复合式基层机场沥青道面研究

杨 明 桦

(中国民航大学机场学院，天津 300300)

0 引言

近年来随着民航强国的提出，国家对民航运输业的投资大幅增加，相应的基础设施建设也快速发展。我国机场普遍采用水泥混凝土道面，然而水泥混凝土道面维修困难，一旦重修机场便会停飞，将造成一定的经济损失并且给民众带来不便利。机场沥青道面维修便捷，很好的能解决这方面的问题，我国机场沥青道面普遍采用半刚性基层和柔性基层，然而半刚性基层和柔性基层都有各自不可避免的缺点，由于无机结合料稳定材料的干缩及温缩效应的原因，半刚性基层产生开裂进而导致道面产生反射裂缝。柔性基层承载能力弱，不得不通过增加厚度来提高其承载力，建设成本比较高昂。所以研究新的基层结构成为目前机场道面新的研究方向，本文引用国外长寿命沥青路面的设计理念提出了复合式基层机场沥青道面的结构，可以充分发挥出半刚性材料和柔性材料的优点，并对其设计指标进行选取。本文通过有限元软件ABAQUS建立复合式基层机场沥青道面的模型，分析复合式基层机场沥青道面在飞机荷载作用下的力学响应量，进而分析该道面结构对于我国机场道面结构寿命需求的适用性。

1 复合式基层介绍

1.1 基层的分类

机场沥青道面的基层按照结构层的刚度可以分为柔性基层、半刚性基层和刚性基层[1]。柔性基层普遍采用沥青稳定类碎石、级配碎石等材料，优点是属于粘弹性材料，有一定自愈能力，具有较好的疲劳性能和水稳定性，不易随温度、湿度变化产生裂缝，因此一般不会出现反射裂缝问题。缺点是刚度比较低，在同样的交通荷载下柔性基层比较厚，投资成本比较高。半刚性基层主要材料为石灰粉煤灰稳定碎石、水泥稳定碎石等，优点是承载力大、刚度大、弯沉小而且投资经济，缺点是对温度、湿度变化敏感，温缩、干缩变形大，属于脆性材料，容易开裂造成反射裂缝问题。刚性基层一般使用低强度的混凝土板，这种基层在国内外的机场沥青道面中一般都不会应用。

1.2 复合式基层特点分析

美国沥青协会提出了永久路面的设计理念，这个设计理念的核心就是按照功能合理的方式设置路面结构层，其中面层要求具有抗剪切变形、不透水和抗损耗的能力，基层和底基层是路面结构的主要承重结构，要求具有抵抗交通荷载作用下的抗疲劳开裂能力和良好的抗车辙性能[2]。通过以上分析可以看到柔性基层和半刚性基层可以优势互补[3]，结合中国的实际交通状况和经济条件本文提出复合式基层机场沥青道面结构，底基层采用无机结合料稳定类材料,基层采用沥青稳定类材料，这种结构充分利用了半刚性材料的较高强度和承载能力的优点,可以减少沥青层的厚度并且降低了初期投资，也可以改善中国目前对土基强度普遍要求不高的现状。同时，半刚性材料用在底基层可以大大改善其受力条件[4]。这种结构也可以充分发挥柔性基层抗弯拉强度好、抗疲劳性能好、不易产生收缩开裂等优点，沥青稳定类材料能够吸收和消减半刚性基层裂缝尖端应力和应变，从而有效的防止反射裂缝的产生，此外沥青面层与柔性基层间的结合良好，大大的提高了面层的使用质量，它可以减少面层底面的拉应力和拉应变，还可以使沥青面层减少滑动、推移等问题，使其在恶劣气候或重交通荷载条件下都能表现出良好的力学特性[3]。复合式基层机场沥青道面很好的解决了基层的弊端，这样道面的损坏就会被限制在面层之中，道面维修就会变得容易很多，道面损坏以后只需要铣刨表面层再重新加铺罩面，减少了对道面基层结构性的大修，极大的减少了物力人力财力的消耗。

2 设计指标的选取

我国现行规范采取的机场沥青道面设计方法为以道面累积损伤理论为基础的力学经验法。机场沥青道面的破坏方式主要分为疲劳开裂和轮辙。沥青道面的疲劳开裂自下而上扩展而成，当沥青面层层底的变形超过材料的允许变形时，在拉应力最大处材料产生初始裂缝并逐渐扩展开来。沥青道面的结构性轮辙是由土基和道面各结构层的永久变形不断累积导致的[5]。所以在设计复合式基层机场沥青道面时需要选取设计指标分别控制疲劳开裂破坏和轮辙破坏，依据MH 5010—2017民用机场沥青混凝土道面设计规范选取其设计指标。由于无机结合料稳定类材料的抗拉强度较低，在荷载和自然条件的综合作用下不可避免的会产生开裂现象,必须对其受力条件进行限制[6]，所以对于复合式基层沥青道面还应控制其无机结合料稳定类底基层的疲劳开裂。

2.1 沥青面层疲劳开裂的设计指标

选择沥青面层底面的最大水平拉应变作为设计指标，以限制沥青面层的疲劳开裂，沥青道面的沥青层层底疲劳开裂控制式按式(1)计算[7]。

lgNj=-3.081-5lgεh-2.665lgEA

(1)

其中，Nj为允许荷载重复作用次数；εh为沥青面层底面的最大水平拉应变；EA为沥青混合料20 ℃的回弹模量,MPa。

2.2 轮辙的设计指标

选择道基顶面的最大竖向压应变作为设计指标，以限制沥青道面的轮辙，沥青道面的轮辙控制式按式(2)计算[7]。式(1)，式(2)均为美国联邦航空局下属的国家机场道面试验中心通过进行室内足尺实验和现场实验所得到的，能够较为可靠的反映机场道面的实际使用情况。

(2)

其中，Nj为允许荷载重复作用次数；εv为道基顶面最大竖向压应变。

2.3 半刚性底基层疲劳开裂的设计指标

选择半刚性底基层层底的最大水平拉应力作为设计指标，以限制沥青道面半刚性底基层的疲劳开裂，沥青道面半刚性底基层的疲劳开裂控制式按式(3)计算[8]。式(3)是由室内反复疲劳试验所得。

(3)

其中，Nj为允许荷载重复作用次数；σt为无机结合料稳定类基层层底的最大水平拉应力；fr为无机结合料稳定类材料弯拉强度,MPa。

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

沥青道面结构的计算模型应该简化为飞机荷载作用下的多层体系，采用层间连续接触的弹性层状理论体系理论计算沥青道面结构力学响应量。使用ABAQUS有限元软件建立轮组—柔性道面—复合式基层—道基的有限元模型。有限元模型的几何尺寸为12 m×10 m×10.65 m。设置边界条件时，对于侧边界约束水平方向，对地面约束竖直方向。选择tie连接作为层间接触。选择C3D8R作为单元类型，在荷载控制区域采用0.1 m×0.1 m的网格[9]。机型选择我国目前使用数量最多的机型B737-800，主起落架为单轴双轮，单轴荷载为188.24 kN，轮胎压力为1.47 MPa，主起落架轮距为0.88 m，轮组位置在道面中心。各层参数在表1中列出。其有限元模型三维视图如图1所示。

表1 道面各结构层材料参数

3.2 有限元计算结果分析

通过有限元模型对复合式基层机场沥青道面结构的模拟计算，得到的沥青面层层底最大水平拉应变为120 με，道基顶面最大竖向压应变为498 με，半刚性底基层层底的最大水平拉应力为0.63 MPa。把120 με,498 με分别代入到式(1)，式(2)，可以得到其允许荷载重复作用次数依次为1.38×108，5.89×109。混凝土稳定碎石的弯拉强度为1.5 MPa，把0.63 MPa代入式(3)中可以得到其允许荷载重复作用次数为2.14×108。通过上述计算分析可以发现复合式基层机场沥青道面具有足够的允许荷载重复作用次数，完全可以满足我国机场道面结构寿命的需求。

4 结论

本文主要结论如下：

1)通过比较不同类型基层的优缺点，提出了复合式基层机场沥青道面的结构：沥青混凝土面层+沥青稳定碎石基层+混凝土稳定碎石底基层。此结构具有较强的承载能力和足够的强度、刚度，具有良好的疲劳寿命，同时设置的柔性基层能够有效降低反射裂缝出现的可能。2)提出了复合式基层机场沥青道面的设计指标，通过控制沥青面层底面的最大水平拉应变来限制沥青面层疲劳破坏，通过控制道基顶面最大竖向压应变限制道面轮辙，通过控制无机结合料稳定类底基层层底的最大水平拉应力限制底基层的疲劳破坏。3)通过有限元模拟计算发现复合式基层机场沥青道面具有足够的允许荷载重复作用次数，完全可以满足我国机场道面结构寿命的需求。