机场水泥混凝土道面脱空区动水压力分析.pdf

6 4 道路交通 城市道桥与防洪 2 0 3 年4 月第4 期 机场水泥混凝土道面脱空区动水压力分析 妻 季 ， 我 国 近 7 0 的 机 场 道 面 存 在 普 兰 量 空 率 大 于 3 0 ) ， 近 3 0 的 机 场 荐 妻 壁 害 象 ( 脱空率大于 6 0 ) 。脱 妄 ； 茎 要 结 构 承 载 能 力 ， 缩 短 道 面 使 用 磊 璺 兰 妻 有 隐 蔽性 ， 检测 和处置难度 ， ： 脱 空 病 害 是 机 场 道面维护工程 中的难 。 一 璺 宴 形 成 机 理 来 看 ， 可 以 分 为 唧 泥 型 脱 窨 、温度翘曲型脱空和基础变形型脱空三种类 共 以唧况型脱空最为普遍。 唧泥是指 飞机荷载行驶通讨 时其 犀络暗 I士 | 望 变 皇 泵 引 效 应 产 生 动 水 压 力 ， 导 致 基 层 要 表 层 ， 形 成 唧 泥 现 象 。 基 层 材 若 曼 出 现 空 隙 ， 长 期 作 用 下 空 隙 茎 送 二 发 展 ，形成脱空现象。 唧泥的产生通常要具备以下几个条件 ： 、 。 水。唧泥是水将基层内粒料带到道面表面 的过程 。 r 一 。 ) 渗水通道。水必须通过通道才能将粒料格 iIJ 要 常 窨 好 的 道 面 是 不 具 备 渗 水 通 道 。的 。 道 裂 缝 ， 接 缝 也 采 用 嵌 缝 料 进 看 手 蔷 堡 璺 过 程 中 性 能 会 不 断 衰 减 ， 出 ： 嵌 缝 料 脱 落 等 现象 ， 形成渗水通道 。 载作用。当飞机荷载通过接缝 裂缝处 。由于道面板会产生一定挠度 ，对孑 L 隙 中 兰 麓 曼 ： 昱 孔 隙 中 的 水 产 生 较 高 压 力 并 篙 ： _ = 分水通过渗 水通道喷出。 示意 场实景分别如图 1 和图 2 所示 。 一 收稿 日 期： 2 0 1 2 1 2 0 5 纂 g ( 1 96 9 一 ) ，男 ，湖 北 武 汉 人 ，工 程 师 ，从 事 机 场 工 程 监 理 工 作 一 图 1 唧泥形成脱空示意图 ( ) 基层抗 冲刷性能不足。一般形成唧泥现象 量 基 层 。 由 于 基 层 整 体 性 差 ， 粒 料 粘 结 ： 粒 料 容 易 被 水 带 出 。 而 对 于 半 刚 崔 ： 煮 芊 层 是 一 个 胶 凝 整 体 ， 各 种 集 料 通 过 胶 结 材 料 凝 结 成整体 ， 较难形成唧泥现象 因 此 ，对于二灰稳定碎石、 二灰土等柔性基层 竺 粤 ， 多 雨 季 节 极 易 出 现 唧 泥 现 象 ， 尤 其 是 面 破 损 严 重 、飞机荷载作用频繁的区域。 1 脱空区水行为分析 通过以上分析可知 ，唧泥型脱空必须要有水 用 。 水 在 整 个 脱 空 的 形 成 过 程 当 中 的 行 为 亩 以 分 为 五个阶段 ， 如图 3 3 i 所示 一 一 一一一一 一 摘 力 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 城 市道桥 与防洪 道路交通 6 5 l I I U 厂一 v 图 3 唧 泥 过 程 中 水 运 行 过 程 划 分 图 第一 阶段 ：为飞机 轮载从 非脱空 区驶近脱空 区。道面板块在飞机轮载作用下产生微小振动 ， 脱 空区内的水受振产生往返运动 ， 强度较弱。 第二 阶段 ： 飞机轮 载在第一 块板 ( 图 中后 板 ) 脱空区行驶， 至接缝处。脱空使基层对道面板的支 撑下降，道面板在荷载作用下产生的挠度迅速增 加， 脱空区内的水受到迅速挤压 ， 水的流动加剧。 当飞机轮载抵达接缝处时板的挠度量最大，水带 着粒料沿接缝缝隙排出至道面。 第三 阶段 ： 飞机轮载驶过接缝 的缝 隙 ， 后板 迅 速反 弹 ， 呈有阻尼 自由振动状 态 ， 脱空 区呈现 负压 吸水状态。 第 四阶段 ： 飞机 轮载在第 二块板 ( 图中前板 ) 的脱空区行驶。 板块受荷载作用产生挠度， 脱空区 水受挤压作用 ，水带着粒料 沿接缝缝隙排 出至道 面 。 第五阶段： 飞机轮载驶入了前板的非脱空区。 呈有阻尼 自由振动状态 ， 脱空区水呈紊流状态 。 2 脱空区水压力分析 水是形 成唧泥 的首要条件 ，脱空 区内水在荷 载通过 时产生 的动水压力越大 ， 越容易形成唧泥 。 因此 ，脱空 区内动水压力 的大小是形成 唧泥的一 个重要参数。 脱空区域 内动水压力值 的测试方法分为两 种， 一是直接测量； 二是间接推算。直接测量法是 通过钻孔将测试仪器插入脱空区域内，以测试荷 载通过时该点的压力大小 。该方法较为直观 ， 但也 有一定缺陷 。首先是 只能测试某一点的压力值 ， 该 点未必是最大值。其次是测试仪器对仪器周围的 水 流有一定 的干扰作用 ，导致实测值与真实值有 一 定差别。间接推算方法是通过现场观测唧泥时 接缝中喷出水的高度 ，进而通过伯努利方程来反 推动水压力。推算过程中对唧泥过程做了一定简 化 ， 即假定唧泥中水 的喷 出过程没有能量损失 。实 际上由于接缝 裂缝很窄， 缝壁的摩阻力会消耗绝 大部分射水动能，忽略这部分影响导致推算结果 明显偏小 。本文的分析采用直接测量法 。 直接 测量脱 空 区动水压 力试 验难 度很 大 ， 目 前国内外只有美国 E l m e r C H a n s e n【4 】 做过相关研 究 ， 并取得 了宝贵数据 。试验数据如表 l 所列 。由 于机场运行安全控制严格 ，无法进行现场动水压 力测试 ，本文 通过采用 E l m e r C H a n s e n测试 的公 路动水压力数据 ， 通过数据分析 与模拟 ， 来测算机 场脱空区域 内动水压力值。 表 1 动水压 力测试 结果一览 表 对表 1中数据进行分析 ， 可以得 出以下结论 。 2 1 动水压力与车速的关 系 从表 1 数据 可以看 出 ，车速对脱空 区域 动水 压力影响较大。通过对数据进行 回归分析可 以得 出 ， 动水压力 与车速呈二次多项式关 系。以第 一轴 测试数据为例， 拟合结果如图4 所示。 Y = 0 0 0 4 x O 2 9 7 x + 1 9 7 9 J r- 一 。 。 h L 。 - !： ： ： - r 行车速度 k mh l 的 6 0 7 0 8 0 90 1 0 y ： 0 o3 x 2 7 5 x 一1 - ， - - 、一 图 4 动水压 力与行 车速度 相关性 回归 曲线 图( 单位 ： k P a J 2 2 动水压力与轴重 的关 系 第二轴轴重为 7 9 k N ， 第一轴轴重为 3 1 k N， 轴 重 比为 2 5 。 计算第二轴 4 0 k m h 、 7 2 k m h 、 9 7 k m h 车 速对 应 的压力 差 与第 一轴 对 应 的压 力差 的 比 值， 分别为 2 1 、 2 _3 和 2 _3 ， 接近于轴重 比值的 2 5 。 近似 认 为 ，压力 差 与轴 重呈 线 性关 系 。而根 据 We s t e r g a a r d公式 ，荷 载与道面板 的挠度也 呈线性 关系。因此， 可以近似认为， 动水压力与轴重、 挠度 都呈线性关系。 表 1中数据是公路 ( 水泥混凝 土路面 ， 厚度 2 4 c m) 测试数据 ， 测试得到的最大动水压力最大 超过 4 0 k N， 最小动水压力接近 一 3 0 k N， 形成的最 大动水压力差接近 7 0 k N 。 而该动水压力差是形成 水流冲刷作用的关键。 相对于公路而言 ， 机场条件更加恶劣。机场内 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 道路交通 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年 4 月第 4期 大型飞机轴载可超过 5 0 0 k N，飞机滑跑速度可超 过 2 5 0 k m h 。由于无法在机场现场进行实地测量 ， 只能按照理论方法 由公路测试数据进行推算 。 3 机 场道面 需考虑 的若 干变量 相对于公路路面 ， 机场道面有以下几个变量需 要考 虑 ： 轴载 、 行驶 速度和 道面板 的厚 度 ， 以及 飞 机行驶过程 中升力 的影响。而其他参数 ， 如道面板 材料 的模量 、 基 层顶面反 应模量 、 板块 的尺寸 、 基 层材料类型等公路与机场大体相同。根据前面对 唧泥过程原理进行 的分析可 以理解 ，唧泥过程 实 际上是轴载作用于道面板 ，引起道面板出现弯沉 并 引发振动 ，再通过道 面板传递 到板底 脱空腔 内 的水 ， 从而引发水的流动从而产生动水压力 ， 形成 唧泥现象。因此可 以判 断 ， 唧泥过 程 中“ 荷 载一道 面一水一基层” 四相体之 间交互影 响的关键 影响 因素有以下几点 ：道面在荷载作用下产生的挠度 大小 W 。 ， 荷载行驶速度 。 其中挠度 W 。 主要与道面 板厚度及荷载大小有关。以下针对机场与公路的 区别做定量分析， 通过对差值进行修正 ， 进而得到 机场脱空 区内动水压力。 3 1 挠 度 W 0 与公路相比， 机场道面轴载重 ， 但同时机场道 面结构设计时对重荷载进行 了考虑 ，通 常机场 面 层道面板厚度较厚 ，轴载通过时对道 面板产 生挠 度不一定 比公路大很 多。本文通过 简单算 例进行 对 比。 4 E等级机场水泥混凝土道 面 ： 选取 B 7 4 7 4 0 0 机型标准起落架荷 载 ，道面厚度为 3 84 0 a m， 道 面板模量 3 0 G P a ， 泊松比0 1 5 ， 基层顶面反应模量 8 0 M N m ，采用 A B AQ U S有 限元 软件进行数值模 拟 ， 可 以计算得到的道面板中弯沉为 1 9 5 2 0 2 m。 公路水泥混凝土路面 ， 选取标准轴载 1 0 0 k N， 胎 压 0 7 MP a ， 路 面厚 度 2 8 3 0 c m， 路 面 板 模 量 3 0 G P a ， 泊松 比 0 1 5 ， 基层顶面反应模量 8 0 MN m。 ， 采用 A B A Q U S 有限元软件进行数值模拟，可以计 算得到的板中弯沉为 2 0 7 2 2 4 m。 从计算结果来看 ， 公路路面与机场道面在各 自 标准轴载作用下产生的挠度是相当的，两者相差 约 5 ， 差别较小， 修正中不考虑。 3 2 荷载行驶速度 从上文分析可知， 机场道面与公路路面在各 自 标准轴载作用下产生的挠度是相当的， 但飞机荷载 与汽车荷载行驶 的速度相差巨大 。取飞机最高行 驶速度为 2 5 0 k m h ， 汽车最高行驶速度为 1 0 0 k m h 。 采用 图 4中的拟合方程 ， 计算动水压力差与荷载行 驶 速度之间的关系。 飞机速度范 围取 02 5 0 k m h 。 3 3 飞机升力的影响 飞机在行驶过程 中会产生升力 ， 且速度越大升 力也会越大 。因此随着速度 的增加 ， 飞机对道面的 作用前期会逐渐增加， 而后会出现拐点， 作用反而 会逐渐减小 。在计算过程 中 ， 通过采用折减 因子来 考虑于飞机升力 的影 响。飞机升力 与速度 的平方 成正 比例关系 ， 不同飞机的起 飞速度并不相 同， 通 常在 1 8 02 5 0 k m h t ， 本 文统一 取飞机 起飞速 度 为 2 5 0 k m h 。 即飞机速度在 2 5 0 k m h时 ， 对道面 的 作用为 0 。因此折减因子 k的公 式如下 ： ：1 一 ( 1 ) s 式 中 ： 为 飞机实 际行 驶速 度 ； 为飞机 起 飞 速度 ， 取 2 5 0 k m h 。 将 公路 最大动 水压 力差 7 0 k N通 过 以上 3个 方面进行修正 ，进 而可 以得到机场最大动水压 力 差约为 9 0 k N。 4 结论 ( 1 ) 根据成 因机理将脱空分为唧泥型脱空 、 温度 翘 曲型脱空和基础变形型脱空 三种类 型 。其 中以 唧泥型脱空最为常见 。 ( 2 ) 明确了唧泥型脱空 的形成条件 。 ( 3 ) 通过对唧泥过程的分解， 可以将唧泥过程 中水的行为分为五个 阶段 。 ( 4 ) 以公路实测动水压力数据为基础 ， 通过对 轴载 、 行驶速度和飞机升力影响的三方面修正， 得 到机场脱空区内动水压力最大可达 9 0 k N。 参考文献 1 】 谭 悦 机 场水 泥混凝 土道 面脱 空 响应及判 定方 法 DI 上海 ： 同济 大 学 ， 2 0 1 1 【 2 同济大学 水泥混凝土路面断板分析及防治技术研究( 交通部 西 部项 目) ， “ 水泥混 凝 土路 面脱 空状 态下 的结 构分 析” 分题 三 子 题一 R 】 上海 ： 2 005 3 同济大学 水泥混凝土路面脱空区水脉动规律的探索研究( 交 通部西部项 目) ， “ 水泥混凝土路面断板分析及防治技术研究” 分题三子题 三 R】 上海 ： 2 0 0 5 f 4 1 E l me r C Hs e n， R o r J n e s e n ， a n d J s h i d M A r ma g h i F i e l d e ff e c t s n f w a t e r p u mp i n g b e n e h c o n c r e t e p a v e me n t s l s J 5 】 we l l s , A l e x d e r T ( 著 ) ， 赵洪元( 译 ) 机场规划与管理【 M 北京： 中国民航出版社 ， 2 0 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m