基于適航要求的水泥混凝土道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

李 柯， 邵 斌， 何小科， 陳奇奇

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院,陜西 西安 710038；2.中國(guó)人民解放軍91867部隊(duì)， 浙江 金華 322000；3.中國(guó)人民解放軍91727部隊(duì)，浙江 寧波 315020)

近年來，運(yùn)輸機(jī)奔赴國(guó)內(nèi)外陌生機(jī)場(chǎng)執(zhí)行各種軍事行動(dòng)，如參與搶險(xiǎn)救災(zāi)、戰(zhàn)略投送等。對(duì)于機(jī)場(chǎng)而言，道面是最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)滿足機(jī)型的使用需要，即道面應(yīng)具有適航性。道面適航性需要通過一定的技術(shù)手段評(píng)價(jià)，構(gòu)建科學(xué)合理可行的基于適航要求的機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面(以下簡(jiǎn)稱“水泥道面”)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)道面適航性的前提和基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)機(jī)場(chǎng)道面性能、公路路面性能等方面做了大量的研究，取得豐富的成果。美國(guó)長(zhǎng)期以來致力于機(jī)場(chǎng)道面管理評(píng)價(jià)研究。1970年，美國(guó)陸軍建筑工程研究所經(jīng)過數(shù)年調(diào)查研究，提出了道面狀況指數(shù)(PCI)作為道面損壞狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并給出一整套調(diào)查、計(jì)算、分析和評(píng)價(jià)的方法，相關(guān)研究成果已被世界上許多國(guó)家和機(jī)構(gòu)采納[1]。美國(guó)國(guó)防部更新了《運(yùn)行和維護(hù)手冊(cè)：道面損壞狀況調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》[2]，美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)以咨詢通告的形式發(fā)布了多個(gè)技術(shù)文件，主要有：《機(jī)場(chǎng)道面強(qiáng)度報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)方法—PCN》[3]《機(jī)場(chǎng)道面無損檢測(cè)評(píng)估技術(shù)》[4]《機(jī)場(chǎng)道面平整度測(cè)量的準(zhǔn)則和程序》[5]《機(jī)場(chǎng)道面抗滑測(cè)量、施工和維護(hù)》[6]。

我國(guó)道面管理評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，上世紀(jì)末從國(guó)外引入，借鑒ICAO、FAA的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，經(jīng)過20 a左右的發(fā)展，逐步形成了比較完整的管理評(píng)價(jià)規(guī)范，主要包括：軍用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面評(píng)價(jià)體系[7-8]、《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》[1]《民用機(jī)場(chǎng)道面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》[9]等成果，用于指導(dǎo)道面管理評(píng)價(jià)工作。

2012年，張羅利[10]從道面性能指標(biāo)檢測(cè)、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、維護(hù)決策等方面全面分析了軍用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)體系。2016年，袁捷等[11]以機(jī)場(chǎng)管理系統(tǒng)為平臺(tái)，提出了中國(guó)機(jī)場(chǎng)道面管理系統(tǒng)分析優(yōu)化理論模型，涵蓋了道面性能評(píng)價(jià)、性能預(yù)估模型及維護(hù)決策模型。2017年，凌建明等[12]采用MATLAB/Simulink仿真，綜合評(píng)價(jià)國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)對(duì)于機(jī)場(chǎng)道面平整度評(píng)價(jià)的適用性。2019年，凌建明等[13]分析了PCI的計(jì)算方法，建議取消現(xiàn)場(chǎng)道面“單元”劃分，在道面“區(qū)塊”的基礎(chǔ)上計(jì)算道面PCI，按照面積大小加權(quán)平均計(jì)算道面“部位”PCI。2020年，凌建明等[14]基于世界范圍內(nèi)機(jī)場(chǎng)道面的平整度數(shù)據(jù)，分析了IRI與三米直尺最大間隙平均值(S)的相關(guān)性。

大多數(shù)學(xué)者研究主要集中在道面性能方面，但機(jī)型的針對(duì)性考慮較少，道面性能的影響因素多、評(píng)價(jià)指標(biāo)多。因此，基于適航要求的水泥道面性能適航評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究，應(yīng)在分析現(xiàn)行軍民用機(jī)場(chǎng)水泥道面評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，滿足快速準(zhǔn)確要求，考慮機(jī)型特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)性能、功能性能等方面遴選評(píng)價(jià)指標(biāo)，立足現(xiàn)有調(diào)查測(cè)試儀器、評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建科學(xué)合理可行的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1 現(xiàn)行水泥道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

現(xiàn)行的水泥道面評(píng)價(jià)體系，可分為軍用標(biāo)準(zhǔn)和民用規(guī)范。軍用標(biāo)準(zhǔn)，從外觀質(zhì)量、平整度、防滑性能和承載強(qiáng)度等四個(gè)方面評(píng)價(jià)道面性能；民用規(guī)范，從道面損壞狀況、道面結(jié)構(gòu)性能、道面功能性能(含抗滑性能、平整度、排水性能)評(píng)價(jià)道面性能，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 現(xiàn)行水泥道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 基于適航要求的水泥道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系初建

道面性能評(píng)價(jià)一般包括損壞狀況調(diào)查與評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)性能和功能性能(平整度、抗滑性能等)測(cè)試與評(píng)價(jià)。通過對(duì)比分析，軍民用機(jī)場(chǎng)水泥道面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系在各自行業(yè)發(fā)揮重要的作用，從評(píng)價(jià)內(nèi)容上看，兩者基本一致，但具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)有所不同。綜合水泥道面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了基于適航要求的水泥道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系初步框架，如圖1所示。

圖1 基于適航要求的水泥道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系初步框架

3 水泥道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)多，測(cè)試手段多，計(jì)算方法不盡相同，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)和適用范圍也有所不同。在軍用飛機(jī)使用機(jī)場(chǎng)道面的背景下，需要選擇更合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)及相應(yīng)的測(cè)試手段或計(jì)算方法，滿足準(zhǔn)確、快速評(píng)價(jià)道面適航性的要求。

基于適航的道面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)的工作，指標(biāo)的遴選是構(gòu)建指標(biāo)體系的關(guān)鍵，指標(biāo)應(yīng)當(dāng)滿足科學(xué)性與可行性、系統(tǒng)性與層次性、全面性與代表性、獨(dú)立性與相關(guān)性、導(dǎo)向性與前瞻性、定量與定性、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的統(tǒng)一等原則，不能隨意選取[15]。也就是說，基于適航的道面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，既要針對(duì)機(jī)型、滿足適航需要，科學(xué)合理、層次清晰，快速高效、準(zhǔn)確可行，同時(shí)指標(biāo)也不能冗余繁雜。下面，從調(diào)查測(cè)試手段、計(jì)算原理、適用性、優(yōu)缺點(diǎn)等方面具體分析道面性能各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 道面損壞狀況

在機(jī)輪荷載和外界環(huán)境的作用下，隨著使用時(shí)間的推移，道面會(huì)逐漸出現(xiàn)填縫料損壞、板底脫空、板塊斷裂、補(bǔ)丁補(bǔ)塊等各種病害，道面性能逐漸降低，通常采用道面損壞狀況來表征。道面損壞狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)有PCI、SCI、L，經(jīng)過調(diào)查、識(shí)別、統(tǒng)計(jì)道面病害，計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值。一般情況下，采用人工目視的方式，進(jìn)行全面調(diào)查。軍用標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)查10種損病害類型，民用規(guī)范要求調(diào)查15種損壞病害類型，兩者均涵蓋了裂縫類、接縫類、豎向類、表層類、修補(bǔ)類等五大類損壞類型，僅個(gè)別病害類型有所差異。從病害類型、調(diào)查分區(qū)、計(jì)算方法、指標(biāo)分級(jí)及差異、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)比分析了評(píng)價(jià)道面損壞狀況的3個(gè)指標(biāo)PCI、SCI、L，總結(jié)如表2所示。

表2 道面損壞狀況調(diào)查與評(píng)價(jià)

由表2可知，PCI、SCI、L均可評(píng)價(jià)道面整體的損壞狀況，SCI主要反映道面的結(jié)構(gòu)損壞狀況；PCI、L反映道面整體的損壞狀況，與道面結(jié)構(gòu)性能、功能性能均有一定的相關(guān)性。與L相比，PCI要求對(duì)道面病害鑒別更細(xì)致，對(duì)道面狀況的描述更準(zhǔn)確，也更貼合道面性能實(shí)際。因此，可以利用PCI評(píng)價(jià)道面的損壞狀況。

3.2 道面結(jié)構(gòu)性能

道面結(jié)構(gòu)性能，是道面承受機(jī)輪荷載和抵抗溫度作用的能力，是道面最重要的性能[1,16]。道面承載能力反映道面結(jié)構(gòu)的整體性能和綜合性能，能夠表征機(jī)型對(duì)道面強(qiáng)度的要求，選擇道面承載能力作為道面結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)內(nèi)容。評(píng)價(jià)道面承載能力的方法主要有兩種：一種是ACN-PCN評(píng)價(jià)法，評(píng)價(jià)指標(biāo)為PCN值；另一種是道面設(shè)計(jì)厚度復(fù)核法，評(píng)價(jià)指標(biāo)為道面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性厚度(he)。從評(píng)價(jià)方法、計(jì)算模型及參數(shù)、主要特點(diǎn)、測(cè)試方法、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)比分析了兩種評(píng)價(jià)方法的各自特點(diǎn)，總結(jié)如表3所示。

由表3可知，道面測(cè)試是承載能力評(píng)價(jià)的前提，道面承載能力測(cè)試內(nèi)容較多，其中彎沉測(cè)試最為復(fù)雜繁瑣。以落錘式彎沉儀(FWD)和重錘式彎沉儀(HWD)為代表的彎沉測(cè)試，通過道面的荷載響應(yīng)準(zhǔn)確反映道面的基礎(chǔ)情況和道面面層的材料性能，是世界上各個(gè)國(guó)家最主要的道面結(jié)構(gòu)測(cè)試方法，具有原位測(cè)試、速度快、不破壞道面結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效的道面無損檢測(cè)方式，測(cè)試時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用。

通過對(duì)比分析可知，ACN-PCN評(píng)價(jià)法是國(guó)際通用的道面承載能力評(píng)價(jià)方法，能夠反映道面結(jié)構(gòu)的整體性能，側(cè)重于機(jī)型的適應(yīng)性分析；而道面設(shè)計(jì)厚度復(fù)核法按照設(shè)計(jì)的流程計(jì)算一定交通量所需的道面厚度，側(cè)重于航空交通量的適應(yīng)性分析，因此采取PCN值評(píng)價(jià)道面承載能力。

表3 道面承載能力評(píng)價(jià)方法

3.3 道面功能性能

道面功能性能包含3個(gè)方面的內(nèi)容，主要是指平整度、抗滑性能、排水性能。

3.3.1 平整度

平整度是表征道面表面特性的重要指標(biāo)，也是道面一項(xiàng)重要的功能性能。道面平整度，是指道面表面相對(duì)于理想平面的偏差，對(duì)飛機(jī)滑跑的動(dòng)力性能、行駛質(zhì)量和道面承受動(dòng)力荷載的數(shù)值特征起著決定性作用[5,15]。道面的不平整給飛行任務(wù)帶來潛在的不安全因素，加速飛機(jī)機(jī)械性能的衰減和道面的損壞。但機(jī)場(chǎng)道面不可能是理想的平面，一是由于施工的允許偏差，道面產(chǎn)生固有的不平整；二是受機(jī)輪荷載和環(huán)境因素的長(zhǎng)期反復(fù)作用，道面會(huì)產(chǎn)生新的不平整度。

世界各國(guó)曾提出很多道面平整度測(cè)定的方法和儀器，可以分為三類：一是斷面類平整度指標(biāo)，二是反應(yīng)類平整度指標(biāo)，三是主觀評(píng)估法。從指標(biāo)主要特點(diǎn)、測(cè)試方法、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)比分析道面平整度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，總結(jié)如表4所示。

由表4的對(duì)比分析可知，道面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多，BBI、IRI、S及鄰板差等較為常用。從測(cè)試設(shè)備的角度來看，三米直尺法和縱剖面高程變量均方差法所用設(shè)備簡(jiǎn)單常用；IRI法在道路和機(jī)場(chǎng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，測(cè)試設(shè)備可行；BBI法為我國(guó)民航借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)提出最新的道面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)BBI的適用性研究不多，多以仿真為主，測(cè)試設(shè)備相對(duì)較少，應(yīng)用案例相對(duì)較少。從測(cè)試效率的角度來看，三米直尺法和縱剖面高程變量均方差法均是手動(dòng)量測(cè)、統(tǒng)計(jì)計(jì)算，BBI、IRI均是自動(dòng)采集數(shù)據(jù)計(jì)算，較三米直尺法和縱剖面高程變量均方差法更加高效。從相關(guān)性來看，有研究表明，S與IRI高度線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.96[14]，IRI在一定程度上能夠替代S。從適用性的角度來看，三米直尺法最適用于道面施工質(zhì)量控制，BBI、IRI適用于運(yùn)營(yíng)階段道面性能的管理評(píng)價(jià)。因此，從可行性、適應(yīng)性、測(cè)試與評(píng)價(jià)效率等方面分析，選用IRI評(píng)價(jià)道面平整度，并采用激光平整度儀測(cè)試。

表4 道面平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.3.2 抗滑性能

道面抗滑性能影響飛機(jī)著陸滑跑安全，道面抗滑性能不良時(shí)，會(huì)造成飛機(jī)行駛和制動(dòng)困難，必須保證飛機(jī)對(duì)道面抗滑的要求[1,6]。評(píng)價(jià)道面抗滑性能的指標(biāo)主要有摩擦系數(shù)(f)、構(gòu)造深度(Hs)。經(jīng)查閱道面設(shè)計(jì)、施工、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及相關(guān)文獻(xiàn)，從指標(biāo)主要特點(diǎn)、測(cè)試方法、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)比分析道面抗滑性能的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，總結(jié)如表5所示。

通過表5對(duì)比分析，抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，但測(cè)試方法和設(shè)備多樣。從測(cè)試設(shè)備的角度來看，鋪砂法、擺式摩擦儀，測(cè)試儀器攜帶方便、方法簡(jiǎn)單，是定點(diǎn)測(cè)試道面抗滑性能的方法，能夠反映道面測(cè)點(diǎn)處的抗滑性能，但在反映一段距離道面整體的抗滑性能時(shí)不如連續(xù)式抗滑性能測(cè)試方法，測(cè)試工作量大，難以滿足高效便捷的測(cè)試要求。水泥道面通常采取刻槽的方法以滿足道面橫向排水的需要，而最常用的鋪砂法不適用于刻槽的水泥道面；擺式摩擦儀測(cè)定摩擦系數(shù)的方法更適用于瀝青道面。從相關(guān)性來看，有研究表明，f與Hs線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.74，f在一定程度上能夠替代Hs[15]。跑道摩阻測(cè)試車作為最常用的連續(xù)式摩擦系數(shù)測(cè)試設(shè)備，數(shù)據(jù)采集、傳輸、記錄和處理均由專業(yè)軟件自動(dòng)控制，測(cè)試速度快，能夠模擬道面與輪胎摩擦的狀態(tài)，通過車載計(jì)算機(jī)分析，快速給出道面摩擦系數(shù)，更加適應(yīng)于運(yùn)營(yíng)管理階段道面抗滑性能評(píng)價(jià)。

表5 道面抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

因此，從可行性、適應(yīng)性、測(cè)試與評(píng)價(jià)效率等方面分析，選用連續(xù)式抗滑性能測(cè)試設(shè)備測(cè)試的摩擦系數(shù)評(píng)價(jià)道面抗滑性能，并采用跑道摩阻測(cè)試車測(cè)試。

3.3.3 排水性能

民用規(guī)范將排水性能作為道面功能性能的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，排水性能主要與道面橫坡相關(guān)，通常水泥道面采取刻槽等手段快速排水，排水性能與承載能力、平整度、抗滑性能等指標(biāo)相比，重要性相對(duì)較低。因此，在道面性能適航評(píng)價(jià)方面，可不將其作為評(píng)價(jià)內(nèi)容。

4 基于適航要求的水泥道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

通過道面各個(gè)方面性能和評(píng)價(jià)指標(biāo)的比對(duì)篩選，可以構(gòu)建基于適航的水泥道面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)體系共分為3層:第1層為目標(biāo)層，總目標(biāo)為水泥道面適航能力；第2層為準(zhǔn)則層，是道面適航的評(píng)價(jià)內(nèi)容，包括承載能力、平整度、抗滑性能；第3層為評(píng)價(jià)指標(biāo)層，具體為：PCN值(ACN-PCN評(píng)價(jià)法)、IRI(測(cè)試設(shè)備激光平整度儀)、f(測(cè)試設(shè)備跑道摩阻測(cè)試車)。