Содержание к диссертации
Введение
1 Существующие методы оценки состояния дорожных конструкций
1.1 Статические методы оценки состояния дорожных конструкций 9
1.2 Отечественные и зарубежные технические средства и методы оценки состояния дорожных конструкций, основанные на динамическом воздействии 20
1.3 Принципы вибродиагностики состояния инженерных соору- --жений
1.4 Выводы, цели и задачи исследований 43
2 Исследование характеристик напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при ударном воздействии с использованием пространственной расчётной модели
2.1 Основные критерии обоснования параметров установки ударного нагружения дорожной конструкции 45
2.2 Методы исследования задач о неупругом ударном взаимодействии тел различной формы 54
2.3 Разработка пространственной расчётной модели для исследования характеристик напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при ударном воздействии 62
2.4 Результаты исследований характеристик воздействия установки ударного нагружения на дорожную конструкцию 74
2.5 Выводы по 2 главе 82
3 Выбор средства измерения и разработка пакета программного обеспечения для детальной оценки откликов дорожной конструкции
3.1 Мобильный виброизмерительный комплекс 83
3.2 Разработка пакета программного обеспечения по обработке цифровых сигналов пьезокерамических виброакселерометров 92
3.3 Тарировка мобильного виброизмерительного комплекса 100
3.4 Разработка методики проведения натурных экспериментальных исследований 107
3.5 Выводы по 3 главе 115
4 Выявление параметров, характеризующих состояние дорожных конструкций при их динамическом нагружении
4.1 Общие закономерности распространения поверхностных и внутренних волн в дорожной конструкции при нестационарном воздействии
4.2 Исследование демпфирующих свойств различных элементов дорожной конструкции
4.3 Выявление параметров, характеризующих состояние дорожных конструкций на основании результатов численного эксперимента 134
4.4 Экспериментальные исследования состояния дорожных конструкций на базе предлагаемых параметров и традиционными методами 146
4.5 Анализ информативности и экономическая эффективность комплекса предлагаемых параметров 159
4.6 Выводы по 4 главе 168
Общие выводы 169
Литература
- Отечественные и зарубежные технические средства и методы оценки состояния дорожных конструкций, основанные на динамическом воздействии
- Разработка пространственной расчётной модели для исследования характеристик напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при ударном воздействии
- Разработка пакета программного обеспечения по обработке цифровых сигналов пьезокерамических виброакселерометров
- Исследование демпфирующих свойств различных элементов дорожной конструкции
Введение к работе
Многочисленные методы оценки состояния дорожных конструкций, применяемые в нашей стране и за рубежом, основаны на анализе динамического напряжённо-деформированного состояния. Широкое распространение этого подхода связано с достаточно высокой производительностью и мобильностью по-сравнению со статическими испытаниями, требующими больших затрат времени и отличающимися громоздкими средствами приложения расчётных нагрузок.
Среди многообразия установок динамического нагружения [37] центральное место занимают основанные на ударном воздействии падающего груза. Это направление развивается наиболее активно, прежде всего, по причине существенно более низкой стоимости оборудования, по-сравнению с аналогичными подходами воздействия движущимся колесом. Кроме того, анализ напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при нагружении движущемся колесом автомобиля неизбежно требует в числе прочего учёта ровности покрытия, что приводит к серьёзным сложностям при обработке полученных данных.
Развитие методов, основанных на ударном воздействии, в свою очередь, получило два направления. Первое заключается в создании на поверхности покрытия кратковременного давления, соответствующего расчётной нагрузке, и последующая оценка несущей способности по значению упругого прогиба, измеренного непосредственно в области воздействия. Ярким примером такого решения являются традиционные отечественные установки динамического нагружения [7,35]. Второе направление связано с уменьшением размеров воздействия, что приводит к повышению производительности и снижению стоимости, но в его основе лежит тот же самый принцип.
Качественным преимуществом установок ударного нагружения является способность к генерации в структуре дорожной конструкции существенно динамических процессов, имеющих выраженный волновой характер, и аналогичных возникающим при воздействии движущегося автомобильного транспорта [9-11,20,22,24,25]. Информативность развиваемых методов оценки состояния резко ограничивается в связи с использованием традиционных показателей несущей способности применяемых в ходе статических испытаний (общий динамический модуль упругости).
Концептуально новый подход оценки прочности требует детального рассмотрения закономерностей распространения волновых процессов в структуре сооружения и выявления параметров, объективно отражающих степень способности дорожной конструкции воспринимать реальное динамическое воздействие. Обозначенные показатели должны в полной мере учитывать особенности динамического напряжённо-деформированного состояния. Центральным вопросом является помимо адекватности приложения нагрузки воздействию движущегося автомобильного транспорта, максимально продуктивный анализ полученной экспериментальной информации.
В идеале методика оценки состояния дорожной конструкции должна выявлять причины ослабления несущей способности, достаточно чётко разделяя состояние отдельных элементов, что позволит назначить в каждом случае наиболее эффективный комплекс ремонтных мероприятий.
Отечественные и зарубежные технические средства и методы оценки состояния дорожных конструкций, основанные на динамическом воздействии
Для объективной оценки состояния дорожных одежд целесообразно использовать воздействие, аналогичное реальному при движении транспорта. Подобный анализ напряжённо-деформированного состояния будет наиболее информативен с позиции определения способности дорожной конструкции воспринимать динамическое воздействие автомобилей. В отличие от статических подходов, динамические модели напряженно-деформированного состояния теоретически способны учесть эффекты, обусловленные подвижностью нагрузки [9,10,11,20,22,24,25,34].
Практическое применение при оценке прочности дорожных одежд в России находят различные конструкции установок динамического нагруже-ния. Наиболее распространёнными в нашей стране являются установки типов УДН-Н, УДН-НК и Дина-ЗМ [1-5] авторами которых являлись В.К.Апестин, А.П.Васильев, Ю.М.Яковлев, М.С.Коганзон, С.В.Коновалов, С.С.Коновалов, А.М.Стрижевский, и др. Принципиальное устройство УДН-Н [7] представлено на рис. 1.4. Возникающее при сбрасывании груза динамическое усилие (до 60 Ш) близко по величине и длительности действия (0,02 - 0,03 с) к нагрузке от колеса движущегося расчётного автомобиля группы А. Для измерения вертикальной деформации дорожной одежды служит ручной виброграф типа ВР-1А, закреплённый на штативе специальными захватами. Рабочий наконечник вибрографа упирается в поверхность испытуемого участка покрытия через отверстие в штампе. Схема установки Дина-ЗМ [35] показана на рис. 1.5. Кратковременное усилие в установках с падающим грузом изменяется во времени по закону, близкому к синусоидальному. Наибольшее динамическое усилие Qd, и длительность нагружения Tf при сбрасывании груза на систему "пружина - жёсткий штамп" вычисляют по приближённым формулам [2]: 22 где: М [кг] - масса падающего груза; g [м/с ] - ускорение свободного падения; Н [см] - высота падения груза; 8 [м] - показатель, характеризующий жёсткость амортизатора, равный деформации амортизатора при статическом воздействии массой М; kd [1] - коэффициент потери энергии при сбрасывании груза; /,/ [см] - вертикальные деформации дорожной одежды соответственно от первого и второго удара груза при одном и том же сбрасывании, см. Определяемый в ходе испытаний установками динамического нагру-жения упругий прогиб, приводится к сопоставимому виду [6] (статическому прогибу) посредством коэффициентов регрессивной зависимости (1.2.4). lf=Xjld + X2i [1.2.4] где: if [мм] - фактический прогиб конструкции на характерном участке, соответствующий допустимому проценту деформированной поверхности покрытия (расчётной надёжности дорожной одежды), при статическом нагружении расчётной нагрузкой; ld [мм] - при испытаниях установкой динамического нагружения; Xj 2 [1] - эмпирические коэффициенты регрессивной зависимости.
Используемые расчёте коэффициенты регрессивной зависимости определены соответственно для расчётного и нерасчётного периодов года [6] и имеют равные значения в случае всех типичных конструкций нежёстких дорожных одежд (асфальтобетонное покрытие, толщиной 5 - 20 см; щебёночное основание, толщиной 15-40 см; подстилающий песчаный слой, толщиной до 50 см) независимо от соотношения толщин в указанных диапазонах. Установки динамического нагружения типов УДН и Дина отличаются от статических методов значительно более высокой производительностью (Дина-ЗМ позволяет осуществлять до 1000 нагружении в смену). Концепция определения прочности не претерпела существенных изменений и базируется на статических представлениях о работе дорожных конструкций.
Воздействие, генерируемое падающим грузом, более точно соответствует реальным нагрузкам при движении автомобильного транспорта, но принятый подход к обработке результатов не в полной мере использует инфор 23 мативные преимущества динамического напряжённо-деформированного состояния наблюдаемого в ходе испытаний. Прогиб поверхности покрытия под металлическим штампом установок ударного типа не в полной мере отражает способность конструкции сопротивляться вертикальным кратковременным воздействиям, так как в данном случае игнорируется радиус и размеры чаши прогиба, определяющей её общую изгибную жёсткость.
Методика измерения чаши прогиба и связь растягивающих напряжений с радиусом кривизны детально изучены В.АЛейваком [15]. В ходе испытаний была использована модернизированная установка УДН-ПД (рис. 1.6). Общее устройство установки соответствует традиционным, но подъём и сбрасывание груза в ней осуществлялось автоматической мотолебёдкой, что позволило производить до 20 ударных импульсов в минуту (длительность импульса 0,03 - 0,04 с; интенсивность до 60 Ш). Упругие и остаточные вертикальные деформации от кратковременной нагрузки фиксировали виброизмерительной аппаратурой типа ВИ6-5МА с записью на осциллографе Н-700. Виброизмерительная аппаратура ВИ6-5МА, виброграф ВР-1А и индикаторы часового типа крепились к штативу, опирающемуся на покрытие за пределами чаши прогиба. Испытуемые дорожные конструкции (рис. 1.7) подвергались воздействию до 190 000 циклов нагружения, вплоть до разрушения (образования кольцевой трещины вокруг штампа). Продолжительность испытания различных дорожных одежд составляла от 7 до 45 суток.
Результаты экспериментальных исследований показали, что наиболее близко очертание чаши прогиба описывает зависимость: y-a + bx + cx2+ dx3 + ex4 + jx5, [1.2.5] где: a,b,ctd,eff [1]- коэффициенты уравнения; X [м] - текущая координата (расстояние от центра штампа до рассматриваемой точки); у [м] - значение прогиба в рассматриваемой точке. Коэффициенты аппроксимирующих функций определяются с помощью специально разработанной программы на ЭВМ. Радиус кривизны есть обратная величина второй производной значения функции (1.2.6).
Разработка пространственной расчётной модели для исследования характеристик напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при ударном воздействии
Суть метода конечного элемента (МКЭ) состоит в подразделении модели сложной геометрической формы на мелкие части (конечные элементы) сравнительно простой формы, в пределах которых ищется приближённое решение. Результатом такого моделирования является поле напряжений и смещений в целой конструкции. Решение задачи с применением МКЭ состоит из следующих основных этапов [93]: создание геометрии модели; присвоение физических параметров элементам модели; разбиение на сетку конечных элементов; приложение к модели конечных условий; численное решение системы уравнений.
Самой ответственной стадией является разбиение геометрии на сетку конечных элементов. При этом определяется точность решения и время вычислений. Учитывая специфику поставленной задачи необходимо иметь достаточно точное разбиение для получения приемлемых результатов в контактных сечениях. Отметим тот факт, что решение подобной задачи удара в пространственной постановке будет связано со значительной продолжительностью расчётов даже с использованием современных средств ЭВМ. Это связано, помимо количества конечных элементов, и с необходимостью рассмотрения большого числа подшагов (моментов времени, в каждом из которых определяется НДС системы). Время контактного взаимодействия при ударе достаточно мало, но точность подобных расчётов при прочих равных условиях будет тем выше, чем больше количество подшагов и, соответственно, меньше время их продолжительности.
Сокращения времени расчётов можно достигнуть при рассмотрении задачи в плоской постановке (продольное или поперечное сечение конструкции), или в осесимметричной постановке (представив пакет слоев, лежащих на грунтовом основании в виде тела вращения). Однако подобные аппроксимации могут дать хорошие качественные результаты (время взаимодействия, характер распространения полей напряжений и деформаций в структуре элементов системы), но не позволят определять реальные значения расчётных величин. При выборе основных параметров ударной установки необходимо оценивать характеристики упругих волн, на различном удалении от зоны контакта. Амплитуды ускорений и перемещений в области, представляющей интерес для анализа свойств элементов системы должны иметь численные значения, позволяющие регистрировать их с достаточной точностью. Очевидно, что определяющими факторами влияния на динамику распространения упругих волн являются механические свойства материалов и структура дорожной конструкции. Этим условием объясняется необходимость учёта реальной пространственной геометрии дорожной конструкции.
В качестве программы вычислений был использован известный продукт фирмы "SAS IP Inc."-"ANSYS \ Задача определения НДС дорожной конструкции при динамическом воздействии требует проведения итерационных вычислений, с корректировкой различных расчётных параметров, поэтому предлагаемая расчётная модель реализована в так называемом "пакетном режиме". Этот способ позволяет без работы с интерфейсом программы, изменять исходный текст командного файла (геометрию модели или механические свойства элементов системы). При этом определяются линейные размеры элементов дорожной конструкции, высота насыпи или глубина выемки, а также характеристики установки ударного нагружения (размеры штампа и индентора и высота сброса штампа). Фактически, корректировка любого параметра сводится к изменению соответствующего значения командного файла (приложение I) с использованием любого текстового редактора. После определения всех геометрических и механических параметров, командный файл передаётся на вычисление. Выходными данными указанного решения являются амплитудно-временные зависимости контактных давлений, перемещений, скоростей и ускорений в контрольных точках (составляющие ОХ, OY, OZ), положение которых определено предварительно. Данные расчёта записываются на жёсткий диск компьютера в текстовом формате. Структура этих файлов позволяет экспортировать результаты другими программными средствами. Для предлагаемой пространственной модели разработаны модули визуализации и обработки сигналов с использованием программного продукта фирмы "Mathsoft Engineering & Education, Inc."-"MATHCAD".
В целом, геометрия предлагаемой расчётной модели представляет собой многослойную пространственную систему (рис.2Л2 и 2.13). Каждый слой характеризуется помимо линейных размеров определёнными механическими свойствами (показаны различными цветами). Учитывая сравнительно малое значение поперечных уклонов, дорожная одежда смоделирована в виде пакета пяти горизонтальных слоев, толщина и ширина которых соответствует реальным в дорожной конструкции. Практическая реализация рассматриваемой задачи методом конечного элемента исключает возможность моделирования неограниченности геологической среды. С целью подавления выраженности собственных резонансов системы, как массивного объекта, необходимо иметь достаточно большие по-сравнению с протяжённостью автомобильной дороги линейные размеры модели. Подобное решение исключит возможность переотражения волн от боковых граней. Для этого, по контуру конструкции введён демпфирующий слой значительной толщины, имеющий механические свойства, соответствующие строению геологической среды (рис.2.14-слой, шириной f). Геологическая среда представлена в виде трёхслойной системы. Вся пространственная модель жёстко закреплена по всем крайним боковым и нижним плоскостям.
Время решения и точность вычислений МКЭ анализа зависит от числа конечных элементов. Отметим, что высокая точность вычислений необходима в ближней к месту ударного нагружения зоне, которая представляет непосред-ственный интерес для выявления основных зависимостей между НДС системы и свойствами её отдельных элементов. Точность решения в области демпфирующего слоя не имеет определяющего значения. Функция демпфирующего слоя заключается в подавлении собственных низкочастотных резонансов системы, и исключении возможности влияния на точность решения отражённых волн. В связи с перечисленными условиями имеет смысл постепенного снижения точности разбиения по мере удаления от места воздействия. Реализация подобного условия возможна при следующей организации геометрии модели. Центр приложения нагрузки находится в пределах ширины конструктивных слоев дорожной одежды на определённом расстоянии от их краев (рис.2.14-Ы, Ь2) и на линии симметрии в поперечном направлении модели
Разработка пакета программного обеспечения по обработке цифровых сигналов пьезокерамических виброакселерометров
Параметры преобразования амплитудно-временных зависимостей в амплитудно-частотные определяются пользователем на рабочем поле, открываемом вкладкой "Fourier". Обработка данных производится максимум для четырёх каналов. Отсутствие возможности записи измерений на жёсткий диск делают данный модуль программы непрактичным: исключается накопление информации, полученной в ходе экспериментальных исследований. Интерес представляют численные характеристики определённых частей сигналов, которые не могут быть обработаны при помощи данных программных средств.
Модуль "registrar" (рис.3.10) позволяет осуществлять запись амплитудно-временных характеристик сигналов с синхронизацией времени для всех двенадцати каналов одновременно. В верхнем поле рабочего окна программы указываются номера каналов, сигналы которых будут записаны на жёсткий диск. Перед началом записи необходимо установить время сбора данных, путь и название файла данных, а также определить частоту работы блока АЦП и значение межкадровой задержки. Частота дискретизации канала ограничивается техническими характеристиками виброакселерометров и требуемой точностью измерений. Так, для последующей оценки спектральных характеристик сигнала в рабочем диапазоне до 500 Гц, необходима запись данных с частотой канала превышающей вдвое требуемый частотный спектр (частота Найквиста) - 1000 Гц. Результатом записи являются два файла данных: первый с расширением "dat" содержит амплитудно-временные зависимости сигналов (в значениях напряжений) по всем записанным каналам, второй с расширением "par" содержит информацию о дате и времени записи. Структура таких файлов одинакова, но для последующей расшифровки данных с целью использования в ходе обработки посредством иных программных средств необходимо располагать этой информацией.
Модуль "peep-hole" (рис. 3.11) предназначен для просмотра амплитудно-временных зависимостей сигналов уже записанных файлов данных. Реализована возможность просмотра до двенадцати каналов записанных ранее при помощи блока "registrar". Учитывая ограниченность инструментов обработки пакета прикладных программ L-Graph целесообразно использовать его исключительно для записи сигналов на жёсткий диск. С целью последующей детализации и анализа экспериментальных данных необходимо иметь более гибкий и функциональный комплекс программных средств.
Прежде всего, необходимо представить полученную цифровую информацию в формате доступном для комплекса программного обеспечения предназначенного для математического анализа функций. Для трансляции файлов "dat" в текстовый формат со структурой, поддерживаемой средствами MATHCAD специалистами ДорТрансНИИ РГСУ создана программа "Adieu" на платформе Microsoft Access. Работа с этой программой заключается в выборе пути соответствующего файла "dat" и записи, содержащейся в нём информации в текстовый файл по указанному пользователем адресу. При этом единственным условием является наличие в директории исходного файла "dat" соответствующего ему файла "par". После чтения программой исходного файла возможна корректировка следующих его параметров: частота дискретизации, количество каналов, дата и время записи.
Для оценки полученных в ходе экспериментальных исследований данных, необходимо иметь программное средство, позволяющее производить их многопараметрический анализ. Интерес представляют помимо амплитудно-временных зависимостей ускорений в точках установки датчиков, также спектральные плотности сигналов (амплитудно-частотные характеристики), а также амплитудно-временные зависимости перемещений. В результате трансляции первичных данных в текстовый формат, они представляют собой значения напряжений, генерируемых виброакселерометрами. Поэтому программа обработки должна, прежде всего, преобразовывать эти величины в реальные значения ускорений, посредством фиксированных коэффициентов приведения. На основе базовой программы обработки и визуализации сигналов, созданной ДорТрансНИИ РГСУ, автором разработан пакет прикладных средств по обработке результатов измерений на платформе продукта фирмы "Mathsoft Engineering & Education, Inc." - "MATHCAD" (Приложение II). Данное средство позволяет производить анализ сигналов, фиксированных синхронно до десяти различными виброизмерительными каналами.
Структурная схема программы представлена на рис.3.12. Осуществляется импорт исходных данных. После трансляции первичных файлов "par" и "dat" в текстовый формат посредством программы "Adieu", данные представлены в виде столбцов. Первый и второй - соответственно номер отсчета и относительное время с момента начала записи. В последующих столбцах содержатся результаты по каждому из виброизмерительных каналов. Таким образом, импортируется матрица, число столбцов которой на два более коли чества каналов, а число строк соответствует общему количеству отсчётов. Запись исходных сигналов может производиться с различной частотой дискретизации. Для получения амплитудно-временных зависимостей необходимо произвести интерполяцию сигнала. С целью вычисления частотных характеристик с развёрткой до 500 Гц необходимо осуществить линейную интерполяцию с частотой 1000 Гц. После данной процедуры, шкала времени имеет размерность в одну миллисекунду. Каждому моменту времени соответствует, полученное в результате интерполяции значение напряжения.
В ходе записи экспериментальных данных, каждому из виброизмерительных каналов может соответствовать свой коэффициент усиления АЦП и коэффициент преобразования виброакселерометра. Это требует введения в исходный сигнал каждого из каналов итогового коэффициента приведения, равного произведению двух перечисленных величин.
Интерес, как правило, представляют не все данные записанного файла, а какая-либо из характерных частей (например, отдельный удар, количество которых в исходном файле может быть различным). Поэтому имеет смысл для непосредственного анализа выделять из исходного массива рабочий интервал определённой длительности. Дальнейшее использование в качестве средств обработки функции быстрого преобразования Фурье, накладывает ограничения на длительность рабочего интервала. Количество отсчётов должно быть равно 2" —1, где п Є Z
Исследование демпфирующих свойств различных элементов дорожной конструкции
Ударное воздействие металлического штампа с плоским основанием приводит к генерации в структуре дорожной конструкции волнового поля, характеризующегося широким диапазоном частот и равновесным распределением энергии колебаний по всем частотным составляющим. В процессе распространения, это поле претерпевает изменения, обусловленные геометрией конструкции и механическими характеристиками её элементов. На основании этих изменений можно оценивать состояние этих элементов, или всего сооружения в целом. Для этого необходимо выявить закономерности влияния свойств материалов дорожной конструкции на характер трансформации упругих волн, прошедших в структуре сооружения некоторое расстояние от места воздействия, до места регистрации. Прежде всего, рассмотрим общую картину распространения волн в слоистых средах, так как подобные представления наиболее точно соответствуют реальным механизмам распространения колебаний в дорожных конструкциях. В сплошной среде при динамическом воздействии генерируются следующие типы волн.
Поверхностные волны, типа волн Релея, распространяются вдоль свободной (дневной) поверхности элементов структуры, амплитуда которых экспоненциально затухает с удалением от поверхности. Скорость затухания колебаний при удалении от области воздействия соответствует закону: A(r)=Aexp(-5r)r0 5, [3.1.1] где: А (г ) [м] - амплитуда колебаний на расстоянии от источника Г; Г [м] - расстояние от источника колебаний до точки среды; 8 [1] - коэффициент затухания колебаний; Скорость распространения поверхностных и пограничных волн определяется плотностью материала р и его упругими свойствами (Я , /И - коэффициенты Ламе), и близка к скорости распространения волн сдвига: Vs= /p; [м/с] [3.1.2] Пограничные волны - распространяются вдоль границ раздела слоев, экспоненциально убывают с удалением от границ. Закон убывания амплитуды колебаний тот же, что и для поверхностной волны. Внутренние волны. Продольные, со скоростью распространения: Vp = -Jfl+JJiJTp ; [м/с] [3.1.3] и поперечные, со скоростью распространения Vs.
Механизмы распространения упругих волн в структуре дорожных конструкций рассматриваются в работах [10,87,88,89]. Выявлены следующие общие закономерности. Все типы волн в элементах системы взаимодействуют между собой, трансформируются при прохождении через границы раздела слоев и при отражении от боковых поверхностей конструктивных слоев, что определяет весьма сложную картину в ближней к области воздействия нагрузки на конструкцию зоне. При переходе волнового поля через границу раздела слоев имеют место процессы аналогичные законам оптики (рис.4Л). Каждый подобный переход характеризуется частичным отражением поля от границы раздела и проникновением в смежную среду с преломлением на границе раздела. При этом, и отражённое и преломлённое поля от чисто продольной либо чисто поперечной волны имеют и продольную и поперечную составляющие, кроме того, векторы распространения этих составляющих, как правило, не совпадают.
Часть энергии волнового поля, пройдя через конструктивные слои дорожной одежды, передаётся грунту земляного полотна и подстилающему грунтовому массиву. Другая часть в процессе переотражения, преломления, наложения и рассеивания вновь достигает поверхности покрытия, и при этом, претерпевает изменения, обусловленные геометрическими параметрами дорожной одежды и физическими свойствами её элементов. Поэтому для получения наиболее полновесной информации о свойствах дорожной одежды целесообразно анализировать отклики, фиксируемые на поверхности покрытия в ближней от воздействия зоне. Размеры этой зоны определяются максимальными углами наклона векторов распространения продольной и поперечной волн, при которых отражённое волновое поле достигает поверхности покрытия. В реальности линейный размер этой "зоны информационного интереса" может составлять несколько толщин дорожной одежды. Таким образом, в ближней к источнику колебаний части слоистой структуры получаем сложную картину распределения напряжений и деформаций, обусловленную взаимодействием всех типов волн, распространяющихся от источника колебаний на периферию (прямое поле источника) с отраженными и переот раженными от границ раздела слоев системы. Эти пакеты волн распространяются по различным направлениям, в том числе и противоположным и характеризуются различной энергетичностью (убывающей с каждым последующим отражением или преломлением).
При оценке состояния дорожной конструкции важными аспектами помимо информативности являются мобильность и производительность выбранной методики. Оценка состояния дорожных конструкций, путём анализа реакции системы на нестационарное воздействие предполагает проведение измерений в точках, расположенных на некотором расстоянии от места воздействия. Технически наиболее эффективным решением является измерение откликов на поверхности покрытия автомобильной дороги. Поэтому акцент при анализе основных закономерностей распространения упругих волн в структуре дорожной конструкции поставлен на выявлении зависимостей характера поля, достигшего поверхности покрытия от свойств и состояния элементов системы.
Основная энергия колебаний в исследуемой системе связана с "прямым" полем источника [92]. Отраженные волны имеют существенно меньшую энергию и определяют осцилляцию амплитудных функций смещений и напряжений с изменением частоты или при движении вдоль луча, исходящего от области приложения нагрузки. Эта осцилляция достигает максимума при движении по лучу, направленному перпендикулярно вниз от области воздействия и тем меньше, чем ближе исследуемая траектория распространения волн к горизонтальному направлению. Таким образом, на поверхности покрытия в значительно большей степени будет выражено прямое поле источника, определяемое в основном поверхностными волнами.
В пределах отдельного конструктивного слоя, имеющего ограниченную ширину, наблюдаются также пакеты волн, отраженных и переотраженных от боковых граней конструкции. Максимальна энергия волн, распространяющихся вдоль более мягких слоев, расположенных между более жёсткими, то есть в слоях грунта земляного полотна, в которых наблюдается аналогия волноводного эффекта. Причем чем больше высота насыпи, тем большая часть общей энергии колебаний переносится вдоль данного слоя. Скорость затухания "волноводных" колебаний, распространяющихся вдоль конструкции, несколько больше, чем порядок затухания колебаний в поверхностной волне.
