IMPROVEMENT OF THE NON-DESTRUCTIVE METHOD FOR DETERMINING THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF ELEMENTS OF MULTILAYER STRUCTURES ON THE EXAMPLE OF PAVEMENTS

Abstract


The article is devoted to solving the urgent problem of improving the method of nondestructive testing of the condition of non-rigid road clothes. In addition to the previously developed approach to determining the mechanical parameters of materials of structural layers of nonrigid road coverings based on solving the inverse coefficient problem of restoring operational elastic modules providing specified displacement fields, an approach was developed that allows determining the parameters of energy dissipation in the structure of multilayer road pavement based on the correction of dynamic hysteresis loops recorded in the field and calculated using mathematical model of dynamic VAT. The article presents the results of numerical simulation of dynamic hysteresis loops for two different variants of multilayer structures. The possibilities of correcting the shape of hysteresis loops and their area by varying the tangents of the energy loss angles in layers of a multilayer medium and the elastic modulus of a homogeneous half-space are shown. The complex correction of the elastic modulus values of the structural layers of road clothes and the calculated loops of dynamic hysteresis made it possible to fully take into account the processes of energy attenuation at a distance from the point of application of the load. During the correction, it was found that the values of the elastic modulus of the road layers and the tangents of the loss angles in them have a complex effect on the areas of dynamic hysteresis loops and the nature of energy attenuation at a distance from the point of application of the load. At the same time, the elastic modulus of the underlying half-space is not limited in thickness to the greatest extent on the area of dynamic hysteresis loops (which led to an increase in the elastic modulus of the underlying half-space from 120 and 150 MPa for road construction variants with a reinforced and non-reinforced base to 170 and 160 MPa, respectively), and a decrease in the dissipated energy at a distance from the point of application This is primarily due to the tangent of the angle of energy loss in the half-space. The obtained values of the tangents of the loss angles are obviously related to the patterns of energy dissipation at the boundaries of the contacting layers of the pavement, and also take into account all possible anomalies and delaminations in the calculated structures. Within the framework of this article, calculated hysteresis loops on the surface of the pavement were obtained for the first time, the deformation energy was calculated based on their areas, and the possibility of their comparison with those registered experimentally was proved.

Full Text

Многослойные среды находят широкое распростра- нение в инженерной и строительной практике. Одним из часто встречающихся видов многослойных сред яв- ляются дорожные одежды на автомобильных дорогах. Дорожная одежда – один из наиболее ответственных и дорогостоящих элементов автомобильной дороги, призванных обеспечить как комфорт движения и безо- пасность пользователей автомобильной дороги, так и ее долговечность в пределах всего расчетного срока служ- бы. Как правило, они включают в себя слои асфальто- бетонного покрытия, слои основания, обработанного или не обработанного вяжущими материалами, а также слои из инертных материалов, выполняющие функции дополнительного слоя или рабочей зоны грунта земля- ного полотна. При деформировании слои дорожной одежды проявляют достаточно широкий спектр свойств, объединяющий механизмы упругого и вязко- упругого деформирования, что приводит к сложностям при оценке их состояния на этапе эксплуатации [1–3]. На данный момент основным методом неразрушающего контроля, применяемым на стадии эксплуатации и по- зволяющим оценить жесткостные свойства отдельных элементов, является метод «обратного» расчета, бази- рующийся на решении обратной коэффициентной зада- чи восстановления модулей упругости по замеренной в полевых условиях чаше упругих прогибов [4–8]. Дан- ный подход имеет как серьезные достоинства, опреде- лившие его широкое внедрение в мировой практике, но вместе с тем и определенные недостатки, связанные с некоторой идеализацией исследуемых сред. Главным достоинством данного метода является возможность получения конкретных расчетных механических пара- метров слоев дорожной конструкции, которые в даль- нейшем могут быть использованы для принятия про- ектных решений и расчетов усиления конструкций в рамках капитального ремонта [9–11]. К недостаткам можно отнести применение достаточно сложного мате- матического аппарата и неоднозначность способов пре- одоления некорректности задачи. К таким способам можно отнести численные итерационные методы типа Ньютона, Левенберга – Марквардта, генетические алго- ритмы [12–15]. В виде отдельного научного направле- ния в последние годы выделилось применение искусст- венных нейронных сетей [16–19], однако здесь перво- очередной проблемой является адекватность и полнота данных, на которых происходит их обучение. Поэтому, резюмируя вышесказанное, следует отметить, что, на наш взгляд, дальнейшее развитие данного класса мето- дов должно базироваться на более полном учете физи- ческой природы механизмов деформирования конст- руктивных слоев под воздействием нагрузок. Это при- водит к заключению, что наряду с модулями упругости очевидна необходимость восстановления и параметров потерь энергии деформирования [20–23], что в рамках реализованных на данный момент методов не представ- ляется возможным. Исходя из этого целью данной ра- боты является разработка метода определения парамет- ров упругости и потерь отдельных конструктивных сло- ев дорожных одежд, по замеренным в полевых условиях петлях динамического гистерезиса.

About the authors

A. N. Tiraturyan

Don State Technical University

A. A. Lyapin

Don State Technical University

E. V. Uglova

Don State Technical University

References

  1. Asphalt pavement design optimisation: A case study using viscoelastic continuum damage theory / L.D. Bueno [et al.] // International Journal of Pavement Engineering. – 2022. – Vol. 23, no. 4. – P. 1070–1082.
  2. Shojaeifard M., Baghani M., Shahsavari H. Rutting investigation of asphalt pavement subjected to moving cyclic loads: An implicit viscoelastic–viscoplastic–viscodamage FE framework // International Journal of Pavement Engineering. – 2020. – Vol. 21, no. 11. – P. 1393–1407.
  3. Gkyrtis K., Armeni A., Loizos A. A mechanistic perspective for airfield pavements evaluation focusing on the asphalt layers’ behaviour // International Journal of Pavement Engineering. – 2021. – P. 1–14.
  4. Determination of complex modulus gradients of flexible pavements using falling weight deflectometer and artificial intelligence / Y. Deng [et al.] // Materials and Structures. – 2020. – Vol. 53, no. 4. – P. 1–17.
  5. 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. – Vol. 2674, no. 4. – P. 205–221.
  6. Prediction of critical responses in full-depth asphalt pavements using the falling weight deflectometer deflection basin parameters / B. Park [et al.] // Construction and Building Materials. – 2022. – Vol. 318. – P. 126019.
  7. White G. Use of falling weight deflectometer for airport pavements // Civil Infrastructures Confronting Severe Weathers and Climate Changes Conference. – Springer, Cham, 2018. – P. 119–133.
  8. Monitoring the evolution of the structural properties of warm recycled pavements with Falling Weight Deflectometer and laboratory tests / L.P. Ingrassia [et al.] // Road Materials and Pavement Design. – 2021. – Vol. 22, no. sup1. – P. S69–S82.
  9. Bodin D., Jameson G. Strategy for an improved mechanistic- empirical flexible pavement treatment design. – 2021. – № AP-R650-21.
  10. Characterizing Existing Asphalt Concrete Layer Damage for Mechanistic Pavement Rehabilitation Design / D. Ayyala [et al.] // United States. Federal Highway Administration, 2018. – № FHWA-HRT-17-059.
  11. Prediction of back-calculated layer moduli using cuckoo search algorithm for pavement asset management at a network level / V. Chundi [et al.] // Innovative Infrastructure Solutions. – 2021. – Vol. 6, no. 3. – P. 1–15.
  12. Bazi G., Assi T.B. Asphalt concrete master curve using dynamic backcalculation // International Journal of Pavement Engineering. – 2022. – Vol. 23, no. 1. – P. 95–106.
  13. Öcal A., Pekcan O. Cuckoo Search Based Backcalculation Algorithm for Estimating Layer Properties of Full- Depth Flexible Pavements // Applications of cuckoo search algorithm and its variants. – Springer, Singapore, 2021. – P. 229–252.
  14. Raposo S., Rowe G. Falling Weight Deflectometer Tests Back-Analysis Using Levenberg-Marquartd Optimization // Airfield and Highway Pavements 2019: Innovation and Sustainability in Highway and Airfield Pavement Technology. – Reston, VA: American Society of Civil Engineers, 2019. – P. 313–321.
  15. Back-calculation of elastic modulus of high liquid limit clay subgrades based on viscoelastic theory and multipopulation genetic algorithm / J. Zhang [et al.] // International Journal of Geomechanics. – 2020. – Vol. 20, no. 10. – P. 04020194.
  16. Zhang X., Otto F., Oeser M. Pavement moduli backcalculation using artificial neural network and genetic algorithms // Construction and Building Materials. – 2021. – Vol. 287. – P. 123026.
  17. Elshamy M.M.M., Tiraturyan A.N. Using application of an artificial neural network system to backcalculate pavement elastic modulus // Russian Journal of Building Construction and Architecture. – 2020. – No. 2. – P. 84–93.
  18. Development of the non-destructive monitoring methods of the pavement conditions via artificial neural networks / M.M.M. Elshamy [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2020. – Vol. 1614, no. 1. – P. 012099.
  19. Comparison of feed-forward, cascade-forward, and Elman algorithms models for determination of the elastic modulus of pavement layers / M.M.M. Elshamy [et al.] // 2021 4th International Conference on Geoinformatics and Data Analysis. – 2021. – P. 46–53.
  20. Tiraturyan A.N., Uglova E.V., Lyapin A.A. An energy method for determining the residual resource of nonrigid road pavements at the stage of operation // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2020. – Vol. 56, no. 10. – P. 864–872.
  21. Energy analysis for evaluating durability of porous asphalt mixture / W. Huang [et al.] // Construction and Building Materials. – 2022. – Vol. 326. – P. 126819.
  22. Viscoelastic fatigue damage properties of asphalt mixture with different aging degrees / S. Lv [et al.] // KSCE Journal of Civil Engineering. – 2018. – Vol. 22, no. 6. – P. 2073–2081.
  23. Liu H., Luo R. Development of failure criterion and fatigue model to characterize the fatigue resistance of asphalt binders under controlled-stress time sweep tests // Materials and Structures. – 2020. – Vol. 53, no. 1. – P. 1–12.
  24. Vorovich, I., Babeshko, V., Pryakhina, O. Dynamics of massive bodies and resonance phenomena in deformable media. – 1999.
  25. Babeshko V.A. Dynamics of inhomogeneous linearly elastic media. The science. Ch. ed. Phys.-Math. lit. – 1989.
  26. Deblois K., Bilodeau J.P., Dore G. Use of falling weight deflectometer time history data for the analysis of seasonal variation in pavement response // Canadian Journal of Civil Engineering. – 2010. – Vol. 37, no. 9. – P. 1224–1231.
  27. Structural assessment of asphalt pavement condition using backcalculated modulus and field data / H. Wang [et al.] // Construction and Building Materials. – 2019. – Vol. 211. – P. 943–951.
  28. Uglova E.V, Tiraturyan A.N., Lyapin A.A. Integrated approach to studying characteristics of dynamic deformation on flexible pavement surface using nondestructive testing // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2016. – No. 0(2). – P. 111–130.
  29. Model for determining the elastic moduli of road pavement layers / A.N. Tiraturyan, E.V. Uglova, D.A. Nikolenko, M.A. Nikolenko // Magazine of Civil Engineering. – 2021. – Vol. 103(3). Article No. 10308. doi: 10.34910/MCE.103.8
  30. Iliopolov S.K., Seleznev M.G., Uglova E.V. Dynamics of road structures: monograph. – Rostov-on-Don: Publishing house of Rostov State University of Civil Engineering, 2002. – 258 p.

Statistics

Views

Abstract - 189

PDF (Russian) - 137

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Tiraturyan A.N., Lyapin A.A., Uglova E.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies