機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面脫空區(qū)動(dòng)水壓力分析

江斌臣 ，袁 捷 ，譚 悅

（1.上海華東民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)監(jiān)理有限公司，上海 200335；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)公司，上海200335）

0 引言

脫空是機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面常見的一種病害。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)近70%的機(jī)場(chǎng)道面存在普遍脫空現(xiàn)象（脫空率大于30%），近30%的機(jī)場(chǎng)道面存在嚴(yán)重脫空現(xiàn)象（脫空率大于60%）[1]。脫空病害會(huì)降低道面結(jié)構(gòu)承載能力，縮短道面使用壽命。同時(shí)脫空病害具有隱蔽性，檢測(cè)和處置難度大，因此，脫空病害是機(jī)場(chǎng)道面維護(hù)工程中的難點(diǎn)。

從脫空的形成機(jī)理來(lái)看，可以分為唧泥型脫空、溫度翹曲型脫空和基礎(chǔ)變形型脫空三種類型[2]。其中以唧泥型脫空最為普遍。

唧泥是指飛機(jī)荷載行駛通過(guò)時(shí)，基層縫隙內(nèi)的水由于泵引效應(yīng)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，導(dǎo)致基層材料被帶到道面表層，形成唧泥現(xiàn)象。基層材料被帶出，導(dǎo)致基層出現(xiàn)空隙，長(zhǎng)期作用下空隙會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，形成脫空現(xiàn)象。

唧泥的產(chǎn)生通常要具備以下幾個(gè)條件：

（1）水。唧泥是水將基層內(nèi)粒料帶到道面表面的過(guò)程。

（2）滲水通道。水必須通過(guò)通道才能將粒料帶到表面。通常完好的道面是不具備滲水通道的。道面沒有貫穿裂縫，接縫也采用嵌縫料進(jìn)行了密封。但道面在使用過(guò)程中性能會(huì)不斷衰減，出現(xiàn)裂縫、嵌縫料脫落等現(xiàn)象，形成滲水通道。

（3）荷載作用。當(dāng)飛機(jī)荷載通過(guò)接縫/裂縫處時(shí)，由于道面板會(huì)產(chǎn)生一定撓度，對(duì)孔隙中的水產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致孔隙中的水產(chǎn)生較高壓力并高速流動(dòng)，相當(dāng)一部分水通過(guò)滲水通道噴出。示意圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景分別如圖1和圖2所示。

圖1 唧泥形成脫空示意圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)唧泥實(shí)景

（4）基層抗沖刷性能不足。一般形成唧泥現(xiàn)象的多為柔性基層。由于基層整體性差，粒料粘結(jié)力不足，細(xì)粒料容易被水帶出。而對(duì)于半剛性基層，完好狀態(tài)時(shí)基層是一個(gè)膠凝整體，各種集料通過(guò)膠結(jié)材料凝結(jié)成整體，較難形成唧泥現(xiàn)象。

因此，對(duì)于二灰穩(wěn)定碎石、二灰土等柔性基層的道面，在多雨季節(jié)極易出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象，尤其是道面破損嚴(yán)重、飛機(jī)荷載作用頻繁的區(qū)域。

1 脫空區(qū)水行為分析

通過(guò)以上分析可知，唧泥型脫空必須要有水的作用。水在整個(gè)脫空的形成過(guò)程當(dāng)中的行為可以分為五個(gè)階段，如圖3[3]所示。

圖3 唧泥過(guò)程中水運(yùn)行過(guò)程劃分圖

第一階段：為飛機(jī)輪載從非脫空區(qū)駛近脫空區(qū)。道面板塊在飛機(jī)輪載作用下產(chǎn)生微小振動(dòng)，脫空區(qū)內(nèi)的水受振產(chǎn)生往返運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度較弱。

第二階段：飛機(jī)輪載在第一塊板（圖中后板）脫空區(qū)行駛，至接縫處。脫空使基層對(duì)道面板的支撐下降，道面板在荷載作用下產(chǎn)生的撓度迅速增加，脫空區(qū)內(nèi)的水受到迅速擠壓，水的流動(dòng)加劇。當(dāng)飛機(jī)輪載抵達(dá)接縫處時(shí)板的撓度量最大，水帶著粒料沿接縫縫隙排出至道面。

第三階段：飛機(jī)輪載駛過(guò)接縫的縫隙，后板迅速反彈，呈有阻尼自由振動(dòng)狀態(tài)，脫空區(qū)呈現(xiàn)負(fù)壓吸水狀態(tài)。

第四階段：飛機(jī)輪載在第二塊板（圖中前板）的脫空區(qū)行駛。板塊受荷載作用產(chǎn)生撓度，脫空區(qū)水受擠壓作用，水帶著粒料沿接縫縫隙排出至道面。

第五階段：飛機(jī)輪載駛?cè)肓饲鞍宓姆敲摽諈^(qū)。呈有阻尼自由振動(dòng)狀態(tài)，脫空區(qū)水呈紊流狀態(tài)。

2 脫空區(qū)水壓力分析

水是形成唧泥的首要條件，脫空區(qū)內(nèi)水在荷載通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力越大，越容易形成唧泥。因此，脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力的大小是形成唧泥的一個(gè)重要參數(shù)。

脫空區(qū)域內(nèi)動(dòng)水壓力值的測(cè)試方法分為兩種，一是直接測(cè)量；二是間接推算。直接測(cè)量法是通過(guò)鉆孔將測(cè)試儀器插入脫空區(qū)域內(nèi)，以測(cè)試荷載通過(guò)時(shí)該點(diǎn)的壓力大小。該方法較為直觀，但也有一定缺陷。首先是只能測(cè)試某一點(diǎn)的壓力值，該點(diǎn)未必是最大值。其次是測(cè)試儀器對(duì)儀器周圍的水流有一定的干擾作用，導(dǎo)致實(shí)測(cè)值與真實(shí)值有一定差別。間接推算方法是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)唧泥時(shí)接縫中噴出水的高度，進(jìn)而通過(guò)伯努利方程來(lái)反推動(dòng)水壓力。推算過(guò)程中對(duì)唧泥過(guò)程做了一定簡(jiǎn)化，即假定唧泥中水的噴出過(guò)程沒有能量損失。實(shí)際上由于接縫/裂縫很窄，縫壁的摩阻力會(huì)消耗絕大部分射水動(dòng)能，忽略這部分影響導(dǎo)致推算結(jié)果明顯偏小。本文的分析采用直接測(cè)量法。

直接測(cè)量脫空區(qū)動(dòng)水壓力試驗(yàn)難度很大，目前國(guó)內(nèi)外只有美國(guó)Elmer C.Hansen[4]做過(guò)相關(guān)研究，并取得了寶貴數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。由于機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全控制嚴(yán)格，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)水壓力測(cè)試，本文通過(guò)采用Elmer C.Hansen測(cè)試的公路動(dòng)水壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析與模擬，來(lái)測(cè)算機(jī)場(chǎng)脫空區(qū)域內(nèi)動(dòng)水壓力值。

表1 動(dòng)水壓力測(cè)試結(jié)果一覽表

對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論。

2.1 動(dòng)水壓力與車速的關(guān)系

從表1數(shù)據(jù)可以看出，車速對(duì)脫空區(qū)域動(dòng)水壓力影響較大。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可以得出，動(dòng)水壓力與車速呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。以第一軸測(cè)試數(shù)據(jù)為例，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 動(dòng)水壓力與行車速度相關(guān)性回歸曲線圖（單位：kPa）

2.2 動(dòng)水壓力與軸重的關(guān)系

第二軸軸重為79 kN，第一軸軸重為31 kN，軸重比為2.5。計(jì)算第二軸40 km/h、72 km/h、97 km/h車速對(duì)應(yīng)的壓力差與第一軸對(duì)應(yīng)的壓力差的比值，分別為2.1、2.3和2.3，接近于軸重比值的2.5。近似認(rèn)為，壓力差與軸重呈線性關(guān)系。而根據(jù)Westergaard公式，荷載與道面板的撓度也呈線性關(guān)系。因此，可以近似認(rèn)為，動(dòng)水壓力與軸重、撓度都呈線性關(guān)系。

表1中數(shù)據(jù)是公路（水泥混凝土路面，厚度24 cm）測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試得到的最大動(dòng)水壓力最大超過(guò)40 kN，最小動(dòng)水壓力接近-30 kN，形成的最大動(dòng)水壓力差接近70 kN。而該動(dòng)水壓力差是形成水流沖刷作用的關(guān)鍵。

相對(duì)于公路而言，機(jī)場(chǎng)條件更加惡劣。機(jī)場(chǎng)內(nèi)大型飛機(jī)軸載可超過(guò)500 kN，飛機(jī)滑跑速度可超過(guò)250 km/h。由于無(wú)法在機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，只能按照理論方法由公路測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。

3 機(jī)場(chǎng)道面需考慮的若干變量

相對(duì)于公路路面，機(jī)場(chǎng)道面有以下幾個(gè)變量需要考慮：軸載、行駛速度和道面板的厚度，以及飛機(jī)行駛過(guò)程中升力的影響。而其他參數(shù)，如道面板材料的模量、基層頂面反應(yīng)模量、板塊的尺寸、基層材料類型等公路與機(jī)場(chǎng)大體相同。根據(jù)前面對(duì)唧泥過(guò)程原理進(jìn)行的分析可以理解，唧泥過(guò)程實(shí)際上是軸載作用于道面板，引起道面板出現(xiàn)彎沉并引發(fā)振動(dòng)，再通過(guò)道面板傳遞到板底脫空腔內(nèi)的水，從而引發(fā)水的流動(dòng)從而產(chǎn)生動(dòng)水壓力，形成唧泥現(xiàn)象。因此可以判斷，唧泥過(guò)程中“荷載—道面—水—基層”四相體之間交互影響的關(guān)鍵影響因素有以下幾點(diǎn)：道面在荷載作用下產(chǎn)生的撓度大小w0，荷載行駛速度v。其中撓度w0主要與道面板厚度及荷載大小有關(guān)。以下針對(duì)機(jī)場(chǎng)與公路的區(qū)別做定量分析，通過(guò)對(duì)差值進(jìn)行修正，進(jìn)而得到機(jī)場(chǎng)脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力。

3.1 撓度w0

與公路相比，機(jī)場(chǎng)道面軸載重，但同時(shí)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)重荷載進(jìn)行了考慮，通常機(jī)場(chǎng)面層道面板厚度較厚，軸載通過(guò)時(shí)對(duì)道面板產(chǎn)生撓度不一定比公路大很多。本文通過(guò)簡(jiǎn)單算例進(jìn)行對(duì)比。

4E等級(jí)機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面：選取B747-400機(jī)型標(biāo)準(zhǔn)起落架荷載，道面厚度為38～40 cm，道面板模量30 GPa，泊松比0.15，基層頂面反應(yīng)模量80 MN/m3，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，可以計(jì)算得到的道面板中彎沉為195～202μm。

公路水泥混凝土路面，選取標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN，胎壓 0.7 MPa，路面厚度 28～30 cm，路面板模量30 GPa，泊松比0.15，基層頂面反應(yīng)模量80 MN/m3，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，可以計(jì)算得到的板中彎沉為207～224μm。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，公路路面與機(jī)場(chǎng)道面在各自標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下產(chǎn)生的撓度是相當(dāng)?shù)模瑑烧呦嗖罴s5%，差別較小，修正中不考慮。

3.2 荷載行駛速度v

從上文分析可知，機(jī)場(chǎng)道面與公路路面在各自標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下產(chǎn)生的撓度是相當(dāng)?shù)模w機(jī)荷載與汽車荷載行駛的速度相差巨大。取飛機(jī)最高行駛速度為250 km/h，汽車最高行駛速度為100 km/h。采用圖4中的擬合方程，計(jì)算動(dòng)水壓力差與荷載行駛速度之間的關(guān)系。飛機(jī)速度范圍取0～250 km/h。

3.3 飛機(jī)升力的影響

飛機(jī)在行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生升力，且速度越大升力也會(huì)越大。因此隨著速度的增加，飛機(jī)對(duì)道面的作用前期會(huì)逐漸增加，而后會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，作用反而會(huì)逐漸減小。在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)采用折減因子來(lái)考慮于飛機(jī)升力的影響。飛機(jī)升力與速度的平方成正比例關(guān)系，不同飛機(jī)的起飛速度并不相同，通常在180～250 km/h[5]，本文統(tǒng)一取飛機(jī)起飛速度為250 km/h。即飛機(jī)速度在250 km/h時(shí)，對(duì)道面的作用為0。因此折減因子k的公式如下：

式中：v為飛機(jī)實(shí)際行駛速度；vs為飛機(jī)起飛速度，取250 km/h。

將公路最大動(dòng)水壓力差70kN通過(guò)以上3個(gè)方面進(jìn)行修正，進(jìn)而可以得到機(jī)場(chǎng)最大動(dòng)水壓力差約為90 kN。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)成因機(jī)理將脫空分為唧泥型脫空、溫度翹曲型脫空和基礎(chǔ)變形型脫空三種類型。其中以唧泥型脫空最為常見。

（2）明確了唧泥型脫空的形成條件。

（3）通過(guò)對(duì)唧泥過(guò)程的分解，可以將唧泥過(guò)程中水的行為分為五個(gè)階段。

（4）以公路實(shí)測(cè)動(dòng)水壓力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)軸載、行駛速度和飛機(jī)升力影響的三方面修正，得到機(jī)場(chǎng)脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力最大可達(dá)90 kN。

[1]譚悅.機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面脫空響應(yīng)及判定方法[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2011.

[2]同濟(jì)大學(xué).水泥混凝土路面斷板分析及防治技術(shù)研究（交通部西部項(xiàng)目），“水泥混凝土路面脫空狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)分析”分題三子題一[R].上海：2005.

[3]同濟(jì)大學(xué).水泥混凝土路面脫空區(qū)水脈動(dòng)規(guī)律的探索研究（交通部西部項(xiàng)目），“水泥混凝土路面斷板分析及防治技術(shù)研究”分題三子題三[R].上海：2005.

[4]Elmer C.Hansen，Ror Johannesen，and Janshid M.Armaghani.Field effects of water pumping beneath concrete pavement slabs[J].

[5]Wells,Alexander T（著），趙洪元（譯）.機(jī)場(chǎng)規(guī)劃與管理[M].北京:中國(guó)民航出版社，2004.