機(jī)場復(fù)合道面注漿工程效果評價(jià)方法研究

柴震林 ，袁 捷 ，羅 勇

（1.上海機(jī)場（集團(tuán)）有限公司建設(shè)開發(fā)公司，上海 201207；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海民航新時(shí)代機(jī)場設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

中國部分機(jī)場興建時(shí)間很早，如虹橋機(jī)場東跑道興建時(shí)間可追溯至上世紀(jì)20年代，成都雙流機(jī)場可追溯至上世紀(jì)30年代，使用時(shí)間都遠(yuǎn)超過一般水泥混凝土道面的設(shè)計(jì)壽命。機(jī)場通過對道面不斷改擴(kuò)建以延續(xù)道面的使用壽命，但由于道面基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，要對基礎(chǔ)進(jìn)行處置難度很大，通常采用的方法主要是注漿。注漿主要起到以下2點(diǎn)作用：①通過提高基礎(chǔ)強(qiáng)度可減少面層結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力[1-2]；②可減少道面脫空現(xiàn)象，提高基礎(chǔ)的均勻性[3-5]。注漿工程屬于隱蔽工程，中國尚缺乏對道面注漿工程效果評價(jià)完善的方法，實(shí)際工程中通常采用注漿前后FWD測試彎沉的對比來作為評價(jià)。這種方法在一般水泥混凝土道面注漿工程效果評價(jià)中應(yīng)用尚可，但在本文依托工程（“白+黑”道面結(jié)構(gòu)）卻無法應(yīng)用。因?yàn)楸敬巫{工程施工周期長4個(gè)月，外界溫差最大近30℃。而上面層瀝青混凝土材料屬于溫度敏感性材料，材料模量會(huì)隨著溫度改變而產(chǎn)生顯著變化，環(huán)境因素對彎沉測試結(jié)果影響很大。如直接采用注漿前后實(shí)測FWD彎沉數(shù)據(jù)對比來評價(jià)注漿效果必然導(dǎo)致偏差很大。因此，本文以實(shí)際工程為依托，開展復(fù)合道面注漿工程效果評價(jià)方法的研究，其關(guān)鍵是對實(shí)測彎沉數(shù)據(jù)修正，以消除溫度等外界因素的干擾。

1 依托工程介紹

上海某4E機(jī)場跑道需要進(jìn)行第4次瀝青混凝土加鋪改造（圖1為加鋪前道面結(jié)構(gòu)示意圖）。經(jīng)現(xiàn)場測試，道面基礎(chǔ)存在局部強(qiáng)度不足、整體差異大和脫空等問題。因此決定在加鋪前先對基礎(chǔ)進(jìn)行注漿加固處置，處置標(biāo)準(zhǔn)為基層頂面反應(yīng)模量平均值由50 kN/m3提升至60 kN/m3。為科學(xué)評價(jià)注漿效果，需要制定科學(xué)可行的注漿效果評價(jià)方法。項(xiàng)目組確定了基于FWD彎沉的基本評價(jià)思路，為了提高注漿效果評價(jià)的可信度，確定了原位測試的基本原則。即注漿前后彎沉測試點(diǎn)位完全重合，從而消除了測試點(diǎn)位不同可能帶來的偏差。但是專家分析后認(rèn)為，即使采用FWD原位測試進(jìn)行注漿效果評價(jià)，仍會(huì)存在以下一些問題：

圖1 試驗(yàn)段道面結(jié)構(gòu)Fig.1 Cross-section of testing pavement

1）測試荷載誤差。FWD測試設(shè)備可以通過電腦調(diào)節(jié)測試荷載，但實(shí)際測試荷載有一定的波動(dòng)性?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果如下：設(shè)定測試荷載為140 kN，共完成3組測試數(shù)據(jù)，實(shí)測荷載分別為140.20 kN、142.70 kN、146.55 kN，最大偏差在5%左右。由于注漿工程只能小幅度提高基礎(chǔ)強(qiáng)度，5%的誤差會(huì)對注漿效果評價(jià)產(chǎn)生顯著影響。

2）環(huán)境溫度差異誤差。本次注漿工程工期長，從春末持續(xù)到秋初，環(huán)境溫差很大。以本次注漿工程試驗(yàn)段為例，共完成3次FWD彎沉測試，溫度分別為14.6℃、10.8℃和2.1℃。瀝青混凝土是溫度敏感性材料，如此大的溫差使得材料模量受溫度影響變化后所導(dǎo)致的彎沉差異甚至超過了注漿效果本身帶來的彎沉差異。

2 基于FWD彎沉測試的注漿效果評價(jià)方法

要建立注漿效果評價(jià)方法的關(guān)鍵有2點(diǎn)：①確定實(shí)測彎沉數(shù)據(jù)的修正方法，包括荷載修正和測試修正；②確定合格標(biāo)準(zhǔn)，即基層頂面反應(yīng)模量由50 kN/m3提升至60 kN/m3的對應(yīng)的彎沉值。

2.1 彎沉數(shù)據(jù)修正方法

為了提高彎沉數(shù)據(jù)的可對比性，需要將彎沉數(shù)據(jù)修正至統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中最主要的修正項(xiàng)目為測試荷載和溫度。

2.1.1 荷載修正

根據(jù)路面力學(xué)理論，一般情況下路面/道面面層材料都假定為線彈性材料，根據(jù)計(jì)算公式，道面彎沉與荷載大小呈線性關(guān)系[2]。因此，彎沉數(shù)據(jù)的荷載修正可通過線性修正方法，將實(shí)測試荷載修正至標(biāo)準(zhǔn)荷載。對于E類機(jī)場，標(biāo)準(zhǔn)荷載一般采用140 kN。

2.1.2 溫度修正

由于測試時(shí)間跨度長，存在較大溫度差異，溫差會(huì)影響瀝青混凝土材料模量，進(jìn)而影響到彎沉測試值。因此，有必要將不同溫度條件下測試得到的彎沉修正到標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下彎沉。公路規(guī)范[6]對于瀝青路面溫度修正的建議：當(dāng)加鋪層厚度不大于5 cm時(shí)，或者路表溫度在20±2℃范圍內(nèi)時(shí)，不需溫度修正，其他情況應(yīng)進(jìn)行溫度-彎沉修正。但是規(guī)范中僅給出對于BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載測試條件下貝克曼梁式彎沉的溫度修正建議公式，無法直接在FWD彎沉測試中采用。參考其技術(shù)思路，本文采用以下方法進(jìn)行溫度-彎沉修正。

1）采用公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的溫度梯度公式預(yù)估瀝青加鋪層內(nèi)部的平均溫度T0

式中：T為瀝青加鋪層內(nèi)部的平均溫度（℃）；a為系數(shù)，a=-2.65+0.52h；b 為系數(shù)，b=0.62-0.008h；T0為測定時(shí)的路表溫度與前5 h平均氣溫的平均值（℃）；h為瀝青加鋪層厚度（cm）。

2）根據(jù)瀝青材料模量-溫度線性關(guān)系假定推算瀝青加鋪層因溫度引起的模量變化

式中：ET為T溫度時(shí)瀝青加鋪層的模量（MPa）；E20為20℃時(shí)瀝青加鋪層的模量，根據(jù)道面結(jié)構(gòu)實(shí)測參數(shù)確定（MPa）；a為系數(shù)，參考公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中瀝青混凝土15℃時(shí)推薦模量中值（2000 MPa）和20℃時(shí)推薦模量中值（1400 MPa）進(jìn)行線性內(nèi)差，a的推薦值為120；T為測試時(shí)瀝青加鋪層內(nèi)部的平均溫度（℃）。

3）采用有限元數(shù)值模擬確定溫度修正系數(shù)δT

采用有限元軟件，以實(shí)際工程參數(shù)建立3D有限元模型，面層瀝青混凝土材料模量分別取20℃標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)際測試溫度T所對應(yīng)的模量值。通過有限元軟件計(jì)算出20℃標(biāo)準(zhǔn)彎沉值和實(shí)際溫度T對應(yīng)的彎沉值，兩者之間的比值即為δT。有限元模型的詳細(xì)介紹見下文。需要指出的是，注漿前測試彎沉溫度修正時(shí)，模型中的基層頂面反應(yīng)模量取實(shí)際值50 kN/m3，注漿后測試彎沉溫度修正時(shí)，模型中的基層頂面反應(yīng)模量取設(shè)計(jì)值 60 kN/m3。

2.2 建立注漿效果合格評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)方對注漿工程提出的要求有2點(diǎn)：①提高基礎(chǔ)強(qiáng)度，基層頂面反應(yīng)模量平均值由50 kN/m3提高到60 kN/m3，且達(dá)標(biāo)率不低于80%；②提高基礎(chǔ)均勻性，要求實(shí)測彎沉值的變異系數(shù)由50%下降到15%以內(nèi)。第②點(diǎn)要求評價(jià)相對簡單，只需對測試彎沉值進(jìn)行荷載和溫度修正，再統(tǒng)計(jì)修正后彎沉值的變異系數(shù)即可。但第①點(diǎn)較難評價(jià)，因?yàn)樽{后基層頂面反應(yīng)模量無法直接測試得到，現(xiàn)場只能測試得到彎沉數(shù)據(jù)。基層頂面反應(yīng)模量增加對應(yīng)的是彎沉值減小。因此，需要計(jì)算出基層頂面反應(yīng)模量由50 kN/m3提高到60 kN/m3所對應(yīng)的彎沉值折減系數(shù)δ。本文通過采用有限元軟件為平臺(tái)，通過數(shù)值模擬得到理論折減系數(shù)δ。

要計(jì)算理論折減系數(shù)δ的關(guān)鍵在于2個(gè)方面：①準(zhǔn)確掌握道面當(dāng)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)；②構(gòu)建一個(gè)合理的彎沉響應(yīng)理論模型。本文以依托工程為例，詳述闡述理論折減系數(shù)δ的確定過程。

1）確定道面結(jié)構(gòu)。該跑道道面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有過多次改擴(kuò)建和加鋪改造。通過現(xiàn)場鉆芯取樣和查閱相關(guān)技術(shù)資料，確定跑道結(jié)構(gòu)如表1所示。整條跑道沿縱向道面結(jié)構(gòu)有所差異，根據(jù)道面結(jié)構(gòu)的不同共分為4個(gè)區(qū)，分別定為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)。

表1 跑道各區(qū)域道面結(jié)構(gòu)信息Tab.1 Regional runway pavement structural information

2）確定道面結(jié)構(gòu)參數(shù)。對現(xiàn)場鉆芯取樣材料進(jìn)行試驗(yàn)測試，結(jié)合規(guī)范推薦取值確定面層結(jié)構(gòu)參數(shù)。注漿前基層頂面反應(yīng)模量K是通過現(xiàn)場開挖，由承載板試驗(yàn)得到K為50 kN/m3。有限元模型中的道面結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表2所示。

表2 有限元模型中道面結(jié)構(gòu)參數(shù)取值Tab.2 Parameter value of pavement structure in finite element model

3）彎沉響應(yīng)理論分析模型采用通用有限元軟件ABAQUS構(gòu)建，計(jì)算內(nèi)容為基層頂面反應(yīng)模量K分別為50 kN/m3和60 kN/m3時(shí)的理論彎沉值。分析模型示意如圖2所示。

圖2 有限元模型示意圖Fig.2 Finite element model diagram

a）對瀝青加鋪層和水泥混凝土板塊實(shí)體建模，水泥板以下采用K地基模擬，模型平面尺寸為5 m×5 m，瀝青加鋪層分4層，水泥道面根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)分為1層或者2層，其中I、IV區(qū)水泥道面為單層板結(jié)構(gòu)，II、III區(qū)水泥道面為雙層板結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)如表1所示。

b）瀝青加鋪層之間以及瀝青加鋪層與水泥板之間假定為完全連續(xù)。對于II、III區(qū)水泥道面的雙層板結(jié)構(gòu)，鑒于道面設(shè)計(jì)和施工時(shí)并未做增加層間接觸的考慮，且根據(jù)現(xiàn)場鉆芯取樣，雙層板芯樣完全分離，故假定雙層板之間為完全滑動(dòng)。

c）采用靜態(tài)荷載模擬FWD的荷載作用，荷載接觸面形狀簡化為正方形，接觸應(yīng)力在承載板范圍內(nèi)均勻分布，荷載參數(shù)如表3所示。

表3 模型中的荷載參數(shù)Tab.3 Load parameters in model

d）單元模型選用8節(jié)點(diǎn)三維線性非協(xié)調(diào)等參單元（C3D8I）。

4）通過有限元模型分別計(jì)算不同基層頂面反應(yīng)模量K下理論彎沉值，如表4所示。

表4 不同道面結(jié)構(gòu)下的理論彎沉值Tab.4 Theoreticaldeflectionvaluesunderdifferentpavementstructures

5）計(jì)算基層頂面反應(yīng)模量60 kN/m3和50 kN/m3時(shí)彎沉值的比值，即為各區(qū)域道面的理論折減系數(shù)δ，如表5所示。

表5 跑道各區(qū)域注漿效果合格的理論折減系數(shù)Tab.5 Theoretical reduction factor of regional runway grouting quality standards

將跑道各區(qū)域?qū)崪y彎沉值修正，可計(jì)算得到實(shí)際折減系數(shù)。當(dāng)實(shí)際折減系數(shù)小于表5中各區(qū)域?qū)?yīng)的理論折減系數(shù)時(shí)，即認(rèn)為該點(diǎn)注漿效果合格。

3 試驗(yàn)段注漿工程效果評價(jià)

本文以依托工程注漿試驗(yàn)段的效果評價(jià)為例，檢驗(yàn)本文提出的注漿效果評價(jià)方法的可行性。

3.1 評價(jià)技術(shù)路線

將前文所述的注漿效果評價(jià)方法以流程圖表示，如圖3所示。本文依托案例的注漿效果評價(jià)分為兩方面：①基礎(chǔ)強(qiáng)度的提高；②基礎(chǔ)均勻性的改善。

圖3 試驗(yàn)段注漿工程效果評價(jià)流程Fig.3 Evaluation procedure of grouting quality of test section

3.2 注漿效果評價(jià)

注漿前實(shí)測彎沉數(shù)據(jù)如表6所示。測試時(shí)的路表溫度為14.6℃，瀝青加鋪層厚度為25 cm，根據(jù)式（1）可推算瀝青加鋪層內(nèi)部的平均溫度T=16.5℃。根據(jù)式（2）可推算瀝青各個(gè)加鋪層材料模量隨溫度的變化情況，如表7所示。

表6 試驗(yàn)段注漿前FWD彎沉實(shí)測數(shù)據(jù)Tab.6 FWD deflectionmeasurementdataoftestsectionbeforegrouting

表7 瀝青加鋪層材料模量隨溫度的修正Tab.7 Modulus of asphalt overlay corrected with temperature

采用彎沉響應(yīng)理論分析模型分別計(jì)算20℃和16.5℃條件下的道面結(jié)構(gòu)在140 kN（承載板的直徑為30 cm）靜載作用下的理論彎沉值，得到溫度修正系數(shù)δT=/=0.8522。將表6中的實(shí)測彎沉值分別進(jìn)行荷載和溫度修正，得到修正后的標(biāo)準(zhǔn)彎沉值，如表8所示。

注漿后，分別在工程完工14天和90天進(jìn)行了原位FWD彎沉測試，測試時(shí)路表溫度分別為10.8℃和2.1℃。根據(jù)上述方法分別計(jì)算得到10.8℃和2.1℃的溫度修正系數(shù)為0.8133和0.7627（理論模型中的基層頂面反應(yīng)模量K=60 kN/m3），對實(shí)測彎沉數(shù)據(jù)進(jìn)行荷載和溫度修正，修正前后的彎沉數(shù)據(jù)如表8所示。

由表8中可以得出，14天的彎沉值的合格率為72%，90天彎沉值的合格率為91%，高于設(shè)計(jì)提出的達(dá)標(biāo)率為不低于80%的要求。注漿前后的修正彎沉數(shù)據(jù)對比如圖4所示，圖中縱坐標(biāo)為各測點(diǎn)彎沉值，包括注漿前、注漿后14天和注漿后90天3種工況，橫坐標(biāo)為各測點(diǎn)編號，為了對比明顯，將彎沉值由小到大進(jìn)行了排序。從圖4中可以看出，注漿后道面彎沉值減小趨勢明顯，且時(shí)間越長，效果越顯著。

表8 注漿后實(shí)測彎沉和修正彎沉Tab.8 Measured deflection and revisions deflection after grouting

圖4 注漿前后彎沉數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of deflection data before and after grouting

4 結(jié)語

1）基于理論分析和有限元數(shù)值模擬，提出了機(jī)場復(fù)合道面實(shí)測彎沉數(shù)據(jù)的荷載修正和溫度修正方法。

2）提出了機(jī)場復(fù)合道面注漿工程效果評價(jià)方法，并以依托工程為案例，詳細(xì)給出了實(shí)測彎沉數(shù)據(jù)修正及注漿效果評價(jià)過程。

3）本文提出的復(fù)合道面注漿效果評價(jià)方法在依托工程中得到應(yīng)用。工程驗(yàn)證表明，該方法可比較準(zhǔn)確地評價(jià)復(fù)雜條件下的道面注漿效果，可為其他類似工程提供借鑒和參考。

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