一种基于弹性层状理论的压实雪跑道结构分层设计方法与流程

本发明涉及压实雪跑道设计，具体为一种基于弹性层状理论的压实雪跑道结构分层设计方法。

背景技术：

1、南极是世界上最恶劣的环境之一，修建飞机跑道面临着诸多技术挑战，首先，南极的极端低温和风雪天气对建设材料和设备提出了极高的要求，其次，南极地区的地质条件复杂，地表可能存在冰层或积雪，需要进行详尽的勘察和地质测试，以确保跑道建设的安全性和稳定性，此外，由于南极地区的气候变化快速且多变，建设者需要考虑气象因素对跑道使用的影响，制定相应的风险管理和运营计划，综合考虑以上因素，南极修建飞机跑道需要综合运用地质勘察、材料工程、气象学等多领域的专业知识，确保跑道的安全性和可持续性；

2、现有的南极修建的冰层飞机跑道多为双层冰层跑道，这种双层冰层跑道一般底层为承重层，顶部雪压实制作的起飞层，起飞层能够使得减少飞机在起降过程中的冰雪飞溅，同时也可以减少飞机轮胎对下层冰层的磨损，底部的承重层主要承受飞机的重量和提供支撑的主要结构层，但是这种双层设计结构在缓冲效果上并不理想，双层设计难以有效吸收飞机着陆时的冲击力，缺乏足够的缓冲效果，这可能导致飞机在着陆时受到较大的震动，增加了飞行员和机组人员的安全风险，也对飞机本身造成了额外的损耗，同时也增大了对跑道的损耗，导致跑道的维护成本较高，为此，我们提出一种基于弹性层状理论的压实雪跑道结构分层设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于弹性层状理论的压实雪跑道结构分层设计方法。

2、以解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供如下技术方案：一种基于弹性层状理论的压实雪跑道结构分层设计方法，所述压实雪跑道结构分层分为基础层、弹性层和道面层，基础层是跑道结构的承载结构层，主要用于承受飞机荷载，基础层具有高强度和承载能力，能够支撑整个跑道的运行和使用，弹性层是位于基础层之上的缓冲结构层，主要用于减缓飞机起降时的冲击和减震，保护基础层免受飞机起降时的冲击而损坏，基础层具有良好的减震和减振效果，能够很好地吸收飞机在起降过程中产生的震动，以提高整个跑道的舒适性和安全性，道面层是位于弹性层上方的表面结构层，是直接接触飞机轮胎的结构层，主要用于保证飞机起降时的平稳性和安全性，道面层具有平整、耐磨和抗滑等特性，能够承载飞机重压和频繁的使用后保持良好的状态，压实雪跑道结构基于载荷q、泊松比v、跑道的总载荷p、承载弯曲值δ、弯曲刚度ei、弹性模量e、厚度h、材料特性以及载荷分布的角度进行分层设计，所述一种基于弹性层状理论的压实雪跑道结构分层设计方法的具体步骤如下：

3、步骤一、选取位于东西排列且间距在400-600m的两座冰山之间、厚度不低于2000m、长度不低于3000m以及宽度不低于80m的较为平坦的冰面为目标冰面，然后在目标冰面上规划出2800m×70m的南北朝向的矩形规划区域，随后通过人工利用机械将矩形规划区域打磨平整，随后在打磨平整后的矩形规划区域上规划出2600m×60m的南北朝向的矩形建设区域；

4、步骤二、通过人工利用机械对2600m×60m的南北朝向的矩形建设区域进行挖掘，直至挖掘出深度为3m的矩形坑，挖掘出的冰雪置于一侧备用，利用打磨设备将矩形坑底面进行打磨，使得矩形坑的底面保持平整，然后取挖掘出的冰雪置于破碎机中进行破碎，然后将冰雪加热融化成液态水，然后将液态水初过滤后进行蒸馏，随后将蒸馏后的液态水置于2m×2m×1.5m的模具中加压冷却成固态的高硬度冰块，随后将高硬度的冰块铺设在矩形坑底部，即完成基础层的制料和铺设；

5、步骤三、继续将挖掘出的冰雪置于破碎机中进行破碎，然后将破碎后的碎冰置于搅拌机进行搅拌，在搅拌的过程中添加碎木屑和棉花至均匀，随后将包含碎木屑和棉花的碎冰均匀铺设在基础层的顶部，在铺设完成后向碎冰中浇筑蒸馏水，随后利用压实机将碎冰进行压实，在压实后的冰层上方再次铺设添加碎木屑和棉花的碎冰，然后继续在铺设完成后向碎冰中浇注相同比例的水，随后再次利用压实机将碎冰进行压实，即完成厚度为1m的弹性层的制料和铺设；

6、步骤四、继续将挖掘出的冰雪置于破碎机中进行破碎，破碎成细小颗粒后置于搅拌机中进行搅拌，在搅拌的过程中添加碳化硅颗粒至均匀，随后将搅拌均匀后的碎冰均匀铺设在弹性层顶部，然后利用压实机对碎冰进行压实，在铺设完成后向碎冰中浇筑蒸馏水，直至浇筑完成厚度为0.5m的道面层的制料和铺设。

7、作为本发明的进一步方案：所述步骤一、二以及三中，实验测得基础层的弹性模量e1，泊松比v1，弹性层的弹性模量e2，泊松比v2，道面层的弹性模量e3，泊松比v3，首先通过以下公式出单位长度的载荷q：

8、

9、其中：p表示整个跑道的总载荷，本跑道以500t的运输机载重为基础标准，l表示设计的跑道的总长度；

10、通过以下公式计算出每层的弯曲刚度ei：

11、

12、其中：e代表每层的弹性模量，h代表每层的厚度，v代表每层的泊松比，通过公式计算得到ei1、ei2和ei3；

13、通过以下公式计算出每层的承载弯曲值δ:

14、

15、其中：l表示整个跑道的总长度，通过计算得每层的承载弯曲值δ1、δ2以及δ3；

16、通过以下公式能够计算出跑道整体的最大弯沉δ整：

17、δ整＝δ1+δ2+δ3

18、通过以下公式能够计算出跑道整体的防护系数k：

19、

20、其中：h总为跑道整体的厚度，当k∈[0.01,0.05]时，跑道整体结构符合设计标准，当时，跑道整体结构不符合设计标准。

21、作为本发明的进一步方案：所述步骤一、二以及三中，利用碎冰机将挖掘出的冰雪进行破碎，破碎的粒径在1-3cm，冰层破碎能够方便对弹性层和道面层添加辅助物冰压实，使得辅助物搅拌混合的更加均匀。

22、作为本发明的进一步方案：所述步骤二中，完成2m×2m×1.5m高硬度冰块在模具中制作完成制作后，需要对模具进行加热，使得高硬度冰块的表层受热融化，然后快速将高硬度冰块快速置于深度为3m的矩形坑中，使得相邻的表层融化后的高硬度冰块能够快速接触并凝固在一起，在铺设的过程中需要向高硬度冰块的边缝处浇注蒸馏水，确保基础层中的空气含量尽可能最低。

23、作为本发明的进一步方案：所述步骤三中，在对冰雪进行破碎后，添加的碎木屑和棉花含量分别为搅拌的碎冰的总量的3％和2％，这个含量的碎木屑和棉花可以有效的保证弹性层的韧性，能够有效减缓飞机起降时的冲击和减震。

24、作为本发明的进一步方案：所述步骤三中，在利用压实机将碎冰进行压实过程中需要向碎冰中添加碎冰总量约为5％的蒸馏水，适当的添加蒸馏水有利于压实过程中保证碎冰的粘合，并且可以保证弹性层的密度，减少弹性层松散的现象。

25、作为本发明的进一步方案：所述步骤四中，在利用压实机将碎冰进行压实过程中需要向碎冰中添加碎冰总量约为5％的蒸馏水，添加的碳化硅颗粒为搅拌的碎冰的总量的15％-18％，确保道面层具有高强的耐磨性，使得延长跑道的使用寿命。

26、作为本发明的进一步方案：所述道面层在铺设完成后需要利用打磨机将道面层顶部进行打磨，使得在直径3米范围内起伏高度差不超过2cm，跑道在250m以内，纵坡不大于1.5％，横坡不大于2％，不小于1％。

27、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

28、1、本发明通过弹性层的科学设计，弹性层的设计能够提供出色的缓冲效果，通过在压实雪跑道结构中引入弹性层，该设计方法可以有效减缓飞机起降时的冲击和减震作用，弹性层位于基础层之上，具有良好的减震和减振效果，能够吸收飞机在起降过程中产生的震动，从而提高整个跑道的舒适性和安全性，这种设计能够保护基础层免受飞机起降时的冲击而损坏，为飞机提供更平稳、更安全的起降环境，有助于延长跑道的使用寿命，并且能够极大地减少跑道的维护成本；

29、2、本发明通过精确的层级设计和材料配比确保结构稳定性，该设计方法通过实验测得各层的弹性模量、泊松比等参数，并根据载荷、厚度、材料特性等因素进行分层设计，保证了每层的承载能力和弯曲刚度，通过计算每层的承载弯曲值和整体的最大弯沉，以及确定防护系数，可以确保跑道结构在飞机起降时能够承受重压而不变形或破坏。