机场水泥混凝土道面脱空区动水压力分析

2013-09-28江斌臣

城市道桥与防洪 2013年4期

江斌臣，袁捷，谭悦

（1.上海华东民航机场建设监理有限公司，上海 200335；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092；3.虹桥国际机场公司，上海200335）

0 引言

脱空是机场水泥混凝土道面常见的一种病害。数据显示，我国近70%的机场道面存在普遍脱空现象（脱空率大于30%），近30%的机场道面存在严重脱空现象（脱空率大于60%）[1]。脱空病害会降低道面结构承载能力，缩短道面使用寿命。同时脱空病害具有隐蔽性，检测和处置难度大，因此，脱空病害是机场道面维护工程中的难点。

从脱空的形成机理来看，可以分为唧泥型脱空、温度翘曲型脱空和基础变形型脱空三种类型[2]。其中以唧泥型脱空最为普遍。

唧泥是指飞机荷载行驶通过时，基层缝隙内的水由于泵引效应产生动水压力，导致基层材料被带到道面表层，形成唧泥现象。基层材料被带出，导致基层出现空隙，长期作用下空隙会进一步发展，形成脱空现象。

唧泥的产生通常要具备以下几个条件：

（1）水。唧泥是水将基层内粒料带到道面表面的过程。

（2）渗水通道。水必须通过通道才能将粒料带到表面。通常完好的道面是不具备渗水通道的。道面没有贯穿裂缝，接缝也采用嵌缝料进行了密封。但道面在使用过程中性能会不断衰减，出现裂缝、嵌缝料脱落等现象，形成渗水通道。

（3）荷载作用。当飞机荷载通过接缝/裂缝处时，由于道面板会产生一定挠度，对孔隙中的水产生挤压，导致孔隙中的水产生较高压力并高速流动，相当一部分水通过渗水通道喷出。示意图及现场实景分别如图1和图2所示。

图1 唧泥形成脱空示意图

图2 现场唧泥实景

（4）基层抗冲刷性能不足。一般形成唧泥现象的多为柔性基层。由于基层整体性差，粒料粘结力不足，细粒料容易被水带出。而对于半刚性基层，完好状态时基层是一个胶凝整体，各种集料通过胶结材料凝结成整体，较难形成唧泥现象。

因此，对于二灰稳定碎石、二灰土等柔性基层的道面，在多雨季节极易出现唧泥现象，尤其是道面破损严重、飞机荷载作用频繁的区域。

1 脱空区水行为分析

通过以上分析可知，唧泥型脱空必须要有水的作用。水在整个脱空的形成过程当中的行为可以分为五个阶段，如图3[3]所示。

图3 唧泥过程中水运行过程划分图

第一阶段：为飞机轮载从非脱空区驶近脱空区。道面板块在飞机轮载作用下产生微小振动，脱空区内的水受振产生往返运动，强度较弱。

第二阶段：飞机轮载在第一块板（图中后板）脱空区行驶，至接缝处。脱空使基层对道面板的支撑下降，道面板在荷载作用下产生的挠度迅速增加，脱空区内的水受到迅速挤压，水的流动加剧。当飞机轮载抵达接缝处时板的挠度量最大，水带着粒料沿接缝缝隙排出至道面。

第三阶段：飞机轮载驶过接缝的缝隙，后板迅速反弹，呈有阻尼自由振动状态，脱空区呈现负压吸水状态。

第四阶段：飞机轮载在第二块板（图中前板）的脱空区行驶。板块受荷载作用产生挠度，脱空区水受挤压作用，水带着粒料沿接缝缝隙排出至道面。

第五阶段：飞机轮载驶入了前板的非脱空区。呈有阻尼自由振动状态，脱空区水呈紊流状态。

2 脱空区水压力分析

水是形成唧泥的首要条件，脱空区内水在荷载通过时产生的动水压力越大，越容易形成唧泥。因此，脱空区内动水压力的大小是形成唧泥的一个重要参数。

脱空区域内动水压力值的测试方法分为两种，一是直接测量；二是间接推算。直接测量法是通过钻孔将测试仪器插入脱空区域内，以测试荷载通过时该点的压力大小。该方法较为直观，但也有一定缺陷。首先是只能测试某一点的压力值，该点未必是最大值。其次是测试仪器对仪器周围的水流有一定的干扰作用，导致实测值与真实值有一定差别。间接推算方法是通过现场观测唧泥时接缝中喷出水的高度，进而通过伯努利方程来反推动水压力。推算过程中对唧泥过程做了一定简化，即假定唧泥中水的喷出过程没有能量损失。实际上由于接缝/裂缝很窄，缝壁的摩阻力会消耗绝大部分射水动能，忽略这部分影响导致推算结果明显偏小。本文的分析采用直接测量法。

直接测量脱空区动水压力试验难度很大，目前国内外只有美国Elmer C.Hansen[4]做过相关研究，并取得了宝贵数据。试验数据如表1所列。由于机场运行安全控制严格，无法进行现场动水压力测试，本文通过采用Elmer C.Hansen测试的公路动水压力数据，通过数据分析与模拟，来测算机场脱空区域内动水压力值。

表1 动水压力测试结果一览表

对表1中数据进行分析，可以得出以下结论。

2.1 动水压力与车速的关系

从表1数据可以看出，车速对脱空区域动水压力影响较大。通过对数据进行回归分析可以得出，动水压力与车速呈二次多项式关系。以第一轴测试数据为例，拟合结果如图4所示。

图4 动水压力与行车速度相关性回归曲线图（单位：kPa）

2.2 动水压力与轴重的关系

第二轴轴重为79 kN，第一轴轴重为31 kN，轴重比为2.5。计算第二轴40 km/h、72 km/h、97 km/h车速对应的压力差与第一轴对应的压力差的比值，分别为2.1、2.3和2.3，接近于轴重比值的2.5。近似认为，压力差与轴重呈线性关系。而根据Westergaard公式，荷载与道面板的挠度也呈线性关系。因此，可以近似认为，动水压力与轴重、挠度都呈线性关系。

表1中数据是公路（水泥混凝土路面，厚度24 cm）测试数据，测试得到的最大动水压力最大超过40 kN，最小动水压力接近-30 kN，形成的最大动水压力差接近70 kN。而该动水压力差是形成水流冲刷作用的关键。

相对于公路而言，机场条件更加恶劣。机场内大型飞机轴载可超过500 kN，飞机滑跑速度可超过250 km/h。由于无法在机场现场进行实地测量，只能按照理论方法由公路测试数据进行推算。

3 机场道面需考虑的若干变量

相对于公路路面，机场道面有以下几个变量需要考虑：轴载、行驶速度和道面板的厚度，以及飞机行驶过程中升力的影响。而其他参数，如道面板材料的模量、基层顶面反应模量、板块的尺寸、基层材料类型等公路与机场大体相同。根据前面对唧泥过程原理进行的分析可以理解，唧泥过程实际上是轴载作用于道面板，引起道面板出现弯沉并引发振动，再通过道面板传递到板底脱空腔内的水，从而引发水的流动从而产生动水压力，形成唧泥现象。因此可以判断，唧泥过程中“荷载—道面—水—基层”四相体之间交互影响的关键影响因素有以下几点：道面在荷载作用下产生的挠度大小w0，荷载行驶速度v。其中挠度w0主要与道面板厚度及荷载大小有关。以下针对机场与公路的区别做定量分析，通过对差值进行修正，进而得到机场脱空区内动水压力。

3.1 挠度w0

与公路相比，机场道面轴载重，但同时机场道面结构设计时对重荷载进行了考虑，通常机场面层道面板厚度较厚，轴载通过时对道面板产生挠度不一定比公路大很多。本文通过简单算例进行对比。

4E等级机场水泥混凝土道面：选取B747-400机型标准起落架荷载，道面厚度为38～40 cm，道面板模量30 GPa，泊松比0.15，基层顶面反应模量80 MN/m3，采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，可以计算得到的道面板中弯沉为195～202μm。

公路水泥混凝土路面，选取标准轴载100 kN，胎压 0.7 MPa，路面厚度 28～30 cm，路面板模量30 GPa，泊松比0.15，基层顶面反应模量80 MN/m3，采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，可以计算得到的板中弯沉为207～224μm。

从计算结果来看，公路路面与机场道面在各自标准轴载作用下产生的挠度是相当的，两者相差约5%，差别较小，修正中不考虑。

3.2 荷载行驶速度v

从上文分析可知，机场道面与公路路面在各自标准轴载作用下产生的挠度是相当的，但飞机荷载与汽车荷载行驶的速度相差巨大。取飞机最高行驶速度为250 km/h，汽车最高行驶速度为100 km/h。采用图4中的拟合方程，计算动水压力差与荷载行驶速度之间的关系。飞机速度范围取0～250 km/h。

3.3 飞机升力的影响

飞机在行驶过程中会产生升力，且速度越大升力也会越大。因此随着速度的增加，飞机对道面的作用前期会逐渐增加，而后会出现拐点，作用反而会逐渐减小。在计算过程中，通过采用折减因子来考虑于飞机升力的影响。飞机升力与速度的平方成正比例关系，不同飞机的起飞速度并不相同，通常在180～250 km/h[5]，本文统一取飞机起飞速度为250 km/h。即飞机速度在250 km/h时，对道面的作用为0。因此折减因子k的公式如下：