Динамический отклик слоистых сред на ударное нагружение (на примере автомобильных дорог)

Введение. Основным способом оценки несущей способности дорожных конструкций (представляющих собой слоистую среду, состоящую из материалов разной жесткости) является испытание установками ударного нагружения. Анализ результатов этих испытаний сводится к рассмотрению только пиковых значений вертикальных перемещений без учета изменения этих параметров в частотном и временном диапазоне. Вместе с тем именно изучение амплитудно-частотных характеристик перемещений может позволить решить ряд актуальных проблем, связанных, например, с приведением фактических значений вертикальных перемещений к значениям при проектных режимах работы конструкции.

Целью исследования является анализ динамического отклика слоистых сред (дорожных конструкций) автомобильных дорог на ударное нагружение, направленный на приведение фактических параметров динамического отклика к проектным значениям, регламентируемым требованиями отечественных нормативных документов по проектированию дорог.

Материалы и методы. Современные установки ударного нагружения позволяют воспроизводить нагрузку со временем импульса 0,03 с, в то время как проектные значения модулей упругости рассчитаны для 0,1 с. Для преодоления этого противоречия авторами было реализовано точное решение динамического уравнения Ламе для многослойного полупространства, и построен ряд амплитудно-частотных характеристик перемещений, на основе обработки которых была выведена упрощенная функциональная зависимость.

Результаты исследования. Разработана методика построения амплитудно-частотных характеристик перемещений на поверхности дорожной одежды при ударном воздействии, которая находит свое практические применение. На основе точного решения динамического уравнения Ламе путем статистической обработки установлена упрощенная регрессионная зависимость для приведения вертикальных перемещений. Представлен пример расчета модулей упругости слоев дорожной конструкции с учетом их приведения в зависимости от времени приложения нагрузки.

Обсуждение и заключения. В рамках исследования впервые получена методика приведения фактических значений вертикальных перемещений к значениям при проектных режимах работы дорожной конструкции, целиком базирующаяся на расчетном анализе ее динамического НДС, в частности, амплитудно-частотной характеристике деформирования при нестационарном воздействии. Разработанный подход способен значительно повысить достоверность диагностики состояния автомобильных дорог, а также обеспечить единство измерений и результатов, получаемых при проектировании и диагностике дорог.

1. Кузнецов Ю.В., Мордвин С.С., Макаров Е.Н., Криушин П.А. Проблемы оценки прочности современных дорожных одежд. Наука и техника в дорожной отрасли. 2017;(2):37–40.

2. Мордвин С.С. Влияние температуры дорожной одежды на величину динамического прогиба. Наука и техника в дорожной отрасли. 2010;(2):31–34.

3. Кузнецов Ю.В., Мордвин С.С. Оценка прочности дорожной одежды динамическим нагружением. Транспортное строительство. 2010;(2):15–17.

4. Pratelli C., Betti G., Giuffrè T., Marradi A. Preliminary In-Situ Evaluation of an Innovative, Semi-Flexible Pavement Wearing Course Mixture Using Fast Falling Weight Deflectometer. Materials. 2018;11(4):611. https://doi.org/10.3390/ma11040611

5. Manosalvas-Paredes M., Navarro Comes A., Francesconi M., Khosravifar S., Ullidtz P. Fast Falling Weight Deflectometer (FastFWD) for Accelerated Pavement Testing (APT). In book: Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields, 1st edition. London: CRC Press; 2017. 394 p. https://doi.org/10.1201/9781315100333

6. Chou C.P., Lin Y.C., Chen A.C. Temperature Adjustment for Light Weight Deflectometer Application of Evaluating Asphalt Pavement Structural Bearing Capacity. Transportation Research Record. 2017;2641(1):75–82. https://doi.org/10.3141/2641-10

7. Damnjanovic I., Zhang Z. Determination of Required Falling Weight Deflectometer Testing Frequency for Pavement Structural Evaluation at the Network Level. Journal of transportation engineering. 2006;132(1). https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-947X(2006)132:1(76)

8. Deng Y., Luo X., Zhang Y., Lytton R. Determination of Complex Modulus Gradients of Flexible Pavements Using Falling Weight Deflectometer and Artificial Intelligence. Materials and Structures. 2020;53(4):100. https://doi.org/10.1002/stc.2671

9. Khan Z.H., Tarefder R.A., Hasan M.A. Field Characterization of Pavement Materials using Falling Weight Deflectometer and Sensor Data from an Instrumented Pavement Section. Transportation Research Record. 2020;2674(4):036119812091192. https://doi.org/10.1177/0361198120911926

10. Ingrassia L.P., Cardone F., Ferrotti G., Canestrari F. Monitoring the Evolution of the Structural Properties of Warm Recycled Pavements with Falling Weight Deflectometer and Laboratory Tests. Road Materials and Pavement Design. 2021;22(1):S69-S82. http://dx.doi.org/10.1080/14680629.2021.1906302

11. Bech N. Use of Falling Weight Deflectometer Testing in the Pavement ME AC/AC Overlay Design Procedure. Master's Thesis. University of Pittsburgh; 2018. 375 p.

12. Sullivan B., Rickards I., Yousefdoost S. Interconversion of Laboratory Measured Modulus Results to Feld Modulus and Strain. In: Proceedings of the AAPA International Flexible Pavements Conference. Brisbane; 2013.

13. Ворович И.И., Бабешко В.А., Пряхина О.Д. Динамика массивных тел и резонансные явления в деформируемых средах. Москва: Научный мир; 1999. 220 с.

14. Бабешко В.А., Глушков Е.В., Зинченко Ж.Ф. Динамика неоднородных линейно-упругих сред. Москва: Наука; 1989. 344 с.

15. Илиополов С.К., Селезнев М.Г., Углова Е.В. Динамика дорожных конструкций. Монография. Ростовна-Дону: Издательство Ростовского государственного строительного университета; 2002. 258 с.

16. Grundmann H., Lieb M., Trommer E. The Response of a Layered Half-space to Traffic Loads Moving Along its Surface. Archive of Applied Mechanics. 1999;69:55–67. https://doi.org/10.1007/s004190050204

17. Xu Q., Prozzi J.A. A Time-domain Finite Element Method for Dynamic Viscoelastic Solution of Layered-half-space Responses under Loading Pulses. Computers and Structures. 2015;160:20–39. http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruc.2015.07.005

18. Schanz M. Poroelastodynamics: Linear Models, Analytical Solutions, and Numerical Methods. Applied Mechanics Reviews. 2009;62(3): 030803. http://dx.doi.org/10.1115/1.3090831

19. Углова Е.В., Тиратурян А.Н., Ляпин А.А. Комплексный подход к исследованию характеристик динамического деформирования на поверхности нежестких дорожных одежд с использованием методов неразрушающего контроля. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016;(2):111–130. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.2.08

20. Tiraturyan A.N., Uglova E.V., Nikolenko D.A., Nikolenko M.A. Model for Determining the Elastic Moduli of Road Pavement layers. Magazine of Civil Engineering. 2021;3:10308. https://doi.org/10.34910/MCE.103.8

21. Lyapin A.A., Parinov I.A., Buravchuk N.I., Cherpakov A.V., Shilyaeva O.V., Guryanova O.V. Improving Road Pavement Characteristics: Applications of Industrial Waste and Finite Element Modelling. Cham: Springer Nature; 2020. 236 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-59230-1

22. Uglova E., Tiraturyan A. Calculation of the Damping Factors of the Flexible Pavement Structure Courses According to the In-place Testing Data. Procedia Engineering. 2017;187:742–748. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.431