Введение к работе
Актуальность темы. Развитие экономики страны неразрывно связано с развитием транспортной инфраструктуры, в которой важным элементом является авиация. Увеличившийся грузо- и пассажирооборот привел к увеличению взлетных масс воздушных судов, интенсивности их полетов, что увеличило эксплуатационные нагрузки на аэродромные конструкции. Величина этих циклических нагружении порой превышает допустимое значение для конкретного аэродрома, что сказывается на надежности аэродромной конструкции и безопасности эксплуатации воздушных судов.
В период с 1999 по 2009 гг. в Военно-воздушных силах Министерства обороны РФ произошло 149 авиационных инцидентов. В результате проведенных расследований было установлено, что 10 % из них произошло вследствие разрушения участков искусственного покрытия, выразившегося в его просадке, образовании взаимных уступов плит, превышающих допустимые значения, и пучении покрытия в зимний период. Процесс формирования дефектов неразрывно связан с уменьшением несущей способности основания, образованием каверн и пустот под покрытием, формированием линз жидкости и льда при отрицательных температурах. Большой взлетный вес воздушных судов и сосредоточенность приложения его к поверхности покрытия приводит к возможному развитию деструктивных процессов в аэродромной конструкции. При этом еся нагрузка, воспринимаемая аэродромной конструкцией, распределяется в грунтовом или искусственном основании, на котором находится конструктивный слой искусственного покрытия. В процессе эксплуатации аэродрома происходит визуально незаметное изменение структуры скелета основания, вызванное суффозией минеральных компонентов, деструкцией и консолидацией конструктивных слоев. Несоблюдение технологии при строительстве, неправильное проектирование и строительство водосточно-дренажной системы, превышение предельного значения взлетной массы воздушного судна для данного аэродрома приводят к снижению несущей способности конструкции.
Для обеспечения безопасности полетов аэродромным службам необходимо производить проверку аэродромной конструкции с учетом мониторинга искусственного основания. Этого можно достичь, во-первых, обследованием элементов летного поля с использованием геофизических методов; во-вторых, выявлением на основе геомониторинга момента начала деструкции основания в целях дальнейшего его ремонта; в-третьих, контролем технологии формирования конструктивных слоев основания при его строительстве.
Исследование изменения структуры искусственного основания аэродромной конструкции при воздействии циклического нагружения от взлетно-посадочных операций, выполняемых воздушными судами, для прогнозирования его несущей способности возможно лишь с разработкой новых методов мониторинга.
Решение данной научной задачи является актуальным направлением диагностики транспортных сооружений в процессе их эксплуатации.
Целью работы является развитие метода оценки несущей способности искусственного основания аэродромной конструкции, подверженной циклическому нагружению от воздушных судов, на основе данных георадиолокационного мониторинга.
Основные задачи работы:
анализ причин, приводящих к снижению несущей способности искусственного основания взлетно-посадочной полосы аэродрома;
разработка математической модели изменения несущей способности искусственного основания при циклической транспортной нагрузке в изменяющихся эксплуатационных условиях;
исследование влияния процесса изменения структуры и свойств искусственного основания при эксплуатации аэродромной конструкции на его несущую способность;
выявление на основе моделирования зон изменения структуры искусственного основания, вызванного смещением его частиц;
определение на основе экспериментальных исследований такого состояния искусственного основания, которое может привести к разрушению покрытия аэродрома при эксплуатационном воздействии;
« разработка методики обследования искусственных оснований аэродромных конструкций на основе георадиолокационного мониторинга и выработка рекомендаций по ее использованию.
Объект исследования - искусственное основание аэродромной конструкции на различных этапах его жизненного цикла.
Предмет исследования — несущая способность искусственного основания аэродромной конструкции, подверженной циклическому нагружению от воздушных судов.
Научная новизна заключается в следующем:
построена математическая модель деформации аэродромной конструкции, учитывающая изменение структуры искусственного основания при циклическом воздействии нагрузки. Отличительной особенностью данной модели является учет релаксационных процессов и эффективного напряжения в сформированном слое искусственного основания;
разработана и апробирована методика определения структурных изменений искусственного основания с использованием георадарной технологии, основанная на внесении в слои основания радиоотражающих элементов, повышающих точность измерения;
выявлено, что образованием дефектов и смещение минеральных частиц в искусственном основании от циклического нагружения тяжелыми и сверхтяжелыми воздушными судами влияет на несущую способность аэродромной конструкции и может привести к эффекту внезапного разрушения покрытия;
впервые на основе георадиолакационных исследований и предложенной методики определено начало возникновения структурных изменений в ис-
кусственном основании, что позволяет предпринять своевременные меры по борьбе с деструктивными процессами в аэродромной конструкции;
получена аналитическая зависимость изменения прогиба конструктивных слоев основания от количества нагружений с учетом возникающих в нем структурных изменений, позволяющая определять несущую способность основания аэродромной конструкции на различных этапах жизненного цикла;
разработаны разделы технического регламента обследования аэродромной конструкции с использованием георадиолокационного мониторинга, позволяющие выявлять структурные изменения в основании при воздействии циклических нагрузок от воздушных судов.
Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, подтверждается объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований.
Научная значимость заключается в разработке математической модели деформации аэродромной конструкции, учитывающей изменение структуры искусственного основания при циклическом воздействии нагрузки в изменяющихся эксплуатационных условиях, а также методики, основанной на георадиолокационном мониторинге и позволяющей получать достоверную информацию об изменении структуры основания для оценки его несущей способности.
Практическая значимость работы заключается в разработке разделов технического регламента обследования искусственного основания аэродромной конструкции с использованием георадиолокационного мониторинга, позволяющего оценить его несущую способность, сократить сроки проведения работ по обследованию эксплуатационного состояния аэродрома и дать рекомендации по режимам эксплуатации конструкции в целом.
На защиту выносятся:
математическая модель деформации аэродромной конструкции, учитывающая изменение структуры искусственного основания при циклическом воздействии нагрузки;
аналитическая зависимость изменения прогиба конструктивных слоев основания в зависимости от количества нагружений с учетом возникающих в нем структурных изменений, позволяющая определять несущую способность основания аэродромной конструкции на различных этапах жизненного цикла;
методика определения структурных изменений искусственного основания с использованием георадарной технологии, основанная на внесении в слои основания радиоотражающих элементов, повышающих точность измерения;
результаты экспериментального исследования структурных изменений искусственного основания при циклическом воздействии транспортной нагрузки от воздушных судов с использованием георадиолокационного мониторинга;
рекомендации по усовершенствованию методики обследования аэродромной конструкции с использованием георадиолокационного мониторинга.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на международной
научно-методической конференции «Современное градостроительство» (г. Пенза, 2007 г.); международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г. Белгород, 2007 г.); XVIII межвузовской научно-практической конференции «Совершенствование наземного обеспечения полетов авиации и РЭБ» (г. Воронеж, 2008 г.); XIX межвузовской научно-практической конференции «Перспектива - 2009» (г. Воронеж, 2009 г.).
Реализация результатов работы: составными частями работы являются научно-исследовательские работы № 30503 - шифр «Предупреждение» и № 1606523 - шифр «Зеркало», выполненные по заказу Инженерно-аэродромной службы тыла Военно-воздушных сил Российской Федерации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей общим объемом 66 стр., из них лично автору принадлежит 43 страницы. Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова» - 2 статьи, «Известия ОрелГТУ. Серия: Строительство и транспорт».
В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] приведены исследования струк-турообразования оснований аэродромов на стадии их уплотнения; в работе [2] изложена методика проведения экспертизы оснований аэродромов на стадии их строительства по георадарным данным; в работе [3] показаны результаты моделирования процесса устойчивости высоких насыпей.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка. Общий объем работы составляет 132 страницы машинописного текста. Диссертация содержит 8 таблиц, 40 рисунков, библиографический список из 153 источников, приложения.
