機場水泥混凝土道面脫空區(qū)動水壓力分析

江斌臣 ，袁 捷 ，譚 悅

（1.上海華東民航機場建設(shè)監(jiān)理有限公司，上海 200335；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海200092；3.虹橋國際機場公司，上海200335）

0 引言

脫空是機場水泥混凝土道面常見的一種病害。數(shù)據(jù)顯示，我國近70%的機場道面存在普遍脫空現(xiàn)象（脫空率大于30%），近30%的機場道面存在嚴重脫空現(xiàn)象（脫空率大于60%）[1]。脫空病害會降低道面結(jié)構(gòu)承載能力，縮短道面使用壽命。同時脫空病害具有隱蔽性，檢測和處置難度大，因此，脫空病害是機場道面維護工程中的難點。

從脫空的形成機理來看，可以分為唧泥型脫空、溫度翹曲型脫空和基礎(chǔ)變形型脫空三種類型[2]。其中以唧泥型脫空最為普遍。

唧泥是指飛機荷載行駛通過時，基層縫隙內(nèi)的水由于泵引效應(yīng)產(chǎn)生動水壓力，導致基層材料被帶到道面表層，形成唧泥現(xiàn)象?；鶎硬牧媳粠С觯瑢е禄鶎映霈F(xiàn)空隙，長期作用下空隙會進一步發(fā)展，形成脫空現(xiàn)象。

唧泥的產(chǎn)生通常要具備以下幾個條件：

（1）水。唧泥是水將基層內(nèi)粒料帶到道面表面的過程。

（2）滲水通道。水必須通過通道才能將粒料帶到表面。通常完好的道面是不具備滲水通道的。道面沒有貫穿裂縫，接縫也采用嵌縫料進行了密封。但道面在使用過程中性能會不斷衰減，出現(xiàn)裂縫、嵌縫料脫落等現(xiàn)象，形成滲水通道。

（3）荷載作用。當飛機荷載通過接縫/裂縫處時，由于道面板會產(chǎn)生一定撓度，對孔隙中的水產(chǎn)生擠壓，導致孔隙中的水產(chǎn)生較高壓力并高速流動，相當一部分水通過滲水通道噴出。示意圖及現(xiàn)場實景分別如圖1和圖2所示。

圖1 唧泥形成脫空示意圖

圖2 現(xiàn)場唧泥實景

（4）基層抗沖刷性能不足。一般形成唧泥現(xiàn)象的多為柔性基層。由于基層整體性差，粒料粘結(jié)力不足，細粒料容易被水帶出。而對于半剛性基層，完好狀態(tài)時基層是一個膠凝整體，各種集料通過膠結(jié)材料凝結(jié)成整體，較難形成唧泥現(xiàn)象。

因此，對于二灰穩(wěn)定碎石、二灰土等柔性基層的道面，在多雨季節(jié)極易出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象，尤其是道面破損嚴重、飛機荷載作用頻繁的區(qū)域。

1 脫空區(qū)水行為分析

通過以上分析可知，唧泥型脫空必須要有水的作用。水在整個脫空的形成過程當中的行為可以分為五個階段，如圖3[3]所示。

圖3 唧泥過程中水運行過程劃分圖

第一階段：為飛機輪載從非脫空區(qū)駛近脫空區(qū)。道面板塊在飛機輪載作用下產(chǎn)生微小振動，脫空區(qū)內(nèi)的水受振產(chǎn)生往返運動，強度較弱。

第二階段：飛機輪載在第一塊板（圖中后板）脫空區(qū)行駛，至接縫處。脫空使基層對道面板的支撐下降，道面板在荷載作用下產(chǎn)生的撓度迅速增加，脫空區(qū)內(nèi)的水受到迅速擠壓，水的流動加劇。當飛機輪載抵達接縫處時板的撓度量最大，水帶著粒料沿接縫縫隙排出至道面。

第三階段：飛機輪載駛過接縫的縫隙，后板迅速反彈，呈有阻尼自由振動狀態(tài)，脫空區(qū)呈現(xiàn)負壓吸水狀態(tài)。

第四階段：飛機輪載在第二塊板（圖中前板）的脫空區(qū)行駛。板塊受荷載作用產(chǎn)生撓度，脫空區(qū)水受擠壓作用，水帶著粒料沿接縫縫隙排出至道面。

第五階段：飛機輪載駛?cè)肓饲鞍宓姆敲摽諈^(qū)。呈有阻尼自由振動狀態(tài)，脫空區(qū)水呈紊流狀態(tài)。

2 脫空區(qū)水壓力分析

水是形成唧泥的首要條件，脫空區(qū)內(nèi)水在荷載通過時產(chǎn)生的動水壓力越大，越容易形成唧泥。因此，脫空區(qū)內(nèi)動水壓力的大小是形成唧泥的一個重要參數(shù)。

脫空區(qū)域內(nèi)動水壓力值的測試方法分為兩種，一是直接測量；二是間接推算。直接測量法是通過鉆孔將測試儀器插入脫空區(qū)域內(nèi)，以測試荷載通過時該點的壓力大小。該方法較為直觀，但也有一定缺陷。首先是只能測試某一點的壓力值，該點未必是最大值。其次是測試儀器對儀器周圍的水流有一定的干擾作用，導致實測值與真實值有一定差別。間接推算方法是通過現(xiàn)場觀測唧泥時接縫中噴出水的高度，進而通過伯努利方程來反推動水壓力。推算過程中對唧泥過程做了一定簡化，即假定唧泥中水的噴出過程沒有能量損失。實際上由于接縫/裂縫很窄，縫壁的摩阻力會消耗絕大部分射水動能，忽略這部分影響導致推算結(jié)果明顯偏小。本文的分析采用直接測量法。

直接測量脫空區(qū)動水壓力試驗難度很大，目前國內(nèi)外只有美國Elmer C.Hansen[4]做過相關(guān)研究，并取得了寶貴數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)如表1所列。由于機場運行安全控制嚴格，無法進行現(xiàn)場動水壓力測試，本文通過采用Elmer C.Hansen測試的公路動水壓力數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析與模擬，來測算機場脫空區(qū)域內(nèi)動水壓力值。

表1 動水壓力測試結(jié)果一覽表

對表1中數(shù)據(jù)進行分析，可以得出以下結(jié)論。

2.1 動水壓力與車速的關(guān)系

從表1數(shù)據(jù)可以看出，車速對脫空區(qū)域動水壓力影響較大。通過對數(shù)據(jù)進行回歸分析可以得出，動水壓力與車速呈二次多項式關(guān)系。以第一軸測試數(shù)據(jù)為例，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 動水壓力與行車速度相關(guān)性回歸曲線圖（單位：kPa）

2.2 動水壓力與軸重的關(guān)系

第二軸軸重為79 kN，第一軸軸重為31 kN，軸重比為2.5。計算第二軸40 km/h、72 km/h、97 km/h車速對應(yīng)的壓力差與第一軸對應(yīng)的壓力差的比值，分別為2.1、2.3和2.3，接近于軸重比值的2.5。近似認為，壓力差與軸重呈線性關(guān)系。而根據(jù)Westergaard公式，荷載與道面板的撓度也呈線性關(guān)系。因此，可以近似認為，動水壓力與軸重、撓度都呈線性關(guān)系。

表1中數(shù)據(jù)是公路（水泥混凝土路面，厚度24 cm）測試數(shù)據(jù)，測試得到的最大動水壓力最大超過40 kN，最小動水壓力接近-30 kN，形成的最大動水壓力差接近70 kN。而該動水壓力差是形成水流沖刷作用的關(guān)鍵。

相對于公路而言，機場條件更加惡劣。機場內(nèi)大型飛機軸載可超過500 kN，飛機滑跑速度可超過250 km/h。由于無法在機場現(xiàn)場進行實地測量，只能按照理論方法由公路測試數(shù)據(jù)進行推算。

3 機場道面需考慮的若干變量

相對于公路路面，機場道面有以下幾個變量需要考慮：軸載、行駛速度和道面板的厚度，以及飛機行駛過程中升力的影響。而其他參數(shù)，如道面板材料的模量、基層頂面反應(yīng)模量、板塊的尺寸、基層材料類型等公路與機場大體相同。根據(jù)前面對唧泥過程原理進行的分析可以理解，唧泥過程實際上是軸載作用于道面板，引起道面板出現(xiàn)彎沉并引發(fā)振動，再通過道面板傳遞到板底脫空腔內(nèi)的水，從而引發(fā)水的流動從而產(chǎn)生動水壓力，形成唧泥現(xiàn)象。因此可以判斷，唧泥過程中“荷載—道面—水—基層”四相體之間交互影響的關(guān)鍵影響因素有以下幾點：道面在荷載作用下產(chǎn)生的撓度大小w0，荷載行駛速度v。其中撓度w0主要與道面板厚度及荷載大小有關(guān)。以下針對機場與公路的區(qū)別做定量分析，通過對差值進行修正，進而得到機場脫空區(qū)內(nèi)動水壓力。

3.1 撓度w0

與公路相比，機場道面軸載重，但同時機場道面結(jié)構(gòu)設(shè)計時對重荷載進行了考慮，通常機場面層道面板厚度較厚，軸載通過時對道面板產(chǎn)生撓度不一定比公路大很多。本文通過簡單算例進行對比。

4E等級機場水泥混凝土道面：選取B747-400機型標準起落架荷載，道面厚度為38～40 cm，道面板模量30 GPa，泊松比0.15，基層頂面反應(yīng)模量80 MN/m3，采用ABAQUS有限元軟件進行數(shù)值模擬，可以計算得到的道面板中彎沉為195～202μm。

公路水泥混凝土路面，選取標準軸載100 kN，胎壓 0.7 MPa，路面厚度 28～30 cm，路面板模量30 GPa，泊松比0.15，基層頂面反應(yīng)模量80 MN/m3，采用ABAQUS有限元軟件進行數(shù)值模擬，可以計算得到的板中彎沉為207～224μm。

從計算結(jié)果來看，公路路面與機場道面在各自標準軸載作用下產(chǎn)生的撓度是相當?shù)?，兩者相差約5%，差別較小，修正中不考慮。

3.2 荷載行駛速度v

從上文分析可知，機場道面與公路路面在各自標準軸載作用下產(chǎn)生的撓度是相當?shù)模w機荷載與汽車荷載行駛的速度相差巨大。取飛機最高行駛速度為250 km/h，汽車最高行駛速度為100 km/h。采用圖4中的擬合方程，計算動水壓力差與荷載行駛速度之間的關(guān)系。飛機速度范圍取0～250 km/h。

3.3 飛機升力的影響

飛機在行駛過程中會產(chǎn)生升力，且速度越大升力也會越大。因此隨著速度的增加，飛機對道面的作用前期會逐漸增加，而后會出現(xiàn)拐點，作用反而會逐漸減小。在計算過程中，通過采用折減因子來考慮于飛機升力的影響。飛機升力與速度的平方成正比例關(guān)系，不同飛機的起飛速度并不相同，通常在180～250 km/h[5]，本文統(tǒng)一取飛機起飛速度為250 km/h。即飛機速度在250 km/h時，對道面的作用為0。因此折減因子k的公式如下：

式中：v為飛機實際行駛速度；vs為飛機起飛速度，取250 km/h。

將公路最大動水壓力差70kN通過以上3個方面進行修正，進而可以得到機場最大動水壓力差約為90 kN。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)成因機理將脫空分為唧泥型脫空、溫度翹曲型脫空和基礎(chǔ)變形型脫空三種類型。其中以唧泥型脫空最為常見。

（2）明確了唧泥型脫空的形成條件。

（3）通過對唧泥過程的分解，可以將唧泥過程中水的行為分為五個階段。

（4）以公路實測動水壓力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對軸載、行駛速度和飛機升力影響的三方面修正，得到機場脫空區(qū)內(nèi)動水壓力最大可達90 kN。

[1]譚悅.機場水泥混凝土道面脫空響應(yīng)及判定方法[D].上海：同濟大學，2011.

[2]同濟大學.水泥混凝土路面斷板分析及防治技術(shù)研究（交通部西部項目），“水泥混凝土路面脫空狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)分析”分題三子題一[R].上海：2005.

[3]同濟大學.水泥混凝土路面脫空區(qū)水脈動規(guī)律的探索研究（交通部西部項目），“水泥混凝土路面斷板分析及防治技術(shù)研究”分題三子題三[R].上海：2005.

[4]Elmer C.Hansen，Ror Johannesen，and Janshid M.Armaghani.Field effects of water pumping beneath concrete pavement slabs[J].

[5]Wells,Alexander T（著），趙洪元（譯）.機場規(guī)劃與管理[M].北京:中國民航出版社，2004.