機場瀝青跑道加鋪改造現場足尺試驗分析

王甫來，朱立國

（1.青島國際機場集團有限公司，山東 青島 266000；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京市102600）

0 引言

機場復合道面主要是在既有或新建水泥混凝土道面上鋪筑瀝青層所形成的復合結構。在既有水泥道面上加鋪高性能瀝青層可有效改善其結構性能和表面功能，并可在不停航條件下施工，已成為機場跑道加鋪改造的主流形式。隨著既有水泥道面的損壞與退化，我國已對40多個機場的水泥道面實施了跑道加鋪工程，以獲取良好的道面使用性能。然而，一部分復合道面在未達到設計壽命時就已經損壞。機場復合道面的損壞包括Top-down的剪切開裂、Bottom-up的反射裂縫開裂、滑移斷裂、較大的輪轍波浪等。例如上海虹橋機場，在2008年實施加鋪瀝青層后僅使用2年，就因道面損壞而不得不再次實施瀝青層的加鋪改造。復合道面早期損壞的出現，會加速道面結構性能衰退，縮減道面的使用壽命。

因此，研究道面損壞的產生及破壞規律，并采取適當的措施進行預防，對于延長道面的服務年限有重要意義。本文依托成都雙流國際機場西跑道瀝青加鋪改造工程，完成了機場瀝青加鋪層現場足尺試驗方案設計及施工，通過獲取瀝青層在荷載作用下的應變響應，為上述道面損壞的相關研究工作提供數據支撐。

1 現場足尺試驗段修建

Fred Hugo院士認為，雖然現場足尺試驗投入高、耗時長，但是其與道面結構的實際條件相近，所獲得的知識可靠性高[1]。事實上，足尺試驗是進行道面理論和設計方法研究不可或缺的部分，在全世界范圍內被廣泛應用，并取得了大量研究成果。1909年美國底特律市修建了第一條足尺試驗路。1919年～1930年，美國在Aelington開展環道足尺試驗，并由此提出了混凝土道面設計方法。在隨后的幾十年里，美國、英國、荷蘭、墨西哥、加拿大、法國、瑞士、日本等國家均開展了足尺試驗，其試驗成果有力地推動了道面設計理論的發展[2-4]。我國在20世紀80年代引入足尺加速加載設備，并開展了一系列足尺試驗研究[5]。

1.1 足尺試驗的道面結構

本文依托成都雙流國際機場西跑道瀝青加鋪改造工程來修建足尺試驗的道面。該機場飛行區技術等級為4E，西跑道尺寸為3 600 m×45 m，南段為主降方向。西跑道曾經過多次加鋪改造，導致現狀道面結構復雜。以南段為起點，既有的跑道道面結構分別為：

（1）0～600m和3400～3 600 m：38cm水泥混凝土板+2 cm石屑找平層+18 cm水泥穩定碎石基層+18 cm砂礫石基層。

（2）600～700m和3300～3400m：25cm 新水泥混凝土加鋪板+31 cm原水泥混凝土板+2 cm石屑找平層+20 cm砂礫石基層。

（3）700～3 300 m：25 cm 新水泥混凝土加鋪板+21 cm原水泥混凝土加鋪板+27 cm原水泥混凝土板(邊緣減薄至21 cm)+20 cm砂礫石基層。

綜合考慮傳感器尺寸、測量精度、數據傳輸及耐高溫性等多種因素，選用光纖光柵（BA-OFS215）瀝青應變計測量瀝青層底應變，選用光纖光柵（BA-OFT10）溫度傳感器進行溫度修正。

1.2 試驗段施工

試驗段平面位置見圖1。

圖1 試驗段平面位置

試驗段施工過程包括傳感器定位、道面拉毛、線槽開挖、傳感器埋設以及施工期間的實時監測等環節。根據跑道標志線以及飛機轉彎時的偏移規律，選定如圖2所示的3塊水泥混凝土板塊進行現場試驗。將20個光纖光柵瀝青應變計分別布設在3塊水泥混凝土板的板邊、板中、板角等位置，2個溫度傳感器隨機埋設，傳感器位置用記號筆標記，如圖2所示。道面拉毛處理以增強層間的黏結力；開挖線槽以保護光纖免被施工機械及高溫破壞。

圖2 傳感器布設方案

傳感器埋設時（見圖3），以熱拌瀝青混合料AC-10包覆并固定傳感器，再在傳感器底鋪設一層混合料、夯實；放置傳感器后再鋪設一層混合料，使傳感器包覆其中，再次夯實。在置入線纜的縫上方鋪設少量混合料，防止線路脫出。完成后，等待混合料自然冷卻至常溫。操作過程應迅速熟練，防止因混合料較快冷凝而難以夯實。

圖3 傳感器埋設

攤鋪施工過程中，實時監測傳感器存活狀態。待施工結束后，安排車輛測試，檢測傳感器的工作狀況。經測試，本次試驗工作狀態正常的瀝青應變計有12個，溫度傳感器2個，傳感器存活率約64%。

2 數據獲取與分析

2.1 傳感器數據

分別提取板中、板角、橫縫板邊中部及縱縫板邊中部處瀝青應變計在某一時刻的實測數據，得到瀝青層底應變實測值，如圖4所示。飛機荷載的整個作用過程中，瀝青層底應變表現為拉壓交替變換：荷載接近時，瀝青層底呈現拉應變，幅值??；荷載作用在瀝青層正上方時，瀝青層底應變迅速由拉變為壓，量值較大；荷載離開后，層底壓應變恢復并出現較小的拉應變，隨后慢慢恢復為零。通過對比圖 4（a）～（d）可知，對于復合道面，由于既有水泥混凝土道面結構不連續，當飛機在瀝青加鋪層上行駛時，瀝青層底的應變響應在平面分布上存有差異。板中和橫縫板邊中部均位于輪跡正下方，但橫縫板邊中部的應變峰值約為板中的7倍。

2.2 有限元模型

假設飛機經過試驗斷面時為勻速運動，建立道面結構的三維有限元模型，研究瀝青加鋪層層底的應變響應量。通過與傳感器數據對比，評估現場足尺試驗方案的效果。成都雙流國際機場起降機型中C類飛機約占90%，本文的有限元分析中，采用A320作為代表機型，其荷載模型基本參數見表1。

圖4 瀝青層底應變實測值

表1 A320荷載模型參數

采用ABAQUS建立15 m×15 m的三維有限元模型，假設層間完全粘結[6]，各結構層為彈性體，模型參數選取如表2所示。

表2 有限元模型主要計算參數[7]

模型中土基底部采用完全約束、側面約束法向位移，最終三維有限元模型如圖5所示。

圖5 道面結構三維有限元模型

2.3 結果分析

假定飛機的速度為15 km/h，則通過模型所需的時間為3.6 s。提取中心板塊的板中、板角、橫縫板中及縱縫板中等4個位置處的瀝青層底應變，其瀝青層底應變有限元計算結果如圖6所示。對比圖4和圖6可以看出，有限元計算值和實測值之間數量級和變化規律吻合較好。但是有限元計算結果中圖 6（a）與圖 6（c）、圖 6（c）與圖 6（d）之間的差值較實測值小。這可能是有限元模型中模型材料選用了線彈性模型，與實際情況有偏差所致。

傳感器實測值和有限元分析結果均表明，水泥混凝土板的不連續導致瀝青加鋪層出現應力集中，在加鋪層設計時應當加以考慮，以免出現反射裂縫的早期損壞，影響道面結構的使用壽命。在瀝青層加鋪改造前應評估既有水泥混凝土道面板底脫空情況和接縫傳荷能力，必要時采取一定的措施加以修復。

圖6 瀝青層底應變有限元計算結果

3 結語

采用光纖光柵瀝青應變計可有效獲取機場復合道面層底拉應變。瀝青應變計在攤鋪施工中存活率不高，有必要進行雙備份埋設；同時瀝青層底的有限元計算值與實測值吻合較好，研究中可以采用有限元計算復合道面結構響應，但應進行模型標定。既有水泥混凝土道面的接縫會導致加鋪瀝青層的應力集中，邊、角處結構較薄弱，應予以重視。