Пiдвищення строку служби аеродромних покриттів шляхом полiпшення умов роботи штучних основ

Размещено на http://www. allbest. ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Каратєєв Сергiй Миколайович

УДК 625. 717. 02: 625. 8 (043. 3)

ПIДВИЩЕННЯ СТРОКУ СЛУЖБИ АЕРОДРОМНИХ ПОКРИТТІВ ШЛЯХОМ ПОЛIПШЕННЯ УМОВ РОБОТИ ШТУЧНИХ ОСНОВ

05. 22. 11 - Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2005



Дисертацiєю є рукопис

Робота виконана на кафедрi реконструкцiї аеропортiв та автошляхiв Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Ципріанович Ігор Володимирович.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Павлюк Дмитро Олександрович, Національний транспортний університет, ст. науковий спiвробiтник кафедри “Аэропорти”;

кандидат технічних наук, Агєєва Галина Миколаївна, НДІ “Проектреконструкція”, керiвник вiддiлу технiчної полiтики й iнформатики .

Провідна установа: Київський національний університет будівництва та архітектури, кафедра основ i фундаментiв, Мiнiстерство освiти i науки України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться “ 10 ” червня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 059. 02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету (01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).

Автореферат розісланий “6” травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент I. А. Рутковська



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Підвищення рентабельності інвестицій в основні фонди аеропортів (зокрема аеродромних споруд) може бути забезпечено за умови максимального наближення дійсних строків служби аеродромних споруд до проектних, що з одного боку буде сприяти необхідному рівневі забезпечення регулярності польотів, а з другого - значному скороченню коштів на підтримання їх працездатності при зажаданому рівні безпеки польотів. На жаль, на теперішній час дійсні строки служби аеродромних покриттів (до першого капітального ремонту) ще суттєво поступаються проектним, особливо в кліматичних умовах І і ІІ дорожньо-кліматичних зон (ДКЗ).

Одним з найчуттєвіших недоліків проектування аеродромних покриттів, який впливає на їх працездатність та строк служби, є незадовільне регулювання водно-теплового режиму як самого покриття, так і його ґрунтової основи. Недостатнiй стік атмосферних опадів сприяє утворенню умов, які призводять до перезволоження покриттів та їх основ поверхневими водами. При відсутності ефективного водовідводу і дренажу і дії літакових навантажень в них виникають гідродинамічні процеси, які руйнують як покриття так і їх основи. Таке трапляється тому, що будівельні норми проектування аеродромних покриттів припускають застосування недренованих штучних основ таких, наприклад, як піскоцемент та ін., а їх перезволоження поверхневими водами (атмосферними опадами) створює ідеальні умови для руйнування структурних зв'язків у матеріалі основ пiд дією гідродинамічних процесів, що виникають в результаті рухомого навантаження. Таким чином, подальші дослідження роботи аеродромних покриттів в умовах підвищеного зволоження, визначення часу руйнування структурних штучних основ з урахуванням їх втомної міцнiсті і, отже, обґрунтоване прогнозування строку їх служби, доцільність застосування таких основ в аеродромобудуванні, використання ефективних методів дренажу аеродромних споруд та детальне обґрунтування наукової бази їх конструювання і розрахунку залишається актуальним завданням сучасного аеродромобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась вiдповiдно до мiжгалузевої науково-технiчної програми Мiнiстерства освiти i науки України 1995 р. “Розробка та створення сучасних засобiв, матерiалiв i ресурсозберiгаючих технологiй для пiдвищення ефективностi експлуатацiї цивiльної та вiйськової авiацiї України”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування проектуванняштучних основ аеродромних покриттів в напрямку підвищення строку їх служби з урахуванням впливу умов їх роботи.

Для досягнення даної мети були поставлені i вирiшенi такі задачі:

1. Розробити і дослiдити математичну модель руйнування слабкодренованого перезволоженого матерiалу штучної основи аеродромного покриття з урахуванням вираженої межi його структурної мiцностi пiд дiєю транспортних навантажень i гiдродинамiчних явищ.

2. Розробити пристрiй для моделювання гiдродинамiчних процесiв в шарах перезволоженого аеродромного покриття та оцiнки втомної мiцнiстi матерiалу його штучної основи.

3. Розробити методику визначення iнтенсивностi пошкодження аеродромних покриттiв на основі випробування їх зразкiв в рiзних умовах роботи.

4. Розробити методику визначення строку служби аеродромних покриттiв.

5. Обґрунтувати потрiбний час осушення аеродромних покриттiв.

6. Розробити рекомендацiї щодо підвищення строку служби аеродромних покриттiв шляхом полiпшення умов їх роботи.

Обєкт дослідження - слабкодреновані штучнi основи аеродромних покриттiв iз структурних матерiалiв.

Предмет дослідження - умови роботи штучних основ аеродромних покриттів із структурних матерiалів на навантаження вiд повiтряних кораблiв.

Методи дослідження - моделювання роботи штучних основ аеродромних покриттiв за допомогою розробленої математичної моделi їх функцiонування та пристрою для випробування зразків на втомну мiцнiсть в умовах наближених до реальних.

Наукова новизна отриманих результатів:

Установлено, що граничне напруження стиску у матерiалi слабкодренованої основи аеродромного покриття, при якому вiдбувається руйнування зв'язкiв мiж його частинками, супроводжується змiною стисливостi, водопроникностi, пористостi пiд дiєю важких транспортних навантажень, що викликають у матерiалi дренуючого шару пульсуючий поровий тиск води.

При перевищеннi значення багаторазово повторюваного навантаження його нормативного значення питома швидкiсть втрати мiцнiстi штучної основи аеродромного покриття пропорцiйно зростає, а коефiцiент пошкодження знижується за нелiнiйним законом.

Практичне значення одержаних результатів. Усі результати одержані уперше, перевірені і апробовані та готові до використання в практиці експлуатації і проектування аеродромiв.

Практична цінність роботи полягає у можливості використання нового методу розрахунку втомної міцнiсті структурних матеріалів аеродромних покриттів у реальних умовах їх експлуатацiї, обґрунтуванні нормативного часу осушення аеродромних покриттів і розрахунку головних параметрів їх дренуючого шару, а також нової методики визначення строку служби аеродромних покриттів з використанням коефіцієнтів їх пошкодження. Результати дослiджень включенi в проект глави "Водовідвідні і дренажні системи аеродромів" Будівельних норм і правил проектування аеродромів та у підручник для вузів (І.В. Ципріанович. Водовідвідні і дренажні системи аеродромів: Підручник. - К., НАУ, 2002. - 142 с. ).

Особистий внесок здобувача:

Математична постановка та розв'язання задачі про визначення часу руйнування структурних зв'язків матеріалу штучних основ аеродромних покриттів.

Розробка методики випробування на втомну міцність зразків матеріалів аеродромних покриттів, отримання результатів випробувань та їх обробка.

Розробка методики визначення коефіцієнтів пошкоджень аеродромних покриттів за даними випробувань на втомну міцність їх зразків.

Розробка методу визначення строку служби аеродромних покриттів за даними випробувань їх зразків на втомну міцність або натурних досліджень пошкоджень у часі.

Розробка спрощених залежностей для визначення часу осушення аеродромних покриттів залежно від дренуючої здатності їх штучних основ та визначення товщини дренуючого шару, ухилу дна його корита, виходячи з норматиного часу осушення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на міжнародних і українських науково-технічних конференціях: "Аеропорт - 99", Київ, 1999 р. ; "Авіа - 2000", Київ, 2000 р. ; "Авіа - 2002", Київ. 2002 р.

Публікації. За результатами роботи опубліковано чотири статті в наукових виданнях. отримано авторське свідоцтво на "Пристрій для випробувань зразків конструкцій аеродромних або дорожніх покриттів на втомну міцність" (А. с. СРСР № 1758583,кл. G01 № 33/42).

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку літератури. Основний текст подано на 132 сторiнках, текст ілюстровано 26 рисунками, він включає 23 таблицi і п'ять додаткiв.



ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

аеродромний покриття основа пошкодження

У вступі викладено актуальність дисертаційної теми, формулюється мета і задачі досліджень, наведено основнi науковi результати, показано практичне значення отриманих результатiв та напрямки впровадження.

У першому розділі наведено огляд сучасного рівня досліджень штучних основ аеродромних покриттів та дорожнього одягу під дією транспортних навантажень і водно-теплового режиму штучних та природних основ. Над цією проблемою працювали А.І. Баришпол, М.В. Блінов, В.В. Боровіков, Вiноградов О.П., Васiльєв М.Б., Д.Г. Гегелія, М.М. Дмитрієв, Е.Н. Дубровін, І.А. Золотарь, В.А. Кульчицький, В.К. Курьянов, В.В. Макагонов, В.О. Мозговий, А.Н. Пузаков, В.І. Рувінський, Г.Р. Седергрен, М.М. Сіденко, Ю.В. Старостіна, А.Я. Тулаєв, І.В. Ципріанович та ін.

Працездатність, стійкість і міцність покриттів суттєво залежать від конструкції і стану їх штучних основ.

У результаті аналізу статистичних даних про строки служби аеродромних покриттів і дорожнього одягу І.І. Баловнєва, П.Г. Матвієнко, С.І. Міхович, В.М. Сіденко, Є.М. Смірнов, В.С. Соколов установили фактичні строки їх служби, які виявилися меншими за проектні, що підтверджується практикою експлуатації покриттів.

Одним з найважливіших чинників, що визначають строк служби аеродромних покриттів при інших рівних умовах їхньої роботи є сумарний час експлуатації в перезволоженому стані. Зі зменшенням цього часу строк служби аеродромного покриття підвищується.

Якщо несприятливі гідрогеологічні умови на місці будівництва аеродромних споруд майже завжди враховуються при проектуванні, то інфільтрація поверхневих вод в покриття практично не враховується, про що свідчать чиннi будівельні норми, згідно з якими приймається умова майже цілковитої водонепроникності покриття при проектуванні дренуючих шарів.

Як указують в своїх роботах В.Н. Гайворонський, Д.І. Гегелія, В.І. Кулаков, А.Я. Тулаєв, В.І. Рувінський, Г.Р. Седергрен, І.В. Ципріанович водонепроникними покриття залишаються нетривалий час.

Діючі в СНД норми і правила проектування аеродромних покриттів потребують подальшого удосконалення в напрямку зміни концепції про водонепроникність покриттів та відповідній цій концепції необхідності проектування їхнього ефективного дренажу.

Американські спеціалісти Ліддл і Седергрен впровадили термін "Коефіцієнт серйозності пошкоджень" (severity factor). Цей коефіцієнт визначається як "відносна швидкість пошкодження в даних умовах по відношенню до інших". Так, наприклад, якщо пошкодження покриття при наявності надлишкової води у 5 разів більше ніж при її відсутності (при інших рівних умовах), то коефіцієнт серйозності пошкоджень дорівнює 5.

Другий розділ присвячений математичній постановці задачі визначення часу руйнування структурних зв'язків між частинками матеріалу штучних основ, виготовлених зі структурних матеріалів (з цементаційними зв'язками).

Будівельні норми проектування аеродромiв передбачають можливість застосування різних матеріалів для улаштування штучних основ, але у практиці аеродромобудування дуже часто використовується такий структурний матеріал як піскоцемент (з дуже поганою водопроникністю), який обраний для вивчення в даній роботі.

Задача про фізичні процеси, які відбуваються в матеріалі штучної основи аеродромного покриття, що знаходиться у двохфазному стані при дії на скелет структурного матеріалу штучної основи пульсуючого порового тиску води, який виникає під дією важкого транспортного навантаження може бути (у першому наближенні) зведена до постановки одномiрної задачі ущільнення матеріалу з вираженою межею його втомної міцнiсті в умовах зміни напiрів води у часі, яка уперше була сформульована В.А. Флоріним.

Гідродинамічні умови, що відповідають такій задачі, а також область фільтрації, що вивчається у спрощеному вигляді можна представити наступною розрахунковою схемою (рис. 1).

Рис. 1. Розрахункова схема зони фільтрації вільної води у двохфазному структурному матеріалі з втомної міцнiстю R при дії стискувального навантаження q і пульсуючого порового тиску p на ділянці шару штучної основи потужністю h: 1 - водопроникна межа; 2 - водонепроникна межа; 3 - еквіпотенціалі; 4 - лінії току; I - зона пружного стиснення, II - зона руйнацiї.

Метою задачі є наступне: визначити, при якій напiрній функції відбудеться руйнування структурних зв'язків у водонасиченому матеріалі шару штучної основи аеродромного (дорожнього) покриття i час його руйнації під дією важких транспортних навантажень, що викликають у матеріалі дренуючого шару пульсуючий поровий тиск води.

Повна система рівнянь, що відображає математичні умови розв'язання цієї задачі:

де - час зміни об'єму води в елементарному об'ємі матеріалу (с,хв., год.); Н1, Н2 - напi-ри води в областях І і ІІ (см, м); с - щільність води, кг/см3; g - прискорення вiльного падiння; і - середні коефіцієнти пористості матеріалу штучної основи аеродромного (дорожнього) покриття до і після руйнування в ньому структурних зв'язків; а1 і а2 - коефiцієнт стисливості матеріалу до і після руйнування його структурних зв'язків (см2/кгс, м2/Н); k1 і k2 - коефіцієнти фільтрації для областей І (пружне стиснення) і ІІ (руйнація) (м/с, м/хв, м/доба). Граничні і початкові умови, що забезпечують однозначність розв'язання, можна сформулювати таким чином.

У результаті ущільнення водонасиченого матеріалу шару штучної основи аеродромного (дорожнього) покриття під дією важкого транспортного навантаження q і пульсуючого парового тиску води р, шукана напірна функція Н повинна задовольняти наступним умовам:

При 0 t th.

a) Для значень z d: при z = h при z = d та початковій умові: при t = 0

б) Для значень z d: при z = 0 H2 = 0, при z = d та початковій умові: при t = 0 d = 0.

в) До того ж, при z = d повинно бути дотримана наступна умова:

- = (3)

2. При t th: при z = 0 Н2 = 0, при z = h

За початкову для цього періоду часу повинна бути прийнята умова згідно якій при t = th напірна функція Н повинна приймати значення, знайдені для цього моменту часу при розв'язанні задачі для інтервалу часу 0 t th. Оскiльки пiдошва шару штучної основи - водонепроникна, то умова (3) перетвориться:

. (4)

В.А. Флорiн представив напiрну функцiю Н у видi рiвняння теплопровiдностi, виходячи з умови (4):

(5)



де А і В - довільні сталі, які визначаються крайовими умовами.

Вирiшуючи рiвняння (5), знайдемо інтенсивність (швидкість пошкодження) руйнування матеріалу штучної основи зі структурними зв'язками поміж його частинками:

(6)

(7)

де R - граничне напруження стиску у матеріалі штучної слабкодренованої основи аеродромного покриття, при якому відбувається руйнування структурних зв'язків між його частинками, що супроводжується зміною стисливості (коефіцієнт ущільнення а2), водопроникності (коефіцієнт фільтрації k), пористості n (від первісного значення після руйнування структурних зв'язків) на величину nR.

Шуканий час руйнування шару структурного матеріалу штучної основи на глибину d ( 0 d h): (8)

При дослідженні створеної математичної моделі були отримані залежності R від nR, a2 i k, а також і інші залежності, представлені в дисертації (рис. 2,3).

Рис. 2. Графiк залежностi R=f(ДnR) при с,б,б2 и k = const

Рис. 3. Графiк залежностi R=f(k)

Аналiз графіка (рис. 2) ілюструє те, що зі збільшенням nR, граничні напруження стиску в матеріалі штучної основи знижуються.

Отримані результати (рис. 3) свідчать про те, що зі зменшенням водопроникності матеріалу граничні напруження стиску R, при яких починається руйнування його структурних звязків, зменшуються. У даному випадку отримана залежність і формально і фізично цілком закономірна і відповідає натурним спостереженням умов роботи аеродромних покриттів (які перезволожені поверхневими водами) на літакові навантаження.

Третій розділ присвячений експериментальній оцінці функціонування моделі штучної основи аеродромного покриття.

Існують два способи для визначення міцнiсті аеродромного покриття і його штучної основи: натурні випробування і моделювання роботи аеродромних покриттів у спеціальних приладах, пристроях, здатних достатньою мірою відтворювати реальні умови їхнього функціонування під дією важких транспортних навантажень.

Запропонований в даній роботі пристрій відрізняється тим, що на відміну від інших моде-лює гідродинамічні процеси в покриттях і, тим самим, наближає випробування їх зразків до натурних умов роботи аеродромних або дорожніх покриттів.

Пристрій (рис. 4) містить металевий циліндр 1 з розміщеним на ньому силовим вузлом 2 для створення багаторазових статичних навантажень. У нижній частині металевого циліндра 1 покладено опорний стисливий елемент 3, на якому встановлена металева гільза 4 зі зразком покриття з отворами для пропускання води 5, розташованими рівномірно по всій поверхні. Нижня порожнина 6 через водовідвідну трубу 7 зєднана з гідрокомпенсатором 8.

За зміною міцнiсті зразків покриття, що пройшли випробування у приладі на стиск, можна кількісно оцінити втомну міцність матеріалів конструктивних шарів покриттів, їх ресурс, а також отримати необхідні дані для визначення граничного напруження, при якому починається руйнування матеріалу, оцінити інтенсивність його ушкодження під дією багаторазово повторюваних навантажень в часі.

Рис. 4. Пристрiй для випробування зразкiв аеродромного покриття на втомну мiцнiсть: 1 - цилiндр; 2 - силовой вузол; 3 - cтисливий елемент; 4 - металева гiльза для розмiщення в нiй зразка аеродромного покриття; 5 - отвори для пропускання води в середину гiльзи; 6 - нижня порожнина цилiндра; 7 - водопровiдна трубка; 8 - гiдрокомпенсатор

Рис. 5. Схема зразка аеродромного покриття: 1 - покриття (цементобетон); 2 - штучна основа (пiскоцемент); 3 - природна основа (пiсок середньої крупностi)

Випробування зразків аеродромних покриттів (рис. 5) відбувалися при температурі повітря і води від 18 до 22 С. Заморожування зразків у вологому і повітряно-сухому стані відбувалося при температурі -15 С.

Площа зразка покриття, що випробовувався складала 78,5 см2. При навантаженні 7,85 кН, створюваному домкратом, питомий тиск на його поверхню складав 1,0 МПа.

Щільність піскоцементу складала 1,85 г/см3,пористість - 16 %. Експериментальні дослідження зразків на втомну міцність тривали на протязі 2001 і 2002 р. за розробленою програмою, яка докладно представлена в дисертації (табл. 1). Всього було виконано 44 серії випробувань зразків аеродромного покриття з піскоцементною основою. У кожній серії виконувалося по пять випробувань зразків. Цим випробуванням підлягали зразки з різною тривалістю прикладання богаторазово повторюваного навантаження, які знаходилися у повітряно-сухому, перезволоженому стані, а також зразки, які пройшли різну кількiсть циклів заморожування і відтавання. До зразків прикладалося різне навантаження.

Таблиця 1 - Програма досліджень

№	Серія експериментів	Тиск, МПа	Час експлуатації (приложення багаторазово повторюваного навантаження), років	Кількість місяців водонасичення за час експлуатацiї	Число циклів заморожування і відтавання за час експлуатації
1	2	3	4	5	6
1	1 - 4	1,0	2 4 6 10	- - - -	- - - -
2	5 - 8	1,0	2 4 6 8 10	- - - - -	2 4 6 8 10
3	9 - 12	0,9	2 4 6 8	- - - -	- - - -
4	13 -16	1,1	2 4 6 8	- - - -	2 4 6 8
5	17 - 20	1,0	2 4 6 7	4 8 12 14	2 4 6 7
6	29 - 32	1,0	2 3 4	4 6 8	4 6 8

Математична обробка результатів випробувань зразків штучної основи на втомну міцність проводилися методом нелінійної регресії (найменших квадратів) з використанням програми "Curve expert". На підставі отриманих даних побудовані графічні залежності зміни втомної міцнiсті зразків штучної основи від тривалості експлуатації (випробування) Т (рис. 6).

Рис. 6. Графіки залежності втомної міцнiсті зразків штучної основи від тривалості експлуатації аеродромного покриття Т: 1-серії експериментів 1-4;2-серії експериментів 9-12; 3-серії експериментів 5-8;4-серії експериментів 29-32.

Рис. 7. Графіки залежності інтенсивності руйнування піскоцементних зразків штучної основи від тривалості експлуатації аеродромного покриття Т: 1 - серії експериментів 1 - 4; 2 - серії експериментів 29 - 32.

Руйнування шару штучної основи під дією багаторазово повторюваного транспортного навантаження починається з поверхні цього шару і поступово поширюється усередину з інтенсивністю .

На рис. 7 показано зміну показника зі збільшенням глибини шару руйнування матеріалу в залежності від тривалості прикладання багаторазово повторюваного навантаження. Відзначимо, що на початку випробувань міцність матеріалу штучної основи (піскоцементу) була максимальною у = 2 МПа, а наприкінці випробувань - на підошві зразка у = 0.

Проведені дослідження і результати математичної обробки отриманих даних дозволяють побудувати графіки залежності втрати міцнiсті піскоцементними зразками штучної основи аеродромного покриття в залежності від часу або кількості прикладань до них транспортного навантаження. а також визначити значення питомої швидкості втрати міцнiсті С1:

(9)

де Ду-утрати мiцнiстi матерiалу аеродромного покриття,МПа;Т-перiод експлуатацiї, доба.

Відносна швидкість пошкодження покриття (коефіцієнти пошкодження) складає:

(10)

де - питома швидкість пошкодження покриття, що працює у несприятливих умовах; - питома швидкість пошкодження покриття, що працює у більш сприятливих умовах.

Водонасичені штучні основи аеродромного (дорожнього) покриття при їх випробуванні на стиск показали міцність на 20 % меншу ніж однотипні зразки, що випробовувалися у повітряно-сухому стані.

Піскоцементні зразки, що підлягали заморожуванню і відтаванню, втрачають свою міцність швидше і мають більшу питому швидкість втрати міцнiсті С1, ніж однотипні зразки, які не підлягали заморожуванню і відтаванню за інших рівних умов (рис. 8).

Коефіцієнт пошкодження або відносна швидкість втрати міцнiсті С у міру збільшення часу прикладання багаторазово повторюваного навантаження зростає за нелінійним законом (рис. 9).

При зменшенні значення багаторазово повторюваного навантаження питома швидкість втрати зразками міцнiсті знижується, вони витримують більшу кількість багаторазово повторюваного навантаження, ніж однотипні зразки, які піддавалися більш високому багаторазово повторюваному транспортному навантаженню за інших рівних умов їх роботи; коефіцієнт пошкодження зразків у міру збільшення часу прикладання багаторазово повторюваного навантаження зростає за нелінійним законом (рис. 9).

Проведені експерименти показують, що втомна міцність структурних матеріалів з цементаційними звязками поміж їх частинками зумовлюється значенням багаторазово повторюваним транспортним навантаженням, водно-тепловим режимом, які визначають умови роботи аеродромного покриття і його природної основи та гідродинамічними процесами, що виникають у шарах аеродромного покриття і його природної основи. Отримана в результаті експериментів інформація в цілому підтверджує результати теоретичних досліджень.

Через збільшення товщини штучної основи та її міцнiсті не можна розраховувати на підвищення строку служби покриття, оскільки для пошкодження власно покриття достатньо руйнації його штучної основи не на всю її товщину, а лише на глибину, яка дорівнює декіль-ком сантиметрам, коли навіть при помірних режимах експлуатації покриття будуть помітні деформації на його поверхні (у кращому випадку у вигляді тріщин та розгерметизації швів).

Рис. 8. Графіки залежності зміни питомої швидкості втрати міцнiсті піскоцементними зразками штучної основи аеродромного покриття С1 від часу прикладання Т багаторазово поторюваного навантаження: 1 - серії експериментів 1 - 4; 2 - серії експериментів 5 - 8.

Рис. 9. Графіки залежності коефіцієнта пошкодження зразків штучної основи С від тривалості їх завантаження Т багаторазово повторюваним навантаженям: 1 - серії експериментів 1 - 4 і 5 - 8; 2 - серії експериментів 1 -4 і 9 - 12.

У четвертому розділі представлено метод визначення строку служби аеродромного покриття з використанням коефіцієнтів пошкодження покриття.

Узагальнюючим показником впливу природних і експлуатаційних чинників на умови роботи і відповідні до них стани (і динаміки цих станів) покриттів є відносна швидкість їх пошкодження або коефіцієнт пошкодження С аеродромного покриття. Цей показник комплексно характеризує динаміку пошкодження покриттів під дією експлуатаційних навантажень і природно-кліматичних чинників впродовж визначеного часу. Він встановлюється або в результаті моделювання дії цих чинників на зразки, що випробовуються у спеціальних пристроях, або за даними вивчення пошкоджень та їх нарощування у часі на діючих аеродромах.

Визначивши коефіцієнти пошкодження С, можна скласти уяву про гіпотетичний строк служби аеродромного покриття (якщо буде відомий термін вологого періоду року).

Характер залежності гіпотетичного строку служби покриття Т від долі часу його роботи в несприятливих умовах (у перезволоженому стані) представлений на рис. 10.

За результатами випробувань зразків аеродромних покриттів у лабораторних чи польових умовах можна визначити вірогідний строк служби аеродромного покриття.

Середньорічна втрата експлуатаційної надійності аеродромного покриття Rl розрахована

Рис. 10. Графіки залежності T = f (tp), які показують як скорочується проектний строк служби покриття Т в залежності від долі часу його експлуатації в

перезволоженому стані tp:

1 - при С = 5;

2 - при С = 10;

3 - при С = 20;

4 - при С = 25

для проектного нормативного строка служби ТН = 20 років:

(11)

при цьому середньорічна втрата експлуатаційної надійності Rl, відповідна умовам його експлуатації (при С = 1, С = 5 і т. д. )за час, еквівалентний часу його роботи в сприятливих умовах tекв (при С =1):

(12)

Щорічне наростання інтенсивності пошкоджень аеродромних покриттів, неминуче при збільшенні маси і інтенсивності руху експлуатованих літаків, а також при подальшому вивітрюванні покриттiв може бути враховано введенням у розрахунок коефіцієнта нарощування інтенсивності пошкоджень аеродромних покриттів Кg. Значення Кg може бути встановлено за результатами лабораторних або натурних випро-бувань аеродромних покриттів, чи за даними експертних оцінок їх стану в різні роки.

Втрата експлуатаційної надійності аеродромних покриттів Rl за N років експлуатації може бути визначена за формулою:

(13)

Строк служби покриття відповідає 100% втраті експлуатаційної надійності Rl (рис. 11).

Рис. 11. Приклад визначення залишкового строку служби покриття за графіками SN = f(TH):

1 - графік S = f(TH); 2 - графік SN = f(N) по НАС ГА;

3 - графік SN = f(N) при Кg = 1,043; 4 - графік SN = f(N) при Кg = 1,1

Показник сигнальної оцінки стану покриття SN з урахуванням його зниження за N років експлуатації після останнього обстеження :

(14)

де N - кількість років експлуатації покриття після останнього обстеження; n N - порядковий номер року експлуатації покриття після терміну його останнього обстеження; SП - показник сигнальної оцінки за результатом останнього обстеження покриття; Sl - розрахункове щорічне зниження показника сигнальної оцінки:

(15)



де S - показник сигнальної оцінки (S = 5); Тн - проектний (нормативний) строк служби аеродромного покриття (20 років для жорсткого, 10 років - нежорсткого); Кg - коефіцієнт

зниження показника сигнальної оцінки за t років експлуатації, що визначається за формулою:

(16)

де SПР - показник сигнальної оцінки за результатами попереднього обстеження покриття; t - термін у роках між обстеженнями стану покриття.

У роботi обґрунтувано потрібний час осушення жорстких і нежорстких аеродромних покриттів для забезпечення нормальних умов їх роботи.

При прийнятій тривалості роботи аеродромних покриттів у несприятливих умовах (у перезволоженому стані, tр 0,1 Тн) час осушення жорстких i нежорстких покриттів повинен бути не більше 4 години.

При таких нормативних термінах осушення жорстких і нежорстких аеродромних покриттів їх осушення може бути здійснено, коли як фільтруюче засипання дренуючого шару будуть використані скелетні матеріали відкритого типу з коефіцієнтом фільтрації (10 30)103 м/добу при гідравлічному градієнті І = 1.

Коефіцієнт фільтрації таких порід з урахуванням товщини (потужності) дренуючого шару, гідравлічного градієнта та ширини покриття, закладених в проекті, можна визначити за спрощеними формулами, отриманими автором в результаті опрацювання відомих рішень, запропонованих раніше І. В. Ципріановичем і А. І. Баришполом для визначення часу осушення дренуючого шару Тос при нестаціонарній фільтрації дренажних вод:

Тос = Т1 + Т2, (17)



де Т1 - час формування кривої депресії у дренажному шарі, який визначається за формулою:

(18)

Т2 - час подальшого осушення дренуючого шару аеродромного покриття:

(19)

де - коефіцієнт водовіддачі матеріалу дренуючого шару; k - коефіцієнт фільтрації матеріалу дренуючого шару при І = 1; L - довжина лінії найбільшого скату дна корита аеродромного покриття; Н0 - сума потужності дренуючого шару і добутку довжини лінії найбільшого скату дна корита та його результуючого ухилу і; р - міра осушення дренуючого шару (норма осушення).

Вищевикладений матеріал дозволяє проектувати дренажні шари аеродромних і дорожніх покриттів виходячи з найсприятливіших умов їх функціонування при розрахунковому навантаженні.

У пятому розділі оцінено економічний ефект від застосування пропозицій, даних у дисертаційній роботі. Застосування дренувальних шарів відкритого типу в аеродромних покриттях забезпечує сприятливі умови їх роботи і, як наслідок, збільшує строк служби покритя.

Вартість будівництва аеродромних покриттiв трьох видів приведена в таблиці 2.



Таблиця 2 - Оцінка вартості будівництва аеродромного покриття

№	Конструктивне рiшення	Термін служби покриття, років	Вартість будівництва 100 м2 покриття, руб.	Вартість будівництва 100 м2покриття на 1 рік експлуатації, руб
1	Штучна основа - піскоцемент, дренуючий шар - пісок	11	129285	11754
2	Дренуючий шар - щебінь	20	83326	4166
3	Штучна основа - ПГС (піщано-гравійна суміш)	16,6	85618	4470

Таблиця 3 - Експлуатацiйнi витрати на утримування аеродромного покриття двох видів

№	Конструктивне рiшення	Термін служби, років	Усього витрат за 20 років, руб.	Витрати на 1 рік експлуатації, руб.
1	Дренуючий шар - пісок	20	77136300	33856815
2	Дренуючий шар - щебінь	20	14627760	731388

Таким чином, у даному розділі показана економічна доцільність будівництва аеродромних покриттів з дренуючим шаром відкритого типу. Загальна вартість будівництва ЗПС з дренуючим щебеневим шаром менше ніж вартiсть будівництва бетонного покриття з традицiй ним піщаним дренуючим шаром і штучною основою з піщано-гравійної суміші.

Улаштування дренуючих шарів відкритого типу дозволяє продовжити експлуатацію покриття майже до нормативних термінів служби. Тому експлуатаційні витрати на підтримку працездатного стану такого покриття в кілька разів менше, ніж у покриттів з традиційними дренуючими шарами з піску, або взагалі без дренуючих шарів.



ВИСНОВКИ

1. Аналiз науково-технічної лiтератури, вивчення сучасного рiвня дослiджень роботи штучних основ аеродромних покриттiв i дорожнiх одягiв показали актуальнiсть подальшого вивчення роботи штучних основ пiд дiєю транспортних навантажень, водно-теплового режиму штучних i природних основ. Теоретичнi i експериментальнi дослiдження даної роботи пiдтвердили i розширили уявлення про механiзм роботи i руйнування штучних основ аеродромних покриттiв i дорожнiх одягiв.

2. Розроблено математичну модель руйнування слабкодренованої штучної основи аеро-дромного покриття, виконаного з матеріалу, що володiє структурними звязками з урахуван-ням вираженої межi його втомної мiцнiстi пiд дiєю транспортних навантажень i гiдродинамiчних процесiв. Наведена математична модель може бути використана для попередніх розрахунків терміну служби аеродромного покриття на недренованій основі.

3. Розроблено пристрiй для моделювання гiдродинамiчних процесiв у шарах перезволоженого аеродромного покриття під дiєю транспортних навантажень і оцінки втомної мiцнiстi матерiалу штучної основи.

4. Використання штучних основ аеродромних покриттів зі структурних матеріалів з цементаційними звязками поміж їх частинками (не виключаючи напівскельних порід з кристалізаційними звязками) при можливості їх перезволоження (І, ІІ, ІІІ і ІV ДКЗ) уявляється недоцільним; у всіх випадках слід використовувати добре дренуючі штучні основи, коефіцієнт фільтрації, потужність і гідравлічний ухил дна корита яких повинні призначатися у відповідності з розрахунком нестаціонарної фільтрації дренажних вод в їх матеріалі та нормативним часом їх осушення для даної ДКЗ.

5. Розроблено методику визначення строку служби аеродромного покриття з урахуванням реальних умов їх роботи в рiзних ДКЗ з викорастанням коефiцiєнтiв пошкодження покриттiв, обгрунтованих за даними лабораторних випробувань зразкiв чи натурних випробувань. Запропоновано удосконалений метод сигнальної оцiнки експлуатацiйного стану аеродромних покриттiв.

6. Обґрунтовано нормативний час осушення перезволожених покриттів і через те цілесрямованої зміни їх конструкції в напрямку підвищення надійності, довговічності, працездатності в різних природних умовах експлуатації. Розроблені і обгрунтовані аналiтичнi залежностi для визначення часу осушення дренуючого шару аеродромного покриття, які можуть бути застосовані для проектування дренажних шарів аеродромних і дорожніх покриттів у напрямку полiпшення умов роботи аеродромних i дорожнiх покриттiв i пiдвищення строку служби.

7. Використання результатів дослідження дає можливість підвищити науковий рівень проектування нових і експлуатації діючих аеродромних покриттів.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Каратеев С.Н., Циприанович И.В., Белинский И.А., Веревкин В.И., Старченко Н. В. "Ус-тройство для испытания образцов конструкций аэродромных или дорожных покрытий на усталостную прочность". А. с. СРСР№1758553,кл. G01№33/42,М. :Госкомизобретений,1990 - 3с.

2. Каратеев С.Н., Циприанович И.В. Влияние процессов влагопереноса в основаниях аэродромных покрытий на срок их службы. - Аэропорты. Прогрессивные технологии, 1999, №4, с. 3-4.

3. Каратеев С.Н. Обоснование норматива времени осушения дренирующих слоев аэродромных покрытий. - Аэропорты. Прогрессивные технологии, 2000, №3, с. 2-4.

4. Каратеев С.Н. Усталостная прочность оснований аэродромных покрытий. - Аэропорты. Прогрессивные технологии, 2003, №1, с. 7-11.

5. Каратєєв С.М. Вплив гiдродинамiчних процесiв у основах аеродромних покрить на термiн їхньої служби. - Будiвництво України, 2004, №4, с. 33-35.



АНОТАЦІЯ

Каратєєв С.М. Пiдвищення строку служби аеродромних покриттiв шляхом полiпшення умов роботи штучних основ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнicтю 05. 22. 11-Автомобiльнi шляхи та аеродроми. Нацiональний авiацiйний унiверситет, Київ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню роботи штучних основ аеродромного покриття, виконаних із структурних матеріалів (піскоцемент) на літакові навантаження, які викликають у перезволоженому аеродромному покритті багаторазово повторювані гідродинамічні процеси. Створено математичну модель роботи аеродромного покриття та його штучної основи в зазначених умовах для визначення часу руйнування цементаційних звязків в штучній основі та втомної міцнiсті її матеріалу. Експериментальні випробування зразків аеродромного покриття в пристрої для визначення їх втомної міцнiсті підтвердили результати теоретичних досліджень.

В роботі також обґрунтована методика визначення строку служби аеродромних покриттів за результатами випробування їх зразків або польових досліджень зміни їх стану в часі.

Розроблена і науково обґрунтована методика визначення нормативного часу осушення перезволожених покриттів, яка відкриває шлях до цілеспрямованої зміни їх конструкції в напрямку підвищення надійності, довговічності і працездатності.

Обґрунтовані і розроблені спрощені формули для розрахунку дренуючих шарів аеродромних покриттів, виходячи з нормативного строку їх осушення.

Використання результатів досліджень дозволить підвищити науковий рівень проектування аеродромних покриттів і, на цій основі, строк їх служби.

Ключові слова: аеродромні покриття, штучні основи, гідродинамічні процеси, дренуючий шар, строк служби, швидкість пошкодження, час осушення.



АННОТАЦИЯ

Каратеев С.Н. Увеличение срока службы аэродромных покрытий в результате улучшения условий работы искусственных оснований. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05. 22. 11 - автомобильные дороги и аэродромы. - Национальный авиационный университет, Киев, 2004.

Диссертация посвящена исследованию работы искусственных оснований аэродромных покрытий, выполненных из структурных материалов (пескоцемент), находящихся под воздействием гидродинамических процессов, возникающих в переувлажненных аэродромных покрытиях под действием самолетной нагрузки. Создана математическая модель работы аэродромного покрытия и его искусственного основания в реальных условиях эксплуатации для определения времени разрушения цементационных связей в искусственных основаниях и усталостной прочности его материала. Экспериментальная оценка функционирования модели работы основания аэродромного (дорожного) покрытия в устройстве для определения уста лостной прочности подтвердила результаты теоретических исследований.

В работе предложена методика определения срока службы аэродромных покрытий по результатам испытания их образцов и натурных исследований изменения их состояния в течение времени.

Разработана и научно обоснована методика определения нормативного времени осушения переувлажненных аэродромных покрытий, которая позволяет целенаправленно изменять их конструкцию в направлении повышения надежности, долговечности, работоспособности.

Обоснована и разработана упрощенная формула для расчета дренирующих слоев аэродромных покрытий, исходя из нормативного времени их осушения.

Использование результатов исследования позволяет повысить научный уровень проектирования аэродромных покрытий и, следовательно, увеличить срок их службы.

Ключевые слова: аэродромные покрытия, искусственные основания, гидродинамические процессы, дренирующий слой, срок службы, скорость повреждения, время осушения.



ANNOTATION

Karateev S.N. Improvement of the artificial base working increases the aerodrome pavements service term. - Manuscript.

The dissertation is scientific degree competition of ergineering science candidate. The speciality is 05. 22. 11 - highways and aerodromes. The National Aviation University, Kiev, 2004.

The dissertation is devoted to research of pavement artifical base (sandy cеment) working hydrodynamic in conditions of processes in it. The hydrodynamic processes arise in moistening artifical base under the influence of aircraft load.

These processes are described presenting mathematical task about destruction time of pavement artificial base structure. The mathematical task allows to find the artifical base material weary stability. Fulfiling experiment successfully confirmed the presenting mathematical task.

According results of experiment the method of estimation aerodrome pavement service term was presented.

The pavement draining time was based and was recommended open - graded aggregate mixtures with high filtration coefficient as a filter bed.

Also the simplifing formula of aerodrome pavement draining calculation was based proceeding from the pavement draining time.

The using of reseaches results will have to improve aerodrome pavements making design scien

Keywords: aerodrome pavements, artificial base, hydrodinamic processes, draining base, service term, damage speed, draining time.

Размещено на Allbest.ru

...