機(jī)場水泥混凝土道面基礎(chǔ)不均勻變形的危害及處置方法

林盛

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市 200092）

0 引言

基礎(chǔ)是道面的最下層結(jié)構(gòu)層，是道面承載的基石，其重要性不言而喻，但由于其位于道面最底層，屬于隱蔽性工程，性狀的好壞都無法直觀表現(xiàn)，因此不管設(shè)計(jì)、施工還是日常維護(hù)，對基礎(chǔ)的考慮都有欠缺。目前我國道面設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中對基礎(chǔ)的要求僅為“密實(shí)、穩(wěn)定和均勻”，在施工驗(yàn)收時(shí)也只是檢測壓實(shí)度和平整度等簡單指標(biāo)，導(dǎo)致基礎(chǔ)的性能往往不能滿足道面結(jié)構(gòu)在使用周期內(nèi)的要求。實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)，大部分道面的基礎(chǔ)在運(yùn)行一定時(shí)間后就會出現(xiàn)諸如不均勻沉降、承載能力下降等問題。

圖1是華東某機(jī)場跑道2段區(qū)域基礎(chǔ)的雷達(dá)掃描成像圖。

圖1 基礎(chǔ)掃描成像圖

該跑道基礎(chǔ)新建時(shí)為20～25 cm塊石基礎(chǔ)，雷達(dá)掃描時(shí)道面使用時(shí)間為20 a。從雷達(dá)掃描結(jié)果來看，基礎(chǔ)性狀已發(fā)生了很大的改變。掃描結(jié)果顯示現(xiàn)有基礎(chǔ)厚度表現(xiàn)為32～56 cm，遠(yuǎn)大于新建時(shí)的厚度，說明原有的塊石基礎(chǔ)已與土基混合一起，基礎(chǔ)已出現(xiàn)了明顯不均勻變形和沉降。

道面結(jié)構(gòu)在使用過程中的性能衰減有著一定的必然性，但如何保證在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)性能下降后仍能滿足使用的要求，則需要從設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等多方面著手進(jìn)行要求和規(guī)范。本文依據(jù)對國內(nèi)數(shù)十個(gè)機(jī)場道面性能的檢測，對道面基礎(chǔ)的不均勻變形的成因和處置方法進(jìn)行研究，為我國機(jī)場道面的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供技術(shù)依據(jù)和參考。

1 基礎(chǔ)不均勻變形的主要成因

通過對我國數(shù)十家機(jī)場的現(xiàn)場檢測及調(diào)研，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究資料，總結(jié)出機(jī)場道面基礎(chǔ)不均勻變形主要有以下幾種。

（1）荷載作用下的壓密變形

雖然在施工時(shí)對基礎(chǔ)的壓實(shí)度有嚴(yán)格的要求，但基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)仍有進(jìn)一步壓密的空間。道面在運(yùn)行過程中受自重作用和飛機(jī)荷載作用，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為水泥混凝土道面具有很強(qiáng)的荷載擴(kuò)散能力，認(rèn)為荷載作用引起的基礎(chǔ)附加應(yīng)力很小，不足以引起基礎(chǔ)的塑形破壞。實(shí)際上，由于水泥板塊的受力特性，荷載作用于板上不同位置時(shí)，引起的撓度有明顯差異。依據(jù)Westergaard理論[2]，在相同荷載作用下，板角撓度最大，板邊撓度其次，板中撓度最小，且差異量隨著接縫傳荷能力的下降而顯著增加。外荷載作用下面層撓度不同，對基礎(chǔ)的附加壓力也不同，長期作用會導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形，但通過這一部分影響的不均勻變形量不會太大。

（2）凍融作用

我國東北、華北、西北等大部分地區(qū)都屬于季節(jié)性凍脹地區(qū)，當(dāng)?shù)叵滤惠^高而溫度又低于冰點(diǎn)時(shí)，基礎(chǔ)就會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。水結(jié)冰后體積會增加10%左右，少量凍脹的危害不大，但過量凍脹，特別是不均勻凍脹，會使基礎(chǔ)出現(xiàn)不規(guī)則隆起現(xiàn)象，從而反映到道面結(jié)構(gòu)層中。待到春融季節(jié)時(shí)，隨著融化深度的加大，基礎(chǔ)凍融層的土由凍結(jié)狀態(tài)變?yōu)槿诨癄顟B(tài)，在土體自重作用和荷載作用下進(jìn)行融化下沉與壓密變形[3]。由于春融帶來的土體內(nèi)濕度增大，使得基礎(chǔ)承載能力及抗變形能力下降，導(dǎo)致土體出現(xiàn)不均勻變形。長年如此，會使不均勻變形積累到非常可觀的程度。

（3）周邊施工影響

周邊施工會對現(xiàn)有道面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，如地下隧道穿越工程、周邊擴(kuò)建工程等，都會對現(xiàn)有道面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。施工會對周圍土體產(chǎn)生不可避免的施工擾動，從而改變了巖土體內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，引起地層變位及地表沉降。以隧道施工為例，隧道施工所引起的地面沉降曲線一般稱之為“沉降槽”[4]，如圖2所示。

圖2 下穿隧道施工影響的地表沉降

近年來，我國民航業(yè)發(fā)展迅猛，大量機(jī)場都在進(jìn)行或計(jì)劃進(jìn)行改擴(kuò)建工程，以實(shí)現(xiàn)機(jī)場的擴(kuò)容，甚至部分機(jī)場以機(jī)場為中心，建立起集機(jī)場、高鐵、磁懸浮等為一體的大型交通樞紐。大規(guī)模的施工會對現(xiàn)有道面產(chǎn)生怎樣的影響很難預(yù)估。

2 基礎(chǔ)不均勻變形對道面性能的影響

基礎(chǔ)一旦出現(xiàn)不均勻變形，會改變道面結(jié)構(gòu)的受力模式，長時(shí)間荷載作用下，會導(dǎo)致道面出現(xiàn)各種損傷。其主要影響分為功能性影響和結(jié)構(gòu)性影響兩個(gè)方面。

（1）功能性影響

路基不均勻變形會逐漸通過基層反映到面層，但面層坡度發(fā)生變化，影響道面排水和行車安全。機(jī)場對道面坡度有嚴(yán)格的規(guī)定，跑道道面橫坡在1%～1.5%，縱坡不大于0.1%[5]。道面坡度一旦不能滿足規(guī)定則必須整改。如果道面坡度不滿足要求需要整改非常困難，因此最好是提高設(shè)計(jì)指標(biāo)和施工質(zhì)量，避免出現(xiàn)坡度問題。面層坡度不能達(dá)到要求的直接結(jié)果是導(dǎo)致道面排水不暢，進(jìn)而形成積水，而飛機(jī)在高速行駛時(shí)，積水會在輪胎和道面之間形成“水膜”，使飛機(jī)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會影響到飛機(jī)的行駛安全。

（2）結(jié)構(gòu)性影響

水泥混凝土道面屬于脆性材料，強(qiáng)度高、剛度大，但缺乏可塑性，因此對下結(jié)構(gòu)層的變形適應(yīng)能力很差。當(dāng)基礎(chǔ)存在不均勻變形并反映到基層時(shí)，水泥面層因無法跟隨基層變形而產(chǎn)生附加應(yīng)力。從力學(xué)上分析，基礎(chǔ)的不均勻變形相當(dāng)于給道面結(jié)構(gòu)施加了一個(gè)邊界位移，這部分附加應(yīng)力以恒載形式持久作用于水泥板中。在結(jié)構(gòu)自重、飛機(jī)荷載作用和溫度荷載等綜合作用下，會影響到道面結(jié)構(gòu)的使用性能和使用壽命，而板中疲勞應(yīng)力一旦超過材料強(qiáng)度，就會造成板的斷裂。

當(dāng)附加荷載大到一定程度，對于道面一些薄弱部位，會導(dǎo)致道面局部受力過大而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，進(jìn)而使道面出現(xiàn)一系列病害，如錯臺、裂縫等。圖3是機(jī)場道面常見的一些因基礎(chǔ)問題導(dǎo)致的病害照片。

圖3 道面病害照片

3 基礎(chǔ)不均勻變形的預(yù)防

我國現(xiàn)行的機(jī)場道面設(shè)計(jì)規(guī)范對基礎(chǔ)的基本要求是穩(wěn)定、密實(shí)，可以為道面結(jié)構(gòu)提供均勻穩(wěn)定的支承。然而在現(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形是無法避免的，可以做到的只是限定不均勻變形的量。制定標(biāo)準(zhǔn)的原則有兩點(diǎn)：

（1）考慮基礎(chǔ)不均勻變形引起的道面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，在道面設(shè)計(jì)年限內(nèi)，道面結(jié)構(gòu)在飛機(jī)荷載和溫度荷載的綜合作用下不發(fā)生疲勞破壞；

（2）基礎(chǔ)不均勻變形不致于引起面層坡度不滿足規(guī)范的要求，進(jìn)而保證道面排水和運(yùn)行安全的需要。

要限定不均勻變形的量，首先要提出能夠反映不均勻變形的衡量指標(biāo)。目前國內(nèi)外以常用最大沉降量來作為指標(biāo)。最大沉降量最為直觀，容易監(jiān)測，便于施工控制和工后監(jiān)測。但是，最大沉降量僅僅反映了基礎(chǔ)變形的絕對值，沒能表征基礎(chǔ)變形的形態(tài)及空間分布。另一個(gè)衡量指標(biāo)“差異沉降量”體現(xiàn)了“不均勻”的思想，差異沉降量越大，對道面結(jié)構(gòu)的不利影響越嚴(yán)重。但差異沉降量是指基礎(chǔ)的最大沉降量和最小沉降量的差值，它不考慮這兩點(diǎn)之間的距離和其它點(diǎn)的變形情況，沒有真實(shí)反映“不均勻”的分布特征。本文通過大量的工程現(xiàn)場觀測表明：采用最大沉降量和沉降曲線半波長平方的比值δmax/T2能較為科學(xué)地表征基礎(chǔ)不均勻變形的狀態(tài)。

民航對跑道、滑行道和停機(jī)坪等不同部位道面的坡度要求并不相同，因此需要對不同部位設(shè)定不同的標(biāo)準(zhǔn)。作者會進(jìn)一步對此開展研究，以δmax/T2為指標(biāo)，建立不同等級機(jī)場、不同部位道面基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為民航場道設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)依據(jù)。

4 基礎(chǔ)不均勻變形的處置

基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，目前尚缺乏快速、高效的檢測手段。一般都是等到基礎(chǔ)問題較為嚴(yán)重，反映到道面上層結(jié)構(gòu)時(shí)才會被注意。當(dāng)面層因?yàn)榛A(chǔ)問題而出現(xiàn)錯臺、排水不暢等問題時(shí)，可采用的處理手段十分有限。根據(jù)我國機(jī)場工程經(jīng)驗(yàn)，主要有兩種手段：加鋪和注漿。

（1）加鋪

加鋪是一種治表不治本的方法，即在現(xiàn)有問題面層上加鋪一定厚度的新面層，最常用的是柔性加鋪。加鋪后道面表觀會大為改觀，在較長時(shí)間內(nèi)道面恢復(fù)較好的使用性能，但基礎(chǔ)的問題仍沒有解決，一段時(shí)間后還會再次反映到新加鋪面層，如反射裂縫、沉陷、隆起等病害。根據(jù)對我國近十條加鋪道面的跟蹤觀測，新加鋪道面會在1～2 a內(nèi)開始出現(xiàn)反射裂縫。“防反”做得越好，施工質(zhì)量控制和加鋪混合料設(shè)計(jì)越好，反射裂縫出現(xiàn)時(shí)間會越晚，但從長遠(yuǎn)來看，出現(xiàn)反射裂縫是必然的。

常用的“防反”措施有土工格柵、土工布、應(yīng)用吸收層等，但實(shí)際工程應(yīng)用效果都不是非常理想。近年來通過引進(jìn)國外設(shè)備和技術(shù)，出現(xiàn)了一種新的“防反”措施——同步橡膠瀝青碎石封層技術(shù)。美國應(yīng)用表明：橡膠瀝青碎石封層作為應(yīng)力吸收層，可延緩反射裂縫達(dá)15 a以上[6]。同步橡膠瀝青碎石封層技術(shù)在公路行業(yè)已有較多應(yīng)用，但在機(jī)場應(yīng)用仍很少，需要進(jìn)一步推廣。

（2）注漿

注漿理論上可以消除基礎(chǔ)問題。通過低壓滲透注漿，可以用水泥漿液擠出，置換基礎(chǔ)內(nèi)的泥土，可以有效緩解基礎(chǔ)問題的進(jìn)一步發(fā)展。華東某機(jī)場跑道基礎(chǔ)損壞嚴(yán)重，現(xiàn)場鉆取的芯樣表明，基礎(chǔ)與下層土基混合在一起（見圖4）。為有效處置基礎(chǔ)病害，機(jī)場采用注漿對基礎(chǔ)進(jìn)行處置。通過HWD檢測表明，注漿后基礎(chǔ)強(qiáng)度和均勻性有了顯著提高。

圖4 基礎(chǔ)芯樣照片

由于基礎(chǔ)注漿屬于隱蔽工程，機(jī)場道面基礎(chǔ)上層的結(jié)構(gòu)高度近1 m，施工質(zhì)量和效果評價(jià)較為困難，施工變異性很大。這也是注漿處置方法的一大難點(diǎn)。

以上兩種是常用的處置方法可單獨(dú)應(yīng)用，兩者結(jié)合使用效果會更好，但工程造價(jià)較高。決策者可根據(jù)實(shí)際工程情況選擇合適的處置方法。

5 結(jié)語

（1）結(jié)合機(jī)場自身特點(diǎn)，分析了機(jī)場道面基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形的3個(gè)主要成因，分別為：荷載壓密變形、凍融作用和周邊施工影響。

（2）從功能性影響、結(jié)構(gòu)性影響兩個(gè)方面分析了基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形對道面性能的影響。

（3）從設(shè)計(jì)角度提出了預(yù)防基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形的方法。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，提出了以δmax/T2做為衡量基礎(chǔ)不均勻性的評價(jià)指標(biāo)。

（4）提出了機(jī)場道面出現(xiàn)基礎(chǔ)不均勻變形后的處置方法：面層加鋪和基礎(chǔ)注漿。

[1]MH5004-2009，民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[5]MH/5001-2006，民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]王旭東，李美江，路凱冀,等.橡膠瀝青及混凝土應(yīng)用成套技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2008.