СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПРИМЕРЕ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Аннотация


Рассматривается актуальная проблема совершенствования метода неразрушающего контроля состояния нежестких дорожных одежд. В дополнение к разработанному ранее подходу к определению механических параметров материалов конструктивных слоев нежестких дорожных одежд на основе решения обратной коэффициентной задачи о восстановлении эксплуатационных модулей упругости, обеспечивающих заданные поля смещений, был разработан подход, позволяющий определять пара- метры рассеяния энергии в структуре многослойной дорожной одежды на основе корректировки дина- мических петель гистерезиса, регистрируемых в полевых условиях и рассчитываемых с использовани- ем математической модели динамического НДС. Приведены результаты численного моделирования динамических петель гистерезиса для двух различных вариантов многослойных конструкций. Показаны возможности корректировки формы петель гистерезиса и их площади путем варьирования тангенсов углов потерь энергии в слоях многослойной среды и модуля упругости однородного полупространства. Комплексная корректировка значений модулей упругости конструктивных слоев дорожных одежд и расчетных петель динамического гистерезиса позволила полностью учесть процессы затухания энергии на удалении от точки приложения нагрузки. В ходе корректировки было установлено, что значения модулей упругости слоев дорожной одежды и тангенсов углов потерь в них оказывают комплексное влияние на площади динамических петель гистерезиса и характера затухания энергии на удалении от точки приложения нагрузки. При этом в наибольшей степени на площадь динамических петель гистере- зиса влияние оказывает модуль упругости подстилающего полупространства, не ограниченного по толщине (что привело к увеличению модуля упругости подстилающего полупространства со 120 и 150 МПа для вариантов дорожной конструкции с укрепленным и неукрепленным основанием до 170 и 160 МПа соответственно), а уменьшение рассеиваемой энергии на удалении от точки приложения нагрузки связано, в первую очередь, с тангенсом угла потерь энергии в полупространстве. Полученные значения тангенсов углов потерь, очевидно, связаны с закономерностями рассеяния энергии на границах контак- тирующих слоев дорожной одежды, а также учитывают все возможные аномалии и расслоения в рас- считываемых конструкциях В рамках данной статьи впервые получены расчетные петли гистерезиса на поверхности дорожной одежды, рассчитана энергия деформирования, исходя из их площадей, и дока- зана возможность их сопоставления с зарегистрированными экспериментально.

Полный текст

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.

Об авторах

А. Н. Тиратурян

Донской государственный технический университет

А. А. Ляпин

Донской государственный технический университет

Е. В. Углова

Донской государственный технический университет

Список литературы

  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.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 123

PDF (Russian) - 113

Cited-By


PlumX


© Тиратурян А.Н., Ляпин А.А., Углова Е.В., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах