利用無損探測技術(shù)研究機場道面錯臺成因＊

向會倫 邵顯智 安彥卿 余國祝

（中國民航機場建設(shè)集團公司科研基地 北京 100621）

道面錯臺影響水泥混凝土道面平整度，從而降低飛機起飛和著陸過程中乘客及飛行員的舒適度，還影響飛行員對儀表的準(zhǔn)確讀數(shù)和對飛機的控制，降低飛機起落架和機身疲勞壽命［1］．同時，飛機荷載在道面錯臺處產(chǎn)生很大沖擊力，造成接縫失效，誘發(fā)唧泥、脫空，從而致使面板斷裂，使結(jié)構(gòu)喪失承載力．

水泥混凝土道面錯臺主要是由以下原因引起［2］：（1）基層碾壓不密實，強度不足，致使基層在行車荷載作用下發(fā)生塑性累積位移；（2）局部地基不均勻下沉；（3）相鄰板間的傳荷能力下降；（4）水浸入基層，行車荷載使路面板產(chǎn)生泵吸現(xiàn)象，動水將面板與基層間的碎屑拋向后方，把后方的板抬起．不同的原因?qū)е碌牡烂驽e臺修補措施也不盡相同．導(dǎo)致錯臺的因素眾多，工程實際中有必要對錯臺原因進一步明確，以便采取有效措施進行修補．為了盡量減小道面的進一步損傷，本文采用無損探測技術(shù)進行道面錯臺檢測，以便明確引起道面錯臺的成因．

1 工程概況

該跑道為兩期修建，其中錯臺以南道面為一期所建，錯臺以北道面為二期所建，為了滿足飛行需求，近年又對跑道進行了全幅加蓋，具體道面結(jié)構(gòu)見表1．

表1 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

在2期所建道面交界處道面板接縫處出現(xiàn)錯臺，最大高差9mm，但引起錯臺的原因并不清楚．為了查明該區(qū)域病害出現(xiàn)的原因，以便采取更加科學(xué)、合理的修復(fù)措施，本文采用彎沉儀和探地雷達對道面進行無損檢測．

2 道面錯臺測試

道面錯臺測試主要分為有損測試和無損測試，有損測試主要是通過鉆心取樣，該種方法破壞了道面面結(jié)構(gòu)的完整性，影響道面的正常使用，無法對基層結(jié)構(gòu)狀況進行研究．因此本文采用無損測試技術(shù)對道面錯臺進行測試，根據(jù)該機場道面病害特征，采用落錘式彎沉儀和探地雷達對道面進行綜合測試．

2．1 彎沉測試

2．1．1 測試原理

落錘式彎沉儀（FWD）通過落錘對道面的沖擊作用模擬飛機對道面的施荷過程．通過分布于距荷載中心不同距離的傳感器記錄道面在荷載作用下的彎沉響應(yīng)，從而評價道面及基礎(chǔ)的強度和結(jié)構(gòu)狀況．

接縫傳荷能力系數(shù)是評價水泥混凝土道面板接縫傳荷能力的一種參數(shù)．測試中通過2個距FWD承載板中心距離相同但分別跨越接縫兩側(cè)不同板塊的傳感器分別測定彎沉，然后計算受荷板和未受荷板彎沉比值求得道面的接縫傳荷系數(shù)，即

式中：DUL未受荷板距離接縫15cm處實測彎沉，μm；DL受荷板距離接縫15cm處實測彎沉，μm．

脫空系數(shù)是反映水泥混凝土道面板底與基礎(chǔ)間脫空情況的參數(shù)．由在道面板板中測定的彎沉與板邊測定的彎沉進行對比．T＝b×t （2）

式中：T為脫空系數(shù)；t為原始脫空系數(shù)；b為約束系數(shù)；DS，DC分別為板邊、板中測點的承載板中心彎沉．

根據(jù)《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》（MH／T5024—2009）即可對對道面?zhèn)骱赡芰暗烂婷摽粘潭冗M行判定．

2．1．2 測試方案

彎沉測試區(qū)域為道面錯臺處南北兩側(cè)各3排道面板．在測試區(qū)域跑道中線東西兩側(cè)自南向北平行于跑道中線按道面分幅各布置五條測線，并對測線進行編號，見表2．根據(jù)道面結(jié)構(gòu)情況，F(xiàn)WD錘重選用15t，分別測定各測線板邊和板中的彎沉數(shù)據(jù)，測點間距為5m，見圖1．

圖1 道面彎沉測試示意圖

表2 彎沉測試測線布置表

2．2 探地雷達測試

2．2．1 探地雷達基本原理

探地雷達是利用電磁波對地表的穿透能力，從地表向地下發(fā)射某種形式的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)特性變化的接口上發(fā)生反射，通過接受反射回波信號，根據(jù)其延時、形狀及頻譜特性等參數(shù)，解譯出目標(biāo)深度，介質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)［3］，見圖2．

圖2 探地雷達基本原理圖

在無源空間中，電磁場的發(fā)射、傳播、反射、折射及繞射滿足如下的麥克斯韋爾方程［4］：

式中：E，H為電場和磁場矢量；D為電位移；B為磁感應(yīng)強度；i為電流密度；ρ為電荷密度．

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，因此根據(jù)地質(zhì)雷達記錄的地面反射波與地下反射波的時間差Δt，即可算出該界面的厚度h．

對于道面檢測而言，H即為面層厚度，v是電磁波在地下介質(zhì)（面層）中的傳播速度，相對于雷達所用的高頻電磁波（900～2 500MHz），道面面層所用的材料都是低損耗介質(zhì)，其速度為

式中：c為電磁波在大氣中的傳播速度，約為300 000km／s；εr為面層的相對介電常數(shù)，它取決于構(gòu)成面層的所有物質(zhì)的介電常數(shù)．

反射信號的振幅與反射系統(tǒng)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)為

式中：εr1，εr2分別為上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)．

由式（8）可知，反射信號的強度主要取決于上、下介質(zhì)的電性差，電性差越大，反射信號越強．不同面層（上、中、下）之間所用材料存在細微差別，因此只能得到較弱的反射信息［5］．

2．2．2 測試方案

采用探地雷達對跑道錯臺病害區(qū)進行檢測，在跑道中線東、西兩側(cè)自南向北平行于跑道中線按道面分幅共布置10條測線，并對測線進行編號．另外，在錯臺接縫南北兩側(cè)第一排板各布置一條測線，各測線的測試方向和范圍見表3．

表3 雷達測線布置

3 測試結(jié)果分析

3．1 彎沉測試結(jié)果分析

道面?zhèn)骱山档图盎A(chǔ)脫空是引起道面板錯臺的主要因素之一．本文利用彎沉儀測試道面?zhèn)骱杉懊摽障禂?shù)以分析道面板的錯臺的原因［6］．該機場道面錯臺區(qū)域道面?zhèn)骱赡芰ψ兓€和道面脫空系數(shù)變化曲線見圖3～4．

圖5 道面錯臺區(qū)域雷達圖像

圖3 道面?zhèn)骱上禂?shù)變化曲線圖

圖4 道面脫空系數(shù)變化曲線圖

由圖3～4可見，根據(jù)《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》的道面?zhèn)骱稍u價標(biāo)準(zhǔn)，東側(cè)道面的傳荷能力較好，除東、西兩側(cè)第一幅道面板測線測點傳荷能力大都為中或次外，其他測線的道面?zhèn)骱赡芰鶠楹茫慌艿赖烂姘邋e臺處北側(cè)第一排道面均輕度脫空或中度脫空，E1測線南側(cè)第一塊板也出現(xiàn)中度脫空，其他區(qū)域道面板均不脫空或輕度脫空．錯臺區(qū)域南北兩側(cè)道面?zhèn)骱赡芰Σ槐M相同，北側(cè)道面板脫空比南側(cè)更嚴(yán)重，惡化的趨勢也更明顯．

根據(jù)脫空的形成機理可知，道面脫空主要是由于唧泥、溫度翹曲以及基礎(chǔ)不均勻變形造成的［7］．因此，彎沉檢測結(jié)果無法充分說明該機場跑道錯臺是完全由于道面板脫空引起的．為了更進一步分析道面板錯臺的根本原因，本文采用探地雷達對道面進行詳細檢測．

3．2 雷達測試結(jié)果分析

為了更進一步分析引起該機場錯臺的根本原因，本文利用探地雷達依照上述檢測方案對錯臺區(qū)域進行檢測后，對雷達數(shù)據(jù)進行處理、分析，部分具有典型代表性的分析結(jié)果見圖5～6．

綜上所述，跑道道面錯臺主要是由接縫兩側(cè)基層不均勻變化進一步反射到面層引起道面板脫空從而導(dǎo)致道面錯臺．根據(jù)對該機場修建歷史進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，錯臺區(qū)域兩側(cè)道面基層修建時間不同、結(jié)構(gòu)和材料不同．因此，該機場道面錯臺主要是由于道面基層修建時間不同、道面結(jié)構(gòu)和材料不同，在長期飛機荷載和環(huán)境因素的綜合作用下道面基層出現(xiàn)不均勻沉降，從而進一步反射到道面表層形成錯臺．

圖6 道面錯臺區(qū)域雷達圖像

4 結(jié) 論

1）根據(jù)落錘式彎沉測試結(jié)果，計算錯臺區(qū)域道面板的傳荷能力和道面脫空系數(shù)．可以看出，錯臺區(qū)域南北兩側(cè)道面?zhèn)骱赡芰Σ槐M相同，北側(cè)道面板脫空比南側(cè)更嚴(yán)重，因此道面脫空是導(dǎo)致該機場道面錯臺的一個重要因素．

2）探地雷達測試結(jié)果顯示，道面錯臺區(qū)域雷達波信號紊亂，無法辨識道面各結(jié)構(gòu)分層；部分傳力桿變形，呈現(xiàn)出北高南低的趨勢，錯臺區(qū)域兩側(cè)道面基層出現(xiàn)不均勻沉降．

3）道面錯臺主要是錯臺區(qū)域兩側(cè)道面修建歷史和所用結(jié)構(gòu)和材料的差異，道面基層在長期飛機荷載和環(huán)境因素的綜合作用下出現(xiàn)不均勻沉降，從而進一步反射到道面表層形成錯臺．

［1］王 維，鄧松武．機場跑道道面平整度評價及其影響分析［J］．中國民航學(xué)院學(xué)報，2006，24（2）：10－15．

［2］楊慶國，易志堅，劉占芳．水泥混凝土路面錯臺機理研究［J］．重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，27（5）：712－716．

［3］周 揚，冷元寶，趙圣立．路用探地雷達的應(yīng)用技術(shù)研究進展［J］．地球物理學(xué)進展，2003，18（3）：481－486．

［4］Eduardo Rogelio Corral Soto．Real－time imaging system for a ground penetrating radar［D］．Manitoba：the University of Manitoba，2003．

［5］郭艷紅．快速無損檢測設(shè)備在高等級公路路面質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究［D］．南京：東南大學(xué)，2006．

［6］王 芳．水泥混凝土路面板底脫空判別方法和處治技術(shù)研究［D］．西安：長安大學(xué)，2009．

［7］江斌臣，袁 捷，譚 悅．機場水泥混凝土道面脫空區(qū)動水壓力分析［J］．城市道橋與防洪，2013（4）：64－66．