基于HWD的機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建過(guò)程中道面板無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

管璞

1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)北京民航設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100044

2.民航機(jī)場(chǎng)安全與運(yùn)行工程技術(shù)研究中心 北京 100044

黨的十九大謀劃了我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的新征程，明確提出要建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，而后民航局出臺(tái)《新時(shí)代民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)行動(dòng)綱要》。在此背景下，并為滿(mǎn)足我國(guó)民航業(yè)迅猛發(fā)展的巨大需求，各類(lèi)機(jī)場(chǎng)新建、遷建、改擴(kuò)建項(xiàng)目層出不窮。

目前，HWD（Heavy Weight Deflectometer）無(wú)損彎沉檢測(cè)技術(shù)在機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段的使用相對(duì)較為普遍，但鮮有關(guān)于機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建施工期間無(wú)損彎沉檢測(cè)方面的研究。

本文依托某機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)擴(kuò)建項(xiàng)目，為及時(shí)準(zhǔn)確掌握施工期間飛行區(qū)道面的結(jié)構(gòu)性能，以避免擴(kuò)建區(qū)域道面在將來(lái)的運(yùn)行中帶有先天的隱性缺陷，在施工期間全程使用HWD對(duì)道面進(jìn)行彎沉檢測(cè)。

1 HWD檢測(cè)原理

重型落錘式彎沉儀（HWD）主要包括以下幾個(gè)部分：承載車(chē)輛、落錘系統(tǒng)、傳感與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件。設(shè)備結(jié)構(gòu)原理如圖1[1]。

圖1 彎沉儀結(jié)構(gòu)原理圖

HWD通過(guò)控制系統(tǒng)操控落錘的提升與下落，來(lái)對(duì)道面施加瞬時(shí)沖擊荷載，通過(guò)調(diào)整落錘的下落高度以及配重來(lái)控制荷載大小，荷載通過(guò)剛性圓盤(pán)作用在道面上并形成彎沉盆，由荷載傳感器進(jìn)行荷載數(shù)據(jù)采集。道面彎沉值由9個(gè)彎沉傳感器進(jìn)行采集，最后通過(guò)系統(tǒng)控制器對(duì)采集到的荷載與彎沉數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)、掃描數(shù)字化后發(fā)給計(jì)算機(jī)。

HWD具有檢測(cè)速度快，精度高的優(yōu)點(diǎn)，能使厚度較大的道面得到充分的響應(yīng)。主要用于機(jī)場(chǎng)道面的無(wú)損彎沉檢測(cè)。荷載加載最大可達(dá)240kN，荷載傳感器分辨率達(dá)0.03~0.12kN，與荷載幅值有關(guān)，彎沉傳感器分辨率達(dá)1μm，系統(tǒng)測(cè)試速度約為1點(diǎn)/35s。

2 水泥混凝土道面彎沉檢測(cè)評(píng)價(jià)方法

2.1 道面基頂反應(yīng)模量反算方法

道面基頂反應(yīng)模量反算屬于水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演分析的一個(gè)過(guò)程，反演道面結(jié)構(gòu)參數(shù)依賴(lài)于彎沉盆面積指數(shù)法，該方法基于彈性地基板理論。

可采用彎沉盆面積指數(shù)法反演道面結(jié)構(gòu)參數(shù)的包括以下幾種結(jié)構(gòu)：

1）水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)；2）水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)（瀝青混凝土加鋪層的厚度等于或小于原有水泥混凝土道面厚度）；3）水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)；4）瀝青道面結(jié)構(gòu)；5）水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土（瀝青混凝土加鋪層厚度大于原有水泥混凝土道面厚度的復(fù)合結(jié)構(gòu)）。

本次研究分析的道面為水泥混凝土道面，且本文僅分析道面基層頂面反應(yīng)模量。

在進(jìn)行道面結(jié)構(gòu)基頂反應(yīng)模量反算時(shí)，需要確定的技術(shù)參數(shù)有：水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)層的有效厚度、HWD測(cè)試設(shè)備的測(cè)試荷載、承載板尺寸，以及在板中測(cè)試時(shí)獲得的彎沉盆數(shù)據(jù)。

傳感器間距約為0.3m，承載板中心1.5m范圍內(nèi)的各個(gè)傳感器的彎沉值計(jì)算彎沉盆面積指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Awi——第i個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的彎沉盆面積指數(shù)（m）；

s——傳感器之間的間距，取值為0.3m；

di——第i個(gè)傳感器之間的彎沉值（m）。

彎沉盆面積指數(shù)Awi與道面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑li的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)圖2查找，超過(guò)圖中取值界限的按照公式2進(jìn)行計(jì)算：

圖2 彎沉盆面積指數(shù)Awi與道面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑li的關(guān)系

式中：Awi——第i個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的彎沉盆面積指數(shù)（m）；

li——由Awi計(jì)算得到的道面結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度半徑（m）；

ai——回歸系數(shù)，具體取值如表1。

表1 彎沉盆面積指數(shù)Awi與相對(duì)剛度半徑li多項(xiàng)式回歸系數(shù)

最后按照公式3對(duì)所有傳感器對(duì)應(yīng)的道基頂面反應(yīng)模量Ki進(jìn)行計(jì)算。式中彎沉系數(shù)(l)與道面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑l具有單調(diào)函數(shù)關(guān)系，通過(guò)圖3可確定l的取值范圍，如果取值超過(guò)圖中極限則利用公式4進(jìn)行分析：

圖3 道面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑li與第i個(gè)傳感器的彎沉系數(shù)的關(guān)系

2.2 道面承載能力評(píng)價(jià)方法

本文使用沖擊勁度模量（ISM）來(lái)反應(yīng)道面及其基礎(chǔ)對(duì)運(yùn)行飛機(jī)的綜合支撐作用，它是重型落錘式彎沉儀的加載重量與承載板下傳感器（D0）所測(cè)得的彎沉值的比值。某一區(qū)域道面（ISM）越大，則代表該區(qū)域道面與基礎(chǔ)對(duì)飛機(jī)的綜合支撐作用越強(qiáng)；反之，則代表道面與基礎(chǔ)的綜合職稱(chēng)作用越弱。

2.3 道面接縫傳荷能力評(píng)價(jià)方法

2.3.1 道面板接縫傳荷能力

接縫傳荷能力系數(shù)是評(píng)價(jià)水泥混凝土道面板接縫傳荷能力的一種參數(shù)。參照《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T 5024）規(guī)定[2]，水泥混凝土道面接縫傳荷能力評(píng)價(jià)以彎沉比傳遞系數(shù)LTEδ作為指標(biāo)。

彎沉測(cè)試中，通過(guò)兩個(gè)距HWD承載板中心距離相同但分別跨越道面板接縫兩側(cè)相鄰板塊的傳感器分別測(cè)定其彎沉值：若兩塊相鄰道面板的彎沉值基本相同，則表明其接縫傳荷能力良好；若兩塊相鄰道面板彎沉值差異較大，則表明其接縫傳荷能力較差或失效。

式中：LTEδ—— 傳荷能力系數(shù)（%）；

Dunload—— 未受荷板距離接縫15cm位置處傳感器的實(shí)測(cè)彎沉值（um）；

Dload—— 受荷板距離接縫15cm位置處傳感器的實(shí)測(cè)彎沉值（um）。

參照現(xiàn)行《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T 5024），道面板接縫傳荷能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 水泥混凝土道面接縫傳荷能力等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 約束系數(shù)

約束系數(shù)指負(fù)載盤(pán)周?chē)烂姘鍖?duì)負(fù)載盤(pán)下道面板的約束作用。對(duì)于道面板板邊，由于其受傳荷能力的影響，其對(duì)加載道面板的約束作用會(huì)隨著其接縫的傳荷能力變化而發(fā)生變化。假設(shè)負(fù)載盤(pán)一側(cè)道面板對(duì)負(fù)載盤(pán)區(qū)域的約束作用是完好的，則約束系數(shù)可以用下式計(jì)算：

式中：b —— 約束系數(shù)；

LTEδ—— 傳荷能力系數(shù)。

2.4 道面板原始脫空系數(shù)

2.4.1 道面板原始脫空系數(shù)

現(xiàn)行《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》要求，水泥混凝土道面板底脫空狀況評(píng)價(jià)應(yīng)通過(guò)FWD測(cè)試進(jìn)行分析。

原始脫空系數(shù)是反映水泥混凝土道面板接縫處面層與基礎(chǔ)間脫空情況的一種參數(shù)，其是道面板板邊中點(diǎn)彎沉值與板中彎沉值的比值。由于該參數(shù)未考慮接縫傳荷能力，因此容易造成對(duì)道面板板邊脫空情況的誤差：若道面板接縫傳荷能力良好，則該參數(shù)測(cè)定的脫空系數(shù)是準(zhǔn)確的；若其接縫傳荷能力顯著降低或失效，則道面板板邊測(cè)定的彎沉值將增大，因此必須對(duì)該參數(shù)進(jìn)行如下修正。

式中：t —— 原始脫空系數(shù)；

D02—— 板邊測(cè)點(diǎn)的承載板中心彎沉；

D01—— 板中測(cè)點(diǎn)的承載板中心彎沉。

2.4.2 道面板修正脫空系數(shù)

該參數(shù)綜合考慮了道面板板邊/板中彎沉值的變化及其接縫傳荷能力，是判別板底是否脫空的有效參數(shù)。

參照現(xiàn)行《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T 5024）與工程經(jīng)驗(yàn)規(guī)定：若脫空系數(shù)T在2 ~ 3之間，則認(rèn)為道面板板邊存在中度脫空；若脫空系數(shù)T > 3，則認(rèn)為道面板板邊存在嚴(yán)重脫空。

當(dāng)接縫附近存在明顯的唧泥、錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象時(shí)，可判定為道面板底脫空。具體詳情可參照《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T 5024）規(guī)定。

3 工程實(shí)踐

某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建區(qū)域飛行區(qū)道面為水泥混凝土道面，通過(guò)重型落錘式彎沉儀（HWD）對(duì)滿(mǎn)足檢測(cè)要求的道面進(jìn)行加載來(lái)計(jì)算水泥混凝土道面板的承載能力、傳荷能力和脫空率。從而為施工質(zhì)量以及將來(lái)的道面維護(hù)改造提供數(shù)據(jù)支撐。

為使機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)道面板結(jié)構(gòu)得到充分的響應(yīng)，本次檢測(cè)HWD荷載設(shè)置為1500kPa，根據(jù)最終檢測(cè)結(jié)果，水泥道面板的道基反應(yīng)模量、承載能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，道面板整體傳荷性能評(píng)價(jià)為“好”，且道面板無(wú)明顯脫空。

4 結(jié)論和展望

在機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建過(guò)程中，飛行區(qū)道面的施工質(zhì)量關(guān)系機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)安全。HWD無(wú)損彎沉檢測(cè)技術(shù)在對(duì)道面不造成損壞的情況下對(duì)飛行區(qū)水泥道面板進(jìn)行檢測(cè)。從而對(duì)道面質(zhì)量進(jìn)行施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以避免機(jī)場(chǎng)道面質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段。

本文以某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建機(jī)坪的部分區(qū)域?yàn)橐劳?，通過(guò)道基反應(yīng)模量、承載能力、脫空系數(shù)，以及接縫傳荷能力等指標(biāo)對(duì)該區(qū)域道面進(jìn)行評(píng)價(jià)，彎沉檢測(cè)結(jié)果顯示：擴(kuò)建區(qū)域飛行區(qū)道面各項(xiàng)彎沉技術(shù)參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

HWD無(wú)損彎沉檢測(cè)技術(shù)不僅可應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)中的機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)，也可用于施工過(guò)程中的飛行區(qū)道面檢測(cè)，該技術(shù)檢測(cè)速度快，工作效率高，檢測(cè)數(shù)據(jù)豐富，數(shù)據(jù)處理可靠。面對(duì)機(jī)場(chǎng)建設(shè)日益增加的形勢(shì)，HWD無(wú)損彎沉檢測(cè)技術(shù)將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。