民用機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)密實(shí)度快速檢測(cè)研究
——以廣漢機(jī)場(chǎng)為例

盛 昀，江圣澤，吳雨桐

(1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 機(jī)場(chǎng)學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程有限公司，天津 300456)

民用機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)是保證飛機(jī)沖/偏出跑道后減少飛機(jī)損傷的區(qū)域[1]。為了保證土質(zhì)區(qū)的承載力，機(jī)場(chǎng)每年都應(yīng)進(jìn)行密實(shí)度檢測(cè)[2]。現(xiàn)有規(guī)范中要求的土質(zhì)區(qū)密實(shí)度檢測(cè)方法以傳統(tǒng)的破損方法為主，檢測(cè)時(shí)一般要求在設(shè)計(jì)高程下方30 cm處進(jìn)行取樣[3]，從各個(gè)地區(qū)民用機(jī)場(chǎng)檢測(cè)情況來(lái)看，由填料開(kāi)挖取樣至得出最終檢測(cè)結(jié)果需要花費(fèi)大量的時(shí)間，檢測(cè)效率低下，不利于快速得出結(jié)論以及民航監(jiān)察員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管?，F(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)方法中，核子密度儀和無(wú)核密度儀屬于快速檢測(cè)土體密實(shí)度的方法。機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)通常填筑的填料為土料、石料、土石混合料3種，由于探測(cè)鋼針無(wú)法插進(jìn)石料填筑的土質(zhì)區(qū)，因此無(wú)法準(zhǔn)確得出此種填料填筑測(cè)試區(qū)域的密實(shí)度值，這兩種檢測(cè)儀器依舊存在適用性不足的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]指出使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測(cè)土質(zhì)區(qū)密實(shí)度。該方法優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省了大量體力勞動(dòng)成本，缺點(diǎn)是對(duì)于新修建的機(jī)場(chǎng)需要經(jīng)過(guò)積累數(shù)年的實(shí)測(cè)土質(zhì)區(qū)密實(shí)度數(shù)據(jù)才可使用該法進(jìn)行分析。因此這種方法存在進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化的空間。結(jié)合民用機(jī)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行狀況和監(jiān)管需求，有必要探索一種快速、準(zhǔn)確、低成本的密實(shí)度檢測(cè)方法。

PFWD便攜式落錘彎沉儀是一款測(cè)試土基動(dòng)態(tài)彈性模量的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備[5]，使用時(shí)只需提升落錘至一定高度，然后釋放使得落錘沖擊承載板得出被測(cè)土體的動(dòng)態(tài)彈性模量(Evd)[6-7]。研究表明，PFWD 所測(cè)Evd與測(cè)試土體密實(shí)度、靜彈性模量值、含水率等相關(guān)具有良好的相關(guān)關(guān)系[8-9]。因此，可結(jié)合機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)特點(diǎn)探究基于PFWD的密實(shí)度檢測(cè)方法。

1 工程概況

1.1 土質(zhì)區(qū)填料情況

廣漢機(jī)場(chǎng)是中國(guó)民航飛行學(xué)院廣漢分院的訓(xùn)練機(jī)場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)跑道長(zhǎng)2 200 m，寬45 m，飛行區(qū)等級(jí)4C，按照民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)標(biāo)準(zhǔn)修建，為A1類(lèi)通用機(jī)場(chǎng)，可起降塞斯納、新舟60等訓(xùn)練類(lèi)機(jī)型[10]。對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)填料取樣進(jìn)行顆粒篩分實(shí)驗(yàn)(圖1)，填料的不均勻系數(shù)為13.8，曲率系數(shù)為1.29在1～3之間。從數(shù)值分布來(lái)看填料級(jí)配良好。從各粒徑占比來(lái)看，該填料為以黏性為主的土石混合料。由重型擊實(shí)試驗(yàn)得到填料的最佳含水率為15.2%，最大干密度為1.88 g/cm3

圖1 廣漢機(jī)場(chǎng)填料粒徑分布曲線(xiàn)

1.2 土質(zhì)區(qū)密實(shí)度檢測(cè)管理現(xiàn)狀

廣漢機(jī)場(chǎng)報(bào)送四川監(jiān)管局的機(jī)場(chǎng)管理手冊(cè)規(guī)定：機(jī)場(chǎng)科場(chǎng)務(wù)隊(duì)每年對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)升降帶進(jìn)行全面碾壓工作，每年對(duì)機(jī)場(chǎng)升降帶密實(shí)度進(jìn)行測(cè)試工作，密實(shí)度應(yīng)當(dāng)達(dá)到66%以上。目前，機(jī)場(chǎng)每年土質(zhì)區(qū)密實(shí)度檢測(cè)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定傳統(tǒng)方法，試驗(yàn)時(shí)分別檢測(cè)填料的實(shí)際干密度和標(biāo)準(zhǔn)最大干密度，并依據(jù)式(1)計(jì)算得到密實(shí)度[11]為

(1)

式中：K為密實(shí)度；ρd為實(shí)際干密度，g/cm3；ρdmax為最大干密度，g/cm3。

從實(shí)際情況來(lái)看，檢測(cè)實(shí)際干密度的環(huán)刀法存在取樣時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低等缺點(diǎn)。填料最大干密度需要由重型擊實(shí)實(shí)驗(yàn)得出，但結(jié)合每年測(cè)試土質(zhì)區(qū)密實(shí)度的次數(shù)，機(jī)場(chǎng)并無(wú)必要配備重型擊實(shí)儀和烘箱等專(zhuān)業(yè)設(shè)備，只能依托外界專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

2 試驗(yàn)方案

與公路路基不同，機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)密實(shí)度檢測(cè)需要在設(shè)計(jì)高程下30 cm進(jìn)行取樣，使用PFWD檢測(cè)動(dòng)態(tài)彈性模量時(shí)需要將儀器放置在試坑中。研究表明，PFWD檢測(cè)時(shí)在水平方向產(chǎn)生的沖擊影響范圍為承載板直徑的2.5倍[12]，為得到準(zhǔn)確的模量值必須考慮開(kāi)挖試坑坑壁對(duì)儀器測(cè)試過(guò)程中的影響。在廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)分別開(kāi)挖深度30 cm，面積分別為30 cm×30 cm、45 cm×45 cm、60 cm×60 cm、75 cm×75 cm和90 cm×90 cm的試坑，使用承載板直徑為30 cm的PFWD實(shí)測(cè)5個(gè)不同面積試坑底部填料的動(dòng)態(tài)模量值，探究不同面積下土質(zhì)區(qū)填料模量的變化規(guī)律，確定PFWD測(cè)試時(shí)的開(kāi)挖面積，消除試坑壁對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

土體填料處于不同夯實(shí)狀態(tài)下的模量值與對(duì)應(yīng)密實(shí)度值具有一定的相關(guān)關(guān)系。在廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)中選擇合適的填料場(chǎng)地，對(duì)開(kāi)挖相應(yīng)面積的試坑中對(duì)設(shè)計(jì)高程下30 cm處的填料進(jìn)行夯擊并測(cè)試不同夯實(shí)狀態(tài)下的模量值、彎沉值以及對(duì)應(yīng)的密實(shí)度值。使用最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定兩者關(guān)系曲線(xiàn)，探究土質(zhì)區(qū)填料動(dòng)態(tài)彈性模量與密實(shí)度關(guān)系。

土質(zhì)區(qū)密實(shí)度檢測(cè)的根本目的是為了保證土體的承載力。PFWD所測(cè)模量是反映承載力的重要力學(xué)指標(biāo)。文獻(xiàn)[13]使用有限元計(jì)算了不同模量變化過(guò)程中機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)填料承載力的變化，故由曲線(xiàn)關(guān)系分別計(jì)算土質(zhì)區(qū)填料密實(shí)度為66%和70%對(duì)應(yīng)模量下飛機(jī)主起落架作用時(shí)的承載力變化，對(duì)PFWD所測(cè)模量與填料承載力之間的變化規(guī)律進(jìn)行探究。

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)地維護(hù)技術(shù)指南》取點(diǎn)方式在13號(hào)跑道北側(cè)升降帶使用PFWD進(jìn)行實(shí)測(cè)。將測(cè)試所得模量值代入關(guān)系曲線(xiàn)計(jì)算并與傳統(tǒng)方法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證關(guān)系曲線(xiàn)，進(jìn)一步論證PFWD檢測(cè)土質(zhì)區(qū)密實(shí)度準(zhǔn)確性和可靠性。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 不同面積試坑模量變化規(guī)律

在廣漢機(jī)場(chǎng)升降帶內(nèi)開(kāi)挖5個(gè)面積不同、深度為30 cm的試坑(圖2)，保證相同密實(shí)度的條件下PFWD檢測(cè)填料的動(dòng)態(tài)模量。表1、圖3為5個(gè)不同面積試坑的實(shí)測(cè)結(jié)果，當(dāng)廣漢機(jī)場(chǎng)填料開(kāi)挖的正方形試坑邊長(zhǎng)為30 cm時(shí)，模量平均值為65 MPa；邊長(zhǎng)為45 cm時(shí)，模量平均值約為55 MPa；邊長(zhǎng)為60 cm時(shí)，模量平均值約為53 MPa；邊長(zhǎng)為75 cm時(shí)，模量平均值約為53 MPa；邊長(zhǎng)為90 cm時(shí)，模量平均值約為53 MPa。模量代表值隨著面積的增大而減小，試坑邊長(zhǎng)為承載板直徑的2.5倍時(shí)，模量代表值與3倍承載板直徑邊長(zhǎng)結(jié)果相同。由于2.5倍直徑時(shí)的坑壁對(duì)測(cè)試結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，故PFWD在機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)檢測(cè)密實(shí)度時(shí)試坑的開(kāi)挖面積取75 cm×75 cm。

圖2 開(kāi)挖試坑示意圖

表1 土質(zhì)區(qū)不同面積試坑填料模量測(cè)試結(jié)果

圖3 土質(zhì)區(qū)不同面積試坑填料模量變化規(guī)律

3.2 動(dòng)態(tài)模量與密實(shí)度關(guān)系

開(kāi)挖相應(yīng)面積的試坑，使用特制的鋼筋混凝土夯具對(duì)填料進(jìn)行夯擊并進(jìn)行動(dòng)態(tài)彈性模量測(cè)試。每組完成PFWD測(cè)試后，取樣進(jìn)行密實(shí)度測(cè)試。圖4為土質(zhì)區(qū)填料不同夯實(shí)狀態(tài)下動(dòng)態(tài)彈性模量與密實(shí)度擬合曲線(xiàn)，圖中的相關(guān)系數(shù)為0.995，對(duì)數(shù)函數(shù)的表達(dá)式為

圖4 土質(zhì)區(qū)填料模量與密實(shí)度擬合曲線(xiàn)

y=9.437 3lnx+51.854

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的模量與密實(shí)度相關(guān)度最優(yōu)曲線(xiàn)為對(duì)數(shù)函數(shù)曲線(xiàn)，模量與密實(shí)度間的關(guān)系為正相關(guān)，隨著填料被不斷的壓實(shí)，其模量值與對(duì)應(yīng)密實(shí)度值在不斷增大。

3.3 不同模量承載力計(jì)算分析

為了進(jìn)一步分析廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)不同彈性模量下荷載作用的力學(xué)響應(yīng)，驗(yàn)證PFWD在檢測(cè)密實(shí)度過(guò)程中反映出的承載力變化，假設(shè)新舟60在訓(xùn)練中沖出跑道，主起落架直接劃開(kāi)設(shè)計(jì)高程下200 mm范圍以?xún)?nèi)的根植土層并直接沖擊下方的填料，模擬最不利荷載條件下土質(zhì)區(qū)的受力情況。

設(shè)置模型尺寸為10 m×5 m×3 m長(zhǎng)方體模塊，分別假設(shè)飛機(jī)在滑行和著陸階段沖出跑道，新舟60的最大起飛重量和最大著陸重量分別為218 kN和216 kN，單輪荷載約為51.8 kN和51.3 kN，輪印面積為102 400 cm2和99 225 cm2?？紤]到網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算成本[14-16]，輪印區(qū)的網(wǎng)格播種尺寸為0.1 m，其余部位尺寸為0.2 m，總體模型示意圖如圖5所示。

圖5 土質(zhì)區(qū)計(jì)算模型示意圖

由于廣漢機(jī)場(chǎng)為訓(xùn)練專(zhuān)用的通用機(jī)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)管理手冊(cè)和實(shí)際密實(shí)度檢測(cè)情況，分別計(jì)算填料密實(shí)度為66%和70%時(shí)對(duì)應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)圖3探究所得的擬合曲線(xiàn)和《工程地質(zhì)手冊(cè)》[17]以及前文運(yùn)用的土體動(dòng)、靜彈性模量之間的關(guān)系，具體模型參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 廣漢機(jī)場(chǎng)土體參數(shù)取值

填料密實(shí)度在66%和70%兩種狀態(tài)下時(shí)，兩種荷載作用產(chǎn)生的最大豎向位移見(jiàn)表3。

表3 兩種荷載作用下各階段最大變形

由于滑行階段的最大起飛重量大于著陸時(shí)的最大著陸重量，所以滑行過(guò)程中在主起落架的沖擊位移要大于著陸時(shí)的沖擊位移。土體密實(shí)度處于66%時(shí)滑行階段的變形比著陸階段要大7.1%，70%時(shí)滑行階段與著陸階段位移相近。有限元模擬的填料位于廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)覆蓋200 mm根植土深度的下方區(qū)域，將各階段產(chǎn)生的變形值加上穿過(guò)的原植被土厚度，滑行階段造成設(shè)計(jì)高程以下的變形值分別為24.80 cm和23.21 cm，著陸階段造成設(shè)計(jì)高程以下的變形值為24.48 cm和23.20 cm。隨著模量值的增大，起落架作用產(chǎn)生的位移減小。PFWD檢測(cè)密實(shí)度時(shí)可反映出機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)填料的承載力變化。

3.4 曲線(xiàn)關(guān)系驗(yàn)證

對(duì)所得填料模量與密實(shí)度曲線(xiàn)公式進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)與機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)申請(qǐng)，在指定區(qū)域按照規(guī)范要求進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。實(shí)測(cè)及計(jì)算密實(shí)度值見(jiàn)表4。

表4 實(shí)測(cè)及計(jì)算密實(shí)度值

開(kāi)挖邊長(zhǎng)為2.5倍承載板直徑，深度30 cm的試坑，將PFWD放置試坑中央后提升落錘至頂端進(jìn)行動(dòng)態(tài)彈性模量測(cè)試。將整理得到的各個(gè)試點(diǎn)動(dòng)態(tài)彈性模量取值代入機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)模量與密實(shí)度關(guān)系曲線(xiàn)計(jì)算密實(shí)度值。以傳統(tǒng)法實(shí)測(cè)密實(shí)度為基準(zhǔn)，將所得計(jì)算結(jié)果與之進(jìn)行對(duì)比，相差比最大約為3.2%，最小約為0.1%，平均相差比約為1%，在合理范圍內(nèi)(表4)。根據(jù)廣漢機(jī)場(chǎng)目前的機(jī)場(chǎng)手冊(cè)規(guī)定：機(jī)場(chǎng)科場(chǎng)務(wù)隊(duì)每年對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)升降帶進(jìn)行全面碾壓工作，每年應(yīng)對(duì)機(jī)場(chǎng)升降帶密實(shí)度進(jìn)行測(cè)試工作，密實(shí)度應(yīng)當(dāng)達(dá)到66%以上。從PFWD和傳統(tǒng)法的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，測(cè)區(qū)密實(shí)度均在66%以上，檢測(cè)結(jié)果合格。

從計(jì)算誤差值來(lái)看，計(jì)算與實(shí)測(cè)的密實(shí)度結(jié)果的相差較小，圖6為理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.956，曲線(xiàn)公式為

圖6 實(shí)測(cè)及計(jì)算密實(shí)度相關(guān)分析

K理=1.036 9K實(shí)-2.061 9

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.956，相關(guān)系數(shù)表示兩組數(shù)據(jù)間具有良好的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)填料擬合曲線(xiàn)能夠用于測(cè)算密實(shí)度值。

由基于PFWD得到的廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)填料密實(shí)度與模量之間關(guān)系分布規(guī)律來(lái)看，檢測(cè)時(shí)還可將密實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)彈性模量作為評(píng)判值，直接通過(guò)比對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)模量值與評(píng)判值大小，判斷密實(shí)度值是否合格。

4 結(jié)論

民用機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)是飛行區(qū)的重要組成部分，為了日后達(dá)到土質(zhì)區(qū)密實(shí)度快速檢測(cè)的目的，使用PFWD便攜落錘彎沉儀在廣漢機(jī)場(chǎng)開(kāi)展相關(guān)研究，結(jié)論如下：

1)通過(guò)測(cè)量廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)開(kāi)挖30 cm深度，面積分別為30 cm×30 cm、45 cm×45 cm、60 cm×60 cm、75 cm×75 cm和90 cm×90 cm的試坑模量，根據(jù)模量變化規(guī)律進(jìn)一步論證了PFWD在機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)檢測(cè)模量時(shí)所需開(kāi)挖正方形邊長(zhǎng)為承載板直徑的2.5倍。

2)通過(guò)試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)模量與密實(shí)度呈對(duì)數(shù)函數(shù)曲線(xiàn)關(guān)系，曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)較高。隨著模量的增大，土質(zhì)區(qū)填料的密實(shí)度也在增大，模量密實(shí)度之間的變化規(guī)律為正相關(guān)。

3)PFWD所測(cè)模量可以反映土質(zhì)區(qū)填料承載力變化。土體強(qiáng)度隨著密實(shí)度增加而增加，將各階段產(chǎn)生的變形值加上穿過(guò)的原根植土厚度，滑行階段造成設(shè)計(jì)高程以下的變形值分別為24.80 cm和23.21 cm，著陸階段造成設(shè)計(jì)高程以下的變形值為24.48 cm和23.20 cm。隨著模量值的增大，起落架作用產(chǎn)生的位移減小。PFWD檢測(cè)密實(shí)度時(shí)可反映出機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)填料的承載力變化。

4)使用PFWD檢測(cè)時(shí)只需開(kāi)挖邊長(zhǎng)為2.5倍承載板直徑，深度30 cm的試坑，將PFWD放于試坑內(nèi)中心位置進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)獲取填料動(dòng)態(tài)彈性模量值。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取點(diǎn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)由廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)填料模量與密實(shí)度關(guān)系曲線(xiàn)計(jì)算得出的理論密實(shí)度計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)方法所得結(jié)果的誤差比較小。理論計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)法所得結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)較高，PFWD可用于民用機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)密實(shí)度快速檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)根據(jù)所得曲線(xiàn)關(guān)系由動(dòng)態(tài)彈性模量值推算密實(shí)度值，亦可將廣漢機(jī)場(chǎng)土質(zhì)區(qū)密實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)彈性模量作為評(píng)判值，現(xiàn)場(chǎng)直接通過(guò)比對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)模量值與評(píng)判值大小，判斷測(cè)區(qū)密實(shí)度是否合格。