Современные требования к эксплуатационным качествам взлетно-посадочных полос аэродромов

УДК 629.139.001

Рассмотрены требования к эксплуатационным качествам искусственных покрытий аэродромов по критериям проч­ности, ровности и дефектности.

Развитие воздушного транспорта, как наиболее мобильной составляющей транспортной инфраструктуры современного го­сударства имеет исключительное значение. Воздушный транс­порт является не только индикатором деловой активности госу­дарства, но и в определенной степени может выступать в качестве ее катализатора, способствуя реализации предпринимательской активности и деловых связей практически во всех сферах дея­тельности государства. Как объект развития гражданская авиа­ция является многофакторной динамической системой, включа­ющей в себя авиакомпании, аэропорты, авиаремонтные заводы и другие структурные единицы, обеспечивающие единый произ­водственно-технологический процесс по безопасной авиапере­возке пассажиров, грузов.

По прогнозам Международной организации гражданской авиации (ИКАО), объем мировых регулярных авиаперевозок в ближайшие пять лет будет возрастать ежегодно в среднем на 5 %, причем рост будет зависеть от следующих факторов: мирового экономического роста и роста объемов торговли, изменения цен на топливо, правительственных решений в части экономического регулирования деятельности авиакомпаний.

Основными тенденциями развития воздушного транспорта являются: обострение конкурентной борьбы авиакомпаний, их интеграция, глобализация рынка сбыта авиаперевозок.

Республика Беларусь, находящаяся на перекрестке восточно­европейских путей, занимает сегодня центральное место на кар­те Европы. Многие международные маршруты по направлениям север-юг, запад-восток проходят через территорию и воздушное пространство республики, что имеет экономические предпосыл­ки для наращивания объемов авиаперевозок [1]. Бесперебойное обеспечение полетов авиации в целом зависит от своевременной

и качественной подготовки аэродрома к производству полетов, и напрямую от эксплуатационного состояния искусственных по­крытий взлетно-посадочных полос аэродромов.

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, ровность, устойчивость и долговечность, особенно в сложных гидрогеоло­гических условиях.

Искусственные покрытия, в том числе цементобетонные, нашли применение на аэродромах как у нас, так и за рубежом (США, Германия, Великобритания) в середине 1930-х годов. Это были в основном покрытия либо монолитные, либо сборные из прямоугольных и шестигранных цементобетонных плит с проч­ностью бетона на сжатие до 11,0 МПа.

В то время отечественный и зарубежный опыт возведения аэродромных покрытий почти полностью копировал практику дорожного строительства. Из-за относительно небольших взлет­ных весов самолетов и низкого давления в шинах пневматиков самолетов, не превышающего 0,3-0,4 МПа, а также «тиражирова­ния» конструктивных решений покрытий без расчетных обосно­ваний их параметров, определение несущей способности покры­тий и оценка воздействий на них самолетов не производились.

В послевоенный период появляются многоколесные шасси, воздействие которых на покрытие отличается от одноколесных опор. Сбывается прогноз конструкторов, сделанный в 1940-е годы относительно возможности появления сверхтяжелых само­летов массой до 500 т. Специалисты вынуждены были обратиться к разработке методов оценки прочности покрытий при воздей­ствии на них конкретных типов самолетов.

а) монолитное

б) прямоугольное

в) шестигранное

Рис.1. Типы жестких аэродромных покрытий

С 1983 г. Международной организацией гражданской ави­ации в практику эксплуатации аэродромов введен новый метод представления данных о воздействии воздушных судов и прочно­сти аэродромных покрытий, получивший название «ACN-PCN” (AircraftClassificationNumber - PavementClassificationNumber). ACN и PCN- наборы кодов, характеризующие соответственно действие опоры самолета на покрытие и несущую способность последнего: 2Fe/R/B/X/T, где 2Fe- двойная эквивалентная одно­колесная нагрузка (т) с давлением в шине 1,25 МПа; R- тип по­крытия (R- жесткое/F- нежесткое); В - код прочности грунтового основания (табл. 1); X- код давления в шине колеса опоры (табл. 2); Т- метод определения несущей способности покрытия (Т- тех­ническая оценка на основе расчетов и, если необходимо, испыта­ний покрытий; U- эксплуатационная оценка на основе обобщения опыта аэродромной эксплуатации воздушного судна).

Покрытие может эксплуатироваться без ограничений, если выполнено следующее условие:

ACN≤PCN

Если условие ACN≤PCN не выполняется, то необходимо вве­сти ограничение массы воздушного судна путем линейной ин­терполяции между массой m2 и максимальной массой ml:

Если по условиям эксплуатации нет возможности ограничи­вать массу воздушного судна, покрытие будет эксплуатироваться с перегрузкой.

Перегрузку оценивают с помощью коэффициента перегрузки

где ACN - классификационное число воздушного судна, PCN - классификационное число покрытия.

Таблица 1.

Код основания

Катего­рия проч­ности

Коэффициент постели для жесткого покрытия МН/м3

Калифорнийское число CBR для нежесткого покрытия

стандарт

диапазон

стандарт

диапазон

A

высокая

150

более 120

15

более

13

B

средняя

80

бр-120

10

8-13

C

низкая

40

25-60

6

4-8

D

очень

низкая

20

менее 25

3

менее 4

Таблица 2.

Код давления

Категория давления

Пределы изменения давления в ши­нах, МПа

W

высокое

более 1,5

X

среднее

убдр

Y

низкое

 

 

очень низкое

менее 0,5

Сущность метода состоит в сопоставлении численных значе­ний классификационного числа покрытия (PCN), характеризую­щего несущую способность покрытия без ограничения интенсив­ности движения, и классификационного числа воздушного судна (ACN), характеризующего воздействие воздушного судна на ис­кусственное покрытие, для установленной стандартной прочно­сти грунтового основания.

Для жестких покрытий значение ACN численно определяет­ся как удвоенная эквивалентная одноколесная нагрузка в тоннах при давлении в шине 1,25 МПа, развивающая в покрытии изгибное напряжение 2,75 МПа.

В данном случае под эквивалентной одноколесной понима­ют нагрузку, которая при давлении в шине 1,25 МПа создает в расчетном сечении плиты покрытия силовое воздействие, экви­валентное силовому воздействию, создаваемому опорой рассма­триваемого воздушного судна.

Стандартные значения уровня изгибных напряжений в бето­не и давление в шине одноколесной опоры определяют эталонные условия, при которых оценивается силовое воздействие воздуш­ного судна на жесткое покрытие. [2]

Плавность хода и минимальные затраты мощности на сопро­тивление качению воздушного судна, особенно при движении с высокими скоростями, достигаются на идеально ровном и гладком искусственном покрытии. Сила удара пневматиков шасси о неров­ности покрытия возрастает пропорционально квадрату скорости. Поэтому, например, при движении со скоростью 50 км/ч отдель­ные неровности высотой до 10 мм практически не сказываются на плавности хода воздушного судна, при скорости же 90 км/чи выше они вызывают ощутимое подбрасывание пневматиков шас­си. Конечно, покрытие аэродромов не может быть идеальным, оно всегда имеет неровности. Но с точки зрения летчиков, эти неров­ности должны быть такими, чтобы толчки от них полностью по­глощались благодаря деформации пневматиков. С другой стороны, идеально гладкое покрытие - серьезный недостаток покрытий, так как при этом резко снижается коэффициент сцепления шасси с ис­кусственным покрытием. Поэтому покрытие аэродромов должно иметь шероховатость с выступами и углублениями в 3 - 5 мм, что положительно влияет на снижение эффекта аквапланирования при дождливой погоде и как следствие, скапливания на покрытиях по­верхностных вод.

Искусственное покрытие аэродромов приобретает иногда из­лишнюю гладкость вследствие износа. В результате длительной эксплуатации шероховатости срезаются трением пневматиков са­молетов о поверхность дороги, и коэффициент сцепления с доро­гой на таком покрытии резко уменьшается. Для восстановления прежнего качества покрытия производят его нарезку алмазными дисками.

Поперечные профили искусственных покрытий характери­зуются своей формой и поперечными уклонами i По форме профиль может быть двускатный симметричный, двускатный не­симметричный и односкатный (рис. 2). На поперечных профилях принято различать гребень, соответствующий верхней точке по­крытия в данном поперечнике, бровки покрытия - боковые точки поперечника.

При выборе поперечного профиля покрытия необходимо предусмотреть:

быстрейший сток воды с поверхности покрытия, а также про­сочившейся сквозь покрытия воды по грунтовому основанию в сторону бровок; лучшее решение возможно при двускатном сим­метричном профиле и максимально допустимых iпоп;

удобство эксплуатации покрытия самолетами и предупреж­дение их отклонения в сторону от оси, особенно на ВПП, при разбеге и пробеге; это требование, в частности, важно для мо­крого или оледенелого, заснеженного покрытия, когда сцепление между колесами и покрытием значительно снижено, в связи с чем целесообразнее минимальные iпоп;

размещение проектной поверхности покрытия возможно ближе к существующей поверхности земли; при этом должно выдерживаться необходимое возвышение низа искусственного основания над уровнем грунтовых вод, а поверхности покрытия - над примыкающими грунтовыми поверхностями; объемы зем­ляных работ должны быть минимальными.

Как правило, для искусственных покрытий выбирается дву­скатный симметричный профиль, обеспечивающий минималь­ный пробег поверхностной воды и удобство в эксплуатации. В отдельных случаях допустимо использование односкатного поперечного профиля на всем протяжении или для отдельных участков покрытий. Это связано с нахождением оптимального расположения проектной поверхности относительно поверхно­сти земли.

Рис. 2. Поперечные профили искусственных покрытий а - двускатный симметричный; б - односкатный; в - двускатный несимметричный; 1-гребень; 2и 2’ - верхняя и нижняя бровки; h - толщина покрытия; hp.c - толщина растительного слоя

Основную роль при этом выборе играет выдерживание нормативного расстояния от низа искусственного основания покрытия до грунтовой воды, а также превышение бровок над грунтовой поверхностью для предупреждения подтапливания поверхностной водой. В зависимости от местных условий бровки должны быть расположены примерно на 30 - 50 см выше примы­кающих к покрытию грунтовых поверхностей. Если поверхность естественного грунта в вертикальном разрезе, перпендикуляр­ном оси покрытия, отразится линией, близкой к горизонтальной, то покрытие двускатного симметричного профиля (рис. 2, а) мо­жет быть размещено с выдерживанием примерно одинаковых превышений бровок.

С увеличением поперечного уклона местности положение бровок будет все больше различаться (рис. 2,б, в), что потребу­ет для верхней (по уклону местности) бровки отрывки глубоких грунтовых лотков, а для нижней - увеличения высоты насыпи при общем увеличении объемов работ. Высота насыпи определится разностью отметок верха грунтового основания и черной поверх­ности (после снятия с нее растительного слоя). Указанное выше превышение (30 - 50 см) бровки над грунтовой поверхностью в первую очередь должно быть обеспечено для верхней (по укло­ну местности) бровки. Вместе с тем целесообразно не допускать увеличения насыпи по оси покрытия и нижней бровке более 1 м.

Поэтому целесообразно при поперечных уклонах местности свыше 0,01 на протяжении не менее 400-500 м переходить к одно­скатным профилям, рационально располагая их относительно по­верхности грунта.

Общие основные требования к продольному профилю искус­ственных покрытий ВПП:

Вдоль ВПП должна быть обеспечена взаимная видимость на удалении не менее 1000 м двух точек, находящихся на высоте 3 мот поверхности покрытия. Выполнение этого требования про­веряется обычно по чертежу продольного профиля.

Количество волн в продольном профиле желательно иметь не более двух - трех. Встречные уклоны, как правило, допустимы только в местах перехода ВПП через главные тальвеги и водоразделы.

Минимальные радиусы кривизны для ВПП принимаются 6000 м, а шаг проектирования или минимальные расстояния между изломами проектной линии для покрытий 40-50 м. Кри­визна вдоль ВПП определяется по разности уклонов смежных участков.

Максимальные продольные уклоны на аэродромах принима­ются 0,015-0,025 (рис. 3).

Участки с максимальными продольными уклонами должны допускаться только в крайних случаях (при сложных рельефных условиях, краткости сроков строительства) и, как правило, долж­ны быть небольшими по протяженности.

Рис. 3. Продольные уклоны покрытий аэродромов

Крайние участки ВПП в продольном профиле целесообразно иметь горизонтальными или с небольшими восходящими укло­нами; нисходящие уклоны допустимы только при благоприятных условиях на полосах воздушных подходов.

Минимальные продольные уклоны покрытий не ограничива­ются, так как вода отводится с поверхности за счет соответствую­щих поперечных уклонов. Для монолитных бетонных покрытий целесообразно принимать минимальный уклон 0,0025 для отвода воды по открытым лоткам (на горизонтальных участках может быть принят также пилообразный продольный профиль этих лотков).

Для полевых аэродромов на водоразделах допустимы участ­ки 200 - 300 м без продольных уклонов.[3]

Степень дефектности искусственных покрытий определяют по количеству предельных дефектов, приведенных в таблице 3.

Таблица 3

Предельные значения дефектова эродромных покрытий [4]

Дефект покрытия

Предельное значение дефекта

Монолитные бетонные, железобетонные покрытия

Сквозные трещины

Отношение длины трещин в метрах к площади покрытия, м2, не должно превышать 0,3 - для бетонных и 0,4 - для железобетонных покрытий

Волосяные трещины

Допускается неограниченное количество усадочных трещин шириной до 0,3 мм

Шелушение поверхно­сти плит

Шелушение отдельных участков по­верхности на глубину не более 5 мм

Сколы бетона у швов покрытия

Отдельные сколы шириной и глуби­ной не более 30 мм

Раковины и выбоины на поверхности плит без ого­ления стержней арматуры

Раковины и выбоины на поверх­ности плит без оголения стержней арматуры

Уступы между смежными плитами и у трещин

Уступы не должны превышать: на ВПП - 25 мм, на РД - 30 мм

Изломы продольного профиля и просадка плит

Алгебраическая разность продольных уклонов соседних плит не должна пре­вышать: на ВПП -0,020, на РД-0,033

Сборные покрытия из плит ПАГ (плита аэродромная гладкая)

Сквозные трещины

Трещины не раскрыты и нет пред­посылок к разрушению их кромок и выкрашиванию бетона

Волосяные трещины

Допускаются в неограниченном количе­стве, если их ширина не более 0,2 мм

Шелушение поверхно­сти плит

На отдельных небольших участках (общей площадью до 2 м2) на глу­бину не более 3 мм

Сколы бетона у швов

Отдельные сколы бетона без оголения арматуры глубиной не более 30 мм

Уступы между смеж­ными плитами

Такие же, как для монолитных по­крытий

Асфальтобетонные покрытия

Изломы продольного профиля

Такие же, как для монолитных по­крытий.

Сквозные отдельные трещины

Трещины не раскрыты и нет пред­посылок к разрушению их кромок и выкрашиванию асфальта.

Сквозные отдельные трещины

Трещины не раскрыты и нет пред­посылок к разрушению их кромок и выкрашиванию асфальта

Разрушение поверхно­сти асфальта

Отдельные выжиги слоя асфальта на глубину до 15 мм, сетка трещин без разрушения их кромок, выбои­ны глубиной до 30 мм

Колеи, волны, сдвиги, просадки

На ВПП - до 30 мм, на РД - до 50 мм

Изломы продольного профиля

Алгебраическая разность продоль­ных уклонов i на расстоянии 10 м: на ВПП - до 0,02, на РД - до 0,033

Облегченные и упрощенные покрытия

Разрушение поверх­ности

Выбоины на ВПП - до 30 мм, на РД - до 50 мм. Водный сдвиги на ВПП и РД до 30 мм;

Металлические покрытия

Разрушение плит

Количество определенных видов де­фектов должно быть не более нормиру­емых для плит 3-й категории

Остаточные деформа­ции

(прогибы) плит

Наибольший прогиб на базе длины пли­ты (2-3 м) не должен превышать: 5 мм - для плит К-1Д и 20 мм - для плит АСП-4.

Таким образом, при правильной и своевременной диагно­стике искусственных покрытий по критериям прочности, ров­ности, сцепления пневматиков шасси и дефектности можно достичь безаварийной эксплуатации воздушных судов по вине аэродромных служб, что является неотъемлемой частью инже­нерно-аэродромного обеспечения полетов авиации, в котором занято огромное количество единиц техники и персонала.

Литература

1.  Программа развития гражданской авиации Республики Беларусь на 2011-2015 годы, утвержденная постановле­нием Совета Министров Республики Беларусь от 31 мар­та 2009 г. № 404.

2.  Кульчицкий В.А., Макагонов В.А., Васильев Н.Б., Чеков А.Н., Романков Н. И.Аэродромные покрытия. Современный взгляд. - М.: Физико- математическая литература, 2002.

3.  Основы строительства и эксплуатации аэродромов. - М. : Воениздат, 1972.

4.  Авиационные правила эксплуатации аэродромов государ­ственной авиации Республики Беларусь, 2004.