利用無損探測技術研究機場道面錯臺成因＊

向會倫 邵顯智 安彥卿 余國祝

（中國民航機場建設集團公司科研基地 北京 100621）

道面錯臺影響水泥混凝土道面平整度，從而降低飛機起飛和著陸過程中乘客及飛行員的舒適度，還影響飛行員對儀表的準確讀數和對飛機的控制，降低飛機起落架和機身疲勞壽命［1］．同時，飛機荷載在道面錯臺處產生很大沖擊力，造成接縫失效，誘發唧泥、脫空，從而致使面板斷裂，使結構喪失承載力．

水泥混凝土道面錯臺主要是由以下原因引起［2］：（1）基層碾壓不密實，強度不足，致使基層在行車荷載作用下發生塑性累積位移；（2）局部地基不均勻下沉；（3）相鄰板間的傳荷能力下降；（4）水浸入基層，行車荷載使路面板產生泵吸現象，動水將面板與基層間的碎屑拋向后方，把后方的板抬起．不同的原因導致的道面錯臺修補措施也不盡相同．導致錯臺的因素眾多，工程實際中有必要對錯臺原因進一步明確，以便采取有效措施進行修補．為了盡量減小道面的進一步損傷，本文采用無損探測技術進行道面錯臺檢測，以便明確引起道面錯臺的成因．

1 工程概況

該跑道為兩期修建，其中錯臺以南道面為一期所建，錯臺以北道面為二期所建，為了滿足飛行需求，近年又對跑道進行了全幅加蓋，具體道面結構見表1．

表1 道面結構參數

在2期所建道面交界處道面板接縫處出現錯臺，最大高差9mm，但引起錯臺的原因并不清楚．為了查明該區域病害出現的原因，以便采取更加科學、合理的修復措施，本文采用彎沉儀和探地雷達對道面進行無損檢測．

2 道面錯臺測試

道面錯臺測試主要分為有損測試和無損測試，有損測試主要是通過鉆心取樣，該種方法破壞了道面面結構的完整性，影響道面的正常使用，無法對基層結構狀況進行研究．因此本文采用無損測試技術對道面錯臺進行測試，根據該機場道面病害特征，采用落錘式彎沉儀和探地雷達對道面進行綜合測試．

2．1 彎沉測試

2．1．1 測試原理

落錘式彎沉儀（FWD）通過落錘對道面的沖擊作用模擬飛機對道面的施荷過程．通過分布于距荷載中心不同距離的傳感器記錄道面在荷載作用下的彎沉響應，從而評價道面及基礎的強度和結構狀況．

接縫傳荷能力系數是評價水泥混凝土道面板接縫傳荷能力的一種參數．測試中通過2個距FWD承載板中心距離相同但分別跨越接縫兩側不同板塊的傳感器分別測定彎沉，然后計算受荷板和未受荷板彎沉比值求得道面的接縫傳荷系數，即

式中：DUL未受荷板距離接縫15cm處實測彎沉，μm；DL受荷板距離接縫15cm處實測彎沉，μm．

脫空系數是反映水泥混凝土道面板底與基礎間脫空情況的參數．由在道面板板中測定的彎沉與板邊測定的彎沉進行對比．T＝b×t （2）

式中：T為脫空系數；t為原始脫空系數；b為約束系數；DS，DC分別為板邊、板中測點的承載板中心彎沉．

根據《民用機場道面評價管理技術規范》（MH／T5024—2009）即可對對道面傳荷能力及道面脫空程度進行判定．

2．1．2 測試方案

彎沉測試區域為道面錯臺處南北兩側各3排道面板．在測試區域跑道中線東西兩側自南向北平行于跑道中線按道面分幅各布置五條測線，并對測線進行編號，見表2．根據道面結構情況，FWD錘重選用15t，分別測定各測線板邊和板中的彎沉數據，測點間距為5m，見圖1．

圖1 道面彎沉測試示意圖

表2 彎沉測試測線布置表

2．2 探地雷達測試

2．2．1 探地雷達基本原理

探地雷達是利用電磁波對地表的穿透能力，從地表向地下發射某種形式的電磁波，電磁波在地下介質特性變化的接口上發生反射，通過接受反射回波信號，根據其延時、形狀及頻譜特性等參數，解譯出目標深度，介質結構及性質［3］，見圖2．

圖2 探地雷達基本原理圖

在無源空間中，電磁場的發射、傳播、反射、折射及繞射滿足如下的麥克斯韋爾方程［4］：

式中：E，H為電場和磁場矢量；D為電位移；B為磁感應強度；i為電流密度；ρ為電荷密度．

電磁波在特定介質中的傳播速度是不變的，因此根據地質雷達記錄的地面反射波與地下反射波的時間差Δt，即可算出該界面的厚度h．

對于道面檢測而言，H即為面層厚度，v是電磁波在地下介質（面層）中的傳播速度，相對于雷達所用的高頻電磁波（900～2 500MHz），道面面層所用的材料都是低損耗介質，其速度為

式中：c為電磁波在大氣中的傳播速度，約為300 000km／s；εr為面層的相對介電常數，它取決于構成面層的所有物質的介電常數．

反射信號的振幅與反射系統成正比，在以位移電流為主的低損耗介質中，反射系數為

式中：εr1，εr2分別為上、下介質的相對介電常數．

由式（8）可知，反射信號的強度主要取決于上、下介質的電性差，電性差越大，反射信號越強．不同面層（上、中、下）之間所用材料存在細微差別，因此只能得到較弱的反射信息［5］．

2．2．2 測試方案

采用探地雷達對跑道錯臺病害區進行檢測，在跑道中線東、西兩側自南向北平行于跑道中線按道面分幅共布置10條測線，并對測線進行編號．另外，在錯臺接縫南北兩側第一排板各布置一條測線，各測線的測試方向和范圍見表3．

表3 雷達測線布置

3 測試結果分析

3．1 彎沉測試結果分析

道面傳荷降低及基礎脫空是引起道面板錯臺的主要因素之一．本文利用彎沉儀測試道面傳荷及脫空系數以分析道面板的錯臺的原因［6］．該機場道面錯臺區域道面傳荷能力變化曲線和道面脫空系數變化曲線見圖3～4．

圖5 道面錯臺區域雷達圖像

圖3 道面傳荷系數變化曲線圖

圖4 道面脫空系數變化曲線圖

由圖3～4可見，根據《民用機場道面評價管理技術規范》的道面傳荷評價標準，東側道面的傳荷能力較好，除東、西兩側第一幅道面板測線測點傳荷能力大都為中或次外，其他測線的道面傳荷能力均為好；跑道道面板錯臺處北側第一排道面均輕度脫空或中度脫空，E1測線南側第一塊板也出現中度脫空，其他區域道面板均不脫空或輕度脫空．錯臺區域南北兩側道面傳荷能力不盡相同，北側道面板脫空比南側更嚴重，惡化的趨勢也更明顯．

根據脫空的形成機理可知，道面脫空主要是由于唧泥、溫度翹曲以及基礎不均勻變形造成的［7］．因此，彎沉檢測結果無法充分說明該機場跑道錯臺是完全由于道面板脫空引起的．為了更進一步分析道面板錯臺的根本原因，本文采用探地雷達對道面進行詳細檢測．

3．2 雷達測試結果分析

為了更進一步分析引起該機場錯臺的根本原因，本文利用探地雷達依照上述檢測方案對錯臺區域進行檢測后，對雷達數據進行處理、分析，部分具有典型代表性的分析結果見圖5～6．

綜上所述，跑道道面錯臺主要是由接縫兩側基層不均勻變化進一步反射到面層引起道面板脫空從而導致道面錯臺．根據對該機場修建歷史進行調查發現，錯臺區域兩側道面基層修建時間不同、結構和材料不同．因此，該機場道面錯臺主要是由于道面基層修建時間不同、道面結構和材料不同，在長期飛機荷載和環境因素的綜合作用下道面基層出現不均勻沉降，從而進一步反射到道面表層形成錯臺．

圖6 道面錯臺區域雷達圖像

4 結 論

1）根據落錘式彎沉測試結果，計算錯臺區域道面板的傳荷能力和道面脫空系數．可以看出，錯臺區域南北兩側道面傳荷能力不盡相同，北側道面板脫空比南側更嚴重，因此道面脫空是導致該機場道面錯臺的一個重要因素．

2）探地雷達測試結果顯示，道面錯臺區域雷達波信號紊亂，無法辨識道面各結構分層；部分傳力桿變形，呈現出北高南低的趨勢，錯臺區域兩側道面基層出現不均勻沉降．

3）道面錯臺主要是錯臺區域兩側道面修建歷史和所用結構和材料的差異，道面基層在長期飛機荷載和環境因素的綜合作用下出現不均勻沉降，從而進一步反射到道面表層形成錯臺．

［1］王 維，鄧松武．機場跑道道面平整度評價及其影響分析［J］．中國民航學院學報，2006，24（2）：10－15．

［2］楊慶國，易志堅，劉占芳．水泥混凝土路面錯臺機理研究［J］．重慶交通大學學報：自然科學版，2008，27（5）：712－716．

［3］周 揚，冷元寶，趙圣立．路用探地雷達的應用技術研究進展［J］．地球物理學進展，2003，18（3）：481－486．

［4］Eduardo Rogelio Corral Soto．Real－time imaging system for a ground penetrating radar［D］．Manitoba：the University of Manitoba，2003．

［5］郭艷紅．快速無損檢測設備在高等級公路路面質量檢測中的應用研究［D］．南京：東南大學，2006．

［6］王 芳．水泥混凝土路面板底脫空判別方法和處治技術研究［D］．西安：長安大學，2009．

［7］江斌臣，袁 捷，譚 悅．機場水泥混凝土道面脫空區動水壓力分析［J］．城市道橋與防洪，2013（4）：64－66．