|
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 аеро-портів (зокрема аеродромних споруд) може бути забезпечено за умови максимального набли-ження 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 польотiв. 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 пiдвищення строку служби аеродромних покриттiв шляхом полiпшення умов їх роботи.
Об′єкт 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. Цип-ріанович. 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
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 аеро-дромних покриттів та дорожнього одягу під дією транспортних навантажень і водно-теплово-го 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. Смір-нов, 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 май-же завжди враховуються при проектуванні, то інфільтрація поверхневих вод в покриття прак-тично 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 різ-них матеріалів для улаштування штучних основ, але у практиці аеродромобудування дуже часто використовується такий структурний матеріал як піскоцемент (з дуже поганою водо-проникністю), 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 вив-чається 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 по-рового 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 α (швидкість пошкодження) руйнування матеріалу штучної основи зі структурними зв'язками поміж його частинками:
 (6)
при
 (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 ΔnR.
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 ΔnR, 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 ΔnR, 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 зв′язків, 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 з′єднана 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 п′ять 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
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 σ зразків штучної основи від тривалості експлуатації (випробування) Т (рис. 6).
Рис. 6. Графіки залежності втомної міцнiсті зразків штучної основи σ 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 α 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 α.
На рис. 7 показано зміну показника α 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 σ 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 зв′язками 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).
| 
