新建機場水泥混凝土道面厚度對彎沉的影響分析*

黃 博 李一凡

(1.四川省機場集團有限公司 成都 610200； 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

新建成的成都天府國際機場位于成都市東南方向、龍泉山脈東側、簡陽市西側的蘆葭鎮、草池鎮及石板凳鎮境內。該機場目前有“兩縱一橫”3條跑道，跑道均為水泥混凝土道面，考慮到飛機起降特征和經濟性，跑道設計為跑道兩端道面較厚、跑道中段道面較薄的結構形式。由于成都天府國際機場所在區域降雨比較豐富，年平均降雨量為900 mm，運營階段飛機起降架次較多，將達到75萬架·次/年，給機場道面的使用帶來了巨大的壓力。由于跑道具有不同的道面厚度，這將導致該跑道不同厚度道面的結構性能產生不同程度的衰減。

為了分析不同厚度的道面結構性能，可通過檢測道面彎沉，并反演得到道面結構參數[1-2]，而新建機場道面整體情況較好，影響道面彎沉的因素(如：板底脫空、板塊斷裂等病害)較少，道面狀態較為均勻，因此對新建機場道面進行彎沉測試，可獲取更準確的彎沉值。本文根據機場道面彎沉測試方法，對新建成都天府機場水泥混凝土道面進行測試，通過對不同厚度道面的彎沉值進行分析，研究水泥混凝土道面厚度與彎沉之間的關系，以為后續不同部位道面結構性能的評價和道面養護提供依據。

1 彎沉測試方法

重型落錘式彎沉儀(heavy weight deflectometer，HWD)以其原位測試速度快、測試精度高、自動化程度高、荷載級位調整方便、可模擬行車荷載作用、彎沉信息豐富、對道面結構無損傷等優點[3]而廣泛應用于我國機場水泥混凝土道面板彎拉回彈模量的確定、混凝土道面板下基層頂面反應模量的評定、混凝土道面接縫傳力性能的測試與評定、道面板板底脫空狀況的檢測等方面[4]。

重型落錘式彎沉儀通過計算機控制下的液壓提升并釋放重錘，從而給道面施加脈沖荷載，荷載大小可通過改變重錘重量和高度來調整，脈沖荷載的持續時間則可通過緩沖物來控制，荷載經剛性圓盤作用到機場道面上，在距離荷載中心一定范圍內設定4～12個傳感器，采集并記錄各測點在沖擊荷載作用瞬間的動態變形信息，輸入計算機內最終可得動態彎沉峰值和彎沉盆數據[5-6]。HWD彎沉測試示意圖見圖1。

圖1 HWD彎沉測試示意圖

2 道面厚度與彎沉的關系

影響道面彎沉的因素有很多，其中，面層厚度、面層材料彎拉模量和基層頂面反應模量是影響道面彎沉的3個最主要因素。通過分析道面彎沉與上述3個因素的關系，建立由彎沉和道面厚度到面層材料彎拉模量和基層頂面反應模量的反演方法，進而反演道基和道面各結構層模量以及進行水泥混凝土道面結構穩定性評價已經成為了當前道面結構性能評價的一項重要內容。

學者們針對水泥混凝土道面厚度和彎沉之間的關系開展了相關研究。袁捷[7]建立剛性道面有限元模型，道面厚度分別取20，25，30，35，40 cm，控制荷載、模量等條件一致，發現道面厚度對于彎沉盆的影響表現出非線性的特征，距離荷載中心的距離最近，非線性特征越明顯，隨著距離的增加，道面厚度對于彎沉的影響逐漸減弱。張玉芳等[8]考慮道面厚度為30，32，34，36，38，40，42 cm 7種情況，建立有限元模型，發現道面厚度每增加2 cm，彎沉會降低2%～5%。且道面厚度越大，下降百分比越小，并將結果進行統計分析，認為彎沉與道面厚度基本呈線性比例關系。

目前有關道面厚度對彎沉的影響研究多采用模擬仿真的方法，較少涉及實際機場的相關測試，而對新建機場道面彎沉的研究基本沒有。

3 工程實例

3.1 道面概況

本次測試對象為新建成都天府國際機場的西一跑道道面，該跑道所在飛行區等級為4F，跑道按4F標準設計，跑道長4 000 m、寬60 m，面層材料為水泥混凝土，基層為水泥穩定碎石。跑道端部道面厚度為42 cm，跑道中段道面厚度為38 cm，道面板平面尺寸均為5 m×5 m。

3.2 檢測設備

本次檢測所使用的設備為重型落錘式彎沉儀，型號為：AY-8081 HWD，檢測設備技術標準見表1。

表1 檢測設備技術標準

3.3 測試區域

本次進行HWD測試的區域共有6個。對于起飛區域，選取距跑道南端220 m處設置測試區1個，稱其為區域1，并在跑道另一端取對稱位置，稱其為區域6；對于降落區域，選取距離跑道南端500 m處設置測試區域1個，稱其為區域2；對于高速滑跑狀態下的起飛和降落區，選取距離跑道南端1 170 m處設置測試區1個，稱其為區域3；對于快速轉向的飛機，選取第一快速出口滑行道附近設置測試區1個，稱其為區域4，選取第二快速出口滑行道附近設置測試區1個，稱其為區域5，測試區域位置見圖2。

圖2 測試區域位置

其中，區域1、區域2和區域6的道面厚度均為42 cm，區域3、區域4和區域5的道面厚度均為38 cm。區域1至區域6所檢測的道面板數量分別為：8塊、7塊、6塊、6塊、6塊和7塊。各區域所檢測的道面板均分布在跑道中線兩側2塊板內。

3.4 測點位置

本次測試選取的測點位置有3種：板中測點、板邊測點和板角測點。其中，板中測點位于道面板表面的幾何中心，傳感器沿跑道縱向布置；板邊測點位于道面板板邊中點且距板邊垂直距離0.15 m處，傳感器沿垂直于板縫且跨板縫布置；板角測點位于板角處，且與互相垂直的板邊的距離均為0.15 m，傳感器沿板角向板中方向布置。每個測點用相同的荷載敲擊3次，每個被檢測的道面板均布設有上述測點，共計148個測點。

4 數據分析

4.1 異常數據剔除

由于HWD測試是在人為操作下進行的，盡管彎沉測試設備已經過校準，但人為操作失誤、天氣等不可控因素，會導致測得的原始彎沉數據中不可避免地出現一些異常數據。因此，為了相對真實地反映機場水泥道面結構性能，盡可能準確分析彎沉數據的統計分布規律，消除異常數據的影響就顯得尤為重要。本文采用的異常數據剔除原則如下。

1) 距離荷載中心較遠處的彎沉值大于離荷載中心較近處彎沉值，則該組數據作為異常數據剔除。

2) 在對水泥混凝土道面板進行板邊中點彎沉測試時，跨縫布置的2個傳感器中，若未受荷板傳感器的彎沉數據大于受荷板相鄰傳感器的彎沉數據，則該組數據作為異常數據剔除。

3) 對同一塊板進行板中、板邊和板角的彎沉測試，若板中最大彎沉(即中心荷載作用點處的彎沉)大于板邊或板角的最大彎沉，則3組數據均作為異常數據剔除。

4) 當相鄰2個傳感器測得彎沉衰減斜率大于同一區域平均相鄰傳感器彎沉衰減斜率的2倍時，則該組數據作為異常數據剔除。

按照上述標準，共剔除72組異常彎沉數據，保留372組有效彎沉數據。

4.2 數據的標準化處理

盡管HWD測試中設置動力荷載為320 kN，但實際上每處測點所施加荷載存在一定偏差，一般不超過10%，因而需要對彎沉數據進行荷載修正。文獻[5]指出，道面結構的彎沉響應量與荷載呈線性關系，故可按式(1)將各測點的有效HWD彎沉數據線性修正至理論荷載320 kN下的彎沉值。

(1)

式中：D為理論荷載下的彎沉值，μm；S為實測彎沉值，μm；F為實測荷載值，kN。

4.3 不同板厚下的彎沉值

分別統計38 cm和42 cm厚度的道面板板中、板邊、板角在理論荷載下的彎沉值并計算不同道面板厚度和位置處傳感器的平均值，得到新建機場水泥混凝土道面不同厚度和不同測試位置的典型彎沉盆數據。典型彎沉盆數據見表2，典型彎沉盆形狀見圖3。

表2 典型彎沉盆數據

圖3 典型彎沉盆形狀

由表2數據可知，同樣荷載作用下，厚度為42 cm的道面荷載中心處彎沉值比38 cm厚的道面荷載中心處彎沉值有所減小。其中，板中彎沉減小了15.1%，板邊彎沉減小了6.0%，板角彎沉減小了4.0%。板中彎沉減少量為24.4μm，減少量遠大于板邊彎沉和板角彎沉的減少量。

由圖3可知，隨著距荷載中心距離的增加，厚度為38 cm的道面彎沉衰減速度比厚度為42 cm的道面快。在距荷載中心0.9～1.2 m和1.5～1.8 m段，厚度為38 cm的道面彎沉已經開始小于厚度為42 cm的道面彎沉。

此外，無論是厚度為38 cm的道面還是厚度為42 cm的道面，均表現出了板角彎沉>板邊彎沉>板中彎沉的特點，這與之前的研究結果相符。

4.4 不同板厚下彎沉的關系

根據各測點荷載中心標準彎沉，計算各個板塊的板邊彎沉與板中彎沉之比和板角彎沉與板中彎沉之比，并按道面的厚度分類，將上述2個比值分別取平均，得到彎沉比結果，不同道面厚度的彎沉比見表3。

表3 不同道面厚度的彎沉比

由表3中數據可知，道面厚度分別為38 cm和42 cm時，新建水泥混凝土道面的板邊彎沉/板中彎沉平均值分別為1.11和1.12，板角彎沉/板中彎沉平均值分別為1.27和1.27，2種厚度道面的彎沉比基本無區別。

道面厚度為38 cm時，板邊彎沉/板中彎沉和板角彎沉/板中彎沉的變異系數分別為4.7%和5.8%；道面厚度為42 cm時，板邊彎沉/板中彎沉和板角彎沉/板中彎沉的變異系數分別為5.2%和6.8%。通過變異系數的橫向和縱向對比分析，可認為所得彎沉比的變異系數較為接近，且數值較小，說明這四部分數據的離散性較小，且較為統一，說明測試所得彎沉和計算結果所得彎沉比較為準確、穩定、可靠。

5 結語

本文通過介紹HWD測試方法，結合目前水泥混凝土道面厚度與彎沉相關研究，為減少其他因素的影響，對新建的成都天府國際機場西一跑道進行道面HWD檢測，并分析檢測所得38 cm和42 cm厚度道面不同位置處的彎沉數據，得到以下結論。

1) 隨著道面厚度的增大，荷載中心彎沉值會減小，并且隨著距荷載中心距離的增加，厚度較大的道面彎沉衰減速度減慢。

2) 道面厚度對板邊彎沉/板中彎沉和板角彎沉/板中彎沉比值基本無影響。

本研究結果顯示，新建機場水泥混凝土道面厚度對彎沉盆的形狀有一定影響，但由于本研究只考慮了38 cm和42 cm這2種道面厚度，使得道面厚度與彎沉的關系不夠明確。因此，在未來的研究中可使用更多厚度不同的新建道面，根據研究結果，考慮道面厚度的影響，對彎沉反演方法加以改進。