新建機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面厚度對(duì)彎沉的影響分析*

黃 博 李一凡

(1.四川省機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司 成都 610200； 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 201804)

新建成的成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于成都市東南方向、龍泉山脈東側(cè)、簡(jiǎn)陽(yáng)市西側(cè)的蘆葭鎮(zhèn)、草池鎮(zhèn)及石板凳鎮(zhèn)境內(nèi)。該機(jī)場(chǎng)目前有“兩縱一橫”3條跑道，跑道均為水泥混凝土道面，考慮到飛機(jī)起降特征和經(jīng)濟(jì)性，跑道設(shè)計(jì)為跑道兩端道面較厚、跑道中段道面較薄的結(jié)構(gòu)形式。由于成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)所在區(qū)域降雨比較豐富，年平均降雨量為900 mm，運(yùn)營(yíng)階段飛機(jī)起降架次較多，將達(dá)到75萬(wàn)架·次/年，給機(jī)場(chǎng)道面的使用帶來(lái)了巨大的壓力。由于跑道具有不同的道面厚度，這將導(dǎo)致該跑道不同厚度道面的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不同程度的衰減。

為了分析不同厚度的道面結(jié)構(gòu)性能，可通過(guò)檢測(cè)道面彎沉，并反演得到道面結(jié)構(gòu)參數(shù)[1-2]，而新建機(jī)場(chǎng)道面整體情況較好，影響道面彎沉的因素(如：板底脫空、板塊斷裂等病害)較少，道面狀態(tài)較為均勻，因此對(duì)新建機(jī)場(chǎng)道面進(jìn)行彎沉測(cè)試，可獲取更準(zhǔn)確的彎沉值。本文根據(jù)機(jī)場(chǎng)道面彎沉測(cè)試方法，對(duì)新建成都天府機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)不同厚度道面的彎沉值進(jìn)行分析，研究水泥混凝土道面厚度與彎沉之間的關(guān)系，以為后續(xù)不同部位道面結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)和道面養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

1 彎沉測(cè)試方法

重型落錘式彎沉儀(heavy weight deflectometer，HWD)以其原位測(cè)試速度快、測(cè)試精度高、自動(dòng)化程度高、荷載級(jí)位調(diào)整方便、可模擬行車荷載作用、彎沉信息豐富、對(duì)道面結(jié)構(gòu)無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)[3]而廣泛應(yīng)用于我國(guó)機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面板彎拉回彈模量的確定、混凝土道面板下基層頂面反應(yīng)模量的評(píng)定、混凝土道面接縫傳力性能的測(cè)試與評(píng)定、道面板板底脫空狀況的檢測(cè)等方面[4]。

重型落錘式彎沉儀通過(guò)計(jì)算機(jī)控制下的液壓提升并釋放重錘，從而給道面施加脈沖荷載，荷載大小可通過(guò)改變重錘重量和高度來(lái)調(diào)整，脈沖荷載的持續(xù)時(shí)間則可通過(guò)緩沖物來(lái)控制，荷載經(jīng)剛性圓盤(pán)作用到機(jī)場(chǎng)道面上，在距離荷載中心一定范圍內(nèi)設(shè)定4～12個(gè)傳感器，采集并記錄各測(cè)點(diǎn)在沖擊荷載作用瞬間的動(dòng)態(tài)變形信息，輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)最終可得動(dòng)態(tài)彎沉峰值和彎沉盆數(shù)據(jù)[5-6]。HWD彎沉測(cè)試示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 HWD彎沉測(cè)試示意圖

2 道面厚度與彎沉的關(guān)系

影響道面彎沉的因素有很多，其中，面層厚度、面層材料彎拉模量和基層頂面反應(yīng)模量是影響道面彎沉的3個(gè)最主要因素。通過(guò)分析道面彎沉與上述3個(gè)因素的關(guān)系，建立由彎沉和道面厚度到面層材料彎拉模量和基層頂面反應(yīng)模量的反演方法，進(jìn)而反演道基和道面各結(jié)構(gòu)層模量以及進(jìn)行水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)已經(jīng)成為了當(dāng)前道面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

學(xué)者們針對(duì)水泥混凝土道面厚度和彎沉之間的關(guān)系開(kāi)展了相關(guān)研究。袁捷[7]建立剛性道面有限元模型，道面厚度分別取20，25，30，35，40 cm，控制荷載、模量等條件一致，發(fā)現(xiàn)道面厚度對(duì)于彎沉盆的影響表現(xiàn)出非線性的特征，距離荷載中心的距離最近，非線性特征越明顯，隨著距離的增加，道面厚度對(duì)于彎沉的影響逐漸減弱。張玉芳等[8]考慮道面厚度為30，32，34，36，38，40，42 cm 7種情況，建立有限元模型，發(fā)現(xiàn)道面厚度每增加2 cm，彎沉?xí)档?%～5%。且道面厚度越大，下降百分比越小，并將結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為彎沉與道面厚度基本呈線性比例關(guān)系。

目前有關(guān)道面厚度對(duì)彎沉的影響研究多采用模擬仿真的方法，較少涉及實(shí)際機(jī)場(chǎng)的相關(guān)測(cè)試，而對(duì)新建機(jī)場(chǎng)道面彎沉的研究基本沒(méi)有。

3 工程實(shí)例

3.1 道面概況

本次測(cè)試對(duì)象為新建成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)的西一跑道道面，該跑道所在飛行區(qū)等級(jí)為4F，跑道按4F標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，跑道長(zhǎng)4 000 m、寬60 m，面層材料為水泥混凝土，基層為水泥穩(wěn)定碎石。跑道端部道面厚度為42 cm，跑道中段道面厚度為38 cm，道面板平面尺寸均為5 m×5 m。

3.2 檢測(cè)設(shè)備

本次檢測(cè)所使用的設(shè)備為重型落錘式彎沉儀，型號(hào)為：AY-8081 HWD，檢測(cè)設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 測(cè)試區(qū)域

本次進(jìn)行HWD測(cè)試的區(qū)域共有6個(gè)。對(duì)于起飛區(qū)域，選取距跑道南端220 m處設(shè)置測(cè)試區(qū)1個(gè)，稱其為區(qū)域1，并在跑道另一端取對(duì)稱位置，稱其為區(qū)域6；對(duì)于降落區(qū)域，選取距離跑道南端500 m處設(shè)置測(cè)試區(qū)域1個(gè)，稱其為區(qū)域2；對(duì)于高速滑跑狀態(tài)下的起飛和降落區(qū)，選取距離跑道南端1 170 m處設(shè)置測(cè)試區(qū)1個(gè)，稱其為區(qū)域3；對(duì)于快速轉(zhuǎn)向的飛機(jī)，選取第一快速出口滑行道附近設(shè)置測(cè)試區(qū)1個(gè)，稱其為區(qū)域4，選取第二快速出口滑行道附近設(shè)置測(cè)試區(qū)1個(gè)，稱其為區(qū)域5，測(cè)試區(qū)域位置見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)試區(qū)域位置

其中，區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域6的道面厚度均為42 cm，區(qū)域3、區(qū)域4和區(qū)域5的道面厚度均為38 cm。區(qū)域1至區(qū)域6所檢測(cè)的道面板數(shù)量分別為：8塊、7塊、6塊、6塊、6塊和7塊。各區(qū)域所檢測(cè)的道面板均分布在跑道中線兩側(cè)2塊板內(nèi)。

3.4 測(cè)點(diǎn)位置

本次測(cè)試選取的測(cè)點(diǎn)位置有3種：板中測(cè)點(diǎn)、板邊測(cè)點(diǎn)和板角測(cè)點(diǎn)。其中，板中測(cè)點(diǎn)位于道面板表面的幾何中心，傳感器沿跑道縱向布置；板邊測(cè)點(diǎn)位于道面板板邊中點(diǎn)且距板邊垂直距離0.15 m處，傳感器沿垂直于板縫且跨板縫布置；板角測(cè)點(diǎn)位于板角處，且與互相垂直的板邊的距離均為0.15 m，傳感器沿板角向板中方向布置。每個(gè)測(cè)點(diǎn)用相同的荷載敲擊3次，每個(gè)被檢測(cè)的道面板均布設(shè)有上述測(cè)點(diǎn)，共計(jì)148個(gè)測(cè)點(diǎn)。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 異常數(shù)據(jù)剔除

由于HWD測(cè)試是在人為操作下進(jìn)行的，盡管彎沉測(cè)試設(shè)備已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，但人為操作失誤、天氣等不可控因素，會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的原始彎沉數(shù)據(jù)中不可避免地出現(xiàn)一些異常數(shù)據(jù)。因此，為了相對(duì)真實(shí)地反映機(jī)場(chǎng)水泥道面結(jié)構(gòu)性能，盡可能準(zhǔn)確分析彎沉數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，消除異常數(shù)據(jù)的影響就顯得尤為重要。本文采用的異常數(shù)據(jù)剔除原則如下。

1) 距離荷載中心較遠(yuǎn)處的彎沉值大于離荷載中心較近處彎沉值，則該組數(shù)據(jù)作為異常數(shù)據(jù)剔除。

2) 在對(duì)水泥混凝土道面板進(jìn)行板邊中點(diǎn)彎沉測(cè)試時(shí)，跨縫布置的2個(gè)傳感器中，若未受荷板傳感器的彎沉數(shù)據(jù)大于受荷板相鄰傳感器的彎沉數(shù)據(jù)，則該組數(shù)據(jù)作為異常數(shù)據(jù)剔除。

3) 對(duì)同一塊板進(jìn)行板中、板邊和板角的彎沉測(cè)試，若板中最大彎沉(即中心荷載作用點(diǎn)處的彎沉)大于板邊或板角的最大彎沉，則3組數(shù)據(jù)均作為異常數(shù)據(jù)剔除。

4) 當(dāng)相鄰2個(gè)傳感器測(cè)得彎沉衰減斜率大于同一區(qū)域平均相鄰傳感器彎沉衰減斜率的2倍時(shí)，則該組數(shù)據(jù)作為異常數(shù)據(jù)剔除。

按照上述標(biāo)準(zhǔn)，共剔除72組異常彎沉數(shù)據(jù)，保留372組有效彎沉數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

盡管HWD測(cè)試中設(shè)置動(dòng)力荷載為320 kN，但實(shí)際上每處測(cè)點(diǎn)所施加荷載存在一定偏差，一般不超過(guò)10%，因而需要對(duì)彎沉數(shù)據(jù)進(jìn)行荷載修正。文獻(xiàn)[5]指出，道面結(jié)構(gòu)的彎沉響應(yīng)量與荷載呈線性關(guān)系，故可按式(1)將各測(cè)點(diǎn)的有效HWD彎沉數(shù)據(jù)線性修正至理論荷載320 kN下的彎沉值。

(1)

式中：D為理論荷載下的彎沉值，μm；S為實(shí)測(cè)彎沉值，μm；F為實(shí)測(cè)荷載值，kN。

4.3 不同板厚下的彎沉值

分別統(tǒng)計(jì)38 cm和42 cm厚度的道面板板中、板邊、板角在理論荷載下的彎沉值并計(jì)算不同道面板厚度和位置處傳感器的平均值，得到新建機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面不同厚度和不同測(cè)試位置的典型彎沉盆數(shù)據(jù)。典型彎沉盆數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，典型彎沉盆形狀見(jiàn)圖3。

表2 典型彎沉盆數(shù)據(jù)

圖3 典型彎沉盆形狀

由表2數(shù)據(jù)可知，同樣荷載作用下，厚度為42 cm的道面荷載中心處彎沉值比38 cm厚的道面荷載中心處彎沉值有所減小。其中，板中彎沉減小了15.1%，板邊彎沉減小了6.0%，板角彎沉減小了4.0%。板中彎沉減少量為24.4μm，減少量遠(yuǎn)大于板邊彎沉和板角彎沉的減少量。

由圖3可知，隨著距荷載中心距離的增加，厚度為38 cm的道面彎沉衰減速度比厚度為42 cm的道面快。在距荷載中心0.9～1.2 m和1.5～1.8 m段，厚度為38 cm的道面彎沉已經(jīng)開(kāi)始小于厚度為42 cm的道面彎沉。

此外，無(wú)論是厚度為38 cm的道面還是厚度為42 cm的道面，均表現(xiàn)出了板角彎沉>板邊彎沉>板中彎沉的特點(diǎn)，這與之前的研究結(jié)果相符。

4.4 不同板厚下彎沉的關(guān)系

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)荷載中心標(biāo)準(zhǔn)彎沉，計(jì)算各個(gè)板塊的板邊彎沉與板中彎沉之比和板角彎沉與板中彎沉之比，并按道面的厚度分類，將上述2個(gè)比值分別取平均，得到彎沉比結(jié)果，不同道面厚度的彎沉比見(jiàn)表3。

表3 不同道面厚度的彎沉比

由表3中數(shù)據(jù)可知，道面厚度分別為38 cm和42 cm時(shí)，新建水泥混凝土道面的板邊彎沉/板中彎沉平均值分別為1.11和1.12，板角彎沉/板中彎沉平均值分別為1.27和1.27，2種厚度道面的彎沉比基本無(wú)區(qū)別。

道面厚度為38 cm時(shí)，板邊彎沉/板中彎沉和板角彎沉/板中彎沉的變異系數(shù)分別為4.7%和5.8%；道面厚度為42 cm時(shí)，板邊彎沉/板中彎沉和板角彎沉/板中彎沉的變異系數(shù)分別為5.2%和6.8%。通過(guò)變異系數(shù)的橫向和縱向?qū)Ρ确治?，可認(rèn)為所得彎沉比的變異系數(shù)較為接近，且數(shù)值較小，說(shuō)明這四部分?jǐn)?shù)據(jù)的離散性較小，且較為統(tǒng)一，說(shuō)明測(cè)試所得彎沉和計(jì)算結(jié)果所得彎沉比較為準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)介紹HWD測(cè)試方法，結(jié)合目前水泥混凝土道面厚度與彎沉相關(guān)研究，為減少其他因素的影響，對(duì)新建的成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)西一跑道進(jìn)行道面HWD檢測(cè)，并分析檢測(cè)所得38 cm和42 cm厚度道面不同位置處的彎沉數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論。

1) 隨著道面厚度的增大，荷載中心彎沉值會(huì)減小，并且隨著距荷載中心距離的增加，厚度較大的道面彎沉衰減速度減慢。

2) 道面厚度對(duì)板邊彎沉/板中彎沉和板角彎沉/板中彎沉比值基本無(wú)影響。

本研究結(jié)果顯示，新建機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面厚度對(duì)彎沉盆的形狀有一定影響，但由于本研究只考慮了38 cm和42 cm這2種道面厚度，使得道面厚度與彎沉的關(guān)系不夠明確。因此，在未來(lái)的研究中可使用更多厚度不同的新建道面，根據(jù)研究結(jié)果，考慮道面厚度的影響，對(duì)彎沉反演方法加以改進(jìn)。