机场水泥混凝土道面飞机荷载影响深度分析.pdf

第 3 8 卷 ， 第 3期 2 0 1 3年 6月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 8No 3 J u n， 2 0 1 3 机场水泥混凝土道面飞机荷载影响深度分析 滕力鹏 ，柴震林。 ， 袁捷 ，谭悦 ( 1 民航专业工程质量监督总站 华东地区监督站 ，上海2 0 0 3 3 5 ； 2 上 海机场 ( 集 团) 有 限公司建设 开发公 司 ， 上海2 0 1 2 0 7 ； 3 同济大学 道路 与交通工程教育部重点实验 室 ， 上海2 0 0 0 9 2 ； 4 上海机场 ( 集 团) 有 限公 司 虹桥 国际机场公司 ， 上海2 0 0 3 3 5 ) 摘要 荷 载影 响深度 是研究机场道 面沉 降的重要参 数。本文采 用 A B A Q U S 有 限元软 件为平 台， 针对 4 C、 4 D和 4 E等级机场分别提出 了相应的“ 道面结构 一飞机荷载” 组 合形式 ， 并借鉴公路研 究思路 ， 通过对 比基础 内的 荷载应力与 自重应力 ， 分别采用 O =0 1和 = 0 2两种判 断标准 ， 得到 了不同土质 、 不 同等级机场 条件 下的基础影响深度 。研 究表明 ， 不 同土质对基础影响深度的影 响非 常小 ； 不 同等 级机场 的基础影 响深度相差 可达 1 00 。 关键词 机场 ； 水泥混凝土道面 ；飞机荷载 ；影响深度 ； 有限元 中图分类号 U 4 1 6 2 1 6 文 献标识码 】A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 1 0 0 0 4 An a l y s i s o f I n flu e n c e De p t h f o r Ai r p o r t Ce m e n t Co n c r e t e Pa v e m e n t i n d u c e d b y Ai r c r a f t Lo a d TENG Li p e n g ，CHAI Zh e n l i n ，YUAN J i e ，TAN Yu e ( 1 C i v i l A v i a t i o n E n g i n e e r i n g Q u a l i t y S u p e r v i s i n g I n s t i t u t i o n C A A C，S h a n g h a i 2 0 0 3 3 5 ，C h i n a ； 2 S h a n g h a i Ai r p o r t Aut h o r i t y Co ns t r u c t i o n a n d De v e l o p me nt Co mpa n y，S h a n g h a i 2 01 2 0 7，Ch i n a； 3 Ke y L a b o r a t o r y o f Ro a d a n d T r a f f i c E n g i n e e r i n g o f t h e Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n，T o n 6i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 92， Ch i n a；4 Sh a n g h a i Ai r p o r t Au t h o r i t y Ho n g q i a o I n t e r n a t i o n a l Ai r p o r t I n c，S h a ng h a i 2 0 0 3 35， C h i n a ) A b s t r a c t I n fl u e n c e d e p t h i n d u c e d b y a i r c r a f t l o a d i s a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r f o r r e s e a r c h a i r p o r t g p a v e m e n t s e t t l e me n t I n t h i s p a p e r ，t h r o u g h t h e e s t a b l i s h m e n t o f A B A Q U S 3 D F E M m o d e l ，p u t t i n g fo r wa r d c o r r e s p o n d i n g “ pa v e me n t s t r u c t u r e a i r c r a f t l o a d”for 4C，4D a n d 4E g r a d e a i r p o r t ，d r a wi n g o n t he h i g h wa y r e s e a r c h i d e a s ，a n d c o mp a r i s o n wi t h t h e l o a d s t r e s s a n d g r a v i t y s t r e s s ，u s i n g t wo k i n d s o f j u d g me nt c r i t e r i a t h a t i s z o - B=0 1 a n d z t r 口=0 2，r e s e a r c h e s d i f f e r e n t g r a d e a i r po r t S i n flu e n c e de p t h wi t h di ffe r e nt s o i l S t u d i e s s h o ws t ha t t h e i n flu e n c e o f di f f e r e n t s o i l t o i n flu e n c e de p t h i s v e r y s ma l l ； di ffe r e n c e be t we e n di f f e r e n t g r a d e a i rp o r t g i n flu e n c e d e p t h i s u p t o 1 0 0 Ke y w o r d s a i r p o rt； c e me n t c o n c r e t e p a v e m e n t ； a i r c r a f t l o a d ； i n fl u e n c e d e p t h ； f i n i t e e l e me n t 1 概 述 荷 载对 基础 的 影 响 深度 是 公 路 路 面 机 场 道 面 一 个非常重要 的参数 。荷载对路面 道面的影响深 度是研究荷载作用下路面 道面沉降 的重要依据之 一 ，同时对软土地基 的设计及处理具有重要的参考 意义 。在对路面 道面进行沉降分析， 或进行有 限元实体建模分析时， 都需要确定荷载对基础影 响 深度这一参数 。 。 公 路领 域 对 该方 面 的研 究 较 为 全 面和 深 入 ， 主 要 由于路 面沉 降情 况 较 为普 遍 和 严 重 。研 究 表 明 ， 由车辆荷载引起的沉降大约 占工后总沉降的 3 0 。 。 。在 公路设计手册 一路基 中明确 给出了不 同荷载 不 同判断标 准 条件下 对应 的基础 影响 深度 。 其实机场道面的沉降问题也 比较 突出， 尤其是 我 国东 部沿 海地 区 ， 由于土质 较差 ， 道 面很容 易 出现 较大沉降。上海某跑道在运行 1 0 a期 间累积沉降 了超过 5 0 c m。除 了地 基 处 理 引 起 的 固结 沉 降 、 次 【 收稿 日期 】2 0 l 3 0 3 1 9 作者简介】滕力鹏( 1 9 6 7 一) ， 女 ， 高级工程师 ， 工学学士 ， 主要研究方 向为机场工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 滕力鹏 ， 等 ： 机场水泥混凝土道 面飞机荷载影 响深度分析 1 O 1 固结沉降外， 很大原 因就是荷载持续作用的结果 。 为此 ， 有必要对机 场道面荷载影响深度这一问 题进行深入研究 ， 给 出不 同工况条件下荷载影 响深 度的数值 ， 为机场道面沉降分析及相关研究提供技 术依据。 2 研 究思路 在 公路设计手册 一路基 中 ， 不考虑路面结 构 自重作用， 针对 1 6种国产汽车 ( 车辆 的轴重范围 为 5 3 6 0 k N) 的轴载 ， 分别 以 O r z or 8=0 1和 z = 0 2为标准( Or 为附加压应力与土 自重应 力的比) ， 计算了其相应的路基影响深度 ， 其 结果分 别在 0 7 2 9 I l l 和 0 9 3 7 m范围内 。 由于机场道面与公路路面结构强度、 荷载大小 等有非常大的区别 ， 因此机场基础影响深度 不能直 接参考公 路路基 影响 深度值 。本文 以 A B A Q U S 有限元软件为平台 ， 计算典型道面结构及荷 载组合 条件下的基础 内的荷载应力分 布， 通过对 比荷载应 力与土体 自重应力 进行 对 比， 借 鉴 公路 判断标 准 ( z Or = 0 1和 z Or =0 2 ) 来确定基 础影响深 度。 3 数值模型 建立高精度的有限元数值分析模型是保证研究 成果科学性 的基础。本文分别针对 4 C 、 4 D和 4 E 3 种等级机场， 选取对应 的“ 道面结构 一 飞机荷载 ” 组 合方式 。通过对接缝设 置、 参数选 取及模型构建上 进行考究 ， 以建立精细有限元数值模型。 3 1 模 型 尺 寸 平面尺寸 ： 根据 国内外研究经验表 明， 水泥 混凝土道面板采用 2块板模型可以以较小的计算代 价取得足够的计算精度。 面层厚度 ： 分别考虑 4 C、 4 D和 4 E常见 的 3 种等级机场 ， 选取该等级机场的典型道 面结构。一 般 4 C等级机场面层厚度为 3 2 3 4 a m， 计算模型取 3 4 a m； 4 D等级机场面层厚度 3 43 8 a m， 计算模型 取 3 6 a m； 4 E等级机场面层厚度 3 8 4 0 a m， 计算模 型取 4 0 a m。 3 2 飞机 荷 载 飞机 荷载 作 用 于 2块 板 相 邻 板 边 的 中 间 。4 C 等级机场计算荷载采用 B 7 3 78 0 0 ， 4 D等级机场计 算荷载采用 B 7 6 7 3 0 0 ， 4 E等级机场计算荷 载采用 B 7 4 7 4 0 0 ， 荷载参数如表 1所示 。 3 3道面结构参数 参考我国机场水泥混凝土道面设计规范 ， 选取 道面各结构层参数如表 2所示。 表 1 飞机荷载参数 Ta b l e l Ai r cr a f t l o a d pa r ame t e r s 3 4接 缝 设 置 接缝模拟方 法有多种 。研究表明 ， 当不需要 对接缝本身力学行 为进行模拟 时， 采用虚拟材料层 来模拟接缝 的方法最佳 。即在 接缝 部位 虚拟一薄 层 ， 薄层宽度可与接缝宽度相 同。薄层与两侧道面 板采用 t i e连接 ， 示意 图如 图 1所示。通过调整 薄层材料的弹性弯拉模量来实现对不同接缝传荷能 力 的模 拟 。 根 据 文献研 究 成 果 ， 可 以通 过 设 定 虚 拟 材 料 模量 6 0 0 、 4 0 、 5 ， 1 M P a 来分别模拟接缝传荷能力好 、 中、 次和差 4个等级( 见表 3 ) 。 图 1 虚 拟材料 模拟接缝示意 图 Fi g u r e l S c h e mat i c di a g r a m o f v i r t u a l s i mu l at i o n 表 3 接 缝传荷能力 ( L T E艿 ) 等 级评定标准 T a b l e 3 E v a l u a t i o n c r i t e r i a o f j o i n t l o a d t r a n s f e r c a p a c i t y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 2 公路工程 3 8卷 模 型示 意图 如图 2所示 。 图 2有 限 元 模 型 示意 图 F i g u r e 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f FEM mo de l 4 研究成果 采用上述数值分析模型， 分别计算 3种等级机 场典型“ 道 面结构 一飞机荷载” 组合条件下 的基础 应力状况 ， 提取 3种典型工况条件下基础土体 内的 附加 压应 力 ， 计 算 结果 如表 4所示 。 表 4基础 土体 内附加压应力计算结果 Ta b l e 4 Res u l t s o f a d di t i o n a l s t r e s s i n s o i l k P a 基础 等级机 场 基础 等级机场 深度 m 4 C 4 D 4 E 深度 m 4 C 4 D 4 E 0 O 0 7 3 l 3 2 l 5 8 4 5 0 4 5 8 7 l1 O O 5 O 6 9 l 2 7 l 5 3 5 0 o 4 3 8 4 l O 6 1 O 0 6 5 l 2 1 1 4 8 5 5 O 4 2 8， I I O 4 1 5 O 6 2 I 1 5 l 4 2 6 O O 4 1 7 8 l O 1 2 O O 5 8 l 0 8 l 3 6 7 O O 4 0 7 6 9 7 2 5 0 5 5 l 0 3 l 3 0 8 O O 3 9 7 5 9 5 3 O 0 5 2 9 8 l 2 4 9 O 0 3 8 7 5 9 5 3 5 0 5 0 9 4 l 1 9 l O 0 O 3 7 7 4 9 4 4 O O 4 7 9 0 l 1 4 土体的 自重应力随土质类 型、 地下水位等 因素 有关。本文不针对某特定地 区或机场的基础 ， 在计 算土体 自重应力 时不考虑地下水位 ， 假定随深度方 向为单一土质 ， 密度不变。考虑 3种土质 ， 分别为土 质砂、 粉质土和粘质 土， 密度分别取 2 0 、1 9 ， 1 8 g c m。 ，计算基础 内土体 自重应 力随深度 的变化关 系 ， 如表 5所示 。 表 5 基础土体 内自重应力计算结果 Ta bl e 5 Re s ul t s o f f o u nd a t i o n s o i l s e l f - we i g ht s t r e s s k Pa 分别计算基础内不同层位附加压应力与土自重 应力 之 比 o ， 如 表 6所 示 。 数 据 为 比值 ， 无 量 纲 。 表 6 不同土质不同深度条件下 o Ta bl e 6。z 。B i n di f f e r en t s o i l a nd de pt h 根据表 6中数据可以得出不同机场等级不同土 质条件下的基础影响深度 ， 如表 7所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 滕 力鹏 ， 等 ： 机场 水泥混凝土道 面飞机荷载影 响深度分析 1 0 3 从表 7中可以看出：不同土质条件下基础影响 深度变化不大 ， 主要是由于不同土质密度相差较小。 而基础影响深度随机场等级变化较大。为了表述更 为简单以方便应用 ， 通过简单归并 ， 得到基础影响深 度取值表 ， 如表 8所示。 表 8 不 同 工况 条 件 下 基 础 影 响 深 度取 值 T ab l e 8 Val u e s o f i n flu en c e d e pt h u nd e r di f f e r en t c o nd i t i o n s n l 5 结论 首次针对 4 C、 4 D和 4 E等级机场 ， 提 出了三 种典型的“ 道面结构 一飞机荷载” 组合形式 ， 并确定 了对应的道面结构参数和飞机荷载参数。 以精细数值模拟为基础， 借鉴公路规范的研 究思路 ， 确定了不同等级机场、 不同土质条件 、 不同判 定标准条件下的机场水泥混凝土道面基础影响深度。 研究表明 ， 不同土质对基础影响深度的影响 可 以忽略 。 研究表明， 不 同等级机场的基础影响深度相 差很大。4 E等级机场 比 4 C等级机场大近 1 0 0。 建议研究人员在建立有限元数值模型时 ， 应根据实 际考虑的机场道面等级来确定模型中基础的厚度。 参考文献】 1 肖 燕 广州东沙至新 联高速公路 试验路 段软基 处治 方案研 究 J 公路 工程 ， 2 0 I l ， 3 6 ( 1 ) ： 81 1 2 刘 刚 浏醴高速公路 软土地基处治技 术研究等 J 公路工 程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( I V) ： 3 23 6 3 】 黎 冰 ， 高玉峰 ， 魏 代现 ， 等 车辆荷载 的影响深度及 其影响因 素的研究 J 岩土力学，2 0 0 5 ，2 6 ( 增刊) ： 3 1 0 3 1 3 4 CHA I J I N C HUN，MI UR A NT r a f fi c l o a d i n d u c e d p e r ma n e n t d e f o r m a t i o n o f r o a d o n s o f t s u b s o i l J J o u r n a l o f G e o t e e h n i c a l a n d G e o - 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