Особенности режимов взаимодействия вальца вибрационного катка с поверхностью грунта

Введение. Для механизации уплотнения грунтов в дорожном строительстве широкое применение получили вибрационные катки. В связи с высокими значениями вынуждающей силы, генерируемой вибровозбудителем, вибрационный валец катка совершает колебания с периодическим отрывом от грунта. Исследование особенностей данных режимов колебаний имеет большое значение при обосновании технических характеристик вибрационных грунтовых катков при проектировании.

Материалы и методы. В работе представлена трёхмассная реологическая модель системы «рама-валец-грунт» с деформируемым вальцом. Масса грунта равнялась 20% массы вальца. Свойства грунта моделировалась схемой Фойгта. Реологическая модель позволяет воспроизводить различные режимы взаимодействия вальца с грунтом: без отрыва и с различными видами отрыва от грунта.

Результаты. На основании результатов вычислительного эксперимента с тестовыми вибрационными катками установлены характерные особенности колебаний вальца и рамы катка, а также изменения контактной силы и продолжительности нагружения и разгрузки грунта при реализации режимов колебаний «постоянный контакт», «частичный отрыв», «двойной прыжок» и колебаний кратности 2. Обоснована целесообразность разработки перспективных грунтоуплотняющих машин, функционирующих в режиме колебаний кратности 2 и обладающих увеличенной уплотняющей способностью за счет реализации контактной силы существенно большей, чем вынуждающая сила установленного вибровозбудителя колебаний при сравнительной высокой продолжительности действия контактной силы, что обеспечивает повышение глубины распространения напряжений и, соответственно, толщины уплотняемого слоя грунта.

Обсуждение и заключение. В работе уточнены критерии отнесения реализуемых режимов колебаний к режимам «постоянный контакт», «частичный отрыв», «двойной прыжок» и колебаний кратности 2. Также представлены новые данные по значениям продолжительности нагружения и разгрузки грунта при реализации различных режимов колебаний вальца вибрационного катка, что имеет большое значение при определении глубины распространения напряжений и уплотнения грунта на глубине.

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

2. Anderegg R., Dominik von Felten A., Kaufmann K. Compaction monitoring using intelligent soil compactors // GeoCongress 2006: Geotechnical Engineering in the Information Technology Age. 2006. № Jönsson (2006): P. 41.

3. Шишкин Е.А., Савкин Е.А., Смоляков А.А. Обоснование способа регулирования контактного усилия вибрационного вальца с уплотняемым материалом // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 1(53): 36–42. Https://doi.org/10.18324/2077-5415-2022-1-36-42

4. Pistrol J., Hager M., Kopf F., Adam D. Consideration of the Variable Contact Geometry in Vibratory Roller Compaction // Infrastructures. 2023. № 110(8): 1–15. https://doi.org/10.3390/infrastructures8070110

5. 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): 102–107. https://www.elibrary.ru/download/elibrary_19032661_60709817.pdf

6. Susante P., Mooney M. Capturing Nonlinear Vibratory Roller Compactor Behavior through Lumped Parameter Modeling // Journal of Engineering Mechanics. 1996. P. 684–693. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(2008)134:8(684)

7. 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: 60–67. Https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-26-60-67

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

9. 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

10. Dobrescu C. The dynamic response of the vibrating compactor roller, depending on the viscoelastic properties of the soil // Applied System Innovation. 2020. № 2 (3): 1-10. Https://doi.org/10.3390/asi3020025

11. Dobrescu C. Comparative Analysis of the Voigt–Kelvin and Maxwell Models in the Compaction by Vibration Process // Springer Proceedings in Physics. 2021. № 251: 359–366. https://doi.org/10.1007/978-3-030-54136-1_36

12. Lu Y., Liu J., Zhang J., Wang J. Research on vibratory & oscillatory coexistence nonlinear dynamics based on drum-subgrade coupling model // International Journal of Non-Linear Mechanics. – 2023. Vol. 157: 104536. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2023.104536

13. Adam D., Kopf F. Operational Devices for Compaction Optimization and Quality Control (Continuous Compaction Control & Light Falling Weight Device) // Proceedings of the International Seminar on Geotechnics in Pavement and Railway Design and Construction, Athens, Greece. 2004. P. 97–106.

14. Adam D., Pistrol J. Dynamic roller compaction for earthworks and roller-integrated continuous compaction control : State of the art overview and recent developments // Conf. di Geotec. di Torino, XXIV Ciclio. 2016. № Ccc. P. 1–41.

15. Anderegg R., Kaufmann K. Intelligent Compaction with Vibratory Rollers: feedback control systems in automatic compaction and compaction control. // Transportation Research, Record No. 1868. Washington D. C. 2004. Р. 124–134.

16. 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 // Journal of Physics: Conference Series, Omsk, 23–24 апреля 2019 года. Vol. 1260, 11. – Omsk: Institute of Physics Publishing, 2019. P. 112033. Https://doi.org/10.1088/1742-6596/1260/11/112033

17. Тюремнов И.С. Исследование влияния динамических характеристик вибрационного катка на особенности взаимодействия элементов системы «рама-валец-грунт» // Вестник СибАДИ. 2025; 22(3):396–416. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2025-22-3-396-416

18. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Серебренников В.С. Аналитический метод исследования вертикальных перемещений вибровальца дорожного катка при уплотнении материалов и грунтов // Строительные и дорожные машины. 2019. № 7. С. 13–18.

19. Савельев С.В., Михеев В.В., Белодед А.С. Математическая модель процесса динамического деформирования уплотняемой упруго вязкой пластичной среды // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2016. № 3(49): 99–105. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2016-3(49)-99-105

20. Носов С.В. Математическое моделирование динамики наземных транспортно-технологических средств при взаимодействии с деформируемым опорным основанием : монография. Липецк : Липецкий государственный технический университет, 2016. 164 с.

21. Mooney M., Rinehart R., Facas N., Musimbi O., White D. [и др.]. Intelligent Soil Compaction Systems. NCHRP Report 676 Washington, D.C.: Transportation Research Board, 2010. 178 p. http://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/nchrp/nchrp_rpt_676.pdf

22. Tyuremnov I.S., Furmanov D.V. Experimental studies of stresses in soil affected by a vibratory roller // Journal of Physics: Conference Series : IV International Scientific and Technical Conference “Mechanical Science and Technology Update”, MSTU 2020, Omsk, 17–19 марта 2020 года. Vol. 1546. Omsk: Institute of Physics Publishing, 2020. P. 012144. Https://doi.org/10.1088/1742-6596/1546/1/012144.

23. Pistrol J., Hager M., Adam D., Kopf F., Theoretical and experimental investigation of continuous compaction control (CCC) systems, 17th Nordic Geotechn. Meet. Challeng. Nordic Geotechnic 25 (2016) 865–872. https://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_249454.pdf

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

25. Тюремнов И.С., Игнатьев А.А. Расчёт распределения напряжений в грунтах с линейным законом изменения плотности по глубине от динамической поверхностной нагрузки // Строительные и дорожные машины. 2013. № 1. С. 40–42.

26. Тюремнов И.С. О разработке методологии прогнозирования технологических возможностей ударно-вибрационных грунтоуплотняющих машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 9. С. 689–692. Https://doi.org/10.24412/2071-6168-2024-9-689-690

27. Brandl H., Adam D. Sophisticated continuous compaction control of soils and granular materials // Proc., XIVth Intl. Conf. Soil Mech. Found. Eng. Vol. 1, Sept. Hamburg, Ger. 1997. P. 31–36.

28. Fang Z. et al. Dynamical response to vibration roller compaction and its application in intelligent compaction // Autom. Constr. 2022. Vol. 142. P. 104473. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2022.104473.