機(jī)場水泥道面動態(tài)彎沉的溫度影響分析

劉海倫 ，李 萌 ，杜 浩

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.上海機(jī)場（集團(tuán)）虹橋國際機(jī)場公司，上海 200335；3.上海同科交通科技有限公司，上海 200092）

目前，落錘式彎沉儀（FWD）在機(jī)場道面評價中應(yīng)用廣泛。然而，受熱脹冷縮影響，水泥道面板會發(fā)生一定翹曲變形，由此導(dǎo)致的實測動態(tài)彎沉差異為機(jī)場水泥道面的結(jié)構(gòu)性能評價帶來極大不便。

受測試手段及條件限制，目前國內(nèi)外在溫度對水泥道面彎沉直接影響方面的研究并不多，而較多地集中在溫度與影響彎沉有關(guān)因素之間的間接研究，如溫度應(yīng)力[1-4]、溫度翹曲變形[5]、接縫[6-8]及其他[9-10]。針對機(jī)場水泥道面彎沉受溫度影響的實測數(shù)據(jù)尤為匱乏。

因此，通過分析華東區(qū)域兩個機(jī)場24 h現(xiàn)場連續(xù)實測數(shù)據(jù)，探究溫度影響下機(jī)場水泥混凝土道面實測彎沉的變化規(guī)律，以期為進(jìn)一步的有關(guān)研究提供借鑒。

1 試驗方案

1）試驗設(shè)備 現(xiàn)場測試設(shè)備采用Carbrol HWD，荷載盤直徑為30 cm，測試荷載級位設(shè)為140 kN，共布設(shè)8個傳感器。傳感器間距布置如表1所示。

2）測試方案 在華東地區(qū)兩個機(jī)場機(jī)坪區(qū)域各選取1塊水泥混凝土道面板（分別命名為1#板、2#板）對板邊、板中、板角進(jìn)行測試，同時記錄測試時刻路表溫度，其中，板邊、板中、板角測試位置如圖1所示。測試方案如表2所示。

表1 傳感器布設(shè)方案Tab.1 Sensor layout plan

圖1 測點位置布設(shè)情況Fig.1 Measuring point location

表2 機(jī)坪內(nèi)道面彎沉測試方案Tab.2 Test scheme of apron pavement deflection

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 彎沉變化規(guī)律

1）板中彎沉

圖2可知：兩塊測試板24 h內(nèi)路表溫度變化明顯（1#板20～49℃，2#板17.3～28℃）；相較而言二者板中彎沉總體變化不大，以荷載中心彎沉D1為例，1#板76～83 μm，2# 板 59～68 μm。

表3所示，1#板和2#板板中彎沉值標(biāo)準(zhǔn)差均很小，變異系數(shù)均在5%以內(nèi)，在實際測試應(yīng)用中這種程度的變化波動基本可忽略不計。因此，板中彎沉值基本不受日周期溫度變化的影響。

2）板邊彎沉

從圖3中可知，1#板、2#板板邊彎沉均與路表溫度變化呈負(fù)相關(guān)，即板邊彎沉隨溫度升高而減小、隨溫度降低而增大。各測點處D2彎沉值比D1略大，是由于D2更靠近板邊，受荷時撓度更大。板邊彎沉在午后 12：00～17：00 間達(dá)到最小，在午夜 01：00～05：00 間達(dá)到最大。

圖2 板中實測彎沉變化趨勢Fig.2 Interior deflection test trend

表3 板中彎沉標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)Tab.3 Standard deviation and variation coefficient of slab interior deflection

圖3 板邊實測彎沉變化趨勢Fig.3 Edge deflection test trend

表4 板邊彎沉標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)Tab.4 Standard deviation and variation coefficient of slab edge deflection

由表4計算結(jié)果可知：各傳感器測試結(jié)果離散程度與彎沉值大小呈正相關(guān)系，即彎沉值越大，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)越大，相應(yīng)地受溫度影響越明顯；不考慮D1、D2情況下，可認(rèn)為距荷載中心越遠(yuǎn)，彎沉測試結(jié)果受溫度影響越小。

3）板角彎沉

圖4列出板角彎沉24 h測試結(jié)果與路表溫度的變化趨勢，可知板角與板邊彎沉變化趨勢類似，即路表溫度越高，板角彎沉值越小。

圖4 板角實測彎沉變化趨勢Fig.4 Corner deflection test trend

從表5各傳感器測試結(jié)果變化程度可知，距荷載中心越遠(yuǎn)，彎沉變化越小，即受溫度影響越小。這與板邊彎沉變化規(guī)律也比較類似。

2.2 接縫傳荷能力變化規(guī)律

在道面結(jié)構(gòu)性能評價中，接縫傳荷能力一般以彎沉比傳遞系數(shù)表征。彎沉比傳遞系數(shù)以“未受荷板彎沉/受荷板彎沉”表示。圖5為1#、2#測試板板邊接縫傳荷能力隨測試溫度的變化情況。

表5 板角彎沉標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)Tab.5 Standard deviation and variation coefficient of slab corner deflection

圖5 道面板接縫傳荷能力變化趨勢Fig.5 Joint load transfer efficiency trend

從圖5可知：1#板接縫傳荷能力變化趨勢與路表溫度變化較為一致，溫度高時接縫傳荷能力相對較高，溫度降低時接縫傳荷能力下降；2#板接縫傳荷能力則與溫度變化無明顯相關(guān)性。分析認(rèn)為這與二者接縫類型有關(guān)（1#板測試板邊為假縫，2#板則為企口縫）；依靠集料嵌鎖傳遞荷載的道面假縫隨溫度變化張開或閉合，道面板接縫傳荷能力隨之減小或增大；企口縫由于板邊設(shè)置了企口，受溫度影響較小，因而接縫傳荷能力相對穩(wěn)定。

2.3 脫空評價值變化規(guī)律

在機(jī)場水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)性能評價中，板底脫空評價是一項重要內(nèi)容。中國民用機(jī)場道面現(xiàn)行評價規(guī)范[11]中通過測試同一塊板板邊、板中和板角彎沉（荷載中心D1），并以“板邊彎沉值/板中彎沉值”和“板角彎沉值/板中彎沉值”來評價道面板的板底脫空情況。

圖6和圖7分別表示板邊和板角的脫空評價值隨路表溫度變化情況。

圖6 道面“板邊/板中”值變化趨勢Fig.6 Trend of‘slab edge/slab interior’values

圖7 道面“板角/板中”值變化趨勢Fig.7 Trend of‘slab corner/slab interior’values

從圖6和圖7可知，隨著日周期的溫度變化，板邊及板角脫空判定值均呈現(xiàn)明顯波動。與板邊角彎沉變化規(guī)律類似，脫空判定值隨路表溫度升高而降低，隨路表溫度降低而增大，二者波動曲線也表現(xiàn)為類軸對稱。從前述板中、板邊及板角彎沉變化情況來看，造成這一情況的原因是板邊角彎沉值受溫度的影響大于板中彎沉。

按照評價規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)“板邊/板中＞2.0”或“板角/板中＞3.0”時即可判定為板底脫空。表6統(tǒng)計結(jié)果顯示，本次測試脫空判定值24 h測試結(jié)果的變異系數(shù)均達(dá)到10%以上，其中1#板板邊脫空判定值變異系數(shù)達(dá)到18.93%，判定值浮動范圍在1.26～2.25之間，即不同時刻測試將會得到截然不同的兩種判定結(jié)果。

表6 脫空判定值變化統(tǒng)計結(jié)果Tab.6 Void judgment values

可見，當(dāng)?shù)烂姘暹吔敲摽张卸ㄖ翟谂R界值附近時，極易因測試時機(jī)的不同而導(dǎo)致測試結(jié)果不同。從機(jī)場實際運行角度來看，道面測試應(yīng)反映最不利的情況，因此，測試時機(jī)應(yīng)盡量選擇在溫度較低的下半夜00：00～06：00之間（即道面板發(fā)生邊角翹曲時）。若存在跟蹤測試需求，則應(yīng)盡量選擇同一時刻測試。

3 結(jié)語

通過連續(xù)24 h測試機(jī)場水泥道面彎沉值，主要得到以下結(jié)論：

1）道面板中彎沉值穩(wěn)定，變異系數(shù)在5%以內(nèi)，受路表溫度變化影響不大；

2）板邊彎沉值隨路表溫度升高而減小，隨路表溫度降低而增大，二者變化曲線表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。距荷載中心越遠(yuǎn)，彎沉測試結(jié)果受溫度影響越小。板角彎沉值變化規(guī)律與板邊彎沉類似；

3）路表溫度變化對接縫傳荷能力有一定影響。接縫類型為假縫時，接縫傳荷能力與溫度變化規(guī)律一致，接縫類型為企口縫時，接縫傳荷能力則基本不受路表溫度影響；

4）以中國民航現(xiàn)行評價標(biāo)準(zhǔn)計算，道面板底脫空判定值隨路表溫度升高而減小，隨路表溫度降低而增大，不同時刻測試可能得到不同評價結(jié)果，測試時機(jī)建議選擇下半夜道面邊角發(fā)生翹曲時，跟蹤測試應(yīng)盡量選擇同一時段。