Моделирование взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом

Введение. Вибрационные катки являются наиболее распространенным средством уплотнения грунтов в строительстве. Характер развития напряжений на поверхности контакта вальца с грунтом зависит от технических характеристик вибрационного катка (массы вальца, массы рамы вальца, частоты и вынуждающей силы колебаний, количества и характеристик амортизаторов вальца) и свойств грунта.

Материалы и методы. Моделирование взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом осуществлялось с использованием трехмассной реологической модели системы «рама – валец – грунт». Дифференциальные уравнения движения масс в режимах контакта и отрыва от грунта решались численно. Для определения численных значений времени нагружения (увеличения контактных напряжений от нуля до максимального значения) и времени разгрузки (уменьшения контактных напряжений от максимального значения до нуля), а также максимальной силы реакции грунта на реологической модели был проведен вычислительный эксперимент. В качестве независимых параметров вибрационного катка использовалась масса вибровальцового модуля (масса, приходящаяся на переднюю ось) и относительная вынуждающая сила. В качестве независимых параметров грунта были выбраны коэффициенты упругого и вязкого сопротивления грунта. Общее количество сочетаний факторов равнялось 192. Значения времени нагружения и разгрузки грунта, а также максимальной силы реакции грунта определялись по осциллограммам изменения силы реакции грунта во времени.

Результаты. С использованием программы STATISTICA получены уравнения регрессии для расчета численных значений времени нагружения и разгрузки грунта, а также максимальной силы реакции грунта и соответствующие значения коэффициентов достоверности множественной аппроксимации.

Обсуждение и заключение. Реологическая модель воспроизводит асимметричный характер изменения контактных напряжений при уплотнении грунта вибрационным катком, наблюдающимся в экспериментальных осциллограммах напряжений, полученных при полевых экспериментальных исследованиях. Полученные результаты имеют большое значение для расчета глубины распространения напряжений в грунте и распределения напряжений в грунте после прохода вибрационного катка с использованием волнового подхода к описанию распространения напряжений в грунте. В дальнейшем целесообразно проведение вычислительного эксперимента с расширенным перечнем независимых параметров катка, включающих частоту колебаний.

1. Тюремнов И.С., Игнатьев А.А. Уплотнение грунтов вибрационными катками: монография. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2012. 140 с.

2. Тюремнов И.С., Филатов И.С., Игнатьев А.А. Обзор рекомендаций производителей по использованию вибрационных катков для уплотнения грунта // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2014. № 2(33). С. 155–162. https://pnu.edu.ru/vestnik/pub/articles/1961/

3. Русаков И.Г., Харкевич А.А. Вынужденные колебания системы, ударяющейся об ограничитель // Журнал технической физики. 1942. Вып. XII, № 11–12. С. 715–721.

4. Попов Г.Н. Выбор параметров прицепных вибрационных катков для уплотнения грунтовых оснований // Тр. ЛПИ. 1972. Вып. 321. С. 114–119.

5. Liu L. et al. Nonlinear Dynamics of the Rigid Drum for Vibratory Roller on Elastic Subgrades // Shock Vib. 2021. Vol. 2021. P. 1–9. doi:10.1155/2021/9589230

6. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Серебренников В.С. Влияние массы вертикального пригруза на амплитуду колебаний вибровальца и виброзащиту рамы дорожного катка // Строительные и дорожные машины. 2019. № 9. С. 30–36.

7. Siminiati D., Hren D. Simulation on vibratory roller-soil interaction // Adv. Eng. 2008. Vol. 2, № 1. P. 111–120.

8. Anderegg R., Von Felten D.A., Kaufmann K. Compaction monitoring using intelligent soil compactors // GeoCongress 2006 Geotech. Eng. Inf. Technol. Age. Atlanta, 2006. Vol. 2006, № Jönsson. P. 41.

9. Шабанова Г.И., Савельев С.В., Бурый Г.Г. Математическое описание колебательной системы «вибрационный рабочий орган – грунт» // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2013. № 3(31). С. 102–107. https://www.elibrary.ru/download/elibrary_19032661_60709817.pdf

10. Briaud J.L., Seo J. Intelligent compaction: Overview and Research Needs // Texas A&M Univ. 2003. P. 1–84.

11. Hashimoto T., Fujino K., Tateyama K. Suggestion of the ground stiffness estimative method with the running speed of a plate compactor // ISARC 2016 – 33rd Int. Symp. Autom. Robot. Constr. 2016. № Isarc. P. 421–427. DOI 10.22260/isarc2016/0051

12. Susante P., Mooney M. Capturing Nonlinear Vibratory Roller Compactor Behavior through Lumped Parameter Modeling // J. Eng. Mech. 1996. P. 684–693. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2008)134:8(684)

13. Li S., Hu C. Study on Dynamic Model of Vibratory Roller – Soil System // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2018. Vol. 113, № 1. P. 1-5. (doi:10.1088/1755-1315/113/1/012187)

14. Cao Y.-W. et al. Research on the correlation between vibration acceleration of roller and compaction degree of subgrade soil // ICCTP 2010: Integrated Transportation Systems: Green, Intelligent, Reliable – Proceedings of the 10th International Conference of Chinese Transportation Professionals. 2010. Vol. 382. P. 2974–2982. DOI: 10.1061/41127(382)316

15. Шишкин Е.А., Смоляков А.А. Обоснование способа регулирования контактного усилия вибрационного вальца с уплотняемым материалом // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 1(53). С. 36–42. DOI: 10.22281/2413-9920-2021-07-02-184-189

16. Bratu P., Tonciu O., Nițu M.C. Modeling the Vibratory Compaction Process for Roads // Buildings. 2023. Vol. 13, № 11. P. 1–12. https://doi.org/10.3390/buildings13112837

17. Shi M. et al. Effective compaction power index for real-time compaction quality assessment of coarsegrained geomaterials: Proposal and comparative study // Constr. Build. Mater. 2022. Vol. 321. P. 126375. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126375

18. Pietzsch D., Poppy W. Simulation of soil compaction with vibratory rollers // J. Terramechanics. 1992. Vol. 29, № 6. P. 585–597. doi:10.1016/0022-4898(92)90038-L

19. Shen P. Dynamic characteristics of the intelligent compactor model with adjustable vibration modes // Proc. 2nd Int. Conf. Transp. Eng. ICTE 2009. 2009. P. 2322–2327. doi:10.1061/41039(345)384

20. Михеев В.В., Савельев С.В. Математическая модель уплотнения упруговязкопластичной грунтовой среды при взаимодействии с рабочим органом дорожной машины в рамках модифицированного подхода сосредоточенных параметров // Вестник СибАДИ. 2017; (2(54)): 28–36. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2017-2(54)-28-36

21. Nguyen V. et al. Vibration Analysis and Modeling of an Off-Road Vibratory Roller Equipped with Three Different Cab’s Isolation Mounts // Shock Vib. 2018. Vol. 2018. P. 1–17 (doi:10.1155/2018/8527574)

22. Pistrol J. et al. Consideration of the Variable Contact Geometry in Vibratory Roller Compaction // Infrastructures. 2023. Vol. 8, № 7. P. 1–15. https://doi.org/10.3390/infrastructures8070110

23. Lu Y. et al. Research on vibratory & oscillatory coexistence nonlinear dynamics based on drumsubgrade coupling model // Int. J. Non. Linear. Mech. 2023. Vol. 157. P. 104536. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2023.104536

24. Baidya D.K., Muralikrishna G., Pradhan P.K. Investigation of foundation vibrations resting on a layered soil system // J. Geotech. Geoenviron. Eng. 2006. № 132(1). P. 116–123.

25. Gazetas G. Analysis of machine foundations: State of the art // Int. J. Soil Dyn. Earthq. Eng. 1983. № 2(1). P. 2–42.

26. Lysmer J., Richart F.E. Dynamic response of footings to vertical loading // J. Soil Mech. Found. Div. 1966. № 92(1). P. 65–91.

27. Dobrescu C. The dynamic response of the vibrating compactor roller, depending on the viscoelastic properties of the soil // Appl. Syst. Innov. 2020. Vol. 3, № 2. P. 1–10. DOI: 10.3390/asi3020025

28. Dobrescu C. Comparative Analysis of the Voigt–Kelvin and Maxwell Models in the Compaction by Vibration Process // Springer Proc. Phys. Springer International Publishing, 2021. № 251. P. 359–366. doi:10.1007/978-3-030-54136-1_36

29. Tyuremnov I.S., Morev A.S., Furmanov D.V. On the justification of the value of the apparent mass of soil in rheological modeling of the process of soil compaction by a vibrating roller // J. Phys. Conf. Ser. 2019. Vol. 1260, № 11. P. 1–11. DOI: 10.1088/1742-6596/1260/11/112033

30. Adam D., Kopf F. Operational Devices for Compaction Optimization and Quality Control (Continuous Compaction Control & Light Falling Weight Device) // Proc. Int. Semin. Geotech. Pavement Railw. Des. Constr. Athens, Greece. 2004. P. 97–106.

31. Тюремнов И.C., Иванов С.Н., Краюшкин А.С. Результаты экспериментальных исследований ускорений колебаний вибровальца катка DM-617 с использованием технологии цифровой обработки сигнала // Вестник СибАДИ. 2020;17(2):182–195. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-17-2-182-195

32. Tyuremnov I.S., Krayushkin A.S. Digital Signal Processing in Studying the Vertical Accelerations of the Vibratory Roller Frame // AIP Conf. Proc. 2022. Vol. 2486, № November. P. 1–8. DOI: 10.1063/5.0106479 33. Тюремнов И.С., Игнатьев А.А., Филатов И.С. Статистический анализ технических характеристик грунтовых вибрационных катков // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2014. № 3(34). С. 81–88. https://vestnik.pnu.edu.ru/vestnik/pub/articles/1987/

33. Tyuremnov I.S., Furmanov D.V. Experimental studies of stresses in soil affected by a vibratory roller // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1546, № 1. DOI: 10.1088/1742-6596/1546/1/012144, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1546/1/012144/pdf