坑槽修補(bǔ)面的受力情況試驗(yàn)研究

卞文堂 李贊成 秦立軍

（1中國(guó)航空港建設(shè)第二工程總隊(duì)， 江蘇 徐州 221000；2空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場(chǎng)勤務(wù)保障系， 江蘇 徐州 221000）；

（3空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場(chǎng)勤務(wù)保障系， 江蘇 徐州 221000）

0 引言

機(jī)場(chǎng)是保障戰(zhàn)機(jī)飛行起降的重要國(guó)防設(shè)施，維護(hù)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)和功能的完好是確保機(jī)場(chǎng)飛行保障能力的必要前提。戰(zhàn)時(shí)機(jī)場(chǎng)遭到反跑道炸彈襲擊后會(huì)導(dǎo)致大量坑槽，使道面喪失保障能力，需要對(duì)機(jī)場(chǎng)道面上坑槽進(jìn)行搶修，而對(duì)機(jī)場(chǎng)道面坑槽修補(bǔ)面結(jié)構(gòu)在機(jī)輪荷載下的受力情況進(jìn)行分析，將有助于道面坑槽搶修的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，對(duì)提高坑槽搶修質(zhì)量與效率,完善機(jī)場(chǎng)飛行保障能力具有重大意義。本文采用機(jī)場(chǎng)跑道模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，模擬機(jī)輪荷載對(duì)坑槽修補(bǔ)面結(jié)構(gòu)的荷載重復(fù)作用，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集坑槽修補(bǔ)面的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)分析，得出坑槽修補(bǔ)面在機(jī)輪荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥熟料為河南省鄭州登峰熔料有限公司的鴨牌DFRC“搶修寶”快硬水泥；

石子為徐州本地產(chǎn)粒徑為5～20mm級(jí)配碎石；

砂為徐州市建筑中砂，細(xì)度模數(shù)為2.68；

固化劑采用山東漢為環(huán)保科技有限公司產(chǎn)的SV-02型固化劑；

減水劑采用上海麗瑞化工有限公司產(chǎn)的粉末狀高效減水劑；

試驗(yàn)拌合用水為徐州市自來(lái)水廠所供自來(lái)水。

配合比采用快硬水泥400kg/m3、石子1236 kg/m3、砂子618kg/m3、水141kg/m3、固化劑用量28kg/m3、減水劑用量6kg/m3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和試件

試驗(yàn)設(shè)備采用型號(hào) KPD-01的機(jī)場(chǎng)跑道模擬試驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖-1）對(duì)坑槽修補(bǔ)面試件進(jìn)行重復(fù)荷載作用，此設(shè)備能夠設(shè)定不同類型飛機(jī)的單機(jī)輪荷載，可以在垂直和水平兩個(gè)方向運(yùn)行，通過(guò)控制機(jī)輪對(duì)試件進(jìn)行重復(fù)荷載作用，在室內(nèi)模擬多種類型飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)跑道上的起降對(duì)道面的荷載作用，通過(guò)試件內(nèi)部和表面粘貼的電阻應(yīng)變片，利用HZ1008A型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外聯(lián)電腦，從而獲得試驗(yàn)過(guò)程中試件的應(yīng)變的數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件處理，得到試件的應(yīng)力情況。

圖-1機(jī)場(chǎng)跑道模擬試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)試件制作方法：提前兩個(gè)月采用C30普通硅酸鹽水泥制作5塊450mm×350mm×120mm的長(zhǎng)方體混凝土試件（見(jiàn)圖-2），試件用鎬頭在長(zhǎng)方體混凝土試件中部鑿出一個(gè)大小和深度適當(dāng)?shù)目硬郏ㄖ睆健?m），然后使用切割機(jī)在試件上切出一個(gè)200mm×200mm的修補(bǔ)面，使坑槽處于修補(bǔ)面中心，修補(bǔ)面切割深度依次為50mm、40mm、30mm、20mm、10mm，并按要求粘貼應(yīng)變片,然后鋪筑快硬水泥混凝土進(jìn)行修補(bǔ)，試件成型后立即用塑料薄膜覆蓋在試件表面，防止水分快速蒸發(fā)。然后將試件放于環(huán)境溫度為20±2℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)到測(cè)試齡期。電阻應(yīng)變片采用BX120-3AA型應(yīng)變片，柵長(zhǎng)3mm，柵寬2mm，電阻120±0.1Ω，電阻應(yīng)變片布置位置為薄層底面X和Y方向各一處和薄層面層X(jué)和Y方向各一處，總共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)依次為1、2、3、4，見(jiàn)圖-3。

圖-2 長(zhǎng)方體混凝土試件

圖-3應(yīng)變片布置示意圖

1.3 試驗(yàn)步驟

由于坑槽搶修對(duì)早期強(qiáng)度要求高，根據(jù)搶修規(guī)范[3]將4小時(shí)齡期的試件放置到機(jī)場(chǎng)跑道模擬試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行模擬機(jī)輪荷載碾壓道面坑槽修補(bǔ)面的試驗(yàn)，具體步驟為：調(diào)試機(jī)場(chǎng)跑道模擬試驗(yàn)臺(tái)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)定試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，調(diào)整機(jī)輪初始位置，調(diào)整荷載，開(kāi)始試驗(yàn)。根據(jù)搶修規(guī)程對(duì)道面坑槽搶修的質(zhì)量要求，機(jī)場(chǎng)跑道模擬試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)輪垂直荷載取196KN，荷載的重復(fù)作用次數(shù)為200架次。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)分別對(duì)試件進(jìn)行了 200架次的重復(fù)荷載作用試驗(yàn)，收集統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1，其中應(yīng)力數(shù)據(jù)的正負(fù)號(hào)代表不同的受力形式，“+”代表受拉應(yīng)力作用，“-”代表受壓應(yīng)力作用。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

2.1 坑槽修補(bǔ)面應(yīng)力狀態(tài)

由坑槽修補(bǔ)面試件測(cè)得的不同厚度試件底部和面層X(jué)和Y兩個(gè)方向的最大應(yīng)力數(shù)據(jù)，可分別求出試件底部和面層的最大主應(yīng)力，其相互關(guān)系見(jiàn)圖-4，通過(guò)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布可以分析坑槽修補(bǔ)面結(jié)構(gòu)在機(jī)輪荷載作用下的受力狀態(tài)。

圖-4試件測(cè)點(diǎn)應(yīng)力關(guān)系圖

根據(jù)表 1中試件應(yīng)力數(shù)據(jù)可知，機(jī)場(chǎng)道面坑槽修補(bǔ)面試件在機(jī)輪荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)從面層到底部呈現(xiàn)出由負(fù)變正的過(guò)程，說(shuō)明坑槽修補(bǔ)面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)為面層受壓應(yīng)力，從面層到底部逐漸由受壓應(yīng)力變?yōu)槭芾瓚?yīng)力，底部受到拉應(yīng)力最大。

同時(shí)由圖-4可以看出，在機(jī)輪荷載作用下，試件面層和底部應(yīng)力狀態(tài)在X和Y兩個(gè)受力方向上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律：試件底部在X方向上受到的拉應(yīng)力值遠(yuǎn)大于在Y方向上的拉應(yīng)力值，同樣試件面層在X方向上受到的壓應(yīng)力值也遠(yuǎn)大于在Y方向上的壓應(yīng)力值，因此坑槽修補(bǔ)面試件主要受X方向上的應(yīng)力作用，即坑槽修補(bǔ)面結(jié)構(gòu)受力主要由機(jī)輪運(yùn)動(dòng)方向的應(yīng)力產(chǎn)生，試件破壞也更易從機(jī)輪運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生。

2.2 切割修補(bǔ)厚度與荷載重復(fù)作用次數(shù)關(guān)系

機(jī)場(chǎng)道面板底拉應(yīng)力對(duì)道面的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于面層壓應(yīng)力，因此坑槽能夠承受的底部最大拉應(yīng)力越大越好。通過(guò)分析試件底部最大拉應(yīng)力與厚度關(guān)系并結(jié)合滿足坑槽搶修質(zhì)量的荷載重復(fù)作用次數(shù)與切割修補(bǔ)厚度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以確定出滿足坑槽搶修質(zhì)量的切割修補(bǔ)最小厚度，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖-5。

圖-5切割修補(bǔ)厚度與荷載重復(fù)作用次數(shù)關(guān)系

由圖-5中（a）圖可知，坑槽修補(bǔ)面試件底部最大拉應(yīng)力隨坑槽切割修補(bǔ)厚度減小而增大，在坑槽切割修補(bǔ)厚度為20mm時(shí)取得最大值1.6223MPa。而當(dāng)坑槽切割修補(bǔ)厚度繼續(xù)減小，坑槽修補(bǔ)面試件底部最大拉應(yīng)力反而減小，說(shuō)明坑槽修補(bǔ)面厚度為20mm是滿足200架次機(jī)輪荷載重復(fù)作用的最小厚度。由（b）圖可知，試件厚度在50mm～20mm區(qū)間中，都能滿足200架次的重復(fù)荷載作用而試件不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，當(dāng)厚度小于 20mm時(shí)，不再滿足搶修質(zhì)量要求，因此可以確定坑槽修補(bǔ)面能滿足承受200架次機(jī)輪荷載搶修質(zhì)量要求的最小切割修補(bǔ)厚度為20mm。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)利用機(jī)場(chǎng)跑道模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面坑槽修補(bǔ)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載重復(fù)作用試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)輪荷載作用下坑槽修補(bǔ)面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)為：面層受壓應(yīng)力，從面層到底部逐漸由受壓應(yīng)力變?yōu)槭芾瓚?yīng)力，底部受到拉應(yīng)力最大；在受力方向上，坑槽修補(bǔ)面受力主要由機(jī)輪運(yùn)動(dòng)方向的應(yīng)力產(chǎn)生，試件破壞也更易在機(jī)輪運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生。

（2）本試驗(yàn)中坑槽修補(bǔ)面能滿足承受200架次機(jī)輪荷載搶修質(zhì)量要求的坑槽最小切割修補(bǔ)厚度為20mm。由此可知，利用坑槽修補(bǔ)面底部拉應(yīng)力與坑槽切割修補(bǔ)厚度的關(guān)系，在滿足坑槽搶修質(zhì)量的前提下可以減小坑槽搶修的坑槽切割厚度，達(dá)到減少坑槽搶修工程量，提高坑槽搶修效率的目的。

[1]許巍，李顯剛，劉著偉. 機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面快速修補(bǔ)技術(shù)探討 [J].城市建設(shè)理論研究，2015，5（34）：36- 37.

[2]范玉占，伊?xí)攒姡h明杰. 機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面快速修補(bǔ)技術(shù)介紹 [J].機(jī)場(chǎng)工程，2013，（1）：26-28.

[3]李贊成，張韜，謝永亮，等. 戰(zhàn)時(shí)機(jī)場(chǎng)排彈搶修[M]. 徐州:空軍勤務(wù)學(xué)院，2015.