機場瀝青混凝土道面設計

李春波

（中國民航工程咨詢有限公司，北京100621）

0 引言

在機場工程的建設中，各種施工工藝和技術日漸成熟，也積累了大量的經驗，可結合實際的建設標準，選擇最為恰當的建設工藝。機場瀝青混凝土道面的設計施工難度大，已經成為機場工程的難點。在此類項目的實施過程中，需結合現場情況進行分析，注重對設計方案的優化和調整，確定科學有效的設計方案作為后續施工的參考。未來各個機場工程中都應重視瀝青混凝土道面的設計和施工創新。

1 機場道面的使用現狀

當前，機場項目呈現出數量增多、規模擴大的趨勢，對道面施工有著嚴格的要求。通過對現有機場道面使用情況進行統計，我國機場道面結構類型主要包括水泥混凝土道面和瀝青混凝土道面。結合我國機場道面的使用現狀得出，多數為水泥混凝土道面。相關統計數據表明，采用瀝青混凝土道面的機場大約僅占主要通航機場總數的10%[1]。如今，在技術不斷進步的過程中，瀝青混凝土道面施工工藝也日漸成熟，表現出諸多的性能優勢，瀝青混凝土道面的應用得到越來越多的重視。

2 機場道面設計的主要方法

2.1 CBR 經驗法

就當下國內外機場項目的使用情況來看，CBR 經驗法的應用相對較多，在利用這一設計方法開展施工建設的過程中，最重要的兩個指標是道基土和道面材料的參數。道面設計的參考標準為土基抗剪強度，道面失效的參考標準為土基變形量與道面輪轍量。通過目前研究的理論成果以及足尺試驗的現場結果，擬合得出道面結構厚度與CBR 值和飛機荷載作用次數的經驗公式。按照CBR 經驗法，基于不同飛機起落架構型，累加所有機型的年作用次數，再通過上述經驗公式便可計算出較為合適的道面厚度參數[2]。

2.2 力學-經驗法

以往的經典計算方法是以彈性層狀體系理論為基礎，將彈性模量和泊松比作為變量參數，把瀝青底部拉應變及土基頂壓應變作為設計因素，瀝青道面破壞指標主要為瀝青混凝土的疲勞開裂和土基的永久變形。在道面設計方法和技術不斷發展的過程中，一些學者提出了室內外實驗和有限元分析相結合的設計方法，將這種設計方法應用在實際的項目中，同樣可以輔助瀝青混凝土道面的設計。采用這種設計方法來開展設計工作，可將道面結構離散為多個小單元，經由數值模擬得出材料非線性、幾何非線性等復雜特性下的設計效果更為理想。

3 機場瀝青混凝土道面設計的要點

3.1 多種機型下混合交通組成

在所有機場運行過程中，并不是僅有一種型號的飛機，而是以多種機型共同運行組合而成的混合交通流。在飛機起降的過程中，由于飛機型號不同，起落架的幾何構型也存在較大區別，而這些區別最終引起道面受力的差異。在這種條件下的瀝青混凝土道面設計，應加強綜合分析?，F階段的設計條件下，美國開展的關于瀝青道面的設計更能反映機場的實際情況。以FAA 彈性層狀體系為基礎模型，荷載作用采用機場實際運行的機型組合，并不以單一設計機型為代表，能夠反映不同起落架構型對道面的影響，并考慮設計年限內機型的增長率，以累積疲勞損壞開裂作為控制標準，進而對瀝青道面的結構厚度進行計算。

3.2 多輪起落架荷載

不同型號飛機的起落架也存在著一定的結構差異，但從根本上來看，起落架中都包含多個機輪。在飛機起降的過程中，多輪和單輪荷載條件下對道面結構的力學影響有著明顯的差異。在開展瀝青混凝土道面的設計過程中，有關設計人員需分析多輪荷載的當量單輪化因素。國內關于瀝青混凝土道面的設計，主要采用土基頂面的彎沉等效原則，在這一原則下，可在計算的過程中實現多輪荷載向當量單輪荷載的科學轉化[3]。這種轉化需要一定的假設條件，即單輪與多輪起落架的全部輪印的接觸面積相同，同時對于道面結構的力學響應，在相同的位置能夠引起相同的彎沉。雖然這一理論對瀝青混凝土道面有一定的作用，但是還并不成熟，在未來還有一定的發展空間。

3.3 輪跡橫向分布差異

當飛機在機場道面上運行的過程中，飛機的中心線與相應的道面標志中線存在一定的偏差，這就導致道面結構上不同的點位所承受的飛機荷載的作用次數與實際運行次數在橫向分布上表現出差異。這種區別使得在瀝青混凝土道面的設計過程中，需考慮飛機輪荷的輪跡橫向作用分布特點，只有在考慮了這一因素的情況下，道面厚度才能夠更符合實際的要求。

3.4 環境氣候因素

瀝青混凝土道面設計中，環境氣候因素同樣是需要重點考慮的因素。因為就機場道面本身來看，長時間暴露于干濕、冷熱和凍融等環境中，都可能對道面造成顯著的影響。國內外的很多機場項目中，針對瀝青混凝土道面的設計，在考慮環境氣候因素的情況下，采用凍深的概念應用在具體的設計工作中，明確規定了道面最小的防凍厚度。然而，這一設計方式僅僅考慮了凍深的因素，卻并未充分考慮降水、濕度與溫度等因素。

4 案例分析

4.1 工程概況

以國內某中型機場為例，近期飛行區指標設計為4D，遠期根據實際發展需求升級為4E。在此機場的飛行區工程中，建設有一條長2800m 的跑道，道面寬度為45m，兩側各設7.5m 寬的道肩。為保障機場的可靠運行，在工程項目中同步建有滑行道系統、站坪、航站區、工作區等各種配套設施。

根據對此工程項目所處區域內的自然條件分析，在開展瀝青混凝土道面設計時，需綜合考慮氣溫、降雨量、紫外線等因素。從氣溫角度來看，該區域全年均溫22℃，最高溫38℃，最低溫-2.0℃，根據對此氣溫條件的分析，此機場工程所處區域內的溫度條件符合瀝青混凝土道面施工的溫度條件要求。結合對此地的降雨量分析，歷年降雨較為充沛，平均降水量達到1550mm，年最大降雨量為2200mm，年平均降雨日數為183d。瀝青混凝土道面結構受到雨水的影響較大，在雨水與荷載的同步作用下，道面可能發生水損壞問題，這就要求在開展瀝青混凝土道面設計的過程中，需從長遠考慮減小水損壞的措施。此機場工程所處區域內，全年日照時間長但紫外線不強，適合瀝青混凝土道面建設。

4.2 瀝青混凝土道面設計方案

4.2.1 道面分區

通過對此機場項目現場實際情況的分析，結合相關專家給出的項目意見以及國內機場的通用做法，在跑道道面、快速出口滑行道、跑道等待位置與跑道之間的垂直聯絡道部分，可使用瀝青混凝土道面。在其他位置，如需要長時間停放飛機的站坪以及易產生輪轍的聯絡道轉彎位置，則采用水泥混凝土道面。

4.2.2 道面坡度設計

由于此項目所在地的降雨量充沛，在瀝青混凝土道面的設計過程中，為減少雨水對道面的侵蝕，應加強排水設計，以避免雨水在道面的集中。為滿足快速排水的需求，需加大道面橫坡。跑道縱坡應根據飛行區技術標準設置，跑道兩端各700m 范圍內采用0.7%，其余部分采用0.8%，最大限度地節省土方，跑道及滑行道的道面橫坡設置為1.2%，道肩橫坡采用1.7%[4]。

4.3 道面結構設計

4.3.1 結構厚度計算

在瀝青混凝土道面的結構設計方面，為得到最佳的設計效果，可在設計的過程中引入CBR 經驗法、彈性層狀體系分析法、有限元結構計算法。就我國當前的瀝青混凝土道面設計來看，有關于這一方面的設計規范，在具體的設計工作中可參考美國FAA 發布的咨詢通告圖和相關程序。

CBR 設計方法下，當在瀝青混凝土道面中采用CBR 設計方法時，設計人員應依據機場航空業務量的預測值進行分析，機型組合選擇C 類∶D 類∶E 類占比為80%∶15%∶5%，起降比例相同。據此，可對設計年限內各種飛機的平均年起飛架次進行估算，具體可采用以下公式（1）：

式（1）中:R1、R2、W1、W2分別表示當量設計飛機起飛架次、換算為設計飛機主起落架構型一致的起飛架次、設計飛機單輪荷載、擬換算飛機單輪荷載。

根據相應的數據調查結果分析，該機場瀝青混凝土道面結構設計中，最終確定的方案為：19cm 厚的瀝青混凝土面層，36cm 厚的水泥穩定碎石基層，級配碎石墊層的厚度待定。按照相應的設計規范，瀝青混凝土材料換算系數為1.6，水泥穩定碎石基層、底基層換算系數分別為1.4、1.6，級配碎石墊層換算系數為1.2，將這些數據套用進相關的設計規范，最終得出：級配碎石厚度為20cm。在這種情況下，道面結構總厚度超過了土基CBR=20 時的當量厚度。這一結果說明，在瀝青混凝土道面設計中，當所確定的墊層厚度為20cm 時，結構設計不僅可滿足相應的設計規范，還符合實際需求[5]。

4.3.2 結構層組合設計

該機場瀝青混凝土道面的設計中，依據相應的計算結果，瀝青混凝土道面面層主要為上、中、下三層，總厚度為19cm，下設一層土工布與2cm 厚的AC-5 應力吸收層，基層采用兩層各18cm 厚的水泥穩定碎石，墊層為20cm 厚的級配碎石。

面層包含上、中、下三層，瀝青材料均采用AB-70機場道面石油瀝青。 上面層采用厚度為5cm 的SMA-16 改性瀝青混凝土，利用SBS 改性劑進行改性，級配為S 型，此種結構使混合料的密實性更好。中面層采用厚度為6cm 的AC-20 改性瀝青混凝土，同樣采用SBS 進行改性。下面層采用厚度為8cm 的AC-25 瀝青混凝土。為使面層的動穩定度達到要求，在中、下面層添加適當的抗車轍劑。

此瀝青混凝土道面中的基層為水泥穩定碎石，在極佳的條件下，使用的材料應符合以下要求：水泥含量在4%以內，7d 浸水的抗壓強度在3.0～4.5MPa 之間，壓實度為98%。

墊層采用的是20cm 厚的級配碎石，最大粒徑不超過5cm，壓實度大于96%。

4.3.3 優化道面性能的措施

在該機場項目的實施過程中，為提高瀝青混凝土道面的使用性能，以使該道面在設計年限內保持最佳的使用效果，應在開展結構層的設計過程中，做好各方面的優化和管理。根據工程經驗，可從以下幾個方面來實施：

（1）在上面層中采用SMA 混合料，在上、中面層中均使用改性瀝青，并在瀝青混合料中添加一定的穩定纖維，通過這些添加劑可使混合料的孔隙率得到有效控制，從而起到改善混合料性能的作用，最終使道面擁有更好的穩定性。

（2）由于大氣溫度的影響，瀝青混凝土道面設計過程中，需保障瀝青混凝土的高溫穩定性。為滿足這一要求，可在中、下面層中選用骨料粒徑相對較大的AC-20 或AC-25 混合料級配，并使用改性瀝青和抗車轍劑，提高結構層的穩定性。

（3）在半剛性基層上設置應力吸收層，由該應力吸收層來進行隔離與防水，可減少面層中的反射裂縫。

（4）盡可能選用厚度較大的瀝青面層，使道面具有更高的環境適應能力，即使為軟土地基區域，道面沉降也可得到有效的控制。

5 結語

近年來，隨著機場項目中建設部門對道面建設效率的要求越來越高，很多機場都采用瀝青混凝土道面，其具有施工速度快且不需養護的特點，但是這種道面結構施工難度較大，為保障最佳的施工效果，工程人員需在瀝青混凝土道面的設計工作中，充分考慮各個方面的影響因素，采用各種設計和計算方法，保障設計效果，進而確保最終機場道面的工程質量。