机场沥青混凝土道面设计

李春波

（中国民航工程咨询有限公司，北京100621）

0 引言

在机场工程的建设中，各种施工工艺和技术日渐成熟，也积累了大量的经验，可结合实际的建设标准，选择最为恰当的建设工艺。机场沥青混凝土道面的设计施工难度大，已经成为机场工程的难点。在此类项目的实施过程中，需结合现场情况进行分析，注重对设计方案的优化和调整，确定科学有效的设计方案作为后续施工的参考。未来各个机场工程中都应重视沥青混凝土道面的设计和施工创新。

1 机场道面的使用现状

当前，机场项目呈现出数量增多、规模扩大的趋势，对道面施工有着严格的要求。通过对现有机场道面使用情况进行统计，我国机场道面结构类型主要包括水泥混凝土道面和沥青混凝土道面。结合我国机场道面的使用现状得出，多数为水泥混凝土道面。相关统计数据表明，采用沥青混凝土道面的机场大约仅占主要通航机场总数的10%[1]。如今，在技术不断进步的过程中，沥青混凝土道面施工工艺也日渐成熟，表现出诸多的性能优势，沥青混凝土道面的应用得到越来越多的重视。

2 机场道面设计的主要方法

2.1 CBR 经验法

就当下国内外机场项目的使用情况来看，CBR 经验法的应用相对较多，在利用这一设计方法开展施工建设的过程中，最重要的两个指标是道基土和道面材料的参数。道面设计的参考标准为土基抗剪强度，道面失效的参考标准为土基变形量与道面轮辙量。通过目前研究的理论成果以及足尺试验的现场结果，拟合得出道面结构厚度与CBR 值和飞机荷载作用次数的经验公式。按照CBR 经验法，基于不同飞机起落架构型，累加所有机型的年作用次数，再通过上述经验公式便可计算出较为合适的道面厚度参数[2]。

2.2 力学-经验法

以往的经典计算方法是以弹性层状体系理论为基础，将弹性模量和泊松比作为变量参数，把沥青底部拉应变及土基顶压应变作为设计因素，沥青道面破坏指标主要为沥青混凝土的疲劳开裂和土基的永久变形。在道面设计方法和技术不断发展的过程中，一些学者提出了室内外实验和有限元分析相结合的设计方法，将这种设计方法应用在实际的项目中，同样可以辅助沥青混凝土道面的设计。采用这种设计方法来开展设计工作，可将道面结构离散为多个小单元，经由数值模拟得出材料非线性、几何非线性等复杂特性下的设计效果更为理想。

3 机场沥青混凝土道面设计的要点

3.1 多种机型下混合交通组成

在所有机场运行过程中，并不是仅有一种型号的飞机，而是以多种机型共同运行组合而成的混合交通流。在飞机起降的过程中，由于飞机型号不同，起落架的几何构型也存在较大区别，而这些区别最终引起道面受力的差异。在这种条件下的沥青混凝土道面设计，应加强综合分析。现阶段的设计条件下，美国开展的关于沥青道面的设计更能反映机场的实际情况。以FAA 弹性层状体系为基础模型，荷载作用采用机场实际运行的机型组合，并不以单一设计机型为代表，能够反映不同起落架构型对道面的影响，并考虑设计年限内机型的增长率，以累积疲劳损坏开裂作为控制标准，进而对沥青道面的结构厚度进行计算。

3.2 多轮起落架荷载

不同型号飞机的起落架也存在着一定的结构差异，但从根本上来看，起落架中都包含多个机轮。在飞机起降的过程中，多轮和单轮荷载条件下对道面结构的力学影响有着明显的差异。在开展沥青混凝土道面的设计过程中，有关设计人员需分析多轮荷载的当量单轮化因素。国内关于沥青混凝土道面的设计，主要采用土基顶面的弯沉等效原则，在这一原则下，可在计算的过程中实现多轮荷载向当量单轮荷载的科学转化[3]。这种转化需要一定的假设条件，即单轮与多轮起落架的全部轮印的接触面积相同，同时对于道面结构的力学响应，在相同的位置能够引起相同的弯沉。虽然这一理论对沥青混凝土道面有一定的作用，但是还并不成熟，在未来还有一定的发展空间。

3.3 轮迹横向分布差异

当飞机在机场道面上运行的过程中，飞机的中心线与相应的道面标志中线存在一定的偏差，这就导致道面结构上不同的点位所承受的飞机荷载的作用次数与实际运行次数在横向分布上表现出差异。这种区别使得在沥青混凝土道面的设计过程中，需考虑飞机轮荷的轮迹横向作用分布特点，只有在考虑了这一因素的情况下，道面厚度才能够更符合实际的要求。

3.4 环境气候因素

沥青混凝土道面设计中，环境气候因素同样是需要重点考虑的因素。因为就机场道面本身来看，长时间暴露于干湿、冷热和冻融等环境中，都可能对道面造成显著的影响。国内外的很多机场项目中，针对沥青混凝土道面的设计，在考虑环境气候因素的情况下，采用冻深的概念应用在具体的设计工作中，明确规定了道面最小的防冻厚度。然而，这一设计方式仅仅考虑了冻深的因素，却并未充分考虑降水、湿度与温度等因素。

4 案例分析

4.1 工程概况

以国内某中型机场为例，近期飞行区指标设计为4D，远期根据实际发展需求升级为4E。在此机场的飞行区工程中，建设有一条长2800m 的跑道，道面宽度为45m，两侧各设7.5m 宽的道肩。为保障机场的可靠运行，在工程项目中同步建有滑行道系统、站坪、航站区、工作区等各种配套设施。

根据对此工程项目所处区域内的自然条件分析，在开展沥青混凝土道面设计时，需综合考虑气温、降雨量、紫外线等因素。从气温角度来看，该区域全年均温22℃，最高温38℃，最低温-2.0℃，根据对此气温条件的分析，此机场工程所处区域内的温度条件符合沥青混凝土道面施工的温度条件要求。结合对此地的降雨量分析，历年降雨较为充沛，平均降水量达到1550mm，年最大降雨量为2200mm，年平均降雨日数为183d。沥青混凝土道面结构受到雨水的影响较大，在雨水与荷载的同步作用下，道面可能发生水损坏问题，这就要求在开展沥青混凝土道面设计的过程中，需从长远考虑减小水损坏的措施。此机场工程所处区域内，全年日照时间长但紫外线不强，适合沥青混凝土道面建设。

4.2 沥青混凝土道面设计方案

4.2.1 道面分区

通过对此机场项目现场实际情况的分析，结合相关专家给出的项目意见以及国内机场的通用做法，在跑道道面、快速出口滑行道、跑道等待位置与跑道之间的垂直联络道部分，可使用沥青混凝土道面。在其他位置，如需要长时间停放飞机的站坪以及易产生轮辙的联络道转弯位置，则采用水泥混凝土道面。

4.2.2 道面坡度设计

由于此项目所在地的降雨量充沛，在沥青混凝土道面的设计过程中，为减少雨水对道面的侵蚀，应加强排水设计，以避免雨水在道面的集中。为满足快速排水的需求，需加大道面横坡。跑道纵坡应根据飞行区技术标准设置，跑道两端各700m 范围内采用0.7%，其余部分采用0.8%，最大限度地节省土方，跑道及滑行道的道面横坡设置为1.2%，道肩横坡采用1.7%[4]。

4.3 道面结构设计

4.3.1 结构厚度计算

在沥青混凝土道面的结构设计方面，为得到最佳的设计效果，可在设计的过程中引入CBR 经验法、弹性层状体系分析法、有限元结构计算法。就我国当前的沥青混凝土道面设计来看，有关于这一方面的设计规范，在具体的设计工作中可参考美国FAA 发布的咨询通告图和相关程序。

CBR 设计方法下，当在沥青混凝土道面中采用CBR 设计方法时，设计人员应依据机场航空业务量的预测值进行分析，机型组合选择C 类∶D 类∶E 类占比为80%∶15%∶5%，起降比例相同。据此，可对设计年限内各种飞机的平均年起飞架次进行估算，具体可采用以下公式（1）：

式（1）中:R1、R2、W1、W2分别表示当量设计飞机起飞架次、换算为设计飞机主起落架构型一致的起飞架次、设计飞机单轮荷载、拟换算飞机单轮荷载。

根据相应的数据调查结果分析，该机场沥青混凝土道面结构设计中，最终确定的方案为：19cm 厚的沥青混凝土面层，36cm 厚的水泥稳定碎石基层，级配碎石垫层的厚度待定。按照相应的设计规范，沥青混凝土材料换算系数为1.6，水泥稳定碎石基层、底基层换算系数分别为1.4、1.6，级配碎石垫层换算系数为1.2，将这些数据套用进相关的设计规范，最终得出：级配碎石厚度为20cm。在这种情况下，道面结构总厚度超过了土基CBR=20 时的当量厚度。这一结果说明，在沥青混凝土道面设计中，当所确定的垫层厚度为20cm 时，结构设计不仅可满足相应的设计规范，还符合实际需求[5]。

4.3.2 结构层组合设计

该机场沥青混凝土道面的设计中，依据相应的计算结果，沥青混凝土道面面层主要为上、中、下三层，总厚度为19cm，下设一层土工布与2cm 厚的AC-5 应力吸收层，基层采用两层各18cm 厚的水泥稳定碎石，垫层为20cm 厚的级配碎石。

面层包含上、中、下三层，沥青材料均采用AB-70机场道面石油沥青。 上面层采用厚度为5cm 的SMA-16 改性沥青混凝土，利用SBS 改性剂进行改性，级配为S 型，此种结构使混合料的密实性更好。中面层采用厚度为6cm 的AC-20 改性沥青混凝土，同样采用SBS 进行改性。下面层采用厚度为8cm 的AC-25 沥青混凝土。为使面层的动稳定度达到要求，在中、下面层添加适当的抗车辙剂。

此沥青混凝土道面中的基层为水泥稳定碎石，在极佳的条件下，使用的材料应符合以下要求：水泥含量在4%以内，7d 浸水的抗压强度在3.0～4.5MPa 之间，压实度为98%。

垫层采用的是20cm 厚的级配碎石，最大粒径不超过5cm，压实度大于96%。

4.3.3 优化道面性能的措施

在该机场项目的实施过程中，为提高沥青混凝土道面的使用性能，以使该道面在设计年限内保持最佳的使用效果，应在开展结构层的设计过程中，做好各方面的优化和管理。根据工程经验，可从以下几个方面来实施：

（1）在上面层中采用SMA 混合料，在上、中面层中均使用改性沥青，并在沥青混合料中添加一定的稳定纤维，通过这些添加剂可使混合料的孔隙率得到有效控制，从而起到改善混合料性能的作用，最终使道面拥有更好的稳定性。

（2）由于大气温度的影响，沥青混凝土道面设计过程中，需保障沥青混凝土的高温稳定性。为满足这一要求，可在中、下面层中选用骨料粒径相对较大的AC-20 或AC-25 混合料级配，并使用改性沥青和抗车辙剂，提高结构层的稳定性。

（3）在半刚性基层上设置应力吸收层，由该应力吸收层来进行隔离与防水，可减少面层中的反射裂缝。

（4）尽可能选用厚度较大的沥青面层，使道面具有更高的环境适应能力，即使为软土地基区域，道面沉降也可得到有效的控制。

5 结语

近年来，随着机场项目中建设部门对道面建设效率的要求越来越高，很多机场都采用沥青混凝土道面，其具有施工速度快且不需养护的特点，但是这种道面结构施工难度较大，为保障最佳的施工效果，工程人员需在沥青混凝土道面的设计工作中，充分考虑各个方面的影响因素，采用各种设计和计算方法，保障设计效果，进而确保最终机场道面的工程质量。