基于適航要求的水泥混凝土道面性能評價指標體系構建

李 柯， 邵 斌， 何小科， 陳奇奇

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

近年來，運輸機奔赴國內外陌生機場執行各種軍事行動，如參與搶險救災、戰略投送等。對于機場而言，道面是最重要的基礎設施，應滿足機型的使用需要，即道面應具有適航性。道面適航性需要通過一定的技術手段評價，構建科學合理可行的基于適航要求的機場水泥混凝土道面(以下簡稱“水泥道面”)性能評價指標體系是快速、準確評價道面適航性的前提和基礎。

國內外研究者對機場道面性能、公路路面性能等方面做了大量的研究，取得豐富的成果。美國長期以來致力于機場道面管理評價研究。1970年，美國陸軍建筑工程研究所經過數年調查研究，提出了道面狀況指數(PCI)作為道面損壞狀況的評價指標，并給出一整套調查、計算、分析和評價的方法，相關研究成果已被世界上許多國家和機構采納[1]。美國國防部更新了《運行和維護手冊：道面損壞狀況調查標準規程》[2]，美國聯邦航空局(FAA)以咨詢通告的形式發布了多個技術文件，主要有：《機場道面強度報告標準方法—PCN》[3]《機場道面無損檢測評估技術》[4]《機場道面平整度測量的準則和程序》[5]《機場道面抗滑測量、施工和維護》[6]。

我國道面管理評價標準體系，上世紀末從國外引入，借鑒ICAO、FAA的標準規范，經過20 a左右的發展，逐步形成了比較完整的管理評價規范，主要包括：軍用機場水泥混凝土道面評價體系[7-8]、《民用機場道面評價管理技術規范》[1]《民用機場道面現場測試規程》[9]等成果，用于指導道面管理評價工作。

2012年，張羅利[10]從道面性能指標檢測、評價、預測、維護決策等方面全面分析了軍用機場道面評價體系。2016年，袁捷等[11]以機場管理系統為平臺，提出了中國機場道面管理系統分析優化理論模型，涵蓋了道面性能評價、性能預估模型及維護決策模型。2017年，凌建明等[12]采用MATLAB/Simulink仿真，綜合評價國際平整度指數(IRI)對于機場道面平整度評價的適用性。2019年，凌建明等[13]分析了PCI的計算方法，建議取消現場道面“單元”劃分，在道面“區塊”的基礎上計算道面PCI，按照面積大小加權平均計算道面“部位”PCI。2020年，凌建明等[14]基于世界范圍內機場道面的平整度數據，分析了IRI與三米直尺最大間隙平均值(S)的相關性。

大多數學者研究主要集中在道面性能方面，但機型的針對性考慮較少，道面性能的影響因素多、評價指標多。因此，基于適航要求的水泥道面性能適航評價指標體系研究，應在分析現行軍民用機場水泥道面評價體系的基礎上，滿足快速準確要求，考慮機型特點，從結構性能、功能性能等方面遴選評價指標，立足現有調查測試儀器、評價方法，構建科學合理可行的評價指標體系。

1 現行水泥道面性能評價指標體系

現行的水泥道面評價體系，可分為軍用標準和民用規范。軍用標準，從外觀質量、平整度、防滑性能和承載強度等四個方面評價道面性能；民用規范，從道面損壞狀況、道面結構性能、道面功能性能(含抗滑性能、平整度、排水性能)評價道面性能，評價指標體系見表1。

表1 現行水泥道面性能評價指標體系

2 基于適航要求的水泥道面性能評價指標體系初建

道面性能評價一般包括損壞狀況調查與評價、結構性能和功能性能(平整度、抗滑性能等)測試與評價。通過對比分析，軍民用機場水泥道面評價指標體系在各自行業發揮重要的作用，從評價內容上看，兩者基本一致，但具體的評價指標及標準有所不同。綜合水泥道面評價指標體系，構建了基于適航要求的水泥道面性能評價指標體系初步框架，如圖1所示。

圖1 基于適航要求的水泥道面性能評價指標體系初步框架

3 水泥道面性能評價指標分析

道面性能評價指標多，測試手段多，計算方法不盡相同，各個評價指標的側重點和適用范圍也有所不同。在軍用飛機使用機場道面的背景下，需要選擇更合適的評價指標及相應的測試手段或計算方法，滿足準確、快速評價道面適航性的要求。

基于適航的道面評價指標體系的構建是一項復雜系統的工作，指標的遴選是構建指標體系的關鍵，指標應當滿足科學性與可行性、系統性與層次性、全面性與代表性、獨立性與相關性、導向性與前瞻性、定量與定性、動態和靜態的統一等原則，不能隨意選取[15]。也就是說，基于適航的道面評價指標體系，既要針對機型、滿足適航需要，科學合理、層次清晰，快速高效、準確可行，同時指標也不能冗余繁雜。下面，從調查測試手段、計算原理、適用性、優缺點等方面具體分析道面性能各個評價指標。

3.1 道面損壞狀況

在機輪荷載和外界環境的作用下，隨著使用時間的推移，道面會逐漸出現填縫料損壞、板底脫空、板塊斷裂、補丁補塊等各種病害，道面性能逐漸降低，通常采用道面損壞狀況來表征。道面損壞狀況的評價指標有PCI、SCI、L，經過調查、識別、統計道面病害，計算得到評價指標的數值。一般情況下，采用人工目視的方式，進行全面調查。軍用標準要求調查10種損病害類型，民用規范要求調查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、修補類等五大類損壞類型，僅個別病害類型有所差異。從病害類型、調查分區、計算方法、指標分級及差異、優缺點等方面對比分析了評價道面損壞狀況的3個指標PCI、SCI、L，總結如表2所示。

表2 道面損壞狀況調查與評價

由表2可知，PCI、SCI、L均可評價道面整體的損壞狀況，SCI主要反映道面的結構損壞狀況；PCI、L反映道面整體的損壞狀況，與道面結構性能、功能性能均有一定的相關性。與L相比，PCI要求對道面病害鑒別更細致，對道面狀況的描述更準確，也更貼合道面性能實際。因此，可以利用PCI評價道面的損壞狀況。

3.2 道面結構性能

道面結構性能，是道面承受機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構的整體性能和綜合性能，能夠表征機型對道面強度的要求，選擇道面承載能力作為道面結構性能的評價內容。評價道面承載能力的方法主要有兩種：一種是ACN-PCN評價法，評價指標為PCN值；另一種是道面設計厚度復核法，評價指標為道面結構適應性厚度(he)。從評價方法、計算模型及參數、主要特點、測試方法、優缺點等方面對比分析了兩種評價方法的各自特點，總結如表3所示。

由表3可知，道面測試是承載能力評價的前提，道面承載能力測試內容較多，其中彎沉測試最為復雜繁瑣。以落錘式彎沉儀(FWD)和重錘式彎沉儀(HWD)為代表的彎沉測試，通過道面的荷載響應準確反映道面的基礎情況和道面面層的材料性能，是世界上各個國家最主要的道面結構測試方法，具有原位測試、速度快、不破壞道面結構等優點，是一種高效的道面無損檢測方式，測試時應優先選用。

通過對比分析可知，ACN-PCN評價法是國際通用的道面承載能力評價方法，能夠反映道面結構的整體性能，側重于機型的適應性分析；而道面設計厚度復核法按照設計的流程計算一定交通量所需的道面厚度，側重于航空交通量的適應性分析，因此采取PCN值評價道面承載能力。

表3 道面承載能力評價方法

3.3 道面功能性能

道面功能性能包含3個方面的內容，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，也是道面一項重要的功能性能。道面平整度，是指道面表面相對于理想平面的偏差，對飛機滑跑的動力性能、行駛質量和道面承受動力荷載的數值特征起著決定性作用[5,15]。道面的不平整給飛行任務帶來潛在的不安全因素，加速飛機機械性能的衰減和道面的損壞。但機場道面不可能是理想的平面，一是由于施工的允許偏差，道面產生固有的不平整；二是受機輪荷載和環境因素的長期反復作用，道面會產生新的不平整度。

世界各國曾提出很多道面平整度測定的方法和儀器，可以分為三類：一是斷面類平整度指標，二是反應類平整度指標，三是主觀評估法。從指標主要特點、測試方法、優缺點等方面對比分析道面平整度的評價指標，總結如表4所示。

由表4的對比分析可知，道面平整度評價指標眾多，BBI、IRI、S及鄰板差等較為常用。從測試設備的角度來看，三米直尺法和縱剖面高程變量均方差法所用設備簡單常用；IRI法在道路和機場領域應用廣泛，測試設備可行；BBI法為我國民航借鑒國外標準提出最新的道面平整度評價指標，目前國內針對BBI的適用性研究不多，多以仿真為主，測試設備相對較少，應用案例相對較少。從測試效率的角度來看，三米直尺法和縱剖面高程變量均方差法均是手動量測、統計計算，BBI、IRI均是自動采集數據計算，較三米直尺法和縱剖面高程變量均方差法更加高效。從相關性來看，有研究表明，S與IRI高度線性相關，相關系數為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量控制，BBI、IRI適用于運營階段道面性能的管理評價。因此，從可行性、適應性、測試與評價效率等方面分析，選用IRI評價道面平整度，并采用激光平整度儀測試。

表4 道面平整度評價指標

3.3.2 抗滑性能

道面抗滑性能影響飛機著陸滑跑安全，道面抗滑性能不良時，會造成飛機行駛和制動困難，必須保證飛機對道面抗滑的要求[1,6]。評價道面抗滑性能的指標主要有摩擦系數(f)、構造深度(Hs)。經查閱道面設計、施工、評價標準規范以及相關文獻，從指標主要特點、測試方法、優缺點等方面對比分析道面抗滑性能的兩個評價指標，總結如表5所示。

通過表5對比分析，抗滑性能評價指標為摩擦系數和構造深度，但測試方法和設備多樣。從測試設備的角度來看，鋪砂法、擺式摩擦儀，測試儀器攜帶方便、方法簡單，是定點測試道面抗滑性能的方法，能夠反映道面測點處的抗滑性能，但在反映一段距離道面整體的抗滑性能時不如連續式抗滑性能測試方法，測試工作量大，難以滿足高效便捷的測試要求。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；擺式摩擦儀測定摩擦系數的方法更適用于瀝青道面。從相關性來看，有研究表明，f與Hs線性相關，相關系數為0.74，f在一定程度上能夠替代Hs[15]。跑道摩阻測試車作為最常用的連續式摩擦系數測試設備，數據采集、傳輸、記錄和處理均由專業軟件自動控制，測試速度快，能夠模擬道面與輪胎摩擦的狀態，通過車載計算機分析，快速給出道面摩擦系數，更加適應于運營管理階段道面抗滑性能評價。

表5 道面抗滑性能評價指標

因此，從可行性、適應性、測試與評價效率等方面分析，選用連續式抗滑性能測試設備測試的摩擦系數評價道面抗滑性能，并采用跑道摩阻測試車測試。

3.3.3 排水性能

民用規范將排水性能作為道面功能性能的一個評價指標，排水性能主要與道面橫坡相關，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、抗滑性能等指標相比，重要性相對較低。因此，在道面性能適航評價方面，可不將其作為評價內容。

4 基于適航要求的水泥道面性能評價指標體系的建立

通過道面各個方面性能和評價指標的比對篩選，可以構建基于適航的水泥道面性能評價指標體系。指標體系共分為3層:第1層為目標層，總目標為水泥道面適航能力；第2層為準則層，是道面適航的評價內容，包括承載能力、平整度、抗滑性能；第3層為評價指標層，具體為：PCN值(ACN-PCN評價法)、IRI(測試設備激光平整度儀)、f(測試設備跑道摩阻測試車)。