There are various distresses arising from traffic loads and the surrounding environment to whichan asphalt pavement is subjected during its life span. The environment-associated damages aremore severe during winter when abundant moisture and freezing temperature are presentsimultaneously. Damage caused by frost heave is one of the important winter-related damagesresulting in severe cracks and bumpy road surfaces. Since the frost heave-induced cracks areusually wide, they can make the pavement more prone to other types of damage by leaving theopen space for water and moisture penetration. Simulating the response of the pavement whenit is subjected to frost heave is the aim of this licentiate thesis. Attaining this objective requirescoupling a frost heave model with a damage model representing the mechanistic behavior ofthe asphalt material. With regard to the brittle behavior of the asphalt at cold temperatures, aviscoelastic damage model for asphalt material is coupled with a thermomechanical frost heavemodel. The thermomechanical approach couples the physical processes involved in frost actioninside the soil. To elucidate more, in this method the thermal and mechanical fields are coupledby the porosity evolution function which implicitly takes into account the effect of the hydraulicfield. On the other hand, the continuum viscoelastic damage model for asphalt material isdeveloped within the infinitesimal strain context by applying the thermodynamical restrictionsof irreversible processes. The suggested framework was employed in different finite elementmodels to simulate damages caused by frost heave in asphalt pavements. The results indicatethat it predicts the damage distribution and evolution in the asphalt. Furthermore, it was shownthat the uneven frost heave and physical processes taking place in the soil during frost actionsuch as cryogenic suction force creation, porosity evolution, ice formation, etc., can also besimulated.

Det finns olika typer av påfrestningar som uppstår från trafikbelastningar och den omgivandemiljön som en asfaltbeläggning utsätts för under sin livslängd. De miljörelaterade skadorna ärallvarligare under vintern när fukt och kalla temperaturer är närvarande samtidigt. Skadororsakade av tjällyft är en av de allvarliga vinterrelaterade skadorna som resulterar i sprickor ochskadade vägsytor. Eftersom de tjällyftsinducerade sprickorna vanligtvis är breda kan de görabeläggningen mer utsatt för andra typer av skador genom vatten- och fuktinträngning. Syftetmed denna licentiatavhandling är att simulera beläggningens reaktion när den utsätts för tjällyft.För att uppnå detta mål krävs att en tjällyftsmodell kopplas till en skademodell somrepresenterar asfaltmaterialets mekanistiska beteende. När det gäller asfaltens spröda beteendevid kalla temperaturer, är en viskoelastisk skademodell för asfaltmaterial kopplad till entermomekanisk tjällyftsmodell. Det termomekaniska tillvägagångssättet kopplar de fysiskaprocesserna som är involverade i frostverkan inuti jorden. För att klarlägga detta mer, är determiska och mekaniska fälten kopplade med porositetsutvecklingsfunktionen som implicit tarhänsyn till effekten av det hydrauliska fältet. Å andra sidan är den kontinuumviskoelastiskaskademodellen för asfaltmaterial utvecklad inom det oändliga töjningssammanhanget genomatt tillämpa de termodynamiska begränsningarna av irreversibla processer. Det föreslagnaramverket användes i olika finita elementmodeller för att simulera skador orsakade av tjällyft iasfaltbeläggningar. Resultaten indikerar att den förutsäger skadefördelningen och utvecklingeni asfalten. Dessutom har det visat sig att det ojämna tjällyft och fysiska processer som äger rumi marken under frostpåverkan, såsom skapande av kryogen sugkraft, porositetsutveckling,isbildning, etc., också kan simuleras.

Asphalt pavements are subjected to various forms of deterioration throughout their service life due to the combined effects of traffic loading and environmental conditions. In cold regions, the coexistence of subfreezing temperatures and a high moisture content promotes the formation of ice lenses in frost-susceptible soils that may be present in the subgrade layer. This phenomenon, known as frost heave, induces differential upward movement of the ground surface, leading to cracking and surface irregularities in pavements. During the subsequent thawing period, the melting of ice lenses leads to a significant reduction in the stiffness and stability of the underlying soil, thereby compromising the structural integrity of the pavement. This cycle of frost heave and thaw settlement contributes to progressive surface degradation, a phenomenon commonly observed in countries like Sweden, where long winters and moisture-saturated soils are prevalent.

The present thesis proposes a mechanistic framework to assess the performance of asphalt pavements under frost heave and thaw settlement. To achieve this, a thermomechanical frost heave–thaw settlement model is coupled with a thermodynamics-based asphalt damage model. In the frost heave–thaw settlement component, thermal and mechanical fields are coupled through a porosity evolution function, which implicitly accounts for water seepage during frost heave. Notably, the proposed model introduces a new approach in which the formation of ice lenses during frost heave and the excess water introduced into soil composite during the thawing phase are treated analogously to the healing and damage processes in continuum damage mechanics. 

The mechanical behavior of asphalt materials is modeled using a continuum constitutive framework capturing viscoelasticity, viscoplasticity, and material degradation. The formulation is developed in the context of finite strain theory and is grounded in thermodynamic principles governing irreversible processes. In this model, damage initiation and evolution are ascribed to the restored viscoelastic energy. 

The proposed framework is implemented and evaluated across study scenarios that include both uniform and non-uniform frost heave and thaw settlement. The scenarios comprise isolated freeze-thaw cycles and full-scale cases using measured climate data from the city of Kiruna in northern Sweden. The results show that the framework effectively captures the frost action within the soil by modeling the evolution of porosity, the distribution of ice and liquid water contents, and the associated ground surface deformations. In addition, it enables the analysis of the subsequent propagation of damage within the asphalt layer. The framework also serves as a valuable tool for assessing the effectiveness of various mitigation strategies aimed at alleviating the detrimental effects of annual ground surface deformations induced by frost heave and thaw settlement.

Asfaltbeläggningar utsätts under sin livslängd för olika former av nedbrytningtill följd av den sammantagna påverkan från trafikbelastningoch miljöförhållanden. I kalla regioner främjar samtidig förekomst avtemperaturer under fryspunkten och hög fukthalt bildningen av islinser ifrostkänsliga jordar som kan förekomma i undergrunden. Detta fenomen,känt som tjällyftning, orsakar ojämn upplyftning av markytan, vilketleder till sprickbildning och ytojämnheter i beläggningar. Under denefterföljande töperioden medför smältning av islinser en avsevärd minskningav styvhet och stabilitet i den underliggande jorden, vilket försämrarbeläggningens bärförmåga. Denna cykel av tjällyftning och tösättningbidrar till successiv ytdegradering, ett vanligt förekommande problemi länder som Sverige där långa vintrar och fuktsaturerade jordar ärvanliga.

Föreliggande avhandling föreslår ett mekanistiskt ramverk för att bedömaasfaltbeläggningars prestanda under tjällyftning och tösättning. Fördetta kopplas en termomekanisk modell för tjällyftning–tösättning sammanmed en termodynamiskt baserad skademodell för asfalt. I delmodellenför tjällyftning–tösättning kopplas de termiska och mekaniskafälten via en funktion för porositetsutveckling som implicit beaktarvattengenomströmning under tjällyftning. Särskilt kan nämnas att denföreslagna modellen introducerar ett nytt angreppssätt där bildningenav islinser under tjällyftning och det överskottsvatten som tillförs jordmaterialetunder töfasen behandlas analogt med läknings- respektiveskadeprocesser inom kontinuumskademekanik.

Det mekaniska beteendet hos asfaltmaterial modelleras med ett kontinuummekaniskt konstitutivt ramverk som fångar viskoelasticitet, viskoplasticitetoch materialdegradering. Formuleringen utvecklas inom ramenför stora deformationer och vilar på termodynamiska principer för irreversiblaprocesser. I modellen kopplas initiering och utveckling av skadatill den återvunna viskoelastiska energin.

Ramverket implementeras och utvärderas i studiescenarier som omfattarbåde uniforma och icke-uniforma tjällyftningar och tösättningar. Scenariernainkluderar enstaka frys–töcykler samt fullskalefall baseradepå uppmätta klimatdata från Kiruna i norra Sverige. Resultaten visaratt ramverket effektivt fångar tjälprocesserna i jord genom att modelleraporositetsutveckling, fördelningen av is- och vattenhalter samttillhörande markdeformationer. Vidare möjliggörs analys av efterföljandeskadeutbredning i asfaltlagret. Ramverket utgör också ett värdefulltverktyg för att bedöma effektiviteten hos olika åtgärdsstrategier somsyftar till att mildra de skadliga effekterna av årliga markdeformationerorsakade av tjällyftning och tösättning.