ЖЕСТКОЕ ОДНОСЛОЙНОЕ МОНОЛИТНОЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЕ АЭРОДРОМНОЕ ПОКРЫТИЕ, ВОЗВОДИМОЕ НА ПУЧИНИСТОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ
HARD SINGLE-LAYER MONOLITHIC REINFORCED CONCRETE AERODROME PAVEMENT ERECTED ON HEAVING SOIL BASE

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству аэродромов в сложных инженерно-геологических и суровых природно-климатических условиях.
Известно, что грунтовые основания должны обеспечивать устойчивость аэродромного покрытия независимо от погодных условий и времени года [1] (СНиП 32-83-96 п.5.1.).
d
u
Расчетные значения вертикальных деформаций основания S в период эксплуатации покрытия не должны превышать предельных значений S, указанных в таблице 4, в зависимости от вида аэродромного покрытия и его отдельных участков [1] (см. СНиП 32-03-96 табл.4).
При этом, когда грунтовое основание состоит из недренирующих грунтов (глин, суглинков и супесей пылеватых), в конструкциях искусственных оснований под жестким однослойным монолитным железобетонным покрытием устраивают дренирующие слои из материалов с коэффициентом фильтрации не менее 7 м/сут.: толщина дренирующих слоев из песков крупных и средней крупности должна соответствовать табл. 10 [1] (п.6.2.4 СНиП 32-03-96).
При устройстве искусственных оснований из крупнозернистых материалов, укладываемых непосредственно на глинистые грунты, должна быть предусмотрена противозаиливающая прослойка, исключающая возможность проникания грунта основания, при его увлажнении, в слой крупнопористого материала.
Толщина противозаиливающей прослойки должна быть соразмерна наиболее крупным частицам используемого зернистого материала, но не менее 5 см [1] (см. п.6.2.3. СНиП 32-03-96).
Между плитами жестких монолитных покрытий и искусственными основаниями предусматриваются конструктивные мероприятия, обеспечивающие независимость горизонтальных перемещений слоев (разделительная прослойка из пергамина, пленочных полимерных материалов и др.) [1] (см. п.6.3.7. СНиП 32-03-96).
Для сборных покрытий из предварительно напряженных железобетонных плит, устраиваемых на песчаных основаниях, устройства разделительных прослоек не требуется [1] (см. п.6.38. СНиП 32-03-96).
В целях недопущения превышения предельных вертикальных деформаций грунтовых оснований от морозного пучения предусматривается частичная замена пучинистого грунта на непучинистый материал на глубину, определяемую расчетом из условия снижения возможной вертикальной деформации основания до допустимого [1] (см. п.5.7. СНиП 32-03-96).
2
Известно жесткое однослойное монолитное железобетонное аэродромное покрытие, армированное двумя сетками из ненапрягаемой арматуры. Длина железобетонных плит колеблется в пределах 15-20 м, в зависимости от толщины плиты. Толщина плит однослойных железобетонных покрытий 18-28 см, а расход стали в покрытиях составляет 16-28 кг/м [2] (стр. 148. Изыскания и проектирование аэродромов. М.: Транспорт, 1990) или µ=0,57-1,0% при t=28 см.
Продольные швы, как правило, устраивают сквозными [2] (см. рис.6.2., стр. 143), а поперечные швы - штыревыми [2] (см. рис. 6.5., стр. 145). Основными недостатками известной конструкции грунтового основания под жесткое однослойное монолитное железобетонное покрытие является малая допустимая величина его выпучивания, не превышающего 2 см, обусловленная конструкцией продольных и поперечных швов и самой плиты, не рассчитанных на восприятие неравномерных (случайных) деформаций от сил морозного пучения основания в сложных инженерно-геологических и суровых природно-климатических условиях эксплуатации аэродромов.
Это приводит к замене большой толщины пучинистого грунта на непучинистый материал, что требует организации временных карьеров, оказывающих негативное влияние на биосферу.
Кроме того, устройство противозаиливающей прослойки из крупных частиц зернистого материала толщиной не менее 5 см при наличии современных рулонных геотехнических материалов выглядит достаточно архаично, а устройство разделительной прослойки из пергамина и пленочных материалов под однослойным жестким монолитным железобетонным покрытием, как показывает опыт строительства [3] (Н. В. Шестаков и др. Статические закономерности развития во времени дефектов цементобетонного покрытия ИВПП аэродрома Омск-Федоровка от природного воздействия в кн. «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений». Материалы I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 24-26 мая 2006 г., стр.34, 35; рис.4) не дает эффекта из-за его разрушения в процессе промерзания грунта еще в период строительства и проникания поверхностной влаги под пергамин (пленку).
В качестве аналога предлагаемому изобретению можно принять конструкцию железобетонной монолитной плиты размером 7×7 м, толщиной 28 см, примененных на взлетно-посадочных полосах (ВПП) аэропорта Домодедово (Москва), предложенной О.Р.Голли [4] стр.30, с учетом действия сил морозного пучения, где площадь сечения арматуры оказалась в 2,8 раза больше (µ=1,5%), чем принятых согласно расчетам по [1, 2]. Железобетонные плиты соединялись между собой в продольном и поперечном деформационных швах штырями шагом согласно [2].
Основными недостатками предложенной конструкции однослойного жесткого покрытия из монолитного железобетона являются:
1) повышенный расход арматуры, вызванный назначением величины напряжений морозного пучения, в зависимости от величины пучения [4], с нарушением условий равновесия при морозном выпучивании их, согласно которому интегральное значение напряжений в грунте от плиты покрытия, с учетом ее соединения с соседними плитами, должно равняться интегральному значению напряжений морозного пучения, принятому по площади плиты;
2) не рассмотрен неблагоприятный вариант образования пучинного горба вдоль продольных стыков между плитами, соединенных шарнирно выпусками арматуры, при котором возможен вариант подъема плиты за один конец более допустимого значения Su=20 мм;
3) увеличение количества поперечных швов;
4) железобетонное однослойное покрытие не рассчитано на восприятие морозобойных трещин, параллельных продольным и поперечным швам.
Так, при удерживающей плиту по четырем сторонам силы, равной Р=2·G, где G - собственный вес соседних плит, равный 0=49×0,28×24=329,3 кН и Р=2×329,3=658,6 кН. В расчете принят Р=1385 кН [4], стр.30. В результате этого изгибающий момент увеличен в 2 раза, соответственно увеличен и расход арматуры.
Таким образом, при допущении перемещения грунта основания от сил морозного пучения изгибающий момент и выгиб плиты в ее центре не будут зависеть от величины пучения или степени пучинистости грунта, как это принято в аналоге [4], а будут постоянными величинами для принятого способа закрепления их по периметру со смежными плитами. Степень пучинистости грунта влияет на среднюю величину выпучивания грунтового основания, но не влияет на неравномерность деформаций плит покрытия, так как последние армированы с учетом образования случайного горба пучения в наиболее неблагоприятных местах.
Целью предлагаемого изобретения является разработка и создание конструкции жесткого однослойного монолитного железобетонного аэродромного покрытия и грунтового основания, обладающих достаточной прочностью и долговечностью в суровых природно-климатических условиях эксплуатации и позволяющих уменьшить объем заменяемого пучинистого грунта и трудоемкость устройства противозаиливающего и разделительных слоев и значительно снизить эксплуатационные расходы за счет увеличения срока между капитальными ремонтами взлетно-посадочных полос (ВПП).
Указанная цель достигается следующим образом.
В принятом аналоге [4] монолитная железобетонная плита размером 7×7 м, толщиной 0,28 м соединена по периметру штыревыми соединениями с соседними плитами через деформационные швы и армирована, с учетом действия сил морозного пучения, в зависимости от величины пучения [4], размещением рабочей арматуры одинакового сечения в верхней и нижней частях плиты.
В отличие от принятого аналога, предлагаемое монолитное железобетонное покрытие состоит из плиты длиной 20 м и шириной 6,5 м (между противоположными сторонами шестиугольника), толщиной 0,28 м, продольные стыки имеют форму сторон равностороннего шестиугольника с радиусом R=3,75 м и длиной стороны а=3,75 м (см. фиг.1), которая соединяется вдоль продольного и поперечного деформационных швов с соседними плитами при помощи штырей [2] и армирована от действия сил морозного пучения грунта основания стержневой арматурой в виде сетки, размещенной в верхней части плиты на расстоянии 40 мм от поверхности плиты и в нижней части плиты на расстоянии не менее 30 мм от низа плиты, а площадь сечения их от сил морозного пучения определяют с учетом равновесия между удерживающими плиту силами и силами морозного пучения и распределения напряжений морозного пучения, обратно пропорционального напряжениям в грунте от удерживающих сил, согласно гипотезе [5], согласно расчетной схеме, приведенной на фиг.2а).
На фиг.2а) изображена расчетная схема взаимодействия плиты покрытия с пучинистым грунтом основания как наиболее неблагоприятная, вызывающая максимальные изгибающие моменты в плите и которая совпадает по форме с расчетной схемой [4]. На фиг.2а) изображены эпюра напряжений в грунте от плиты (р) и эпюра напряжений морозного пучения (pf) с учетом закрепления плиты по деформационным швам, которые из условия равновесия при морозном выпучивании плиты (независимо от величины выпучивания) равны между собой, т.е. Ар=Af и в соответствии с гипотезой о распределении нормальных сил морозного пучения под фундаментами напряжения морозного пучения распределяются обратно пропорционально напряжениям в грунте от веса плиты и пригрузки от соседних плит [5]; G - вес соседних плит, удерживающих выпучивание рассматриваемой плиты; q - собственный вес плиты и основания.
На фиг.3 изображена в разрезе конструкция предлагаемого жесткого однослойного железобетонного аэродромного покрытия, возводимого на пучинистом грунтовом основании, а на фиг.4 - расчетная схема слоистого основания.
Предлагаемое железобетонное монолитное покрытие (плита) состоит из следующих частей (фиг.1 и 3).
На фиг.1 показана схема расположения плит из монолитного железобетона для ВПП: 1 - продольные швы, 2 - поперечные швы, 3 - плита лоткового ряда, 4 - плита железобетонная, 5 - отмостка.
2
2
Железобетонная плита 1 (фиг.3 и фиг.1-4) длиной 20 м и шириной 6,5 м, продольные деформационные швы которой выполнены в виде сторон равностороннего шестиугольника, с длиной стороны а=3,75 м, толщиной 0,28 м, с общей площадью 109,5 м и каждого шестиугольника 36,5 м; 2, 3 - расчетные сетки, 4 - каркас для опирания арматурных сеток 2, 3; 5 - бетонная прокладка размером 200×200×30 мм. Продольные и поперечные деформационные швы и соединительные штыри приняты по рекомендации [2]. На фиг.4 показаны: 1 - монолитное железобетонное покрытие, толщиной 28 см; 2 - искусственное основание из непучинистого песка; 3 - противозаиливающая геоткань типа «Дорнита»; 4 - пучинистый грунт; 5 - расчетная граница сезонного промерзания.
Форма продольного стыка в виде сторон равностороннего шестиугольника позволяет создать удерживающую нагрузку от давления морозного пучения на 1 п.м почти в 2,8 раза больше, чем для продольного прямолинейного деформационного стыка по аналогу [4]. Так, для продольного прямолинейного стыка, при ширине плиты 7 м, удерживающая нагрузка на 1 п.м стыка от собственного веса двух смежных плит составит:
1
P=b·h·р=7,0·0,28·24=47 кН/м,
где: b - ширина плиты, h - толщина плиты, p - плотность железобетона. То же для стыка длиной, равной стороне шестиугольника а=3,75 м:
2
1
P/P=130,8/47≈2,8 раза
Вариант образования пучинного горба вдоль продольных деформационных стыков является наиболее неблагоприятным с точки зрения неравномерной деформации плиты, величина которой может быть больше прогиба плиты в его центре, для продольного прямолинейного стыка и допустимой величины выпучивания грунтового основания. Поэтому предложенная форма продольного деформационного стыка в виде сторон шестиугольника обеспечивает неравномерность деформации плит не более чем в центре плиты и обеспечивает прочность стыков от морозобойных трещин. Так, максимально допустимые деформации жестких покрытий при морозном вспучивании, определенные из условия прочности железобетонных плит, составляют при коэффициенте армирования µ=0,5% и при толщине плиты 28 см - абсолютный прогиб [f]=10 мм, относительный прогиб  и алгебраическая разность уклонов [Δi]=0,01 [5] (см. табл.53, стр.108. Указания по проектированию аэродромных покрытий. СН 120-70. М. 1970). Здесь D - диаметр чаши положительного прогиба, принимаемый равным 8ℓ, где ℓ упругая характеристика плиты, определяемая по формуле (7), (10-12) [6], (см. стр.37 и 40). При µ=0,5% и толщине 28 см ℓ47 см, а Д=8·47=376 см или ≈3,8 м.
Максимально допустимая величина временного неравномерного вспучивания грунтового основания определяется по формуле (94), стр.109 [6]:
cp
Тогда временная допустимая величина среднего выпучивания для однослойного жесткого монолитного железобетонного покрытия из условия прочности согласно формуле (95), стр. 109 [6], составит [h]=20000[J]=20000·0,005=10 см.
d
u
Учитывая одинаковые значения предельно допустимых неровностей для всех типов покрытий и выравнивающих прослоек для категории нормативных нагрузок в/к, I, II и III, приведенных [1] в табл. 8, СНиП 32-03-96, стр.9 и установленных исходя из безопасной работы самолетов, окончательно расчетное значение вертикальных деформаций основания S в период эксплуатации покрытия принимаем не более S=0,04 см.
Очевидно, фактическое значение неровностей для жесткого однослойного монолитного железобетонного покрытия будет значительно меньше, чем для облегченного нежесткого покрытия.
Предлагаемая конструкция жесткого однослойного монолитного железобетонного покрытия работает следующим образом.
При промерзании грунта и его морозном пучении под плитой последняя благодаря удерживанию ее соседними шестью плитами прогибается вверх на расчетную допустимую величину, которая определяется расчетным сечением растянутой арматуры 2, расположенной в верхней части плиты. Весной (летом) после оттаивания мерзлого грунта плита выправляется и возвращается в исходное положение и при действии временных нагрузок от воздушных судов прогибается вниз, и в работу включается нижняя расчетная арматура 3, которая обеспечивает допустимую неравномерность деформации плиты. Форма продольного стыка с соединительными стержнями уменьшает неравномерность деформаций плит по сравнению с аналогом в 2,8 раза, что позволяет в совокупности с армированием плит увеличить допустимую вертикальную деформацию плиты до 40 мм (не менее).
p
ф
f
На фиг.2а) изображены эпюра напряжений в грунте (p) от веса плиты и пригрузки и эпюра напряжений морозного пучения (pf). При этом, из условия равновесия, при морозном выпучивании плиты, площади эпюр, А и А, равны между собой (второй закон Ньютона), а напряжения морозного пучения (p) распределены по площади плиты обратно пропорционально напряжениям в грунте (p) в соответствии с гипотезой [5].
f
f
По эпюре напряжений морозного пучения (p) под плитой от удерживающих плиту сил в виде параболы максимальное значение (p) в центре плиты (фиг.2а) определяем по формуле [7] (стр.757):
f
где p - максимальная ордината напряжения морозного пучения в центре плиты, кПа;
2
Р - суммарная, удерживающая по периметру шестиугольника, сила, равная P=6·G/2=3·G (G - собственный вес примыкающей плиты площадью 36,5 м, G=245,3), кН;
r - условный радиус круга (м), определяемый из условия равенства площади круга и площади шестиугольника:
Максимальный радиальный изгибающий момент в шестиугольнике определяется по формуле [7]:
Прогиб в центре плиты определяется из выражения [6]:
где D - цилиндрическая жесткость плиты, определяемая по формуле [7]:
где h - толщина плиты, м;
µ - коэффициент Пуассона для бетона М=0,2;
E - расчетный модуль упругости бетона:
b
b
где γ - коэффициент условий работы бетона при переменном замораживании и оттаивании γ=0,85.
Площадь сечения растянутой арматуры в верхней и нижней зонах плиты определяется согласно [8] по формуле:
s
где R - расчетное сопротивление арматуры на растяжение;
0
h - рабочая высота сечения плиты;
0
m
ξ - отношение толщины сжатой зоны плиты (x) к расстоянию от верхней грани сжатой зоны до центра тяжести растянутой арматуры (h), т.е.  - определяется по таблице 20 [8] в зависимости от α:
b
где R - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию;
b - ширина прямоугольного расчетного сечения плиты, равная 1 п.м.
Расчетную арматуру располагают в верхней зоне плиты с защитным слоем 40 мм (не менее) и в нижней зоне с защитным слоем 30 мм (не менее).
Предлагаемая форма продольного шва плиты в форме равностороннего шестиугольника из монолитного железобетона толщиной 28 см, и схема ее армирования по сравнению с аналогом [4], имеющим квадратную форму размером 7×7 м или прямоугольную форму размером 7×20 м [2], обладает следующими преимуществами:
- армирование плиты от сил морозного пучения с учетом условия равновесия между удерживающими плиту силами и силами морозного пучения и распределения напряжений морозного пучения обратно пропорционально напряжениям в грунте от плит покрытия согласно [5], что позволяет в 1,5-2 раза снизить расход стали для армирования плиты с процентом армирования (µ=(0,32-0,9)%);
- за счет изменения формы продольного стыка между плитами покрытия в виде сторон равностороннего шестигранника удерживающая сила от выпучивания смежных плит на 1 п.м увеличивается в 2,8 раза, что в столько же раз уменьшает неравномерность деформаций плит при случайном образовании горба пучения вдоль продольного шва и исключает образование морозобойных трещин в покрытии.
Изложенные выше преимущества позволяют увеличить допустимую величину пучения грунта основания с 20 до 40 мм и, учитывая, что величина пучения прямо пропорциональна толщине промерзаемого пучинистого грунта, предполагают увеличение допустимой толщины пучинистого слоя под монолитным железобетонным покрытием в 2 раза, по меньшей мере, вдвое уменьшить объем заменяемого пучинистого грунта на непучинистый среднезернистый песок, что влечет увеличение срока между капитальными ремонтами ВПП аэродромов в сложных инженерно-геологических и суровых природно-климатических условиях. Замена противозаиливающего слоя на геоткань типа «Дорнита» уменьшает трудоемкость устройства этого слоя и осадку оттаивающего пучинистого грунта.
Отмена разделительного слоя из пергалина (пленки) между плитой покрытия и искусственным основанием значительно улучшает их совместную работу на изгиб при морозном пучении основания, так как модуль деформации мерзлого грунта, песка например, при температуре θ=-6,0°С и давлении σ≤0,2 МПа согласно Н.А.Цытович достигает 13000 МПа [9] (Н.А.Цытович. «Механика мерзлых грунтов». М.: «Высшая школа». 1973 г., стр.195, формула (V.3')).
Степень пучинистости грунтового основания под монолитным железобетонным покрытием предлагается определять только прямым испытанием этого грунта, учитывающим все факторы, влияющие на пучинистость (с учетом действующего на грунт давления), проводимым в лабораторных условиях с помощью установки и способа, предложенных автором [10, 11], так как определение степени пучинистости согласно указаниям [12] СНиП 2.05.08-85 приложения 7 достаточно сложно и неточно. Об этом свидетельствуют натурные наблюдения за деформациями покрытия аэропорта Омск-Федоровка [3]. Так, при расчетной величине морозного пучения, по проекту равной 3 см, фактическая величина морозного пучения составила 9 см (см. стр. 32 [3]).
Литература
1. «Строительные нормы и правила Российской Федерации» СНиП 32-03-96: Аэродромы, М., Минстрой РФ, 1996, 22 с, с.5, табл.4 с.11-14, п.6.3 и п.6.4.
2. «Изыскания и проектирование аэродромов». Под редакцией Г. Н. Глушкова, М.: Транспорт, 1990, 295 с., гл.6, с.133-151,
3. Шестаков И. В. и др. Статистические закономерности развития во времени дефектов цементобетонного покрытия ИВПП аэродрома Омск-Федоровка от природного воздействия. // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений. Материалы I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 24-26 мая 2006 г. Книга I. Омск-СибАДИ-2006. - с.29-36.
4. Голли О.Р. Интегральные закономерности морозного пучения грунтов и их использование при решении инженерных задач в строительстве. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Санкт-Петербург, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 2000, - 46 с.
5. Гипотеза о распределении нормальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого слоя грунта под фундаментами, автор Абжалимов Р.Ш. // Научные открытия (сборник кратких описаний научных открытий, научных идей, научных гипотез-2004). М.: Российская академия естественных наук, 2004, выпуск 1, с.46-47.
6. Указания по проектированию аэродромных покрытий. СН 120-70. М. - 1970.
7. Улицкий Н.Н. и др. «Железобетонные конструкции» (расчет и конструирование) под редакцией С.А.Ривкина. Киев. Изд-во «Будивильник», 1973, 992 с, с.757.
8. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84*), м6 ЦИТП, 1989, 192 с, табл.20, с.24.
9. Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа. 1973 г. 445 с.
10. А.с. №25518 на полезную модель. Устройство для определения величины морозного пучения грунтов от давления. // Р.Ш.Абжалимов. Приоритет от 13.12.2001. // Опубл. 06.12.2000, Бюл., №18.
11. Патент на изобретение №2281995, МПК 7Е 02D 1/100. Способ определения степени морозного пучения грунта в зависимости от давления фундамента на грунт. // Р.Ш.Абжалимов. Приоритет от 31.03.2005. // Опубл. 20.08.2006, Бюл. №23.
12. СНиП 2.05.08-85. Аэродромы. М.: Госстрой, 1985 г.