不同设计方法对沥青道面结构设计厚度的影响

游庆龙，马靖莲，袁 捷

（1.长安大学a.特殊地区公路工程教育部重点实验室；b.经济与管理学院，西安 710064；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

不同设计方法对沥青道面结构设计厚度的影响

游庆龙1a，马靖莲1b，袁 捷2

（1.长安大学a.特殊地区公路工程教育部重点实验室；b.经济与管理学院，西安 710064；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

在大量调研国内外机场沥青道面结构设计方法的基础上，以昆明新机场为依托，采用美国6E法、美国6D法、中国民航沥青道面结构设计方法及课题组研究的设计新方法对昆明新机场沥青道面结构的厚度进行了论证分析。结果显示，中国民航法设计的道面结构总厚度较美国6E法设计厚度厚27 cm，课题组研究的设计新方法与美国6E法较为接近，且基于道面结构动态力学响应得到的道面结构总厚度要比静态的厚15 cm。通过对昆明机场道面结构厚度的论证，探讨了现有设计方法中存在的问题，提出了一些规范修订的改进建议，为中国民用机场沥青混凝土道面设计理论的完善和修订提供一些理论参考。

机场道面；沥青混凝土；设计方法

沥青混凝土道面具有平整、抗滑、舒适、减震等良好的使用性能，以及机械化施工程度高、工期短、养护方便等施工优点，已被国际上很多大型民用机场采用。根据国际民航组织（ICAO）1999年公布的数据，其147个成员国的1 038个机场中，沥青混凝土跑道占62.6%[1]。欧洲沥青路面协会统计了2003年362个欧美机场中沥青混凝土道面占62.4%[2]。中国新建民用机场中，仅在且末和敦煌等极少数小型机场中采用沥青混凝土道面，即使加上北京首都机场、上海虹桥机场、广东白云机场等的沥青混凝土加铺，沥青混凝土道面的比例仅占10%左右。

与国际民用机场道面现状相比，中国民用机场道面类型单一，主要以水泥混凝土为主。分析其原因主要是对机场的安全要求过高，使得不是很成熟的沥青混凝土道面技术很难推广应用，其次中国对机场沥青混凝土道面结构设计理论研究较少，沥青道面结构的设计依旧停留在对小荷载飞机、较小航空交通量的道面设计时代。随着大型飞机的不断推出，特别是近年来，以B777、A380为代表的新一代的大型飞机（new generation large aircraft，NGLA）不断问世，NGLA的起落架构型复杂、轴载重、轮压高、制动产生的水平力大，道面会表现出特殊的力学响应规律，使得目前国内外的沥青道面结构设计方法都面临新的挑战[3]。

中国沥青路面的修筑和设计技术已取得了很大的成就，结合国外民航道面结构的趋势和国内民航大发展，有必要在中国尝试推广沥青道面，经多方论证，昆明新机场作为中国第一个新建的能够适应F类飞机的机场拟采用沥青道面结构。

本文以昆明机场为依托，通过不同的设计方法论证昆明机场沥青道面结构对交通和环境的适应性，并对中国规范设计方法进行评价。

1 机场沥青道面结构设计方法

国际上常用的民用机场沥青混凝土道面设计方法有两种：经验法和力学-经验法。经验法以加州承载比（CBR）为设计基础，力学-经验法则以弹性层状体系理论或有限元作为理论模型。

目前国际上广泛使用的是FAA的6E（advisory circular AC150/5320-6E）法[4]，6E法是以弹性层状体系为基础的设计方法，改变传统的以设计飞机作为混合交通的换算模式，采用基于累计损伤的设计理论来考虑不同机型对道面结构的影响，6E法以美国FAA的NAPTF（national airport pavement test facility）的足尺实验数据为基础，能够满足NGLA和普通飞机要求的设计方法，同时推出了设计程序FAARFIELD，取代6D法成为目前FAA官方授权的方法。

中国民航机场沥青道面结构设计方法较为落后，采用CBR为设计基础，为此国内部分高校在借鉴国外设计方法的基础上[5]，对中国沥青道面结构设计方法进行研究，提出了基于累计损伤的机场沥青道面结构设计方法[6-7]，并考虑了材料的静态和动态特性[8-9]。

2 道面结构设计基本参数

2.1 航空交通量

根据设计文件，昆明新机场沥青道面结构设计使用年限为20年，设计交通量如表1所示，不考虑交通量的年增长变化。

表1 昆明新机场各类机型运行架次Tab.1 Traffic volume of Kunming New Airport

2.2 飞机荷载参数

按照前文所述的飞机荷载参数计算方法，求得昆明新机场飞机设计参数如表2所示。

表2 昆明新机场飞机设计参数Tab.2 Aircraft design parameters of Kunming New Airport

2.3 道面结构材料参数

参考中国《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2006中材料设计参数，各层材料参数取值如表3所示，对于水泥稳定碎石，公路设计规范中的水泥剂量为4%～6%，考虑到昆明机场沥青道面水稳基层拟采用低水泥掺量（3%～4%），其抗压模量取为1 000 MPa。

表3 昆明新机场道面格结构层的静态材料参数取值Tab.3 Material parameters of Kunming New Airport

土基的模量按照《公路沥青路面设计规范》中的自然区划方法确定，昆明机场土质为红粘土，模量较高；施工现场采取了碎石碾压处治，使土基模量有所提高，因此土基模量拟定为120 MPa，现场实际土基的CBR值为10%，道面各结构层的材料参数取值汇总如表3所示。

2.4 初拟道面结构

经过专家论证，昆明新机场将采用半刚性基层沥青道面结构，并由设计院提出了初步设计结构，如表4所示。在后文的设计中将其沥青面层、沥青碎石基层厚度设为定值，保持与该初步设计结构厚度一致，对半刚性底基层厚度进行设计。

表4 半刚性基层道面初拟结构组合Tab.4 Semi-rigid base pavement structure of Kunming New Airport pavement

3 不同设计方法对道面结构厚度的影响

通过采用不同的设计方法进行设计计算，采用水泥稳定碎石基层作为设计层，计算的道面结构型式如表5所示。

本文新方法设计的道面结构总厚度与美国FAARFIELD方法设计的总厚度比较接近，而与中国规范方法差别较大，这说明中国现有设计方法比较保守，不适合用于大型枢纽机场沥青道面结构设计。

结合3种方法的设计思路和具体过程，造成这一结果的主要原因为对于混合交通的设计，本文中的设计方法和美国FAARFIELD法采用基于Miner定律的累积损伤原理进行考虑多种机型的荷载作用，而中国规范方法仍是采用设计飞机法；在设计飞机法中，当量单轮荷载（ESWL）的计算是关键，它是基于土基顶面弯沉等效原则进行当量计算；另外，对于飞机的横向分布，规范只是依据道面宽度取一定值，并没有考虑机轮在道面横断面的概率分布，因此，当预测机型相对较多，而且大型飞机出现时，按照中国规范方法进行设计会得到比较保守的结果，而基于CDF的设计就会更加经济合理。

应用本文设计方法，分别基于静态响应分析和动态响应分析得到的设计结果有一定差别，后者比前者设计厚度大。这是因为动态分析得到的半刚性底基层底面拉应力比静态分析大，面层、基层材料与土基材料的动模量比例大于各自静模量比例，使得在动态分析中，基层承受了更大的拉应力。但同时由于动模量明显大于静模量且动态荷载作用时间较短，动态分析得到的基层拉应变小于静态分析。本研究选取的控制指标为半刚性底基层拉应力，所以基于动态分析的设计厚度较大；如果采用以拉应变为控制指标的疲劳方程，将会得到相反的结果。如何选取更为合理的性能预估方程有待于进一步研究。

4 结语

通过采用国内外不同的沥青道面结构设计方法对昆明新机场沥青道面结构进行论证，发现中国沥青道面结构设计方法与国外相比存在很大距离，促使中国机场道面研究人员需对现行的民用机场沥青混凝土道面设计方法进行深入研究，探索出更加合理、更能够反映道面结构实际使用状态的科学设计方法，中国机场沥青道面设计方法主要可从以下几个方面进行考虑：

1）损坏模式 中国高速公路沥青路面大量使用半刚性基层材料，使得新建的沥青道面机场的基层也在沿用半刚性基层材料，但是国内外机场沥青道面结构设计理论中并没有相应的设计指标来控制其破坏，且飞机荷载作用下半刚性基层沥青道面结构的疲劳特性也较公路不同，因此，有必要考虑道面结构设计和材料特征，提出适应中国沥青道面结构特色的损坏设计控制模式。

2）混合交通的考虑 混合交通建议采用累积损伤法考虑不同飞机荷载对道面产生的疲劳损伤；建议在中国不同的机场布设测试仪器，测试飞机的轮迹横向分布规律，为准确地设计道面结构提供科学依据。

3）沥青混合料的粘弹性特性会对道面轮辙、推挤、拥包等病害产生负面影响 由于目前对沥青道面推挤、拥抱等表面损坏的机理和控制方法研究十分有限，建议以后多收集中国沥青道面的损坏情况，为新一轮规范的修订提供参考。

4）沥青混凝土材料的疲劳特性 大型飞机荷载作用下，沥青道面结构内部呈现多应力峰值的典型特点，使得现有的沥青路面的疲劳方程不能适应多轮飞机荷载的特点，从而基于累计损伤法计算出的道面结构厚度与实际不吻合，因此有必要对大型飞机多应力峰值条件下，沥青混凝土的疲劳特性进行研究，为科学的设计提供基础。

[1]史保华，王 声.应用沥青混凝土修建机场道面的分析探讨[J].石油沥青，1998，12（2）：35-42.

[2]European Asphalt Pavement Association.Airfield Uses of Asphalt[R]. The Netherlands：European Asphalt Pavement Association，2003.

[3]游庆龙，凌建明，袁 捷，等.适应大型飞机的沥青道面结构有限元模型[J].交通运输工程学报，2012，12（2）：18-23.

[4]US Department of Transportation，Federal Aviation Administration. Airport Pavement Design and Evaluation，AC No：150/5320-6E[R].US Department of Transportation，Federal Aviation Administration，2009.

[5]李巧生，赵鸿铎，凌建明.适应大型特种飞机的机场水泥混凝土道面结构设计方法[J].土木工程学报，2011，44（1）：121-126.

[6]刘 文.机场沥青道面设计指标及方法研究[D].上海：同济大学，2008.

[7]赵鸿铎.适应大型飞机的沥青道面交通荷载分析方法及参数的研究[D].上海：同济大学，2007.

[8]游庆龙.机场沥青道面结构三维非线性力学响应研究[D].上海：同济大学，2011.

[9]闫启琨.复杂起落架荷载作用下沥青道面动态响应规律[D].上海：同济大学，2011.

（责任编辑：杨媛媛）

Effect of different design methods to thickness of asphalt concrete airport pavement

YOU Qing-long1a，MA Jing-lian1b，YUAN Jie2
（1a.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education；1b.School of Economics and Manegement，Chang'an University，Xi'an 710064，China；2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Based on a large survey of currently representative design methods of asphalt concrete airport pavement in the world，structure thickness of Kunming New Airport is analyzed using the design methods of 6E，6D from FAA，China's civil aviation asphalt pavement design method and the new design method from the author's research group.The results show that the total thickness of pavement structure designd by the Civil Aviation Specifications of China is thicker than the 6E of FAA by 27 cm；the total thickness of the new design method from author's research group is closer to the 6E of FAA；the total thickness based on the the pavement structure dynamic mechanical response is thicker than static mechanical response by 15 cm.After discussing the thickness of Kunming New Airport pavement，some problems of the present design method are discussed in details.Besides，the development of design method in China is discussed and some advices are put forward for further design.Through the research，some technical references are provided for the improvement of our design theory of asphalt concrete pavement.

airport pavement；asphalt concrete；design method

U416.223；V351.11

：A

：1674-5590（2014）04-0039-04

2013-04-23；

：2013-06-09

：国家自然科学基金项目（60776818，51308064）；中国博士后科学基金项目（2014M552398）；中央高校基本科研业务费专项（CHD2011JC081，0009-2014G1211009）

游庆龙（1982—），男，湖南岳阳人，讲师，博士，研究方向为机场沥青道面结构设计与优化.