Моделирование процесса взаимодействия вибровальца с деформируемым грунтом при уплотнении технологических слоёв автодороги

Введение. Статья посвящена моделированию процесса взаимодействия вибровальца с деформируемым грунтом при уплотнении технологических слоев автодороги. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения качества и долговечности земляного полотна автомобильных и железнодорожных дорог, что напрямую зависит от эффективности уплотнения грунтов.
Методы и материалы. Приводятся исследования с помощью метода математического моделирования колебательной системы «вибровалец катка – деформируемая среда». Система включает в себя взаимодействующие между собой элементы, обладающие жесткими и вязкими свойствами. Эти свойства соответствуют реологическим характеристикам рабочего органа катка и деформируемой им среды. Модель основана на системе дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих взаимодействие масс вибровальца и грунтовой среды с учетом их упруго-пластических и вязкостных свойств.
Результаты. Представлены впервые полученные зависимости коэффициента вязкого трения и жесткости деформируемого грунта от влияния внешней деформирующей силы. На основе этих данных решается система дифференциальных уравнений движения колеблющихся масс, позволяющая определить средние значения виброускорений в объеме уплотняемого грунта. Впервые предложена функциональная зависимость, уточняющая массу активно деформируемого грунта в зависимости от параметров вибрации, геометрических характеристик вальца и типа грунта.
Обсуждение и заключение. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования рациональной частоты колебаний вибровозбудителя и других режимных параметров дорожных катков, что способствует повышению эффективности транспортного строительства. Усовершенствованная математическая модель взаимодействия вибровальца катка с деформируемым грунтом даёт возможность определить величины виброускорений частиц деформируемого грунта. Результаты исследования могут быть использованы для повышения эффективности дорожно-строительной техники, в частности при проектировании дорожных катков.

1. Тюремнов И.С. Анализ технических характеристик различных типов ударно-вибрационных грунтоуплотняющих машин // Вестник СибАДИ. Т. 20, № 6(94). С. 706–716. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-706-716. EDN IGOKXE.

2. Шабанова Г.И.,СавельевС.В., Бурый Г.Г. Математическое описание колебательной системы «вибрационный рабочий орган – грунт» // Вестник СибАДИ. 2013. № 3(31). С. 102–107. EDN QAMUGF.

3. Fervers C.W. Improved FEM simulation model for tire–soil interaction // Journal of Terramechanics. 2004. Vol. 41. pp. 87−100.

4. Клигунова З.А.,Шишкин Е.А., Клигунов Е.С. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния грунта в процессе уплотнения дорожным катком // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2024. № 25. С. 67–72. DOI: https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-25-67-72. EDN SGRHRN

5. Шишкин Е.А., Смоляков А.А. Моделирование взаимодействия вибрационного вальца дорожного катка с уплотняемым грунтом // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2024. № 26. С. 60–67. DOI: https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-26-60-67. EDN LAOAAY.

6. Михеев В.В.,УгрюмовИ.А., Раздобарин Б.А. Принципы повышения эффективности уплотняющих дорожно-строительных машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 10. С. 663–668. DOI: https://doi.org/10.24412/2071-6168-2024-10-663-664. EDNASTIYX

7. FengJia, JieZhang, JianjunShen, LiangfanWu, SinuoMa. Compaction quality assessment of road subgrades using explainable deep graph learning framework // Computers and Geotechnics. 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106795.

8. Feng Jia, Fangtao Dong, Sinuo Ma, Jianjun Shen, Zhen Liu. Vibratory compaction characteristics of the subgrade under cyclical loading based on finite element simulation // Construction and Building Materials. 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135378.

9. Yuan Ma, Wei Lu, Ying-cheng Luan, Tao Ma, Chuan-le Wang. Research on global optimization mechanism of intelligent compaction parameters of soil subgrade based on difference method // Journal of Building Engineering. 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.108381.

10. Мотова М.И.,Шалфеев В.Д. От теории колебаний – к нелинейной динамике // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2014. Т. 22, № 1. С. 93–103. DOI: https://doi.org/10.18500/0869-6632-2014-22-1-93-103. EDNSWKELJ

11. QinwuXu, GeorgeK. Chang. Evaluation of intelligent compaction for asphalt materials // Automation in Construction. 2013. Pp. 104–112. DOI: https://doi.org/10.1016/j.autcon.2012.11.015

12. Ma Y. et al. Intelligent compaction: An improved quality monitoring and control of asphalt pavement construction technology // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2021. Т. 23. №. 9. Pp. 14875–14882.

13. Xu C. et al. Compaction of subgrade by highenergy impact rollers on an airport runway //Journal of performance of constructed facilities. 2014. Т. 28. №. 5. Pp. 04014021.

14. Stepien J, Chomicz-Kowalska A, Tutaj-Dudala M, Dudala M, Maciejewski K, Ramiaczek P, Iwanski MM. Influence of Compaction Methods on Properties of Roller-Compacted Concrete Pavement Wearing Surfaces. Materials. 2025; 18(3): 492. DOI: https://doi.org/10.3390/ma18030492.

15. Shi M. et al. Accelerated earth-rockfill dam compaction by collaborative operation of unmanned roller fleet //Journal of Construction Engineering and Management. 2022. Т. 148. № 7. Pp. 04022046.

16. Jiao Y. et al. A switched servo constraints control for the smart vibratory roller in unmanned compaction //Automation in Construction. 2023. Т. 152. Pp. 104883.

17. Савельев С.В., Сачук Ю.С., Литовченко Р.Е. Обоснование параметров вибрационного пневмошинного катка для уплотнения грунтов при строительстве автодорог // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2023. № 2(73). С. 33–39. EDN GYZEFE.

18. Jonsson, A. Modelling, simulation and experimental investigation of a rammer compactor machine // Department of Mechanical Engineering Blekinge Institute of Technology, Sweden, 2001. 24 p.

19. Зеленков Г.А.,Каратаева Н.Г. Математическое моделирование в процессе формирования профессиональных компетенций // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Т. 10, № 5-2. С. 76–79. EDN UHGVPF.

20. Савельев С.В.,МихеевВ.В., Сачук Ю.С. Эффективность использования вибрации в пневмошинных дорожных катках при устройстве автомобильных дорог // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 12. С. 640–644. DOI: https://doi.org/10.24412/2071-6168-2023-12-640-641. EDNXVSTAZ.

21. YaoY.P. etal. Research on a real-time monitoring platform for compaction of high embankment in airport engineering // Journal of Construction Engineering and Management. 2018. Т. 144. №. 1. С. 04017096.

22. Zhang X. et al. Algorithm for optimal path planning of impact roller in high-embankment airport // Japanese Geotechnical Society Special Publication. 2020. Т. 8. №. 5. С. 159–163.

23. Kuenzel R. et al. SmartSite: Intelligent and autonomous environments, machinery, and processes to realize smart road construction projects // Automation in Construction. 2016. Т. 71. pp. 21–33.

24. Вялов С.С. Некоторые проблемы механики грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1970. № 2. С. 10–13. EDN YTDLLN.

25. Тюремнов И.С.,Шорохов Д.А. Моделирование взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом // Вестник СибАДИ. 2024. Т. 21, № 2(96). С. 202–216. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-2-202-216. EDN BSOEFX.

26. Тюремнов И.С., ИгнатьевА.А., Филатов И.С. Статистический анализ технических характеристик грунтовых вибрационных катков // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2014. № 3(34). С. 81–88. EDNSTVNAD.

27. XuefeiWang, XiangdongLi, JialeLi, JianminZhang, GuoweiMa. Training strategy and intelligent model for in-situ rapid measurement of subgrade compactness // Automation in Construction. 2024. doi.org/10.1016/j.autcon.2024.105581.

28. Jianhua Li, Xuefei Wang, Jiale Li, Jianmin Zhang, Guowei Ma. A generative adversarial learning strategy for spatial inspection of compaction quality // Advanced Engineering Informatics. 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aei.2024.102791.

29. Савельев С.В. Повышение эффективности динамического уплотнения грунтов вибрационными катками при строительстве транспортных объектов // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. № 1. С. 229–236. EDN WZZQTH.

30. Novak M., Han, Y.C. Impedances of soil layer with boundary zone // Journal of Geotechnical Engineering. 1990. V.l 16. №6. P. 1008–1014.

31. Novak M., Mitwally H. Random response of offshore towers with pile-soil-pile interaction // Journal of Offshore Mechanics & Arctic Engineering, Transact. 1990. V.l 12. P. 35–41.

32. Савельев С.В., Литовченко Р.Е., Юрченко А.А. Параметры отпечатка контакта перспективного рабочего органа дорожного катка с опорной поверхностью при уплотнении дорожных материалов // Вестник СибАДИ. 2023; 20(4): 432–442. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-4-432-442. EDN: EETOYC

33. Mikheyev V.V. New type of vibration generator with vibratory force 326 oriented in preferred direction // Journal of Vibrational Engineering and Technologies. 2018. Vol. 6. No 2. pp. 149–154. DOI: https://doi.org/10.1007/s42417–018–0025–4.

34. Шишкин Е.А. Метод расчета фазового угла между вынуждающей силой вибровозбудителя и перемещением вальца // Вестник СибАДИ. 2024. Т. 21, № 3(97). С. 388–394. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-3-388-394. EDN HQAJCW

35. Савельев С.В., Потеряев И.К., Агаева О.А., Нигметова К.К. Моделирование взаимодействия вибрационных катков с уплотняемой средой в транспортном строительстве // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 9. С. 14–16. DOI: https://doi.org/10.24412/2071-6168-2024-9-14-15. EDN ZJBHPJ

36. Савельев С.В., ПотеряевИ.К., Раздобарин Б.А. Производительность дорожных катков при уплотнении земляных насыпей автодорог // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2024. № 3(150). С. 90–100. EDN SBIATO.

37. Савельев С.В., МихеевВ.В., Иванова Ю.П. К вопросу о повышении эффективности вибрационных дорожных катков // Строительные и дорожные машины. 2023. № 2. С. 12–14. EDN JAZJWP.

38. Речицкий А.С.,Речицкий С.В. Сравнительный анализ уплотнения дорожными катками с различными рабочими органами // Фундаментальные и прикладные вопросы транспорта. 2024. № 1(12). С. 79–85. DOI: https://doi.org/10.52170/2712-9195_2024_1_79. EDN FINDAC