西南某機(jī)場瀝青道面隆起部位承載力數(shù)值模擬與驗(yàn)證*

陳驚宇，江圣澤，王蔚然，夏登民

(1.中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.民航機(jī)場建設(shè)工程有限公司，天津 濱海 300456；3.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156)

重錘式彎沉儀(HWD)通過重錘對道面的沖擊作用模擬飛機(jī)對道面的施荷過程，記錄道面在荷載作用下的彎沉響應(yīng)，利用荷載值、彎沉變形值反演推算道面的基層頂面反應(yīng)模量，評價道面及基礎(chǔ)的強(qiáng)度。HWD屬于無損檢測，具有原位檢測、速度快、不破損道面結(jié)構(gòu)、檢測后不需要修補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在機(jī)場道面檢測、修復(fù)等工程中廣泛應(yīng)用。楊俊羽結(jié)合華東某機(jī)場HWD檢測數(shù)據(jù)，對機(jī)場復(fù)合道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演、CAN-PCN強(qiáng)度評價、結(jié)構(gòu)剩余壽命、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性厚度等進(jìn)行了分析。史保華等運(yùn)用HWD，采用承載板法對公路飛機(jī)跑道承載力進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)公路跑道承載力良好，道面動模量為靜模量的2倍，HWD設(shè)備的動荷載過程更符合實(shí)際情況。國洋建立HWD加載模型，通過正交試驗(yàn)和控制變量試驗(yàn)分析道面彎沉的變化規(guī)律。西南某機(jī)場道面檢測中發(fā)現(xiàn)瀝青道面存在異常隆起，為判定隆起部位的承載力，使用有限元軟件根據(jù)跑道結(jié)構(gòu)分別對瀝青道面隆起部位和正常部位進(jìn)行HWD落錘沖擊仿真模擬，分析隆起部位彎沉分布規(guī)律。

1 有限元模擬仿真

1.1 模型建立

該機(jī)場瀝青道面結(jié)構(gòu)層為底部30 cm級配碎石層+30 cm碾壓混凝土層，混凝土層上部依次加鋪9 cmAC-20改性瀝青混凝土層+6 cmSMA-16瀝青混凝土層。道面異常隆起高度約2 cm、寬度為5 cm，沿瀝青面層下方碾壓混凝土施工接縫分布。

根據(jù)探地雷達(dá)探測結(jié)果和異常隆起高度建立圖1所示三維有限元模型。HWD落錘直徑為30 cm，在瀝青道面表面劃分受壓區(qū)域用于施加重錘沖擊荷載。HWD落錘沖擊荷載有100 kN、150 kN、200 kN、250 kN和300 kN 5種，該機(jī)場道面隆起部位瀝青面層上表面未發(fā)生破壞，選擇200 kN作為沖擊荷載。落錘沖擊過程中荷載到達(dá)時間取0.5 s，荷載作用時間取0.01 s。

圖1 隆起道面模型

表1為瀝青道面隆起部位和正常部位各層力學(xué)參數(shù)取值。正常部位的模型按照結(jié)構(gòu)層實(shí)際分布情況創(chuàng)建?？紤]計(jì)算效率和精度，2種模型中瀝青面層、碾壓混凝土層和碎石穩(wěn)定層模型網(wǎng)格劃分尺寸取100 mm，土基模型網(wǎng)格劃分尺寸取300 mm。模型按照層狀理論體系構(gòu)建，土基部位四周采用無限元邊界，底部約束豎向位移。SMA-16改性瀝青混凝土層、AC-20瀝青混凝土層、碾壓混凝土層和底部級配碎石層四周采用自由邊界。模型各層之間接觸部位采用共享平面，層與層之間連續(xù)接觸、無摩擦。

表1 模型力學(xué)參數(shù)

1.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)MH/T 5024—2019《民用機(jī)場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》，采用HWD進(jìn)行瀝青道面參數(shù)反演分析時，最遠(yuǎn)端傳感器距離荷載中心1.8～2.4 m。該機(jī)場瀝青道面的有效厚度為15 cm，小于下方水泥混凝土道面層厚度，傳感器最遠(yuǎn)端距離取1.8 m。表2為HWD落錘沖擊作用下2種模型各測點(diǎn)感應(yīng)器模擬計(jì)算彎沉值。由表2可知：異常隆起部位荷載中心最大彎沉值為566.9 μm，正常道面荷載中心最大彎沉值為299.6 μm，隆起部位下方存在脫空導(dǎo)致相同落錘荷載作用下道面彎沉值變大。

表2 各測點(diǎn)模擬計(jì)算彎沉

圖2為異常隆起部位與正常部位模擬彎沉曲線。由圖2可知：正常部位與隆起部位彎沉值均在荷載中心最大，并由中心向外逐漸減小。

圖2 隆起部位及正常部位模擬彎沉曲線

將模擬彎沉值代入民用機(jī)場道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演分析軟件TJ-Back，計(jì)算得到隆起部位和正常部位道面基頂反應(yīng)模量分別為247 MPa和362 MPa。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，機(jī)場道面基頂反應(yīng)模量與承載比CBR呈正相關(guān)，正常部位基頂反應(yīng)模量大于隆起部位。從模擬結(jié)果來看，瀝青道面隆起部位的承載力小于正常部位。

2 實(shí)測驗(yàn)證

2.1 檢測結(jié)果

為論證模擬所得彎沉變化規(guī)律，對瀝青道面進(jìn)行HWD現(xiàn)場彎沉測試。對隆起部位中心進(jìn)行加載，并在正常道面中選擇3個點(diǎn)進(jìn)行測試，每個測點(diǎn)刪除第1錘數(shù)據(jù)，取第2錘、第3錘的平均值作為測試結(jié)果。HWD加載質(zhì)量32 t，傳感器7個，檢測時根據(jù)道面結(jié)構(gòu)厚度調(diào)整加載質(zhì)量，確保承載板中心點(diǎn)的彎沉值達(dá)到110 μm。

表3、表4分別為200 kN重錘荷載作用下瀝青道面正常部位和隆起部位各感應(yīng)器測試彎沉值。從表3可以看出：測點(diǎn)2荷載中心彎沉均值最大，為319.90 μm；測點(diǎn)1荷載中心彎沉均值最小，為307.15 μm；3個測點(diǎn)荷載中心彎沉均值為314.8 μm。

表3 瀝青道面正常部位彎沉測試結(jié)果

由表4可知：荷載中心最大彎沉值為545.50 μm，最小為542.70 μm，均值為544.10 μm，遠(yuǎn)大于正常部位各測點(diǎn)的彎沉值。

表4 瀝青道面隆起部位彎沉測試結(jié)果

2.2 對比分析

圖3為HWD重錘作用下瀝青道面隆起部位與正常部位實(shí)測彎沉曲線。各部位彎沉值均由中心位置向外逐漸減小，隆起部位荷載中心彎沉值下沉趨勢大于正常部位，變化規(guī)律與有限元模擬結(jié)果一致。

圖3 正常部位及隆起部位瀝青道面實(shí)測彎沉曲線

圖4、圖5分別為瀝青道面正常部位、隆起部位實(shí)測和模擬彎沉分布。正常部位3個測點(diǎn)所得荷載中心最大彎沉值與模擬結(jié)果相差2.5%、6.8%、6.0%，隆起部位荷載中心最大彎沉值與模擬結(jié)果相差4.2%，荷載中心最大實(shí)測彎沉值與有限元模擬結(jié)果相差較小，兩種方法所得彎沉變化規(guī)律一致。

圖4 正常部位實(shí)測和模擬彎沉曲線

圖5 隆起部位實(shí)測和模擬彎沉曲線

將各測點(diǎn)實(shí)測彎沉值代入TJ-Back，計(jì)算得隆起部位和正常部位基頂反應(yīng)模量分別為189 MPa和375 MPa，正常部位模量大于隆起部位，實(shí)測彎沉反演道面結(jié)構(gòu)參數(shù)大小與模擬結(jié)果一致。

3 結(jié)論

(1)對于瀝青道面正常部位，3個測點(diǎn)荷載中心最大實(shí)測彎沉值分別為307.15 μm、319.90 μm、317.45 μm，模擬所得荷載中心最大彎沉值為299.6 μm，實(shí)測值與模擬值相差2.5%、6.8%、6.0%。對于瀝青道面隆起部位，荷載中心最大實(shí)測彎沉值為544.10 μm，最大模擬彎沉值為566.90 μm，兩者相差4.0%。兩種方法所得結(jié)果相差較小，模擬與實(shí)測所得正常部位瀝青道面彎沉分布規(guī)律一致。

(2)將模擬值代入道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演分析軟件TJ-Back，計(jì)算得瀝青道面隆起部位和正常部位基頂反應(yīng)模量分別為247 MPa和362 MPa。將HWD實(shí)測值代入TJ-Back，計(jì)算得隆起部位和正常部位基頂反應(yīng)模量分別為189 MPa和375 MPa。模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果都表明道面隆起部位承載力小于正常部位。

(3)根據(jù)理論與實(shí)測分析結(jié)果，道面隆起部位荷載中心彎沉值大于正常部位彎沉值。隆起部位彎沉盆下沉趨勢比正常部位明顯，其下方出現(xiàn)明顯脫空。