автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Расчет и конструирование искусственных оснований аэродромных покрытий с учетом механических свойств грунта

и

МОСКОВСКИЙ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ С УЧЕТОМ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТА

(Специальность 05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

БАНИ ФУАД

МОСКВА 1991

_1

Работа выполнена на кафедре "Аэропорты и конструкции" Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорок-ного института.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Г.И. Глушков,

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор D.U. Яковлев,

кандидат технических наук ЛД. Марков

Ведущая организация - ГПИ и НИИ ГА "Аэропроект "•.

Защита диссертации состоится "3 " Л О 1991 г. в \ О i на заседании специализированного совета Д 053.30.01 БАК СССР при ПАДИ по адресу: 125829, ГСП-4?, Москва, A-3I9, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. бЦ .

С диссертацией uosho ознакомиться в библиотеке Московского автолобильно-дорозгного института.

Телефон для справок 155-03-32.

Отзывы з двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в ученый совет интитута.

Автореферат разослан " S " О t) 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 053.30.01 БАК СССР при МАДИ-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Жесткие покрытия аэродромов рассчитывают по методу предельных состояний, позволяющему наиболее полно учитывать специфику их работы под действием самолетных нагрузок и природных ракгоров. Поскольку предельные состояния покрытий аэродромов вызываются действием иэгибавдих усилий, расчет ведут на них.

Основной предпосылкой при определении максимально возможного усилия в сечении плиты является принятая гипотеза об упругой работе грунта в процессе нагруяения покрытий. Однако критерии, гарантирующие, что в подстилающей грунте не возникали остаточные деформации, не рассматриваются. Поэтому ыояно отметить, что существующие методы расчета жестких покрытий учитывают фактическую работу грунта весьма прибликенно. Б связи .с этим были проведены экспериментальные исследования работы цеыентобетонных покрытий под воздействием многократно повторяющихся нагрузок.

В связи с вышеизложенным тема диссертации представляется актуальной.

Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование работы аэродромных покрытий с учетом обеспечения упругой работы грунта.

Задачи исследований. Исходя из сформулированной цели в ходе исследований решались следующие задачи:

анализ существующих методов расчета и конструирования покрытий аэродромов и дорог с учетом упругой работы грунта;

теоретическое исследование работы яестких аэродромных покрытий с учетом устойчивости грунтов из условия предельного равновесия;

экспериментальное исследование работы кестких покрытий под воздействием многократно повторяющихся нагрузок;

разработка метода расчета яестких покрытий аэродромов с учетом устойчивости грунтов из условия предельного равновесия;

оптимизация монолитных однослойных и двухслойных яестких покрытий с учетом упругой работы грунта.

Научная новизна работы состоит в следующей: усовершенствована теория расчета яестких аэродромных покрытий с учетом упругой работы' грунта;

разработаны алгоритм и программы расчета прочности и оптимизации гестких покрытий с учетом упругой работы грунта.

Практическая ценность настоящего исследования состоит з анализе методов расчета работы гестких аэродромных покрытий с учетом учтойчивости грунтов иг услозия предельного равновесия.

Апробация работы. Отдельные положения диссертационной рабо-бы докладывались на заседаниях кафедры "Аэропорты и конструкции" з 1988 - 1990 гг.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ведения, четырех глав и выводов. Обьеы диссертации: 4 страниц основного текста, Щ таблиц, 35" рисунков; библиография вклхг-чает Зо наймееобзяий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика жестких покрытий аэродромов и условий, гарантирующих их работу, а также обоснована актуальность темы диссертации и показана ее практическая значимость.

В первой главе рассмотрены копетруирогание жестких покрытий аэродромов и существующие методы расчета потребных толщин искусственных оснований.

Покрытия жесткого типа получили бслькое распространение на аэродромах СССР и за рубекон. Они имеют следующие преимущества: высокую прочность и долговечность; устойчивость при воздействии эксплуатационных и климатических факторов; большое трение сколь-вения как для сухого, так и для влажного состояния поверхности покрытия; возмоаыссгь использования местных строительных материалов при малой дальности их перевозки; возможность строительства покрытий механизированным способом и поточным методом; сравнительно низкие эксплуатационные расходы.

В обзоре показаны разные виды конструкций покрытий: монолитные бетонные покрытия, армобетонные непрерывно армированные и железобетонные покрытия, монолитные предварительно напряженные ае-лезобетонзые покрытия, сборные покрытия и конструкции усиления бетонных покрытий.

Для расчета жестких аэродромных покрытий использованы е обзоре четыре метода: метод СйиП 80; метод расчета с учетом фиктивных значений коэффициентов постели, где толщину упрочненных оснований из материалов, обработанных вяжущими для бетонных и армобетонных

покрытий, обладающих значительной кесткостью, определяют с учетом ?

того, что изгибающий иомен? от внешней нагрузки распределяется пропорционально яесткостк покрытия к оснований.

Метод СНи11 2.05.08.85; расчет искусственных оснований под жесткие покрытия из материалов, обработанных еябушими. Положения настоящего приложения откосятся к слоям из обработанных вянущими материалов, для которых нормировано расчетное сопротивление растяжению при изгибе.

Метод с учетом свойств грунтов по методу предельных состояний и изгоды с учетом сопротивления сдвигу.

Анализ существующих методов расчета показал, что расчетная толщина по всей методам колеблется в пределах от 23 до 30 см.

По СНиП 80 не было учтено изменение состояния грунта.

Эти изменения или деформации являются недопустимыми для грунтовых оснований аэродромных покрытий и они должны быть сведены к минимуму. Сссггьнкс методы учитывают эти деформации, но недостаточно, к можно отметить, что учитывают только на 30%.

Таким образом, для обеспечения надежности и долговечности аэродромных покрытий необходимо провести работы по изучению деформаций оснований :: грунта яри повторных нагрузках.

^ Во второй главе оплсызаетск экспериментальное исследование работы покрытий с учетом грунтовых оснований. Целью работы является изученье:- деформации плиты на грунте без искусственного основания; деформация плиты с искусственным основанием на грунте при многократно повторяющихся нагрузках.

Многократно повторяющиеся нагрузки от колес воздушных судов являются основным видом нагру&ения искусственных покрытий аэродрома. Продолзительность нагружения грунтового основания зависит от скорости движения самолета и распределяющей способности верхнего слоя покрытия.

Продолжительность действия нагрузки на оснозание по глубине возрастает, а интенсивность ее уменьшается по сравнению с воздействием на верхние слои покрытия. Повторность нагружения зависит от интенсивности движения воздушных судов, числа главных опор шасси, количества и схемы компоновки колес на главных опорах, а такхе от характера распределения проходов колес по ширине элементов аэродрома. Поэтому для разных участков аэродромных покрытий повторность нагруяения неодинакова.

Испытание выполняли в грунтовом лотке гидравлического стенда

ПГС-ЮО-2 жестким металлическим штампом диаметром 10 см. Нагрузка на штамп создается гидравлическим домкратом, смонтированным на хребтовой балке. Величину действующего на штамп усилия контролировали но шкале пульта управления стенда. В процессе испытаний использовали модели индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 Н.м.

Экспериментальные исследования проводили с крупномасштабными моделями плит в лабораторных условиях. Из результатов испытаний получили деэ ренима деформирования грунта при многократно повторяющихся нагрузках.

В первоа рекиме полонили плиты на грунте без основания и передали нагрузки 700 кг. Прогрессивное нарастание осадки грунта при увеличении числа прилокений нагрузки происходит вследствие образования деформаций сдвига в некотором объеме грунта вокруг периметра сформировавшегося уплотненного конуса, непосредственно примыкающего к штампу. Итак, нагруление повторными нагрузками Ее-дет к разрушению грунта и плиты.

Во втором режиме положили плизы' на'искусственное основание при нагрузке 700 кг. Затухающий характер нарастания общей и остаточных деформаций наступает вследствие уплотнения и упрочнения грунта. После некоторого числа приложений нагрузки грунт практически работает как упругий материал.

В первом и втором режиме рассчитаны предельные и расчетные давления при разных толщинах покрытий и оснований по формуле Г.И. Глушкова и В.Г. Березанцева.

где с

где а, V

Ч с

Ыг

= (I)

- расчетный коэффициент постели грунтового- основания;

- прогиб покрытия в точке под центром отпечатка шины колеса.

с/пр = Ы^.г.а +N<1. Ч + Ыц.с ^

- радиус штампа;

- объемный вес грунта;

- удельное давление пригрузки по бокам штампа;

- сцепление; .

, Ыс ~ сложные функции угла внутреннего трения.

Ч

Результаты расчета: в первоы реаиме

-^"Р т 5 ?■ (3)

во втором режиме

л. 3. (4)

аухха.

Таким образом, для обеспечения надежности и долговечности аэродромных покрытий необходимо обязательно рассматривать условия образования сдвиговых деформаций з грунтовой основании и учитывать их при расчете. Это условие приводит к необходимости рассматривать не одно предельное состояние по прочности покрытий (как это установлено в существующих нормативных документах - СНиП 2.05.08.85-Азродромк и др.). а два предельных состояния: по прочности покрытий и по прочности грунта.

В третьей главе рассматривается разработка метода расчета толщины оснований покрытий с учетом работы грунта.

Как показали экспериментальные исследования, для обеспечения надежности и долговечности аэродромных покрытий необходимо рассматривать не одно предельное состояние (по прочности покрытия), а два предельных состояния (по прочности покрытия и по прочности грунта).

Расчетным состоянием искусственных покрытий из материалов, укрепленных цементом, является предельное состояние по прочности покрытий при условии

Мр ^ И пр (5)

где Ир - расчетный изгибающий момент в основании искусственных покрытий;

Иг\р - предельный изгибающий момент, определяемый в зависимости от толщины основания и расчетного сопротивления растяжению при изгибе материала.

Расчет покрытий производят исходя из условия (5). Расчетный момент определяя? в сечении плиты с учетец задач строительной механики для плит, лежащих на упругом основании. Определение внутренних усилий в плитах сводится к тому, что находят функцию эпюр реактивного отпора (реакцию) основания от заданной нагрузки. При этом . обычно принимают, что осадка поверхность основания в точности совпадает с прогибами плиты под нагрузкой. Дл.*-; плит это условие

выражается общин дифференциальный уравнением

I w

где W - прогиб плиты;

координаты серединной плоскости плиты; D цилиндрическая жесткость плиты;

D- Е* ^ • ■г АШ-Н-1 J

- модуль упругости и коэффициент Пуассона материала

плиты;

fv. - толщина шшты;

pfe'fy) ~ реактивный отпор основания; f (7Cj fr) ~ внеш?яя нагрузка.

Расчету плит на упругом основании посвящены работы А.П.Си-1-ницвна, Б.Г. Коренева, В.А. Киселева,.П.И. Горбунова, Посадо-ва, B.C. Раева-Богословского, Л.И. Нанвелова.-

Расчетные значения изгибающих моментов в плитах покрытий с искусственными основаниями, обработанными вяжущими, определяют по формуле

MP=W«».# (7)

где Ни ах - максимальный изгибающий момент при центральном за-гружении;

ft- - переходный коэффициент от изгибающего момента при центральном загружении к моменту при краевом загружены плиты, принимаемый равным 1,2 для бетонных и армобетонных покрытий. Предельный язгибавщий момент М*р. определяют по формуле

М = '>*.. Яг-Ь^^"- (Ю

о

Целью расчета по второму предельному состоянию является определение- предельного давления на грунте при жестком штампе и расчетного давления на грунте при условии

_ <гЛур

~ п (9)

б

где ё'р - расчетное давление на грунте; а^лр - предельное давление на грунте; т = 3 при экспериментальной исследовании.

Расчетное давление на грунте определяют по формуле

(Ю)

где С - расчетный коэффициент постели грунтового основания; - прогиб покрытия в точке под центром отпечатка шины колеса.

Приближенная формула для определения предельного давления несткого покрытия на грунте выведена В.Г. Березанцевым. Уплотненное ядро под подошвой фундамента принимается в виде конуса с углом при вершине по меридиональному сечению равным 90°. Для объемлющей поверхности скольжения, начинающейся от вершины уплотненного ядра, принято очертание, показанное на рис.1. Образующая этой поверхности состоит из отрезка логарифмической спирзли ВС и отрезка прямой СД.

Рис Л

Путем интегрирования одного дифференциального уравнения предельного равновесия по заданному очертанию поверхности скольжения с использованием условия равновесия уплотненного ядра как твердого тела получена формула для средней интенсивности предельного давления на грунте

б^р = Nr-Г.сс +/Vc, .Cj +Nc.C

с - сцепление грунта, тс/ы^;

где У - объемный вес грунта, ^с/к3; о- - диаметр штампа, ы;

<j - вертикальная равномерная нагрузка, = ; Nï, Ыу jb/c - безразмерные коэффициенты, определяемые в зависимости от угла внутреннего трения по табл.1.

Таблица I

Значения коэффициентов K'v, N4 к Ne.

|°иГ-1_^ ' гРад_

eHI ! 16 ! 18 I 20 ! 22 ! 24 ! 26 ! 28 ! 30! 52! 34! 56?58!4Q!42 4,1 7,3 14,0 25,3 48,8 97,2 216

5,7 9,9 18,9 34,6 69,2 142,5 317

N-} 4,5 8,5 14,1 24,8 45,5 87,6 185

6,5 10,8 18,6 32,8 64 127 270

N с 12,8 20,9 29,9 45 71,5 120 219

16,8 24,6 36,4 55,4 93,6 161 300

Е четвертой главе рассматривается математическая модель задачи оптимизации конструкции искусственного основания аэродромных покрытий. Задача выбора оптимальной конструкции искусственного основания тробует выявления связей в рассматриваемой системе. Несущая способность кестких аэродромных покрытий является достаточно сложной функцией многих величин:

ф- f С[ у, Ui.mvjm^j П-р , RN,

¡¿ь , С J Сссл J

Объектами оптимизации конструкции искусственного основания яеегких покрытий .могут быть:

параметры однослойных бетонных и армобетокных покрытий на искусственных основаниях, включающих ряд слоев;

параметры двухслойных покрытий, устраиваемых на искусственных основаниях разного типа.

В работе общими условиями и элементами оптимизации конструкций искусственного основания зестких покрытий являются:

соотношения между толщинами слоев однослойных бетонных и ариобетонных покрытий и искусственных оснований с учетом физико-механических характеристик используемых материалов;

выбор оптимальной толщины основания с учетом механических свойств грунта.

Расчетная схема для математической модели задачи оптимизации жестких покрытий и грунтовых оснований (рис.2) включает следующие виды:

однослойные бетонные; однослойные зрмобетонные; асфальтобетон или слабоармированные; грунтовые основания.

Слабоармированные

Армобетон

Бетон

Искусственное основание Грунт

Рис.2

Все рассматриваемые конструкции основания должны удовлетворять требованию прочности покрытий и прочности грунта: Мр ^ М л-р

а-р = д-У

' ПЪ

Задача оптимизации конструкции искусственных оснований гест-ких покрытий заключается в следующем. Требуется найти

где

<1<0

Вектор управляемых переменных задачи к целевая функция имеет

Такие значения управляемых переменных компонентов вектора, при которых минимизируется целевая функция:

где Сл.р - минимальные суммарные приведенные затраты либо ее значение близко к С. ^ с учетом дополнительных критериев оптимальности (материалоемкость, надежность и др.), задаваемых проектировщиком в процессе проектирования.

В рамках настоящей работы, кроме определения оптимального решения исх;усственных оснований жестких покрытий был произведен машинный эксперимент. Для расчетов и эксперимента автор использовал персональную вычислительную машину "Коммодор б".

В конце четвертой главы представлены общая блок-схема и результаты исследований, которые показывают-соотношение между исходными данными и искусственными основаниями аэродромных покрытий в первом и во втором предельном состояниях. Способы расчетов полностью учитывают особенности работы искусственных оснований жестких покрытий и показывают, как определить толщины оснований в зависимости от коэффициента постели

На основании анализа и расчетов ыохно сделать следующие выводы:

I. Образование пластических деформаций в грунтовом основании наступает тогда, когда максимальные -касательные напряжения превысят предельную величину. Поскольку при сдвиговых деформациях от повторных нагрузок в грунтовых основаниях неизбежно образование значительных остаточных осадок поверхности, приводящих к

вид:

(15)

(16)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

разрушению покрытий, зги деформации являются недопустимыми для грунтовых оснований аэродромных покрытий или они должны быть сведены к никиауму.

2; Для обеспечения надежности и долговечности аэродромных покрытий необходимо обязательно рассматривать условия образования сдвиговых деформаций в грунтовом основании и учитывать их при расчете. Это условие приводит к необходимости рассматривать не одно предельное состояние по прочности покрытий (как это установлено в существующих нормативных документах - СНиП 2.05.08-85 -Аэродромы и др.), а два предельных состояния: по прочности покрытия и по прочности грунта.

3. Порядок расчета жестких покрытий аэродромов с учетом устойчивости грунтов из условия предельного равновесия устанавливается следувиий:

исходя из величины самолетной нагрузки и характеристики грунта назначаем конструкцию покрытия;

проводим проверку прочности данной конструкции, исходя из условия пергого предельного состояния. Если это условие удовлетворяется, переходим к расчету по второму предельному состоянию;

сопоставляем толщины покрытий, полученные по первому и второму предельным состояниям и принимаем за расчетную толщину -максимальную.

Преимущество изложенного метода состоит в тон, что он основывается на строгих теоретических решениях теории предельного разлозесия грунтов и экспериментальных данных и не использует такие неопределенные коэффициенты, как коэффициент агрессивности по-двияной нагрузки, коэффициенты защемления и зацепления частиц ■грунта, принимаемых в современных методах расчета.

5. Эти результаты гарантируют надежность работы искусственных оснований с учетом прочности материала и предусматривают пластические деформации в грунтовом основании, что способствует-повышению прочности и долговечности покрытий азродромоз.