Research Paper

profileCady2019
NCATReport14-08.pdf

 

NCAT Report 14‐08

 

RECALIBRATION PROCEDURES FOR THE 

STRUCTURAL ASPHALT LAYER COEFFICIENT IN 

THE 1993 AASHTO PAVEMENT DESIGN GUIDE 

By

Dr. David H. Timm, P.E. Dr. Mary M. Robbins

Dr. Nam Tran, P.E. Dr. Carolina Rodezno

 

November 2014

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

i   

RECALIBRATION PROCEDURES FOR THE STRUCTURAL ASPHALT LAYER COEFFICIENT  

IN THE 1993 AASHTO PAVEMENT DESIGN GUIDE 

 

NCAT Report 14‐08 

           

Dr. David H. Timm, P.E.  Brasfield and Gorrie Professor of Civil Engineering 

Principal Investigator   

Dr. Mary M. Robbins  Assistant Research Professor 

National Center for Asphalt Technology   

Dr. Nam Tran, P.E.  Associate Research Professor 

National Center for Asphalt Technology   

Dr. Carolina Rodezno  Assistant Research Professor 

National Center for Asphalt Technology       

 

 

 

 

 

 

 

 

November 2014 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

ii   

 

ACKNOWLEDGEMENTS   The authors wish to thank the National Asphalt Pavement Association for sponsoring this  research as part of the Optimizing Flexible Pavement Design and Material Selection research  project and for providing technical review of this document.    

DISCLAIMER  The contents of this report reflect the views of the authors who are responsible for the facts  and accuracy of the data presented herein. The contents do not necessarily reflect the official  views or policies of the National Center for Asphalt Technology or Auburn University. This  report does not constitute a standard, specification, or regulation. Comments contained in this  paper related to specific testing equipment and materials should not be considered an  endorsement of any commercial product or service; no such endorsement is intended or  implied. 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

iii   

TABLE OF CONTENTS 

          1. Introduction .............................................................................................................................. 1  2. Overview of the AASHTO Empirical Design Procedure ............................................................. 2  2.1. AASHTO Empirical Design Inputs .......................................................................................... 3  2.2. AASHTO Empirical Design Procedure ................................................................................... 6  2.3. AASHTO Empirical Design Limitations .................................................................................. 8  2.4. Structural Coefficients .......................................................................................................... 9 

3. Recalibration Procedures ........................................................................................................ 12  3.1. Deflection‐Based Procedures ............................................................................................. 12 

3.1.1. Identify and Characterize Pavement Sections to be Evaluated ............................ 13  3.1.2. Perform Deflection Testing on Pavement Sections .............................................. 13  3.1.3. Backcalculate Pavement Layer Properties ............................................................ 15  3.1.4. Compute New Structural Coefficients .................................................................. 17 

3.2. Performance‐Based Procedure ........................................................................................... 21  3.2.1. Performance (IRI) Data ......................................................................................... 23  3.2.2. Traffic Data and Actual ESALs ............................................................................... 24  3.2.3. Predicted ESALs ..................................................................................................... 25  3.2.4. Determination of â1 .............................................................................................. 26 

3.3. Mechanistic‐Empirical Procedures ..................................................................................... 29  3.3.1. MEPDG Local Calibration ...................................................................................... 29  3.3.2. Use MEPDG to Generate Pavement Thicknesses ................................................. 30  3.3.3. Recalibrate a1 to Match MEPDG Thicknesses ....................................................... 31 

4. Conclusions and Recommendations ....................................................................................... 31  5. References .............................................................................................................................. 35     

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

iv   

LIST OF TABLES 

          Table 2.1  HMA Layer Coefficients from AASHO Road Test (data from 1) ................................... 10  Table 2.2  Correlation between HMA Thickness and Input Parameters (8) ................................. 11  Table 3.1  Asphalt Concrete Structural Coefficient Equations ..................................................... 20  Table 3.2  Example ESAL Differences Assuming a1 = 0.44 (8) ....................................................... 26  Table 3.3  WSDOT MEPDG Calibration Results (data from 11) .................................................... 30  Table 3.4  WSDOT Design Comparisons (data from 11) ............................................................... 31  Table 4.1  Summary of Methods ................................................................................................... 33     

LIST OF FIGURES 

          Figure 1.1  MEPDG and Design Software Implementation (data from 5) ...................................... 2  Figure 2.1  ESALs versus Axle Weight (3) ........................................................................................ 4  Figure 2.2  AASHO Road Test Present Serviceability Rating Form (1) ............................................ 5  Figure 2.3  Pavement Performance History Quantified by PSI (3).................................................. 5  Figure 2.4  Structural Number Concept (3) ..................................................................................... 6  Figure 2.5  AASHTO Flexible Pavement Design Nomograph (2) ..................................................... 7  Figure 2.6  Pavement Design with Empirical AASHTO Design Equation (3) ................................... 8  Figure 2.7  Flexible Pavement Design Curves (1) ............................................................................ 9  Figure 2.8  Determining a1 based on HMA Modulus (data from 2) .............................................. 10  Figure 2.9  Asphalt Structural Coefficients (data from 10) ........................................................... 12  Figure 3.1  Deflection versus Load Example (14) .......................................................................... 14  Figure 3.2  Deflection vs. Temperature Example (14) .................................................................. 15  Figure 3.3  SNeff Schematic ............................................................................................................ 18  Figure 3.4  Paired Test Sections (14) ............................................................................................. 18  Figure 3.5  Computed SNeff and Computed OGFC Structural Coefficient (14) ............................. 20  Figure 3.6  Performance‐Based Recalibration Procedure (8) ....................................................... 22  Figure 3.7  PSI Data Obtained from IRI Data (8) ........................................................................... 23  Figure 3.8  Actual vs. Predicted ESALs Before and After Calibration ............................................ 28  Figure 3.9  NCAT Test Track Asphalt Layer Coefficients (8) .......................................................... 29

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

1   

1. INTRODUCTION  Pavement thickness design in the U.S. has been predominantly empirically‐based since the  1960’s.  The American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO)  pavement design guides published from 1962 through 1993 (1,2) were based primarily on  the AASHO Road Test (1) conducted in Ottawa, Illinois from 1958 until 1960.  A more recent  edition  of  the  AASHTO  Guide  was  published  in  1998  but  focused  primarily  on  improving  rigid  pavement  design and  is  outside  the  scope  of  this  document.    Though  updated  and  improved  over  time,  the  design  guides  still  rely  heavily  upon  observed  pavement  performance  during  the  road  test.    The  performance  resulted  from  the  cross‐sections,  climate, materials, construction practices and traffic applications representing  late 1950’s  conditions  and  technology  at  this  one  test  location.    For  example,  the  thickest  asphalt  section  placed  at  the  AASHO  Road  Test  was  6  inches.    Furthermore,  the  advances  in  pavement engineering, design, materials and construction fields over the past 52 years has  made  the  AASHTO  Design  Guide  (2)  more  outdated  with  every  passing  year,  forcing  designers  to  extrapolate  well  beyond  the  original  conditions  of  the  road  test.    These  advances  include  the  development  of  the  Superpave  asphalt  mix  design  procedures,  the  development  of  the  performance  graded  (PG)  asphalt  binder  specification,  the  use  of  polymers  and  other  modifiers  in  asphalt,  improved  asphalt  plant  production  controls,  improved construction techniques and quality control procedures, to name just a few.    As  documented  previously  (3),  the  National  Cooperative  Highway  Research  Program  (NCHRP) recognized the need for an improved and updated pavement design system and  began Project 1‐37A  in 1998 entitled, “Development of the 2002 Guide for the Design of  New and Rehabilitated Pavement Structures: Phase I.”  The project ran through 2004 and  resulted  in  the  Mechanistic  Empirical  Pavement  Design  Guide  (MEPDG).    In  2008,  the  MEPDG  was  transitioned  to  the  AASHTOWare  series  of  programs  and  was  renamed  DARWin‐ME as the program developers continued to  improve the program’s capabilities.     In  2013,  the  software  became  commercially  available  under  the  name  AASHTOWare

TM  

Pavement ME Design.   The software and accompanying documentation (4), represents a  tremendous leap forward from the 1993 Design Guide (2) and software, DARWin.    Though the MEPDG is recognized as a technological advance in pavement design, there are  costs  associated  with  implementing  the  new  procedure.    The  costs  include  software  licensing  and  training,  development  of  numerous  data  sets  through  laboratory  and  field  testing  required  to  run  the  software  and  validation/calibration  studies  that  must  be  conducted  before  fully  implementing  the  new  procedure.    These  activities  can  also  take  significant amounts of time to accomplish.   Currently, the older empirically‐based design  procedure is the most popular approach in the U.S. with 78% of states using some edition  (i.e., 1972, 1986 or 1993  Design Guide) of the older empirical AASHTO procedure (3,5).  A  recent survey of state agencies, as summarized  in Figure 1.1,  indicated that many states  plan to adopt the MEPDG, but only three have currently done so and fourteen expect to  implement  within  the  next  two  years  (5).    The  other  states  are  at  least  two  years  from  implementing the MEPDG while six do not currently plan to implement (5).  For states that  have already begun working toward  implementing the MEPDG, there are many data sets 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

2   

(i.e.,  traffic,  material  properties,  performance  records)  that  are  common  between  the  empirical and mechanistic‐empirical approaches, so it would make sense to update the old  method  while  implementing  the  new  approach.    Finally,  given  the  complexities  of  the  MEPDG and design software, there may be many design scenarios (e.g., facilities such as  city streets, county roads,  lower volume state routes) that simply do not warrant such a  detailed analysis. 

Figure 1.1  MEPDG and Design Software Implementation (data from 5). 

Clearly, there is a gap between the outdated empirically‐based procedure and the MEPDG  that should be filled to achieve optimal pavement structural designs.  The purpose of this  document  is  to  provide  recommended  procedures  for  updating  the  empirically‐based  design  method  to  reflect  modern  pavement  performance.    As  explained  below,  focus  is  placed on recalibrating the asphalt structural coefficient as it has the strongest correlation  amongst all the design variables to pavement thickness.  Further rationale for recalibrating  the asphalt coefficient is that it was AASHTO’s original intent that states develop agency‐ specific  structural  coefficients.    As  stated  by  George  (6),  “Because  of  wide  variations  in  environment,  traffic  and  construction  practices,  it  is  suggested  that  each  design  agency  establish layer coefficients based on its own experience and applicable to its own practice.” 

2. OVERVIEW OF THE AASHTO EMPIRICAL DESIGN PROCEDURE  Before  discussing  methods  for  updating  the  AASHTO  empirical  design  procedure,  it  is  important  to  establish  a  firm  understanding  of  the  design  process  and  how  it  was  developed.   Subsections 2.1 through 2.3 explain the process and  its  limitations and were  excerpted from a previous report (3), while section 2.4 further explains the importance of  the structural coefficient.   

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

3   

2.1 AASHTO Empirical Design Inputs  Observations  from  the  AASHO  Road  Test  established  correlations  between  the  following  four main factors for flexible pavements: 

 Soil condition as quantified by the subgrade resilient modulus (Mr)   Traffic as quantified by equivalent single axle loads (ESALs)   Change in pavement condition as quantified by the change in pavement serviceability 

index (PSI)   Pavement structure as quantified by a structural number (SN)    The soil resilient modulus describes the inherent ability of the soil to carry load and can be  measured in the laboratory through triaxial resilient modulus testing or in the field through  falling weight deflectometer (FWD) testing.   Generally,  lower Mr values will require more  pavement thickness to carry the given traffic.  The soil modulus during the AASHO road test  was approximately 3,000 psi, and care should be taken when using the AASHTO empirical  method to be sure Mr values obtained through modern means are adjusted to reflect test  conditions  (1,2).    For  example,  AASHTO  recommends  dividing  the  soil  modulus  obtained  through FWD testing by three before using in the empirical design equation (2).  It is also  important to emphasize that there was only one soil type used during the AASHO Road Test  (1).    Though  there  were  seasonal  fluctuations  in  the  soil  modulus  from  which  empirical  correlations  between  soil  modulus  and  pavement  condition  were  developed,  they  are  strictly limited to that soil type.    The AASHO Road Test featured various test loops that were constructed of asphalt concrete  thicknesses  ranging  from  1  to  6  inches  and  trafficked  with  different  axle  types  and  load  levels (1).  The researchers noted an approximate fourth‐power relationship between the  amount  of  pavement  damage  and  the  load  level  applied  to  the  pavement  section.    This  relationship  was  the  central  idea  in  the  equivalent  single  axle  load  (ESAL),  which  was  selected  to  be  an  18,000‐lb  single  axle  with  dual  tires.    AASHTO  developed  empirical  equations to relate the number of applications of all other axle types (single, tandem and  tridem) and load magnitudes to that of the ESAL.  Figure 2.1 illustrates ESAL values for single  and tandem axles over a range of axle weights.  The single and tandem curves clearly show  the fourth‐order nature of ESALs versus axle weight.  The benefit of spreading the load over  more axles is evident in Figure 2.1 by the dramatic reduction in ESALs for the tandem axle  group at any given axle weight, relative to the single axles.   Finally, the ESAL standard  is  shown in the plot at 18 kip with an ESAL value of one.  Within the AASHTO empirical design  system,  total  traffic  must  be  decomposed  into  vehicle  types  with  known  axle  weight  distributions.    The  axle  weight  distributions  are  then  used  with  the  ESAL  equations  to  determine  ESALs  per  vehicle  from  which  a  total  design  ESAL  over  the  pavement  life  is  computed.  It should also be noted that the ESAL assumes a tire inflation pressure of 70 psi  and a tire with a bias‐ply design.  Today, tire pressures in excess of 100 psi are common with  a radial design.  These factors are not accounted for in the ESAL equations.

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

4   

Figure 2.1  ESALs versus Axle Weight (3). 

During the AASHO Road Test, routine inspections of each section were made by a panel of  raters.   Figure 2.2 shows the rating form and the zero to five scale used by the raters to  quantify  current  pavement  condition.    Though  actual  pavement  distress  measurements  were made during the road test, this rating scale was the only performance parameter used  in  the  thickness  design  procedure.    The  researchers  compiled  the  average  ratings  and  plotted them against the amount of applied traffic in each section to develop performance  history curves as shown schematically in Figure 2.3.  The AASHTO design procedure relies 

upon characterizing the change in serviceability (PSI) from the start (po) to the end (pt) of  the design life as a function of applied ESALs.  Typical PSI design values range from 2 to 3  as a function of roadway classification (2).  For example, a high volume interstate would be 

designed with a smaller PSI compared to a low volume county road. 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

5   

Figure 2.2  AASHO Road Test Present Serviceability Rating Form (1). 

 

   

Figure 2.3  Pavement Performance History Quantified by PSI (3). Since flexible pavements are typically comprised of diverse layers with varying engineering  properties, it was necessary for AASHTO to introduce the pavement structural number (SN)  concept.  SN represents the cumulative pavement structure above subgrade expressed as a  product of individual layer thicknesses (Di), their respective structural coefficients (ai) and  drainage coefficients (mi) as illustrated in Figure 2.4.  The layer thicknesses are output from  the  AASHTO  design  process  as  will  be  described  below.    The  structural  coefficients  are  empirical values meant to relate the relative load‐carrying capacity of different materials.   For  example,  many  state  agencies  use  0.44  for  asphalt  and  0.14  for  granular  base  as  originally recommended by AASHO (1).  These particular structural coefficients mean that  one inch of asphalt is roughly equivalent to 3.1 inches (0.44÷0.14) of aggregate base.  The  drainage coefficients are meant to empirically adjust the design according to site‐specific 

po 

pt 

Present Serviceability Index 

Traffic, ESALs 

PSI = p0‐pt 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

6   

rainfall expectations and quality of drainage provided by the material itself (1).   Drainage  coefficients range from 0.4 to 1.4 with the original AASHO Road Test condition represented  as 1.0. 

Figure 2.4  Structural Number Concept (3).     

2.2 AASHTO Empirical Design Procedure  As  described  above,  the  AASHO  Road  Test  (1)  established  a  correlation  between  soil  condition, traffic, change in pavement condition and pavement structure.  This relationship 

is shown  in Equation 1 (2).   The Mr, PSI and SN terms are as defined above.   ESALs are  represented by the W18 term.  The ZR and S0 terms are reliability and variability factors not  originally  part  of  the  AASHTO  design  procedure  but  added  later  to  incorporate  a  safety  factor  into the design.   They are not present  in the 1972 edition of the Design Guide (7)  which  some  states  still  use  (3).    The  other  quantities  in  the  equation  are  regression 

coefficients that provided the best match between the independent variables (SN, PSI, Mr)  and the performance of the pavement section as quantified by ESALs.   

 

 

07.8log32.2

1

1094 4.0

5.12.4 log

20.01log36.9log

19.5

018 

 

 

 

 

 RR M

SN

PSI

SNSZW   (Equation 1) 

While  the  purpose  of  Equation  1  is  to  determine  the  required  structural  number  of  a  proposed pavement section, it is written to compute ESALs (W18) and solving algebraically  for SN is a daunting task.  To alleviate this problem, AASHTO published a design nomograph  (Figure 2.5) that solves for SN given the other inputs.  Notice that W18 (ESALs) is treated as  another input with the nomograph solving toward SN.  Alternatively, the DARWin software  developed  for  AASHTO,  or  solver  subroutines  in  spreadsheets,  are  used  to  solve  the  equation for SN.  It is important to note that Equation 1 uses ZR to represent reliability while  in the nomograph, reliability is used directly as a percentage.  More precisely, ZR represents  the z‐statistic corresponding to the chosen level of reliability.  When using the equation, ZR  must be entered.  When using the nomograph, the reliability percentage must be entered.   AASHTO  has  recommended  levels  of  reliability  (2),  based  upon  highway  functional  classification, and the value should be carefully selected as pavement thickness is correlated 

Asphalt Concrete (a1) 

Granular Base (a2, m2) 

Granular Subbase (a3, m3) 

Subgrade (Mr) 

 

                 D1 

         D2 

D3 

 

a1*D1 

+a2*m2*D2 

+a3*m3*D3 

SN =  

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

7   

to the reliability level and choosing values outside of the recommended ranges can greatly  increase pavement thickness.   

  Figure 2.5  AASHTO Flexible Pavement Design Nomograph (2). 

  The AASHTO design equation (Equation 1 or Figure 2.5) is meant to be used for each layer in  a  multilayer  pavement  structure  to  determine  the  required  pavement  thicknesses.    As  described by AASHTO (2), this is done in a top‐down fashion as depicted in Figure 2.6.  The  design begins by finding the required structural number above the granular base (SN1) using  the  granular  base  modulus  and  other  input  parameters  in  the  design  equation  or  nomograph.  By definition, this structural number is the product of the structural coefficient  and thickness of  layer one, so  it can be used to solve for the thickness of the first  layer.   Next, the required structural number above the granular subbase (SN2) is found by using the  subbase modulus and other  input parameters  in the design equation or nomograph.   As  shown in Figure 2.6, SN2 is the sum of the layer one contribution (a1*D1) and the layer two  contribution (a2*m2*D2).  Since D1 was already found in the previous step, the SN2 equation  can be solved for D2.    This procedure is followed again for the subgrade (or next sublayer, if  present), as shown in Figure 2.6, to arrive at a unique set of pavement layer thicknesses.

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

8   

SN1 = a1*D1

D1 SN

SN2 = a1*D1+a2*m2*D2

D2 SN a ∗ D

a ∗ m

SN3 = a1*D1+a2*m2*D2+a3*m3*D3

D3 SN a ∗ D a ∗ m ∗ D

a ∗ m

Figure 2.6  Pavement Design with Empirical AASHTO Design Equation (3). 

  2.3 AASHTO Empirical Design Limitations 

Though the empirical AASHTO design procedure has been used since the 1960’s, there are  many  factors  that  limit  its  continued  use  and  provide  motivation  for  developing  and  implementing more modern methods.  Most notably among these factors is the very nature  of the method itself: empirical.  This means that the design equations described above are  strictly limited to the conditions of the original road test.  This includes all the coefficients in  Equation 1, the structural coefficients (ai), drainage coefficients (mi), ESAL equations and so  forth.  Any deviation from these conditions results in an unknown extrapolation.    The limitations of the AASHO Road Test are numerous.  The experiment had one soil type,  one  climate,  one  type  of  asphalt  mix  (pre‐Marshall  mix design),  limited  pavement  cross‐ sections, limited load applications and tires inflated to 70 psi (1).  Any deviation from these  factors  in  modern  design  means  extrapolation,  which  can  lead  to  under  or  over‐design.   Most  designs  conducted  today  are  extrapolations  beyond  the  original  experimental  conditions.  Consider, for example, the thickness design curves published in 1962 as part of  the AASHO Road Test report shown in Figure 2.7.  The shaded gray area above 1.1 million  axle  loads  is  entirely  extrapolated.    Also,  the  dashed  portions  of  the  curves  are 

Asphalt Concrete (a1) 

Granular Base (a2, m2) 

Granular Subbase (a3, m3) 

Subgrade (Mr) 

 

                 D1 

         D2 

D3 

SN3   SN2     SN1

Modulus of granular base,

and other inputs

(W18, ZR, S0, PSI) used to find SN1

Modulus of granular subbase,

and other inputs 

(W18, ZR, S0, PSI)  used to find SN2  

Modulus of subgrade, 

and other inputs 

(W18, ZR, S0, PSI)  used to find SN3  

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

9   

extrapolations.  As evidenced by Figure 2.7, there was very little, even in 1962, that was not  an extrapolation.   

  Figure 2.7  Flexible Pavement Design Curves (1). 

    2.4 Structural Coefficients 

The  structural  coefficients  are  of  great  importance  in  the  AASHTO  procedure.    These  empirical terms are meant to reflect the relative structural contributions of each pavement  layer and have a direct impact on the derived layer thicknesses as demonstrated in Figure  2.6.   Though AASHO recommended 0.44 for the asphalt  layer  in 1962, a range of values  were actually reported.  Table 2.1 lists the reported values by test loop ranging from 0.33 to  0.83.   Loop 1  is not  included  in the table because  it was never trafficked;  it was used to  evaluate environmental impacts on pavements.  The authors of the 1962 report (1) stated  that  a  weighted  average  was  used  to  determine  0.44  as  the  recommended  value,  but  inspection of the data does not clearly indicate how the values were weighted to achieve  0.44.    As described by Peters‐Davis and Timm (8), a relationship was created in 1972 that linked  the layer coefficient to the elastic modulus (E) of the HMA at 70°F, and is shown in Figure  2.8.  Strictly speaking, this graph can only be used if the modulus is between 110,000 and  450,000 psi.  The AASHO Road Test recommended layer coefficient of 0.44 corresponds to a  modulus  of  450,000  psi  (2).    In  2006,  Priest  and  Timm  (9)  found  a  relationship  relating  temperature and stiffness for all the structural sections  in the 2003 research cycle of the 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

10   

National  Center  for  Asphalt  Technology’s  Pavement  (NCAT)  Test  Track.    Using  their  relationship, the average HMA modulus was calculated as 811,115 psi.  If the curve in Figure  2.3  was  extrapolated  out  to  this  modulus  value,  the  resulting  layer  coefficient  would  be  equal to 0.54. 

  Table 2.1  HMA Layer Coefficients from AASHO Road Test (data from 1) 

Loop  Layer Coefficient (a1) Test Sections R 2  

2  0.83  44  0.80 

3  0.44  60  0.83 

4  0.44  60  0.90 

5  0.47  60  0.92 

6  0.33  60  0.81   

  Figure 2.8  Determining a1 based on HMA Modulus (data from 2). 

  The structural coefficients not only appear in the structural design equations (Equation 1,  Figures  2.5  and  2.6)  but  they  are  also  present  in  the  ESAL  computations.    The  4

th   order 

relationship  between  axle  weight  and  pavement  damage  was  mentioned  in  Section  2.1.   More  specifically,  at  the  AASHO  Road  Test,  replicate  cross  sections  were  constructed  in  different  test  loops  to  apply  repeated  axle  loads  at  various  load  levels  on  the  same  pavement structure.  This allowed the researchers to measure the damage caused by axles  at various weights and create mathematical relationships based upon that damage, which  included  a  factor  accounting  for  the  pavement  structure.    This  factor  was  the  structural  number, as is used in the design equations shown above (Equation 1, Figures 2.5 and 2.6), 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 1 2 3 4 5

HMA Elastic Modulus at 70 o F (10

5 psi)

S tr

u c

tu ra

l C

o e

ff ic

ie n

t (a

1 )

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

11   

and is a product of the layer thicknesses, drainage coefficients and structural coefficients.   Since ESALs are needed in the structural design equation to determine the required SN from  which  thicknesses  are  computed,  and  an  SN  is  required  to  determine  ESALs,  the  design  process  follows  circular  reasoning.    To  overcome  this  problem,  many  designers  simply  assume an SN equal to 5 to compute ESALs as the starting point, from which the actual  design SN may be determined from the structural design equation.    When considering updating the empirically‐based procedure, one may consider adjusting  values other than the asphalt  layer coefficient.   A previous  investigation (8) conducted a  sensitivity  analysis  to  determine  which  parameters  had  the  greatest  impact  on  asphalt  concrete  (AC)  thickness.    The  analysis  considered  a  wide  range  of  layer  coefficients  (a1), 

traffic  levels  (ESALs),  soil  moduli  (Mr),  reliability  (R),  change  in  serviceability (PSI)  and  design  variability (S0).   Table  2.2  summarizes the  Pearson  correlation  coefficients  for  the  5,120 design thicknesses determined in the sensitivity analysis with the parameters ranked  from  most  to  least  influential  (8).    Clearly,  the  asphalt  layer  coefficient  is  the  most  influential.  The next two parameters, though also strongly correlated, may be considered  simply part of the design scenario or site‐specific conditions.  The remaining parameters are  much less correlated and do not affect pavement thickness as significantly as the first three.   Therefore, it makes sense to focus recalibration efforts on the asphalt layer coefficient to  better align observed performance with performance predicted by the design procedure.    

Table 2.2  Correlation between HMA Thickness and Input Parameters (8) 

Parameter  Correlation Coefficient 

Layer coefficient (a1)  ‐0.518 

Traffic level (ESALs)  0.483 

Resilient modulus (MR)  ‐0.425 

Reliability (R)  0.157 

Change in serviceability (ΔPSI) ‐0.141 

Variability (So)  0.083  The asphalt structural coefficient plays a vital role  in pavement design and should reflect  performance  characteristics  of  modern  materials.    However,  a  recent  survey  of  state  agencies  (10),  summarized  in  Figure  2.9,  shows  the  distribution  of  asphalt  structural  coefficients across the U.S., where 45% of states currently use 0.44 for at least one paving  layer,  though  some  states  specify  according  to  the  lift  or  mix  design  using  a  number  of  design  gyrations  (Ndes).    Many  states  (28%)  use  less  than  the  originally  recommended  AASHO value of 0.44 (3).   Two states, Alabama (8) and Washington (11), recently revised  their structural coefficients to 0.54 and 0.50, respectively.  These increases reflect modern  advances  in  the  materials  and  construction  practices  and  are  more  consistent  with  field  performance of flexible pavements in these states.  The changes result in optimum asphalt  pavement  thickness  design  that  can  potentially  provide  significant  savings  to  the  state  agencies.   A change from 0.33 to 0.44 would result in 25% thinner sections.   An increase  from 0.44 to 0.54, as done in Alabama, reduces the pavement thickness by 18.5%.  As stated 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

12   

by Larry Lockett (12), the ALDOT State Materials and Tests Engineer at the time the change  was implemented, “This means that our resurfacing budget will go 18% farther than it has in  the past.  We will be able to pave more roads, more lanes, more miles, because of this 18%  savings.”    Any  change  considered  by  a  state  agency  should  be  carefully  evaluated  and  supported by actual pavement performance data.   

  Figure 2.9  Asphalt Structural Coefficients (data from 10). 

3. RECALIBRATION PROCEDURES 

The outcome of any pavement design procedure  is a set of  layer thicknesses that will be  sufficient to carry the expected traffic, in the given environment, with a specified level of  performance over a fixed period of time.  The success of the design procedure hinges on the  ability of the procedure to make accurate predictions of pavement performance given a set  of  input  parameters.    Safety  factors  may  be  added  to  the  predictions  to  account  for  uncertainty in the process as is done in the AASHTO method (2) through the reliability (R or  ZR) and variability (S0) terms.  Three general classes of recalibration methods are discussed  in the following subsections, each of which should be  judged against the ability to make  accurate predictions of pavement performance over time.   

3.1 Deflection‐Based Procedures  Deflection‐based  procedures  rely  on  field  testing  of  existing  pavements  to  determine  in‐ place modulus.  The in‐place modulus is then correlated to a structural coefficient through  existing  empirical  equations.    The  main  advantage  of  this  approach  is  that  it  requires  relatively little data generation through deflection testing.  The main disadvantage is that  the approach relies upon existing empirical equations that are based on past performance 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

13   

and  may  not  accurately  reflect  the  performance  of  the  pavement  materials  under  evaluation.  The general procedure includes the following steps discussed in the subsections  below:  1. Identify and characterize pavement sections to be evaluated.  2. Perform deflection testing on pavement sections.  3. Backcalculate pavement layer properties.  4. Compute new structural coefficients. 

   

3.1.1 Identify and Characterize Pavement Sections to be Evaluated  The  first  step  is  to  identify  and  select  candidate  pavement  sections  to  include  in  the  analysis.    Recently  constructed,  undamaged  pavement  sections  should  be  characterized  since  the  structural  coefficient  is  meant  to  represent  “new”  conditions.    Information  regarding  the  pavement  cross  section  that  includes  material  type  and  as‐built  layer  thicknesses at the test location is critical.   

3.1.2 Perform Deflection Testing on Pavement Sections  Deflection testing, using a falling weight deflectometer (FWD), should be conducted on the  selected pavement sections.  For details regarding FWD best practices, consult the FHWA  manual on field guidelines for FWD testing (13).       Depending on the backcalculation scheme to be used, as discussed in the next subsection,  the FWD should be configured to measure deflections at critical offsets.  At a minimum, the  center  and  outer  (60  or  72  inches  from  load  center)  deflections  should  be  measured.   Typically, deflections may be measured with 6 to 9 sensors, which include the center and  outermost deflection measurements.    Many  FWD’s  are  configured  to  test  at  multiple  load  levels.    To  determine  the  structural  coefficient, it is important to have test results at 9,000 lb, which is the AASHTO standard  load level.  This may be achieved either by setting the drop height to achieve 9,000 lb or by  interpolating  results  from  multiple  load  levels.    For  example,  Figure  3.1  shows  the  interpolation process from data collected at the NCAT Test Track (14).   In the figure, the  center  (D1)  and  outermost  (D9)  deflections  were  plotted  against  load  level.    Regression  equations were determined for each set of deflections from which deflection at the target  load level was determined. 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

14   

  Figure 3.1  Deflection versus Load Example (14). 

  It is also important to measure and account for the temperature at the time of testing.  The  AASHTO  system  is  currently  based  on  a  68F  (20C)  pavement  reference  temperature.   Therefore, any deflection data must be adjusted to this reference temperature.  AASHTO (2)  has  published  temperature  correction  charts  that  may  be  used  to  correct  the  center  deflection  for  backcalculation.    Alternatively,  tests  could  be  conducted  over  a  range  of  temperatures and deflections interpolated at the reference temperature as shown by the  example  in  Figure  3.2.    The  center  deflection  (D1)  shows  a  strong  dependence  on  temperature characterized by the corresponding regression equation.   The equation was  used  to  establish  the  best  estimate  of  deflection  at  68F,  and  the  deflections  at  other  temperatures were corrected to 68F represented by the D1 at 68F data series in Figure 3.2.   The outermost deflection (D9) shows very little correlation with temperature, as expected,  since  it  represents  the  behavior  of  the  subgrade  soil,  and  no  temperature  correction  is  needed. This approach, though effective, would require accessing the pavement at multiple  times to gather the required data and may not be practical in all situations.  In any case, it is  important to have deflections representing the AASHTO reference temperature. 

Deflection = 0.0024*Load + 3.1322

R 2 = 0.99

Deflection9000 = 0.0024*9000+3.1322 = 24.732 milli-in

Deflection = 0.0002*Load - 0.3196

R 2 = 0.99

Deflection9000 = 0.0002*9000-0.3196 = 1.480 milli-in

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

5 0 0 0

6 0 0 0

7 0 0 0

8 0 0 0

9 0 0 0

1 0

0 0 0

1 1

0 0 0

1 2

0 0 0

1 3

0 0 0

1 4

0 0 0

1 5

0 0 0

1 6

0 0 0

Load, lb

D e fl

e c

ti o

n , m

il li -i

n .

D1

D9

AASHTO Reference Load = 9,000 lb

S9 - Location 1 July 26, 2010

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

15   

  Figure 3.2  Deflection vs. Temperature Example (14). 

3.1.3 Backcalculate Pavement Layer Properties 

There are several approaches to backcalculating  in‐place pavement  layer properties from  measured deflections.  They range from relatively simple equations solved by hand or in a  spreadsheet  to  very  complex  computational  algorithms  executed  in  self‐contained  computer  programs.    Regardless  of  the  approach,  the  objective  of  any  backcalculation  scheme  is  to  determine  the  layer  properties  under  the  given  applied  load  and  environmental  conditions  that  produced  the  measured  deflections.    While  only  the  relatively simple AASHTO two‐layer backcalculation procedure (2) is discussed here, there  are  many  more  sophisticated  multi‐layer  backcalculation  programs  available  that  include  EVERCALC, MODCOMP and MICHBACK, to name a few.    The  AASHTO  two‐layer  backcalculation  approach  (2)  is  based  on  fundamental  pavement  mechanics  and  determines  the  in‐place  subgrade  soil  modulus  (Mr)  and  the  composite  modulus of all pavement layers (Ep) above the subgrade soil.  The approach was originally  intended to provide estimates of in‐place effective structural number (SNeff) as part of the  AASHTO  overlay  design  procedure  (2).    However,  it  can  also  be  used  to  provide  the  information  necessary  to  find  structural  coefficients  as  will  be  demonstrated  in  the  next  subsection.     

y = 3.5594e 0.0173x

R 2 = 0.9304

y = 0.0043x + 0.9504

R 2 = 0.3555

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120 140

Mid-Depth Temperature, F

D e

fl e

c ti

o n

a t

9 ,0

0 0

l b

, m

il li

-i n

D1 D9 D1 at 68F

AASHTO Reference Temp = 68F

S9-1 - All Dates

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

16   

The  first  step  in  the  AASHTO  backcalculation  approach  is  to  determine  the  soil  modulus  according to (2):   

  r

P M

r R

*

*24.0

    (Equation 2)

where: 

MR = subgrade modulus, psi  P = load magnitude, lb  (9,000 lb recommended by AASHTO) 

r = measured deflection at offset, r, in.  r = radial offset, in.   AASHTO (2) recommends a radial offset that exceeds 70% of the effective radius (ae) of the stress bulb at the subgrade/pavement interface.   This is to insure that the sensor chosen  provides only a measure of subgrade deflection while providing sufficiently high deflections  to minimize the impact of measurement error.  The effective radius may be calculated by  (2): 

2

32

  

   

 

R

p e

M

E Daa   (Equation 3) 

where: 

ae = effective radius of stress bulb at subgrade/pavement interface, in. 

a = FWD load plate radius, in. 

D = total pavement depth above subgrade, in. 

Mr = subgrade modulus computed from Equation 2, psi 

Ep = composite pavement modulus computed from Equation 4, psi  Note  that  a  specific  sensor  offset  must  be  chosen  to  compute  the  subgrade  modulus  according to Equation 2, but whether it satisfies the 70% of ae criteria cannot be checked  until  further  computations  are  made  since  Equation  3  also  requires  the  composite  pavement  modulus  (Ep).    After  the  subgrade  modulus  has  been  determined,  assuming  a  sensor offset, Ep is backcalculated from the center deflection using the following equation  (2): 

     (Equation 4)             

           

    

    

  

  

  

   

 

 p

R

p R

E

a D

M

E

a D

M

ap

2

2

3

1

1

1 1

1

1 **5.1

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

17   

where: 

1 = center deflection, in. (called D1 above)  p = contact pressure, psi (computed from load, P, and circular contact radius, a) 

a = FWD load plate radius, in. 

D = total pavement depth above subgrade, in. 

Mr = subgrade modulus computed from Equation 2, psi 

Ep = composite pavement modulus, psi 

 

Equation 4 is easily solved for Ep in a spreadsheet using some kind of iterative solution like 

the built‐in Solver function in Excel ®  or using a bisection method to determine the correct Ep 

that will produce the measured center deflection.  After computing Ep, it should be used in 

Equation 3 with the other variables to check that the selected sensor met the radial offset 

requirement. 

3.1.4 Compute New Structural Coefficients 

There are two approaches to finding the AC structural coefficient both of which use the  composite  pavement  modulus  (Ep).    The  first  may  be  used  with  individual  pavement  sections  if  the  underlying  (non‐AC)  structural  and  drainage  coefficients  are  known  or  assumed.  The second may be used if there are paired sections where the only difference  between  sections  is  one  particular  AC  layer.    Both  approaches  rely  on  computing  the  effective structural number from the composite pavement modulus. The effective structural  number represents the structural integrity of the pavement as an empirical function of the  thickness of the pavement and the composite pavement modulus. The equation was based  on performance at the AASHO Road Test (1,2) and is expressed as:   

3**0045.0 peff EDSN    (Equation 5) 

where:  SNeff = effective structural number of in‐place pavement  D = total pavement depth above subgrade, in.  Ep = composite pavement modulus, psi   

The  first  approach,  depicted  in  Figure  3.3,  assumes  that  the  structural  and  drainage  coefficients of the layers beneath the AC are known.  If that is the case, then SNeff may be  computed according to Equation 5 and equated to the other parameters by:    SNeff = a1*D1 + a2*m2*D2+a3*m3*D3   (Equation 6)    Since every parameter  in Equation 6  is known except for a1, the AC structural coefficient  may be simply calculated as:    a1 = [SNeff – a2*m2*D2 – a3*m3*D3] / D1  (Equation 7) 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

18   

               

  Figure 3.3  SNeff Schematic. 

  This approach was used  in a Kansas study (15) to determine the structural coefficient of  crumb rubber modified asphalt mixtures.  In that study, the underlying base and subgrade  layer  moduli  were  determined  through  backcalculation  and  correlated  to  structural  coefficients through existing equations published by Ullidtz (16).    The second approach that uses the SNeff computation relies on having two nearly identical  pavements  where  only  one  layer  differs  between  the  two  sections  and  the  structural  coefficient of one of the two different materials is known or assumed.  Figure 3.4 shows an  example from the NCAT Test Track where two sections differed only in their surfacing layers  while  the  underlying  materials  were  nearly  identical  with  only  slight  differences  due  to  inevitable construction variation (14).  In this particular case, the objective was to establish  a structural coefficient of the open graded friction course in Section S8 (14). 

Figure 3.4  Paired Test Sections (14). 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

S8-OGFC S9-Control

D e

p th

B e lo

w S

u rf

a c e

, in

.

12.5 mm NMAS OGFC PG 76-22 (5.1% AC, 25% Air Voids)

19 mm NMAS PG 76-22

19 mm NMAS PG 67-22

9.5 mm NMAS PG 76-22 (6.1% AC, 6.9% Air)

Crushed Aggregate Base

(4.6% AC, 6.3% Air Voids) (4.4% AC, 7.2% Air Voids)

(4.9% AC, 8.3% Air Voids) (4.7% AC, 7.4% Air Voids)

Asphalt Concrete (a1 unknown) 

Granular Base (a2 & m2 known) 

Granular Subbase (a3, m3 known) 

Subgrade (Mr) 

 

                 D1 

         D2 

D3 

SNeff 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

19   

  The procedure involves computing Ep for each section from which SNeff is determined.  Since  the sections are nearly  identical except for one  lift of AC, any difference  in SNeff may be  attributed to the difference in that one lift.   From a general perspective, the SNeff of two  pavements (A and B) may be computed as:    SNeffA = a1A*D1A + a2*m2*D2+a3*m3*D3  (Equation 8)  SNeffB = a1B*D1B + a2*m2*D2+a3*m3*D3  (Equation 9)    Taking the difference between Equations 8 and 9, assuming everything below the first layer  is equivalent, yields:  SNeffA – SNeffB = SN = a1A*D1A – a1B*D1B  (Equation 10)    Assuming that pavement A has a known structural coefficient (a1A), and having measured 

the  SN  and  thickness  of  both  pavement  layers,  then  the  structural  coefficient  of  the  unknown layer may be computed by solving Equation 10 for a1B:   

a1B = [a1A*D1A – SN] / D1B  (Equation 11) This procedure was followed for the sections in Figure 3.4, and the data are summarized in 

Figure 3.5.  The computed difference (SN) between the two sections, which was shown to  be statistically significant (14), was 0.45.  The equations shown in Figure 3.5 follow the form  of Equation 11, which produced an OGFC structural coefficient equal to 0.15 (14).   

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

20   

  Figure 3.5  Computed SNeff and Computed OGFC Structural Coefficient (14). 

 

Aside from the two methods described above, there are a variety of existing equations to  estimate  structural  coefficient  from  the  backcalculated  in‐place  AC  modulus,  which  is  different than composite pavement modulus (Ep) determined from the AASHTO two‐layer  backcalculation.  A  backcalculated  AC  modulus  is  determined  through  a  multilayer  backcalculation program and should be used in conjunction with the structural coefficient  equations  listed  in  Table  3.1.    Since  the  equations  are  empirical,  the  original  references  should be consulted to determine  if the test conditions are applicable to the pavements  currently under evaluation.   

Table 3.1  Asphalt Concrete Structural Coefficient Equations 

Material Type  Equation  Reference 

Asphalt Concrete  a1 = 0.171*ln(EAC) – 1.784 

where EAC = AC modulus, psi  2 

Asphalt Concrete  a1 = 0.4*log(EAC/3000) + 0.44  where EAC = AC modulus, MPa 

16 

Crumb Rubber   Asphalt Concrete 

a1 = 0.315*log(EAC) – 1.732  where EAC = AC modulus, MPa 

15 

  As noted above, it must be re‐emphasized that these deflection‐based methodologies rely  on past‐performance characterization and may not accurately reflect performance of new  or site‐specific materials.  They should only be used if performance data are not available, 

3.11

2.66

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

S8 S9

A ve

ra g

e S

N e

ff

SN = 0.45

15.0 35.1

45.022.1*54.0 

 

 

OGFC

OGFC

surfacecontrolcontrol OGFC

a

D

SNDa a

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

21   

or more preferably, in conjunction with performance data as explained in the subsequent  sections.   

3.2 Performance‐Based Procedure  Recalibration  of  the  asphalt  layer  coefficient  based  on  observed  pavement  performance  most  closely  matches  how  the  coefficients  were  originally  calibrated  (1).    This  approach  should  be  considered  an  improvement  over  deflection‐based  procedures  because  it  considers the actual performance of the material under investigation rather than relying on  previously developed correlations.  The main disadvantage of this approach is that detailed  traffic and pavement performance records over time are needed, thus pavements selected  for evaluation must be done so carefully.   Also, this approach  is not generally capable of  discerning individual lifts of asphalt.    Figure  3.6  summarizes  the  performance‐based  recalibration  procedure  as  previously  documented by Peters‐Davis and Timm (8).  The procedure relies on two primary data sets.   The first  is historical traffic data  in terms of axle weights, axle configuration and volume,  which are needed to compute ESALs over time.  The second is performance data expressed  as International Roughness Index (IRI), which can be converted to pavement serviceability  (PSI) over time.   As shown  in Figure 3.6 and explained further below, these two primary  data  sets  are  used  in  several  equations  to  generate  the  actual  ESALs  applied  to  the  pavement and the predicted ESALs that the pavement is expected to withstand.  Since the  asphalt structural coefficient (a1)  is used to determine the structural number (SN), which  appears in both the actual and predicted ESAL equations, â1 may be iteratively adjusted to  minimize the error between actual and predicted ESALs.  The â1 symbol is used to indicate  that it is a value that will be determined through a best‐fit iterative procedure.  This is the  essence of how the original calibration was done for the AASHO Road Test results (1,8).  The  following subsections detail the procedural elements of Figure 3.6. 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

22   

  Figure 3.6  Performance‐Based Recalibration Procedure (8). 

     

Traffic Data Set   (axle passes, weights, etc.) 

Performance (IRI)  Data Set  

pt ΔPSI 

(Al‐Omari/Darter equation) 

Actual ESALs   (Wtx/Wt18 equation) 

(AASHO Road Test traffic equations:  Gt, βx, EALF, ESAL) 

SN

Predicted ESALs   (logW18 equation) 

(AASHTO   flexible pavement   design equation) 

Actual ESALs 

P re d ic te d  E S A Ls  

*

*

*

â 1 

*Minimize error between actual and predicted by  changing only a1 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

23   

3.2.1 Performance (IRI) Data  The  AASHTO  procedure  requires  pavement  performance  expressed  in  terms  of  present  serviceability  index  (PSI).    However,  many  agencies  do  not  collect  PSI  values  as  part  of  pavement  management  activities,  but  rather  IRI.    Therefore,  there  is  typically  a  need  to  convert IRI to PSI so the data may be used within the AASHTO system.  While there are a  number of equations available in the literature (e.g., 17‐19), one recommended for use by  the National Highway Institute and used in a previous investigation (8) was developed by Al‐ Omari  and  Darter  (20)  and  recommended  for  use  in  this  document.    It  was  based  on  studying pavements from 5 different states and yielded an R

2  of 0.81 (20): 

   IRIePSI  0038.05   (Equation 12) 

  where:  PSI = present serviceability index (0‐5 scale)  IRI = International Roughness Index, in./mile    Once IRI data versus time for a pavement section have been obtained, it is straightforward  to convert from IRI to PSI using Equation 12 and develop performance curves, such as those  shown  in  Figure  3.7.    Note  in  the  figure  that  the  data  are  separated  by  wheelpath  representing  the  left  (LPSI),  right  (RPSI)  and  average  (AvgPSI)  serviceability  ratings.    If  datasets  from  both  wheelpaths  are  available,  it  is  recommended  to  use  the  data  set  representing the worst performance in the recalibration process to be conservative.  At this  stage, it is important to establish the initial serviceability (po) and terminal (pt) calibration 

points.    These  will be used to establish PSI values and points  in time corresponding to  cumulative ESAL applications at those times. 

Figure 3.7  PSI Data Obtained from IRI Data (8). 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

28-Jun-03 14-Jan-04 01-Aug-04 17-Feb-05 05-Sep-05 24-Mar-06

Date

P S

I

LPSI RPSI AvgPSI Pt

Pt calibration points

Po 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

24   

3.2.2 Traffic Data and Actual ESALs  It  is  imperative  that  reasonably  accurate  historical  traffic  records  are  obtained  for  this  recalibration  procedure.    Information  regarding  axle  types  (single,  tandem,  tridem),  axle  weights  and  volume  of  axles  is  critical  in  computing  the  actual  ESALs  applied.    This  information  may  come  from  weigh‐in‐motion  or  static  scale  sites.    After  assembling  the  necessary information, the total actual ESALs must be computed as detailed below.    As  described  by  Peters‐Davis  and  Timm  (8),  the  AASHTO  Design  Guide  (2)  quantifies  pavement damage using Equivalent Axle Load Factors (EALFs), which are used to find the  number of ESALs.  An EALF quantifies the damage done per pass of any axle relative to the  damage done per pass by a standard axle (typically an 18‐kip single axle).   This equation  comes from the results of the AASHO Road Test (1), and is expressed as follows according to  Huang (21):    

tx

t

W

W EALF 18   (Equation 13) 

where:  Wtx = number of x axle load applications at time t  Wt18 = number of 18 kip axle load applications at time t   

Equations 14b and 14c are used within 14a to generate the Wtx/Wt18 value from which the  EALF value may be determined from Equation 13 for any axle type relative to the standard  (21).    Equation  14a  represents  the  fourth‐power  relationship  presented  in  Figure  2.1,  though  it  is  impossible  to  clearly  see  the  fourth‐power  trend  in  the  equation  due  to  its  complexity.   

  18

22 18

log33.4log79.41252.6log 

t

x

t x

t

tx GGLLL W

W 

  

    (Equation 14a) 

 

  

  

 

 5.12.4

2.4 log tt

p G    (Equation 14b) 

 

    23.32

19.5

23.3 2

1

081.0 40.0

LSN

LLx x



    (Equation 14c) 

  where:  Lx = axle group load in kips  L2 = axle code (1 for single, 2 for tandem and 3 for tridem)  SN = structural number  Wtx = number of x axle load applications at time t  Wt18 = number of 18 kip axle load applications at time t 

x = a function of design and load variables 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

25   

18 = value of βx when Lx is equal to 18 and L2 is equal to one  pt = terminal serviceability determined from IRI data converted to PSI  Gt = a function of serviceability levels    The EALFs for each axle load group, determined by equations 13 and 14 above, are used to  find the total damage done during the design period, which is defined in terms of passes of  the standard axle load (ESALs), as shown in the following equation (21):   

 

 m

i ii nEALFESAL

1

  (Equation 15) 

  where:  ESAL = actual ESALs  m = number of axle load groups  EALFi = EALF for the ith axle load group  ni = number of passes of the ith axle load group during the design period     

It is important to note that Equation 14b requires a terminal serviceability value, pt.  This  comes directly from the discussion above in subsection 3.2.1.  Also, Equation 14c requires  an SN value, which may be computed for the pavement as previously defined:   

SN = â1*D1 + a2*m2*D2+a3*m3*D3  (Equation 16)    It  is  assumed  for  the  purposes  of  this  recalibration  procedure  that  the  thicknesses  are 

known and the non‐AC structural and drainage coefficients are known.  Therefore, â1 is the  only unknown and is the value that will be adjusted, as noted in Figure 3.6, to arrive at the  best match between actual and predicted ESALs.   

3.2.3 Predicted ESALs  The predicted ESAL computation is made directly by the AASHTO pavement design equation  presented earlier (Equation 1) and repeated here as Equation 17.  A primary input to the 

equation is the pavement performance characterized by PSI obtained through the IRI data  set. 

 

 

07.8log32.2

1

1094 4.0

5.12.4 log

20.01log36.9log

19.5

018 

 

 

 

 

 RR M

SN

PSI

SNSZW  (Equation 17) 

where:  logW18 = predicted ESALs  ZR = standard normal deviate for a given reliability  S0 = standard deviation  ΔPSI = difference between initial and terminal serviceability at time t  MR = resilient modulus of the subgrade, psi 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

26   

SN = structural number (Equation 16)    Equation 17 is normally used for design, where ESALs (W18) are input, SN is computed and a  reliability in excess of 50% is used to act as a safety factor when determining the required  structural number.  However, in the case of recalibration, the objective is to closely match  predicted and actual ESALs applied without this design safety factor applied.   Therefore,  reliability should be set at 50% (average), which yields a standard normal deviate equal to 0  and the ZRS0 term drops out of Equation 17.  The  PSI  term  should  be  obtained  as  described  in  Section  3.2.1,  and  the  SN  term  is  as  defined  in  Equation  16  based  on  the  iterative  â1  term.    The  soil  resilient  modulus  (MR)  should be calculated from falling weight deflectometer (FWD) testing of the section at a  9,000 lb load level.  Refer to Section 3.1.1 and Equation 2 for the AASHTO recommendations  regarding  determination  of  subgrade  soil  modulus.    AASHTO  further  recommends,  when  using  Equation  17,  that  the  MR  value  determined  through  backcalculation  be  divided  by  three to account for differences in how testing was conducted during the AASHO Road Test  versus modern FWD testing (2).  This AASHTO (2) recommendation is only for fine‐grained  cohesive soils and no recommendation is made for granular, coarse‐grained soils.  Finally, if  the soil modulus changes appreciably with the seasons, it is recommended that the AASHTO  procedure for adjusting soil modulus to reflect these seasonal changes be followed (2).  This  requires  testing  at  multiple  times  during  the  course  of  a  year  to  establish  the  seasonal  trends and using another AASHTO empirical equation that relates pavement damage to soil  modulus  to  compute  a  weighted  average  soil  modulus  based  on  seasonal  duration  and  damage potential (2). 

3.2.4 Determination of â1 For a given pavement section, the outcome of subsections 3.2.1 through 3.2.3 is a simple 

table  listing  the  predicted  and  actual  ESALs  at  specific  points  in  time  for  a  particular  â1  value.  For example, Table 3.2 shows the actual and predicted ESALs for an NCAT Test Track  section assuming 0.44 as the asphalt structural coefficient.  Notice that the predicted ESALs  far underestimate the actual ESALs applied by 46% to 65%.  The objective is now to improve 

the prediction by adjusting â1 such that the error is minimized.  It is recommended to follow  a least‐squares regression procedure to minimize the error.   

Table 3.2  Example ESAL Differences Assuming a1 = 0.44 (8) 

Predicted ESALs Actual ESALs Difference % Error 

802,367  2,267,922  1,465,555  ‐65% 

1,126,574  2,837,091  1,710,517  ‐60% 

1,270,712  2,963,064  1,692,352  ‐57% 

1,638,661  3,212,141  1,573,480  ‐49% 

2,340,290  4,321,771  1,981,481  ‐46% 

   

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

27   

Following  standard  statistical  regression  procedures  (22),  the  differences  between  actual  and predicted ESALs must be squared and summed to obtain the error sum of squares (SSE),  which is defined as: 

 

   i

ii ActualESALSALPredictedESSE 2   (Equation 18) 

 

Next, the mean should be obtained for the actual ESALs (ActualESAL) and the difference  between  that  mean  and  each  predicted  ESAL  level  must  be  squared.    The  sum  of  these  values represent the total sum of squares (SST):   

   i

i ActualESALSALPredictedESST 2   (Equation 19) 

  The Pearson’s coefficient of determination (R

2 ) may be calculated from the SSE and SST as a 

measure of how well the predicted and actual ESALs match (22): 

SST

SSE R  12    (Equation 20) 

  To perform the regression, it is recommended to use the Solver add‐in within Excel.  Solver  may be set to minimize the SSE term while only changing the AC layer coefficient (â1).  This  process is inherently iterative in nature: every time the layer coefficient changes (i.e., from  0.44 to a new regressed value), both the actual and predicted ESALs change.  This is because  both of these values are calculated using the structural number (SN), which  is calculated  using  the  layer coefficient  (â1).    However,  Excel  should  automatically converge  to  a  final  least‐squares solution.    Figure 3.8 summarizes the before and after calibration results for the example shown  in  Table 3.2.   This regression resulted in a HMA layer coefficient of 0.50 and an R

2  equal to 

0.74.  There is a noticeable improvement in the actual vs. predicted ESAL differences after  the  regression  was  completed.    It  is  also  important  to  note  that  the  errors  were  not  completely eliminated.  The objective of the regression procedure is to minimize error and  bias, not to eliminate these factors.   

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

28   

Figure 3.8  Actual vs. Predicted ESALs Before and After Calibration. 

  The  procedure  described  above  formed  the  basis  of  the  ALDOT  newly‐recommended  asphalt  structural  coefficient  equal  to  0.54  (8).    Figure  3.9  shows  the  range  of  values  obtained in that investigation, which found all the values were within the range originally  calculated at the AASHO Road  Test (1) that varied from 0.33 to 0.83.   When conducting  recalibration, it is important to check the final results for reasonableness against the original  values.  It is also important to select a range of pavement sections that exhibited a range of  performance  to  avoid  biasing  the  recalibrated  coefficient  toward  conservative  or  liberal  designs.  In the case of the Test Track sections depicted in Figure 3.9, they represented a  range of cross‐sections that included a variety of thicknesses (5 inches to 14 inches of AC),  two subgrade types (AASHTO A‐4 and A‐7‐6) and different types of aggregate base.  They  also  included a range of AC materials that  included unmodified and SBS‐modified asphalt  binder, SMA, and mixtures designed as a rich‐bottom (2% air voids).  This variety of cross‐ sections resulted in a wide range of performance histories that included bottom‐up fatigue  cracking,  surface  rutting,  substructure  rutting,  top‐down  cracking  and,  in  some  cases,  no  measurable distress (8).   

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

29   

  Figure 3.9  NCAT Test Track Asphalt Layer Coefficients (8). 

  3.3 Mechanistic‐Empirical Procedures 

The  last  procedure  to  consider  relies  upon  using  the  MEPDG,  locally  calibrated  with  performance  data,  to  establish  pavement  layer  thicknesses  from  which  the  structural  coefficients  may  be  determined.    This  comprehensive  approach,  developed  and  used  in  Washington  (11),  is  conceptually  straightforward  but  very  time  and  data  intensive.   Agencies should consider this approach if efforts are already in progress toward calibrating  the MEPDG or if local calibration has been completed.  The general steps are as follows and  discussed in the following subsections:  1. Locally calibrate the MEPDG.  2. Use the locally calibrated MEPDG to generate pavement thickness designs.  3. Recalibrate a1 to match AASHTO empirical designs to MEPDG designs.   

3.3.1 MEPDG Local Calibration  Local calibration of the MEPDG is no easy task and full discussion of this topic is outside the  scope of this document.  However, detailed procedures were published in 2010 by AASHTO  (23) that should be followed to execute local calibration of the MEPDG.  As a brief summary,  the  MEPDG  local  calibration  procedure  involves  identifying  candidate  pavement  sections  that have: 

 as‐built material property characterization   performance data in terms of cracking, rutting and ride quality   traffic history data characterized as load spectra   detailed climate records    Once each of these data sets has been developed, pavement sections are simulated in the  MEPDG software with trial calibration coefficients, which predict performance over time.   

0.50

0.59 0.56

0.63 0.62 0.58

0.48

0.59 0.58

0.43 0.48

0.44 0.41

0.68

0.54

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

N 1 2

0 0 3

N 1 2

0 0 6

N 2 2

0 0 3

N 2 2

0 0 6

N 3 2

0 0 3

-2 0

0 6

N 4 2

0 0 3

-2 0

0 6

N 5 2

0 0 6

N 6 2

0 0 3

-2 0

0 6

N 7 2

0 0 3

-2 0

0 6

N 8 2

0 0 3

N 8 2

0 0 6

N 9 2

0 0 6

N 1

0 2

0 0 6

S 1

1 2

0 0 6

A ve

ra g

e

L a

y e r

C o

e ff

ic ie

n t

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

30   

Comparisons  between  the  MEPDG  predictions  and  actual  performance  are  made,  from  which the calibration coefficients may be adjusted to reduce the bias and error so that the  MEPDG makes realistic predictions of measured pavement performance.  The outcome of  the MEPDG calibration procedure is a new set of calibration coefficients specific to a state  or  region  for  various  distress  predictions.    For  example,  Table  3.3  lists  the  calibration  coefficients obtained by the WSDOT study (11).    It  is  important to emphasize that these  coefficients  are  specific  to  WSDOT  as  they  were  calibrated  to  performance  data  in  the  Washington State Pavement Management System (WSPMS). 

  Table 3.3  WSDOT MEPDG Calibration Results (data from 11) 

Distress  Coefficient Original (National  Calibration) Value 

Local Calibration  Value 

AC Fatigue 

f1  1  0.96  f2  1  0.945  f3  1  1.055 

Longitudinal Cracking 

C1  7  6.42 

C2  3.5  3.8 

C3  0  0 

C4  1,000  1,000 

Alligator Cracking 

C1  1  1 

C2  1  1 

C3  6,000  6,000 

AC Rutting 

r1  1  1.05  r2  1  1  r3  1  1.06 

Subgrade Rutting  s1  1  0   

3.3.2 Use MEPDG to Generate Pavement Thicknesses  Once the MEPDG has been well calibrated, it is possible to execute pavement designs under  a variety of conditions to determine the required asphalt concrete thickness.  In the WSDOT  study, for example, Li et al. (11) developed pavement thicknesses under a range of traffic  levels  and  corresponding  reliabilities  as  part  of  updating  the  WSDOT  pavement  design  catalog.  They fixed the aggregate base thickness according to WSDOT construction practice  and  experience  and  determined  the  required  AC  thickness  using  the  local‐calibration  coefficients  listed  above  in  the  MEPDG  (11).    Table  3.4  summarizes  the  required  AC  thickness for the six traffic and reliability levels in the WSDOT design catalog. 

             

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

31   

Table 3.4  WSDOT Design Comparisons (data from 11) 

50‐Year  ESALs,  Millions 

Reliability  Base Thickness, 

in. 

AC Thickness by Method 

MEPDG  AASHTO 1993 

a1=0.44  a1=0.50 

5  85%  6  6  7.5  6.5 

10  85%  6  7.4  8.5  7.5 

25  95%  6  9.0  11.2  9.9 

50  95%  7  11.2  12.3  10.8 

100  95%  8  12.1  13.3  11.8 

200  95%  9  13.2  14.5  12.8 

  3.3.3 Recalibrate a1 to Match MEPDG Thicknesses 

After establishing AC thicknesses for a range of pavement conditions with the MEPDG, the  AASHTO empirical procedure is used to determine corresponding AC thicknesses.  Table 3.4  shows thicknesses resulting from the 1993 AASHTO Guide (2) assuming 0.44 as the default  structural  coefficient.    On  average,  using  0.44  results  in  pavements  overdesigned  by  1.4  inches.  Li et al. (11) recalibrated a1 to 0.50 resulting in an average difference of 0.07 inches,  which was considered negligible.  In other words, 0.50 better reflects the performance of  asphalt materials in Washington as characterized by actual pavement performance data and  modeling within the MEPDG.    The  mechanistic‐empirical  approach  to  recalibration  using  the  MEPDG  is  the  most  data  intensive procedure.  However, for states in the process of calibrating and implementing the  MEPDG,  it  may  be  a  viable  option.    It  also  serves  the  dual  purpose  of  providing  similar  pavement design results with both the older empirical and newer M‐E procedures.  This is  desirable since even when the new system is adopted, there may be many scenarios that do  not warrant its use and the empirical design system will be employed.  It is important that  the empirical design system accurately reflect modern pavement performance. 

4. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS  Though mechanistic‐empirical pavement design may gain widespread use across the U.S. in  the coming years, there is a need to update the AASHTO empirical pavement design system  to account for advances in pavement materials, construction and performance.  Updating  the  structural  coefficient  can  help  optimize  asphalt  pavement  cross  sections  leading  to  better use of financial and natural resources.  This recalibration document described three  general  approaches  to  recalibrating  the  asphalt  structural  coefficient,  which  are  summarized  in  Table  4.1.    Based  on  the  information  provided  in  this  document,  the  following conclusions and recommendations are made:  1. The  asphalt  layer  coefficient  originally  recommended  by  AASHO  in  1962  (1)  is  not 

necessarily  applicable  in  all  situations.    Studies  in  Alabama  (8)  and  Washington  (11)  found  a  higher  value  better  reflected  actual  performance.    The  values  in  each  state  (Alabama  =  0.54;  Washington  =  0.50)  were  remarkably  similar  despite  geographical 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

32   

distance  and  different  approaches  taken  in  the  recalibration  process.    State  agencies  might consider evaluating their value with respect to actual pavement performance. 

2. Deflection‐based  approaches  can  provide  structural  coefficients  in  a  relatively  short  time with relatively little data required.  However, regression equations were developed  from  past  pavement  performance  observations  that  may  not  accurately  reflect  the  material  under  investigation.    In  the  absence  of  historical  performance  records,  deflection‐based  approaches  may  be  considered  to  provide  provisional  structural  coefficients  until  the  new  coefficient  is  validated  with  material‐specific  performance  data. 

3. The  performance‐based  method  used  by  Alabama  (8)  most  closely  replicates  the  process  used  to  develop  the  original  AASHO  structural  coefficient.    Though  historical  traffic  and  performance  records  (i.e.,  IRI)  are  needed,  the  data  are  often  readily  available  and  collected  as  part  of  routine  pavement  management  activities  in  many  states. 

4. The  MEPDG  approach  is  the  most  time  and  data‐intensive  procedure  to  follow.    It  should  only  be  undertaken  if  MEPDG  calibration  activities  are  already  in  process  or  completed.  One could view this approach as an additional useful output of the MEPDG‐ calibration  process,  as  it  allows  states  to  continue  using  the  AASHTO  empirical  procedure  and  produce  pavement  designs  consistent  between  the  MEPDG  and  empirical approach. 

5. The  results  of  any  recalibration  investigation  should  be  checked  against  the  range  of  original  AASHO  values  and  other  investigations.    The  fact  that  the  Alabama  and  Washington  coefficients  after  recalibration  were  so  similar,  despite  very  different  conditions and recalibration procedures, lends confidence to using the new values. 

6. Local  agencies  or  municipalities  that  may  not  have  all  the  information  required  for  recalibration could still perform recalibration by utilizing existing information available  through state or other local agencies for similar roadways in their geographic regions.  

                                 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

33   

Table 4.1  Summary of Methods 

Procedure Type  General Process  Advantages  Disadvantages 

Deflection‐  Based 

Conduct deflection testing on  existing pavement section.   Use deflection data to  backcalculate pavement  properties.  Correlate  backcalculated properties to  structural coefficients using  pre‐existing equations. 

Relatively rapid  procedure.    Requires only short‐ term data sets.    Relatively little  deflection testing  needed. 

Does not  correlate to  section‐specific  performance.    Relies primarily  on past  correlation  studies. 

Performance‐ Based 

Pavement ride quality data  are used to quantify changes  in pavement serviceability  over time.  These changes  are correlated to measured  traffic levels (Actual ESALs)  and the structural number  equation is used to provide  predicted traffic levels  (Predicted ESALs).  The  structural coefficient is used  as a calibration coefficient to  minimize the error between  actual and predicted ESALs. 

Most closely  replicates how the  original AASHO layer  coefficients were  determined.    Calibrates to actual  pavement  performance.    Relatively simple  method, once traffic  and performance  records have been  compiled. 

Historical  performance data  needed.    Historical traffic  data (ESALs)  needed. 

Mechanistic‐ Empirical 

The MEPDG is locally  calibrated and used to  generate pavement thickness  designs.  The asphalt layer  coefficient is then  recalibrated to provide  thicknesses that match the  MEPDG thicknesses. 

Calibrates both  empirical and M‐E  approaches.    Calibrates to actual  pavement  performance.    Provides continuity  between design  systems. 

Most intensive  procedure in  terms of required  data.    Requires  calibration of the  MEPDG, which is  a costly and time‐ consuming  process. 

             

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

34   

5. REFERENCES  1. Highway Research Board, “The AASHO Road Test”, Report 5, Pavement Research Special 

Report 61E, National Academy of Sciences – National Research Council, Washington, DC,  1962. 

2. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. Washington D.C.: American  Association of State and Highway Transportation Officials, 1993. 

3. Timm, D.H., M.M. Robbins, N. Tran and C. Rodezno, “Flexible Pavement Design – State  of the Practice,” National Asphalt Pavement Association, 2014. 

4. AASHTO, Mechanistic‐Empirical Pavement Design Guide, A Manual of Practice, Interim  Edition, July 2008. 

5. Pierce, L.M. and G. McGovern, “Implementation of the AASHTO Mechanistic‐Empirical  Pavement Design Guide (MEPDG) and Software,” Third Draft, NCHRP Project 20‐05,  Topic 44‐06, October, 2013. 

6. George, K.P., “Structural Layer Coefficient for Flexible Pavement,” ASCE Journal of  Transportation Engineering, Vol. 110, No. 2, 1984, pp. 251‐267. 

7. AASHO, “AASHO Interim Guide for Design of Pavement Structures‐1972,” Washington,  D.C., 1972. 

8. Peters‐Davis, K. and D.H. Timm, “Recalibration of the Asphalt Layer Coefficient,” Report  No. 09‐03, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, 2009. 

9. Timm, D.H. and A.L. Priest, “Material Properties of the 2003 NCAT Test Track Structural  Study,” Report No. 06‐01, National Center for Asphalt Technology, Auburn University,  2006. 

10. Davis, K. and D. Timm, “Structural Coefficients and Life Cycle Cost,” Proceedings, T&DI  Congress 2011: Integrated Transportation and Development for a Better Tomorrow,  Proceedings of the First T&DI Congress 2011, American Society of Civil Engineers,  Chicago, IL, 2011, pp. 646‐655. 

11. Li, J., J.S. Uhlmeyer, J.P. Mahoney and S.T. Muench, “Use of the 1993 AASHTO Guide,  MEPDG and Historical Performance to Update the WSDOT Pavement Design Catalog,”  WA‐RD 779.1, Washington State Department of Transportation, 2011. 

12. Kuennen, T., “How Alabama Gets More Bang for Its Asphalt Buck,” Volume 15, No. 1,  Hot Mix Asphalt Technology, January/February 2010, 30‐35. 

13. FHWA, “LTPP Manual for Falling Weight Deflectometer Measurements Operational Field  Guidelines,” Version 3.1, August 2000. 

14. Timm, D.H., A. Vargas‐Nordcbeck, “Structural Coefficient of Open Graded Friction  Course,” Transportation Research Record 2305, Transportation Research Board, 2012,  pp. 102‐110. 

15. Hossain, M., A. Habib and T.M. LaTorella, “Structural Layer Coefficients of Crumb  Rubber‐Modified Asphalt Concrete Mixtures,” Transportation Research Record No.  1583, Transportation Research Board, 1997, pp. 62‐70. 

16. Ullidtz, P., “Pavement Analysis,” Elsevier, N.Y., 1987, pp. 221‐223.  17. Gulen, S., R. Woods, J. Weaver, and V.L. Anderson, Correlation of Present Serviceability 

Ratings with International Roughness Index. Transportation Research Record 1435,  Transportation Research Board, Washington, D.C. 1994. 

Timm, Robbins,        Tran & Rodezno

35   

18. Holman, F., Guidelines for Flexible Pavement Design in Alabama. Alabama Department  of Transportation, 1990. 

19. Hall, K.T., and C.E.C. Munoz, Estimation of Present Serviceability Index from  International Roughness Index. Transportation Research Record 1655, Transportation  Research Board, Washington, D.C. 1999. 

20. Al‐Omari, B. and M.I. Darter, Relationships between International Roughness Index and  Present Serviceability Rating. Transportation Research Record 1435, Transportation  Research Board, Washington, D.C. 1994. 

21. Huang, Y.H., Pavement Analysis and Design. 2nd ed. New Jersey: Prentice Hall, 2004.  22. McClave, J.T. and F.H. Dietrich II, Statistics, Sixth Edition, MacMillan College Publishing 

Company, New York, New York, 1994.  23. AASHTO, “Guide for the Local Calibration of the Mechanistic‐Empirical Pavement Design 

Guide,” American Association of State Highway and Transportation Officials,  Washington, D.C., 2010.