Волновые поля в слоистых средах, составляющих дорожные конструкции, при натурных динамических воздействиях

Транспортные автомагистрали являются неотъемлемой частью современности и необходимым средством развития отечественной экономики. В условиях значительного увеличения интенсивности грузоперевозок, повышения грузоподъемности транспорта, скоростей его движения, особое значение имеет учет динамической составляющей нагружения автодорог. Её влияние на транспортно-эксплуатационное состояние автодорог, максимальный срок службы, на характеристики надежности конструкции в целом нельзя недооценивать. Кроме этого, транспортные магистрали являются сильнейшим источником техногенной вибрации и акустических шумов различного уровня, отрицательно влияющих на здоровье человека. Эти факторы необходимо учитывать, начиная со стадий проектирования, как самих магистралей, так и жилых зданий, наземных и подземных промышленных сооружений и коммуникаций, расположенных вблизи. При этом должны быть, безусловно, решены и экологические проблемы шумо и виброзащиты.

Решение комплекса описанных проблем эффективно выполнимо на основе комплексного исследования поведения автомагистралей при динамических воздействиях как теоретическими, так и экспериментальными методами. Учет особенностей генерации и распространения волновых полей движущимся транспортом, динамического характера нагружения возможен на основе методов механики деформируемого твердого тела с использованием математического аппарата, развитого для решения динамических смешанных и контактных задач. Именно последние достижения в этой области [16], [22] - [24], [31], [34], [46] - [48], [52], [60], [61], [67], [72], [75], [83], [90] позволили построить наиболее общую механико-математическую модель, адекватно отражающую основные особенности строения дорожной одежды и подстилающего грунта.

Фундаментальные теоретические исследования Ростовской школы механиков РГУ под руководством Воровича И. И, Бабешко В. А и их учеников позволили вплотную подойти к вопросам разработки и реализации модели, в которой учитывается строение дорожной одежды и подстилающего грунта наиболее близкое к реальному, с учётом пространственного характера ее напряженно-деформированного состояния при динамических воздействиях. Это модели, построенные и реализованные под руководством Илиополова С. К., Селезнева М. Г. и их учеников.

Система «дорожная одежда — грунт» реального строения является многопараметрической и позволяет строить механико-математические модели различных уровней [35], [36]. В наиболее общей постановке ее описывает пространственная динамическая задача механики сплошной среды. Дорожная конструкция представлена пакетом соединенных между собой слоев конечной толщины и ширины с плоскопараллельными границами. Она контактирует с грунтом, представляющим собой слоистое полупространство. Деформация всех элементов системы, учитывая уровень реального динамического воздействия движущегося транспорта, может описываться уравнениями динамической теории вязкоупругости [56]. При необходимости учета пористости материала, а также его обводненности, можно использовать модель гетерогенной среды, например модель Био [73]. Пространственная постановка задачи позволяет исследовать влияние скорости движения нагрузки на напряженно-деформированное состояние конструкции. Однако решение такой задачи связано с большими трудностями как математического, так и технического, вычислительного характера. В настоящее время разработка и практическая реализация метода исследования пространственной задачи, анализ ее решения и выделение диапазона применимости, а также степени точности моделей более низкого уровня практически завершены [36]. К моделям следующего, более низкого уровня, следует отнести плоскую модель и модель неограниченного многослойного полупространства. Первая основана на использовании краевой задачи теории вязко упругости в плоской постановке и позволяет достаточно точно учесть реальное строение конструкции в сечении. Наличие отработанных методов и программных комплексов для построения решения дает ей существенные преимущества. Основным недостатком плоской модели является невозможность учета изменений НДС вдоль конструкции и описания эффектов, связанных с движением нагрузки при задании ее в качестве постоянной величины для любого сечения. Следующий уровень моделей получен при исключении условия ограниченности конструкции дорожной одежды по ширине, то есть при представлении всей конструкции, в качестве многослойного полупространства с плоскопараллельными границами. Разработка и реализация методов и алгоритмов исследования этой задачи связаны с геофизическими приложениями. Для этой модели существует хорошо отработанный и строго обоснованный математический аппарат, позволяющий достаточно эффективно строить решение при анализе рассматриваемых характеристик динамического НДС. Базируется он на интегральных преобразованиях с применением принципа предельного поглощения [10], [16], [46]. Недостатком следует считать неограниченность структуры по ширине и невозможность описать возникающие в реальности эффекты. Последующий уровень моделей связан с упрощением структуры системы за счет уменьшения в ней числа слоев при осреднении определенным образом упругих характеристик материала [15].

Моделирование характеристик входных воздействий на систему «дорожная одежда — грунт» также является актуальной задачей. В общем случае силовое воздействие движущего автотранспортного средства на рассматриваемую систему можно определить, решая обратную задачу модельной задачи «дорожный профильавтомобиль». В настоящее время достаточно хорошо изучены статистические характеристики микропрофиля основных типов автомобильных дорог[86]. Решены задачи модельного ряда системы «дорожный профиль — автомобиль» в рамках, начиная с простейших двухмассовых (подрессоренная масса — кузов, неподрессоренная массаколесо) расчетных схем и до сложных, многомассовых расчетных схем с учетом разных конструктивных особенностей подвесок автомашин, которые описываются простыми системами дифференциальных уравнений движения. Здесь по спектральной плотности возмущения однородного изотропного случайного поля рельефа дорожного покрытия определяются динамические характеристики автомобиля, в том числе вертикальные и угловые ускорения подрессоренных и неподрессоренных масс. В задачах исследования только динамических нагрузок, при определении возмущений вместо профиля (рельефа) используют микропрофиль (микрорельеф). Различия в первом приближении определяются отсутствием самых низкочастотных спектральных составляющих (спуски, подъемы, косогоры) [86].

Однако реализация даже самой простой математической модели системы «дорожная одежда-грунт» при обширном численном эксперименте на ПК представляет значительные трудности. Это связано с неоднозначностью критериев подобия для элементов системы «дорожная одежда-грунт» и способа их нагружения, а также с принципиальными сложностями моделирования неограниченной геофизической структуры подстилающего грунта. Кроме этого, низкочастотные составляющие спектра волнового поля делают практически невозможным корректное использование прямых численных методов, например метода конечного элемента, так как это приводит к большому порядку итоговых систем и не позволяет получить достоверный результат при работе на современных ПК. Использование исключительно аналитических методов при решении подобных задач в общей постановке также малоэффективно ввиду сложности строения элементов системы и возможно лишь в рамках механико-математической модели, допускающей для поставленных целей необходимую идеализацию динамического воздействия. Итак, к весомым недостаткам механико-математических моделей следует отнести следующие два фактора: идеализация силового воздействия на исследуемую систему, идеализация самой системы «дорожная одежда — грунт При идеализации силового воздействия не учитываются реальные характеристики динамического воздействия одиночного автотранспортного средства, такие как: осцилляция силового воздействия с частотным спектром, характерным определенному типу автотранспортного средства с учетом спектральной реакции дорожного полотна, касательные составляющие силового воздействия, зависящие от скоростных режимов движения автотранспортного средства (режимы разгона, торможения), от геометрии колес, конструктивного типа шин, радиуса поворота и др. Тем более не учитываются реальные характеристики динамического воздействия встречных потоков автотранспортных средств разных типов. Степень идеализации самой системы «дорожная одежда-грунт» для конкретной механико-математической модели определяет цель исследовательских работ и учитывает только наиболее существенные для достижения поставленных целей факторы. Поэтому любая модель неполна и не тождественна оригиналу. При этом одним из ограничивающих моментов для применения механико-математического моделирования является отсутствие возможности получения полного объёма информации о физико-механических свойствах материалов реального строения дорожной одежды.

Существенная адаптация конкретной механико-математической модели к реальной системе возможна на основе анализа и сравнения расчетных данных с результатами натурного эксперимента. Только на основе натурных исследований поведения реальной исследуемой системы возможна оценка адекватности конкретной механико-математической модели.

Значимые результаты в дорожной отрасли для решения частных задач расчета и проектирования автодорог с применением механико-математического моделирования получили циклы научно-исследовательских работ проведённые в ДортрансНИИ Ростовского Государственного Строительного Университета под руководством Илиополова С. К., Селезнева М. Г. [35−37, 46−48, 80]. При этом обширные численные исследования с использованием высокопроизводительных ПК и современного программного обеспечения позволили разработать планы натурных экспериментальных работ, выяснить требуемые характеристики измерительной аппаратуры, наметить сроки наблюдения, оценить в целом стоимость проведения экспериментальных работ.

На момент начала натурных исследований системы «дорожная одежда-грунт» из открытых источников были известны незначительные, отрывочные сведения о проведении аналогичных работ за рубежом [102]. Толчком к широкомасштабным натурным исследованиям системы в ДорТрансНИИ РГСУ послужила работа [46], в которой с помощью сейсмического оборудования для геофизических исследований были проведены исследования волновых полей вблизи автомагистралей. Полученные результаты имели ряд серьёзных ограничений и носили исключительно качественный характер, однако показали возможность получения новой информации о исследуемой системе. Например: диапазон анализируемых частот отклика системы устанавливался в пределах, используемых для анализа только сейсмосигналов (всего в 1−10 Гц) — ввиду отсутствия отработанных методик замеров, низкой чувствительности используемых датчиков (стандартные сейсмоприёмники типа СМЗ-КВ) и соответственно низкого соотношения сигнал / шум, погрешность оценки сигналов отклика системы была достаточно высока, кроме этого отсутствие оптимального согласования датчика со средой при установке на грунт и дорожное полотно ещё более увеличивало погрешность оценки полученных результатов.

Анализ этих исследований показал необходимость существенного изменения концепции, требований и подходов для разработки виброизмерительного комплекса применительно для целей натурного исследования системы «дорожная одежда-грунт». Однако, при разработке технического задания (ТЗ) на комплекс задача была поставлена ширемногоцелевое использование виброизмерительного комплекса в строительстве: измерение техногенных вибрационных полей и их влияние на искусственные строительные сооружения, анализ свободных колебаний дорожных конструкций, мостов, мостовых переходов, зданий, сооружений, прилегающих грунтовых массивов.

Проработка этого вопроса показала, что требуемый виброизмерительный комплекс является уникальным. Серийно или единично отечественной промышленностью не выпускается и может быть разработан в рамках НИРа или ОКРа научно-производственными отечественными или по специальному заказу зарубежными фирмами. В качестве зарубежного аналога было выбрано оборудование датской фирмы «Брюль и Кьер», ведущей в Европе в области виброизмерений, в качестве отечественных аналогов — разработки научно-производственных фирм «L-card» и «Диамех». Учитывая специфику технических требований, ценовой анализ в ДорТрансНИИ РГСУ в рамках ОКРа с научно-производственными фирмами при РГУ был разработан, изготовлен и испытан такой многоцелевой мобильный информационно-измерительный комплекс.

Цель диссертационной работы.

На основании комплекса современных теоретических и экспериментальных средств и методов исследовать закономерности процессов распространения волновых полей в системе слоистых сред дорожных конструкций и оснований при динамических воздействиях. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

— на основе анализа аналитико-численных результатов, полученных при решении пространственных модельных задач системы «дорожная одежда — грунт» [36]осуществить планирование экспериментальных исследований;

— разработать аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий выполнение задач натурных экспериментальных исследований;

— разработать методики измерений волновых полей в исследуемой системе при различных динамических воздействиях;

— провести цикл натурных исследований системы и адекватную обработку, интерпретацию и анализ полученных экспериментальных данных при различных динамических воздействиях;

— разработать инженерную модель исследуемой системы, используя синтез моделей слоистой упругой среды и модели с сосредоточенными параметрами, численно исследовать волновые поля на поверхности многослойной дорожной конструкции, подстилающего грунтового массива во временной и частотных областях;

— провести сравнительный анализ результатов численного и натурного экспериментов реального участка автодороги.

Научная новизна.

Научную новизну составляют следующие результаты, полученные автором:

— применен комплексный экспериментально-теоретический подход к исследованию процессов динамического деформирования слоистых сред дорожных конструкций и их оснований,.

— на базе уникального аппаратно-программного комплекса получил дальнейшее развитие вибрационный метод экспериментального исследования волновых полей в слоистых средах;

— разработаны методики измерений волновых полей на поверхности исследуемой системы и алгоритмы обработки экспериментальных данных при ударном воздействии, проезде одиночного автомобиля, потока автотранспортных средств во встречных направлениях движения,.

— проведен обширный натурный эксперимент на реальных участках автодорог, построена инженерная модель для одного из них;

— по результатам анализа экспериментальных данных получена новая информация по характеристикам распределения волнового поля и распространения упругих волн в дорожных конструкциях и подстилающем грунтовом массиве, позволяющая провести: а) оценку адекватности разработанных математических моделей динамического взаимодействия системы различных уровней сложностиб) уточнение сложных математических моделей системы путем уюта реальных характеристик воздействия автотранспортных средствв) разработку критериев оценки работоспособности автодорог. Структу ра и содержание диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений 1−4.

Основные результаты диссертации: получил дальнейшее развитие комплексный теоретический и экспериментальный подход к изучению закономерностей распространения волновых полей в слоистых средах, составляющих дорожные конструкции и основания, при натурных динамических воздействиях;

— проведены разработка, изготовление, испытания эффективных аппаратных средств, выявлены особенности методологии их применения для исследования волновых полей систем с распределенными параметрами;

— на основе математической теории временных рядов и средств спектрального, корелляционного, статистического анализов получены оптимальные параметры алгоритмов обработки полученных экспериментальных данных в зависимости от типов динамических воздействий;

— на базе разработанного аппаратно-программного комплекса и методологии его применения спланирован и проведен цикл экспериментальных исследований системы при натурных динамических воздействиях:

— ударное воздействие с нормированными характеристиками удара;

— проезд одиночного автомобиля (на разных скоростях движения);

— встречные потоки автотранспортных средств;

— колонна тяжелых грузовых автомобилей.

— на основе анализа результатов натурных экспериментальных исследований системы получена новая информация по спектральным характеристикам реальных силовых воздействий автотранспортных средств, характеристикам распределения волновых полей в дорожной одежде и распространения упругих волн в системе в зависимости от скоростей движения транспорта, интенсивности потока, направленности движения. Исследованы процессы.

Заключение

.