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中國機(jī)場水泥混凝土道面脫空狀況分析與評(píng)價(jià)

2013-11-27 02:02滕力鵬柴震林
關(guān)鍵詞:道面機(jī)場水泥

滕力鵬,譚 悅,柴震林

(1.民航華東地區(qū)工程質(zhì)量監(jiān)督站,上海 200092;2.上海機(jī)場(集團(tuán))有限公司虹橋國際機(jī)場公司,上海 200335;3.上海機(jī)場(集團(tuán))有限公司建設(shè)開發(fā)公司,上海 201207)

截止到2010年底,中國民用機(jī)場(含軍民合用機(jī)場,不包括港、澳、臺(tái)地區(qū))已達(dá)175個(gè)。由于水泥混凝土道面具有使用年限長、設(shè)計(jì)方法和施工工藝成熟、取材方便等優(yōu)點(diǎn),在中國機(jī)場占絕對(duì)主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國現(xiàn)有機(jī)場87%的道面類型為水泥混凝土道面[1]。

通常機(jī)場水泥混凝土道面的設(shè)計(jì)使用壽命為30年[2],但根據(jù)中國機(jī)場道面使用經(jīng)驗(yàn)表明,大多數(shù)水泥混凝土道面往往在使用15~20年后道面就會(huì)出現(xiàn)大量結(jié)構(gòu)性損壞,如角隅斷裂、橫縱向裂縫和破碎板等[3-7],導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)承載能力和使用性能下降,需要進(jìn)行大修改造。道面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞的成因有很多,除了航空交通量增長過快、飛機(jī)荷載重等因素外,還有一個(gè)重要原因是道面板底存在脫空,導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)承載能力下降。

脫空是機(jī)場水泥混凝土道面和公路水泥混凝土路面的一種常見病害。在脫空病害發(fā)展早期,主要體現(xiàn)為基層對(duì)面層的支撐強(qiáng)度下降,即基層頂面反應(yīng)模量下降。而在脫空嚴(yán)重時(shí),基層與面層之間會(huì)出現(xiàn)脫離,使面層局部失去基層的支撐,面層板塊處于類似懸臂梁的受力模式,如圖1所示[8-9],導(dǎo)致面層荷載應(yīng)力急劇增加,增大道面板塊出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞的幾率。而脫空病害一旦產(chǎn)生只會(huì)進(jìn)一步惡化,是一個(gè)不可逆的過程,只能通過一定的處治措施消除或延緩病害的發(fā)展。

圖1 道面板脫空狀態(tài)受力模式Fig.1 Stress pattern of pavement in void state

由于機(jī)場采取封閉式管理,很難對(duì)機(jī)場道面進(jìn)行測試與評(píng)價(jià),因此外界很難準(zhǔn)確了解機(jī)場道面脫空狀況。本文以同濟(jì)大學(xué)機(jī)場工程研究中心和北京中企卓創(chuàng)科技發(fā)展有限公司兩大機(jī)場檢測與評(píng)價(jià)單位2002-2011年對(duì)中國近60個(gè)機(jī)場道面的綜合調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告為基礎(chǔ),對(duì)中國機(jī)場水泥混凝土道面板底脫空的整體狀況進(jìn)行總結(jié)歸納。此外,采取統(tǒng)計(jì)學(xué)多因素相關(guān)性分析理論,對(duì)機(jī)場道面脫空率與道面使用時(shí)間之間的相關(guān)性進(jìn)行分析,以分析道面使用時(shí)間與道面脫空率之間的耦合關(guān)系。

1 中國機(jī)場剛性道面脫空現(xiàn)狀

通過對(duì)中國56個(gè)機(jī)場道面脫空實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,脫空數(shù)據(jù)及機(jī)場相關(guān)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。采用的脫空判定方法為:同時(shí)測試道面板塊的板中、板邊和板角3個(gè)位置的彎沉值,根據(jù)實(shí)測彎沉分別計(jì)算“板邊彎沉/板中彎沉”和“板角彎沉/板中彎沉”,根據(jù)彎沉比值大小來判定板邊和板角是否存在脫空,判定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[10]。從表1中數(shù)據(jù)可以看出,所有機(jī)場道面都存在不同程度的脫空現(xiàn)象。

對(duì)所有機(jī)場脫空率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表3所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,在56個(gè)機(jī)場當(dāng)中,所有機(jī)場道面都存在或多或少的脫空。機(jī)場脫空現(xiàn)象比較少(脫空率<10%)的機(jī)場占總數(shù)的5.36%,脫空現(xiàn)象比較普遍(脫空率>30%)的機(jī)場占總數(shù)的69.64%,脫空現(xiàn)象非常普遍(脫空率>60%)的機(jī)場占總數(shù)的28.57%。說明板底脫空病害在中國機(jī)場水泥混凝土道面分布非常普遍,且很多機(jī)場脫空率很高。

2 道面脫空率與使用時(shí)間的關(guān)系

一般認(rèn)為,道面脫空會(huì)隨著道面使用時(shí)間的增加而增加。以上文中的脫空數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性分析理論分析道面脫空與使用時(shí)間的相關(guān)性。

表1 中國機(jī)場脫空狀況調(diào)查結(jié)果及機(jī)場相關(guān)參數(shù)Tab.1 Void survey results and related parameters of airport pavement in China

表2 水泥混凝土道面板底脫空狀況判定標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Void judgment standard of airport cement concrete pavement

表3 機(jī)場道面脫空率分布統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of airport pavement void ratio

將表1中機(jī)場脫空率與道面使用時(shí)間的關(guān)系以散點(diǎn)圖形式表示,如圖2所示。

圖2 道面脫空率與使用時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between pavement void ratio and using time

從圖中可以看出,雖然圖中脫空率與時(shí)間關(guān)系的散點(diǎn)有一定的離散性,但整體趨勢仍較為明顯,即隨著道面使用時(shí)間的增長,道面脫空率會(huì)顯著增加。分別采用對(duì)數(shù)函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)和線性函數(shù)對(duì)散點(diǎn)擬合。從圖中趨勢線可以看出,對(duì)數(shù)函數(shù)和多項(xiàng)式函數(shù)的相關(guān)性更好,道面在使用前期脫空率增長較快,后期逐漸趨于穩(wěn)定。

不同機(jī)場各自的外在條件并不相同,如機(jī)場等級(jí)、機(jī)場所處地區(qū)的干濕條件、機(jī)場地埋位置等均不相同。為了客觀分析道面脫空與使用時(shí)間的關(guān)系,本文采用偏相關(guān)分析理論,在分析時(shí)可有效排除其他因素的干擾。

偏相關(guān)分析是在分析2個(gè)因素之間相關(guān)性時(shí)考慮了這2個(gè)因素以外的各種作用,或者說在扣除了其他因素的作用大小以后,重新來考察這2個(gè)因素間的關(guān)聯(lián)程度。這種方法目的就在于消除其他變量關(guān)聯(lián)性的傳遞效應(yīng)。

偏相關(guān)系數(shù)在計(jì)算時(shí)首先分別計(jì)算3個(gè)因素兩兩之間的相關(guān)系數(shù),通過這3個(gè)簡單相關(guān)系數(shù)來計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)

式中:rij表示i因素與j因素之間的相關(guān)系數(shù);rij(k)表示在控制k因素的基礎(chǔ)上計(jì)算得到了i因素與j因素之間的偏相關(guān)系數(shù)。

式(1)是在控制了第3個(gè)因素的影響所計(jì)算的第1、第2個(gè)因素之間的偏相關(guān)系數(shù),當(dāng)考慮1個(gè)以上的控制因素時(shí)的公式類推。

從回歸的角度來解釋,偏相關(guān)系數(shù)就是首先以希望分析的變量為因變量,被控制的變量為自變量分別擬合2個(gè)回歸方程,然后將所得的2組殘差進(jìn)行簡單相關(guān)分析。

采用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件可以方便地進(jìn)行多因素之間的偏相關(guān)性分析。表4為采用SPSS軟件對(duì)道面脫空率與使用時(shí)間偏相關(guān)性分析的結(jié)果。其中Pearson Correlation表示2個(gè)因素之間的相關(guān)系數(shù);Sig.(2-tailed)表示相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)雙側(cè)的P值,當(dāng)P值越小表示2個(gè)因素之間的相關(guān)性越強(qiáng),小于0.01表示相關(guān)性“非常顯著”,0.01~0.05 表示相關(guān)性“顯著”,大于0.05時(shí)表示相關(guān)性不顯著。

表4 脫空率與道面使用時(shí)間相關(guān)性分析結(jié)果Tab.4 Results of correlation analysis between void ratio and using time

從表4中分析結(jié)果可以看出,脫空率與道面使用時(shí)間之間的相關(guān)系數(shù)為0.721,相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)雙側(cè)的P值為0.000,小于0.01,說明脫空率與道面使用時(shí)間之間關(guān)系非常顯著。

3 脫空對(duì)道面性能的影響

脫空對(duì)道面的影響主要體現(xiàn)在使水泥板的荷載應(yīng)力增加,從而降低道面結(jié)構(gòu)承載能力,縮短道面使用壽命。通過采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬,在考慮相鄰9塊板情況下,分析不同脫空程度條件下脫空對(duì)道面荷載應(yīng)力的影響。

以通用有限元軟件ABAQUS 6.6為計(jì)算平臺(tái),為充分考慮周邊板塊約束的影響,模型尺寸取相鄰9塊板,單板尺寸為5.0 m×5.0 m×44 cm。水泥板彈性模量為36GPa,泊松比為0.15;基層頂面反應(yīng)模量為130MN/m3;荷載采用B747-400主起落架荷載參數(shù)(如表5所示),脫空位置示意圖如圖3所示,荷載也加載在脫空部位的板角;模型邊界條件為約束邊界水平位移,計(jì)算單元采用C3D8I。

表5 B747-400的荷載參數(shù)Tab.5 Load parameters of B747-400

圖3 脫空部位示意圖Fig.3 Schematic diagram of void place

板底脫空通常位于板角和板邊,受橫縱縫交互影響,一般板角脫空尺寸更大。加上板角是板塊受力最不利部位,因此在有限元模擬時(shí),取最不利脫空部位為板角。

公路路面4 m×4 m尺寸的板塊最大脫空范圍為1.5 m×1.5 m[10-11]??紤]到機(jī)場道面板塊尺寸通常為5 m×5 m,因此將機(jī)場道面脫空面積假定為2 m×2 m。通過對(duì)基層頂面反應(yīng)模量折減來模擬不同程度的脫空[12-14],折減系數(shù) F 分別為 1.0、0.7、0.5、0.3、0 共 5 種工況。圖4為有限元軟件計(jì)算道面板荷載應(yīng)力的結(jié)果云圖。不同工況計(jì)算結(jié)果如表6所示。

模型中,相臨板塊間的接縫傳荷能力分別取好、差兩種工況,對(duì)應(yīng)的接縫傳荷系數(shù)分別為90%和15%[15]。

從計(jì)算結(jié)果可以看出,脫空對(duì)道面的影響隨著脫空程度的增大而迅速增加。在接縫傳荷能力為“好”時(shí),板內(nèi)最大彎拉應(yīng)力增加27.57%,在接縫傳荷能力為“差”時(shí),板內(nèi)最大彎拉應(yīng)力增加68.46%。飛機(jī)荷載雖不致于直接將板塊壓斷,但也會(huì)大大降低板塊的使用壽命,增大出現(xiàn)斷板、裂縫的可能性。

圖4 有限元計(jì)算荷載應(yīng)力云圖Fig.4 Load stress nephogram of finite element

表6 脫空對(duì)道面荷載應(yīng)力的影響分析Tab.6 Influence of voids on pavement load stress

4 結(jié)語

中國機(jī)場水泥混凝土道面普遍存在脫空現(xiàn)象,且相當(dāng)一部分機(jī)場脫空情況比較嚴(yán)重。在有脫空測試數(shù)據(jù)的56個(gè)機(jī)場當(dāng)中,所有機(jī)場道面都存在脫空。脫空現(xiàn)象輕微(脫空率<10%)的機(jī)場占總數(shù)的5.36%,脫空現(xiàn)象比較普遍(脫空率>30%)的機(jī)場占總數(shù)的69.64%,脫空現(xiàn)象非常嚴(yán)重(脫空率>60%)的機(jī)場占總數(shù)的28.57%。

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)偏相關(guān)分析理論,分析了在控制其他影響因素前提下的脫空率與道面使用時(shí)間的相關(guān)性。分析結(jié)果采用Pearson相關(guān)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)雙側(cè)的P值來表征,分析結(jié)果表明:脫空率與道面使用時(shí)間之間的相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)雙側(cè)的P值為0,說明脫空率與道面使用時(shí)間之間相關(guān)性非常顯著,相關(guān)系數(shù)為0.721。

脫空會(huì)顯著增加道面荷載應(yīng)力,在不利情況時(shí),最大增幅近70%,會(huì)顯著降低道面結(jié)構(gòu)承載能力,縮短道面使用壽命,增大道面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害的幾率。

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