坑槽修補面的受力情況試驗研究

卞文堂 李贊成 秦立軍

（1中國航空港建設第二工程總隊， 江蘇 徐州 221000；2空軍勤務學院機場勤務保障系， 江蘇 徐州 221000）；

（3空軍勤務學院機場勤務保障系， 江蘇 徐州 221000）

0 引言

機場是保障戰(zhàn)機飛行起降的重要國防設施，維護機場道面結構和功能的完好是確保機場飛行保障能力的必要前提。戰(zhàn)時機場遭到反跑道炸彈襲擊后會導致大量坑槽，使道面喪失保障能力，需要對機場道面上坑槽進行搶修，而對機場道面坑槽修補面結構在機輪荷載下的受力情況進行分析，將有助于道面坑槽搶修的設計和優(yōu)化，對提高坑槽搶修質(zhì)量與效率,完善機場飛行保障能力具有重大意義。本文采用機場跑道模擬試驗臺進行試驗，模擬機輪荷載對坑槽修補面結構的荷載重復作用，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集坑槽修補面的應力數(shù)據(jù)進行力學分析，得出坑槽修補面在機輪荷載作用下的力學響應規(guī)律。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

水泥熟料為河南省鄭州登峰熔料有限公司的鴨牌DFRC“搶修寶”快硬水泥；

石子為徐州本地產(chǎn)粒徑為5～20mm級配碎石；

砂為徐州市建筑中砂，細度模數(shù)為2.68；

固化劑采用山東漢為環(huán)保科技有限公司產(chǎn)的SV-02型固化劑；

減水劑采用上海麗瑞化工有限公司產(chǎn)的粉末狀高效減水劑；

試驗拌合用水為徐州市自來水廠所供自來水。

配合比采用快硬水泥400kg/m3、石子1236 kg/m3、砂子618kg/m3、水141kg/m3、固化劑用量28kg/m3、減水劑用量6kg/m3。

1.2 試驗設備和試件

試驗設備采用型號 KPD-01的機場跑道模擬試驗臺（見圖-1）對坑槽修補面試件進行重復荷載作用，此設備能夠設定不同類型飛機的單機輪荷載，可以在垂直和水平兩個方向運行，通過控制機輪對試件進行重復荷載作用，在室內(nèi)模擬多種類型飛機在機場跑道上的起降對道面的荷載作用，通過試件內(nèi)部和表面粘貼的電阻應變片，利用HZ1008A型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外聯(lián)電腦，從而獲得試驗過程中試件的應變的數(shù)據(jù)，然后應用數(shù)據(jù)處理軟件處理，得到試件的應力情況。

圖-1機場跑道模擬試驗臺

試驗試件制作方法：提前兩個月采用C30普通硅酸鹽水泥制作5塊450mm×350mm×120mm的長方體混凝土試件（見圖-2），試件用鎬頭在長方體混凝土試件中部鑿出一個大小和深度適當?shù)目硬郏ㄖ睆健?m），然后使用切割機在試件上切出一個200mm×200mm的修補面，使坑槽處于修補面中心，修補面切割深度依次為50mm、40mm、30mm、20mm、10mm，并按要求粘貼應變片,然后鋪筑快硬水泥混凝土進行修補，試件成型后立即用塑料薄膜覆蓋在試件表面，防止水分快速蒸發(fā)。然后將試件放于環(huán)境溫度為20±2℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護到測試齡期。電阻應變片采用BX120-3AA型應變片，柵長3mm，柵寬2mm，電阻120±0.1Ω，電阻應變片布置位置為薄層底面X和Y方向各一處和薄層面層X和Y方向各一處，總共4個測點，標號依次為1、2、3、4，見圖-3。

圖-2 長方體混凝土試件

圖-3應變片布置示意圖

1.3 試驗步驟

由于坑槽搶修對早期強度要求高，根據(jù)搶修規(guī)范[3]將4小時齡期的試件放置到機場跑道模擬試驗臺上，進行模擬機輪荷載碾壓道面坑槽修補面的試驗，具體步驟為：調(diào)試機場跑道模擬試驗臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設定試驗相關參數(shù)，調(diào)整機輪初始位置，調(diào)整荷載，開始試驗。根據(jù)搶修規(guī)程對道面坑槽搶修的質(zhì)量要求，機場跑道模擬試驗臺的機輪垂直荷載取196KN，荷載的重復作用次數(shù)為200架次。

2 試驗結果分析

本試驗分別對試件進行了 200架次的重復荷載作用試驗，收集統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)結果見表1，其中應力數(shù)據(jù)的正負號代表不同的受力形式，“+”代表受拉應力作用，“-”代表受壓應力作用。

表1 試驗數(shù)據(jù)結果

2.1 坑槽修補面應力狀態(tài)

由坑槽修補面試件測得的不同厚度試件底部和面層X和Y兩個方向的最大應力數(shù)據(jù)，可分別求出試件底部和面層的最大主應力，其相互關系見圖-4，通過測點應力分布可以分析坑槽修補面結構在機輪荷載作用下的受力狀態(tài)。

圖-4試件測點應力關系圖

根據(jù)表 1中試件應力數(shù)據(jù)可知，機場道面坑槽修補面試件在機輪荷載作用下的應力狀態(tài)從面層到底部呈現(xiàn)出由負變正的過程，說明坑槽修補面結構的受力狀態(tài)為面層受壓應力，從面層到底部逐漸由受壓應力變?yōu)槭芾瓚Γ撞渴艿嚼瓚ψ畲蟆?/p>

同時由圖-4可以看出，在機輪荷載作用下，試件面層和底部應力狀態(tài)在X和Y兩個受力方向上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律：試件底部在X方向上受到的拉應力值遠大于在Y方向上的拉應力值，同樣試件面層在X方向上受到的壓應力值也遠大于在Y方向上的壓應力值，因此坑槽修補面試件主要受X方向上的應力作用，即坑槽修補面結構受力主要由機輪運動方向的應力產(chǎn)生，試件破壞也更易從機輪運動方向上產(chǎn)生。

2.2 切割修補厚度與荷載重復作用次數(shù)關系

機場道面板底拉應力對道面的危害遠遠大于面層壓應力，因此坑槽能夠承受的底部最大拉應力越大越好。通過分析試件底部最大拉應力與厚度關系并結合滿足坑槽搶修質(zhì)量的荷載重復作用次數(shù)與切割修補厚度關系的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以確定出滿足坑槽搶修質(zhì)量的切割修補最小厚度，具體數(shù)據(jù)見圖-5。

圖-5切割修補厚度與荷載重復作用次數(shù)關系

由圖-5中（a）圖可知，坑槽修補面試件底部最大拉應力隨坑槽切割修補厚度減小而增大，在坑槽切割修補厚度為20mm時取得最大值1.6223MPa。而當坑槽切割修補厚度繼續(xù)減小，坑槽修補面試件底部最大拉應力反而減小，說明坑槽修補面厚度為20mm是滿足200架次機輪荷載重復作用的最小厚度。由（b）圖可知，試件厚度在50mm～20mm區(qū)間中，都能滿足200架次的重復荷載作用而試件不發(fā)生結構破壞，當厚度小于 20mm時，不再滿足搶修質(zhì)量要求，因此可以確定坑槽修補面能滿足承受200架次機輪荷載搶修質(zhì)量要求的最小切割修補厚度為20mm。

3 結論

本試驗利用機場跑道模擬試驗臺對機場道面坑槽修補面結構進行荷載重復作用試驗，經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的分析，可得出以下結論：

（1）機輪荷載作用下坑槽修補面結構的受力狀態(tài)為：面層受壓應力，從面層到底部逐漸由受壓應力變?yōu)槭芾瓚Γ撞渴艿嚼瓚ψ畲螅辉谑芰Ψ较蛏希硬坌扪a面受力主要由機輪運動方向的應力產(chǎn)生，試件破壞也更易在機輪運動方向上發(fā)生。

（2）本試驗中坑槽修補面能滿足承受200架次機輪荷載搶修質(zhì)量要求的坑槽最小切割修補厚度為20mm。由此可知，利用坑槽修補面底部拉應力與坑槽切割修補厚度的關系，在滿足坑槽搶修質(zhì)量的前提下可以減小坑槽搶修的坑槽切割厚度，達到減少坑槽搶修工程量，提高坑槽搶修效率的目的。

[1]許巍，李顯剛，劉著偉. 機場水泥混凝土道面快速修補技術探討 [J].城市建設理論研究，2015，5（34）：36- 37.

[2]范玉占，伊曉軍，黨明杰. 機場水泥混凝土道面快速修補技術介紹 [J].機場工程，2013，（1）：26-28.

[3]李贊成，張韜，謝永亮，等. 戰(zhàn)時機場排彈搶修[M]. 徐州:空軍勤務學院，2015.