机场沥青跑道加铺改造现场足尺试验分析

王甫来，朱立国

（1.青岛国际机场集团有限公司，山东 青岛 266000；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京市102600）

0 引言

机场复合道面主要是在既有或新建水泥混凝土道面上铺筑沥青层所形成的复合结构。在既有水泥道面上加铺高性能沥青层可有效改善其结构性能和表面功能，并可在不停航条件下施工，已成为机场跑道加铺改造的主流形式。随着既有水泥道面的损坏与退化，我国已对40多个机场的水泥道面实施了跑道加铺工程，以获取良好的道面使用性能。然而，一部分复合道面在未达到设计寿命时就已经损坏。机场复合道面的损坏包括Top-down的剪切开裂、Bottom-up的反射裂缝开裂、滑移断裂、较大的轮辙波浪等。例如上海虹桥机场，在2008年实施加铺沥青层后仅使用2年，就因道面损坏而不得不再次实施沥青层的加铺改造。复合道面早期损坏的出现，会加速道面结构性能衰退，缩减道面的使用寿命。

因此，研究道面损坏的产生及破坏规律，并采取适当的措施进行预防，对于延长道面的服务年限有重要意义。本文依托成都双流国际机场西跑道沥青加铺改造工程，完成了机场沥青加铺层现场足尺试验方案设计及施工，通过获取沥青层在荷载作用下的应变响应，为上述道面损坏的相关研究工作提供数据支撑。

1 现场足尺试验段修建

Fred Hugo院士认为，虽然现场足尺试验投入高、耗时长，但是其与道面结构的实际条件相近，所获得的知识可靠性高[1]。事实上，足尺试验是进行道面理论和设计方法研究不可或缺的部分，在全世界范围内被广泛应用，并取得了大量研究成果。1909年美国底特律市修建了第一条足尺试验路。1919年～1930年，美国在Aelington开展环道足尺试验，并由此提出了混凝土道面设计方法。在随后的几十年里，美国、英国、荷兰、墨西哥、加拿大、法国、瑞士、日本等国家均开展了足尺试验，其试验成果有力地推动了道面设计理论的发展[2-4]。我国在20世纪80年代引入足尺加速加载设备，并开展了一系列足尺试验研究[5]。

1.1 足尺试验的道面结构

本文依托成都双流国际机场西跑道沥青加铺改造工程来修建足尺试验的道面。该机场飞行区技术等级为4E，西跑道尺寸为3 600 m×45 m，南段为主降方向。西跑道曾经过多次加铺改造，导致现状道面结构复杂。以南段为起点，既有的跑道道面结构分别为：

（1）0～600m和3400～3 600 m：38cm水泥混凝土板+2 cm石屑找平层+18 cm水泥稳定碎石基层+18 cm砂砾石基层。

（2）600～700m和3300～3400m：25cm 新水泥混凝土加铺板+31 cm原水泥混凝土板+2 cm石屑找平层+20 cm砂砾石基层。

（3）700～3 300 m：25 cm 新水泥混凝土加铺板+21 cm原水泥混凝土加铺板+27 cm原水泥混凝土板(边缘减薄至21 cm)+20 cm砂砾石基层。

综合考虑传感器尺寸、测量精度、数据传输及耐高温性等多种因素，选用光纤光栅（BA-OFS215）沥青应变计测量沥青层底应变，选用光纤光栅（BA-OFT10）温度传感器进行温度修正。

1.2 试验段施工

试验段平面位置见图1。

图1 试验段平面位置

试验段施工过程包括传感器定位、道面拉毛、线槽开挖、传感器埋设以及施工期间的实时监测等环节。根据跑道标志线以及飞机转弯时的偏移规律，选定如图2所示的3块水泥混凝土板块进行现场试验。将20个光纤光栅沥青应变计分别布设在3块水泥混凝土板的板边、板中、板角等位置，2个温度传感器随机埋设，传感器位置用记号笔标记，如图2所示。道面拉毛处理以增强层间的黏结力；开挖线槽以保护光纤免被施工机械及高温破坏。

图2 传感器布设方案

传感器埋设时（见图3），以热拌沥青混合料AC-10包覆并固定传感器，再在传感器底铺设一层混合料、夯实；放置传感器后再铺设一层混合料，使传感器包覆其中，再次夯实。在置入线缆的缝上方铺设少量混合料，防止线路脱出。完成后，等待混合料自然冷却至常温。操作过程应迅速熟练，防止因混合料较快冷凝而难以夯实。

图3 传感器埋设

摊铺施工过程中，实时监测传感器存活状态。待施工结束后，安排车辆测试，检测传感器的工作状况。经测试，本次试验工作状态正常的沥青应变计有12个，温度传感器2个，传感器存活率约64%。

2 数据获取与分析

2.1 传感器数据

分别提取板中、板角、横缝板边中部及纵缝板边中部处沥青应变计在某一时刻的实测数据，得到沥青层底应变实测值，如图4所示。飞机荷载的整个作用过程中，沥青层底应变表现为拉压交替变换：荷载接近时，沥青层底呈现拉应变，幅值小；荷载作用在沥青层正上方时，沥青层底应变迅速由拉变为压，量值较大；荷载离开后，层底压应变恢复并出现较小的拉应变，随后慢慢恢复为零。通过对比图 4（a）～（d）可知，对于复合道面，由于既有水泥混凝土道面结构不连续，当飞机在沥青加铺层上行驶时，沥青层底的应变响应在平面分布上存有差异。板中和横缝板边中部均位于轮迹正下方，但横缝板边中部的应变峰值约为板中的7倍。

2.2 有限元模型

假设飞机经过试验断面时为匀速运动，建立道面结构的三维有限元模型，研究沥青加铺层层底的应变响应量。通过与传感器数据对比，评估现场足尺试验方案的效果。成都双流国际机场起降机型中C类飞机约占90%，本文的有限元分析中，采用A320作为代表机型，其荷载模型基本参数见表1。

图4 沥青层底应变实测值

表1 A320荷载模型参数

采用ABAQUS建立15 m×15 m的三维有限元模型，假设层间完全粘结[6]，各结构层为弹性体，模型参数选取如表2所示。

表2 有限元模型主要计算参数[7]

模型中土基底部采用完全约束、侧面约束法向位移，最终三维有限元模型如图5所示。

图5 道面结构三维有限元模型

2.3 结果分析

假定飞机的速度为15 km/h，则通过模型所需的时间为3.6 s。提取中心板块的板中、板角、横缝板中及纵缝板中等4个位置处的沥青层底应变，其沥青层底应变有限元计算结果如图6所示。对比图4和图6可以看出，有限元计算值和实测值之间数量级和变化规律吻合较好。但是有限元计算结果中图 6（a）与图 6（c）、图 6（c）与图 6（d）之间的差值较实测值小。这可能是有限元模型中模型材料选用了线弹性模型，与实际情况有偏差所致。

传感器实测值和有限元分析结果均表明，水泥混凝土板的不连续导致沥青加铺层出现应力集中，在加铺层设计时应当加以考虑，以免出现反射裂缝的早期损坏，影响道面结构的使用寿命。在沥青层加铺改造前应评估既有水泥混凝土道面板底脱空情况和接缝传荷能力，必要时采取一定的措施加以修复。

图6 沥青层底应变有限元计算结果

3 结语

采用光纤光栅沥青应变计可有效获取机场复合道面层底拉应变。沥青应变计在摊铺施工中存活率不高，有必要进行双备份埋设；同时沥青层底的有限元计算值与实测值吻合较好，研究中可以采用有限元计算复合道面结构响应，但应进行模型标定。既有水泥混凝土道面的接缝会导致加铺沥青层的应力集中，边、角处结构较薄弱，应予以重视。