基于HWD的機場擴建過程中道面板無損檢測技術研究

管璞

1.華設設計集團北京民航設計研究院有限公司 北京 100044

2.民航機場安全與運行工程技術研究中心 北京 100044

黨的十九大謀劃了我國社會主義現代化建設的新征程，明確提出要建設交通強國，而后民航局出臺《新時代民航強國建設行動綱要》。在此背景下，并為滿足我國民航業迅猛發展的巨大需求，各類機場新建、遷建、改擴建項目層出不窮。

目前，HWD（Heavy Weight Deflectometer）無損彎沉檢測技術在機場運營階段的使用相對較為普遍，但鮮有關于機場擴建施工期間無損彎沉檢測方面的研究。

本文依托某機場飛行區擴建項目，為及時準確掌握施工期間飛行區道面的結構性能，以避免擴建區域道面在將來的運行中帶有先天的隱性缺陷，在施工期間全程使用HWD對道面進行彎沉檢測。

1 HWD檢測原理

重型落錘式彎沉儀（HWD）主要包括以下幾個部分：承載車輛、落錘系統、傳感與控制系統、數據采集軟件、數據處理軟件。設備結構原理如圖1[1]。

圖1 彎沉儀結構原理圖

HWD通過控制系統操控落錘的提升與下落，來對道面施加瞬時沖擊荷載，通過調整落錘的下落高度以及配重來控制荷載大小，荷載通過剛性圓盤作用在道面上并形成彎沉盆，由荷載傳感器進行荷載數據采集。道面彎沉值由9個彎沉傳感器進行采集，最后通過系統控制器對采集到的荷載與彎沉數據進行調節、掃描數字化后發給計算機。

HWD具有檢測速度快，精度高的優點，能使厚度較大的道面得到充分的響應。主要用于機場道面的無損彎沉檢測。荷載加載最大可達240kN，荷載傳感器分辨率達0.03~0.12kN，與荷載幅值有關，彎沉傳感器分辨率達1μm，系統測試速度約為1點/35s。

2 水泥混凝土道面彎沉檢測評價方法

2.1 道面基頂反應模量反算方法

道面基頂反應模量反算屬于水泥混凝土道面結構參數反演分析的一個過程，反演道面結構參數依賴于彎沉盆面積指數法，該方法基于彈性地基板理論。

可采用彎沉盆面積指數法反演道面結構參數的包括以下幾種結構：

1）水泥混凝土道面結構；2）水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土道面結構（瀝青混凝土加鋪層的厚度等于或小于原有水泥混凝土道面厚度）；3）水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土道面結構；4）瀝青道面結構；5）水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土（瀝青混凝土加鋪層厚度大于原有水泥混凝土道面厚度的復合結構）。

本次研究分析的道面為水泥混凝土道面，且本文僅分析道面基層頂面反應模量。

在進行道面結構基頂反應模量反算時，需要確定的技術參數有：水泥混凝土道面結構層的有效厚度、HWD測試設備的測試荷載、承載板尺寸，以及在板中測試時獲得的彎沉盆數據。

傳感器間距約為0.3m，承載板中心1.5m范圍內的各個傳感器的彎沉值計算彎沉盆面積指數計算公式如下：

式中：Awi——第i個傳感器對應的彎沉盆面積指數（m）；

s——傳感器之間的間距，取值為0.3m；

di——第i個傳感器之間的彎沉值（m）。

彎沉盆面積指數Awi與道面結構相對剛度半徑li的對應關系通過圖2查找，超過圖中取值界限的按照公式2進行計算：

圖2 彎沉盆面積指數Awi與道面結構相對剛度半徑li的關系

式中：Awi——第i個傳感器對應的彎沉盆面積指數（m）；

li——由Awi計算得到的道面結構的相對剛度半徑（m）；

ai——回歸系數，具體取值如表1。

表1 彎沉盆面積指數Awi與相對剛度半徑li多項式回歸系數

最后按照公式3對所有傳感器對應的道基頂面反應模量Ki進行計算。式中彎沉系數(l)與道面結構相對剛度半徑l具有單調函數關系，通過圖3可確定l的取值范圍，如果取值超過圖中極限則利用公式4進行分析：

圖3 道面結構相對剛度半徑li與第i個傳感器的彎沉系數的關系

2.2 道面承載能力評價方法

本文使用沖擊勁度模量（ISM）來反應道面及其基礎對運行飛機的綜合支撐作用，它是重型落錘式彎沉儀的加載重量與承載板下傳感器（D0）所測得的彎沉值的比值。某一區域道面（ISM）越大，則代表該區域道面與基礎對飛機的綜合支撐作用越強；反之，則代表道面與基礎的綜合職稱作用越弱。

2.3 道面接縫傳荷能力評價方法

2.3.1 道面板接縫傳荷能力

接縫傳荷能力系數是評價水泥混凝土道面板接縫傳荷能力的一種參數。參照《民用機場道面評價管理技術規范》（MH/T 5024）規定[2]，水泥混凝土道面接縫傳荷能力評價以彎沉比傳遞系數LTEδ作為指標。

彎沉測試中，通過兩個距HWD承載板中心距離相同但分別跨越道面板接縫兩側相鄰板塊的傳感器分別測定其彎沉值：若兩塊相鄰道面板的彎沉值基本相同，則表明其接縫傳荷能力良好；若兩塊相鄰道面板彎沉值差異較大，則表明其接縫傳荷能力較差或失效。

式中：LTEδ—— 傳荷能力系數（%）；

Dunload—— 未受荷板距離接縫15cm位置處傳感器的實測彎沉值（um）；

Dload—— 受荷板距離接縫15cm位置處傳感器的實測彎沉值（um）。

參照現行《民用機場道面評價管理技術規范》（MH/T 5024），道面板接縫傳荷能力的評價標準如表2所示。

表2 水泥混凝土道面接縫傳荷能力等級評定標準

2.3.2 約束系數

約束系數指負載盤周圍道面板對負載盤下道面板的約束作用。對于道面板板邊，由于其受傳荷能力的影響，其對加載道面板的約束作用會隨著其接縫的傳荷能力變化而發生變化。假設負載盤一側道面板對負載盤區域的約束作用是完好的，則約束系數可以用下式計算：

式中：b —— 約束系數；

LTEδ—— 傳荷能力系數。

2.4 道面板原始脫空系數

2.4.1 道面板原始脫空系數

現行《民用機場道面評價管理技術規范》要求，水泥混凝土道面板底脫空狀況評價應通過FWD測試進行分析。

原始脫空系數是反映水泥混凝土道面板接縫處面層與基礎間脫空情況的一種參數，其是道面板板邊中點彎沉值與板中彎沉值的比值。由于該參數未考慮接縫傳荷能力，因此容易造成對道面板板邊脫空情況的誤差：若道面板接縫傳荷能力良好，則該參數測定的脫空系數是準確的；若其接縫傳荷能力顯著降低或失效，則道面板板邊測定的彎沉值將增大，因此必須對該參數進行如下修正。

式中：t —— 原始脫空系數；

D02—— 板邊測點的承載板中心彎沉；

D01—— 板中測點的承載板中心彎沉。

2.4.2 道面板修正脫空系數

該參數綜合考慮了道面板板邊/板中彎沉值的變化及其接縫傳荷能力，是判別板底是否脫空的有效參數。

參照現行《民用機場道面評價管理技術規范》（MH/T 5024）與工程經驗規定：若脫空系數T在2 ~ 3之間，則認為道面板板邊存在中度脫空；若脫空系數T > 3，則認為道面板板邊存在嚴重脫空。

當接縫附近存在明顯的唧泥、錯臺等現象時，可判定為道面板底脫空。具體詳情可參照《民用機場道面評價管理技術規范》（MH/T 5024）規定。

3 工程實踐

某機場擴建區域飛行區道面為水泥混凝土道面，通過重型落錘式彎沉儀（HWD）對滿足檢測要求的道面進行加載來計算水泥混凝土道面板的承載能力、傳荷能力和脫空率。從而為施工質量以及將來的道面維護改造提供數據支撐。

為使機場飛行區道面板結構得到充分的響應，本次檢測HWD荷載設置為1500kPa，根據最終檢測結果，水泥道面板的道基反應模量、承載能力滿足設計要求，道面板整體傳荷性能評價為“好”，且道面板無明顯脫空。

4 結論和展望

在機場擴建過程中，飛行區道面的施工質量關系機場的運營安全。HWD無損彎沉檢測技術在對道面不造成損壞的情況下對飛行區水泥道面板進行檢測。從而對道面質量進行施工過程中的實時監控，以避免機場道面質量問題進入運營階段。

本文以某機場擴建機坪的部分區域為依托，通過道基反應模量、承載能力、脫空系數，以及接縫傳荷能力等指標對該區域道面進行評價，彎沉檢測結果顯示：擴建區域飛行區道面各項彎沉技術參數滿足設計要求。

HWD無損彎沉檢測技術不僅可應用于運營中的機場道面檢測，也可用于施工過程中的飛行區道面檢測，該技術檢測速度快，工作效率高，檢測數據豐富，數據處理可靠。面對機場建設日益增加的形勢，HWD無損彎沉檢測技術將會有更加廣闊的應用前景。