貴州某機場瀝青道面反“Z”型隆起成因分析

江圣澤，盛昀，方學東

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

貴州某機場跑道長2 600 m，寬45 m，兩側道肩寬度為1.5 m。該機場1958 年開始建設，期間由于各種原因停建，于1970 年又重新開始建設，至1972 年建成，占地1 397 畝，跑道長1 500m、寬40 m，為混凝土碎石結構。經過多年發展，機場目前飛行區等級為4C，距離市區約為22 km，航空服務范圍覆蓋黔、湘、渝等省市。為滿足旅客吞吐量逐年增長的需要，2012 年該機場將原跑道向北延長至2 600 m，新建1條長136.5 m、寬18 m 的垂直聯絡道。機場現有2條垂直聯絡道，均為水泥混凝土道面和瀝青道面拼接而成。2020年7月，對該機場道面進行檢測，道面的整體情況良好，但是在B滑行道檢測過程中發現瀝青混凝土道面出現異常隆起，隆起部位發生在瀝青道面與水泥道面交接處的瀝青道面部分。道面隆起部位的結構為底部30 cm級配碎石層+30 cm水泥混凝土層，混凝土層的上部依次加鋪了9 cm 的AC-20 瀝青混凝土層+6 cm 的SMA-16 瀝青混凝土層。為了進一步保障機場的安全運行，有必要對該病害出現的成因進行探究。

1 檢測布置

1.1 探地雷達檢測

在機場飛行區的檢測過程中，發現B滑行道瀝青道面中面向跑道方向的左側出現隆起病害，隆起變形沿瀝青道面層下方水泥混凝土板施工接縫分布。隆起高度約為3 cm，寬度約為5 cm，總體呈現反“Z”型，如圖1 所示。為檢查瀝青層下部是否具有脫空現象，使用探地雷達對該隆起部位進行掃描。結合反“Z”型分布特點，制定了5 條掃描測線，如圖2 所示。測線中，A-A′、B-B′、CC′和D-D′分別沿滑行道南、北方向分布，間隔約為5 m。E-E′是單獨的一條測線，沿東西方向分布。

圖1 瀝青面層反“Z”型隆起Fig.1 Ⅰnverse Z type uplift of asphalt surface layer

圖2 探地雷達檢測路線Fig.2 Detection route of the GPR

檢測時，將雷達依次沿A-A′至D-D′推進，然后沿東西方向進行E-E′測線的檢測。根據檢測結果，B-B′至D-D′測線的雷達顯示波段明顯存在異常，表明瀝青面層下存在脫空現象。

1.2 鉆芯取樣試驗

道路上的行車荷載是連續反復荷載[1]，飛機對道面的作用也是主起落產生的循環荷載。結合B滑行道的各層結構圖，現場避開飛機輪跡帶，布置2個鉆孔，使用100 mm 鉆頭對鼓起瀝青道面進行鉆芯取樣，鉆至瀝青面層之下的混凝土層，停止鉆孔，取芯，目視觀察孔底狀況，發現鉆芯過程中有破碎現象。根據測量掉落試塊的大小，瀝青面層與混凝土層之間存在約1 cm 的空洞，取樣部位存在明顯脫空現象。

對瀝青混合料組成進行分析，上面層瀝青混合料的毛體積相對密度為2.443，理論最大相對密度為2.553，空隙率為4.3%。下面層瀝青混合料的毛體積相對密度為2.399，理論最大相對密度為2.523，空隙率為4.9%。

SMA 材料技術要求空隙率范圍是3.0%～4.5%，AC 材料技術要求空隙率范圍是3.0%～5.0%，因此，現場取芯試樣的空隙率需滿足要求[2]。

經過離心抽提試驗分析，得出該機場瀝青道面上面層材料的瀝青含量為5.6%，下面層材料的瀝青含量為4.8%。根據《民用機場瀝青道面設計規范》（MH/T 5010—2017），SMA-16 的最佳瀝青用量范圍為5.4%～6.0%，AC-20 的最佳瀝青用量范圍為3.8%～4.8%，試驗結果滿足要求。

瀝青混合料現場芯樣的抗剝落性，通過肯塔堡飛散試驗測定[3]，檢測得到肯塔堡浸水飛散損失率為5.3%。從結果可知，機場瀝青道面的上面層材料抗剝落性良好，跑道使用至今仍低于設計時材料散失損失率要求的上限值，明顯符合運行要求。此外，從浸水飛散試驗結果來看，水穩定性初步判定為較好，損失率較低。

經過凍融劈裂試驗，得到劈裂強度，計算出上面層試件的凍融劈裂比（TSR）結果為88.2%，下面層實際的凍融劈裂比（TSR）結果為89.1%，滿足抗水損害性能的凍融劈裂試驗的殘留強度比值要求。結合肯塔堡浸水飛散試驗結果可知，瀝青道面上面層的水穩定性較好，經使用后仍滿足道面設計時的要求。

通過抽提分離瀝青和旋轉蒸發回收瀝青試驗方法，發現回收瀝青各項指標的變化也屬于正常范圍，表明該機場瀝青道面的瀝青老化程度并不嚴重。

2 有限元建模與仿真

2.1 模型建立

經過試驗分析，瀝青混凝土層不存在嚴重問題，故對下部混凝土板進行分析。參考實際結構，采用ANSYS 軟件建立三維有限元模型。模型瀝青混凝土部分上層為6 cm 厚SMA-16 的瀝青混凝土，下層為9 cm 厚AC-20 的改性瀝青混凝土。混凝土部分為2 塊長5 m、寬5 m 相互接觸的板塊，板厚為30 cm。根據劈裂試驗結果，得到道面材料的各項參數，見表1。

表1 各材料參數Table 1 Material parameters

隆起部位靠近滑行道道肩，雨季降水會使得部分雨水從道肩一側的土面區下滲到道面板與瀝青層的結合部，對結構造成侵蝕。夏季高溫會導致混凝土和瀝青層受熱膨脹。因此，對模型施加溫度荷載，觀察模型受熱膨脹后的變化。為了更好地模擬板單元的受熱狀態，考慮到雨水侵蝕作用，結合規范要求，在原模型的基礎上將板縫兩側的混凝土板塊各劃分出一定寬度的“侵蝕”影響區域，如圖3 所示。游慶龍等人[4]在進行適應大飛機瀝青道面結構有限元模型分析時，使用ABAQUS 軟件中的tie 連接，對不同層間連續條件進行模擬。段小蘭[5]曾使用ANSYS 軟件模擬完全接觸狀態下路面產生的溫度應力。為了讓本模型不同結構層間的節點和單元彼此之間沒有相對位移，分別將各層進行Bonded 連接。Bonded 連接用于模擬2個接觸面無相對滑動的情況，相當于兩者完全結合在一起，是接觸類型中較為常見的一類情況[6]。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

網格質量的好壞對模型計算精度具有很大影響[7]，所以應考慮計算精度和效率的情況下對模型進行劃分。本模型網格播種尺寸為100 mm，全模型劃分后，共149 834 個節點，25 000 個單元，如圖4所示。

圖4 網格單元劃分Fig.4 Grid elememt division

該機場選址位于西南山區，年平均氣溫為13.5～17.6 ℃，夏季最高氣溫約為45℃，最低氣溫為－5 ℃，結合道面材料和實際外界環境氣溫對模型施加溫度荷載。

邊界條件是否施加，應根據具體工程應用的需要。有無邊界約束的有限元模型均有各自使用范圍，應根據需要酌情選擇[8]。根據機場道面實際情況，采用Winkler 地基模型模擬對道面結構的作用[9]，模型上部為自由邊界，周邊約束板體的水平位移。

2.2 計算結果分析

經過計算，模型整體位移變形，如圖5 所示。從結果數據來看，模型中間部位的變形最大，最大數值為31.811 mm，寬度約為10 cm。然后逐漸向兩側遞減。對比現場情況，在溫度荷載作用下，瀝青層與混凝土板結合部產生熱膨脹，上部隆起高度約為3 cm，底部板縫處豎向變形約為1.2 cm，理論計算值與現場實測值相差不大。

圖5 模型整體變形Fig.5 Deformation of the model

觀察整體在不同時間段內的變形過程，可得高溫作用下受雨水侵蝕的板塊受熱發生膨脹，此時板體處于四周不自由狀態，這種膨脹使2塊相鄰板相互擠壓導致應力集中，從而產生豎向拱漲變形，加之隆起部位靠近滑行道道肩，雨水經土面區下滲后，對混凝土道面板結構層產生侵蝕作用，降低了混凝土的抗變形能力，使接縫兩側板體的豎向位移加劇，并導致上部瀝青結構層被頂起。

高溫導致豎向變形，同時也會對級配碎石層產生影響，鉆芯取樣發現級配碎石層與混凝土板間出現的空洞也是板塊出現熱膨脹變形導致。

模擬結果表明：溫度荷載使瀝青面層出現隆起部位處的最大拉應變為0.000 3，小于結構設計強度，故瀝青結構層在變形狀態下未發生裂縫損壞，符合現場探查的實際道面情況。

3 結論

通過瀝青材料試驗和三維有限元模型仿真，分析了貴州某機場B滑行道瀝青面層異常隆起的病害形成原因，得到結論為：

1）通過室內試驗，瀝青上面層材料空隙率為4.3%，下面層材料空隙率為4.9%。浸水飛散試驗顯示水穩定性和抗剝落性較好。瀝青上面層粗集料較標準推薦范圍偏多，細集料則偏少，并且各檔細集料顆粒含量皆小于標準推薦范圍，導致瀝青道面出現松散。瀝青下面層礦料組成符合推薦級配范圍。上、下面層瀝青用量均滿足設計規范要求。從各項試驗結果來看，B滑行道瀝青混凝土表面出現了一定松散和老化，產生了變形，但老化程度較輕，表層結構并未發生破壞。

2）隆起病害區在飛機滑行的后部主輪輪跡線以外，不會產生水平推擠作用，再根據鉆孔底部混凝土破碎情況可知，因為水泥混凝土層的施工接縫處理措施不當，在運營期，降雨從土面區沿施工縫滲入造成混凝土侵蝕破壞。由于受影響區域沿水泥混凝土板塊的施工縫分布，加之夏季高溫膨脹導致混凝土板塊在受熱過程中相互擠壓，能量封閉在板體內無法釋放，因此呈現規則的反“Z”型豎向隆起。

3）隆起部位雖處于輪跡帶外，由于病害特殊，B滑行道瀝青道面中向跑道方向的左側反“Z”型隆起病害應引起重視。為進一步保障航班安全，建議委托相關單位進行開挖修補，將瀝青道面銑刨后，查看下方混凝土層情況，必要時應將破碎部分進行切割修補，重鋪該區域道面。