3889

Научный журнал строительства и архитектуры

9.Kabanov V. Information modeling of the construction process (the case study of the construction of a civil building pit) / V. Kabanov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2020. — Vol. 890. — Р. 012138. — DOI: 10.1088/1757-899X/890/1/012138.

10.Kim, J. Task planning strategy and path similarity analysis for an autonomous excavator. / J. Kim, D. Lee, J. Seo // Automation in Construction. — 2020 — Vol. 112. — DOI: 10.1016/j.autcon.2020.103108.

11.Lee, J. Development of Unmanned Excavator Vehicle System for Performing Dangerous Construction

13.Litvin, O. Evaluation of Effect of the Excavator Cycle Duration on its Productivity / O. Litvin, Ya. Litvin // E3S Web Conf. — 2020. — Vol. 174. — DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017401010.

14.Moon, S. W. Developing a 3D BIM for earthwork construction / S. W. Moon // The 6th International Conference on Construction Engineering and Project Management. — 2015. — Р. 245—247.

15.Moon, S. Virtual graphic representation of construction equipment for developing a 3D earthwork BIM / S. Moon, J. Seo // Journal of Civil Engineering and Management. — 2017. — Vol. 23. — Р. 977—984. — DOI: 10.3846/13923730.2017.1348981.

16.Niskanen, I. 4D modeling of soil surface during excavation using a solid-state 2D profilometer mounted on

the arm of an excavator. / I. Niskanen, V. Immonen, T. Makkonen, P. Keränen, P. Tyni, L. Hallman, M. Hiltunen, T. Kolli, Y. Louhisalmi, Ju. Kostamovaara, R. Heikkilä // Automation in Construction. — 2020. — Vol. 112. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103112.

17.Patel, B. P. Evaluation of Bucket Capacity, Digging Force Calculations and Static Force Analysis of Mini Hydraulic Backhoe Excavator / B. P. Patel, J. M. Prajapati // Machine Design. — 2012 — Vol. 4. — Р. 59—66.

18.Sandzimier, R. J. A Data-Driven Approach to Prediction and Optimal Bucket-Filling Control for Autono-

mous Excavators / R. J. Sandzimier, H. H. Asada // IEEE Robotics and 2020 Automation Letters. — 2020. — Vol. 5. — Р. 2682—2689. — DOI: 10.1109/LRA.2020.2969944.

19.Sekizuka, R. System to Evaluate the Skill of Operating Hydraulic Excavators Using a Remote Controlled Excavator and Virtual Reality / R. Sekizuka, M. Ito, S. Saiki, Y. Yamazaki, Yu. Kurita // Frontiers in Robotics and AI. — 2020. — Vol. 6. — Р. 142. — DOI: 10.3389/frobt.2019.00142.

20.Seo, J. Task planner design for an automated excavation system / J. Seo, S. Lee, J. Kim, S-K. Kim // Automation in Construction — AUTOM CONSTR. — 2011. — Vol. 20. — Р. 954—966. — DOI: 10.1016/j.autcon.2011.03.013.

22.Velikanov, V. S. Mining excavator working equipment load forecasting according to a fuzzy-logistic model / V. S. Velikanov // Journal of Mining Institute. — 2020. — Vol. 241. — Р. 29—36. — DOI: 10.31897/PMI.2020.1.29.

23.Vu, N. T. T. Path Planning for Excavator Arm: Fuzzy Logic Control Approach / N. T. T. Vu, N. P. Tran // Journal of robotics. — 2020. — Vol. 2020. — DOI: 10.1155/2020/8893260.

24.Yamamoto, H. Basic Technology toward Autonomous Hydraulic Excavator / H. Yamamoto, M. Moteki,

H. Shao, T. Ootuki, H. Kanazawa, Yo. Tanaka // The 26th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC—2009). — 2009. — Р. 288—295. — DOI: 10.22260/ISARC2009/0021.

25. Zou, Z. Comprehensive theoretical digging performance analysis for hydraulic excavator using convex polytope method / Z. Zou, X Pang, J. Chen // Multibody Syst Dyn. — 2019. — Vol. 47. — Р. 137—164. — DOI: https://doi.org/10.1007/s11044-019-09686-0.

References

1. Buryi, G. G. Matematicheskoe modelirovanie protsessa kopaniya grunta sfericheskim kovshom / G. G. Buryi, I. K. Poteryaev, S. B. Skobelev, V. F. Kovalevskii // Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. — 2020. —

№4. — S. 53—58. — DOI: 10.26730/1816-4528-2020-4-53-58.

2.Savinkin, V. V. Obosnovanie optimal'nykh uglov pozitsionirovaniya rabochego organa oborudovaniya ekskavatora pri effektivnom kopanii grunta / V. V. Savinkin, V. N. Kuznetsova // Vestnik mashinostroeniya. — 2019. —

№1. — S. 23—28.

3.Safronov, V. N. Raschetnaya model' i programma rascheta mekhanicheskoi sistemy ispolnitel'nogo organa gidravlicheskogo ekskavatora / V. N. Safronov, Yu. V. Zaitsev // Gornoe oborudovanie m elektromekhanika. — 2019. — 3 (143). — S. 33—38. — DOI: 10.26730/1816-4528-2019-3-33-38.

80

4.Sakhapov, R. L. Sputnikovye navigatsionnye sistemy upravleniya uchebnymi dinamicheskimi modelyami / R. L. Sakhapov // Innovatsii v sel'skom khozyaistve. — 2019. — № 1. — S. 222—230.

5.Azar, E. R. Feasibility of in-plane articulation monitoring of excavator arm using planar marker tracking /

E. R. Azar, C. Feng, V. R. Kamat // Journal of Information Technology in Construction. — 2015. — Vol. 20. — Р. 213—229.

6.Bender, F. A. Predictive operator modeling for virtual prototyping of hydraulic excavators / F. A. Bender, M. Mitschke, T. Bräunl, O. Sawodny // Automation in Construction. — 2017. — Vol. 84. — Р. 133—145. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.autcon.2017.08.008.

7.Du, Yu. Virtual operator modeling method for excavator trenching / Yu. Du, M. Dorneich, B. L. Steward // Automation in Construction. — 2016. — Vol. 70. — Р. 14—25. — DOI: 10.1016/j.autcon.2016.06.013.

8.Guevremont, M. 4D Simulation of Rock Excavation Projects. / M. Guevremont, A. Hammad // Canadian Society of Civil Engineering Conference (CSCE) & ASCE Construction Research Conference (CRC) At. — 2019. — https://www.researchgate.net/publication/334248203_4D_Simulation_of_Rock_Excavation_Projects.

9.Kabanov V. Information modeling of the construction process (the case study of the construction of a civil building pit) / V. Kabanov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2020. — Vol. 890. — Р. 012138. — DOI: 10.1088/1757-899X/890/1/012138.

10.Kim, J. Task planning strategy and path similarity analysis for an autonomous excavator. / J. Kim, D. Lee, J. Seo // Automation in Construction. — 2020 — Vol. 112. — DOI: 10.1016/j.autcon.2020.103108.

11.Lee, J. Development of Unmanned Excavator Vehicle System for Performing Dangerous Construction Work. / J. Lee, B. Kim, D. Sun, C. Han, Y. Ahn // Sensors — 2019. — Vol. 19. — Р. 4853. — DOI: https://doi.org/10.3390/s19224853.

13.Litvin, O. Evaluation of Effect of the Excavator Cycle Duration on its Productivity / O. Litvin, Ya. Litvin // E3S Web Conf. — 2020. — Vol. 174. — DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017401010.

14.Moon, S. W. Developing a 3D BIM for earthwork construction / S. W. Moon // The 6th International Conference on Construction Engineering and Project Management. — 2015. — Р. 245—247.

15.Moon, S. Virtual graphic representation of construction equipment for developing a 3D earthwork BIM / S. Moon, J. Seo // Journal of Civil Engineering and Management. — 2017. — Vol. 23. — Р. 977—984. — DOI: 10.3846/13923730.2017.1348981.

16.Niskanen, I. 4D modeling of soil surface during excavation using a solid-state 2D profilometer mounted on

the arm of an excavator. / I. Niskanen, V. Immonen, T. Makkonen, P. Keränen, P. Tyni, L. Hallman, M. Hiltunen, T. Kolli, Y. Louhisalmi, Ju. Kostamovaara, R. Heikkilä // Automation in Construction. — 2020. — Vol. 112. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103112.

17.Patel, B. P. Evaluation of Bucket Capacity, Digging Force Calculations and Static Force Analysis of Mini Hydraulic Backhoe Excavator / B. P. Patel, J. M. Prajapati // Machine Design. — 2012 — Vol. 4. — Р. 59—66.

18.Sandzimier, R. J. A Data-Driven Approach to Prediction and Optimal Bucket-Filling Control for Autono-

mous Excavators / R. J. Sandzimier, H. H. Asada // IEEE Robotics and 2020 Automation Letters. — 2020. — Vol. 5. — Р. 2682—2689. — DOI: 10.1109/LRA.2020.2969944.

19.Sekizuka, R. System to Evaluate the Skill of Operating Hydraulic Excavators Using a Remote Controlled Excavator and Virtual Reality / R. Sekizuka, M. Ito, S. Saiki, Y. Yamazaki, Yu. Kurita // Frontiers in Robotics and AI. — 2020. — Vol. 6. — Р. 142. — DOI: 10.3389/frobt.2019.00142.

20.Seo, J. Task planner design for an automated excavation system / J. Seo, S. Lee, J. Kim, S-K. Kim // Automation in Construction — AUTOM CONSTR. — 2011. — Vol. 20. — Р. 954—966. — DOI: 10.1016/j.autcon.2011.03.013.

DOI: 10.31897/PMI.2020.1.29.

23.Vu, N. T. T. Path Planning for Excavator Arm: Fuzzy Logic Control Approach / N. T. T. Vu, N. P. Tran // Journal of robotics. — 2020. — Vol. 2020. — DOI: 10.1155/2020/8893260.

24.Yamamoto, H. Basic Technology toward Autonomous Hydraulic Excavator / H. Yamamoto, M. Moteki, H. Shao, T. Ootuki, H. Kanazawa, Yo. Tanaka // The 26th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC—2009). — 2009. — Р. 288—295. — DOI: 10.22260/ISARC2009/0021.

25.Zou, Z. Comprehensive theoretical digging performance analysis for hydraulic excavator using convex polytope method / Z. Zou, X Pang, J. Chen // Multibody Syst Dyn. — 2019. — Vol. 47. — Р. 137—164. — DOI: https://doi.org/10.1007/s11044-019-09686-0.

81

Научный журнал строительства и архитектуры

CALCULATION OF THE AMOUNT OF WORK

ON A TYPICAL TECHNOLOGICAL PARKING AREA LOT OF AN EXCAVATOR

FOR BUILDING AN INFORMATION MODEL

V. N. Kabanov 1

National Research University Moscow State University of Civil Engineering 1

Russia, Moscow

1 D. Sc. in Economics, Prof. of the Dept. of Technology and Organization of Construction Production, e-mail: kabanovvn@yandex.ru

Statement of the problem. The construction of information models of construction processes is impossible without an accurate calculation of the amount of work performed on a typical technological parking lot (gripper). The aim of the work is to automate the computational procedures used to calculate the amount of excavation work on a typical technological excavator parking lot, which is used in 4D and 5D BIM models.

Results. Analytical equations are obtained for calculating the volume of earthworks at one technological site of an excavator, taking into account the technical characteristics of earthmoving machines, as well as the conditions of work (the category of soil according to the value of the internal friction angle).

Conclusions. The analytical dependences of the volume of work on one typical technological site of an excavator on the technical characteristics and operating conditions (the category of soil) can be used to form procedures for automatically calculating the volume of work, the duration and cost of the construction of pits. The amount of work on a single technological gripper can be used to form, evaluate and select the trajectory of the excavator during the construction of the pit.

Keywords: information model, automation, automatic calculation of the volume of work, earthwork, technological parking of an excavator.

КОНКУРС НА ПОЛУЧЕНИЕ ГРАНТОВ ПРЕЗИДЕНТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЛЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПОДДЕРЖКИ ВЕДУЩИХ НАУЧНЫХ ШКОЛ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Официальный сайт регистрации заявок — сайт Совета по грантам: grants.extech.ru.

Прием заявок на участие в конкурсе будет осуществляться с 07.09.2021 г. по 07.10.2021 г. в электронном виде, регистрация на сайте Совета по грантам и заполнение интерактивных

форм являются обязательными.

Гранты выделяются на проведение научных исследований в 2022—2023 гг.

Конкурс проводится для государственной поддержки научных исследований, проводимых научными школами. Научной школой считается сложившийся коллектив исследователей численностью не менее 10 человек, связанных проведением научных исследований по общему научному направлению и объединенных совместной научной деятельностью.

Критериями отбора победителей конкурса являются опыт участия в научных исследованиях в соответствующем научном направлении, количество и уровень публикаций в высокорейтинговых журналах Web of Science и Scopus, количество докладов и сообщений на конференциях, в том числе международных, представленных по тематике научного исследования, количество и уровень полученных результатов интеллектуальной деятельности по тематике научного исследования, научно-педагогическая деятельность и общественное признание (премии, медали и другие награды) за период 2019—2021 гг., а также актуальность и новизна планируемого научного исследования, значимость ожидаемых результатов и их вклад в реализацию приоритетов науч- но-технологического развития Российской Федерации.

Размер гранта научной школы составляет 2 млн 900 тыс. руб. в год. Размер средств, расходуемых на оплату труда членов коллектива научной школы, не может превышать 50 % общей суммы гранта. При этом не менее 50 % средств, расходуемых на оплату труда, направляется молодым, не достигших 35 лет на момент окончания гранта, членам коллектива научной школы.

82

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

УДК 625.7.004:551.58

DOI 10.36622/VSTU.2021.63.3.008

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНОСА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДАВЛЕНИЯ ВОДЫ В МИКРОПОРАХ

В. В. Волков 1, В. А. Козлов 2, В. Н. Мелькумов 3

Воронежский государственный технический университет 1, 2, 3 Россия, г. Воронеж

1Канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры строительной механики, тел.: (473) 276-40-06, e-mail: kotlac@yandex.ru

2Д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой строительной механики, тел.: (473) 276-40-06, e-mail: v. a. kozlov1@yandex.ru

3Д-р техн. наук, проф. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела, тел.: (473) 271-53-21,

e-mail: ser. chu@mail.ru

Постановка задачи. Целью исследования является выявление влияния увлажненного покрытия на его износ. Рассматривается механизм воздействия транспортной нагрузки в присутствии влаги и экспериментальные методы измерения ее воздействия на износ верхнего слоя асфальтобетона.

Результаты. Определен вклад наличия влаги в верхнем слоя дорожного покрытия на его износ в виде образования колеи, исследовано гидродинамическое воздействие воды в микропорах покрытия. Получены экспериментальные данные величин давления воды в порах асфальтобетонного покрытия в увлажненном состоянии под действием колес движущегося транспортного потока. Это позволило определить максимальные величины барического воздействия, глубину проникновения фронта давления жидкости и влияние его на разрушение покрытия.

Выводы. Анализ полученных данных показал не только наличие хрупкого разрушения, но и наличие ударного воздействия движущейся в порах асфальтобетона влаги, превышающего его структурную прочность. С использованием экспериментальных данных получены регрессионные зависимости величины износа от стандартных параметров потока. Для эксплуатируемых покрытий регрессионная зависимость позволяет прогнозировать величину износа на весь жизненный цикл дороги.

Ключевые слова: износ дорожного покрытия, давление воды в пористой среде, транспортная нагрузка, колееобразование, регрессионные зависимости, жизненный цикл дороги.

Введение. Исследованиями в области взаимодействия транспортных средств и покрытия занимались многие ученые: А. А. Хачатуров, А. К. Бируля, Н. Я. Говорущенко, Р. В. Ротенберг, Ф. И. Бомхард, Н. Мопперт и др. [7, 8, 10—15, 17, 18]. Однако и в настоящее время существует ряд нерешенных вопросов.

Так, например, в экспериментальных исследованиях [3, 4] произведены измерения на сухих покрытиях или в присутствии пониженного влагосодержания, что не позволило исследователям разделить сухой и влажный износ в присутствии влаги. В работе [5] использовались интегральные показатели ровности покрытия, рассматриваемые в контексте аддитивного воздействия транспортного потока, что также не позволяло понять механизм разного ско-

© Волков В. В., Козлов В. А., Мелькумов В. Н., 2021

83

Научный журнал строительства и архитектуры

ростного износа сухого и увлажненного покрытия. Авторы сделали предположение о существовании давления в микропорах верхнего слоя дороги, но существующие методы и способы определения этого давления были недостаточно апробированы, поэтому применялись качественные методики определения влажности и пористости асфальтобетона [6].

Развитие теории разрушения материалов под действием высокоскоростной струи воды [12], показало, что давление, развиваемое в точке концентрации напряжения материала, может приводить к дальнейшему развитию дефекта в виде трещины. Это явление называют эффектом waterjet — технологией резки струей воды, хорошо известной специалистам промышленной обработки материалов. Аналогичное разрушение возникает и при поршневом эффекте вдоль линии поры верхнего слоя дорожного материала при пневматическом воздействии шины колеса. При этом максимальная величина гидродинамического давления превышает величину прочности непосредственно материала или величину прочности на отрыв минеральной компоненты [17]. Возникающие внутренние напряжения приводят не только к уносу минеральной компоненты, но и ведут к образованию сети микропор и трещин.

При движении транспортных средств по автомобильной дороге воздействие пневматиков колес на асфальтобетон имеет различный характер для сухого и увлажненного состояния дорожного покрытия в силу наличия в нем пор и микротрещин. В увлажненном состоянии пузырьковая структура акваследа свидетельствует о микроциркуляции воды в верхнем тонком слое покрытия автомобильной дороги. Возникающее при этом давление в зоне контакта колеса с дорогой является причиной разрушения верхнего слоя покрытия, при котором происходит вымывание его минеральных компонентов. В соответствии с проведенным математическим моделированием [9] имеет место износ от воздействия колес движущихся транспортных средств при наличии воды на поверхности покрытия (акваизнос, или waterjet).

С целью проверки данных, полученных математическим моделированием, разработана методика и предложена оригинальная система замера давления в порах поверхности покрытия при проезде по нему транспортного средства с одновременной регистрацией прогиба дорожной конструкции.

Объектом исследования являются асфальтобетонные покрытия автомобильных дорог, находящиеся под воздействием транспортного потока. Предметом исследования является процесс износа верхнего слоя покрытия автомобильной дороги от возникающего давления воды в микропорах в области контакта колес с дорогой.

1. Определение деформаций и износа дорожного покрытия в сухом и увлажненном состоянии. Проведение экспериментальных исследований опирается на распространенные и частные методики, позволяющие измерить и получить максимальную информацию о процессах при износе асфальтобетонного покрытия. Максимальная величина износа на исследуемой ширине дорожного покрытия наблюдается на участке с колеей. Колея образуется изза выкрашивания минеральной части дорожного покрытия и пластических деформаций асфальтобетона под действием многократных нагрузок от колес транспортных средств (рис. 1).

Для измерения величины износа дорожного покрытия на выбранном участке дороги устанавливаются маркеры-датчики. Чтобы обеспечить ровность и высокую точность периодичности установки маркеров, а также их строго вертикальное расположение, используется шаблон в виде длинной деревянной рейки с предварительно просверленными на станке отверстиями. На рис. 2 представлена схема расположения маркеров в асфальтобетонном покрытии.

Глубина сверления асфальтобетонного покрытия соответствует глубине заложении маркеров. Образующиеся при сверлении асфальтобетона частицы и крошки удаляются продувкой сжатым воздухом. С помощью штыревого установщика маркер вставляется на глубину 15 мм от верхней грани. Диаметр отверстия под маркеры составляет 10 мм, шаг расстановки маркеров для измерений — 10 см. Чтобы защитить канал и находящийся в нем маркер от воды, грязи и пыли, его закупоривают с помощью пробки из силиконовой резины и заливают битумной пробкой.

84

Рис. 1. Фотография участка дорожного покрытия с дефектом в виде колеи

Рис. 2. Схема расположения маркеров на участке дороги: 1 — маркер; 2 — дорожное покрытие; 3— нижележащий слой

На рис. 3а показан чертеж разработанного датчика-маркера, представляющего собой тонкостенную трубку диаметром 8 мм, длиной 80 мм из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,25 мм, поз 2.

Рис. 3. Конструкция маркер-датчика (а); составные элементы (б); измерительная пленка (в); 1 — внешняя гильза; 2 — тонкостенная трубка; 3 — гильза-зажим; 4 — фиксирующий стержень; 5 — пленка

85

Научный журнал строительства и архитектуры

В стенке трубки проделаны отверстия диаметром 1,25 мм, с вертикальным и горизонтальным шагом соответственно 2,5 мм. Внутренняя поверхность тщательно отполирована. В данную трубку вкладывается гильза из капролона с внешним диаметром 7,3 мм, поз 3. В гильзе сделана прорезь для фиксации барочувствительной пленки (рис. 3в). Для эффективного прижима вкручивается фиксирующий стержень диаметром 5 мм, поз 4. Для правильного позиционирования датчика сделаны насечки. Перед установкой в покрытие изготовленные маркеры были исследованы на чувствительность к гидростатическому давлению в различных материалах. Для повышения точности измерений производилась калибровка датчиков с использованием автоклавной установки.

Точность измерения износа покрытия Y1 составляет 0,01 мм от поверхности асфальтобетонного покрытия до нижней грани измерительной линейки, а до верха опорного маркера — Y2. Для фиксации изменений деформированного состояния покрытия измеряются величины деформации S1 и S2. При камеральной обработке результатов замеренные величины обрабатывают с помощью методов математической статистики. При этом S1 одновременно определяет величину пластической деформации и величину износа. Для измерения расстояния от нижней грани измерительной рейки до торца маркера используют штангельциркуль.

Количество деформируемого материала и износа пропорционально площади сечения S:

Sa N S2i S2(i 1) S1i S1(i 1) ,

2 i 1

где N — количество автомобилей, проехавших через рассматриваемое сечение; Y — расстояние от линии измерения до маркера в начальном положении; Y — расстояние от линии измерения до маркера после прохождения очередного автомобиля.

На рис. 4 показаны значения геометрических параметров колеи в виде износа на исследуемых участках в течение месяца.

Рис. 4. Графики изменения размеров колеи и износа на покрытии дороги в сухом и влажном состоянии: 1 — глубина колеи; 2 — разность глубины колеи для двух участков дороги;

3 — разностная величина между износом на сухой и влажной дороге; 4 — разность между величинами износа влажной и увлажняемой поверхностями дороги

86

На профиле отчетливо обозначены как участки пластической деформации в виде самой колеи и выпоров, так и участки с износом при отсутствии предыдущих. Воздействие транспортного потока на дорожную конструкцию в начальный период проявляется в незначительных деформациях, тогда как последующая эксплуатация выявляет уменьшение величины износа. При этом больший износ проявляется в самих колеях, и так как на этих участках вода задерживается больше, то можно утверждать о дополнительном влиянии присутствия влаги в колеях на износ поверхности покрытия.

Анализ изменения геометрического положения точек верхнего слоя покрытия и установленных маркеров показал наличие не только продольных деформаций, но и поперечных. Разделить пластические деформации и износ на выпорах можно, если наблюдать за общим изменением положения материала асфальтобетона в сечении и изменении площади, считая, что в начальном состоянии она постоянна.

2. Методика определения величины давления в порах и износа в увлажненном по-

крытии. Для проверки полученных данных математического моделирования разработана методика по определению давления воды в микропорах при проезде транспортного средства по поверхности покрытия с одновременной регистрацией прогиба дорожной конструкции [5, 16]. С помощью указанной методики получены данные о параметрах динамического воздействия воды и влиянии этого воздействия на величину износа и необратимую деформацию покрытия.

Для оценки воздействия воды на износ покрытия были выбраны два участка на дорогах без ответвлений и смены технологического цикла строительства дороги. На каждом участке были размещены маркеры, фиксирующие оказываемое давление, а также геометрическое положение их в материале покрытия. Для имитации различных случаев состояния покрытия каждый участок последовательно находился в одном из трех состояний: сухом, увлажненном и покрытом тонким слоем воды — в течение определенного промежутка времени.

Измерение и регистрация гидростатического давления в покрытии с использованием барочувствительных пленок, установленных в датчики-маркеры, выполнялась в следующей последовательности:

извлечение тензопленки из маркера;

промывка тензопленки и сушка при 40 0С;

нанесение распрямляющего состава, маркировка и регистрация;

укладка на сканер с прижимом отражающей пленкой и нанесением иммерсионной жидкости;

сканирование (не менее трех раз) и сохранение для дальнейшей обработки;

обработка изображений в математическом пакете MATLAB: калибровочная коррекция, анализ яркости пикселов и их площади, статистический анализ распределения давлений;

построение корреляционных связей;

построение вертикального профиля давления;

построение кругового профиля давления.

Измерение геометрических параметров покрытия и извлечение датчиков-маркеров производится после нескольких этапов увлажнения исследуемых участков и проезда по ним транспортных средств, после чего устанавливаются новые пленки для последующих этапов измерения.

На рис. 5 показан график изменения величины износа в продолжении месяца на двух выбранных участках автомобильной дороги при их различном эксплуатационном состоянии: сухое — нижние кривые; периодически увлажняемое — средние кривые; с постоянной влажностью — верхние кривые. Анализ изменения износа на различных участках показывает, что при наличии влаги на поверхности покрытия скорость износа увеличивается. При этом бо´льший износ с образованием колеи проявляется участках, где вода задерживается больше. Это является подтверждением влияния на износ поверхности покрытия присутствия влаги в колеях.

87

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 5. Графики изменения износа на 1-м и 2-м участках покрытия в различном их эксплуатационном состоянии

(сухом, периодически увлажняемом, с постоянной влажностью)

Анализ экспериментальных данных, связанных с износом покрытия, показал наличие локальных значений, а вид полученных кривых носит квадратичную зависимость от скорости транспортного потока. В то же время измерение веса транспортных средств, регистрация давления, оказываемого пневматиками колес, показали наличие логарифмической зависимости максимального износа от давления. Очевидно, квадратичная зависимость от скорости движения связана с кинетической энергией транспортного средства и, как следствие, выделением ее в виде разрушения, тогда как логарифмическая зависимость связана с ее диссипацией в зоне контакта. В результате анализа получены регрессионные зависимости износа от характеристик транспортного потока в виде

K1 2 K2 ln(Ptire) K3 0,01,

где — скорость автотранспортного средства, м/с; Ptire — давление в автошинах, МПа. Коэффициенты полученной регрессионной зависимости представлены в таблице. Из-

менение коэффициентов регрессионного уравнения вызвано исследованием на двух типах покрытий. При этом более пористое показало более высокий износ, на 5—6 %, и более низкие скорости, при которых происходило разрушение покрытия.

На рис. 6 показаны экспериментальные значения износа для различных асфальтобетонных покрытий, зависящего от скорости движения транспортных средств с различным давлением в шинах. Максимум износа передвинулся в область меньших значений скоростей, и спад происходит при больших значениях износа, что свидетельствует о более высокой пористости данного покрытия.

88

Рис. 6. Величина износа различных асфальтобетонных покрытий

Установленная связь между скоростью движения транспортного средства и интенсивностью износа выражается в работе трения на сухом и влажном покрытии. Поскольку интенсивность износа определяется эксплуатационным состоянием поверхности дороги, то воздействие на покрытие зависит не только от внутреннего давления в пневматике, но и от мероприятий по уменьшению его водопоглощения.

Выводы. Разработана новая система регистрации давления в порах верхнего слоя асфальтобетонного покрытия, которая позволяет определять максимальное давлений в зоне контакта датчика на глубину его установки.

Впервые получены экспериментальные данные величин давления воды в порах асфальтобетонного покрытия при его увлажнении под действием колес движущегося транспортного потока. Они позволили определить максимальные величины барического воздействия и глубину проникновения фронта давления жидкости.

Анализ полученных данных показал не только наличие хрупкого разрушения, но и наличие ударного воздействия движущейся в порах асфальтобетона влаги, превышающего его структурную прочность. При достижении температуры 15 оС хрупкое разрушение становится сопоставимым с пластическими деформациями.

С использованием экспериментальных данных получены регрессионные зависимости величины износа от стандартных параметров потока. Для эксплуатируемых покрытий регрессионная зависимость позволяет прогнозировать величину износа на весь жизненный цикл дороги.

Библиографический список

1.Александров, А. С. Методы теории наследственности в расчетах пластических деформаций мате-

риалов и грунтов при воздействии повторяющихся нагрузок / А. С. Александров, Н. П. Александрова, Н. В. Кузин. — Транспортное строительство. — 2009. — № 2. — https://high-way.ucoz.ru/_ld/1/113__— __2009_2.pdf.

2.Бахрах, Г. С. Расчет усиления дорожных одежд нежесткого типа по критерию усталостного растрескивания / Г. С. Бахрах // Наука и техника в дорожной отрасли. — 1999. — № 2. — С. 21—25.

3.Волков, В. В. Микроволновый резонансный метод для исследования СВЧ потерь в каплях воды на твердой поверхности / В. В. Волков, В. Ю. Прищепенко, В. Н. Семенов, М. А. Суслин // Конденсированные среды и межфазные границы. — 2015. — № 3, т. 17. — С. 297—306.

4.Князев, А. В. Влияния динамического воздействия транспортных средств на дорожное покрытие / А. В. Князев, В. В. Волков, А. И. Котов // Перспективы развития науки и образования. Ч. 10: сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф., Тамбов, 31 января 2014 г. — Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. — С. 69—70.

89