机场水泥混凝土道面基础不均匀变形的危害及处置方法

林盛

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海市 200092）

0 引言

基础是道面的最下层结构层，是道面承载的基石，其重要性不言而喻，但由于其位于道面最底层，属于隐蔽性工程，性状的好坏都无法直观表现，因此不管设计、施工还是日常维护，对基础的考虑都有欠缺。目前我国道面设计规范[1]中对基础的要求仅为“密实、稳定和均匀”，在施工验收时也只是检测压实度和平整度等简单指标，导致基础的性能往往不能满足道面结构在使用周期内的要求。实际检测发现，大部分道面的基础在运行一定时间后就会出现诸如不均匀沉降、承载能力下降等问题。

图1是华东某机场跑道2段区域基础的雷达扫描成像图。

图1 基础扫描成像图

该跑道基础新建时为20～25 cm块石基础，雷达扫描时道面使用时间为20 a。从雷达扫描结果来看，基础性状已发生了很大的改变。扫描结果显示现有基础厚度表现为32～56 cm，远大于新建时的厚度，说明原有的块石基础已与土基混合一起，基础已出现了明显不均匀变形和沉降。

道面结构在使用过程中的性能衰减有着一定的必然性，但如何保证在设计使用寿命内性能下降后仍能满足使用的要求，则需要从设计、施工和维护等多方面着手进行要求和规范。本文依据对国内数十个机场道面性能的检测，对道面基础的不均匀变形的成因和处置方法进行研究，为我国机场道面的设计、施工和维护提供技术依据和参考。

1 基础不均匀变形的主要成因

通过对我国数十家机场的现场检测及调研，结合国内外相关研究资料，总结出机场道面基础不均匀变形主要有以下几种。

（1）荷载作用下的压密变形

虽然在施工时对基础的压实度有严格的要求，但基础结构仍有进一步压密的空间。道面在运行过程中受自重作用和飞机荷载作用，传统观念认为水泥混凝土道面具有很强的荷载扩散能力，认为荷载作用引起的基础附加应力很小，不足以引起基础的塑形破坏。实际上，由于水泥板块的受力特性，荷载作用于板上不同位置时，引起的挠度有明显差异。依据Westergaard理论[2]，在相同荷载作用下，板角挠度最大，板边挠度其次，板中挠度最小，且差异量随着接缝传荷能力的下降而显著增加。外荷载作用下面层挠度不同，对基础的附加压力也不同，长期作用会导致基础出现不均匀变形，但通过这一部分影响的不均匀变形量不会太大。

（2）冻融作用

我国东北、华北、西北等大部分地区都属于季节性冻胀地区，当地下水位较高而温度又低于冰点时，基础就会出现冻胀现象。水结冰后体积会增加10%左右，少量冻胀的危害不大，但过量冻胀，特别是不均匀冻胀，会使基础出现不规则隆起现象，从而反映到道面结构层中。待到春融季节时，随着融化深度的加大，基础冻融层的土由冻结状态变为融化状态，在土体自重作用和荷载作用下进行融化下沉与压密变形[3]。由于春融带来的土体内湿度增大，使得基础承载能力及抗变形能力下降，导致土体出现不均匀变形。长年如此，会使不均匀变形积累到非常可观的程度。

（3）周边施工影响

周边施工会对现有道面结构产生影响，如地下隧道穿越工程、周边扩建工程等，都会对现有道面结构产生一定的影响。施工会对周围土体产生不可避免的施工扰动，从而改变了岩土体内部的应力、应变状态，引起地层变位及地表沉降。以隧道施工为例，隧道施工所引起的地面沉降曲线一般称之为“沉降槽”[4]，如图2所示。

图2 下穿隧道施工影响的地表沉降

近年来，我国民航业发展迅猛，大量机场都在进行或计划进行改扩建工程，以实现机场的扩容，甚至部分机场以机场为中心，建立起集机场、高铁、磁悬浮等为一体的大型交通枢纽。大规模的施工会对现有道面产生怎样的影响很难预估。

2 基础不均匀变形对道面性能的影响

基础一旦出现不均匀变形，会改变道面结构的受力模式，长时间荷载作用下，会导致道面出现各种损伤。其主要影响分为功能性影响和结构性影响两个方面。

（1）功能性影响

路基不均匀变形会逐渐通过基层反映到面层，但面层坡度发生变化，影响道面排水和行车安全。机场对道面坡度有严格的规定，跑道道面横坡在1%～1.5%，纵坡不大于0.1%[5]。道面坡度一旦不能满足规定则必须整改。如果道面坡度不满足要求需要整改非常困难，因此最好是提高设计指标和施工质量，避免出现坡度问题。面层坡度不能达到要求的直接结果是导致道面排水不畅，进而形成积水，而飞机在高速行驶时，积水会在轮胎和道面之间形成“水膜”，使飞机出现打滑现象，严重时会影响到飞机的行驶安全。

（2）结构性影响

水泥混凝土道面属于脆性材料，强度高、刚度大，但缺乏可塑性，因此对下结构层的变形适应能力很差。当基础存在不均匀变形并反映到基层时，水泥面层因无法跟随基层变形而产生附加应力。从力学上分析，基础的不均匀变形相当于给道面结构施加了一个边界位移，这部分附加应力以恒载形式持久作用于水泥板中。在结构自重、飞机荷载作用和温度荷载等综合作用下，会影响到道面结构的使用性能和使用寿命，而板中疲劳应力一旦超过材料强度，就会造成板的断裂。

当附加荷载大到一定程度，对于道面一些薄弱部位，会导致道面局部受力过大而出现结构性损坏，进而使道面出现一系列病害，如错台、裂缝等。图3是机场道面常见的一些因基础问题导致的病害照片。

图3 道面病害照片

3 基础不均匀变形的预防

我国现行的机场道面设计规范对基础的基本要求是稳定、密实，可以为道面结构提供均匀稳定的支承。然而在现实中发现，基础出现不均匀变形是无法避免的，可以做到的只是限定不均匀变形的量。制定标准的原则有两点：

（1）考虑基础不均匀变形引起的道面结构附加应力，在道面设计年限内，道面结构在飞机荷载和温度荷载的综合作用下不发生疲劳破坏；

（2）基础不均匀变形不致于引起面层坡度不满足规范的要求，进而保证道面排水和运行安全的需要。

要限定不均匀变形的量，首先要提出能够反映不均匀变形的衡量指标。目前国内外以常用最大沉降量来作为指标。最大沉降量最为直观，容易监测，便于施工控制和工后监测。但是，最大沉降量仅仅反映了基础变形的绝对值，没能表征基础变形的形态及空间分布。另一个衡量指标“差异沉降量”体现了“不均匀”的思想，差异沉降量越大，对道面结构的不利影响越严重。但差异沉降量是指基础的最大沉降量和最小沉降量的差值，它不考虑这两点之间的距离和其它点的变形情况，没有真实反映“不均匀”的分布特征。本文通过大量的工程现场观测表明：采用最大沉降量和沉降曲线半波长平方的比值δmax/T2能较为科学地表征基础不均匀变形的状态。

民航对跑道、滑行道和停机坪等不同部位道面的坡度要求并不相同，因此需要对不同部位设定不同的标准。作者会进一步对此开展研究，以δmax/T2为指标，建立不同等级机场、不同部位道面基础的设计标准，为民航场道设计和施工提供技术依据。

4 基础不均匀变形的处置

基础属于隐蔽工程，目前尚缺乏快速、高效的检测手段。一般都是等到基础问题较为严重，反映到道面上层结构时才会被注意。当面层因为基础问题而出现错台、排水不畅等问题时，可采用的处理手段十分有限。根据我国机场工程经验，主要有两种手段：加铺和注浆。

（1）加铺

加铺是一种治表不治本的方法，即在现有问题面层上加铺一定厚度的新面层，最常用的是柔性加铺。加铺后道面表观会大为改观，在较长时间内道面恢复较好的使用性能，但基础的问题仍没有解决，一段时间后还会再次反映到新加铺面层，如反射裂缝、沉陷、隆起等病害。根据对我国近十条加铺道面的跟踪观测，新加铺道面会在1～2 a内开始出现反射裂缝。“防反”做得越好，施工质量控制和加铺混合料设计越好，反射裂缝出现时间会越晚，但从长远来看，出现反射裂缝是必然的。

常用的“防反”措施有土工格栅、土工布、应用吸收层等，但实际工程应用效果都不是非常理想。近年来通过引进国外设备和技术，出现了一种新的“防反”措施——同步橡胶沥青碎石封层技术。美国应用表明：橡胶沥青碎石封层作为应力吸收层，可延缓反射裂缝达15 a以上[6]。同步橡胶沥青碎石封层技术在公路行业已有较多应用，但在机场应用仍很少，需要进一步推广。

（2）注浆

注浆理论上可以消除基础问题。通过低压渗透注浆，可以用水泥浆液挤出，置换基础内的泥土，可以有效缓解基础问题的进一步发展。华东某机场跑道基础损坏严重，现场钻取的芯样表明，基础与下层土基混合在一起（见图4）。为有效处置基础病害，机场采用注浆对基础进行处置。通过HWD检测表明，注浆后基础强度和均匀性有了显著提高。

图4 基础芯样照片

由于基础注浆属于隐蔽工程，机场道面基础上层的结构高度近1 m，施工质量和效果评价较为困难，施工变异性很大。这也是注浆处置方法的一大难点。

以上两种是常用的处置方法可单独应用，两者结合使用效果会更好，但工程造价较高。决策者可根据实际工程情况选择合适的处置方法。

5 结语

（1）结合机场自身特点，分析了机场道面基础出现不均匀变形的3个主要成因，分别为：荷载压密变形、冻融作用和周边施工影响。

（2）从功能性影响、结构性影响两个方面分析了基础出现不均匀变形对道面性能的影响。

（3）从设计角度提出了预防基础出现不均匀变形的方法。结合工程经验，提出了以δmax/T2做为衡量基础不均匀性的评价指标。

（4）提出了机场道面出现基础不均匀变形后的处置方法：面层加铺和基础注浆。

[1]MH5004-2009，民用机场水泥混凝土道面设计规范[S].

[2]Westergaard,H.M.Computation of Stresss in Concrete Roads[J].Proceedings,HRB,1925（5）：90-112.

[3]Chou,Yu T..Rigid pavement design for roads and streets elastic layered method[A].Proceedings,4th International Conference on Concrete Pavement Design an Rehabilitation[C].Purdue University,1989.

[4]Peek R.B，Deep excavation and tunneling in soft ground，State of the Art RePort[A].Proc.7th，Int.Conf.on soil Mechanics and Foundation Engineering[C].Mexieo City，1969.

[5]MH/5001-2006，民用机场飞行区技术标准[S].

[6]王旭东，李美江，路凯冀,等.橡胶沥青及混凝土应用成套技术[M].北京:人民交通出版社，2008.