3.3. Расчет нежёстких аэродромных покрытий

Таблица 3.4

Минимальная толщина конструктивных слоев

Материал конструктивного слоя нежесткого покрытия и ис-

Минимальная

кусственного основания

толщина конст-

С

руктивного слоя,

м

Асфальтобетон при внутреннем давлении воздуха в пневма-

тиках колес воздушных судов, МПа:

менее 0,6

0,05

От 0,6 до 0,7

0,07

щими

0,09

От 0,7 до 1,0

свыше 1,0

0,12

Щебень,

грав й, грунты, о ра отанные органическими вяжу-

0,08

Щебень илиобработанныйгравий, не о ра отанный вяжущими и уклады-

Щебень,

органическими вяжущими по способу

проп тки

0,08

Щебень,

не

вяжущим и укладываемый на

прочное (каменное

ли укрепленное вяжущими, грунтовое)

основан

е

0,08

А

Грунты и малопрочные каменные материалы, обработанные

минеральными вяжущими

0,15

ваемым на песчаное основание

0,15

условие

λd ≤ γc λu,

(3.18)

d 0,9

pa

;

(3.19)

Ecd

γc – коэффициент условий работы, принимаемый для групп участков

аэродромных

покрытий (см. рис. 1.1): А-1; Б и В-1,05;

Г-1,1;

λu – предельный относительный прогиб покрытия, определяемый в

соответств

с р

с. 3.2 в зависимости от вида грунта, давления возду-

ха в пневмат ках колес и приведенной повторяемости приложения

нагрузки в течен

суток Nr; ра – внутреннее давление воздуха в

пневмат ках колес, МПа; Еcd – эквивалентный модуль упругости не-

жесткой конструкц , включая грунтовое основание, МПа,

СибАДИ

Еcd = Еmt ∙ ψk,

(3.20)

ции (включая покрытие, искусственное основание

насыпь) из n сло-

ев в пределах сжимаемой толщи,

Еmt

E1t1 E2t2

... Entn

;

(3.21)

tmt

ψk –коэффициент, определяемый по рис. 3.3,

(3.22)

k f E

; D ;

E

tmt

mt

e

СибАДИ

Рис. 3.2. Графики для определения предельных относительных

проги ов нежестких аэродромных покрытий λu:

а –суглинки, глины, супеси (включая грунты с примесью гравия);

б – песчаные пылеватые грунты; в – песчаные крупные, средней

крупности и мелкие, галечниковые.

Цифры на линиях графика обозначают внутреннее давление

воздуха в пневматиках колес воздушного судна, pa , МПа

Таблица 3.5

Минимальная общая толщина асфальтобетонных слоев

Среднемесячная

Общая минимальная толщина асфальтобетонных слоев,

температура воздуха

м, на основаниях из материалов, обработанных неорга-

наиболее холодного

ническими вяжущими, покрытиях из цементобетона

месяца, °C

на ИВПП, магистральной

на остальных участках

РД

аэродрома

при категории нормативных нагрузок

в/к, I, II

III, IV

V, VI

в/к, I, II

III, IV

V, VI

– 5 и выше

0,09

0,07

0,07

0,09

0,07

0,06

Ниже

–5 до –15

0,12

0,09

0,07

0,09

0,07

0,06

Ниже

–15

или число

0,16

0,13

0,07

0,12

0,09

0,07

переходов

температу-

ры через

0 °C свыше

50 раз в год

С

n

(3.23)

Nr Ninaikni,

и

pai

5,5

7,66

Dai

,

(3.24)

kni

p

D

au

au

здесь pai и pau – внутреннее давление воздуха в пневматиках колес со-

Д

ответственно i-го и расчетного воздушных судов; Dai и Dau – диамет-

ры круговб, равновеликихАплощадям отпечатков эквивалентных одно-

колесных нагрузок, соответственно i-го и расчетного воздушных су-

дов.

Величины предельных относительных прогибов, принимаемые

И

σr = σr∙pa,

(3.26)

σ

Eab

tab

(3.27)

;

r= f

E

D

,

упругости

e

e

Ее = Еm ∙ ψk,

(3.28)

где Еab –

средн й модуль упругости асфальтобетонных слоев, МПа,

Свыч сляемый аналог чно формуле (3.15); Ее– эквивалентный модуль

основан я под асфальтобетоном, включая грунтовое осно-

вание, МПа,

без

здесь Еm – средн й модуль упругости слоев оснований под асфальто-

бетоном (

учета грунтового основания), МПа; ψk – коэффициент,

определяемый по номограмме рис. 3.3, принимая вместо величин Еtm

и Еed соответственно величины Еm и Еc,

Д

E

ttot

(3.29)

k

f

;D

E

,

Аm e

где De – диаметр круга, м, равновеликого площади отпечатка пневма-

тика одноколесной эквивалентной нагрузки для асфальтобетонного

слоя (слоев),

И

De 2

,

Fe

(3.30)

pa

С

и

бА

Д

И

Рис. 3.3. Номограмма для определения удельных

растягивающих напряжений σr при изгибе

в асфальтобетоне

Суммарную толщину ttot

принимают равной общей толщине

конструкции при расчете прочности по предельному относительному

прогибу и суммарной толщине асфальтобетонных слоев при расчете

их прочности на растяжение при изгибе. Параметр а находят по фор-

муле

a at 2

Fd

,

(3.31)

1,4 pa

где at и ad – соответственно расстояние между осями ближайших ко-

лес в опоре и максимальное расстояние между колесами в основной

опоре, м, принимаемые по рис. 3.4 в зависимости от схемы расстанов-

ки колес в опоре; ttot – суммарная толщина слоев нежесткой конструк-

С

ции, м, для которых определяется Fe по формуле (3.31).

lgnk

2ttot

При

4ad

lg

lg Fd

a

lg

Fe 10

a

.

(3.32)

расчете прочности двухили трехслойного асфальтобетон-

бА

ного покрыт я следует рассчитывать на растяжение при изгибе толь-

ко н жн й слой, предварительно приведя многослойный асфальтобе-

тон к однослойному со средним модулем упругости.

И

Рис. 3.4. РасчетныеДрасстояния a, at и ad

5.

Что является предельным состоянием нежестких покрытий облегченно-

го типа?

6.

Что учитывает коэффициент динамичности при проектировании покры-

тий?

7.

Как следует выполнять расчет покрытия, если не задано распределение

взлетных масс между опорами самолета?

С

8.

Почему вычисляемый изгибающий момент в плите имеет размерность

кН·м/м?

9.

В каком сечен плиты вычисляют изгибающий момент?

10.

Что пон мают под радиус круга, равновеликого площади отпечатка

пневмат

ка колеса?

тий

11.

Что пон мают под эквивалентный коэффициент постели однородного

грунтового основан я?

12.

Из как х соо ражений устанавливается минимальная толщина конст-

рукт вных слоев?

13.

бА

Из как х смесей следует устраивать верхние слои нежестких покры-

?

14.

На как х участках покрытий можно применять холодные асфальтобе-

тонные смеси?

Это возможно, если грунты к началу промерзания имеют пока-

И

затель текучести IL > 0 или если уровень грунтовых вод находится

ниже расчетной глубины промерзания, м, менее чем на:

1,0

– для песков мелких;

1,5

– для песков пылеватых, супесей и супесей пылеватых;

2,5

– для суглинков, суглинков пылеватых, крупнообломочных

грунтов с глинистым заполнителем;

3,0

– для глин.

мается по та л. 1.8.

прин

Расчет основан й аэродромных покрытий, возводимых на пучи-

нистых грунтах, заключается в определении толщины стабильного

слоя,

снижение деформации пучения sf до допусти-

мого значения su.

обеспечивающего

Толщину ста ильного слоя определяют в такой последователь-

ности:

1. Ориентировочно назначается толщина искусственного осно-

вания (рис. 4.1).

А

Д

И

τ – продолж тельность j-го месяца с отрицательной среднемесячной

Сf

температурой воздуха, ч; i – номер слоя аэродромной одежды и осно-

вания; m – ч сло слоев аэродромной одежды и основания; ti – толщи-

на i -го слоя аэродромной одежды и основания,

м; ηf – количество

тепла, выделяемое

фазовых переходах и охлаждении n-го слоя

при3

грунта, кДж/м ,

ηf =0,5· θmp ·Cf +ρd(w–ww)334,

(4.2)

здесь nfi – количество тепла, выделяемое при фазовых переходах и ох-

лаждении i -го слоя аэродромной одежды и основания, кДж/м3:

ηfi

=0,5· θmp ·Cfi +ρdi(wi–wwi)334,

(4.3)

бА

nf0 – количество тепла, выделяемое при фазовых переходах грунта,

расположенного ниже изотермы начала пучения, к

ж/м ;

ηf0

=0,5· t0 ·ДCf +ρd(w – ww)334,

(4.4)

И

Значение ww допускается определять по формуле

ww=kw ∙ wp, ,

(4.5)

С

Таблица 4.1

Температура начала пучения t0

Грунты

Температура начала пучения t0 , – °С

Пески:

гравел стые крупные

0

упеси

0,2

мелк

пылеватые

0,4

угл нки:

бА

мягкопласт чные

0,6

тугопласт чные

0,8

полутвердые

1,0

Гл ны:

мягкопласт чные

1,1

тугопластичные

1,3

полутвердые

1,5

Значения ρdi, λfi , Cfi , wi для материалов аэродромной одежды и

Д

основания принимают по табл. 4.3, значения λf(i)

и Cf(i) для грунтов ес-

тественного основания – по табл. 4.4 [4], значения ρd(i), w)i), ww(i) – по

данным инженерно-геологических изысканий.

Таблица 4.2

И

Значения коэффициента kw

Грунты

Число пластичности

kw

Пески и супеси

Ip ≤ 0,02

0

Супеси

0,02< Ip ≤ 0,07

0,35

Суглинки

0,07< Ip ≤ 0,13

0,50

0,13< Ip ≤ 0,17

0,55

Глины

0,13< Ip ≤ 0,17

0,65

Таблица 4.3

Теплофизические характеристики материалов аэродромных покрытий

Материал покрытия

Плотность

Суммар-

Коэффициент те-

Объемная

и искусственного

сухого ма-

ная влаж-

плопроводности,

теплоемкость,

основания

териала ρd ,

ность W,

Вт/(м·°С)

кДж/(м3·°С)

С

кг/м3

доли еди-

λt

λf

Ct

Cf

ницы

Цементобетон

2300

0,03

1,85

1,90

2010

1675

Асфальтобетон

2200

0,03

1,30

1,40

3685

3390

и

0,05

1,65

1,80

2010

1840

Пескоцемент

2000

Грунтоцемент

2000

0,05

1,40

1,50

1925

1780

Шлакобетон

1600

0,05

0,65

0,80

1800

1675

тобетон

0,45

0,60

1465

1360

1300

0,05

1000

0,05

0,35

0,40

1130

1045

900

0,05

0,30

0,35

1005

920

Керамз

1600

0,05

0,60

0,70

2345

2180

А

0,60

2050

1905

1400

0,05

0,45

1200

0,05

0,35

0,40

1760

1635

Пенобетон

1200

0,05

0,35

0,45

1510

1405

1000

0,05

0,30

0,40

1255

1170

500

Д

630

565

0,10

0,20

0,25

Песок, супесь и суг-

линок, укрепленные:

золой-уноса

1900

0,05

1,15

1,40

1925

1780

битумом или би-

1800

0,05

0,95

1,15

1840

1675

тумной эмульсией

Галька (щебень) с

1800

0,10

1,85

2,20

2260

1885

песком

То же с глиной

1800

0,10

2,00

2,35

2345

1970

И

Гравий, щебень гра-

1800

0,10

2,00

нитный

2,35

1840

1675

Щебень осадочных

1600

0,10

1,40

2,05

1760

1590

пород

Шлак

800

0,10

0,30

0,35

1090

985

Теплофизические характеристики грунтов

Таблица 4.4

Плот-

Суммар-

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С)

Объемная те-

ность

ная влаж-

плоемкость,

песка

супеси

суглинка,

сухого

ность W,

кДж/(м3·°С)

С

глины

грунта

доли еди-

λt

λf

λt

λf

λt

λf

Ct

Cf

ρd, кг/м3

ницы

1400

0,30

-

-

1,75

1,80

1,45

1,55

3015

2175

1400

0,25

1,90

2,15

1,55

1,70

1,35

1,50

2765

2050

и

1,85

1,35

1,50

1,10

1,20

2470

1885

1400

0,20

1,55

1400

0,15

1,40

1,65

1,10

1,30

0,85

1,00

2175

1760

1400

0,10

1,10

1,30

0,95

1,05

0,70

0,75

1885

1740

1400

бА

0,45

0,50

1590

1465

0,05

0,75

0,80

0,65

0,70

1600

0,30

-

-

1,85

2,00

1,70

1,80

3495

2470

1600

0,25

2,50

2,75

1,80

1,90

1,50

1,70

3140

2345

1600

0,20

2,15

2,40

1,65

1,75

1,35

1,50

2805

2135

1600

0,15

1,80

2,05

1,45

1,55

1,10

1,20

2470

2010

1600

0,10

1,45

1,65

1,15

1,30

0,85

0,95

2155

1800

1600

0,05

1,05

1,10

0,80

0,85

0,60

0,65

1820

1675

1800

0,20

2,65

2,85

1,85

2,00

1,55

1,80

3160

2405

1800

0,15

2,25

2,60

Д

2765

2260

1,70

1,80

1,40

1,55

1800

0,10

2,00

2,20

1,45

1,55

1,05

1,20

2405

2030

1800

0,05

1,45

1,50

1,00

1,00

0,70

0,75

2030

1885

2000

0,10

2,75

2,90

1,75

1,85

1,30

1,40

2680

2260

И

Примечания: 1. Значения λt и Ct приведены для грунтов и материалов в та-

лом состоянии, λf и Cf

– в мерзлом состоянии.

2 f mp f

n

f f

(4.6)

d f

1,9

ti 1

.

f

fi fi

i 1

sf = H1∙mz1∙kf1

n

m

(k

k

),

(4.7)

+ H

i

zi

f (i 1)

i 2

f i

по глуб не

определяемый по рис. 4.2 в зависимости от отношения

Hi /Hf ; Hf

– высота промороженной толщи аэродромной одежды и

основан я до

зотермы начала пучения, м; kfi – коэффициент мороз-

ного пучен я i-го слоя, принимаемый по табл. 4.5.

5. Расчетная величина пучения сравнивается с допускаемым

значен ем деформац и пучения (см. табл. 1.8); в случае невыполне-

ния услов я (3.5)

ли если величина пучения меньше допускаемой

более чем на 5%, производится корректировка толщины искусствен-

ного основания

расчет повторяется.

СибАДИ

Рис. 4.2.

График для определения коэффициентаmz

Таблица 4.5

Коэффициент морозного пучения грунтов kf

Коэффициент морозного

С

пучения kf при типе

Грунты

гидрогеологических

условий

1

2

3

Пески:

гравел стые

0

0

0,01

Пески

0

0,01

0,02

крупные

средней крупности

0

0,01

0,03

мелк е с содержанием частиц размером ме-

нее 0,05 мм, %:

0

0,01

0,03

до 2

св. 2 до 15

0,01

0,02

0,04

пылеватые

0,02

0,05

0,10

Супеси:

с содержан ем песчаных частиц размером от

0,25 до 0,05 мм, %:

20 и менее

0,01

0,03

0,10

св. 20

0,03

0,05

0,12

пылеватые

0,04

0,08

0,20

Суглинки:

Д

с содержанием глинистых частиц, %:

от 10 добА20 0,02

0,04

0,12

св. 20 до 30

0,03

0,05

0,14

пылеватые

0,04

0,06

0,20

Глина

0,03

0,05

0,10

Контрольные вопросы

1.

Какие факторы вызывают пучинообразование грунтов оснований?

2.

В чем опасность пучинообразования для аэродромных покрытий?

3.

Когда начинается пучинообразование грунтов?

С

4.

Какие грунты имеют наибольшую пучинистость?

5.

В чём существенное отличие пылеватых грунтов по физическим свой-

ствам?

6.

Как е вы знаете способы снижения пучинообразования?

7.

Как выб рают способ обеспечения морозоустойчивости аэродромных

водимых

покрыт й?

8.

В чем состо т принцип расчет оснований аэродромных покрытий, воз-

на пуч н стых грунтах?

9.

От чего зав с т температура начала пучения грунта?

10.

глубина

От чего зав с т допустимая величина пучения?

11.

Как е нужно знать теплофизические характеристики конструктивных

слоев покрыт й?

12.

Как е нужно знать теплофизические характеристики подстилающих

грунтов?

А

13.

Как уч тывается неоднородность грунта основания при расчетах?

14.

Как находится расчетная

промерзания грунта?

15.

От чего зависит коэффициент морозного пучения грунта?

16.

Как устанавливается допустимая величина пучения?

Пример 1. Жёсткое аэродромное покрытие.

Требуется запроектировать аэродромное покрытие для аэродро-

ма Омск-Западный.

Д

Класс аэродрома – Б, по международной классификации – 4D.

Длина ВПП – 3000 м.

Расчетная группа участков покрытия – А.

Дорожно-климатическая зона – III.

И

Тип местности по увлажнению – 2.

Состав принимаемых ВС

Таблица 5.1

Взлетная

КоличеДавление Коли-

Средне-

Тип ВС

масса, кг

ство ко-

в пнев-

чество

годовое

лес на

матике,

рейсов

количе-

опоре

МПа

в сутки

ство

Sukhoi

SuperJet

49450

4

1,0

6

2190

100-95LR

Ту-224

103000

4

1,42

4

1460

Booing 737-100

44360

4

0,92

10

3650

Airbus-320-100-1

63000

4

1,28

8

2920

С

ВСЕГО

10 220

За 20 лет кол чество взлетов составит 10 220·20 =204 400.

кол честве осей на главной опоре ВС

2, количество при-

ложен й нагрузки составит 408 800 единиц.

При

Расчетная нагрузка на колесо с учетом коэффициентов дина-

мичности

разгрузки (см. та л. 3.1) по формуле (3.5) составляет

F Fn k

5501,2 1,0 165,0кН.

d

n

d

f

4

k

Радиус круга, равновеликого площади отпечатка пневматика ко-

леса, по формуле (3.6) составит

R

F

165 103

0,229 м.

d

6

бА

p

3,14 1,0 10

А) Назначим конструкцию жесткого покрытия.

Д

30 см, цементобетон класса B 4,0/50, Е = 3,24·104 МПа (см. табл. 2.1).

Вариант1.

tb

26 см, пескоцемент марки 75, Е =6000 МПа (см. табл. 2.4).

И

30 см, песок средний Е=120 МПа, Кs = 130МН/м3 (см. табл. 1.4).

Грунт рабочего слоя земляного полотна – суглинок тяжелый, Е = 28 МН/м3.

Расчетный коэффициент постели грунта Кs = 50МН/м3 (см.табл. 1.4).

3

0,51,6Dr t1 t2 2

0,5(1,6 3,2 0,3)2

7,791.

t1(1,6Dr 0,5t1)

0,3(1,6 3,2 0,5 0,3)

Экв валентный коэффициент постели грунтового основания –

по выражен ю (3.9):

Кse

Ks1 Ks2 2 Rs3 3

130 50 7,791 59,1МН/м3.

1 2 3

1 7,791

С

l 4

B

4

83,321

1,09 м.

Ks

59,1

Приведенный радиус по формуле (3.6)

R

0,229

0,210.

ничный

l

1,09

Найдем

ед

изгибающий момент от действия колеса,

центр отпечатка которого совпадает с расчетным сечением, опреде-

таблi i

i i

ляемым по

. 3.2:

mxi = 0,2026.

Изг бающ й момент от колеса 1 (см. рис. 3.1):

m1 =mxii∙Fd,=0,2026·165,0 = 33,429 кНм/м.

А

моментам вычислим расчетные изгибающие моменты в покрытии.

И

Результаты расчетов приведены табл. 5.2.

ДТаблица 5.2

Единичные изгибающие моменты в покрытии

Номера

Координаты

Приведенные

Единичные

колес

расстояния

изгбающие моменты

хi

yi

η

ξ

mxi

myi

2

0,7

0

0

0,642

0,0288

0,8965

3

0,7

1,3

1,193

0,642

0,0226

0,0101

4

0

1,3

1,193

0

0,0417

- 0,0094

Σ

0,0931

0,8972

ku = 2 – 0,167·lgUd =2 – 0,167 · lg 408 800 = 1,063.

С

ающий

момент

в плите покрытия mu,

Предельный

згиu c tb u

МН · м/м, на ед н цу ширины сечения определяют по формуле (3.12)

для бетонных

армо етонных покрытий

m

R

t

2

k

6 0,30

0,8 4,0 10

1,063 51,024кН м/м.

6

6

Кпр

mu

51,024

1,046.

mc,max

48,79

Поскольку коэффициент прочности больше 1,0, прочность по-

крытия обеспечена.

бА

Количество тепла, выделяемое при фазовых переходах и охлаж-

С

и основания nfо, кДж/м3, находим по

дении бетонного покрытия nfб

формуле (4.4).

2 f

mp f

n

f

f

d f

1,9

ti

1

f

fi

fi

i 1

бА

1,9

2 1,8 11,9 165 24