Goals for this Session
                                                  What is an FWD?
                                                   Fundamentals of FWD operations and testing
                                                    Learn about some typical applications for an FWD




David P. Orr, PE – Cornell Local Roads Program




                                                 Pavement Deflection




                                                      Isada, 1966
         Benkelman beam




                                                                                                        1
FWD Loading System


  KUAB Dynatest
Carl Bro JILS




                  What Can a Typical FWD Measure?
                   Deflections
                   Load or Pressure
                   Temperature




                  • Tow Vehicle
                  • Data Acquisition System
                  • Testing Device
                  • Operator




                                                    2
FWD with GPS


               • Deflections
               • Load or Pressure
               • Temperature 
                  • (Surface and Air)




                                             ‐Dwight D. Eisenhower




               FWD Testing Protocol
                    Travel to site
                    Coordinate personnel
                    Inspect test section
                    Record temperature & other measurements
                    Prepare FWD for testing
                    Warm up FWD & check FWD operation
                    Collect FWD data
                    Perform data checks & basic analysis
                    Prepare FWD for travel
                    Return to base
                    Provide data to engineer
                    Finish analysis of FWD data




                                                                     3
Travel to Site
                              Test Section Limits
Travel to Site




Coordinate Personnel     Coordinate Personnel
 Traffic control crew    Sampling and geotechnical testing crew 
 FWD operator             (as appropriate)




                                                                     4
Inspect Test Section
Inspect Test Section        General pavement condition
                            Pavement distress




Record Pavement 
                           Prepare FWD for Testing
Temperature?
 Who records?              Perform check of equipment
                            Prep for testing
                            Computer software




     Warm up FWD and 
     Check FWD Operation
                           Collect Deflection Data




                                                          5
Testing Considerations                                 Collect Deflection Data
 Type of FWD Testing                                   Test spacing
   Research Level                                      Number of drops per point
   Project Level
                                                         Number of load levels
   Network Level
 Type of Pavement Structure                            Project Level FWD Testing
   Flexible                                             Spacing 25‐100 ft
   Rigid (Jointed or Continuously Reinforced)          Network Level FWD Testing
   Composite                                            250‐500 ft spacing
   Other 
   (aggregate, surface treatment on aggregate, etc.)    Maximize use of traffic control
                                                         Determine average test points per day




Testing Program                                        Perform Data Checks and Basic 
 An Effective Testing Program Should:                 Analysis 
  Minimize errors
  Maximize data collection
  Be flexible




Perform Data Checks and Basic 
Analysis                                               Prepare FWD for Travel
 Before or after leaving traveled way?
 What about the FWD software?
 Automation




                                                                                                  6
Prepare FWD for Travel               Return to Base
 Prepare for high‐speed travel       Missing data will always be missing
 Create backup of data
 Complete hand written notes




Provide Data to Engineer
 Data files                         Finish Analysis of FWD Data
 Other documentation
 Photographs




Finish Analysis of FWD Data
 Is the FWD data good? 
 Data checks in the field
 What is the goal of the testing?
                                     •   The testing company, the engineer, 
                                         and the County working in collaboration




                                                                                   7
•   Geotechnical investigation                 •    NO!
     • Test pits                                      • Depends upon data needs 
     • Core holes                                       and length of section
     • GPR?                                           • Take advantage of a full day of testing
•   Pavement temperature
•   Pictures
•   Distress investigation
•   ….




                                               Typical Applications of an FWD
                                                    Flexible Pavements
                                                      Design of rehab/overlay
                                                      Subgrade response
                                                      Identify weak areas
                                                      Forensics
                                                    Rigid Pavements
                                                      Layer moduli
                                                      Subgrade support
                                                      Locate bad joints or voids
                                                    Network Evaluation
                                                      Pavement parameters
                                                      Subgrade strength




                                               Landon Road
                                                Where does the poor base area begin and end?
                                                    What are the best locations for the test pits?
                                                     Will cement stabilization work?
                                                       Did the rehab work?
                                 Landon Road




                                                                                                      8
Testing Program                                Plots of FWD Deflection
                                                                                                   Dropt Height 4 Deflections
 Visual inspection                                                 80                                 Center Deflection
                                                                    70

 Interview with Town Highway Superintendent                        60
                                                                    50




                                               Deflection (mils)
 FWD testing in Outer Wheel Path                                   40
                                                                    30
                                                                    20
 2 test pits                                                       10
                                                                     0

     Soil samples                                                       0   1000          2000
                                                                                    April 02, NB
                                                                                                                3000
                                                                                                             Station (feet)
                                                                                                                                4000
                                                                                                                                 Sept 02, SB
                                                                                                                                               5000   6000


                                                                                                   Dropt Height 4 Deflections
                                                                                                      Outer Deflection 72"
                                                                    3

                                                                   2.5

                                                                    2




                                               Deflection (mils)
                                                                   1.5

                                                                    1

                                                                   0.5

                                                                    0
                                                                         0   1000          2000                3000             4000           5000   6000
                                                                                                            Station (feet)
                                                                                    April 02, NB                                 Sept 02, SB




Cement Stabilization Demo                      After a Chip Seal




•    FWD Testing
      • Test pits are sited using FWD data                                   Eden‐Evans Center Road – Eric County




                                                                                                                                                             9
Eden‐Evans Center Road                                   Testing Program
 Why does the road heave so badly?                       Visual inspection
  What are the rehabilitation options?                   Interview with crew leaders
                                                          FWD testing in Outer Wheel Path
                                                          2 test pits
                                                           Soil samples




Laboratory Tests                                         Brown Gravel
                                                                                           Sieve Test - Upper Brown Gravel - Test Pit 1
                                                                                             Erie County - Eden-Evans Center Road
                                                                                100%

                                                                                90%

                                                                                80%
Material    AASHTO Unified % Fines  PI             SE
                                                               Percent Pasing




                                                                                70%
Brown                                                                           60%
              A‐2‐4      GM‐GC      30.6%     7    11
Gravel                                                                          50%

Grey                                  2.6‐         27‐                          40%
               A‐1‐a       GP*                NP
Slag                                  6.5%         29                           30%

                                                                                20%
Subgrade       A‐4       SM‐SC        44.1%   6    13                           10%

                                                                                 0%
                                                                                   0.001      0.01           0.1             1            10
                                                            Cornell Local Roads Program                Grain size (inches)




Variation in Deflection Data                             Rehabilitation Choices
                                                          Overlay
                                                           Reconstruction
                                                             Recycling the Surface
                                                                 Full Depth Rehabilitation




                                                                                                                                               10
Reconstruction or at least removal of the brown       • Visual inspection
gravel is a minimum needed at this site               • Test pits
                                                      • Laboratory analysis




                                                      County Rt 5
                                                       How good was the construction in 2011?
                                                           Are there any weak spots?
                                                            What is the expected lifespan?

  County Route 5, Lyme, NY – Jefferson County




Testing Program                                       Bedrock at Station 1+50 
 Visual inspection                                   Can see exposed bedrock 
 Discussion with County
 Road is also in Seasonal Research Study                 ~6 feet deep
 FWD testing in Outer Wheel Path
 Use data from research geotechnical investigation
  Soil samples




                                                                                                 11
Bedrock Depth 
Bedrock at Station 2+80                                                  (from FWD data)
                                                                                                                      Distance (feet)
                                                    9.9 feet deep                                      0       100    200     300    400       500
                                                                                                  0.0




                                                                          Bedrock Depth (feet)
                                                                                                  5.0
                                                                                                 10.0
                                                                                                 15.0
                                                                                                 20.0
                                                                                                 25.0




Bedrock Depth 
(from FWD data)
                                                                         Backcalculation Model
                                              Distance (feet)            Layer                                             Thickness (inches)
                             0        2,000     4,000    6,000   8,000   AC                                                       7.5 
                         0
                                                                         Gravel                                                  11.0
 Bedrock Depth (feet)




                         5
                        10                                               Upper Subgrade                                            24
                        15
                        20                                               Lower Subgrade                                        Calculated
                        25
                                                                         Bedrock                                                    ∞




Weak Spots                                                               Terminal ESALs
                                 Lower Subgrade Modulus                                          4.E+09
                        120,000
                                                                                                 3.E+09
 Modulus (psi)




                        100,000
                                                                          ESALs




                         80,000                                                                  2.E+09
                         60,000
                         40,000                                                                  1.E+09
                         20,000
                              0                                                                  0.E+00
                                  0      2,000 4,000 6,000       8,000                                      0    2,000 4,000 6,000      8,000
                                             Distance (feet)                                                          Distance (feet)




                                                                                                                                                      12
Terminal ESALs
        100,000,000
        80,000,000
                                                    •   Bedrock (within ~25 feet)
ESALs




        60,000,000
                                                    •   Weak spots (only a relative value)
        40,000,000
                                          5,000 
        20,000,000                        AADT      •   Can also be used with thickness information to 
                 0                                      determine the strength of the pavement
                      0   2,000 4,000 6,000 8,000
                             Distance (feet)




Conclusions
Non destructive testing device
  Lots of data quickly
    Not always the right choice                    •   An FWD is a non‐destructive testing (NDT) device 
      Backcalculation?                                 for pavement that ‘simulates’ the loading of a 
                                                        truck traveling at about 40 mph




                                                                                                            13

Fwd thinking

  • 1.
    Goals for this Session  What is an FWD?  Fundamentals of FWD operations and testing  Learn about some typical applications for an FWD David P. Orr, PE – Cornell Local Roads Program Pavement Deflection Isada, 1966 Benkelman beam 1
  • 2.
    FWD Loading System KUAB Dynatest Carl Bro JILS What Can a Typical FWD Measure?  Deflections  Load or Pressure  Temperature • Tow Vehicle • Data Acquisition System • Testing Device • Operator 2
  • 3.
    FWD with GPS • Deflections • Load or Pressure • Temperature  • (Surface and Air) ‐Dwight D. Eisenhower FWD Testing Protocol  Travel to site  Coordinate personnel  Inspect test section  Record temperature & other measurements  Prepare FWD for testing  Warm up FWD & check FWD operation  Collect FWD data  Perform data checks & basic analysis  Prepare FWD for travel  Return to base  Provide data to engineer  Finish analysis of FWD data 3
  • 4.
    Travel to Site  Test Section Limits Travel to Site Coordinate Personnel Coordinate Personnel  Traffic control crew  Sampling and geotechnical testing crew   FWD operator (as appropriate) 4
  • 5.
    Inspect Test Section Inspect Test Section  General pavement condition  Pavement distress Record Pavement  Prepare FWD for Testing Temperature?  Who records?  Perform check of equipment  Prep for testing  Computer software Warm up FWD and  Check FWD Operation Collect Deflection Data 5
  • 6.
    Testing Considerations Collect Deflection Data  Type of FWD Testing  Test spacing  Research Level  Number of drops per point  Project Level  Number of load levels  Network Level  Type of Pavement Structure  Project Level FWD Testing  Flexible  Spacing 25‐100 ft  Rigid (Jointed or Continuously Reinforced)  Network Level FWD Testing  Composite  250‐500 ft spacing  Other  (aggregate, surface treatment on aggregate, etc.)  Maximize use of traffic control  Determine average test points per day Testing Program Perform Data Checks and Basic   An Effective Testing Program Should: Analysis   Minimize errors  Maximize data collection  Be flexible Perform Data Checks and Basic  Analysis  Prepare FWD for Travel  Before or after leaving traveled way?  What about the FWD software?  Automation 6
  • 7.
    Prepare FWD for Travel Return to Base  Prepare for high‐speed travel  Missing data will always be missing  Create backup of data  Complete hand written notes Provide Data to Engineer  Data files Finish Analysis of FWD Data  Other documentation  Photographs Finish Analysis of FWD Data  Is the FWD data good?   Data checks in the field  What is the goal of the testing? • The testing company, the engineer,  and the County working in collaboration 7
  • 8.
    Geotechnical investigation • NO! • Test pits • Depends upon data needs  • Core holes and length of section • GPR? • Take advantage of a full day of testing • Pavement temperature • Pictures • Distress investigation • …. Typical Applications of an FWD  Flexible Pavements  Design of rehab/overlay  Subgrade response  Identify weak areas  Forensics  Rigid Pavements  Layer moduli  Subgrade support  Locate bad joints or voids  Network Evaluation  Pavement parameters  Subgrade strength Landon Road  Where does the poor base area begin and end?  What are the best locations for the test pits?  Will cement stabilization work?  Did the rehab work? Landon Road 8
  • 9.
    Testing Program Plots of FWD Deflection Dropt Height 4 Deflections  Visual inspection 80 Center Deflection 70  Interview with Town Highway Superintendent 60 50 Deflection (mils)  FWD testing in Outer Wheel Path 40 30 20  2 test pits 10 0  Soil samples 0 1000 2000 April 02, NB 3000 Station (feet) 4000 Sept 02, SB 5000 6000 Dropt Height 4 Deflections Outer Deflection 72" 3 2.5 2 Deflection (mils) 1.5 1 0.5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Station (feet) April 02, NB Sept 02, SB Cement Stabilization Demo After a Chip Seal • FWD Testing • Test pits are sited using FWD data Eden‐Evans Center Road – Eric County 9
  • 10.
    Eden‐Evans Center Road Testing Program  Why does the road heave so badly?  Visual inspection  What are the rehabilitation options?  Interview with crew leaders  FWD testing in Outer Wheel Path  2 test pits  Soil samples Laboratory Tests Brown Gravel Sieve Test - Upper Brown Gravel - Test Pit 1 Erie County - Eden-Evans Center Road 100% 90% 80% Material AASHTO Unified % Fines  PI SE Percent Pasing 70% Brown  60% A‐2‐4 GM‐GC 30.6% 7 11 Gravel 50% Grey  2.6‐ 27‐ 40% A‐1‐a GP* NP Slag 6.5% 29 30% 20% Subgrade A‐4 SM‐SC 44.1% 6 13 10% 0% 0.001 0.01 0.1 1 10 Cornell Local Roads Program Grain size (inches) Variation in Deflection Data Rehabilitation Choices  Overlay  Reconstruction  Recycling the Surface  Full Depth Rehabilitation 10
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    Reconstruction or at least removal of the brown  • Visual inspection gravel is a minimum needed at this site • Test pits • Laboratory analysis County Rt 5  How good was the construction in 2011?  Are there any weak spots?  What is the expected lifespan? County Route 5, Lyme, NY – Jefferson County Testing Program Bedrock at Station 1+50   Visual inspection Can see exposed bedrock   Discussion with County  Road is also in Seasonal Research Study ~6 feet deep  FWD testing in Outer Wheel Path  Use data from research geotechnical investigation  Soil samples 11
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    Bedrock Depth  Bedrock at Station 2+80  (from FWD data) Distance (feet) 9.9 feet deep 0 100 200 300 400 500 0.0 Bedrock Depth (feet) 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 Bedrock Depth  (from FWD data) Backcalculation Model Distance (feet) Layer Thickness (inches) 0 2,000 4,000 6,000 8,000 AC 7.5  0 Gravel 11.0 Bedrock Depth (feet) 5 10 Upper Subgrade 24 15 20 Lower Subgrade Calculated 25 Bedrock ∞ Weak Spots Terminal ESALs Lower Subgrade Modulus 4.E+09 120,000 3.E+09 Modulus (psi) 100,000 ESALs 80,000 2.E+09 60,000 40,000 1.E+09 20,000 0 0.E+00 0 2,000 4,000 6,000 8,000 0 2,000 4,000 6,000 8,000 Distance (feet) Distance (feet) 12
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    Terminal ESALs 100,000,000 80,000,000 • Bedrock (within ~25 feet) ESALs 60,000,000 • Weak spots (only a relative value) 40,000,000 5,000  20,000,000 AADT • Can also be used with thickness information to  0 determine the strength of the pavement 0 2,000 4,000 6,000 8,000 Distance (feet) Conclusions Non destructive testing device  Lots of data quickly  Not always the right choice • An FWD is a non‐destructive testing (NDT) device   Backcalculation? for pavement that ‘simulates’ the loading of a  truck traveling at about 40 mph 13