CC BY
8Волков В. В., канд. физ.-мат. наук, доцент, Кочетков В. А., ассистент Воронежский военный авиационный инженерный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ АЭРОДРОМОВ НА СТАДИИ ИХ УПЛОТНЕНИЯ
Основания аэродромов воспринимают основные нагрузки от массивных летательных аппаратов и от качества строительства их зависит долговременная надежность аэродромных покрытий. Контроль качества строительства оснований строящихся или реконструируемых аэродромов является актуальной задачей. Используя приведенную методику получения георадарных данных о состоянии покрытии можно проводить экспертизу оснований аэродромов на стадии их строительства.
За последние десятилетия количество транспортных операций, связанное с применением летательных аппаратов возросло в 1,7 раза. Одновременно с возросшей интенсивностью возросли и весовые характеристики летательных аппаратов, используемых в транспортных операциях. Максимальный взлетный вес вырос до 560 тонн.
При строительстве, а также реконструкции аэродромов используются нормативные документы, в которых применяется коэффициент постели, определяющий прочностные характеристики основания.
В тоже время опыт эксплуатации аэродромов показывает, что при использовании покрытий из асфальтобетона, может возникнуть ситуация образования дефектов на покрытии в условиях интенсивной нагрузки. Анализ данных инструментальной диагностики, включая георадарный мониторинг, показывает, что в основных документах, регламентирующих основные требования к основаниям, нет учета факторов, которые ухудшают несущие свойства в процессе длительной эксплуатации. В целях выявления влияния начальных условий при строительстве были произведены исследования.
На участке аэродромного покрытия, на котором наблюдалась просадка, были произведены работы по ремонту. В процессе выполнения ремонтных работ на площади 20 м2 в грунтовое основание на глубину до 1 м внесены дипольные отражатели, представляющие собой нарезку из медного эмалированного провода сечением 0,4 мм, длиной 2,5; 5; 10 и 20 мм. Количество внесенных диполей показано в таблице 1.
Таблица 1
Количество диполей различной длины, внесенных в объем основания на ремонтируемом участке
Длина диполей, мм 2,5 5 10 20
Количество, шт. 48000 24000 12000 6000
При выполнении каждой технологической операции от засыпки грунтом ремонтируемого участка при послойном уплотнении и последующем восстановлении
ремонтируемого покрытия, производилось измерение при помощи георадара сигнала, отраженного от массива грунта с внесенными диполями.
На рисунке 1 показано изменение распределения амплитуды отраженного сигнала по толщине исследуемой конструкции аэродромной одежды. Из амплитуды спектральных характеристик видно, что по мере уплотнения грунтового основания, происходит смещение спектрального максимума, характерного для диполей меньшего размера, что свидетельствует о консолидации грунта и смещении мелких частиц вниз по отношению к крупным диполям. Послойное распределение грунта с последующим уплотнением привело к появлению своих максимумов в спектре распределения на временных интервалах, характеризующихся временем распространения через конструкцию дорожной одежды до слоя максимального уплотнения.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 К м
Рис. 1. Изменение распределения амплитуды отраженного сигнала по толщине исследуемой конструкции аэродромной одежды: 1 - для начального распределения до уплотнения в массиве грунта дипольных элементов размером 5 мм; 2 - то же 20 мм; 3 - после уплотнения слоями по 20 см для дипольных элементов размером 5 мм;
4 - то же 20 мм.
Таким образом, исследуя изменение распределения спектральной плотности радиолокационного сигнала, можно узнать как о плотности грунта или грунтового
основания, так и о распределении частиц при его уплотнении.
В процессе эксплуатации под воздействием климатических факторов, грунтовых вод и нагрузки от транспортных средств, может возникнуть процесс разрушения грунта или искусственного основания. Для его выявления на опытном участке в течение двух лет в различное время года проводились замеры при помощи георадара. Из анализа полученных данных, видно, что по мере эксплуатации происходит перемещение диполь -ных элементов внутри грунта, что свидетельствует о наличии деструктивного процесса, приводящего к изменению средней плотности диполей в единице объема грунта. Причем, максимальное смещение наблюдается в весенний период с размыванием четких границ уплотненных слоев.
боты основания, то есть при данном нагружении возникает деформации.
Рис. 2. Изменение амплитуды отраженного сигнала по толщине исследуемой конструкции: 1 - при начальном внесении дипольных элементов; 2 - через один год; 3 - через два года
По длине исследуемого участка также было неодинаковое смещение элементов, закладываемых в массиве грунта, достигавшее своего максимума в месте предыдущего разрушения грунтового основания, что свидетельствует о дальнейшем разрушении низлежащего массива грунта.
Использование георадарного мониторинга в процессе строительства и в дальнейшем при эксплуатации позволяет выявить некоторые особенности, не указываемые в нормативной и справочной литературе. Во-первых, нет указания на точную связь между количеством взлетных операций с приведенным взлетным весом и остаточными деформациями, включая необратимые, в покрытии, подверженном воздействию многократных нагружений в условиях тепло-влажностного режима, характерного для эксплуатации данного аэродрома.
На рисунке 3 показана зависимость изменения среднестатистического отклика радиолокационного сигнала при распределении частиц определенного размера по глубине в основании от приложенной нагрузки при деформации покрытия.
Рассматривая полученную зависимость можно обратить внимание на возникновение деструктивных изменений в основании при возникновении приложенной нагрузки, характерной для неоптимальных режимов ра-
Рис. 3. Зависимость изменения среднестатистического отклика радиолокационного сигнала по глубине основания: 1 - концентрация элементов длиной 5 мм в отсутствии нагрузки; 2 - концентрация элементов длиной 20 мм в отсутствии нагрузки; 3 - концентрация элементов длиной 5 мм при приложении нагрузки 200000 Н/м2;
4 - концентрация элементов длиной 20 мм при приложении нагрузки 200000 Н/м2
В то же время наблюдается такое перераспределение внесенных элементов, которые характерны при сдвиговом воздействии на исследуемые грунты. Это приводит при укатке материалов, используемых в качестве основных в основании к «растаскиванию» в верхнем слое.
На рисунке 4 показано изменение среднестатистической плотности дипольных элементов после уплотнения при различных влажностях. Данный эффект возникает несколько раньше, чем будет достигнута оптимальная влажность, при которой наблюдается максимальное вертикальное смещение элементов.
Рис. 4. Изменение среднестатистической плотности дипольных элементов после уплотнения при различных влажностях: 1 - недостаточная влажность; 2 - оптимальная влажность;
3 - переувлажнение
Можно обратить внимание на несимметричность процессов смещения элементов основания содержащего диполи относительно оптимальной влажности. При недостаточной влажности наблюдается горизонтальное смещение частиц основания, при избыточной влажности наблюдается процесс перемешивания низлежащих и
верхлежащих слоев с одновременным выдавливанием на величину объема погружения катка.
Таким образом, используя георадарный мониторинг, можно судить не только о толщине и количестве слоев основания, но и технологии его уплотнения в процессе строительства или реконструкции.
В результате процессов, изменяющих свойства грунта и искусственного основания: суффозия грунтов, унос частиц грунтовыми и поверхностными водами, выдавливание материала основания в процессе эксплуатации, наблюдаются структурные изменения, нехарактерные для конструкции аэродромных одежд, работающих в нормальных условиях [1]. Это выражается в различном характере смещения дипольных элементов, дающих радиолокационный отклик при георадарном мониторинге.
Имея георадарный профиль, полученный в резуль-
тате мониторинга аэродромной конструкции на начальном этапе эксплуатации, и последующее обследование, можно с уверенностью отметить места основания под искусственным покрытием, в которых наблюдается изменение структуры.
Таким образом, исследовав изменение структуры основания, вызванное воздействием летательных аппаратов на покрытие, а также при последующих обследованиях, можно на продолжительный интервал времени, характерный для эксплуатации данной аэродромной конструкции, спрогнозировать изменения свойств основания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Черкасов И. И. Механические свойства грунтов в дорожном строительстве. - М.: «Транспорт», 1976. - С. 80-107.
