Кульчицкий В. А. - Аэродромные покрытия

ПРЕДИСЛОВИЕ

Аэродромные покрытия представляют собой конструкции, воспринимающие нагрузки и воздействия от воздушных судов, эксплуатационных и природных факторов и удовлетворяющие требованиям обеспечения безопасности полетов. Одними из существенных качеств аэродромных покрытий, определяющих степень такой безопасности, являются их прочность, устойчивость и долговечность, особенно в сложных гидрогеологических условиях.

За последние годы наши представления о конструкциях аэродромных покрытий, методах их расчета, ремонта и восстановления значительно расширились. Однако некоторые исследования и достижения в этой области остались по ряду причин неизвестными широкой научной и инженерной общественности, в том числе многим из тех, кто занимается проектированием и эксплуатацией аэродромов.

К таким достижениям прежде всего можно отнести:

—  аналитические и численные решения задач о напряженно-деформированном состоянии многослойных аэродромных покрытий при действии эксплуатационных нагрузок, результаты полигонных экспериментов;

—  двухмерную эволюционную математическую модель тепло- и влагопереноса в грунтовом основании и метод ее реализации;

—  теоретические и экспериментальные исследования процессов тепловлагопереноса, происходящих в системе "покрытие-основание";

—  выявление роли и влияния различных конструктивных особенностей аэродромных покрытий на характер их работы в период эксплуатации;

—  новые практические методы оценки прочности и несущей способности покрытий при воздействии на них опор воздушных судов и др.

В связи с реконструкцией и ремонтом аэродромных покрытий в последние годы разработаны и освоены новые материалы и технологии, обеспечивающие восстановление и увеличение несущей способности аэродромных покрытий посредством создания слоев усиления, а также продление срока их службы.

Особое место в исследованиях занимает проблема оценки влияния тепла и влаги на состояние и поведение многослойной системы, включающей собственно покрытие, искусственное и естественное основания.

Если температурным воздействиям на аэродромные покрытия в эксплуатационный период посвящено достаточно много исследований, то совместным задачам по переносу тепла и влаги с учетом фазовых переходов — явно недостаточно. Такое положение объясняется рядом причин. Основные из них: сложность решения задач тепловлагопереноса из-за значительного количества факторов, влияющих на процессы формирования температурных и влажностных полей; непрерывное (во времени) изменение теплофизических, влажностных и прочностных характеристик материалов оснований и покрытий; многообразие конструктивных решений и типов грунтов, применяемых в системе "покрытие-основание"; многослойность. Перечисленные факторы в определенной степени ограничивали число исследований в этой области.

Следует также отметить, что в мировой практике аэродромостроения давно обращено внимание на такой материал, как асфальтобетон, позволяющий в короткие сроки перекрывать большие площади различных элементов аэродромов (взлетно-посадочных полос, рулежных дорожек, мест стоянок воздушных судов, перронов, внутриаэродромных дорог и т.д.). Обладая высокой технологичностью и ремонтопригодностью, асфальтобетон находит все большее применение в российских аэропортах. В этой связи в период 1994—1997 гг. в НПО "ПРОГРЕССТЕХ" были проведены исследования по изучению поведения асфальтобетонных покрытий на основаниях различной несущей способности при воздействии колесных нагрузок тяжелых воздушных судов в годовом цикле изменения температуры и влажности искусственных оснований, получены новые, ранее неизвестные, результаты. Это далеко не полный перечень научных направлений, которые разрабатывались в 80-90-е годы прошедшего столетия с целью совершенствования аэродромных покрытий.

Авторы не ставят своей целью обобщить все достижения аэродромной науки, в том числе результаты в области расчета и конструирования аэродромных покрытий, а лишь дополняют эту область новыми разработками. В книге излагается их личный взгляд на затронутые проблемы и приведены лишь те задачи и решения, которые ими поставлены и реализованы при научном сопровождении проектирования и строительства аэродромов. При этом они не претендуют на единственность мнения по затронутым вопросам и представленным решениям: они могут быть и иными.

Авторы приносят глубокую благодарность за оказанную в процессе работы помощь В.Н. Бойко, Н.Н. Бояринову, С.А. Буянову, СВ. Иванкову, О.В. Канунникову, Г.М. Клешнину, Б.Л. Крамеру, СМ. Левченко, М.С. Минаевой, Г.Ю. Мурановой, А.А. Нестерову, В.П. Обледову, И.А. Онопа, С.А. Пузатову, Е.Н. Пупышевой, Л.Б. Пчелкиной, А.Г. Роганову, В.В. Рощину, А.Н. Соколову, Н.В. Тростиной, С.А. Усанову, Э.И. Шептинскому, С.Л. Эсаулову, а также за руководство работой на отдельных этапах и внимание к ней — Б.И. Демину, В.А. Долинченко, Ю.А. Павлову, Н.В. Свиридову, B.C. Удальцову, Е.Е. Шарашкину.

Книга написана сотрудниками Научно-производственного объединения "ПРОГРЕССТЕХ": проф., докт. техн. наук В.А. Кульчицким; проф., докт. техн. наук В.А. Макагоновым; докт. техн. наук Н.Б. Васильевым; канд. техн. наук А.Н. Чековым; Н.И. Романковым. Общее редактирование книги выполнено проф., докт. техн. наук В.А. Макагоновым.

ИЗ ИСТОРИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ

На каждом этапе своего развития аэродром по своим техническим характеристикам адекватно соответствовал развитию авиационной техники, задачам, стоявшим перед различными видами авиации, и экономическим возможностям государства. На заре авиации и в первые годы ее развития, в начале прошлого века и в 20-ЗО-е годы аэродром представлял из себя грунтовое летное поле без каких-либо сложных капитальных сооружений и оборудования. В настоящее время аэродром является сложным комплексом инженерных сооружений общей площадью до 500 тыс. кв. м, включающим искусственные покрытия, служебно-техническую территорию, коммуникации, радиотехническое и светосигнальное оборудование. Основной элемент аэродрома — взлетно-посадочные полосы (ВПП) из грунтовых летных полос длиной в несколько сот метров со временем превратились в ВПП с искусственными покрытиями длиной в 2500-4000 метров, требующие больших экономических затрат на строительство и эксплуатационное содержание. С середины 40-х годов основными видами искусственных покрытий ВПП, рулежных дорожек (РД), перронов, мест стоянки воздушных судов (МС) стали жесткие (преимущественно армированные) и асфальтобетонные покрытия. Жесткие покрытия строят как монолитными, так и сборными из железобетонных плит промышленного изготовления. Для решения авиацией специфических задач (в интересах Вооруженных Сил, на местных воздушных линиях, обеспечения потребностей сельскохозяйственного производства и в чрезвычайных условиях) применялись металлические покрытия из промышленно изготовленных плит, а также упрощенные и грунтовые покрытия.

1.1. ГРУНТОВЫЕ АЭРОДРОМНЫЕ ПОКРЫТИЯ

Аэродромы с грунтовыми взлетно-посадочными полосами (ГВПП), как наиболее простые и дешевые в строительстве и эксплуатационном содержании, были первыми и длительное время единственными элементами, обеспечивающими безопасный взлет и посадку самолетов. Они возникли одновременно с первыми летательными аппаратами и существуют до настоящего времени. Их широкое применение пришлось на первую половину XX в.

Первоначально в качестве аэродромов использовались пригодные для взлета и посадки самолетов ровные земельные участки, нередко расположенные в черте городской застройки: ипподромы, велодромы, выгоны, свободные расчищенные площадки.

Эксплуатируемые в 20-30-е годы самолеты имели малую взлетную массу и развивали относительно небольшую скорость, что обусловливало их чувствительность к направлению ветра при взлете и посадке. Поэтому основной формой аэродрома был круг диаметром около 1000 м, позволявший выполнять взлетно-посадочные операции в любом направлении строго против ветра. При сравнительно небольшой нагрузке от колес шасси самолетов и малой интенсивности полетов в качестве покрытия аэродромов надежно служил дерновый покров.

По границе летного поля устанавливались электрические фонари небольшой мощности и прожекторы для освещения зоны приземления и старта. Через 30- 50 км оборудовались запасные площадки.

В аэродромостроении дерновый покров долгое время являлся почти единственным типом покрытия. Хороший дерновый покров придавал летному полю прочность, уменьшал размокание верхних слоев грунта и в значительной мере устранял пылимость. Из обширного ассортимента трав, культивируемых в сельском хозяйстве, были отобраны лучшие низкорослые сорта, имеющие прочную дернину и быстро восстанавливающиеся после проходов колес самолета.

Параллельно с развитием авиации начинала формироваться новая отрасль строительной науки и техники — аэродромостроение. Принципы проектирования и строительства аэродромов совершенствовались по мере роста требований, которые предъявлял воздушный транспорт к аэродромам и их инженерному оснащению. Одновременно разрабатываются теоретические основы и требования к шасси самолетов, предназначенных для полетов как с сухих, так и переувлажненных грунтов.

Для обеспечения безопасной работы самолетов грунтовые аэродромы должны были обладать:

—  ровной поверхностью без кочек, выбоин и колей, которые могут создать опасность аварий самолетов при взлете и посадке;

—  прочностью, достаточной для движения самолета без образования колей или с образованием колей минимальной глубины, допускаемых по условиям возникающего сопротивления движению и не вызывающих затруднений при ремонте и ликвидации неровностей поверхности;

—  однородностью по величине сопротивления грунта деформированию в пределах летного поля, что обеспечивается уплотнением грунта и тщательной планировкой;

—  отсутствием пыли и грязи, которые, засасываясь, вызывают повышенный износ двигателей.

Одним из главных требований при проектировании и строительстве грунтовых аэродромов было обеспечение надежного водоотвода, особенно при подготовке аэродромов в период весенних и осенних распутиц. Естественно, первостепенной задачей было ограждение рабочей части ВПП от вод, стекающих с прилегающей к аэродрому поверхности. Достигалось это устройством открытых канав или отсыпкой земляных валов, перехватывающих сток и отводящих его за пределы ВПП и МС, а с пониженных мест на поверхности ВПП, имеющих замкнутые контуры "блюдца", — выводными лотками с последующей засыпкой их хорошо фильтрующими материалами: гравием, щебнем, шлаком. Для этой цели на аэродромах создавались запасы таких материалов в объемах 50-60 м3.

Вплоть до 50-х годов, когда грунтовые и упрощенные покрытия оставались основными для базирования авиации, проводились научные исследования по ведущим направлениям, обеспечивающим выполнение требований к аэродромным покрытиям. Необходимо отметить основополагающие труды ученых, работавших в смежных областях, чьи разработки принимались за основу при строительстве и эксплуатации аэродромов.

Особенно заслуживает высокой оценки деятельность Н.А. Рынина и B.C. Соколова, в течение длительного периода возглавлявших научную школу в области воздушных сообщений и аэродромостроения. Разработке методов обоснования размеров аэродромов во многом способствовали работы B.C. Пышнова, исследовавшего аэродинамику самолетов [178].

Отсутствие нормативной базы создавало большие трудности при проектировании аэродромов. Понимая важность проблемы, уже в 1935 г. группой специалистов под руководством Б.В. Ветвицкого и А.В. Кукина было разработано первое "Руководство по проектированию воздушных линий и портов".

В 1937 г. на основе научных достижений тех лет в аэродромостроении и с учетом накопленного опыта было разработано "Наставление по изысканиям воздушных линий" (руководитель В.Г. Комаров) [86].

В этот период продолжают формироваться основы науки об аэродромном строительстве. В ряде районов страны организуются опытные станции для изучения условий снегозадержания и осушения аэродромов. Разрабатываются теоретические основы горизонтальной и вертикальной планировки летных полос, прочностных расчетов грунтовых ВПП, первых жестких аэродромных покрытий. Важную роль в создании науки об аэродромах и их оборудовании сыграли работы будущих профессоров Д.А. Могилевского и Г.К. Устюгова. Вопросами внедрения в проектную практику результатов научных исследований и методологии проектирования грунтовых аэродромов занимался В.М. Ромашков. Развитию методов проектирования и технологии строительства грунтовых взлетно-посадочных полос, вопросам изыскания аэродромов, грунтоведения, водно-теплового режима и фильтрации грунтовых слоев, пучинообразования, а также проходимости самолетов на грунтовых аэродромах в период распутицы способствовали научные исследования и труды В.Ф. Бабкова, М.Н. Гольдштейна, Н.Н. Иванова, А.В. Макарова, Н.В. Орнатского, Н.А. Пузакова, А.С. Смирнова, А.Я. Тулаева, П.Н. Шестакова, П.И. Шилова. Были созданы методы расчета аэродромных покрытий. Итогом методических разработок в области аэродромостроения явился выпуск в 1959 г. первого в стране учебника для гражданских вузов "Изыскания и проектирование аэродромов" (Д.А. Могилевский, В.Ф. Бабков, А.С. Смирнов и др.).

Стремительное развитие военной авиации перед Второй мировой войной требовало дальнейшего совершенствования аэродромов, обеспечивающих безопасность взлетов и посадок новых типов самолетов. Решение этой задачи вызвало необходимость создания в 1938 г. специального научного подразделения — Научно-исследовательской аэродромной станции в составе Управления Военно-воздушных сил РККА, которую возглавлял военинженер 3 ранга Ф.Ф. Костанди. Научно-исследовательская аэродромная станция стала ведущим подразделением в стране, в котором обосновывались оптимальный рельеф и размеры аэродромов для военной и гражданской авиации, разрабатывались технология и механизация строительства и эксплуатации аэродромов, первые искусственные покрытия, агротехника летных полей. Станция работала в тесном сотрудничестве с учеными и специалистами Московского автодорожного института (МАДИ), Аэропроекта и других научных организаций. В 1940 г. руководством нашей страны было принято решение о необходимости обеспечения круглогодичной работы военных самолетов на колесах в целях повышения их летно-тактических и оперативных качеств (до этого боевые самолеты в зимнее время оборудовались дорогостоящими и громоздкими лыжами). Такое решение обусловило проблему специальной подготовки аэродромов для эксплуатации в зимних условиях.

В Великую Отечественную войну 1941-1945 гг. боевая работа авиации осуществлялась преимущественно с грунтовых взлетно-посадочных полос (ГВПП). Всего за военный период было построено и восстановлено более 8500 аэродромов, составивших разветвленную сеть для базирования военной и гражданской авиации и поддержания ее в постоянной готовности. В начале Великой Отечественной войны тематика аэродромной науки существенно изменилась. Основными научными направлениями стали: зимняя эксплуатация аэродромов (эта работа велась по двум направлениям — снегоочистка летных полос и уплотнение снега на летных полосах, получившее в дальнейшем широкое распространение как наиболее экономичное и эффективное техническое решение); инженерная маскировка и строительство ложных аэродромов; строительство летных полос с покрытием упрощенных типов (из местных стройматериалов — щебня, шлака, древесины и др.); механизация скоростного строительства и содержания летных полос в постоянной эксплуатационной готовности; разработка скоростных методов топографической съемки рельефа местности и проектирования земляных работ; осушение и орошение задернованных летных полей; ускоренное создание на летных полях дерновых покрытий. К выполнению этой тематики были привлечены научные организации Академии наук (институты: мерзлотоведения, почвенный, кормов, машиноведения и др.), Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, ряд других специальных институтов, а также видные ученые страны. Опыт применения ГВПП постоянно изучался, обобщался и позволял улучшать их строительство и эксплуатационное содержание. Для строительства ГВПП по возможности изыскивались земельные участки с легкими грунтами (песчаными, супесчаными), расположенными на возвышенностях рельефа местности (водоразделах). На ГВПП применялись максимально допустимые поперечные уклоны поверхности, они засевались специально подобранными смесями семян, создававшими прочный и устойчивый дерновой покров. Все это способствовало более быстрому отводу поверхностных вод и обеспечивало сохранение несущей способности грунта на более длительное время в период распутицы.

Наибольшие сложности в подготовке и эксплуатационном содержании грунтовых полос представляла зима и связанные с ней очистка от снега и его уплотнение. На ряде аэродромов приходилось подготавливать по две ГВПП, с одной из которых снег очищался, а на другой уплотнялся. Это позволяло весной на одной ГВПП сохранять снежный покров более длительное время, а на другой обеспечивать более быстрое просыхание грунта. В ходе Великой Отечественной войны применялись практические методы подготовки заснеженных ГВПП, использовались простейшие механизмы для очистки от снега и его уплотнения, изготавливаемые силами войск. Были разработаны методы оценки плотности заснеженных полос и определены минимально допустимые плотности снега для эксплуатации самолетов различных типов. Эти исследования и разработки проводились специалистами Научно-исследовательской аэродромной станции (НИАС) ВВС под руководством И.В. Крагельского, В.Е. Харькова, А.С. Ткаченко, А.Л. Горбунова, А.И. Шахова, П.К. Заморина. Были выявлены новые физические процессы, происходящие в снежном покрове, которые легли в основу практических методов подготовки заснеженных ВПП.

В 50-60-е годы остро встал вопрос об использовании ГВПП для взлета и посадки современных реактивных самолетов авиации Вооруженных Сил (ВС). В созданном в 1946 г. для научного обеспечения базирования военной авиации Научно-исследовательском аэродромном институте (НИАИ) ВВС под руководством А.С. Смирнова, В.Ф. Бабкова, Ф.Ф. Костанди и при участии Ю.А. Суханова, В.А. Горшкова, Б.Л. Крамера, Л.Д. Разгуляева, И.Д. Афонина были проведены исследования по взаимодействию с грунтовой поверхностью самолетных шасси различных типов (колесных, лыжно-колесных, лыжных) и определению допустимых для них минимальных величин прочности грунтовых ВПП. При этом была разработана методика оценки проходимости самолетов по грунту и определены предельно допустимые показатели прочности грунта для различных типов самолетов авиации ВС. Проведенные исследования позволили определить, что для современных реактивных самолетов возможно использовать лыжные шасси и обеспечить полеты таких самолетов с ГВПП, имеющих минимальную прочность грунта в 3-4 кг/см2. С учетом опыта эксплуатации ГВПП для практического использования была разработана "Инструкция по уплотнению грунтов и планировке поверхности летного поля грунтовых аэродромов".

1.2. УПРОЩЕННЫЕ АЭРОДРОМНЫЕ ПОКРЫТИЯ

Грунтовые покрытия имели ограниченную пригодность для эксплуатации самолетов, особенно в период распутицы. Поэтому с конца 30-х годов в интересах авиации стали широко использоваться упрощенные искусственные покрытия (УВПП). Под такими покрытиями понимается как поверхностный слой грунта, укрепленный внесением в него песка (чем создавалась рациональная грунтовая смесь), различных камневидных материалов, а также вяжущих материалов (цемента, нефтебитумных материалов и т.п.), так и специально созданный слой (грунтогравийные, грунтощебеночные, грунтоцементные, грунтобитумные, грунтонефтяные покрытия, покрытия из кирпича и пр.). Этот перечень нежестких покрытий позволяет выделить три способа укрепления грунтов [94, 245], реализованные на практике:

1    — укрепление добавками, изменяющими гранулометрический состав верхнего слоя грунта, путем введения в него щебеночных или гравийных фракций (получается грунтощебень, грунтогравий);

2    — укрепление верхнего слоя грунтов вяжущими материалами, повышающими связность, прочность и водоустойчивость грунтов (битум, деготь, цемент, известь); 3 — укрепление верхнего слоя грунтов посредством внедрения в него гибких каркасов (стальных сеток, деревянных решеток, заполненных щебнем или гравием).

Предлагались и другие способы — термическая и электрохимическая обработка грунта, но они не нашли сколько-нибудь широкого применения в практике строительства аэродромов.

Созданию таких покрытий способствовало активное проведение научно- исследовательских работ в Московском автодорожном институте и Научно-исследовательском аэродромном институте ВВС, который начиная с 1946 г. практически был основным разработчиком нормативных документов, касающихся вопросов проектирования и строительства аэродромных покрытий. Этот институт решал научные проблемы, возникавшие на всех этапах жизненного цикла аэродрома: необходимость и обоснование размещения, научное сопровождение проектирования, строительства, эксплуатации, ремонта и реконструкции.

Применение в предвоенные и послевоенные годы упрощенных покрытий было сопряжено с поиском наиболее экономичных решений и обеспечением высоких темпов строительных работ для удовлетворения потребностей авиации того времени. В связи с этим основными направлениями деятельности научных коллективов и отдельных ученых, занимавшихся проблемами аэродромостроения, были:

—  разработка способов и средств стабилизации грунтов, в том числе подбор оптимальных составов грунтовых смесей, грунтощебня и грунтогравия для различных районов строительства;

—  поиск вяжущих материалов, обеспечивающих не только монолитность верхнего слоя покрытия, но и повышение его прочности и улучшение деформативных характеристик;

—  создание методов и способов обработки грунтов органическими и минеральными материалами (поливка, смешение на месте и в специальной установке);

—  обоснование возможности применения побочных продуктов промышленности и малопрочных местных материалов;

—  изучение новых материалов и конструктивных решений, в частности, проведение исследований в области асфальтобетона, которые обеспечивали бы растущие требования развивающейся авиации;

—  разработка и совершенствование методов расчета жестких и нежестких аэродромных покрытий;

—  исследование взаимодействия колесных опор самолетов (в том числе новых разрабатываемых моделей) с различными типами покрытий;

—  повышение проходимости зарождающейся реактивной авиации при ее базировании на грунтовых аэродромах и аэродромах с упрощенными покрытиями;

—  разработка методов и средств механизации аэродромно-строительных, эксплуатационных и ремонтно-восстановительных работ и т.д.

Наряду с перечисленными направлениями научных исследований, в 40- 50-е годы аэродромостроители, в том числе научные сотрудники и инженерно-технический состав НИАИ ВВС, решали специальные задачи в интересах обеспечения безопасности полетов и боеготовности авиации. К ним, прежде всего, следует отнести: разработку тактико-технических требований на проектирование и строительство аэродромов различного назначения (для фронтовых истребителей, штурмовиков, бомбардировщиков, дальней и транспортной авиации, авиации противовоздушной обороны страны и военно-воздушных сил флота), а также способов и методов защиты самолетов от осколочного действия авиабомб и напалма [124]. Кроме того, проводились исследования по повышению боеготовности и живучести самолетов при рассредоточенном базировании авиации на аэродромах и разрабатывались методы маскировки аэродромов инженерными и радиолокационными средствами.

На основании научных исследований, выполненных коллективами ученых в научно-исследовательских организациях и высших учебных заведениях по проблеме проектирования и строительства упрощенных аэродромных покрытий, были разработаны необходимые нормативные документы.

В довоенный период большой вклад в формирование представлений о работе упрощенных покрытий внесли исследования Н.Н. Иванова, А.В. Макарова, Н.В. Орнатского, А.Я. Тулаева, В.Ф. Бабкова, А.А. Гербурт-Гейбовича, Г.Л. Дукельского, В.И. Дубровина, В.Г. Волкова и др. Ими были выполнены оригинальные работы в областях: укрепления грунтов органическими вяжущими; биологического воздействия на грунт; воздействия на грунт высоких температур (обжиг); процессов влагопереноса и фильтрации в основаниях покрытий; напряженно-деформированного состояния покрытий; проходимости колес по грунтовым поверхностям; методов расчета прочности и несущей способности покрытий; составов смесей упрощенных покрытий, методов их подбора и способов создания и др.

Опираясь на их исследования, к началу Великой Отечественной войны проектные, строительные и военные специализированные организации уже умели строить, эксплуатировать и восстанавливать аэродромы с упрощенными покрытиями.

В ходе военных операций упрощенные покрытия из-за относительно большой трудоемкости их эксплуатационного содержания (заделка колей, выбоин и т.п.) строились на ограниченном количестве фронтовых аэродромов, что, однако, вместе с грунтовыми аэродромами обеспечивало минимально необходимую работу фронтовой авиации в периоды распутиц. Отметим только, что все без исключения упрощенные ВПП требовали постоянного внимания в период их эксплуатации — своевременной и тщательной заделки образующихся колей от колес самолетов, отдельных просадок покрытия (вследствие чего на поверхности УВПП образовывались "блюдца", в которых скапливалась вода). Поэтому на аэродроме приходилось держать специальную команду, которая оперативно восстанавливала поврежденную ВПП.

Во время Великой Отечественной войны строили ВПП с применением деревянных покрытий, что являлось новинкой, которую реализовали на фронтах военные инженеры-аэродромщики. Это были покрытия из сплошного дощатого настила по лежням или решетчатого типа с использованием засыпки из местного материала.

На одном из объектов Карельского фронта была построена деревянная ВПП, которая представляла собой сплошную плиту из брусов 6x8 см, уложенных непосредственно на песчаное основание вплотную один к другому.