貴州某機(jī)場(chǎng)瀝青道面反“Z”型隆起成因分析

江圣澤，盛昀，方學(xué)東

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

貴州某機(jī)場(chǎng)跑道長(zhǎng)2 600 m，寬45 m，兩側(cè)道肩寬度為1.5 m。該機(jī)場(chǎng)1958 年開(kāi)始建設(shè)，期間由于各種原因停建，于1970 年又重新開(kāi)始建設(shè)，至1972 年建成，占地1 397 畝，跑道長(zhǎng)1 500m、寬40 m，為混凝土碎石結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，機(jī)場(chǎng)目前飛行區(qū)等級(jí)為4C，距離市區(qū)約為22 km，航空服務(wù)范圍覆蓋黔、湘、渝等省市。為滿足旅客吞吐量逐年增長(zhǎng)的需要，2012 年該機(jī)場(chǎng)將原跑道向北延長(zhǎng)至2 600 m，新建1條長(zhǎng)136.5 m、寬18 m 的垂直聯(lián)絡(luò)道。機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有2條垂直聯(lián)絡(luò)道，均為水泥混凝土道面和瀝青道面拼接而成。2020年7月，對(duì)該機(jī)場(chǎng)道面進(jìn)行檢測(cè)，道面的整體情況良好，但是在B滑行道檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土道面出現(xiàn)異常隆起，隆起部位發(fā)生在瀝青道面與水泥道面交接處的瀝青道面部分。道面隆起部位的結(jié)構(gòu)為底部30 cm級(jí)配碎石層+30 cm水泥混凝土層，混凝土層的上部依次加鋪了9 cm 的AC-20 瀝青混凝土層+6 cm 的SMA-16 瀝青混凝土層。為了進(jìn)一步保障機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)行，有必要對(duì)該病害出現(xiàn)的成因進(jìn)行探究。

1 檢測(cè)布置

1.1 探地雷達(dá)檢測(cè)

在機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)的檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)B滑行道瀝青道面中面向跑道方向的左側(cè)出現(xiàn)隆起病害，隆起變形沿瀝青道面層下方水泥混凝土板施工接縫分布。隆起高度約為3 cm，寬度約為5 cm，總體呈現(xiàn)反“Z”型，如圖1 所示。為檢查瀝青層下部是否具有脫空現(xiàn)象，使用探地雷達(dá)對(duì)該隆起部位進(jìn)行掃描。結(jié)合反“Z”型分布特點(diǎn)，制定了5 條掃描測(cè)線，如圖2 所示。測(cè)線中，A-A′、B-B′、CC′和D-D′分別沿滑行道南、北方向分布，間隔約為5 m。E-E′是單獨(dú)的一條測(cè)線，沿東西方向分布。

圖1 瀝青面層反“Z”型隆起Fig.1 Ⅰnverse Z type uplift of asphalt surface layer

圖2 探地雷達(dá)檢測(cè)路線Fig.2 Detection route of the GPR

檢測(cè)時(shí)，將雷達(dá)依次沿A-A′至D-D′推進(jìn)，然后沿東西方向進(jìn)行E-E′測(cè)線的檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，B-B′至D-D′測(cè)線的雷達(dá)顯示波段明顯存在異常，表明瀝青面層下存在脫空現(xiàn)象。

1.2 鉆芯取樣試驗(yàn)

道路上的行車荷載是連續(xù)反復(fù)荷載[1]，飛機(jī)對(duì)道面的作用也是主起落產(chǎn)生的循環(huán)荷載。結(jié)合B滑行道的各層結(jié)構(gòu)圖，現(xiàn)場(chǎng)避開(kāi)飛機(jī)輪跡帶，布置2個(gè)鉆孔，使用100 mm 鉆頭對(duì)鼓起瀝青道面進(jìn)行鉆芯取樣，鉆至瀝青面層之下的混凝土層，停止鉆孔，取芯，目視觀察孔底狀況，發(fā)現(xiàn)鉆芯過(guò)程中有破碎現(xiàn)象。根據(jù)測(cè)量掉落試塊的大小，瀝青面層與混凝土層之間存在約1 cm 的空洞，取樣部位存在明顯脫空現(xiàn)象。

對(duì)瀝青混合料組成進(jìn)行分析，上面層瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度為2.443，理論最大相對(duì)密度為2.553，空隙率為4.3%。下面層瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度為2.399，理論最大相對(duì)密度為2.523，空隙率為4.9%。

SMA 材料技術(shù)要求空隙率范圍是3.0%～4.5%，AC 材料技術(shù)要求空隙率范圍是3.0%～5.0%，因此，現(xiàn)場(chǎng)取芯試樣的空隙率需滿足要求[2]。

經(jīng)過(guò)離心抽提試驗(yàn)分析，得出該機(jī)場(chǎng)瀝青道面上面層材料的瀝青含量為5.6%，下面層材料的瀝青含量為4.8%。根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)瀝青道面設(shè)計(jì)規(guī)范》（MH/T 5010—2017），SMA-16 的最佳瀝青用量范圍為5.4%～6.0%，AC-20 的最佳瀝青用量范圍為3.8%～4.8%，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)芯樣的抗剝落性，通過(guò)肯塔堡飛散試驗(yàn)測(cè)定[3]，檢測(cè)得到肯塔堡浸水飛散損失率為5.3%。從結(jié)果可知，機(jī)場(chǎng)瀝青道面的上面層材料抗剝落性良好，跑道使用至今仍低于設(shè)計(jì)時(shí)材料散失損失率要求的上限值，明顯符合運(yùn)行要求。此外，從浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，水穩(wěn)定性初步判定為較好，損失率較低。

經(jīng)過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)，得到劈裂強(qiáng)度，計(jì)算出上面層試件的凍融劈裂比（TSR）結(jié)果為88.2%，下面層實(shí)際的凍融劈裂比（TSR）結(jié)果為89.1%，滿足抗水損害性能的凍融劈裂試驗(yàn)的殘留強(qiáng)度比值要求。結(jié)合肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果可知，瀝青道面上面層的水穩(wěn)定性較好，經(jīng)使用后仍滿足道面設(shè)計(jì)時(shí)的要求。

通過(guò)抽提分離瀝青和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收瀝青試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)回收瀝青各項(xiàng)指標(biāo)的變化也屬于正常范圍，表明該機(jī)場(chǎng)瀝青道面的瀝青老化程度并不嚴(yán)重。

2 有限元建模與仿真

2.1 模型建立

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，瀝青混凝土層不存在嚴(yán)重問(wèn)題，故對(duì)下部混凝土板進(jìn)行分析。參考實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用ANSYS 軟件建立三維有限元模型。模型瀝青混凝土部分上層為6 cm 厚SMA-16 的瀝青混凝土，下層為9 cm 厚AC-20 的改性瀝青混凝土。混凝土部分為2 塊長(zhǎng)5 m、寬5 m 相互接觸的板塊，板厚為30 cm。根據(jù)劈裂試驗(yàn)結(jié)果，得到道面材料的各項(xiàng)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 各材料參數(shù)Table 1 Material parameters

隆起部位靠近滑行道道肩，雨季降水會(huì)使得部分雨水從道肩一側(cè)的土面區(qū)下滲到道面板與瀝青層的結(jié)合部，對(duì)結(jié)構(gòu)造成侵蝕。夏季高溫會(huì)導(dǎo)致混凝土和瀝青層受熱膨脹。因此，對(duì)模型施加溫度荷載，觀察模型受熱膨脹后的變化。為了更好地模擬板單元的受熱狀態(tài)，考慮到雨水侵蝕作用，結(jié)合規(guī)范要求，在原模型的基礎(chǔ)上將板縫兩側(cè)的混凝土板塊各劃分出一定寬度的“侵蝕”影響區(qū)域，如圖3 所示。游慶龍等人[4]在進(jìn)行適應(yīng)大飛機(jī)瀝青道面結(jié)構(gòu)有限元模型分析時(shí)，使用ABAQUS 軟件中的tie 連接，對(duì)不同層間連續(xù)條件進(jìn)行模擬。段小蘭[5]曾使用ANSYS 軟件模擬完全接觸狀態(tài)下路面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。為了讓本模型不同結(jié)構(gòu)層間的節(jié)點(diǎn)和單元彼此之間沒(méi)有相對(duì)位移，分別將各層進(jìn)行Bonded 連接。Bonded 連接用于模擬2個(gè)接觸面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)的情況，相當(dāng)于兩者完全結(jié)合在一起，是接觸類型中較為常見(jiàn)的一類情況[6]。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)模型計(jì)算精度具有很大影響[7]，所以應(yīng)考慮計(jì)算精度和效率的情況下對(duì)模型進(jìn)行劃分。本模型網(wǎng)格播種尺寸為100 mm，全模型劃分后，共149 834 個(gè)節(jié)點(diǎn)，25 000 個(gè)單元，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐諪ig.4 Grid elememt division

該機(jī)場(chǎng)選址位于西南山區(qū)，年平均氣溫為13.5～17.6 ℃，夏季最高氣溫約為45℃，最低氣溫為－5 ℃，結(jié)合道面材料和實(shí)際外界環(huán)境氣溫對(duì)模型施加溫度荷載。

邊界條件是否施加，應(yīng)根據(jù)具體工程應(yīng)用的需要。有無(wú)邊界約束的有限元模型均有各自使用范圍，應(yīng)根據(jù)需要酌情選擇[8]。根據(jù)機(jī)場(chǎng)道面實(shí)際情況，采用Winkler 地基模型模擬對(duì)道面結(jié)構(gòu)的作用[9]，模型上部為自由邊界，周邊約束板體的水平位移。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，模型整體位移變形，如圖5 所示。從結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)看，模型中間部位的變形最大，最大數(shù)值為31.811 mm，寬度約為10 cm。然后逐漸向兩側(cè)遞減。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)情況，在溫度荷載作用下，瀝青層與混凝土板結(jié)合部產(chǎn)生熱膨脹，上部隆起高度約為3 cm，底部板縫處豎向變形約為1.2 cm，理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相差不大。

圖5 模型整體變形Fig.5 Deformation of the model

觀察整體在不同時(shí)間段內(nèi)的變形過(guò)程，可得高溫作用下受雨水侵蝕的板塊受熱發(fā)生膨脹，此時(shí)板體處于四周不自由狀態(tài)，這種膨脹使2塊相鄰板相互擠壓導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生豎向拱漲變形，加之隆起部位靠近滑行道道肩，雨水經(jīng)土面區(qū)下滲后，對(duì)混凝土道面板結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生侵蝕作用，降低了混凝土的抗變形能力，使接縫兩側(cè)板體的豎向位移加劇，并導(dǎo)致上部瀝青結(jié)構(gòu)層被頂起。

高溫導(dǎo)致豎向變形，同時(shí)也會(huì)對(duì)級(jí)配碎石層產(chǎn)生影響，鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)級(jí)配碎石層與混凝土板間出現(xiàn)的空洞也是板塊出現(xiàn)熱膨脹變形導(dǎo)致。

模擬結(jié)果表明：溫度荷載使瀝青面層出現(xiàn)隆起部位處的最大拉應(yīng)變?yōu)?.000 3，小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，故瀝青結(jié)構(gòu)層在變形狀態(tài)下未發(fā)生裂縫損壞，符合現(xiàn)場(chǎng)探查的實(shí)際道面情況。

3 結(jié)論

通過(guò)瀝青材料試驗(yàn)和三維有限元模型仿真，分析了貴州某機(jī)場(chǎng)B滑行道瀝青面層異常隆起的病害形成原因，得到結(jié)論為：

1）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，瀝青上面層材料空隙率為4.3%，下面層材料空隙率為4.9%。浸水飛散試驗(yàn)顯示水穩(wěn)定性和抗剝落性較好。瀝青上面層粗集料較標(biāo)準(zhǔn)推薦范圍偏多，細(xì)集料則偏少，并且各檔細(xì)集料顆粒含量皆小于標(biāo)準(zhǔn)推薦范圍，導(dǎo)致瀝青道面出現(xiàn)松散。瀝青下面層礦料組成符合推薦級(jí)配范圍。上、下面層瀝青用量均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。從各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，B滑行道瀝青混凝土表面出現(xiàn)了一定松散和老化，產(chǎn)生了變形，但老化程度較輕，表層結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞。

2）隆起病害區(qū)在飛機(jī)滑行的后部主輪輪跡線以外，不會(huì)產(chǎn)生水平推擠作用，再根據(jù)鉆孔底部混凝土破碎情況可知，因?yàn)樗嗷炷翆拥氖┕そ涌p處理措施不當(dāng)，在運(yùn)營(yíng)期，降雨從土面區(qū)沿施工縫滲入造成混凝土侵蝕破壞。由于受影響區(qū)域沿水泥混凝土板塊的施工縫分布，加之夏季高溫膨脹導(dǎo)致混凝土板塊在受熱過(guò)程中相互擠壓，能量封閉在板體內(nèi)無(wú)法釋放，因此呈現(xiàn)規(guī)則的反“Z”型豎向隆起。

3）隆起部位雖處于輪跡帶外，由于病害特殊，B滑行道瀝青道面中向跑道方向的左側(cè)反“Z”型隆起病害應(yīng)引起重視。為進(jìn)一步保障航班安全，建議委托相關(guān)單位進(jìn)行開(kāi)挖修補(bǔ)，將瀝青道面銑刨后，查看下方混凝土層情況，必要時(shí)應(yīng)將破碎部分進(jìn)行切割修補(bǔ)，重鋪該區(qū)域道面。