Россия
Петрозаводск, Россия
В статье рассматривается проблема отсутствия детерминированной модели, связывающей эволюцию поля напряжений в грунте с кинетикой наработки плотности при многопроходном катковом уплотнении, что актуально для оптимизации строительства лесных дорог. Целью работы является установление количественных закономерностей этого процесса для разработки критериев выбора технологических параметров. Для её достижения была разработана комплексная методика полевого эксперимента, основанная на синхронной регистрации интегральных характеристик (осадка, плотность) и компонент напряжённо-деформированного состояния с помощью тензометрических датчиков и метода меловых маяков. Исследования проводились на супеси, суглинке и щебне при варьировании толщины слоя, скорости движения и числа проходов. В результате экспериментально выделены три стадии эволюции напряжённого состояния, отражающие переход от пластических деформаций к упругим. Установлен универсальный затухающий гиперболический характер зависимости максимального нормального напряжения от числа проходов, описываемый моделью σ_max = N / (a + bN). Обнаружена двугорбая форма эпюры касательных напряжений и выявлена значительная анизотропия релаксации остаточных напряжений: горизонтальные напряжения исчезают за 18–20 часов, в то время как вертикальные релаксируют почти мгновенно. Полученные результаты углубляют теорию контактного взаимодействия и предоставляют практические критерии для определения оптимального числа проходов и сроков контроля качества уплотнения.
лесные дороги, уплотнение грунта, катковое уплотнение, поле напряжений, остаточные деформации, контроль качества
Введение
Несмотря на длительную историю эксплуатации вибрационных катков в дорожном строительстве, в научно-технической сфере сохраняется дефицит консенсуса относительно оптимальных параметров данной техники, объективных критериев оценки её технологической эффективности и рациональных режимов работы в разнообразных производственных условиях [1, 2]. Эта неоднозначность обусловлена фундаментальной сложностью и недостаточной изученностью физических процессов, сопровождающих вибрационное уплотнение. К ним относятся: нелинейное поведение грунтовой среды, характеристики которой динамически изменяются от прохода к проходу; комплексное взаимодействие элементов колебательной системы катка как между собой, так и с деформируемым основанием; значительное разнообразие типов грунтов и технологических контекстов, в которых осуществляется уплотнение [2].
Динамическое взаимодействие вибрационного катка с грунтовым основанием представляет собой сложный процесс, определяемый совокупностью технических параметров машины и реологических свойств уплотняемой среды. Ключевыми факторами со стороны катка являются масса вальца и рамы, частота и амплитуда колебаний, геометрические характеристики вальца, параметры амортизирующей системы и скорость передвижения. Со стороны грунта существенное влияние оказывают его тип, гранулометрический состав, начальная плотность, влажность и мощность уплотняемого слоя. В рамках экспериментального исследования эволюции поля напряжений для строительства лесных дорог принципиально важным является выбор адекватного математического аппарата, способного описать отклик нелинейной, многофазной среды на циклическое динамическое воздействие.
Физическая сущность вибрационного катка как многомассовой колебательной системы, работающей в контакте с деформируемым основанием, обуславливает применение методов реологического моделирования. Эти методы позволяют аппроксимировать поведение системы через совокупность сосредоточенных масс, упругих, вязких и пластических элементов, моделирующих как свойства техники, так и грунта. Эволюция напряжённо-деформированного состояния в процессе многократных проходов катка может быть проанализирована через призму развития таких моделей.
Исторически первым и наиболее простым подходом явилось использование одномассных моделей, в которых основное внимание уделялось динамике самого рабочего органа [3, 4, 5]. Однако подобные схемы обладали ограниченной предсказательной силой, так как не учитывали обратного влияния деформируемого грунта на характер колебаний. Развитием методологии стало внедрение двухмассных моделей, которые позволили рассматривать систему «валец–грунт» как единое целое [6, 7, 8]. Эти модели стали важным шагом в понимании передачи энергии от катка в массив и формирования начального поля напряжений. Для более глубокого анализа распространения волн напряжений по глубине и оценки присоединённой массы вовлекаемого в движение грунтового массива были предложены трёхмассные реологические схемы [12, 13, 14]. Подобное усложнение модели повышает её адекватность при описании второй фазы взаимодействия — распространения и затухания напряжений в глубине уплотняемого слоя, что особенно важно для обоснования оптимальной толщины отсыпаемого слоя на лесных дорогах.
Среди разнообразия реологических схем для аппроксимации поведения грунта фундаментальное значение сохраняет линейная вязкоупругая модель Фойгта. Её широкое применение, включая анализ виброплит [11] и динамику фундаментов [24, 25, 26], основано на удачном балансе между аналитической простотой и возможностью описания ключевых релаксационных свойств грунта. Применительно к вибрационным каткам, модель Фойгта эффективно описывает формирование контактных напряжений и их динамику при однократном нагружении [5, 12, 13]. Эмпирические исследования, охватывающие широкий спектр грунтов, показывают, что для значительного числа случаев линейная модель даёт удовлетворительное соответствие экспериментальным данным [27]. Это подтверждает её пользу для моделирования «характерного цикла нагружения» — ключевого элемента в изучении кумулятивного эффекта от многократных проходов.
Однако для всестороннего описания эволюции поля напряжений, особенно на стадиях интенсивного пластического деформирования и при уплотнении специфических грунтов (например, заторфованных или переувлажнённых), линейные модели могут быть недостаточны. В таких случаях привлекаются более сложные нелинейные реологические конструкции [18, 19, 20], способные учитывать пластическое течение, упрочнение материала и зависимость параметров от уровня и скорости нагружения. Развитие этих моделей [21, 22, 23] направлено на создание инструмента, позволяющего не только фиксировать, но и прогнозировать кинетику изменения поля напряжений и связанной с ним плотности грунта в процессе всего цикла уплотнения, что является конечной целью оптимизации технологии строительства лесных дорог.
Для всестороннего описания эволюции поля напряжений, особенно на стадиях интенсивного пластического деформирования и при уплотнении специфических грунтов (например, заторфованных или переувлажнённых), линейные модели могут быть недостаточны. В таких случаях привлекаются более сложные нелинейные реологические конструкции [18], способные учитывать пластическое течение, упрочнение материала и зависимость параметров от уровня и скорости нагружения. Развитие этих моделей [21-23] направлено на создание инструмента, позволяющего не только фиксировать, но и прогнозировать кинетику изменения поля напряжений и связанной
с ним плотности грунта в процессе всего цикла
уплотнения, что является конечной целью оптимизации технологии строительства лесных дорог.
Современные исследования, направленные на решение этой задачи, реализуют комплексный подход, опирающийся на симбиоз трёх ключевых направлений: технологий интеллектуального уплотнения, методов машинного обучения и численного моделирования [19]. Прогресс в области интеллектуального уплотнения (ИУ) предоставляет необходимую эмпирическую основу. Оборудованные акселерометрами и GNSS-приёмниками катки в режиме реального времени фиксируют отклик грунта, формируя плотный поток объективных данных о его жёсткости, которая тесно коррелирует с плотностью, для каждого прохода и участка [20]. Современные системы управления, такие как Bomag Variocontrol, не только собирают эти данные, но и автоматически адаптируют параметры работы (например, амплитуду вибрации), обеспечивая равномерное уплотнение [21].
1. Тюремнов И.С., Шорохов Д.А. Моделирование взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом // Вестник СибАДИ. – 2024. – Т. 21, № 2. – С. 202-216. – DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-2-202-216.
2. Tyuremnov I.S., Morev A.S. New Criterion for Continuous Compaction Control Systems by Soil Vibratory Rollers. In: Radionov A., Kravchenko O., Guzeev V., Rozhdestvenskiy Y. (eds) Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019). ICIE 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, 2020. – DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-22063-1_62.
3. Lipinski K. Forced Vibrations in a Dynamic System That Is Damped By a Mechanism Which Trans-Pass Through Its Singular Position. In: Awrejcewicz J. (eds) Perspectives in Dynamical Systems II — Numerical and Analytical Approaches. DSTA 2021. Springer Proceedings in Mathematics & Statistics, vol 454. Springer, Cham, 2024. – DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-56496-3_21.
4. Pistrol J., Hager M., Kopf F. et al. An advanced ICMV for vibratory roller compaction // Acta Geotech. – 2025. – Vol. 20. – P. 501–517. – DOI: https://doi.org/10.1007/s11440-024-02342-8.
5. Liu L. et al. Nonlinear Dynamics of the Rigid Drum for Vibratory Roller on Elastic Subgrades // Shock and Vibration. – 2021. – Vol. 2021. – P. 1–9. – DOI: https://doi.org/10.1155/2021/9589230.
6. Тюремнов И.С. Анализ технических характеристик различных типов ударно-вибрационных грунтоуплотняющих машин // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. – 2023. – Т. 20, № 6(94). – С. 706-716. – DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-706-716.
7. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Серебренников В.С. Влияние массы вертикального пригруза на амплитуду колебаний вибровальца и виброзащиту рамы дорожного катка // Строительные и дорожные машины. – 2019. – № 9. – С. 30–36.
8. Paulmichl I., Furtmüller T., Adam C., Adam D. Numerical simulation of the compaction effect and the dynamic response of an oscillation roller based on a hypoplastic soil model // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. – 2020. – Vol. 132. – Art. 106057. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2020.106057.
9. Li T., Wang G., Zhang Y. Design of Compaction Operation Monitoring System for Intelligent Vibratory Roller Based on Internet of Things // Engineering Proceedings. – 2021. – Vol. 10, № 1. – Art. 50. – DOI: https://doi.org/10.3390/ecsa-8-11265.
10. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Серебренников В.С. Аналитическое обоснование кинематических характеристик вибровозбудителя дорожного виброкатка // Строительные и дорожные машины. – 2019. – № 1. – С. 16-22.
11. Yao Y., Song E. Intelligent compaction methods and quality control // Smart Construction and Sustainable Cities. – 2023. – Vol. 1. – Art. 2. – DOI: https://doi.org/10.1007/s44268-023-00004-4.
12. Rojas-Vivanco J., García J., Villavicencio G., Benz M., Herrera A., Breul P., Varas G., Moraga P., Gornall J., Pinto H. Artificial Intelligence Applied to Soil Compaction Control for the Light Dynamic Penetrometer Method // Mathematics. – 2025. – Vol. 13, № 21. – Art. 3359. – DOI: https://doi.org/10.3390/math13213359.
13. Debeleac C.N., Buraga A., Nastac S.M. Experimental and Numerical Study in Dynamic Compaction of Weakly-Cohesive Soils // Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14, № 22. – Art. 10129. – DOI: https://doi.org/10.3390/app142210129.
14. Kurdyumov V.I. et al. [Title of the article] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2022. – Vol. 1045. – Art. 012106. – DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/1045/1/012106.
15. Yao J., Yue M., Ma H., Yang C. Wave Propagation Characteristics and Compaction Status of Subgrade during Vibratory Compaction // Sensors. – 2023. – Vol. 23, № 4. – Art. 2183. – DOI: https://doi.org/10.3390/s23042183.
16. Шишкин Е.А., Смоляков А.А. Обоснование способа регулирования контактного усилия вибрационного вальца с уплотняемым материалом // Системы. Методы. Технологии. – 2022. – № 1(53). – С. 36–42. – DOI: https://doi.org/10.22281/2413-9920-2021-07-02-184-189.
17. Bratu P., Tonciu O., Nițu M.C. Modeling the Vibratory Compaction Process for Roads // Buildings. – 2023. – Vol. 13, № 11. – Art. 2837. – DOI: https://doi.org/10.3390/buildings13112837.
18. Shi M. et al. Effective compaction power index for real-time compaction quality assessment of coarse-grained geomaterials: Proposal and comparative study // Construction and Building Materials. – 2022. – Vol. 321. – Art. 126375. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126375.
19. What Is Intelligent Compaction? // MyConstructionTechnology. – URL: https://myconstructiontechnology.com/what-is-intelligent-compaction/ (дата обращения: 19.01.2026).
20. Roller Management System // Topcon Positioning Systems. – URL: https://www.topconpositioning.com/us/en/solutions/infrastructure/earthmoving/intelligent-compaction (дата обращения: 19.01.2026).
21. Новинки грунтовых катков. Уплотнение грунта. Что нового? // OS1.ru. – 2022. – URL: https://os1.ru/article/2249-novinki-gruntovyh-katkov-uplotnenie-grunta-chto-novogo (дата обращения: 19.01.2026).
22. Predicting soil compaction parameters in expansive soils using advanced machine learning models: a comparative study / M. Y. et al. // Scientific Reports. – 2025. – Vol. 15. – Art. number: 24018. – DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-09279-2.
23. Big data-driven global modeling of cohesive soil compaction across conceptual and arbitrary energies through machine learning / K. Singh et al. // Transportation Geotechnics. – 2024. – Vol. 47. – Art. 101287. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2024.101287.
24. Интеллектуальные системы Bomag // Komek.ru. – 2018. – URL: https://www.komek.ru/staty/intellektualnye-sistemy-bomag/ (дата обращения: 19.01.2026).
