencies of the low­frequency pavement response are overcome by extrapolating the intermediate frequency   (10­20   Hz)   data   through   the   noise­polluted   region.     This   is   achieved   by implementing a single­degree­of­freedom extrapolation procedure that is both stable and capable of closely mimicking the physical characteristics of the low­frequency pavement response for a variety of multi­layer systems.

Graphical   user   interface.    The   above   developments   are   implemented   as   a comprehensive   pre­processing   procedure   for   FWD   backcalculation   in   a   graphical application, GopherCalc.  The interface is equipped with a number of options, allowing a user   to   i)   perform   automated   averaging   of   the   device­stored   deflection   records,   ii) visualize   the   temporal  and   frequency­domain  signatures  of  pavement  deflections,   iii) select the type of baseline correction, iv) view the low­frequency extrapolation, and v) compare the peak­based and extrapolated­static deflection basins.  In the future, this pre­processing   tool   will   be   integrated   with   a   variety   of   established   elastostatic backcalculation procedures.   Performance of the integrated pre­processing procedure is examined using both (noise­polluted) synthetic and field records.

EXTRACTION OF STATIC DEFLECTIONS FROM FWD RECORDS

To extract the static deflections from the transient pavement response due to imparted FWD   loading,   it   is   necessary   to   perform   a   frequency   domain   analysis.     This   is accomplished by the application of a Fourier transform to the temporal deflection and force records.   The Fourier transform is commonly used and widely implemented as an integral transform in signal processing which decomposes e.g. a function of time, into a 

Page 5: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 5

series of harmonics.   Since any FWD record, g(t), is inherently digitized and of finite duration, a discrete Fourier transform 

( ) ( ) ( )2

0, 0,1, 2,...,m j

Mi f t

m jj

G f t g t e m Mp-

=

= D =

must be applied where g(tj) is the value of  g  at the sampling point  tj=j∆t  (j=0,1,2…M) and  fm  =  m  ∆f=m/(M∆t).    There are several efficient algorithms for implementing the discrete Fourier transform, commonly referred to as Fast Fourier Transforms (FFT), [9] For the application of (1) to FWD records with e.g.  N  geophones, let  Q(fm) and  Wk(fm) denote respectively the Fourier transforms of the falling­weight force, q(t), and pavement deflection at the kth sensor, wk(t).  In this setting, the frequency response function of the pavement   system   at   the  kth  sensor   (k=1,2..N)   is   formally   defined   as  FRFk(fm)   = Wk(fm)/Q(fm).  

When multiple realizations (i   = 1,2,…T) of the FWD test are available, the featured deflection­per­unit­load ratio in the frequency domain is computed more robustly using the cross­spectral Sqk and auto­spectral Sqq density functions [10] where

( ) ( ) ( )*

1

1 , 0,1, 2,...,T

qk m m k m iii

S f Q f W f m MT =

= =

( ) ( ) ( )*

1

1 , 0,1, 2,...,T

qq m m m iii

S f Q f Q f m MT =

= =

and   ‘*’   denotes   the   complex   conjugate.     The   frequency   response   functions  FRFk 

characterizing the pavement system are then computed as

( ) ( )( )

, 1, 2,..., , 0,1, 2,...,qk mk m

qq m

S fFRF f k N m M

S f= = =

Note   that  FRFk  are   inherently   complex   valued,   with   their   real   and   imaginary   parts representing the in­ and out­of­phase components of  the pavement response at  the  kth 

station.  In the context of (4), it is important to note as in [11] that an application of the Fourier transform to FWD data requires the use of the “long” (1200ms) records to avoid unnecessary systematic errors associated with premature signal truncation.

 BASELINE OFFSET

Page 6: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 6

During an FWD test the pavement velocity records at geophone locations are inevitably polluted with noise  due  e.g.   to  ambient  vibrations.    When  integrated   to  estimate   the pavement deflections, such measurement noise often accumulates, resulting in a non­zero deflection value at the end of the temporal record.   Such phenomenon is illustrated in Figure 1a where the deflections exhibit a noticeable drift at times >0.1s when one would expect the pavement system to return to the undeformed configuration.  While the effect of baseline offset may not be critical in the context of peak deflections, its importance can not be neglected when computing the frequency response functions  FRFk  as they depend   on   the   entire   temporal   records.     Figure   1b   plots  FRFk  computed   from   the baseline­offset­polluted   records   in  Figure  1a.    As  can  be   seen   from  the  display,   the frequency records are highly oscillatory despite computing FRFk using (2)­(4) from six repetitions of the FWD test.   Clearly, such oscillations are unacceptable as they often exceed the respective mean values and must be dealt with before a meaningful frequency­domain analysis of FWD records can be applied.

FIGURE 1 FWD field data: a) time­histories wk(t) and b) frequency response functions FRFk(f), k =  1,2…9 computed from 6 repeated drops at the Mn/ROAD testing facility, Test Section 33, May 22nd, 

2001.   No baseline correction applied.

In   seismology,   the   presence   of   even   small   amounts   of   baseline   offset   in   ground acceleration data has been shown to generate large errors in displacement calculations 

Page 7: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 7

[7,8]. To deal with the problem in the context of FWD records, a baseline correction is applied to the temporal deflection records such as those in Figure 1a in the form of

( ) ( ) ( ) ( )( )

( )0

0

, 0,1, 2,...nk M kbc

k j k j jnM

w t w tw t w t t j M

t t-

= - =-

where n is the order of the polynomial baseline correction.  It is useful to note that in the case of linear baseline correction (n = 1), transformation (5) amounts to a ‘rotation’ of the temporal record to achieve the zero offset wk

bc(tM) = 0.With reference to Figure 1, the baseline­corrected FWD records (with n = 1) and 

the associated frequency response functions are plotted respectively in Figures 2a and 2b. From   the   display,   it   is   evident   that   the   baseline   correction   removes   the   artificial oscillations  while  maintaining   the  overall   character  of   the  pavement   response   in   the frequency domain. 

  

FIGURE 2 FWD field data: a) time­histories wk(t) and b) frequency response functions FRFk(f), k =  1,2…9 computed from 6 repeated drops at the Mn/ROAD testing facility, Test Section 33, May 22nd, 

2001.   Linear baseline correction applied (n = 1).

LOW­FREQUENCY RESPONSE

By definition the frequency response function FRFk(fm) = Wk(fm)/Q(fm), when evaluated at a zero frequency  f0 = 0, yields the pavement deflection at the  kth  sensor due to a  static force component Q(f0).  As a result, once the frequency response functions are computed, 

Page 8: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 8

the static pavement response is given by their readings at zero frequency.  Unfortunately, due to physical limitations of geophone construction [11] the low­frequency portion of each FRFk,  including its static value, is inherently associated with inadequate signal­to­noise ratios and is thus of limited practical value.  As an illustration, the phenomenon is highlighted in Figure 3.   The FRFs begin to experience questionable fluctuations in the low­frequency regime (below 5­10 Hz), exemplified by the unreasonable crossing and reversal of FRF8  and FRF9  at approximately 2.5 Hz.   Note however that the integrated geophone records in the intermediate regime (10­25 Hz) are typically characterized by strong   signal­to­noise   ratios   and   are   thus   deemed   reliable.     For   these   reasons,   it   is proposed   that   the   static   values   be  obtained  by   a   robust   low­frequency   extrapolation scheme, anchored in the trusted (intermediate) frequency range.   

FIGURE 3 Low­frequency response of a baseline corrected FWD test. Mn/ROAD testing facility, Test Section 33, May 22nd, 2001.

  In deciding the  trusted frequency range,   it   is  further noted as  in Guzina and Nintcheu [12] that the centroid of the Fourier spectrum of a typical FWD load pulse is located slightly above 20 Hz.   Additionally, the energy transferred to the pavement is primarily limited to frequencies less than 40 Hz.  Owing to the necessity to fit a curve to the reliable data and extrapolate through the unusable region, the fit range is chosen as 10­20 Hz.

Depending   on   the   mechanical   properties   and   physical   characteristics   of   the pavement system, its response to FWD loading in the range of 10­20 Hz can vary widely, from being smooth and well­behaved to featuring a sharp resonant peak [11].  Since the ability to mimic the mechanics of low­frequency response is critical for zero­frequency extrapolation, a suitable curve­fitting model must be developed that is able to capture the variety of pavement behaviors while remaining stable as the frequency tends toward zero. 

Page 9: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 9

It is therefore proposed that a Single­Degree­of­Freedom  (SDOF) model, expressed in the   context   of   dynamic   stiffness   with   units   of   displacement­per­unit­force,   be implemented for fitting and extrapolation.   The key advantages of this model are i) its inherent   stability  manifest   in   the   zero­slope   at   zero   frequency,   and   ii)   its   ability   to represent a wide range of mechanical behaviors ranging from a monotonic deflection­load   variation   to   that   exhibiting   a   sharp   peak.     The   frequency   response   function (representing  the deflection­per­unit­load ratio   in   the  frequency domain)   for  a  SDOF system with mass m, spring constant  s, and damping ratio   can be written as

( ) 022 2

0 0

1

,

1 2

s sSDOFFRF

mk k

w w

w wx

w w

= =

- +

where  =2f   denotes the circular frequency.   To extrapolate the experimental FWD data safely through the low­frequency region,   is fitted to each  FRFk,  using nonlinear minimization,   in   the   featured   intermediate   range   (10­20   Hz).     Through   numerical simulations, it was found that a proper choice of initial parameters in terms of  s, m, and 

 is critical for the success of the minimization procedure and the quality of the SDOF fit in general. 

Initial Values for SDOF Fitting

In   general,   it   is   reasonable   to   assume   that   the   layered  pavement   system  is   laterally homogeneous over the FWD sensor array (typically less than 2 meters).   Consequently, geophone records stemming from a single FWD test will typically have similar features. For example, a resonant peak will be visible in all geophone records, though much less pronounced   for   geophones   farther   away   from   the   loading   plate.     Nonetheless,   each geophone record will have its own individual features (Figure 3) and it is necessary to fit the SDOF model to each  FRFk  separately  as a means to ensure accurate extrapolation towards the static pavement response. 

Initial Spring Stiffness

With reference to , one may note that the denominator of FRFSDOF approaches unity as the circular frequency  0  so that the static value of  FRFSDOF    equals 1/ s. By virtue of this behavior, selection of the initial value for the spring constant,  s

initial as the value of 

Page 10: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 10

FRFk  at the low­frequency cutoff (10 Hz) provides a reasonable approximation while avoiding the noise­dominated behavior of the lower frequencies.  An expression for the initial spring constant then becomes: 

( )1 .10 Hz

initials

kFRFk =

FIGURE 4 Effect of damping ratio on the frequency response function of a SDOF system.

Initial Damping 

From numerical simulations it was found that the ability of the SDOF system to capture the low­frequency peak (if any) in the pavement response is primarily dependent upon its damping ratio 0 ≤   ≤  1.  As can be seen in Figure 4, variations in   result in a wide variety   of   shapes.     The   variation   in   shape   can   be   broken   down   into   three   primary categories for the purpose of determining initial values, namely i) pronounced peak, ii) gentle peak, and iii) no discernable peak.  In the case where the peak is pronounced, the half­power method [13] provides a convenient means to determine the proper value.   In the context of this study, the half­power method can be adapted to the selection of an initial damping ratio as follows.  Let

max

2reduced k

kFRFFRF =

Page 11: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 11

where FRFkmax is the peak value of the fitted function FRFk, located at  fmax  in frequency 

range of interest.  Next, let fL and fR be the frequencies to the left and right of fmax whose value is FRFk

reduced.  The amount damping can then be approximated as:

max

.2

initial R Lf ff

x-

=

The above described half­power approach was found to be most effective for geophone records where the values of FRFk

reduced can be reasonably determined on both sides of fmax. In situations where  FRFk

max  occurs within the frequency interval of interest (10­20 Hz) but is not pronounced enough to yield reasonable values for fL and fR, experience dictates that taking the initial damping ratio of   intial=  0.3 is sufficient to ensure convergence. Further, if  FRFk  varies monotonically over the featured frequency interval, experience suggests that  intial= 0.8 provides a robust initial guess.  Here it is important to note that the above described procedure for choosing   intial  is implemented in a fully automated algorithm within GopherCalc.  

Once the initial values of the spring and damping parameters have been chosen, the initial value of the SDOF mass can be calculate as

( )( )2

max

1 2, 2

2

initial initials

initial initialmf

k xx

p

-= <

which ensures that the locations of the peaks of the SDOF and fitted FRFk curve coincide. For  intial>√2, the SDOF curve does not have a peak and experience suggests an initial value of minitial   0 is sufficient to provide reasonable convergence.  ≈

Figure   5   illustrates   the   performance   of   the   MATLAB   fitting   procedure (fminsearch) with the initial values of the SDOF parameters selected as described above.   As can be seen, the SDOF system is capable of accurately fitting all geophone records  in a  way  that  provides stable and consistent  extrapolation  through  the noise­polluted low­frequency range. 

Page 12: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 12

FIGURE 5 Low­frequency response of the pavement system fitted with SDOF model and extrapolated toward zero frequency.

IMPLEMENTATION: GopherCalc

An FWD test typically consists of many repeated drops at various heights and locations, thus automation of the above frequency­domain and fitting analyses was necessary to expedite   computations.     A   graphical   application,  GopherCalc  was   developed   using MATLAB.     The   user   interface   is   equipped   with   a   number   of   options,   allowing   i) automated   averaging   of   multiple   FWD   records   (by   station   and   drop   height),   ii) visualization of the temporal and frequency­domain pavement response, iii) selection of the order of polynomial baseline correction, iv) visualization of the (automated) SDOF fit and   low­frequency   extrapolation,   and   v)   visual   comparison   of   the   peak­based   and extrapolated­static   deflection   basins.     In   the   future,   this   pre­processing   tool   will   be integrated with a variety of established elastostatic backcalculation procedures.   As an illustration, a screenshot of GopherCalc  is shown in Figure 6 which shows some of the available options. 

Page 13: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 13

FIGURE 6 GopherCalc graphical user interface.

RESULTS AND DISCUSSION

To validate the pre­processing methodology presented thus far, analysis was performed on both synthetically­generated data and field data from the Mn/ROAD facility. In what follows, synthetic FWD waveforms are generated using the elastodynamic FWD model [12] that makes use of the method of propagator matrices, the Fourier transform, and the Hankel integral transform [14].

Page 14: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 14

Parametric Study with Synthetic Data

With reference to Table 1, six test profiles consisting of either three or four elastic layers were used to examine the effectiveness of the proposed pre­processing procedure. Using the   noise­polluted   FWD   time   histories   generated   by   the   forward   model,   composite deflection basins are computed using both i) the peak­to­peak (P2P) method, and ii) the proposed frequency­response­function (FRF)  technique.    A sample comparison of  the deflection basins is shown in Figure 7 where the peak method recovers decidedly larger values at most geophone locations.  

TABLE 1 Information on Synthetic Layer Profiles

CaseNumber AC Base Subbase Stiff  AC Base Subbase Stiff

1 2700 216 112 N/A 0.1 0.3 N/A ∞2 2700 54 28 N/A 0.1 0.3 N/A ∞3 2700 216 112 1160 0.1 0.3 5 ∞4 2700 54 28 580 0.1 0.3 5 ∞5 2700 28 N/A 580 0.15 3 N/A ∞6 2700 270 112 N/A 0.1 0.3 N/A ∞

CaseNumber AC Base Subbase Stiff AC Base Subbase Stiff

1 2335 2027 1865 N/A 0.35 0.35 0.4 N/A2 2335 2027 1865 N/A 0.35 0.35 0.4 N/A3 2335 2027 1865 2160 0.35 0.35 0.4 0.454 2335 2027 1865 2160 0.35 0.35 0.4 0.455 2335 1865 N/A 2160 0.35 0.4 N/A 0.456 2335 2027 1865 N/A 0.35 0.35 0.4 N/A

Young's Modulus [MPa]

Mass [kg/m3] Poisson's ratio

Thickness [m]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 50 100 150 200SPACING FROM CENTER [cm]

NORM

ALIZ

ED D

EFLE

CTIO

N [u

m/k

N]

FRFP2P

FIGURE 7 Comparison of static (FRF)  and dynamic (P2P) deflection basins, Case 4.

Page 15: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 15

The P2P and FRF deflection basins generated for each test layered profile were used as an input to the elastostatic backcalculation program EVERCALC [15] together with i) the information concerning layer thicknesses and Poisson’s ratios (Table 1), and ii) the seed modulus  values  shown in Table 2.  The results  of   the  elastostatic  backcalculation are shown in Figure 8a­d where the ‘true’ modulus values (Table 1) are also listed to provide a point of reference.   As shown in the figures, the effect of the dynamic portion of the pavement   response,   inherently   embedded   in   the   P2P   analysis,   is   evident   in   the backcalculated moduli.   In particular, one of the well­known shortcomings of the peak­to­peak method is its sensitivity to shallow stiff layers [16].  This is confirmed by the P2P backcalculation  results   for  Cases  3,  4,  and 5 where   the modulus  of   the AC  layer   is overestimated (Figure 8a) while the stiff layer remains virtually undetected (Figure 8d). In contrast, the elastostatic backcalculation, when applied to the FRF deflection basin, yields modulus values that are consistent with their ‘true’ counterparts.  With reference to Figure 8a­d, the only situation where the FRF­based backcalculation fails to identify the pavement modulus correctly deals with the stiff layer of Case 4.  This anomaly, however, may be caused by a limitation of the FWD testing configuration itself rather than the data interpretation methodology.  Indeed, Meier and Rix [4] suggest that when the stiff layer is located at depths greater than 3 meters (Case 4), the FWD deflection basin is largely unaffected by its presence.

TABLE 2 EVERCALC Limiting and Seed Values

Young's Modulus AC Base Subgrade StiffMax. [MPa] 10000 10000 10000 10000Min. [MPa] 5 5 5 5Seed [MPa] 2700 200 100 100

Page 16: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 16

Page 17: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 17

FIGURE 8 Results of EVERCALC backcalculation for the a) AC layer, b) base layer, c) subgrade layer, d) stiff layer (if present).

Initial Study with Field Data

Mn/ROAD Section 31 (low volume road).   To highlight the differences in elastostatic backcalculation when applied to P2P and (static) FRF deflection basins in the context of field applications, a comparison similar to that presented earlier is performed using FWD data from Section 31 (low volume road) at the Mn/ROAD testing facility. In the first example, the FWD testing was performed on a four­layer pavement system with base and subbase but no stiff layer, see Table 3.   The results of the EVERCALC backcalculation are shown in Figure 9.  Despite the apparent differences between the Mn/ROAD section profile   and   those   used   in   synthetic   examples,   the   P2P   backcalculation   appears   to overestimate the AC modulus while underestimating the moduli of deeper layers; a trend that   is  similar   to  those observed  in   the context  of  synthetic data,  see Figure 8.    For completeness,   the  comparison   is   also  performed  using  an  alternative  backcalculation routine,   ELMOD   [17].     Notwithstanding   the   apparent   differences   in   the   estimated moduli, the relative (FRF versus P2P) trend again mimics that in Figure 8.

FIGURE 9 Backcalculation results for Mn/ROAD Low­Volume Road (Test section 31, March 16th, 2001).

TABLE 3 Layer Information for Test Section 31 (Mn/ROAD testing facility )

Layer Thickness [cm] Poisson's ratioHot Mix Asphalt Surface 9 0.4

Class­5 Special Base 10.2 0.35Class­3 Special Base 30.5 0.4

Clay Subgrade ∞ 0.45

Mn/ROAD   Section   33   (phantom   sub­base   layer).    In   the   second   example,   the performance of the P2P­ and FRF­based backcalculation is compared using the FWD data  taken at  Section 33 at   the Mn/ROAD facility.    This section was constructed by placing  a  0.1m asphalt   layer  directly  on  top  of   the  1.2m­thick  layer  of  Class­6 base material   that   was   used   to   construct   the  embankment  [3].   The   soil   underlying   the embankment was in­situ clayey material.   For backcalculation purposes, the   BH =1.2m 

Page 18: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 18

thick   layer   of   Class­6   material   was   artificially   divided,   as 1 2B B BH H H= + ,   into   two 

“phantom” layers of thickness  1BH and  2

BH  given by

1 2[m] 0.2 0.1  , [m] 1.0 0.1  ,        =0,1,...4B BH k H k k= + = -

Although the exact mechanical characteristics of the Class­6 material were unavailable, one would expect a moderate increase of the modulus with depth within the embankment layer due  to  in­situ stresses and a pressure­dependent  behavior of granular  materials. Accordingly, the backcalculation analysis is expected to yield somewhat higher modulus for the lower sublayer (thickness  2

BH ) compared to that of the upper sublayer (thickness 

1BH ).  On performing the FRF­based backcalculation with variable thicknesses  1

BH  and 2BH of the base and subbase according to (11), their respective moduli were obtained as 

B1 =83±17 MPaE   and   B

2 =207±29 MPa.E   On   the   other   hand,   the   P2P­based   method produced the moduli values as   B

1 =36±13 MPaE   and   B2 =946±498 MPaE , which are far 

less reasonable. On the basis of these initial field comparisons, it appears that the FRF­based backcalculation produces more consistent results when the subsurface conditions (i.e. layer thicknesses) are not precisely known.  

CONCLUSION

In this study, an automated pre­processing procedure was developed to extract the static deflections from the FWD test. Using a simple pre­processing modification of the FWD time histories, the key inconsistency associated with an elastostatic backcalculation of the peak (i.e. dynamic) FWD data is removed by means of a frequency domain analysis of the FWD deflection records.    Through the use of a Fourier   transform and frequency response functions, the static pavement response is extracted from the transient FWD data   records,   thus   eliminating   the   dynamic   effects   that   undermine   the   conventional elastostatic  backcalculation.    This  alternative method of  analysis  can be  applied  to  a conventional FWD test, although it requires the use of the full, 1200 ms temporal record to avoid truncation errors associated with shorter time histories [11].   When combined with a proper treatment of the experimental errors in FWD data, namely i) application of a suitable baseline correction, and ii) extrapolation of the frequency response functions from the (stable) intermediate frequency range through the noise polluted low­frequency region,   the proposed pre­processing procedure is  shown,   through numerical and field examples, to elevate the performance of the conventional elastostatic back­analyses. For 

Page 19: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 19

pavement engineering applications, the developments are implemented in a user­friendly graphical environment GopherCalc.   

REFERENCES

1. Uzan, J. Dynamic Linear Back Calculation of Pavement Material Parameters. ASCE Journal of Transportation Engineering, Vol. 120, No. 1, 1994, pp. 109­126

2. Magnuson, A. H., R.L. Lytton, and R.C. Briggs. Comparison of Computer Predictions and Field Data for Dynamic Analysis of Falling Weight Deflectometer Data.  Transportation Research Record 1293, 1991, pp. 61­71.

3. Cao, D. Delination of Subgrade Soils from Falling Weight Deflectometer Measurements. M.S. Thesis, University of Minnesota, November 2001.

4. Meier, R.W. and G.J. Rix. Backcalculation of Flexible Pavement Moduli From Dynamic Deflection Basins Using Artificial Neural Networks. Transportation  Research Record 1473, 1995, pp.72­81

5. Kim, Y., and Y.R. Kim. Prediction of Layer Moduli from Falling Weight Deflectometer and Surface Wave Measurements Using Artificial Neural Network. Transportation Research Record 1639, 1998, pp. 53­61.

6. Guzina, B.B. and R. H. Osburn.  An Effective Tool for Enhancing the Elastostatic Pavement Diagnosis.  Transportation Research Record 1806, 2002, pp. 30­37.

7. Chiu, H. C., Stable Baseline Correction of Digital Strong­Motion Data, Bulletin of  the Seismological Society of America, Vol. 87, No. 4, 1997, pp. 932­944.

8. Boore, D.M., Effect of Baseline Corrections on Displacements and Response Spectra for Several Recordings of the 1999 Chi­Chi, Taiwan, Earthquake, Bulletin of the  Seismological Society of America, Vol. 91, No. 5, 2001, pp. 1199­1211.

9. Cooley, J.W and J.W. Tukey, An Algorithm for the Machine Calculation of Complex Fourier Series, Mathematics of Computation, Vol. 19, No. 90, 1965, pp297­301.

Page 20: Falling Weight Deflectometer

Westover, T.M. and Guzina, B.B. 20

10. Bendat, J. S., and A. G. Piersol, Random Data: Analysis and Measurement  Procedures, John Wiley and Sons, Inc., New York, 2000.

11. Osburn, R. H. On the Enhancement of Elastostatic Pavement Diagnosis. M.S. Thesis,  University of Minnesota, July 2004.

12. Guzina, B.B. and S. Nintcheu, A Study of Ground­Structure Interaction in Dynamic Plate Load Testing, International Journal for Numerical and Analytical Methods in  Geomechanics, Vol. 26, 2002, pp. 1147­1166.

13. Meirovitch, L. Principles and Techniques of Vibrations. Prentice Hall, 1997.

14. Guzina, B.B. and R.Y.S. Pak, On the Analysis of Wave Motions in a Multi­Layered Solid, Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Vol. 40, 2001, pp. 13­37.

15. WSDOT Pavement Guide: EVERCALC, Washington State Department of Transportation, Seattle, 1995.

16. Davis, T.G. and M.S. Mamlouk, Theoretical response of Multilayer Pavement Systems to Dynamic Nondestructive Testing, Transportation Research Record 1022,  1985, pp. 1­7.

18. ELMOD: Pavement Evaluation Manual. Dynatest International. California, April          2001.


Recommended