排水固結法處理機場場道地基預壓荷載取值研究

林 暉

(廈門路橋建設集團有限公司，福建廈門 361000)

當采用排水固結預壓法處理軟基時，堆載的強度應大于或等于以后的使用荷載，所以需要計算機場場道的使用荷載。國內外對飛機荷載計算研究較少。咼潤華等［1］采用多層彈性體系理論對飛機荷載作用下機場土基的附加應力及其特征進行了分析。許金東等［2］對飛機作用于機場剛性道面上的動力荷載進行了實測，應用有限元和邊界元方法建立了機場剛性道面體系靜力和動力分析模型，并進行了室內試驗論證。張磊等［3］選取1/4余弦波模擬飛機循環降落荷載，計算得到溫州機場新跑道軟黏土地基在空客A380作用下附加應力的分布情況。

預壓荷載選取得是否合理，決定了軟基處理的質量，關系著工程投資，但現有的規范對預壓荷載取值并沒有明確規定，研究機場場道的預壓荷載取值具有現實意義。國內的許多學者雖然采用了不同的方法對飛機附加應力進行了計算，但是都沒有考慮道面結構、基床層、地基填土的特點。本文結合機場場道處理后地基結構特點和荷載類型，采用布辛奈斯克法和有限元法計算不同工況下空客A380造成的地基附加應力，以確定機場場道預壓荷載的合理取值。

1 計算條件

機場場道地基結構如圖1所示。

圖1 機場場道地基結構(單位:m)

軟基采用排水固結法處理時，沉降計算應考慮泥面以上總荷載作用效應。飛行區場道的作用荷載強度按照以下條件換算:

1)道面結構層自上而下為一層42 cm厚水泥混凝土層、兩層半剛性基層。其中兩基層均采用18 cm厚的水泥穩定碎石。

2)基床層(填石渣層)厚度1.0 m。

3)為了滿足承載力的要求，泥面以上填土厚度在2.0 m以上，選取填土厚度2.0，2.5 m進行計算。

4)按當今最大飛行器空客A380后起落架荷載組合效應最大點計算飛機移動荷載作用效應。

2 等效使用荷載

按照《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)［4］和《港口工程荷載規范》(JTS 144-1—2010)［5］，地基處理后泥面以上荷載標準組合按下式計算。

式中:γ為填土的重度，kN/m3;H為填土高度，m;p1為道面結構層自重，kPa;p2為土基交工面以上基床層自重，kPa;p3為飛機對淤泥面產生的附加荷載，與填土層厚度有關;ψc為荷載組合系數，按國標取0.7。

根據排水固結堆載預壓原理，預壓荷載p≥p1+p2+ψcp3，其中p1和p2按下述計算。

1)道面結構荷載p1計算。道面結構層的換算荷載 p1為18.5 kPa。

2)填石基床層自重p2計算。基床為1.0 m厚填石渣層，換算荷載p2為22.0 kPa。

3 飛機活荷載對地基產生的附加應力

飛機計算參數:當今4F級機場荷載最大的飛機為空客A380，該飛機在起飛時最大重量5 620 kN。A380飛機輪胎分布如圖2所示，飛機起飛時各起落架的最大重量如表1所示。

圖2 A380起落架與輪胎的平面位置示意(單位:mm)

表1 A380起飛時各起落架的最大重量 kN

由于道面結構采用剛性混凝土及半剛性基層，地基附加應力采用布辛奈斯克法和有限元法計算。計算中考慮各起落架之間的相互影響。

經分析，飛機荷載引起的地基附加應力最大處為后翼下兩個主起落架中間點(A點)和機體主起落架的中點(B點)，如圖3所示。

1)布辛奈斯克法計算結果

圖3 A380起落架荷載計算簡圖

泥面以上填土厚度預計為2.0～2.5 m，填土面以上設置1.0 m厚填石渣層(基床層)。附加應力采用布辛奈斯克法計算，結果如圖4所示。由圖4可以確定:①泥面以上填土厚度2.0 m(即泥面位于半剛性基層下3.0 m)時，空客A380在B點泥面產生的附加應力為43 kPa;泥面以上填土厚度2.5 m(即泥面位于半剛性基層下3.5 m)時，空客A380在B點泥面產生的附加應力為37 kPa。②在填土厚度＜4.0 m(即泥面位于半剛性基層下5.0 m以內)時，機體主起落架中點(B點)的地基附加應力最大;在填土厚度＞4.0 m(即泥面位于半剛性基層下超過5.0 m)時，后翼下兩個主起落架中間點(A點)的地基附加應力和B點基本相等。

圖4 荷載隨深度擴散曲線

2)有限元計算結果

采用Midas有限元計算軟件，對飛機荷載造成的地層附加應力進行了計算。由于道面結構層厚度和填石渣層的厚度是固定的，變化的只有填土層的厚度。為方便起見，分別按填土2.0 m和2.5 m計算其對應的地基附加應力。路基材料力學參數如表2所示，計算模型如圖5所示。

①泥面上填土厚度2.0 m。泥面上填土厚度2.0 m時，飛機機體主起落架和后翼下主起落架下方地基附加應力計算結果如圖6所示。

②泥面上填土厚度2.5 m。泥面上填土厚度2.5 m時，飛機機體主起落架和后翼下主起落架下方地基附加應力計算結果如圖7所示。

表2 路基材料力學參數

圖5 計算模型

圖6 填土2.0 m時不同計算點地基附加應力

由圖6和圖7可以看出:泥面以上填土厚度2.0 m時，機體主起落架下方和后翼下主起落架下方泥面的附加應力分別為41.7，32.7 kPa;泥面上填土厚度2.5 m時，機體主起落架下方和后翼下主起落架下方泥面的附加應力分別為34.7，27.9 kPa。

圖7 填土2.5 m時不同計算點地基附加應力

3)兩種方法的對比分析

由以上分析可知，Midas有限元法計算填土厚度2.0，2.5 m時飛機附加荷載在泥面產生的地基附加應力最大值分別為41.7，34.7 kPa，且均位于機體主起落架中點下方;布辛奈斯克法計算結果則為43，37 kPa，也位于機體主起落架中點下方。兩種方法計算結果基本一致。

4 場道預壓荷載取值

根據預壓荷載公式p≥p1+p2+ψcp3，將填土2.0，2.5 m對應的飛機荷載在泥面產生的地基附加應力最大值41.7，34.7 kPa帶入，可求得場道使用荷載標準組合，如表3所示。

表3 場道使用荷載標準組合

國內部分沿海機場場道采用插板排水固結堆載預壓法處理時，預壓荷載取值如表4所示。

表4 國內部分沿海機場場道預壓荷載取值

一般情況下，機場場道泥面以上的填土厚度≥2.0 m，由表4可知計算的使用荷載在70 kPa以下。國內部分機場在選擇預壓荷載時，考慮了可靠度、最不利工況等因素，都適當提高了預壓荷載，如深圳機場二跑道、寧波機場、珠海機場等。廈門新機場地基處理一期工程泥面以上填土厚度在2.0～2.5 m，建議設計預壓荷載取80 kPa，荷載強度相當于預壓土(砂)5.0 m。在填土厚度較厚的區域可適當減少預壓荷載的取值。

5 結論

1)布辛奈斯克法和有限元法計算的空客A380在泥面產生的地基附加應力基本相符。在填土厚度＜4.0 m(即泥面位于半剛性基層下5.0 m以內)時，機體主起落架中點下地基附加應力最大;在填土厚度＞4.0 m(即泥面位于半剛性基層下超過5.0 m)時，機體主起落架中點和后翼下兩個主起落架中間點的地基附加應力基本相等。

2)當采用排水固結堆載預壓法處理機場場道軟基時，泥面以上填土厚度越小，預壓荷載取值越大。在選擇機場場道預壓荷載時，考慮可靠度、最不利工況等因素，應適當提高預壓荷載。

3)廈門新機場地基處理一期工程泥面以上填土厚度2.0～2.5 m，建議場道地基處理設計時預壓荷載取80 kPa，相當于預壓土(砂)5.0 m。在填土厚度較厚的區域，可適當減小預壓荷載。

［1］咼潤華，凌建明.飛機荷載作用下場道地基附加應力特征［J］.同濟大學學報，2001，29(3):288-293.

［2］許金東，鄧子辰.機場剛性道面動力分析［M］.西安:西北工業大學出版社，2002.

［3］張磊，高玉峰，王軍.飛機荷載作用下溫州機場超固結軟粘土地基變形研究［J］.三峽大學學報:自然科學版，2013，35(3):59-64.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50009—2012 建筑結構荷載規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［5］中華人民共和國交通運輸部.JTS 144-1—2010 港口工程荷載規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.