機(jī)場瀝青跑道加鋪改造現(xiàn)場足尺試驗(yàn)分析

王甫來，朱立國

（1.青島國際機(jī)場集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000；2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京市102600）

0 引言

機(jī)場復(fù)合道面主要是在既有或新建水泥混凝土道面上鋪筑瀝青層所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在既有水泥道面上加鋪高性能瀝青層可有效改善其結(jié)構(gòu)性能和表面功能，并可在不停航條件下施工，已成為機(jī)場跑道加鋪改造的主流形式。隨著既有水泥道面的損壞與退化，我國已對40多個(gè)機(jī)場的水泥道面實(shí)施了跑道加鋪工程，以獲取良好的道面使用性能。然而，一部分復(fù)合道面在未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)就已經(jīng)損壞。機(jī)場復(fù)合道面的損壞包括Top-down的剪切開裂、Bottom-up的反射裂縫開裂、滑移斷裂、較大的輪轍波浪等。例如上海虹橋機(jī)場，在2008年實(shí)施加鋪瀝青層后僅使用2年，就因道面損壞而不得不再次實(shí)施瀝青層的加鋪改造。復(fù)合道面早期損壞的出現(xiàn)，會加速道面結(jié)構(gòu)性能衰退，縮減道面的使用壽命。

因此，研究道面損壞的產(chǎn)生及破壞規(guī)律，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行預(yù)防，對于延長道面的服務(wù)年限有重要意義。本文依托成都雙流國際機(jī)場西跑道瀝青加鋪改造工程，完成了機(jī)場瀝青加鋪層現(xiàn)場足尺試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及施工，通過獲取瀝青層在荷載作用下的應(yīng)變響應(yīng)，為上述道面損壞的相關(guān)研究工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 現(xiàn)場足尺試驗(yàn)段修建

Fred Hugo院士認(rèn)為，雖然現(xiàn)場足尺試驗(yàn)投入高、耗時(shí)長，但是其與道面結(jié)構(gòu)的實(shí)際條件相近，所獲得的知識可靠性高[1]。事實(shí)上，足尺試驗(yàn)是進(jìn)行道面理論和設(shè)計(jì)方法研究不可或缺的部分，在全世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，并取得了大量研究成果。1909年美國底特律市修建了第一條足尺試驗(yàn)路。1919年～1930年，美國在Aelington開展環(huán)道足尺試驗(yàn)，并由此提出了混凝土道面設(shè)計(jì)方法。在隨后的幾十年里，美國、英國、荷蘭、墨西哥、加拿大、法國、瑞士、日本等國家均開展了足尺試驗(yàn)，其試驗(yàn)成果有力地推動了道面設(shè)計(jì)理論的發(fā)展[2-4]。我國在20世紀(jì)80年代引入足尺加速加載設(shè)備，并開展了一系列足尺試驗(yàn)研究[5]。

1.1 足尺試驗(yàn)的道面結(jié)構(gòu)

本文依托成都雙流國際機(jī)場西跑道瀝青加鋪改造工程來修建足尺試驗(yàn)的道面。該機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)等級為4E，西跑道尺寸為3 600 m×45 m，南段為主降方向。西跑道曾經(jīng)過多次加鋪改造，導(dǎo)致現(xiàn)狀道面結(jié)構(gòu)復(fù)雜。以南段為起點(diǎn)，既有的跑道道面結(jié)構(gòu)分別為：

（1）0～600m和3400～3 600 m：38cm水泥混凝土板+2 cm石屑找平層+18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm砂礫石基層。

（2）600～700m和3300～3400m：25cm 新水泥混凝土加鋪板+31 cm原水泥混凝土板+2 cm石屑找平層+20 cm砂礫石基層。

（3）700～3 300 m：25 cm 新水泥混凝土加鋪板+21 cm原水泥混凝土加鋪板+27 cm原水泥混凝土板(邊緣減薄至21 cm)+20 cm砂礫石基層。

綜合考慮傳感器尺寸、測量精度、數(shù)據(jù)傳輸及耐高溫性等多種因素，選用光纖光柵（BA-OFS215）瀝青應(yīng)變計(jì)測量瀝青層底應(yīng)變，選用光纖光柵（BA-OFT10）溫度傳感器進(jìn)行溫度修正。

1.2 試驗(yàn)段施工

試驗(yàn)段平面位置見圖1。

圖1 試驗(yàn)段平面位置

試驗(yàn)段施工過程包括傳感器定位、道面拉毛、線槽開挖、傳感器埋設(shè)以及施工期間的實(shí)時(shí)監(jiān)測等環(huán)節(jié)。根據(jù)跑道標(biāo)志線以及飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)的偏移規(guī)律，選定如圖2所示的3塊水泥混凝土板塊進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。將20個(gè)光纖光柵瀝青應(yīng)變計(jì)分別布設(shè)在3塊水泥混凝土板的板邊、板中、板角等位置，2個(gè)溫度傳感器隨機(jī)埋設(shè)，傳感器位置用記號筆標(biāo)記，如圖2所示。道面拉毛處理以增強(qiáng)層間的黏結(jié)力；開挖線槽以保護(hù)光纖免被施工機(jī)械及高溫破壞。

圖2 傳感器布設(shè)方案

傳感器埋設(shè)時(shí)（見圖3），以熱拌瀝青混合料AC-10包覆并固定傳感器，再在傳感器底鋪設(shè)一層混合料、夯實(shí)；放置傳感器后再鋪設(shè)一層混合料，使傳感器包覆其中，再次夯實(shí)。在置入線纜的縫上方鋪設(shè)少量混合料，防止線路脫出。完成后，等待混合料自然冷卻至常溫。操作過程應(yīng)迅速熟練，防止因混合料較快冷凝而難以夯實(shí)。

圖3 傳感器埋設(shè)

攤鋪施工過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器存活狀態(tài)。待施工結(jié)束后，安排車輛測試，檢測傳感器的工作狀況。經(jīng)測試，本次試驗(yàn)工作狀態(tài)正常的瀝青應(yīng)變計(jì)有12個(gè)，溫度傳感器2個(gè)，傳感器存活率約64%。

2 數(shù)據(jù)獲取與分析

2.1 傳感器數(shù)據(jù)

分別提取板中、板角、橫縫板邊中部及縱縫板邊中部處瀝青應(yīng)變計(jì)在某一時(shí)刻的實(shí)測數(shù)據(jù)，得到瀝青層底應(yīng)變實(shí)測值，如圖4所示。飛機(jī)荷載的整個(gè)作用過程中，瀝青層底應(yīng)變表現(xiàn)為拉壓交替變換：荷載接近時(shí)，瀝青層底呈現(xiàn)拉應(yīng)變，幅值小；荷載作用在瀝青層正上方時(shí)，瀝青層底應(yīng)變迅速由拉變?yōu)閴?，量值較大；荷載離開后，層底壓應(yīng)變恢復(fù)并出現(xiàn)較小的拉應(yīng)變，隨后慢慢恢復(fù)為零。通過對比圖 4（a）～（d）可知，對于復(fù)合道面，由于既有水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)不連續(xù)，當(dāng)飛機(jī)在瀝青加鋪層上行駛時(shí)，瀝青層底的應(yīng)變響應(yīng)在平面分布上存有差異。板中和橫縫板邊中部均位于輪跡正下方，但橫縫板邊中部的應(yīng)變峰值約為板中的7倍。

2.2 有限元模型

假設(shè)飛機(jī)經(jīng)過試驗(yàn)斷面時(shí)為勻速運(yùn)動，建立道面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，研究瀝青加鋪層層底的應(yīng)變響應(yīng)量。通過與傳感器數(shù)據(jù)對比，評估現(xiàn)場足尺試驗(yàn)方案的效果。成都雙流國際機(jī)場起降機(jī)型中C類飛機(jī)約占90%，本文的有限元分析中，采用A320作為代表機(jī)型，其荷載模型基本參數(shù)見表1。

圖4 瀝青層底應(yīng)變實(shí)測值

表1 A320荷載模型參數(shù)

采用ABAQUS建立15 m×15 m的三維有限元模型，假設(shè)層間完全粘結(jié)[6]，各結(jié)構(gòu)層為彈性體，模型參數(shù)選取如表2所示。

表2 有限元模型主要計(jì)算參數(shù)[7]

模型中土基底部采用完全約束、側(cè)面約束法向位移，最終三維有限元模型如圖5所示。

圖5 道面結(jié)構(gòu)三維有限元模型

2.3 結(jié)果分析

假定飛機(jī)的速度為15 km/h，則通過模型所需的時(shí)間為3.6 s。提取中心板塊的板中、板角、橫縫板中及縱縫板中等4個(gè)位置處的瀝青層底應(yīng)變，其瀝青層底應(yīng)變有限元計(jì)算結(jié)果如圖6所示。對比圖4和圖6可以看出，有限元計(jì)算值和實(shí)測值之間數(shù)量級和變化規(guī)律吻合較好。但是有限元計(jì)算結(jié)果中圖 6（a）與圖 6（c）、圖 6（c）與圖 6（d）之間的差值較實(shí)測值小。這可能是有限元模型中模型材料選用了線彈性模型，與實(shí)際情況有偏差所致。

傳感器實(shí)測值和有限元分析結(jié)果均表明，水泥混凝土板的不連續(xù)導(dǎo)致瀝青加鋪層出現(xiàn)應(yīng)力集中，在加鋪層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)加以考慮，以免出現(xiàn)反射裂縫的早期損壞，影響道面結(jié)構(gòu)的使用壽命。在瀝青層加鋪改造前應(yīng)評估既有水泥混凝土道面板底脫空情況和接縫傳荷能力，必要時(shí)采取一定的措施加以修復(fù)。

圖6 瀝青層底應(yīng)變有限元計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

采用光纖光柵瀝青應(yīng)變計(jì)可有效獲取機(jī)場復(fù)合道面層底拉應(yīng)變。瀝青應(yīng)變計(jì)在攤鋪施工中存活率不高，有必要進(jìn)行雙備份埋設(shè)；同時(shí)瀝青層底的有限元計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好，研究中可以采用有限元計(jì)算復(fù)合道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但應(yīng)進(jìn)行模型標(biāo)定。既有水泥混凝土道面的接縫會導(dǎo)致加鋪瀝青層的應(yīng)力集中，邊、角處結(jié)構(gòu)較薄弱，應(yīng)予以重視。