坑槽修补面的受力情况试验研究

卞文堂 李赞成 秦立军

（1中国航空港建设第二工程总队， 江苏 徐州 221000；2空军勤务学院机场勤务保障系， 江苏 徐州 221000）；

（3空军勤务学院机场勤务保障系， 江苏 徐州 221000）

0 引言

机场是保障战机飞行起降的重要国防设施，维护机场道面结构和功能的完好是确保机场飞行保障能力的必要前提。战时机场遭到反跑道炸弹袭击后会导致大量坑槽，使道面丧失保障能力，需要对机场道面上坑槽进行抢修，而对机场道面坑槽修补面结构在机轮荷载下的受力情况进行分析，将有助于道面坑槽抢修的设计和优化，对提高坑槽抢修质量与效率,完善机场飞行保障能力具有重大意义。本文采用机场跑道模拟试验台进行试验，模拟机轮荷载对坑槽修补面结构的荷载重复作用，利用数据采集系统收集坑槽修补面的应力数据进行力学分析，得出坑槽修补面在机轮荷载作用下的力学响应规律。

1 试验设计

1.1 试验原材料

水泥熟料为河南省郑州登峰熔料有限公司的鸭牌DFRC“抢修宝”快硬水泥；

石子为徐州本地产粒径为5～20mm级配碎石；

砂为徐州市建筑中砂，细度模数为2.68；

固化剂采用山东汉为环保科技有限公司产的SV-02型固化剂；

减水剂采用上海丽瑞化工有限公司产的粉末状高效减水剂；

试验拌合用水为徐州市自来水厂所供自来水。

配合比采用快硬水泥400kg/m3、石子1236 kg/m3、砂子618kg/m3、水141kg/m3、固化剂用量28kg/m3、减水剂用量6kg/m3。

1.2 试验设备和试件

试验设备采用型号 KPD-01的机场跑道模拟试验台（见图-1）对坑槽修补面试件进行重复荷载作用，此设备能够设定不同类型飞机的单机轮荷载，可以在垂直和水平两个方向运行，通过控制机轮对试件进行重复荷载作用，在室内模拟多种类型飞机在机场跑道上的起降对道面的荷载作用，通过试件内部和表面粘贴的电阻应变片，利用HZ1008A型数据采集系统外联电脑，从而获得试验过程中试件的应变的数据，然后应用数据处理软件处理，得到试件的应力情况。

图-1机场跑道模拟试验台

试验试件制作方法：提前两个月采用C30普通硅酸盐水泥制作5块450mm×350mm×120mm的长方体混凝土试件（见图-2），试件用镐头在长方体混凝土试件中部凿出一个大小和深度适当的坑槽（直径≤1m），然后使用切割机在试件上切出一个200mm×200mm的修补面，使坑槽处于修补面中心，修补面切割深度依次为50mm、40mm、30mm、20mm、10mm，并按要求粘贴应变片,然后铺筑快硬水泥混凝土进行修补，试件成型后立即用塑料薄膜覆盖在试件表面，防止水分快速蒸发。然后将试件放于环境温度为20±2℃、相对湿度95%以上的标准养护箱养护到测试龄期。电阻应变片采用BX120-3AA型应变片，栅长3mm，栅宽2mm，电阻120±0.1Ω，电阻应变片布置位置为薄层底面X和Y方向各一处和薄层面层X和Y方向各一处，总共4个测点，标号依次为1、2、3、4，见图-3。

图-2 长方体混凝土试件

图-3应变片布置示意图

1.3 试验步骤

由于坑槽抢修对早期强度要求高，根据抢修规范[3]将4小时龄期的试件放置到机场跑道模拟试验台上，进行模拟机轮荷载碾压道面坑槽修补面的试验，具体步骤为：调试机场跑道模拟试验台和数据采集系统，设定试验相关参数，调整机轮初始位置，调整荷载，开始试验。根据抢修规程对道面坑槽抢修的质量要求，机场跑道模拟试验台的机轮垂直荷载取196KN，荷载的重复作用次数为200架次。

2 试验结果分析

本试验分别对试件进行了 200架次的重复荷载作用试验，收集统计试验数据结果见表1，其中应力数据的正负号代表不同的受力形式，“+”代表受拉应力作用，“-”代表受压应力作用。

表1 试验数据结果

2.1 坑槽修补面应力状态

由坑槽修补面试件测得的不同厚度试件底部和面层X和Y两个方向的最大应力数据，可分别求出试件底部和面层的最大主应力，其相互关系见图-4，通过测点应力分布可以分析坑槽修补面结构在机轮荷载作用下的受力状态。

图-4试件测点应力关系图

根据表 1中试件应力数据可知，机场道面坑槽修补面试件在机轮荷载作用下的应力状态从面层到底部呈现出由负变正的过程，说明坑槽修补面结构的受力状态为面层受压应力，从面层到底部逐渐由受压应力变为受拉应力，底部受到拉应力最大。

同时由图-4可以看出，在机轮荷载作用下，试件面层和底部应力状态在X和Y两个受力方向上呈现出一定的规律：试件底部在X方向上受到的拉应力值远大于在Y方向上的拉应力值，同样试件面层在X方向上受到的压应力值也远大于在Y方向上的压应力值，因此坑槽修补面试件主要受X方向上的应力作用，即坑槽修补面结构受力主要由机轮运动方向的应力产生，试件破坏也更易从机轮运动方向上产生。

2.2 切割修补厚度与荷载重复作用次数关系

机场道面板底拉应力对道面的危害远远大于面层压应力，因此坑槽能够承受的底部最大拉应力越大越好。通过分析试件底部最大拉应力与厚度关系并结合满足坑槽抢修质量的荷载重复作用次数与切割修补厚度关系的统计数据可以确定出满足坑槽抢修质量的切割修补最小厚度，具体数据见图-5。

图-5切割修补厚度与荷载重复作用次数关系

由图-5中（a）图可知，坑槽修补面试件底部最大拉应力随坑槽切割修补厚度减小而增大，在坑槽切割修补厚度为20mm时取得最大值1.6223MPa。而当坑槽切割修补厚度继续减小，坑槽修补面试件底部最大拉应力反而减小，说明坑槽修补面厚度为20mm是满足200架次机轮荷载重复作用的最小厚度。由（b）图可知，试件厚度在50mm～20mm区间中，都能满足200架次的重复荷载作用而试件不发生结构破坏，当厚度小于 20mm时，不再满足抢修质量要求，因此可以确定坑槽修补面能满足承受200架次机轮荷载抢修质量要求的最小切割修补厚度为20mm。

3 结论

本试验利用机场跑道模拟试验台对机场道面坑槽修补面结构进行荷载重复作用试验，经过对试验数据的分析，可得出以下结论：

（1）机轮荷载作用下坑槽修补面结构的受力状态为：面层受压应力，从面层到底部逐渐由受压应力变为受拉应力，底部受到拉应力最大；在受力方向上，坑槽修补面受力主要由机轮运动方向的应力产生，试件破坏也更易在机轮运动方向上发生。

（2）本试验中坑槽修补面能满足承受200架次机轮荷载抢修质量要求的坑槽最小切割修补厚度为20mm。由此可知，利用坑槽修补面底部拉应力与坑槽切割修补厚度的关系，在满足坑槽抢修质量的前提下可以减小坑槽抢修的坑槽切割厚度，达到减少坑槽抢修工程量，提高坑槽抢修效率的目的。

[1]许巍，李显刚，刘著伟. 机场水泥混凝土道面快速修补技术探讨 [J].城市建设理论研究，2015，5（34）：36- 37.

[2]范玉占，伊晓军，党明杰. 机场水泥混凝土道面快速修补技术介绍 [J].机场工程，2013，（1）：26-28.

[3]李赞成，张韬，谢永亮，等. 战时机场排弹抢修[M]. 徐州:空军勤务学院，2015.