中國機場水泥混凝土道面脫空狀況分析與評價

滕力鵬，譚 悅，柴震林

（1.民航華東地區(qū)工程質(zhì)量監(jiān)督站，上海 200092；2.上海機場（集團）有限公司虹橋國際機場公司，上海 200335；3.上海機場（集團）有限公司建設(shè)開發(fā)公司，上海 201207）

截止到2010年底，中國民用機場（含軍民合用機場，不包括港、澳、臺地區(qū)）已達(dá)175個。由于水泥混凝土道面具有使用年限長、設(shè)計方法和施工工藝成熟、取材方便等優(yōu)點，在中國機場占絕對主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計，中國現(xiàn)有機場87%的道面類型為水泥混凝土道面[1]。

通常機場水泥混凝土道面的設(shè)計使用壽命為30年[2]，但根據(jù)中國機場道面使用經(jīng)驗表明，大多數(shù)水泥混凝土道面往往在使用15～20年后道面就會出現(xiàn)大量結(jié)構(gòu)性損壞，如角隅斷裂、橫縱向裂縫和破碎板等[3-7]，導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)承載能力和使用性能下降，需要進行大修改造。道面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞的成因有很多，除了航空交通量增長過快、飛機荷載重等因素外，還有一個重要原因是道面板底存在脫空，導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)承載能力下降。

脫空是機場水泥混凝土道面和公路水泥混凝土路面的一種常見病害。在脫空病害發(fā)展早期，主要體現(xiàn)為基層對面層的支撐強度下降，即基層頂面反應(yīng)模量下降。而在脫空嚴(yán)重時，基層與面層之間會出現(xiàn)脫離，使面層局部失去基層的支撐，面層板塊處于類似懸臂梁的受力模式，如圖1所示[8-9]，導(dǎo)致面層荷載應(yīng)力急劇增加，增大道面板塊出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞的幾率。而脫空病害一旦產(chǎn)生只會進一步惡化，是一個不可逆的過程，只能通過一定的處治措施消除或延緩病害的發(fā)展。

圖1 道面板脫空狀態(tài)受力模式Fig.1 Stress pattern of pavement in void state

由于機場采取封閉式管理，很難對機場道面進行測試與評價，因此外界很難準(zhǔn)確了解機場道面脫空狀況。本文以同濟大學(xué)機場工程研究中心和北京中企卓創(chuàng)科技發(fā)展有限公司兩大機場檢測與評價單位2002-2011年對中國近60個機場道面的綜合調(diào)查評價報告為基礎(chǔ)，對中國機場水泥混凝土道面板底脫空的整體狀況進行總結(jié)歸納。此外，采取統(tǒng)計學(xué)多因素相關(guān)性分析理論，對機場道面脫空率與道面使用時間之間的相關(guān)性進行分析，以分析道面使用時間與道面脫空率之間的耦合關(guān)系。

1 中國機場剛性道面脫空現(xiàn)狀

通過對中國56個機場道面脫空實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，脫空數(shù)據(jù)及機場相關(guān)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。采用的脫空判定方法為：同時測試道面板塊的板中、板邊和板角3個位置的彎沉值，根據(jù)實測彎沉分別計算“板邊彎沉／板中彎沉”和“板角彎沉／板中彎沉”，根據(jù)彎沉比值大小來判定板邊和板角是否存在脫空，判定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[10]。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，所有機場道面都存在不同程度的脫空現(xiàn)象。

對所有機場脫空率進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，在56個機場當(dāng)中，所有機場道面都存在或多或少的脫空。機場脫空現(xiàn)象比較少（脫空率＜10%）的機場占總數(shù)的5.36%，脫空現(xiàn)象比較普遍（脫空率＞30%）的機場占總數(shù)的69.64%，脫空現(xiàn)象非常普遍（脫空率＞60%）的機場占總數(shù)的28.57%。說明板底脫空病害在中國機場水泥混凝土道面分布非常普遍，且很多機場脫空率很高。

2 道面脫空率與使用時間的關(guān)系

一般認(rèn)為，道面脫空會隨著道面使用時間的增加而增加。以上文中的脫空數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性分析理論分析道面脫空與使用時間的相關(guān)性。

表1 中國機場脫空狀況調(diào)查結(jié)果及機場相關(guān)參數(shù)Tab.1 Void survey results and related parameters of airport pavement in China

表2 水泥混凝土道面板底脫空狀況判定標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Void judgment standard of airport cement concrete pavement

表3 機場道面脫空率分布統(tǒng)計Tab.3 Statistics of airport pavement void ratio

將表1中機場脫空率與道面使用時間的關(guān)系以散點圖形式表示，如圖2所示。

圖2 道面脫空率與使用時間關(guān)系Fig.2 Relationship between pavement void ratio and using time

從圖中可以看出，雖然圖中脫空率與時間關(guān)系的散點有一定的離散性，但整體趨勢仍較為明顯，即隨著道面使用時間的增長，道面脫空率會顯著增加。分別采用對數(shù)函數(shù)、多項式函數(shù)和線性函數(shù)對散點擬合。從圖中趨勢線可以看出，對數(shù)函數(shù)和多項式函數(shù)的相關(guān)性更好，道面在使用前期脫空率增長較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定。

不同機場各自的外在條件并不相同，如機場等級、機場所處地區(qū)的干濕條件、機場地埋位置等均不相同。為了客觀分析道面脫空與使用時間的關(guān)系，本文采用偏相關(guān)分析理論，在分析時可有效排除其他因素的干擾。

偏相關(guān)分析是在分析2個因素之間相關(guān)性時考慮了這2個因素以外的各種作用，或者說在扣除了其他因素的作用大小以后，重新來考察這2個因素間的關(guān)聯(lián)程度。這種方法目的就在于消除其他變量關(guān)聯(lián)性的傳遞效應(yīng)。

偏相關(guān)系數(shù)在計算時首先分別計算3個因素兩兩之間的相關(guān)系數(shù)，通過這3個簡單相關(guān)系數(shù)來計算偏相關(guān)系數(shù)

式中：rij表示i因素與j因素之間的相關(guān)系數(shù)；rij(k)表示在控制k因素的基礎(chǔ)上計算得到了i因素與j因素之間的偏相關(guān)系數(shù)。

式（1）是在控制了第3個因素的影響所計算的第1、第2個因素之間的偏相關(guān)系數(shù)，當(dāng)考慮1個以上的控制因素時的公式類推。

從回歸的角度來解釋，偏相關(guān)系數(shù)就是首先以希望分析的變量為因變量，被控制的變量為自變量分別擬合2個回歸方程，然后將所得的2組殘差進行簡單相關(guān)分析。

采用SPSS統(tǒng)計學(xué)軟件可以方便地進行多因素之間的偏相關(guān)性分析。表4為采用SPSS軟件對道面脫空率與使用時間偏相關(guān)性分析的結(jié)果。其中Pearson Correlation表示2個因素之間的相關(guān)系數(shù)；Sig.（2-tailed）表示相關(guān)系數(shù)的檢驗雙側(cè)的P值，當(dāng)P值越小表示2個因素之間的相關(guān)性越強，小于0.01表示相關(guān)性“非常顯著”，0.01～0.05 表示相關(guān)性“顯著”，大于0.05時表示相關(guān)性不顯著。

表4 脫空率與道面使用時間相關(guān)性分析結(jié)果Tab.4 Results of correlation analysis between void ratio and using time

從表4中分析結(jié)果可以看出，脫空率與道面使用時間之間的相關(guān)系數(shù)為0.721，相關(guān)系數(shù)的檢驗雙側(cè)的P值為0.000，小于0.01，說明脫空率與道面使用時間之間關(guān)系非常顯著。

3 脫空對道面性能的影響

脫空對道面的影響主要體現(xiàn)在使水泥板的荷載應(yīng)力增加，從而降低道面結(jié)構(gòu)承載能力，縮短道面使用壽命。通過采用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬，在考慮相鄰9塊板情況下，分析不同脫空程度條件下脫空對道面荷載應(yīng)力的影響。

以通用有限元軟件ABAQUS 6.6為計算平臺，為充分考慮周邊板塊約束的影響，模型尺寸取相鄰9塊板，單板尺寸為5.0 m×5.0 m×44 cm。水泥板彈性模量為36GPa，泊松比為0.15；基層頂面反應(yīng)模量為130MN/m3；荷載采用B747-400主起落架荷載參數(shù)（如表5所示），脫空位置示意圖如圖3所示，荷載也加載在脫空部位的板角；模型邊界條件為約束邊界水平位移，計算單元采用C3D8I。

表5 B747-400的荷載參數(shù)Tab.5 Load parameters of B747-400

圖3 脫空部位示意圖Fig.3 Schematic diagram of void place

板底脫空通常位于板角和板邊，受橫縱縫交互影響，一般板角脫空尺寸更大。加上板角是板塊受力最不利部位，因此在有限元模擬時，取最不利脫空部位為板角。

公路路面4 m×4 m尺寸的板塊最大脫空范圍為1.5 m×1.5 m[10-11]?？紤]到機場道面板塊尺寸通常為5 m×5 m，因此將機場道面脫空面積假定為2 m×2 m。通過對基層頂面反應(yīng)模量折減來模擬不同程度的脫空[12-14]，折減系數(shù) F 分別為 1.0、0.7、0.5、0.3、0 共 5 種工況。圖4為有限元軟件計算道面板荷載應(yīng)力的結(jié)果云圖。不同工況計算結(jié)果如表6所示。

模型中，相臨板塊間的接縫傳荷能力分別取好、差兩種工況，對應(yīng)的接縫傳荷系數(shù)分別為90%和15%[15]。

從計算結(jié)果可以看出，脫空對道面的影響隨著脫空程度的增大而迅速增加。在接縫傳荷能力為“好”時，板內(nèi)最大彎拉應(yīng)力增加27.57%，在接縫傳荷能力為“差”時，板內(nèi)最大彎拉應(yīng)力增加68.46%。飛機荷載雖不致于直接將板塊壓斷，但也會大大降低板塊的使用壽命，增大出現(xiàn)斷板、裂縫的可能性。

圖4 有限元計算荷載應(yīng)力云圖Fig.4 Load stress nephogram of finite element

表6 脫空對道面荷載應(yīng)力的影響分析Tab.6 Influence of voids on pavement load stress

4 結(jié)語

中國機場水泥混凝土道面普遍存在脫空現(xiàn)象，且相當(dāng)一部分機場脫空情況比較嚴(yán)重。在有脫空測試數(shù)據(jù)的56個機場當(dāng)中，所有機場道面都存在脫空。脫空現(xiàn)象輕微（脫空率＜10%）的機場占總數(shù)的5.36%，脫空現(xiàn)象比較普遍（脫空率＞30%）的機場占總數(shù)的69.64%，脫空現(xiàn)象非常嚴(yán)重（脫空率＞60%）的機場占總數(shù)的28.57%。

采用統(tǒng)計學(xué)偏相關(guān)分析理論，分析了在控制其他影響因素前提下的脫空率與道面使用時間的相關(guān)性。分析結(jié)果采用Pearson相關(guān)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)的檢驗雙側(cè)的P值來表征，分析結(jié)果表明：脫空率與道面使用時間之間的相關(guān)系數(shù)的檢驗雙側(cè)的P值為0，說明脫空率與道面使用時間之間相關(guān)性非常顯著，相關(guān)系數(shù)為0.721。

脫空會顯著增加道面荷載應(yīng)力，在不利情況時，最大增幅近70%，會顯著降低道面結(jié)構(gòu)承載能力，縮短道面使用壽命，增大道面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害的幾率。

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