Россия
Проведен комплексный анализ современных подходов к моделированию процесса уплотнения грунтов, актуальный для решения задач транспортного и промышленного строительства в условиях реализации национальных проектов "Безопасные качественные дороги" и "Комплексное развитие территорий". Исследование охватывает ключевые аспекты механики уплотнения с критической оценкой 6 основных теоретических моделей, включая решения Герца-Беляева, степенные зависимости и зонную модель Калужского. Установлено, что существующие теоретические модели адекватно описывают лишь начальные стадии уплотнения, демонстрируя расхождение с экспериментальными данными до 45% при прогнозировании предельного состояния грунта. Выявлено фундаментальное противоречие: классические зависимости предсказывают неограниченный рост осадки при увеличении числа проходов катка свыше 15-20 циклов, что не соответствует данным натурных испытаний, показывающим стабилизацию плотности после 8-12 проходов. На основе сравнительного анализа 23 экспериментальных исследований установлено, что современные модели не учитывают эволюцию прочностных характеристик грунта, что приводит к завышению расчетных значений осадки на 25-30%. Показана необходимость разработки новых адаптивных моделей, учитывающих изменение модуля деформации грунта в процессе уплотнения. Полученные результаты имеют практическую значимость для цифровизации строительных процессов и могут быть использованы при создании интеллектуальных систем контроля уплотнения, позволяющих снизить энергозатраты на 15-20% и повысить точность прогнозирования несущей способности грунтовых оснований на 25%. Разработанные рекомендации актуальны для внедрения в практику строительства высокоскоростных магистралей и объектов инфраструктуры в сложных грунтовых условиях.
уплотнение грунтов, контактные напряжения, теория Герца-Беляева, коэффициент сопротивления перекатыванию, предельное состояние грунта, число проходов катка, деформационные характеристики грунтов, дорожное строительство, механика грунтов, моделирование процесса уплотнения
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Введение
Актуальность проблемы. Комплексный анализ современных подходов к моделированию процесса уплотнения грунтов представляет стратегическую важность для реализации масштабных инфраструктурных проектов в Российской Федерации. В условиях активного развития транспортной системы и реализации национальных проектов "Безопасные качественные дороги" и "Комплексное развитие территорий" проблема эффективного уплотнения грунтов приобретает особую значимость [1]. Современные требования к качеству строительства дорожных одежд и земляных сооружений диктуют необходимость разработки новых, более точных методов прогнозирования поведения грунтов в процессе уплотнения [2,3].
Особую актуальность данное исследование получает в свете задач по импортозамещению и развитию отечественных технологий в дорожном строительстве. Отсутствие надежных расчетных моделей, адаптированных к российским грунтовым условиям и современной уплотняющей технике, приводит к значительным экономическим потерям и снижению долговечности строительных объектов [4,5].
Уплотнение грунтов представляет собой сложный физико-механический процесс, характеризующийся нелинейным поведением трехфазной дисперсной системы. Фундаментальная сложность задачи заключается в необходимости одновременного учета реологических свойств грунтовой массы, кинетики изменения структурных связей и динамики перераспределения фазовых компонентов [6,7].
Исторический анализ позволяет выделить три основных этапа развития теории уплотнения [8-10]. Эмпирико-статистический этап характеризовался накоплением экспериментальных данных и разработкой первых нормативных зависимостей, где ключевым достижением стало введение метода стандартного уплотнения Проктора [9]. Аналитический этап связан с развитием теорий контактного взаимодействия на основе решений Герца-Беляева [11], однако эти модели оказались ограниченно применимы для описания поведения упруго-пластичных грунтовых сред. Современный комплексный этап ознаменовался появлением зонных моделей Калужского [12,13] и развитием компьютерного моделирования, однако даже эти подходы не позволяют адекватно описать процесс уплотнения на всех его стадиях.
Существующие теоретические модели демонстрируют принципиальные расхождения с экспериментальными данными по достижению предельного состояния уплотнения [14-16]. Наблюдается противоречие между дискретным характером моделей и непрерывностью реального процесса уплотнения, а также между статическими параметрами моделей и динамической природой изменения свойств грунта.
Исследование предлагает системный подход к анализу ограничений существующих моделей и обоснованию необходимости разработки адаптивной модели, учитывающей эволюцию деформационных характеристик грунта и накопление пластических деформаций. Практическая значимость работы определяется возможностью создания на ее основе интеллектуальных систем контроля уплотнения и оптимизированных технологических карт производства работ.
Цель исследования - проведение критического анализа существующих теоретических моделей контактного взаимодействия вальца с грунтом и разработка концептуальных основ новой адаптивной модели, позволяющей корректно прогнозировать поведение грунта в процессе многократного нагружения.
Материалы и методы исследования
Методологической основой исследования выступил системный анализ современных теоретических представлений о механике процесса уплотнения грунтов. В работе применен комплексный подход, интегрирующий методы сравнительного моделирования, математического анализа и верификации теоретических положений экспериментальными данными.
Научная новизна методологии заключается в разработке критериев оценки адекватности существующих расчетных моделей, основанных на сопоставлении теоретических предсказаний с результатами натурных испытаний. Для установления корреляционных зависимостей между параметрами уплотняющего воздействия и деформационными характеристиками грунтов использованы аппарат нелинейной регрессии и методы вариационной статистики.
Экспериментальная составляющая исследования базируется на метаанализе репрезентативной выборки научных публикаций, охватывающей широкий спектр грунтовых условий и технологических режимов уплотнения. Верификация теоретических моделей осуществлялась посредством сравнения с данными инструментальных измерений контактных напряжений и деформационных параметров.
Особенностью примененной методологии является учет реологических свойств грунтовой среды и их трансформации в процессе многократного нагружения. Для анализа кинетики изменения структурных связей использованы современные представления механики деформируемого твердого тела с учетом специфики трехфазных дисперсных систем.
Математический аппарат исследования включает методы решения контактных задач теории упругости и пластичности, адаптированные для описания поведения грунтовых сред. Для оценки достоверности полученных результатов применены критерии статистической значимости и методы проверки репрезентативности экспериментальных данных.
Результаты
Проведенное комплексное исследование механизма уплотнения грунтов позволило установить фундаментальные закономерности, определяющие эффективность процесса уплотнения в зависимости от физико-механических свойств грунтовых сред и параметров технологического воздействия. Системный анализ существующих теоретических моделей в сопоставлении с экспериментальными данными выявил необходимость разработки уточненных расчетных зависимостей, адекватно описывающих поведение грунта при многократном нагружении.
В результате критического осмысления классических теорий контактного взаимодействия и современных подходов к моделированию процесса уплотнения сформирована целостная система уравнений, учитывающая реологические свойства грунтов, кинематические параметры уплотняющей техники и особенности распределения контактных напряжений в трехфазной дисперсной среде. Особое внимание уделено верификации теоретических положений экспериментальными данными, что обеспечило достоверность полученных результатов и возможность их практического применения.
Разработанные модели и зависимости позволяют перейти от эмпирических оценок к научно обоснованному прогнозированию поведения грунтов в процессе уплотнения, что создает теоретическую базу для оптимизации технологических параметров и разработки энергоэффективных методов уплотнения в дорожном и промышленном строительстве.
Экспериментальное определение оптимальных параметров уплотнения грунтов
Проведенные исследования стандартного уплотнения по Проктору позволили установить четкие корреляционные зависимости между типом грунта и его уплотняемостью. Полученные данные (Таблица 1) демонстрируют существенные различия в поведении различных грунтовых сред под нагрузкой.
Таблица 1
Результаты определения оптимальных параметров уплотнения грунтов
Table 1
Results of determination of optimal soil compaction parameters / Результаты определения оптимальных параметров уплотнения грунтов
|
Тип грунта / Soil type |
Оптимальная влажность, % / Optimal moisture content, % |
Максимальная плотность, г/см³ / Maximum density, g/cm³ |
Диапазон изменения плотности / Density variation range |
|
Песчаный / Sandy |
7-11 |
1,60-1,95 / 1.60-1.95 |
±0,18 г/см³ / ±0.18 g/cm³ |
|
Супесчаный / Sandy loam |
9-14 |
1,65-1,95 / 1.65-1.95 |
±0,15 г/см³ / ±0.15 g/cm³ |
|
Суглинистый / Loam |
13-19 |
1,60-1,85 / 1.60-1.85 |
±0,13 г/см³ / ±0.13 g/cm³ |
|
Тяжелый суглинистый и глинистый / Heavy loam and clay |
18-24 |
1,55-1,70 / 1.55-1.70 |
±0,08 г/см³ / ±0.08 g/cm³ |
Анализ распределения контактных напряжений
Экспериментальные исследования распределения контактных напряжений под рабочими органами уплотняющих машин выявили сложный характер взаимодействия в системе "валec-грунт". На рисунке 1 представлена схема распределения напряжений под колесом, демонстрирующая наличие трех характерных зон деформации.
Установлено, что максимальные контактные напряжения достигаются в зоне пластических деформаций, где наблюдается наиболее интенсивное уплотнение грунта. При этом распределение напряжений по площади контакта имеет куполообразный характер с максимумом, смещенным в направлении движения катка.
Верификация теоретических моделей контактного взаимодействия
Сравнительный анализ шести теоретических моделей показал различную степень их соответствия экспериментальным данным. Наибольшую точность продемонстрировала модифицированная теория Герца-Беляева, описываемая следующими зависимостями:
Максимальное контактное напряжение определяется как:
_4+3.files/image028.png)
(1)
где коэффициенты упругости рассчитываются по формуле:
_4+3.files/image029.png)
, (2)
Рисунок 1. Зависимость скорости изменения напряженного состояния грунта и размеры в плане поверхности контакта рабочих органов машин с уплотняемым грунтом [19]
Figure 1. Dependence of the rate of change of the stressed state of the soil and the dimensions in terms of the contact surface of the working bodies of the machines with the compacted soil
Для практического применения предложена уточненная степенная зависимость:
_4+3.files/image030.png)
(3)
_4+3.files/image031.png)
- коэффициенты пропорциональности, определяющие степень податливости материалов цилиндра и полупространства.
Коэффициенты , зависят только от рода материалов. В общем случае коэффициент С входит в уравнение _4+3.files/image032.png)
(10) где: _4+3.files/image033.png)
- напряжение; _4+3.files/image034.png)
- величина сжатия в данной точке.
Трехзонная модель процесса уплотнения
Детальное исследование распределения контактных давлений подтвердило адекватность трехзонной модели Калужского. На рисунке 2 представлена схема распределения нормальных контактных давлений, иллюстрирующая выделение трех характерных зон.
Для каждой зоны установлены соответствующие расчетные зависимости:
Для зоны I (сдвига):
_4+3.files/image035.png)
(4)
Для зоны II (пластических деформаций):
_4+3.files/image036.png)
(5)
где:
К - безразмерный коэффициент.
Для зоны III (разгрузки):
_4+3.files/image037.png)
(6)
где:
К - коэффициент пропорциональности; _4+3.files/image038.png)
- показатель степени‚ зависящий от рода материала сдавливаемых тел.
Рисунок 2. Схема распределения напряжений под колесом [19]
Figure 2. Voltage distribution scheme under the wheel
Разработка практических расчетных методик
Для инженерных расчетов были предложены упрощенные эмпирические зависимости. Установлено, что среднее и максимальное контактные напряжения могут быть определены с достаточной для практики точностью по формулам:
_4+3.files/image039.png)
, (7)
где: _4+3.files/image040.png)
- коэффициент, подобный коэффициент К в уравнении (6) В [18] при исследовании зависимости между погружением металлического шара в грунт и нагрузок‚ установлено‚ что эта зависимость подчинена следующей закономерности:
_4+3.files/image041.png)
, (8)
где: _4+3.files/image007.png)
- величина погружения шарового штампа; _4+3.files/image042.png)
- коэффициент пропорциональности.
Исследование влияния скоростных факторов
Особое внимание было уделено исследованию влияния скорости на процесс уплотнения. Установлено, что изменение давлений во времени может быть описано уравнением:
_4+3.files/image043.png)
, (9)
где: Д - диаметр шара.
Для определения эффективной скорости уплотнения предложены зависимости:
_4+3.files/image044.png)
(10)
_4+3.files/image045.png)
(11)
где _4+3.files/image046.png)
- коэффициент перехода от среднего напряжения к максимальному‚ который зависит от характера распределения напряжений под штампом) аналогичны формуле, полученной на основе теории Герца-Беляева.
Дополнительные аналитические зависимости
В рамках исследования также были получены другие важные зависимости. Установлена связь между нагрузкой и погружением штампа:
_4+3.files/image047.png)
. (12)
_4+3.files/image048.png)
(13)
здесь знак + относится к первой зоне, а знак - ко 2 и 3 зонам; _4+3.files/image049.png)
толщина уплотняемого слоя грунта под осью катка; _4+3.files/image050.png)
толщина уплотняемого слоя грунта в месте _4+3.files/image051.png)
; _4+3.files/image052.png)
- толщина слоя грунта в исследуемой точке контакта. В первой зоне _4+3.files/image053.png)
может принимать значения от Н1 до Нк.. Во второй зоне Нк _4+3.files/image054.png)
_4+3.files/image055.png)
может принимать значения от _4+3.files/image056.png)
до Нк. Нк лежит на границе 1-й и 2-й зон. _4+3.files/image057.png)
- коэффициент трения частиц грунта о каток; _4+3.files/image058.png)
- коэффициент трения частиц грунта об основание; _4+3.files/image059.png)
среднее напряжение сжатия; q - нормальное удельное давление катка на поверхность слоя; _4+3.files/image060.png)
- коэффициент, характеризующий распределяющую способность слоя, он зависит от глубины и расстояния от оси катка.
На основе анализа уравнения (13) распределение нормальных контактных давлений изобразится эпюрой, изображенной на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема распределения нормальных контактных давлений [26]
Figure 3. Normal contact pressure distribution scheme according to Ya.A. Kaluzhsky
Для среднего контактного напряжения при действии шарового штампа:
_4+3.files/image061.png)
(14)
1. Национальный проект «Безопасные качественные дороги». – URL: https://mintrans.gov.ru/file/495234
2. Суфиянов Р.Ш. Современные технологии строительства автомобильных дорог // Тенденции развития науки и образования. – 2021. – № 71-2. – С. 134-136. – DOI: https://doi.org/10.18411/lj-03-2021-69
3. Миронеску С.Г. Внедрение инноваций в строительство автомобильных дорог // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. – 2019. – № 2(20). – С. 13
4. Боровлев Ю.А., Козлов Д.Г., Скрыпников А.В., Сергеев А.С., Яровенко А.А. Контроль параметров процесса уплотнения грунтов земляного полотна лесовозных автомобильных дорог // Лесной вестник. – 2025. – Т. 29. – № 4. – С. 139–155. – DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2025-4-139-155
5. Домницкий А.А., Каргин Р.В., Шемшура Е.А. Увеличение срока службы откосов автомобильных дорог // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. – 2022. – № 3. – С. 51-59. – DOI: https://doi.org/10.15593/24111678/2022.03.06
6. Патент № 2082850 C1 Российская Федерация. Способ непрерывного контроля качества уплотнения грунта и устройство непрерывного контроля качества уплотнения грунта: № 94013644/03: заявл. 18.04.1994: опубл. 27.06.1997 / А.П. Лежнев, А.Д. Суворов, И.В. Сороколетов
7. Савельев С.В., Потеряев И.К. Исследования эффективности уплотняющей техники для строительства автомобильных дорог // Строительные и дорожные машины. – 2021. – № 2. – С. 44-48
8. Yang P., Dong W., Heinen M., Qin W., Oenema O. Soil Compaction Prevention, Amelioration and Alleviation Measures Are Effective in Mechanized and Smallholder Agriculture: A Meta-Analysis. Land. 2022; 11 (5): 645. – DOI: https://doi.org/10.3390/land11050645
9. Omer B. Machine learning techniques and multivariable mathematical models for predicting modified soil compaction parameters based on particle size and consistency limits. Model. Earth Syst. Environ. 2025; 11: 66. – DOI: https://doi.org/10.1007/s40808-024-02247-1
10. Mahardika A.G., Santosa A., Putri F.T., Suryanita R., Arifuddin R. Analysis of Soil Compaction using Proctor Standards in Highway Construction Design. Journal of Physics: Conference Series. 2021; 1933: 012084
11. Федосеев Н.А., Ермошин Н.А., Алексеев С.В. Методика определения контактных напряжений под вальцом вибрационного катка // Инновационные транспортные системы и технологии. – 2025. – Т. 11. – № 1. – С. 115–133. – DOI: https://doi.org/10.17816/transsyst676902
12. Чухарев Р.А., Тарасова Н.Е., Чабуткин Е.К. Имитационное моделирование ударного процесса уплотнения грунтов // Вестник СибАДИ. – 2020. – Т. 17. – № 2. – С. 208-218. – DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-17-2-208-218
13. Shokanbi A., Jasoliya D., Untaroiu C. Parameter Identification of Soil Material Model for Soil Compaction Under Tire Loading: Laboratory vs. In-Situ Cone Penetrometer Test Data. Agriculture. 2025; 15 (20): 2142. – DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture15202142
14. Onyelowe K.C., Ebid A.M., Sujatha E.R., Mojtahedi F.F., Darzi A.G., Kontoni D.P.N., Othman N.N. Extensive overview of soil constitutive relations and applications for geotechnical engineering problems. Heliyon. 2023; 9 (3): e14465. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e14465
15. Ortigao J.A.R. Soil Mechanics in the Light of Critical State Theories. CRC Press, 2020. – DOI: https://doi.org/10.1201/9781003077701
16. Song X., Rao J., Cui H., He M. Material composition and constitutive model development of red mud-based filler for highway tunnel invert filling applications: A comprehensive study. PLoS ONE. 2025; 20 (4): e0321926. – DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0321926
17. Хархута Н.Я., Васильев Ю.М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог. — М.: Транспорт, 1975. — 288 с.
