автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Определение несущей способности нежестких покрытий аэродромов в период отрицательных температур

На правах рукописи

ЛЕДОВСКАЯ Наталья Сергеевна

□□34Э22Б5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

НЕЖЕСТКИХ ПОКРЫТИЙ АЭРОДРОМОВ В ПЕРИОД ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР

(05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ФЕВ 2010

Москва 2010

003492265

Работа выполнена на кафедре «Аэропорты» в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете).

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент

Сабуреикова Валентина Александровна

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Руденский Андрей Владимирович, зав. сектором асфальтобетонных работ Г'УП «НИИМосстрой»

- кандидат технических наук, Петрович Павел Павлович,

доцент кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» МАДИ (ГТУ)

Ведущая организация: - ОАО «ПИ и НИИ ВТ «Ленаэропроект»

Защита диссертации состоится «18» марта 2010 г. в 10 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125319, г. Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

Телефон для справок: (495) 155-93-24.

С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать по E-mail: uchsovet @ madi .ru.

Автореферат разослан «/£ » февраля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Н.В. Борисюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время в Гражданской Авиации существенно изменился парк воздушных судов (ВС). Вместо отечественных все больше эксплуатируются зарубежные самолеты, требующие более прочных конструкций аэродромных покрытий. Вместе с тем многие капитальные покрытия аэродромов в России требуют текущего или капитального ремонта и не могут выдерживать повышенные нагрузки.

В связи с дефицитом финансирования аэропортов целесообразно использовать существующие аэродромы для ВС, оказывающих на покрытия большее силовое воздействие по сравнению с расчетными нагрузками, за счет более полного исчерпания имеющихся резервов несущей способности покрытий. Этого можно добиться путем подбора соответствующего режима их эксплуатации с учетом климатических и гидрогеологических особенностей районов расположения аэродромов. Дифференцированный подход к учету несущей способности покрытия и грунтового основания в зависимости от температуры также способствует снижению расхода дорогостоящих материалов при реконструкции существующих покрытий.

Накопленный опыт эксплуатации аэродромов показывает, что несущая способность искусственных покрытий используется в большинстве случаев не полностью, без учета сезонного изменения прочности конструктивных слоев и грунтового основания. Согласно существующим нормам проектирования и эксплуатации аэродромов прочность нежестких покрытий рассчитывается для периода года, когда несущая способность грунтового основания наименьшая, а температура покрытия максимальная для этого периода.

Расчет несущей способности покрытий по фактическим характеристикам материалов слоев конструкции и подстилающих грунтов при отрицательных температурах позволит учесть имеющийся запас прочности покрытий. В ряде случаев это существенно повысит рентабельность авиаперевозок за счет увеличения взлетной массы и/или допустимого количества взлетно-посадочных операций (ВПО) при промерзании нежесткого покрытия и грунта без дополнительных материальных затрат.

Существует методика по оценке несущей способности жестких аэродромных покрытий в осенне-зимний период, которая позволяет определить фактический режим выполнения ВПО с учетом увеличения прочности мерзлого основания. Для нежестких покрытий такой методики не существует. Одним из наименее изученных аспектов при разработке этой методики является изменение деформативных свойств асфальтобетонного покрытия при отрицательных температурах.

С учетом изложенного целью настоящей диссертации является разработка методики оценки несущей способности аэродромных покрытий нежесткого типа в период устойчивых отрицательных температур на основе экспериментальных и теоретических исследований.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие основные задачи:

1. Выполнить статистический анализ расположения аэродромов с нежесткими покрытиями и распространения типов подстилающих грунтов на территории РФ.

2. Получить зависимости глубины промерзания и модуля упругости грунта от температуры на основании анализа существующих исследований процесса промерзания-оттаивания фунтов.

3. Выполнить лабораторные исследования деформационных и прочностных свойств асфальтобетона при отрицательных температурах.

4. Провести теоретические исследования силового воздействия на аэродромные покрытия с учетом вероятностного характера распределения нагрузок от ВС.

5. Разработать методику определения несущей способности нежесткого покрытия при отрицательных температурах и программное обеспечение для ее автоматизации.

6. Дать практические рекомендации по определению несущей способности нежесткого покрытия при отрицательных температурах.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• проведены лабораторные испытания, результаты которых позволили получить зависимости деформативных и прочностных свойств асфальтобетона от температуры;

» получены диаграммы распределения вероятностей проходов ВС с учетом их силового воздействия на различные участки аэродрома;

• на основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика и программное обеспечение для определения несущей способности нежестких аэродромных покрытий в нерасчетный период эксплуатации;

• разработаны практические рекомендации по определению несущей способности нежесткого покрытия при отрицательных температурах.

Практическая значимость заключается в разработке методики оценки несущей способности нежестких аэродромных покрытий в нерасчетный период. Разработанная методика позволит увеличить допустимую взлетную

массу ВС и/или допустимое количество взлетно-посадочных операций при промерзании нежесткого покрытия и грунта.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены ФГУП ГПИ и НИИ ГА «Аэропроект» при разработке проекта реконструкции аэродромных покрытий аэропорта Ханты-Мансийск (Арх. №3207), также результаты исследований используются на кафедре «Аэропорты» МАДИ (ГТУ) в учебном процессе при изучении дисциплин «Изыскания и проектирование аэродромов», «Реконструкция аэродромов» и при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены на 65 и 66 научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ(ГТУ) в 2007, 2008 гг., на международных научно-технических конференциях «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» и «Состояние и перспективы транспорта, обеспечение безопасности дорожного движения» в 2008, 2009 гг. (г. Пермь).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 работа в научном журнале, находящемся в списке ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 149 наименований. Работа содержит 190 страниц печатного текста, 43 рисунка, 22 таблицы, одно приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цель исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава диссертации посвящена состоянию вопроса оценки возможности эксплуатации аэродромных покрытий воздушными судами.

Методы расчета нежестких аэродромных покрытий очень разнообразны. Можно выделить две основные группы: 1) теоретические, 2) эмпирические. В зарубежной практике наибольшее распространение получили методы второй группы: СВИ. (США), Мак-Леода (Канада), ЬСЫ (Англия), метод АСИ-РСЫ (ИКАО). В России существует метод расчета нежестких аэродромных покрытий по СНиП 2.05.08-85 «Аэродромы», который разработан на основе теоретических и эмпирических исследований.

Существующие нормативные методы расчета прочности нежестких аэродромных покрытий основаны на характеристиках материалов конструктивных слоев и грунтов в расчетный период времени, когда несущая

способность грунтового основания наименьшая. При проектировании нежестких покрытий используется приведенная повторяемость нагрузок от проходов ВС без учета их вероятностно-статистической изменчивости. Для оценки возможности эксплуатации существующих конструкций определенными типами ВС целесообразнее учитывать вероятностный характер воздействия нагрузок от ВС на искусственное покрытие.

При исследовании несущей способности нежестких покрытий наиболее важными являются деформативные свойства асфальтобетона и грунтовых оснований. Исследованием деформативности асфальтобетонных покрытий занимались: А. В. Беляев, А. М. Богуславский, Н. Б. Васильев, Ю. Н. Волков, В. А. Гвоздев, Л. Б. Гезекцвей, Н. В. Горелышев, Л. С. Губач, В. А. Золотарёв, Э. А. Казарновская, В. Д. Казарновский, И. В. Королёв, В. А. Кретов, В. В. Мозговой, С. Л. Нерубенко, Б. Г. Печеный, С. Г. Пономарева, Б. С. Радовский, И. М. Руденская, А. В. Руденский, Б. М. Слепая, Г. К. Сюньи, В. А. Чернигов, Ю. М. Яковлев к другие.

Деформативность асфальтобетона при отрицательных температурах значительно зависит от свойств входящего в его состав битума. Исследованиями деформативных свойств битумов при различных температурах и условиях нагружения занимались И. М. Руденская и А. В. Руденский.

Значительный вклад в исследования и изыскания в области определения несущей способности аэродромных покрытий и их естественного основания в период отрицательных температур привнесли в 70-80-е годы специалисты организации Ленаэропроект: В. М. Ваганов, В. Н. Вторушин, Н. М. Герцова, А. Е. Григорьев, П Я. Ключников, И. О. Крылов, Л. Я. Курочкина, Ю. С. Петрухин, Г. Д. Шумилова и другие. Однако деформативные свойства асфальтобетона так и остались мало изученными.

Кроме слоев искусственного основания на несущую способность нежестких покрытий значительно влияют деформативные и прочностные свойства подстилающих грунтов. Исследованию вопроса изменения сезонной деформируемости естественных фунтовых оснований под действием статических нафузок посвящены работы: В. Б. Бабкова, А. К. Бирули, Ю. Я. Велли, Н. М. Терцовой, С. А. Голованенко, В. В. Докучаева, Н. Н. Иванова, В. С. Искрина, Г. Я. Ключникова, Л. И. Манвелова, Д. Д. Матюшина, И. А. Медникова, В. К. Некрасова, Н. В. Орнатского, А. В. Павлова, В. П. Попова, Н. А. Пузакова, Б. С. Раева-Богословского, А. С. Смирнова, А. Я. Тулаева, Н. Ф. Федорова, Н. А. Цытовича, И. И. Черкасова, А. А. Чуткова и других ученых.

Анализ состояния вопроса оценки возможности эксплуатации аэродромных покрытий ВС показал, что необходимо уточнить деформативные и прочностные свойства асфальтобетона в зависимости от температуры. Имеющиеся закономерности изменения свойств грунтов при промерзании целесообразно использовать при расчете несущей способности нежестких покрытий в период отрицательных температур.

Вторая глава содержит анализ условий работы нежестких аэродромных покрытий России.

Территория РФ огромна, поэтому климатические факторы по территории страны очень различаются. В рамках данной работы проведено исследование конструкций искусственных покрытий аэродромов. Установлено, что 20,3 % от числа действующих аэропортов с капитальными искусственными покрытиями имеют конструкции нежесткого типа. Это свидетельствует о широком распространении асфальтобетонных покрытий на аэродромах РФ. Таким образом, изучение свойств нежестких покрытий при отрицательных температурах является актуальным вопросом, требующим дальнейших исследований.

При исследовании грунтов, распространенных на аэродромах с нежестким покрытием, было определено процентное соотношение типов естественных грунтов, залегающих в районах рассмотренных аэропортов. На диаграмме (рис. 1) видно, что наиболее распространенным типом грунтов на аэродромах с нежестким типом покрытий является суглинок.

4,2% 4,2%

-глина

-скальные породы

нв

-галечник

-песок

МшиИт

-суглинок

79%

Рис. 1. Процентное соотношение типов подстилающих грунтов аэродромов с нежесткими конструкциями покрытий

Проведен анализ существующих исследований процессов промерзания-оттаивания грунтов и конструктивных слоев нежесткого покрытия. При промерзании различные виды грунтов по-разному проявляют свои свойства, переходя из пластичного в мерзлое состояние. Пылеватые пески промерзают при температуре ниже -0,3°С; супеси - -0,6°С, суглинки - -1°С, глины - -1,5°С. Скорость промерзания фунтов составляет 1,5-3 см в сутки (при среднесуточной отрицательной температуре воздуха), средняя скорость оттаивания - 2-4 см в сутки (при среднесуточной положительной температуре воздуха).

При расчете несущей способности нежестких аэродромных покрытий грунт характеризуется модулем упругости. В нормативном методе расчета используются значения модулей упругости в наиболее неблагоприятный для грунтов период года (весенний период). Для определения несущей способности в нерасчетный период необходимы значения модулей упругости грунтов в зависимости от температуры. Анализ существующих исследований свойств грунтов показал, что наиболее приемлемыми при расчете несущей способности нежесткой конструкции являются регрессионные зависимости модуля упругости фунта от отрицательной температуры, полученные Н. А. Цытовичем: для мерзлого песка

Е = (0,5 + 2,1 • б) • 104, кГс/см2; (!)

для мерзлого пылеватого грунта

£ = (0,4+1,4 ■ fi) ■ 104, кГс/см2; (2)

для мерзлой глины

Е = (0,5 + 0,23 • $)• 10", кГс/см2, (3)

где в - абсолютное значение величины отрицательной температуры мерзлого грунта, °С.

В третьей главе представлены лабораторные исследования прочностных и деформационных свойств асфальтобетона при отрицательных температурах. В ходе эксперимента в лаборатории ФГУП ГПИ и НИИ ГА «Аэропроект» были изготовлены асфальтобетонные образцы-балочки 4x4x16 см. Балочки доводились до выбранных температурных значений (+20, +10, 0, -5, -10, -15, -20, -30, -40 и -50°С) с помощью ультранизкотемпературного морозильника MDF-C8V Sanyo и низкотемпературной лабораторной электропечи SNOL 58/350 и испытывались на специально изготовленной испытательной установке (рис. 2). Для каждой температуры были испытаны по три образца.

Рис. 2. Прибор для испытаний образцов-балочек:

1 - винт; 2 - гайки; 3 - шарик для точечной передачи нагрузки; 4 - стальная накладка с нижней плоской поверхностью; 5 — образец-балочка размером 4x4x16 см; 6 - подвижная опора; 7 - станина; 8 - пластина для закрепления винта и стальных стержней; 9 - силомер (для нагружения до 2,5 т); 10 - неподвижная опора; 11 - стальные стержни; 12 - стержень-удлинитель прогибомера; 13 — площадка для прогибомера; 14 - прогибомер; 15 - корпус цилиндрического типа

!

/и/), мм 0,65 ■ 0,60 ■ 0,55 ■ 0,50 ■ 0,45 ■ 0,40 • 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

--1-----------:----

1 - - ----------

■ ........ .' ■ ...........\jjrfb* -

7777Т 1 ; . . ... ... . ..

Л КГ

8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 ! ♦ Образец 1 • Образец 2 а

! 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168 Образец 3 —Среднее значение

Рис. 3. Зависимость прогиба от прикладываемой нагрузки при температуре образцов -10°С

На каждом графике выделялся линейный участок, соответствующий упругой стадии работы образца. Модуль упругости асфальтобетон Е рассчитывался согласно ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний» по формуле

Р1Ъ

(4)

Е =

10 ,МПа,

где

- нагрузка на образец, Н;

- расстояние между опорами, см;

- прогиб образца в середине пролета, см;

- ширина образца, см;

- высота образца, см;

- коэффициент пересчета в МПа.

С целью учета упругого обмятия деформируемого образца в зонах контакта с опорами и упругой податливости опор проводились испытания дополнительного образца. Для этой цели поверх балочки на двух опорах укладывалась жесткая стальная пластинка. Нагружение производилось до разрушающей нагрузки для образцов-балочек данного опыта (определенной температуры). При этом асфальтобетонная балочка не изгибалась, а только обратимо смещалась в вертикальном направлении относительно опорной

Р

I /

Л пр

Ъ И

Ю-2

станины. Эти дополнительные смещения образца-балочки , , соответствующие максимальной и минимальной нагрузкам, тоже фиксировались индикатором.

С учетом дополнительного смещения, обусловленного обмятием образца на опорах, формулу (4) можно записать в виде

(Р -Р-)-1ъ

V шах пни / *

где /> Р .

" •* тах'1 тш

1(Г2,МПа,

(5)

У тах > У т1]

/•с гс

J шах > У тш

- максимальная и минимальная нагрузки, соответствующие упругой стадии работы образца;

прогибы в центре балочки, соответствующие максимальной и минимальной нагрузкам;

- дополнительные смещения балочек, соответствующие максимальной и минимальной нагрузкам.

За величину модуля упругости принималось среднеарифметическое значение испытаний трех образцов, округленное до целого.

Полученные значения модуля упругости асфальтобетона в зависимости от температуры изображены на рис. 4.

Е, МПа

——--беев-

т,° С

-55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Рис. 4. Зависимость модуля упругости асфальтобетона от температуры

По результатам испытаний проведен регрессионный анализ зависимости модуля упругости асфальтобетона от отрицательной температуры. Как видно из графика (рис. 4), модуль упругости является убывающей кусочно-линейной функцией от температуры. Уравнение регрессии для отрицательной области изменения температур имеет следующий вид

у = 1277,26-91,29-х,

(6)

где У - модуль упругости асфальтобетона; х - температура асфальтобетона.

В работе проведен статистический анализ уравнения регрессии. Для проверки адекватности уравнения регрессии статистическим данным по критерию Фишера были определены усредненная внутренняя дисперсия регрессии и остаточная дисперсия.

Усредненная внутренняя дисперсия регрессии равна

где п - количество опытов;

к - количество образцов в каждом опыте; / - количество определяемых коэффициентов регрессии; у - значение модуля упругости асфальтобетона у'-ого образца в г-ом опыте;

у. - среднее значение модуля упругости асфальтобетона трех

образцов в г-ом опыте. Остаточная дисперсия равна

где У - количество независимых переменных в правой части уравнения регрессии, в данном случае у - 1 ;

- теоретическое значение модуля упругости асфальтобетона для г'-ого опыта, определенное по уравнению регрессии (6). Статистическое значение критерия Фишера равно

Для /0 =8-1-1 = 6 и/ = 8-2=6 значение- 4,28.При полученных статистическом и критическом значениях критерия Фишера формула (10)

= ^¿¿(Ум-*) =48173,

п-1 ¡~\ о-г ,=1 ;=1

(7)

* "^т ру.-у-.) т

имеет вид 3,94 < 4,28, что свидетельствует об адекватности уравнения регрессии.

По результатам испытаний был определен также предел прочности на растяжение при изгибе Я,13г, который вычислен по формуле

= 10 2, МПа, (11)

2 • Ь ■ п

где р - разрушающая нагрузка на образец.

За результат определения принималось среднеарифметическое значение испытания трех образцов, округленное до второго десятичного знака.

Зависимости предела прочности на растяжение при изгибе от температуры с полученным уравнением регрессии представлены на рис. 5.

Я шг, МПа

---;—--

—шт^

у = 0,00004х3 + 0,0008х2 - 0.096х + 4,6877

1

-55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Рис. 5. Зависимость пределов прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе от температуры

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям числа приложений нагрузок от ВС на аэродромные покрытия.

Основной нагрузкой на конструкцию аэродромного покрытия является воздействие опор ВС. Это воздействие носит случайный характер, как по числу приложений, так и по величине нагрузки от каждой ВПО. При проектировании нежестких аэродромных покрытий случайный характер силового воздействия от конкретных типов ВС не учитывается. Интенсивности при расчете задаются среднесуточным числом взлетов ВС, принимаемым для последнего года проектного срока службы. Определение и учет вероятности распределения

нагрузок при задании режима эксплуатации покрытия в отдельные периоды года позволят полнее использовать его несущую способность и не допустят перегрузки конструкции.

Для учета вероятностного характера приложений нагрузок на аэродромные покрытия нежесткого типа в работе проведено исследование интенсивности нагружений аэродромных покрытий ВС. Для исследования был взят парк самолетов, относящийся ко II категории нормативной нагрузки. ВС этой категории наиболее часто эксплуатируются на аэродромах с нежесткими покрытиями. Так как опоры исследуемых ВС значительно отличаются, самолеты были разделены на группы. Для 14-ти полученных групп проведен статистический анализ проходов ВС по ширине участков покрытия взлетно-посадочной полосы (ВПП) и магистральной рулежной дорожки (МРД).

Приведенные повторности нагрузок от проходов ВС определены по формуле

где Р{Х) - вероятности воздействия нагрузок от колес главных опор ВС в конкретных сечениях покрытия участков аэродрома;

N - среднесуточное число взлетов /-го ВС, принимаемое для последнего года проектного срока службы покрытия, равного 10 годам;

п - число осей, принимаемое равным 1, если общая толщина нежесткой конструкции больше половины расстояния между осями ближайших колес на опоре, в остальных случаях, а также при расчете прочности асфальтобетонных слоев на изгиб принимается равным числу осей в основной опоре ВС;

к - коэффициент приведения нагрузок, определяемый с учетом эмпирической зависимости Б. С. Радовского.

Вероятности воздействия нагрузок от колес главных опор ВС вычислены по методике, разработанной А. П. Степушиным. Учитывая, что параметр X, согласно данным исследований, имеет нормальный закон распределения, значения Р(Х) определены по формуле

где и 22 - нормированные аргументы, определяемые по формулам

(12)

/=1

(13)

Ь„ - ширина расчетной полосы движения;

X и Б ~ математическое ожидание и среднеквадратическое

отклонение, характеризующие распределение проходов колес главных шасси ¡-го ВС по ширине участков аэродрома.

ф{22) и Ф{2Х) - интегралы вероятностей, определяемые по таблицам М- распределения.

Формула (12) учитывает вероятность воздействия нагрузок Р(Х) от колес главных опор ВС в конкретных сечениях покрытия участков аэродрома. Эго позволит наиболее адекватно использовать ресурс конструкции и получить дополнительный экономический эффект, не перегружая ее.

На основании проведенного исследования построены диаграммы распределения вероятностей проходов колес главных опор ВС для ВПП и МРД.

Для расчета вероятности силового воздействия опор ВС формула (12) была преобразована к виду

об)

¿=1

где р{х) = Р(х)-па -кп - вероятностный коэффициент приведения /-ой

опоры ВС к расчетной опоре с учетом силового воздействия.

По результатам расчета построены диаграммы распределения вероятностей проходов ВС на грунт и асфальтобетон по ширине аэродромного покрытия с учетом силового воздействия от опор рассматриваемых самолетов по ширине ВПП (рис. 5 и 6) и МРД. Анализ диаграмм показал, что наибольшую нагрузку будет воспринимать участок, расположенный на расстоянии примерно 4,8 м от оси МРД и примерно 5 м от оси ВПП. Наибольшее силовое воздействие на искусственное покрытие оказывают ВС типа А-300-В2-1, А-310-200-1, А-310-200-2, В-747-100В-8К, В-767-200.

В пятой главе приведена методика определения несущей способности аэродромных покрытий в период отрицательных температур, которая основана на нормативном методе расчета с ненормированными характеристиками слоев искусственного покрытия, основания и грунта. Эти характеристики должны быть получены в результате исследования свойств материалов в условиях

Рр(Х)

—о р— /* \

Л

...

/ \

4 \

/ Л

"1Т~ N V

-г4* ач Й

X, м

-7 -6-5-4-3-2-10 1 2 3

7 8

-•-Группа 1 -О—Группа 6 -В-Группа 11

-Группа 2 -Группа 7

9 10 11 12 -Группа 4 Группа 9

13 14 15 -Ж-Группа 5 Труппа 10

4 5 6 Группа 3

-Группа 8

-1Л—Группа 12 -Группа 13 —Группа 14

Рис. 5. Диаграммы распределения вероятностных коэффициентов приведения опор ВС к расчетной опоре с учетом силового воздействия на грунт по ширине ВПП

г-+ А-

/ \

/ /

/

V

г —■ 1 г—¥— - —К

X, м

-7 -6 -5 -4 ♦■Группа 1 Группа 6 Группа 11

-3 -2-10 1

-♦-Группа 2 —^-Группа 7 -¿г-Группа 12

2 3

4 5 6 -Группа 3 -Группа 8 -Группа 13

Рис. 6. Диаграммы распределения вероятностных коэффициентов приведения опор ВС к расчетной опоре с учетом силового воздействия на асфальтобетон

по ширине ВПП

8 9 10 11 12 13 14 15

Группа 4 Группа 5

-^г-Группа 9 Труппа 10 -—-Группа 14

нерасчетного периода - периода устойчивых отрицательных температур, определяемого по датам перехода среднедекадных температур воздуха через ноль градусов.

Методика предназначена для определения типов ВС, их максимально допустимых взлетных масс и интенсивностей движения на аэродроме с нежесткими покрытиями в период года с отрицательными температурами.

Основными этапами данной методики являются:

1. Отбор кернов из асфальтобетонного покрытия.

2. Лабораторные испытания асфальтобетонных образцов.

3. Получение регрессионных зависимостей модуля упругости и сопротивления растяжению при изгибе асфальтобетона от температуры.

4. Определение глубины промерзания конструкции покрытия и основания в зависимости от температуры.

5. Определение модулей упругости и соответствующих им толщин слоев искусственного и естественного оснований в зависимости от глубины промерзания.

6. Определение допустимой нагрузки на покрытие.

7. Оценка возможности эксплуатации сверхрасчетных для данного аэропорта типов ВС, определение их взлетных масс и интенсивности движения.

Также в пятой главе изложен алгоритм программы Агр£ разработанной в данной работе для автоматизированного расчета несущей способности нежестких покрытий в нерасчетный период.

Для разработки практических рекомендаций по применению изложенной методики был проведен анализ конструкций капитальных нежестких покрытий, который показал, что наиболее часто встречаются два вида конструкций, представленных на рис. 7.

В соответствии с полученными данными, вычислены средние значения толщин слоев нежесткого покрытия и определена конструкция (рис. 7а), наиболее распространенная на аэродромах. На примере этой конструкции даны практические рекомендации по применению разработанной методики. Несущая способности этой конструкции была рассчитана для различных температур от +20 до -50°С.

Для расчета были приняты следующие исходные данные. Конструкция состоит из двух слоев асфальтобетона толщиной 0,09 и 0,16 м; слоя щебня

толщиной 0,15 м и слоя песка толщиной 0,30 м. Грунт естественного основания — суглинок.

а) б)

Щебень

Песок

/7/ 777 777 77/ /// 777"

Грунт естественного основания - суглинок

Асфальтобетон Асфальтобетон Асфальтобетон Черный щебень

Асфальтобетон

Асфальтобетон

Асфальтобетон Черный щебень

Песчано-гравийная смесь

//

Грунт естественного основания - суглинок

Рис. 7. Типы наиболее распространенных конструкций нежестких аэродромных покрытий

Характеристики асфальтобетона приняты по результатам лабораторных испытаний, выполненных в третьей главе. Значения модулей упругости для различных температур определены по регрессионной зависимости (6). Расчетное сопротивление растяжению при изгибе определено по формуле

К^К.-К,, о?)

где - предел прочности на растяжение при изгибе асфальтобетона,

рассчитанный по регрессионной зависимости (см. рис. 5);

К - коэффициент запаса на повторное воздействие нагрузок, учитывающий развитие усталостных воздействий явлений в материале и рассчитываемый по формуле

1 (18) тг _ 1

Л> у),16'

где N - количество проходов самолетной нагрузки по одному следу за весь расчетный период в году.

При расчете значения Ку величина N принималась равной 4.

Расчетные толщины талых и мерзлых слоев конструкции принимались в соответствии с графиком хода температур воздуха и глубин промерзания -оттаивания основания покрытия.

Модуль упругости щебня принимался постоянным для всех температур. Значения модуля упругости песка и суглинка при температурах от +20 до -5°С принимались в соответствии со СНиП 2.05.08-85 «Аэродромы». При температурах -5 и -10°С расчетные значения модулей упругости песка и суглинка принимались по формулам (1) и (2), полученным Н. А. Цытовичем для температур не ниже -10°С. При более низких температурах в расчете приняты модули упругости, соответствующие значениям при температуре -10°С.

Расчет несущей способности конструкции выполнен по разработанной программе АгрГ. В результате расчета были получены величины допустимой нагрузки от стандартной четырехколесной опоры ВС. Исходные данные и результаты расчета несущей способности приведенной конструкции в зависимости от величины температуры представлены в таблице.

Из анализа полученных значений допустимой нагрузки от ВС, приведенных в таблице, можно сделать вывод, что несущая способность нежесткого аэродромного покрытия начинает повышаться даже при понижении положительных температур. Повышение прочности нежесткого покрытия происходит до отметки -20°С, далее прочность конструкции понижается.

Для любой отрицательной температуры можно найти в таблице значение допустимой нагрузки и, в соответствии с этапом 7 методики определения несущей способности нежестких аэродромных покрытий, определить допустимый режим эксплуатации покрытия при этой температуре, т.е. типы ВС, их взлетные массы и интенсивности движения.

Для практического применения предлагаемой методики рекомендуется выполнить лабораторные испытания различных марок асфальтобетонов, применяемых в аэродромном строительстве, и полученные характеристики использовать в дальнейших расчетах. Это позволит не выполнять п.п. 1-3 методики для каждого аэропорта.

На основе климатологических справочников и данных метеонаблюдений в аэропортах рекомендуется составить графики хода температур воздуха и глубин промерзания - оттаивания оснований покрытий для районов России с продолжительным периодом устойчивых отрицательных температур.

Дополнение методики фактическими данными позволит более оперативно определять режим эксплуатации аэродромных покрытий. Получение и систематизация этих данных являются целью дальнейших исследований по усовершенствованию методики определения несущей способности аэродромных покрытий в период отрицательных температур.

Таблица

Температура,^ Модуль упругости асфаль- Расчетное сопротивление растяжению при изгибе Толщины асфальтобетонных слоев, м Модуль упругости Толщина щебня Модуль упругости мерз- Толщина мерзлого песка Модуль упругости талого Толщина талого песка Модуль упругости мерз- Толщина мерзлого грунта Модуль упругости талого Допустимая нагрузка от ВС

тобетона асфальтобетона верхний нижний щебня лого песка песка лого грунта грунта

+20 993 1,40 0 0 0,30 0 0 527

+10 1138 1,63 0 0 0,30 0 0 584

0 1265 1,94 0 0 0,30 0 0 631

-5 1567 2,11 130 0.10 0,20 74 0 739

-10 2305 2,36 0,09 0,16 450 0,15 215 0,30 120 0 144 0,30 24 845

„15 2720 2,60 215 0,30 0 144 0,80 934

-20 3055 2,83 215 0,30 0 144 1,30 1031

-30 4106 3,01 215 0,30 0 144 1,50 992

-40 4990 3,03 215 0,30 0 144 1,50 946

-50 5717 2,85 215 0,30 0 144 1,50 859

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные статистические исследования аэродромных покрытий РФ показали, что 20,3 % от числа действующих аэропортов имеют искусственные покрытия нежесткого типа с подстилающими грунтами, представленными в 79 % суглинками.

2. Анализ существующих исследований свойств грунтов показал, что наиболее приемлемыми при расчете несущей способности нежесткой конструкции являются регрессионные зависимости модуля упругости грунта от отрицательной температуры, полученные Н. А. Цытовичем.

3. Для определения характеристик асфальтобетона при различных температурах была изготовлена экспериментальная установка, которая может быть использована в дальнейшем при оценке несущей способности нежестких покрытий по предлагаемой методике. На основании экспериментальных исследований установлены расчетные значения деформационных и прочностных характеристик асфальтобетона при отрицательных температурах.

4. Проведенные теоретические исследования силового воздействия на аэродромные покрытия с учетом вероятностного характера распределения нагрузок от ВС представлены в виде диаграмм распределения вероятностных коэффициентов приведения опор ВС к расчетной опоре с учетом силового воздействия. Использование подобных диаграмм при определении возможности эксплуатации заданного парка ВС на аэродромном покрытии в нерасчетный период времени позволит наиболее адекватно использовать ресурс конструкции и получить дополнительный экономический эффект, не перегружая ее.

5. Разработана методика определения несущей способности нежесткого покрытия при отрицательных температурах, для автоматизации которой составлена программа Агр{", позволяющая рассчитать величину допустимой нагрузки от ВС.

6. Предложены практические рекомендации по определению несущей способности нежестких аэродромных покрытий в период отрицательных температур.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Апестина В. П., Сабуренкова В. А., Дедовская Н. С. Оценка несущей способности искусственных покрытий аэродромов / Проектирование, строительство и эксплуатация аэродромов: сб. науч. тр. - М.: ротапринт МАДИ (ГТУ), 2007. - с. 61-72.

2. Дедовская Н. С. Оценка несущей способности аэродромных покрытий в период устойчивых отрицательных температур / Материалы международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» 17-18 апреля 2008 г. / Пермский государственный технический ун-т. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. - с. 64-68.

3. Дедовская Н. С. К расчету нежестких и смешанных жестких аэродромных покрытий при отрицательных температурах / Автомобильные дороги №8 - М.: Дороги, 2008. - с. 93-95.

4. Дедовская Н. С. К определению модуля упругости асфальтобетона при отрицательных температурах / Материалы международной научно-технической конференции к 30-летию автодорожного факультета Пермского государственного технического университета «Состояние и перспективы транспорта, обеспечение безопасности дорожного движения» 16-17 апреля 2009 г. Том I. / Пермский государственный технический ун-т. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2009. - с. 211 -215.

5. Дедовская Н.С. Расчет несущей способности аэродромных покрытий в зимний период / Актуальные вопросы проектирования, строительства и эксплуатации зданий, сооружений аэропортов / Сб. трудов участников научно-практической конференции. - М.: Изд-во Воздушный транспорт, 2009.-е. 105-108.

6. Дедовская Н. С. К расчету несущей способности нежестких аэродромных покрытий при отрицательных температурах / Транспортное строительство № 11 - М.: Центр Трансстройиздат, 2009. - с. 13-15.

Подписано в печать 12 февраля 2010 г Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 9

"Техполиграфцентр" Россия, 125319 , г. Москва, ул. Усиевича, д. 8 а. Тел.: 8-916-191-08-51

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ ВОЗДУШНЫМИ СУДАМИ.

1.1. Обзор существующих методов определения несущей способности аэродромных покрытий.

1.1.1. Нормативный отечественный метод расчета несущей способности аэродромных покрытий.

1.1.2. Зарубежные методы расчета нежестких покрытий.

1.2. Существующие исследования свойств асфальтобетона.

1.3. Существующие исследования свойств грунтов.

1.4. Выводы, цель и задачи исследования.

Глава II. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ НЕЖЕСТКИХ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ РФ.

2.1. Географическое положение аэродромов.

2.2. Модули упругости грунтов исследуемых аэродромов в расчетный период.

2.3. Исследование процессов промерзания-оттаивания грунтов конструктивных слоев нежесткого покрытия.

Выводы.

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАТИВНЫХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ.

3.1. Методика проведения эксперимента.

3.2. Исследование зависимости прогибов асфальтобетона от нагрузки и температуры.

3.3. Определение модулей упругости асфальтобетонных образцов-балочек.

3.4. Регрессионный анализ зависимости модуля упругости асфальтобетона от отрицательной температуры.

3.4.1. Определение регрессионной зависимости.

3.4.2. Статистический анализ уравнения регрессии.

3.4.3. Проверка адекватности уравнения регрессии экспериментальным данным.

3.5. Определение пределов прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе.

Выводы.

Глава IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧИСЛА ПРИЛОЖЕНИЙ НАГРУЗОК ОТ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА АЭРОДРОМНЫЕ ПОКРЫТИЯ.

4.1. Исследование вероятностного характера воздействия воздушных судов на аэродромные покрытия.

4.2. Статистический анализ проходов колес главных опор воздушных судов по ширине участков аэродромного покрытия.

4.3. Определение вероятности силового воздействия опор воздушных судов.

Выводы.

Глава V. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

5.1. Методика определения несущей способности нежестких аэродромных покрытий в период отрицательных температур.

5.2. Алгоритм автоматизированного расчета несущей способности нежестких покрытий.

В настоящее время в Гражданской Авиации существенно изменился парк воздушных судов (ВС). Вместо отечественных все больше эксплуатируются зарубежные самолеты, требующие более прочных конструкций аэродромных покрытий. Вместе с тем многие капитальные покрытия аэродромов в России требуют текущего или капитального ремонта и не могут выдерживать повышенные нагрузки.

В связи с дефицитом финансирования аэропортов целесообразно использовать существующие аэродромы для ВС, оказывающих на покрытия большее силовое воздействие по сравнению с расчетными нагрузками, за счет более полного исчерпания имеющихся резервов несущей способности покрытий. Этого можно добиться путем подбора соответствующего режима их эксплуатации с учетом климатических и гидрогеологических особенностей районов расположения аэродромов. Дифференцированный подход к учету несущей способности покрытия и грунтового основания в зависимости от температуры также способствует снижению расхода дорогостоящих материалов при реконструкции существующих покрытий.

Накопленный опыт эксплуатации аэродромов показывает, что несущая способность искусственных покрытий используется в большинстве случаев не полностью, без учета сезонного изменения прочности конструктивных слоев и грунтового основания. Согласно действующим нормам проектирования и эксплуатации аэродромов прочность нежестких покрытий рассчитывается для периода года, когда несущая способность грунтового основания наименьшая, а температура покрытия максимальная для этого периода.

Расчет несущей способности покрытий по фактическим характеристикам материалов слоев конструкции и подстилающих грунтов при отрицательных температурах позволит учесть имеющийся запас прочности покрытий. В ряде случаев это существенно повысит рентабельность авиаперевозок за счет увеличения взлетной массы и/или допустимого количества взлетно-посадочных операций (ВПО) при промерзании нежесткого покрытия и грунта без дополнительных материальных затрат.

В настоящее время действует методика по оценке несущей способности жестких аэродромных покрытий в осенне-зимний период, которая позволяет определить фактический режим выполнения ВПО с учетом увеличения прочности мерзлого основания. Для нежестких покрытий такой методики не существует. Одним из наименее изученных аспектов при разработке этой методики является изменение деформативных свойств асфальтобетонного покрытия при отрицательных температурах.

С учетом изложенного целью настоящей диссертации является разработка методики оценки прочности аэродромных покрытий нежесткого типа в период устойчивых отрицательных температур на основе экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• проведены лабораторные испытания, результаты которых позволили получить зависимости деформативных и прочностных свойств асфальтобетона от температуры;

• получены диаграммы распределения вероятностей проходов ВС с учетом их силового воздействия на различные участки аэродрома;

• на основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика и программное обеспечение для определения несущей способности нежестких аэродромных покрытий в нерасчетный период эксплуатации;

• разработаны практические рекомендации по определению несущей способности нежесткого покрытия при отрицательных температурах.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке методики оценки несущей способности нежестких аэродромных покрытий в нерасчетный период. Разработанная методика позволит увеличить допустимую взлетную массу ВС и/или допустимое количество ВПО при промерзании нежесткого покрытия и грунта.

Результаты проведенных исследований внедрены ФГУП ГПИ и НИИ ГА «Аэропроект» при разработке проекта реконструкции аэродромных покрытий аэропорта Ханты-Мансийск (Арх. №3207), результаты исследований используются на кафедре «Аэропорты» МАДИ (ГТУ) в учебном процессе при изучении дисциплин «Изыскания и проектирование аэродромов», «Реконструкция аэродромов», а также при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Основные положения и результаты исследований доложены на 65 и 66 научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДЩГТУ) в 2007, 2008 гг., на международных научно-технических конференциях «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» и «Состояние и перспективы транспорта, обеспечение безопасности дорожного движения» в 2008, 2009 гг. (г. Пермь).

По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 работа в научном журнале, находящемся в списке ВАК РФ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 149 наименований. Работа содержит 190 страниц печатного текста, 43 рисунка, 22 таблицы, одно приложение.