中国机场水泥混凝土道面脱空状况分析与评价

滕力鹏，谭 悦，柴震林

（1.民航华东地区工程质量监督站，上海 200092；2.上海机场（集团）有限公司虹桥国际机场公司，上海 200335；3.上海机场（集团）有限公司建设开发公司，上海 201207）

截止到2010年底，中国民用机场（含军民合用机场，不包括港、澳、台地区）已达175个。由于水泥混凝土道面具有使用年限长、设计方法和施工工艺成熟、取材方便等优点，在中国机场占绝对主导地位。据统计，中国现有机场87%的道面类型为水泥混凝土道面[1]。

通常机场水泥混凝土道面的设计使用寿命为30年[2]，但根据中国机场道面使用经验表明，大多数水泥混凝土道面往往在使用15～20年后道面就会出现大量结构性损坏，如角隅断裂、横纵向裂缝和破碎板等[3-7]，导致道面结构承载能力和使用性能下降，需要进行大修改造。道面出现结构性损坏的成因有很多，除了航空交通量增长过快、飞机荷载重等因素外，还有一个重要原因是道面板底存在脱空，导致道面结构承载能力下降。

脱空是机场水泥混凝土道面和公路水泥混凝土路面的一种常见病害。在脱空病害发展早期，主要体现为基层对面层的支撑强度下降，即基层顶面反应模量下降。而在脱空严重时，基层与面层之间会出现脱离，使面层局部失去基层的支撑，面层板块处于类似悬臂梁的受力模式，如图1所示[8-9]，导致面层荷载应力急剧增加，增大道面板块出现结构性损坏的几率。而脱空病害一旦产生只会进一步恶化，是一个不可逆的过程，只能通过一定的处治措施消除或延缓病害的发展。

图1 道面板脱空状态受力模式Fig.1 Stress pattern of pavement in void state

由于机场采取封闭式管理，很难对机场道面进行测试与评价，因此外界很难准确了解机场道面脱空状况。本文以同济大学机场工程研究中心和北京中企卓创科技发展有限公司两大机场检测与评价单位2002-2011年对中国近60个机场道面的综合调查评价报告为基础，对中国机场水泥混凝土道面板底脱空的整体状况进行总结归纳。此外，采取统计学多因素相关性分析理论，对机场道面脱空率与道面使用时间之间的相关性进行分析，以分析道面使用时间与道面脱空率之间的耦合关系。

1 中国机场刚性道面脱空现状

通过对中国56个机场道面脱空实测数据统计分析，脱空数据及机场相关参数汇总如表1所示。采用的脱空判定方法为：同时测试道面板块的板中、板边和板角3个位置的弯沉值，根据实测弯沉分别计算“板边弯沉／板中弯沉”和“板角弯沉／板中弯沉”，根据弯沉比值大小来判定板边和板角是否存在脱空，判定标准如表2所示[10]。从表1中数据可以看出，所有机场道面都存在不同程度的脱空现象。

对所有机场脱空率进行统计分析，结果如表3所示。从统计结果可以看出，在56个机场当中，所有机场道面都存在或多或少的脱空。机场脱空现象比较少（脱空率＜10%）的机场占总数的5.36%，脱空现象比较普遍（脱空率＞30%）的机场占总数的69.64%，脱空现象非常普遍（脱空率＞60%）的机场占总数的28.57%。说明板底脱空病害在中国机场水泥混凝土道面分布非常普遍，且很多机场脱空率很高。

2 道面脱空率与使用时间的关系

一般认为，道面脱空会随着道面使用时间的增加而增加。以上文中的脱空数据为基础，采用统计学相关性分析理论分析道面脱空与使用时间的相关性。

表1 中国机场脱空状况调查结果及机场相关参数Tab.1 Void survey results and related parameters of airport pavement in China

表2 水泥混凝土道面板底脱空状况判定标准Tab.2 Void judgment standard of airport cement concrete pavement

表3 机场道面脱空率分布统计Tab.3 Statistics of airport pavement void ratio

将表1中机场脱空率与道面使用时间的关系以散点图形式表示，如图2所示。

图2 道面脱空率与使用时间关系Fig.2 Relationship between pavement void ratio and using time

从图中可以看出，虽然图中脱空率与时间关系的散点有一定的离散性，但整体趋势仍较为明显，即随着道面使用时间的增长，道面脱空率会显著增加。分别采用对数函数、多项式函数和线性函数对散点拟合。从图中趋势线可以看出，对数函数和多项式函数的相关性更好，道面在使用前期脱空率增长较快，后期逐渐趋于稳定。

不同机场各自的外在条件并不相同，如机场等级、机场所处地区的干湿条件、机场地埋位置等均不相同。为了客观分析道面脱空与使用时间的关系，本文采用偏相关分析理论，在分析时可有效排除其他因素的干扰。

偏相关分析是在分析2个因素之间相关性时考虑了这2个因素以外的各种作用，或者说在扣除了其他因素的作用大小以后，重新来考察这2个因素间的关联程度。这种方法目的就在于消除其他变量关联性的传递效应。

偏相关系数在计算时首先分别计算3个因素两两之间的相关系数，通过这3个简单相关系数来计算偏相关系数

式中：rij表示i因素与j因素之间的相关系数；rij(k)表示在控制k因素的基础上计算得到了i因素与j因素之间的偏相关系数。

式（1）是在控制了第3个因素的影响所计算的第1、第2个因素之间的偏相关系数，当考虑1个以上的控制因素时的公式类推。

从回归的角度来解释，偏相关系数就是首先以希望分析的变量为因变量，被控制的变量为自变量分别拟合2个回归方程，然后将所得的2组残差进行简单相关分析。

采用SPSS统计学软件可以方便地进行多因素之间的偏相关性分析。表4为采用SPSS软件对道面脱空率与使用时间偏相关性分析的结果。其中Pearson Correlation表示2个因素之间的相关系数；Sig.（2-tailed）表示相关系数的检验双侧的P值，当P值越小表示2个因素之间的相关性越强，小于0.01表示相关性“非常显著”，0.01～0.05 表示相关性“显著”，大于0.05时表示相关性不显著。

表4 脱空率与道面使用时间相关性分析结果Tab.4 Results of correlation analysis between void ratio and using time

从表4中分析结果可以看出，脱空率与道面使用时间之间的相关系数为0.721，相关系数的检验双侧的P值为0.000，小于0.01，说明脱空率与道面使用时间之间关系非常显著。

3 脱空对道面性能的影响

脱空对道面的影响主要体现在使水泥板的荷载应力增加，从而降低道面结构承载能力，缩短道面使用寿命。通过采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟，在考虑相邻9块板情况下，分析不同脱空程度条件下脱空对道面荷载应力的影响。

以通用有限元软件ABAQUS 6.6为计算平台，为充分考虑周边板块约束的影响，模型尺寸取相邻9块板，单板尺寸为5.0 m×5.0 m×44 cm。水泥板弹性模量为36GPa，泊松比为0.15；基层顶面反应模量为130MN/m3；荷载采用B747-400主起落架荷载参数（如表5所示），脱空位置示意图如图3所示，荷载也加载在脱空部位的板角；模型边界条件为约束边界水平位移，计算单元采用C3D8I。

表5 B747-400的荷载参数Tab.5 Load parameters of B747-400

图3 脱空部位示意图Fig.3 Schematic diagram of void place

板底脱空通常位于板角和板边，受横纵缝交互影响，一般板角脱空尺寸更大。加上板角是板块受力最不利部位，因此在有限元模拟时，取最不利脱空部位为板角。

公路路面4 m×4 m尺寸的板块最大脱空范围为1.5 m×1.5 m[10-11]。考虑到机场道面板块尺寸通常为5 m×5 m，因此将机场道面脱空面积假定为2 m×2 m。通过对基层顶面反应模量折减来模拟不同程度的脱空[12-14]，折减系数 F 分别为 1.0、0.7、0.5、0.3、0 共 5 种工况。图4为有限元软件计算道面板荷载应力的结果云图。不同工况计算结果如表6所示。

模型中，相临板块间的接缝传荷能力分别取好、差两种工况，对应的接缝传荷系数分别为90%和15%[15]。

从计算结果可以看出，脱空对道面的影响随着脱空程度的增大而迅速增加。在接缝传荷能力为“好”时，板内最大弯拉应力增加27.57%，在接缝传荷能力为“差”时，板内最大弯拉应力增加68.46%。飞机荷载虽不致于直接将板块压断，但也会大大降低板块的使用寿命，增大出现断板、裂缝的可能性。

图4 有限元计算荷载应力云图Fig.4 Load stress nephogram of finite element

表6 脱空对道面荷载应力的影响分析Tab.6 Influence of voids on pavement load stress

4 结语

中国机场水泥混凝土道面普遍存在脱空现象，且相当一部分机场脱空情况比较严重。在有脱空测试数据的56个机场当中，所有机场道面都存在脱空。脱空现象轻微（脱空率＜10%）的机场占总数的5.36%，脱空现象比较普遍（脱空率＞30%）的机场占总数的69.64%，脱空现象非常严重（脱空率＞60%）的机场占总数的28.57%。

采用统计学偏相关分析理论，分析了在控制其他影响因素前提下的脱空率与道面使用时间的相关性。分析结果采用Pearson相关系数及相关系数的检验双侧的P值来表征，分析结果表明：脱空率与道面使用时间之间的相关系数的检验双侧的P值为0，说明脱空率与道面使用时间之间相关性非常显著，相关系数为0.721。

脱空会显著增加道面荷载应力，在不利情况时，最大增幅近70%，会显著降低道面结构承载能力，缩短道面使用寿命，增大道面出现结构性病害的几率。

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