利用无损探测技术研究机场道面错台成因＊

2013-01-18向会伦邵显智安彦卿余国祝

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2013年6期

向会伦邵显智安彦卿余国祝

（中国民航机场建设集团公司科研基地北京 100621）

道面错台影响水泥混凝土道面平整度，从而降低飞机起飞和着陆过程中乘客及飞行员的舒适度，还影响飞行员对仪表的准确读数和对飞机的控制，降低飞机起落架和机身疲劳寿命［1］．同时，飞机荷载在道面错台处产生很大冲击力，造成接缝失效，诱发唧泥、脱空，从而致使面板断裂，使结构丧失承载力．

水泥混凝土道面错台主要是由以下原因引起［2］：（1）基层碾压不密实，强度不足，致使基层在行车荷载作用下发生塑性累积位移；（2）局部地基不均匀下沉；（3）相邻板间的传荷能力下降；（4）水浸入基层，行车荷载使路面板产生泵吸现象，动水将面板与基层间的碎屑抛向后方，把后方的板抬起．不同的原因导致的道面错台修补措施也不尽相同．导致错台的因素众多，工程实际中有必要对错台原因进一步明确，以便采取有效措施进行修补．为了尽量减小道面的进一步损伤，本文采用无损探测技术进行道面错台检测，以便明确引起道面错台的成因．

1 工程概况

该跑道为两期修建，其中错台以南道面为一期所建，错台以北道面为二期所建，为了满足飞行需求，近年又对跑道进行了全幅加盖，具体道面结构见表1．

表1 道面结构参数

在2期所建道面交界处道面板接缝处出现错台，最大高差9mm，但引起错台的原因并不清楚．为了查明该区域病害出现的原因，以便采取更加科学、合理的修复措施，本文采用弯沉仪和探地雷达对道面进行无损检测．

2 道面错台测试

道面错台测试主要分为有损测试和无损测试，有损测试主要是通过钻心取样，该种方法破坏了道面面结构的完整性，影响道面的正常使用，无法对基层结构状况进行研究．因此本文采用无损测试技术对道面错台进行测试，根据该机场道面病害特征，采用落锤式弯沉仪和探地雷达对道面进行综合测试．

2．1 弯沉测试

2．1．1 测试原理

落锤式弯沉仪（FWD）通过落锤对道面的冲击作用模拟飞机对道面的施荷过程．通过分布于距荷载中心不同距离的传感器记录道面在荷载作用下的弯沉响应，从而评价道面及基础的强度和结构状况．

接缝传荷能力系数是评价水泥混凝土道面板接缝传荷能力的一种参数．测试中通过2个距FWD承载板中心距离相同但分别跨越接缝两侧不同板块的传感器分别测定弯沉，然后计算受荷板和未受荷板弯沉比值求得道面的接缝传荷系数，即

式中：DUL未受荷板距离接缝15cm处实测弯沉，μm；DL受荷板距离接缝15cm处实测弯沉，μm．

脱空系数是反映水泥混凝土道面板底与基础间脱空情况的参数．由在道面板板中测定的弯沉与板边测定的弯沉进行对比．T＝b×t （2）

式中：T为脱空系数；t为原始脱空系数；b为约束系数；DS，DC分别为板边、板中测点的承载板中心弯沉．

根据《民用机场道面评价管理技术规范》（MH／T5024—2009）即可对对道面传荷能力及道面脱空程度进行判定．

2．1．2 测试方案

弯沉测试区域为道面错台处南北两侧各3排道面板．在测试区域跑道中线东西两侧自南向北平行于跑道中线按道面分幅各布置五条测线，并对测线进行编号，见表2．根据道面结构情况，FWD锤重选用15t，分别测定各测线板边和板中的弯沉数据，测点间距为5m，见图1．

图1 道面弯沉测试示意图

表2 弯沉测试测线布置表

2．2 探地雷达测试

2．2．1 探地雷达基本原理

探地雷达是利用电磁波对地表的穿透能力，从地表向地下发射某种形式的电磁波，电磁波在地下介质特性变化的接口上发生反射，通过接受反射回波信号，根据其延时、形状及频谱特性等参数，解译出目标深度，介质结构及性质［3］，见图2．

图2 探地雷达基本原理图

在无源空间中，电磁场的发射、传播、反射、折射及绕射满足如下的麦克斯韦尔方程［4］：

式中：E，H为电场和磁场矢量；D为电位移；B为磁感应强度；i为电流密度；ρ为电荷密度．

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据地质雷达记录的地面反射波与地下反射波的时间差Δt，即可算出该界面的厚度h．

对于道面检测而言，H即为面层厚度，v是电磁波在地下介质（面层）中的传播速度，相对于雷达所用的高频电磁波（900～2 500MHz），道面面层所用的材料都是低损耗介质，其速度为

式中：c为电磁波在大气中的传播速度，约为300 000km／s；εr为面层的相对介电常数，它取决于构成面层的所有物质的介电常数．

反射信号的振幅与反射系统成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数为

式中：εr1，εr2分别为上、下介质的相对介电常数．

由式（8）可知，反射信号的强度主要取决于上、下介质的电性差，电性差越大，反射信号越强．不同面层（上、中、下）之间所用材料存在细微差别，因此只能得到较弱的反射信息［5］．

2．2．2 测试方案

采用探地雷达对跑道错台病害区进行检测，在跑道中线东、西两侧自南向北平行于跑道中线按道面分幅共布置10条测线，并对测线进行编号．另外，在错台接缝南北两侧第一排板各布置一条测线，各测线的测试方向和范围见表3．

表3 雷达测线布置

3 测试结果分析

3．1 弯沉测试结果分析

道面传荷降低及基础脱空是引起道面板错台的主要因素之一．本文利用弯沉仪测试道面传荷及脱空系数以分析道面板的错台的原因［6］．该机场道面错台区域道面传荷能力变化曲线和道面脱空系数变化曲线见图3～4．

图5 道面错台区域雷达图像

图3 道面传荷系数变化曲线图

图4 道面脱空系数变化曲线图

由图3～4可见，根据《民用机场道面评价管理技术规范》的道面传荷评价标准，东侧道面的传荷能力较好，除东、西两侧第一幅道面板测线测点传荷能力大都为中或次外，其他测线的道面传荷能力均为好；跑道道面板错台处北侧第一排道面均轻度脱空或中度脱空，E1测线南侧第一块板也出现中度脱空，其他区域道面板均不脱空或轻度脱空．错台区域南北两侧道面传荷能力不尽相同，北侧道面板脱空比南侧更严重，恶化的趋势也更明显．

根据脱空的形成机理可知，道面脱空主要是由于唧泥、温度翘曲以及基础不均匀变形造成的［7］．因此，弯沉检测结果无法充分说明该机场跑道错台是完全由于道面板脱空引起的．为了更进一步分析道面板错台的根本原因，本文采用探地雷达对道面进行详细检测．

3．2 雷达测试结果分析

为了更进一步分析引起该机场错台的根本原因，本文利用探地雷达依照上述检测方案对错台区域进行检测后，对雷达数据进行处理、分析，部分具有典型代表性的分析结果见图5～6．

综上所述，跑道道面错台主要是由接缝两侧基层不均匀变化进一步反射到面层引起道面板脱空从而导致道面错台．根据对该机场修建历史进行调查发现，错台区域两侧道面基层修建时间不同、结构和材料不同．因此，该机场道面错台主要是由于道面基层修建时间不同、道面结构和材料不同，在长期飞机荷载和环境因素的综合作用下道面基层出现不均匀沉降，从而进一步反射到道面表层形成错台．