江圣澤，盛昀，方學東

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

貴州某機場跑道長2 600 m，寬45 m，兩側(cè)道肩寬度為1.5 m。該機場1958 年開始建設(shè)，期間由于各種原因停建，于1970 年又重新開始建設(shè)，至1972 年建成，占地1 397 畝，跑道長1 500m、寬40 m，為混凝土碎石結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年發(fā)展，機場目前飛行區(qū)等級為4C，距離市區(qū)約為22 km，航空服務范圍覆蓋黔、湘、渝等省市。為滿足旅客吞吐量逐年增長的需要，2012 年該機場將原跑道向北延長至2 600 m，新建1條長136.5 m、寬18 m 的垂直聯(lián)絡道。機場現(xiàn)有2條垂直聯(lián)絡道，均為水泥混凝土道面和瀝青道面拼接而成。2020年7月，對該機場道面進行檢測，道面的整體情況良好，但是在B滑行道檢測過程中發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土道面出現(xiàn)異常隆起，隆起部位發(fā)生在瀝青道面與水泥道面交接處的瀝青道面部分。道面隆起部位的結(jié)構(gòu)為底部30 cm級配碎石層+30 cm水泥混凝土層，混凝土層的上部依次加鋪了9 cm 的AC-20 瀝青混凝土層+6 cm 的SMA-16 瀝青混凝土層。為了進一步保障機場的安全運行，有必要對該病害出現(xiàn)的成因進行探究。

1 檢測布置

1.1 探地雷達檢測

在機場飛行區(qū)的檢測過程中，發(fā)現(xiàn)B滑行道瀝青道面中面向跑道方向的左側(cè)出現(xiàn)隆起病害，隆起變形沿瀝青道面層下方水泥混凝土板施工接縫分布。隆起高度約為3 cm，寬度約為5 cm，總體呈現(xiàn)反“Z”型，如圖1 所示。為檢查瀝青層下部是否具有脫空現(xiàn)象，使用探地雷達對該隆起部位進行掃描。結(jié)合反“Z”型分布特點，制定了5 條掃描測線，如圖2 所示。測線中，A-A′、B-B′、CC′和D-D′分別沿滑行道南、北方向分布，間隔約為5 m。E-E′是單獨的一條測線，沿東西方向分布。

圖1 瀝青面層反“Z”型隆起Fig.1 Ⅰnverse Z type uplift of asphalt surface layer

圖2 探地雷達檢測路線Fig.2 Detection route of the GPR

檢測時，將雷達依次沿A-A′至D-D′推進，然后沿東西方向進行E-E′測線的檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，B-B′至D-D′測線的雷達顯示波段明顯存在異常，表明瀝青面層下存在脫空現(xiàn)象。

1.2 鉆芯取樣試驗

道路上的行車荷載是連續(xù)反復荷載[1]，飛機對道面的作用也是主起落產(chǎn)生的循環(huán)荷載。結(jié)合B滑行道的各層結(jié)構(gòu)圖，現(xiàn)場避開飛機輪跡帶，布置2個鉆孔，使用100 mm 鉆頭對鼓起瀝青道面進行鉆芯取樣，鉆至瀝青面層之下的混凝土層，停止鉆孔，取芯，目視觀察孔底狀況，發(fā)現(xiàn)鉆芯過程中有破碎現(xiàn)象。根據(jù)測量掉落試塊的大小，瀝青面層與混凝土層之間存在約1 cm 的空洞，取樣部位存在明顯脫空現(xiàn)象。

對瀝青混合料組成進行分析，上面層瀝青混合料的毛體積相對密度為2.443，理論最大相對密度為2.553，空隙率為4.3%。下面層瀝青混合料的毛體積相對密度為2.399，理論最大相對密度為2.523，空隙率為4.9%。

SMA 材料技術(shù)要求空隙率范圍是3.0%～4.5%，AC 材料技術(shù)要求空隙率范圍是3.0%～5.0%，因此，現(xiàn)場取芯試樣的空隙率需滿足要求[2]。

經(jīng)過離心抽提試驗分析，得出該機場瀝青道面上面層材料的瀝青含量為5.6%，下面層材料的瀝青含量為4.8%。根據(jù)《民用機場瀝青道面設(shè)計規(guī)范》（MH/T 5010—2017），SMA-16 的最佳瀝青用量范圍為5.4%～6.0%，AC-20 的最佳瀝青用量范圍為3.8%～4.8%，試驗結(jié)果滿足要求。

瀝青混合料現(xiàn)場芯樣的抗剝落性，通過肯塔堡飛散試驗測定[3]，檢測得到肯塔堡浸水飛散損失率為5.3%。從結(jié)果可知，機場瀝青道面的上面層材料抗剝落性良好，跑道使用至今仍低于設(shè)計時材料散失損失率要求的上限值，明顯符合運行要求。此外，從浸水飛散試驗結(jié)果來看，水穩(wěn)定性初步判定為較好，損失率較低。

經(jīng)過凍融劈裂試驗，得到劈裂強度，計算出上面層試件的凍融劈裂比（TSR）結(jié)果為88.2%，下面層實際的凍融劈裂比（TSR）結(jié)果為89.1%，滿足抗水損害性能的凍融劈裂試驗的殘留強度比值要求。結(jié)合肯塔堡浸水飛散試驗結(jié)果可知，瀝青道面上面層的水穩(wěn)定性較好，經(jīng)使用后仍滿足道面設(shè)計時的要求。

通過抽提分離瀝青和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收瀝青試驗方法，發(fā)現(xiàn)回收瀝青各項指標的變化也屬于正常范圍，表明該機場瀝青道面的瀝青老化程度并不嚴重。

2 有限元建模與仿真

2.1 模型建立

經(jīng)過試驗分析，瀝青混凝土層不存在嚴重問題，故對下部混凝土板進行分析。參考實際結(jié)構(gòu)，采用ANSYS 軟件建立三維有限元模型。模型瀝青混凝土部分上層為6 cm 厚SMA-16 的瀝青混凝土，下層為9 cm 厚AC-20 的改性瀝青混凝土?；炷敛糠譃? 塊長5 m、寬5 m 相互接觸的板塊，板厚為30 cm。根據(jù)劈裂試驗結(jié)果，得到道面材料的各項參數(shù)，見表1。

表1 各材料參數(shù)Table 1 Material parameters

隆起部位靠近滑行道道肩，雨季降水會使得部分雨水從道肩一側(cè)的土面區(qū)下滲到道面板與瀝青層的結(jié)合部，對結(jié)構(gòu)造成侵蝕。夏季高溫會導致混凝土和瀝青層受熱膨脹。因此，對模型施加溫度荷載，觀察模型受熱膨脹后的變化。為了更好地模擬板單元的受熱狀態(tài)，考慮到雨水侵蝕作用，結(jié)合規(guī)范要求，在原模型的基礎(chǔ)上將板縫兩側(cè)的混凝土板塊各劃分出一定寬度的“侵蝕”影響區(qū)域，如圖3 所示。游慶龍等人[4]在進行適應大飛機瀝青道面結(jié)構(gòu)有限元模型分析時，使用ABAQUS 軟件中的tie 連接，對不同層間連續(xù)條件進行模擬。段小蘭[5]曾使用ANSYS 軟件模擬完全接觸狀態(tài)下路面產(chǎn)生的溫度應力。為了讓本模型不同結(jié)構(gòu)層間的節(jié)點和單元彼此之間沒有相對位移，分別將各層進行Bonded 連接。Bonded 連接用于模擬2個接觸面無相對滑動的情況，相當于兩者完全結(jié)合在一起，是接觸類型中較為常見的一類情況[6]。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對模型計算精度具有很大影響[7]，所以應考慮計算精度和效率的情況下對模型進行劃分。本模型網(wǎng)格播種尺寸為100 mm，全模型劃分后，共149 834 個節(jié)點，25 000 個單元，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格單元劃分Fig.4 Grid elememt division

該機場選址位于西南山區(qū)，年平均氣溫為13.5～17.6 ℃，夏季最高氣溫約為45℃，最低氣溫為－5 ℃，結(jié)合道面材料和實際外界環(huán)境氣溫對模型施加溫度荷載。

邊界條件是否施加，應根據(jù)具體工程應用的需要。有無邊界約束的有限元模型均有各自使用范圍，應根據(jù)需要酌情選擇[8]。根據(jù)機場道面實際情況，采用Winkler 地基模型模擬對道面結(jié)構(gòu)的作用[9]，模型上部為自由邊界，周邊約束板體的水平位移。

2.2 計算結(jié)果分析

經(jīng)過計算，模型整體位移變形，如圖5 所示。從結(jié)果數(shù)據(jù)來看，模型中間部位的變形最大，最大數(shù)值為31.811 mm，寬度約為10 cm。然后逐漸向兩側(cè)遞減。對比現(xiàn)場情況，在溫度荷載作用下，瀝青層與混凝土板結(jié)合部產(chǎn)生熱膨脹，上部隆起高度約為3 cm，底部板縫處豎向變形約為1.2 cm，理論計算值與現(xiàn)場實測值相差不大。

圖5 模型整體變形Fig.5 Deformation of the model

觀察整體在不同時間段內(nèi)的變形過程，可得高溫作用下受雨水侵蝕的板塊受熱發(fā)生膨脹，此時板體處于四周不自由狀態(tài)，這種膨脹使2塊相鄰板相互擠壓導致應力集中，從而產(chǎn)生豎向拱漲變形，加之隆起部位靠近滑行道道肩，雨水經(jīng)土面區(qū)下滲后，對混凝土道面板結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生侵蝕作用，降低了混凝土的抗變形能力，使接縫兩側(cè)板體的豎向位移加劇，并導致上部瀝青結(jié)構(gòu)層被頂起。

高溫導致豎向變形，同時也會對級配碎石層產(chǎn)生影響，鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)級配碎石層與混凝土板間出現(xiàn)的空洞也是板塊出現(xiàn)熱膨脹變形導致。

模擬結(jié)果表明：溫度荷載使瀝青面層出現(xiàn)隆起部位處的最大拉應變?yōu)?.000 3，小于結(jié)構(gòu)設(shè)計強度，故瀝青結(jié)構(gòu)層在變形狀態(tài)下未發(fā)生裂縫損壞，符合現(xiàn)場探查的實際道面情況。

3 結(jié)論

通過瀝青材料試驗和三維有限元模型仿真，分析了貴州某機場B滑行道瀝青面層異常隆起的病害形成原因，得到結(jié)論為：

1）通過室內(nèi)試驗，瀝青上面層材料空隙率為4.3%，下面層材料空隙率為4.9%。浸水飛散試驗顯示水穩(wěn)定性和抗剝落性較好。瀝青上面層粗集料較標準推薦范圍偏多，細集料則偏少，并且各檔細集料顆粒含量皆小于標準推薦范圍，導致瀝青道面出現(xiàn)松散。瀝青下面層礦料組成符合推薦級配范圍。上、下面層瀝青用量均滿足設(shè)計規(guī)范要求。從各項試驗結(jié)果來看，B滑行道瀝青混凝土表面出現(xiàn)了一定松散和老化，產(chǎn)生了變形，但老化程度較輕，表層結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞。

2）隆起病害區(qū)在飛機滑行的后部主輪輪跡線以外，不會產(chǎn)生水平推擠作用，再根據(jù)鉆孔底部混凝土破碎情況可知，因為水泥混凝土層的施工接縫處理措施不當，在運營期，降雨從土面區(qū)沿施工縫滲入造成混凝土侵蝕破壞。由于受影響區(qū)域沿水泥混凝土板塊的施工縫分布，加之夏季高溫膨脹導致混凝土板塊在受熱過程中相互擠壓，能量封閉在板體內(nèi)無法釋放，因此呈現(xiàn)規(guī)則的反“Z”型豎向隆起。

3）隆起部位雖處于輪跡帶外，由于病害特殊，B滑行道瀝青道面中向跑道方向的左側(cè)反“Z”型隆起病害應引起重視。為進一步保障航班安全，建議委托相關(guān)單位進行開挖修補，將瀝青道面銑刨后，查看下方混凝土層情況，必要時應將破碎部分進行切割修補，重鋪該區(qū)域道面。