Correlations between California bearing ratio (CBR) and resilient modulus (MR) for design of pavements extending unsaturated soil mechanics

ABSTRACT: The widespread seasonal weather variations in Ontario have a significant influence on the performance of pavement structures. The Ministry of Transportation of Ontario (MTO) is one of the pioneers amongst Canadian transportation agencies to adopt the Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG). The primary objective of the MEPDG is to incorporate the improvement of life-cycle cost based on design reliability taking into account the effects of temperature and moisture changes caused by seasonal weather fluctuations. The MEPDG has three different design levels (i.e., Level 1, Level 2, and Level 3) that are typically based on the resources and the level of risk associated for a given project. Specifically, Level 2 design requires the estimation of the resilient modulus, MR (which is the key parameter in the mechanistic design and failure analyses) from simple California Bearing Ratio (CBR) test. CBR is a penetration test performed on saturated- and as- compacted specimens in conventional soil testing laboratories to estimate the strength of pavement subgrade. However, pavement subgrade soils are typically in a state of unsaturated condition for most or all of its design life. As a result, there has been significant recent research interest in the literature to interpret CBR tests based on unsaturated soil mechanics. This paper summarises several approaches proposed in the literature that provide relationships between the CBR and the MR extending the principles of unsaturated soil mechanics. In addition, the CBR of two typical subgrade soils from Toronto, Ontario under wetting and drying conditions are measured and analyzed. The results provide useful information for Level 2 mechanistic-empirical design of pavement structures in Ontario.

RÉSUMÉ: Les variations climatiques saisonnières généralisées en Ontario ont une influence considérable sur la performance des structures de chaussée. Le ministère des Transports de l'Ontario (MTO) est l'un des pionniers parmi les agences de transport canadiennes à adopter le “Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide” (MEPDG). L'objectif principal du MEPDG est d'intégrer l'amélioration du coût du cycle de vie basée sur la fiabilité de la conception en tenant compte des effets des changements de température et d'humidité causée par les fluctuations météorologiques saisonnières. Le MEPDG a trois niveaux de conception différents (c.-à-d. Niveau 1, Niveau 2 et Niveau 3) qui sont généralement basés sur les ressources et le niveau de risque associé à un projet donné. Plus précisément, la conception de niveau 2 nécessite l'estimation du module de résilience, MR, (qui est le paramètre clé dans la conception mécanique et les analyses de défaillance) à partir d'un simple test California Bearing Ratio (CBR). Le CBR est un test de pénétration effectué sur des spécimens saturés et as-compactés dans des laboratoires d'analyse des sols conventionnels pour estimer la résistance de la couche de fondation de la chaussée. Cependant, les sols de fondation de chaussée sont généralement dans un état non saturé pour la plupart ou pendant toute leur durée de vie nominale. En conséquence, il y a eu un intérêt de recherche récent dans la littérature pour interpréter les tests CBR basés sur la mécanique des sols non saturés. Cet article résume plusieurs approches proposées dans la littérature qui fournissent des relations entre le CBR et le MR étendant les principes de la mécanique des sols non saturés. De plus, le CBR de deux sols de fondation typique de Toronto, dans le sud de l'Ontario, dans des conditions de mouillage et de séchage, est mesuré et analysé. Les résultats fournissent des informations utiles pour la conception mécaniste-empirique de Niveau 2 des structures de chaussée en Ontario.