荷載級位對接縫傳荷能力影響規(guī)律的試驗(yàn)研究

程國勇，王 帆，張獻(xiàn)民，張潤峰

（中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津 300300）

為了減少由于熱脹冷縮引起的斷裂、拱脹以及混凝土的干縮等引起的混凝土道面板開裂，水泥混凝土道面板一般在縱、橫兩個(gè)方向設(shè)置許多接縫把道面板分為許多板塊，常見的接縫形式有縮縫、脹縫以及施工縫。這些接縫成為水泥混凝土道面最薄弱的部分，道面的病害，如唧泥、錯(cuò)臺等一般由接縫的損壞開始，嚴(yán)重影響飛機(jī)滑行的舒適性以及道面的使用壽命。為避免道面的破壞，發(fā)現(xiàn)道面早期安全隱患以便及早采取維護(hù)措施從而盡量延長道面使用壽命，接縫傳荷能力的檢測與評價(jià)是機(jī)場剛性道面日常維護(hù)的主要內(nèi)容之一。

當(dāng)前機(jī)場道面接縫傳荷能力常用的表示方法有：以撓度（彎沉）表示的傳荷系數(shù)、以應(yīng)力表示的傳荷系數(shù)以及以荷載表示的傳荷系數(shù)等，相鄰板的撓度可以通過各種無破損彎沉測定方法得到，而應(yīng)力或荷載較難得到，故經(jīng)常用撓度傳荷系數(shù)評定接縫的傳荷能力[1]。為得到接縫兩側(cè)板塊邊緣的撓度，常用的方法為彎沉檢測，采用的儀器為落錘式彎沉儀FWD（falling weight deflectometer）。FWD的沖擊荷載與時(shí)速60～80 km的車輛對路面的荷載相似，可以較好地模擬行車荷載作用，并且測速快，精度高，因此自20世紀(jì)80年代初以來，F(xiàn)WD在國際上得到日益廣泛的應(yīng)用，代表著機(jī)場道面無損檢測的發(fā)展方向。關(guān)于道面接縫傳荷規(guī)律的研究成果目前主要有脫空狀況、脫空大小等對傳荷系數(shù)的影響[2-5]、荷載大小、加載方式對于傳荷系數(shù)的影響[6-8]等，得到一些有價(jià)值的結(jié)論。如文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果表明接縫傳荷能力與荷載大小無關(guān)，只與道面結(jié)構(gòu)自身有關(guān)。文獻(xiàn)[8]則認(rèn)為傳荷系數(shù)測試結(jié)果與測試采用的荷載大小有關(guān)，過小的測試荷載將可能導(dǎo)致較大的誤差。但上述成果基本上是基于數(shù)值分析得到的結(jié)論。

對于機(jī)場剛性道面，由于其承受荷載、道面厚度及剛度等遠(yuǎn)高于一般公路，一般認(rèn)為機(jī)場跑道的彎沉檢測及評價(jià)需采用更大的沖擊荷載，目前國內(nèi)機(jī)場剛性道面結(jié)構(gòu)檢測中沖擊荷載一般取140 kN。此外當(dāng)前不少儀器廠家生產(chǎn)出專門針對機(jī)場道面的落錘式彎沉檢測設(shè)備，如重型落錘式彎沉儀HWD（heavy weight deflectometer），其顯著特點(diǎn)是沖擊荷載大，最大沖擊荷載一般可達(dá)到240 kN。另外，由于接縫的實(shí)際接觸狀態(tài)、脫空形式等非常復(fù)雜，遠(yuǎn)非數(shù)值方法能夠精確模擬的。測試荷載級位對于機(jī)場道面接縫傳荷系數(shù)的影響到底有多大是一個(gè)值得深入研究的問題，因?yàn)檫@直接關(guān)系到道面質(zhì)量評價(jià)結(jié)果的可靠性及檢測成本。

正是基于上述認(rèn)識，本文采用重型落錘式彎沉儀分級加載對某機(jī)場剛性道面的接縫傳荷系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，目的在于探討沖擊荷載級位對于接縫傳荷系數(shù)測試結(jié)果的影響規(guī)律，為機(jī)場道面的檢測及評價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

使用丹麥丹納特8081型的重錘式彎沉儀，落錘承載盤直徑為30 cm，荷載沖擊的持續(xù)時(shí)間為25～30 ms。對于每個(gè)測試點(diǎn)使用四種不同大小的沖擊荷載，分別為90 kN、150 kN、180 kN及280 kN，具體施加荷載大小以實(shí)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

在測試道面板接縫傳和能力時(shí)，加載盤中心距離板邊距離為200～250 mm（加載盤邊緣距板邊距離為50～100 mm），2、3號傳感器分別跨在受荷板和未受荷板接縫的兩側(cè)，距離接縫邊緣距離為10 mm，通過2、3號傳感器的位移測試結(jié)果評價(jià)相鄰板塊接縫的傳荷能力，加載盤及傳感器布置如圖1所示。

由于2、3號傳感器距離很近，為簡單起見，按如下公式來計(jì)算相鄰板塊的傳遞荷載能力系數(shù)W

其中：W為傳荷能力系數(shù)；d2為荷載作用板塊傳感器彎沉值；d3為荷載未作用板塊傳感器彎沉值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次共進(jìn)行了3條測試線傳荷系數(shù)的測定，分別為：跑道1條測試線、平行滑行道2條測試線。測點(diǎn)（接縫）總數(shù)102個(gè)，圖2～圖4為3條測試線在不同荷載級位下的傳荷系數(shù)測試結(jié)果。

一般認(rèn)為，接縫傳荷系數(shù)值的變化范圍在0～1之間，當(dāng)無接縫時(shí)且不考慮接縫尺寸時(shí)，接縫位置兩側(cè)的豎向位移應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的，即傳荷系數(shù)為1，當(dāng)傳荷系數(shù)大于1可認(rèn)為是測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。從跑道1條測試線及平行滑行道2條測試線的結(jié)果來看，施加的沖擊荷載越小，出現(xiàn)測試數(shù)據(jù)異常的情況越多，各級荷載出現(xiàn)傳荷系數(shù)大于1的測點(diǎn)數(shù)量如表1所示。

另外，從圖2～圖4可以看出，沖擊荷載越小，傳荷系數(shù)曲線波動(dòng)的范圍越大，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，傳荷系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。為便于說明此現(xiàn)象，在每個(gè)測點(diǎn)，以最大測試沖擊荷載（280 kN）下測試的傳荷系數(shù)為基準(zhǔn)，按式（2）計(jì)算其他級位沖擊荷載下傳荷系數(shù)相對測試誤差，對各測線的測試結(jié)果進(jìn)行匯總，如圖5所示。

表1 各級荷載下傳荷系數(shù)異常情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 the number of abnormal load transfer coefficient under different load level

其中：δ為傳荷系數(shù)相對測試誤差（%）；Wi為沖擊力i=90 kN、150 kN、180 kN 時(shí)的傳荷系數(shù)；W280為沖擊力等于280 kN時(shí)的傳荷系數(shù)。

從圖5可以看出，相對誤差基本正、負(fù)對稱（或者說出現(xiàn)正、負(fù)誤差的幾率基本相同），說明傳荷系數(shù)測試誤差是隨機(jī)誤差。從圖5中可以清楚地發(fā)現(xiàn)另一個(gè)現(xiàn)象，即隨著沖擊荷載的增大，此隨機(jī)性逐漸減小，即正負(fù)相對誤差的絕對值逐漸減小，定量地說，當(dāng)采用的沖擊荷載為90 kN時(shí)，傳荷系數(shù)測試結(jié)果相對誤差最大能達(dá)到±30%左右，當(dāng)沖擊荷載增大到150 kN及240 kN時(shí)，相對誤差分別減小到±20%及±10%左右。

分析上述試驗(yàn)結(jié)果，由于機(jī)場道面的厚度及剛度很大，沖擊荷載產(chǎn)生的彎沉（撓度）值很小，而落錘式彎沉儀位移傳感器的位移測試精度是固定的。采用的測試沖擊荷載越小，道面產(chǎn)生的彎沉越小，則彎沉測試相對誤差越大。因此為提高道面板接縫傳荷系數(shù)測試精度，應(yīng)從兩方面著手，或提高位移測試精度或采用較大的荷載級位。在目前位移傳感技術(shù)現(xiàn)狀下，機(jī)場剛性道面板傳荷系數(shù)測試宜盡可能采用較大的沖擊荷載。

此外，考慮到目前國內(nèi)機(jī)場剛性道面結(jié)構(gòu)檢測中沖擊荷載一般采用140 kN并都采用類似的位移測試技術(shù)，因此根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)論可以合理推斷，認(rèn)為當(dāng)前的測試技術(shù)產(chǎn)生的相對誤差約為20%左右。

3 結(jié)語

通過以上研究，得到如下結(jié)論供相關(guān)技術(shù)人員參考：

1）機(jī)場剛性道面板傳荷系數(shù)測試過程中，采用的沖擊荷載越小，出現(xiàn)異常測試結(jié)果的的概率越大，當(dāng)荷載級位達(dá)到一定程度時(shí)，傳荷系數(shù)測試結(jié)果趨于穩(wěn)定。

2）隨著沖擊荷載的增大，傳荷系數(shù)測試結(jié)果的隨機(jī)性逐漸減小，因此機(jī)場道面接縫傳荷系數(shù)測定時(shí)應(yīng)盡量采用大級位的沖擊荷載。

3）根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)論及目前國內(nèi)機(jī)場剛性道面結(jié)構(gòu)檢測中一般采用140 kN沖擊荷載的現(xiàn)狀，合理推斷當(dāng)前國內(nèi)機(jī)場剛性道面接縫傳荷系數(shù)測試結(jié)果相對誤差約為20%左右。

當(dāng)然，本次只是在根據(jù)一個(gè)機(jī)場道面試驗(yàn)得到的結(jié)論。由于各個(gè)機(jī)場具體情況各異、道面千差萬別，可能得到的結(jié)論也不盡相同。

[1] 薛小剛.接縫傳荷能力對場道結(jié)構(gòu)受力的影響[J].機(jī)場建設(shè)，2008（3）：9-10.

[2] 田小革，姚 飛，張淑泉.脫空對水泥混凝土路面接縫傳荷能力的影響[J].公路工程，2010，35（3）：24-27.

[3] 曾 勝，張顯安.水泥混凝土板下脫空狀況時(shí)接縫處彎沉的影響分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，2（6）：31-36.

[4]肖興強(qiáng).水泥混凝土路面板底脫空和接縫傳荷能力的關(guān)系[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[5] 張顯安，張起森，曾 勝.水泥混凝土板下脫空狀況時(shí)接縫處彎沉的影響分析[J].公路與汽運(yùn)，2005（1）：43-45.

[6] 周正峰，凌建明，袁 捷.機(jī)場水泥混凝土道面接縫傳荷能力分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2009，42（2）：112-118.

[7]張淑泉.動(dòng)靜荷載作用下水泥混凝土路面接縫傳荷能力的研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2009.

[8] 周正峰，凌建明，袁 捷，等.機(jī)場剛性道面接縫傳荷能力的評價(jià)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（6）：844-849.