游慶龍，馬靖蓮，袁 捷

（1.長(zhǎng)安大學(xué)a.特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，西安 710064；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

不同設(shè)計(jì)方法對(duì)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度的影響

游慶龍1a，馬靖蓮1b，袁 捷2

（1.長(zhǎng)安大學(xué)a.特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，西安 710064；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

在大量調(diào)研國(guó)內(nèi)外機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，以昆明新機(jī)場(chǎng)為依托，采用美國(guó)6E法、美國(guó)6D法、中國(guó)民航瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及課題組研究的設(shè)計(jì)新方法對(duì)昆明新機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行了論證分析。結(jié)果顯示，中國(guó)民航法設(shè)計(jì)的道面結(jié)構(gòu)總厚度較美國(guó)6E法設(shè)計(jì)厚度厚27 cm，課題組研究的設(shè)計(jì)新方法與美國(guó)6E法較為接近，且基于道面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)得到的道面結(jié)構(gòu)總厚度要比靜態(tài)的厚15 cm。通過(guò)對(duì)昆明機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)厚度的論證，探討了現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法中存在的問(wèn)題，提出了一些規(guī)范修訂的改進(jìn)建議，為中國(guó)民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)理論的完善和修訂提供一些理論參考。

機(jī)場(chǎng)道面；瀝青混凝土；設(shè)計(jì)方法

瀝青混凝土道面具有平整、抗滑、舒適、減震等良好的使用性能，以及機(jī)械化施工程度高、工期短、養(yǎng)護(hù)方便等施工優(yōu)點(diǎn)，已被國(guó)際上很多大型民用機(jī)場(chǎng)采用。根據(jù)國(guó)際民航組織（ICAO）1999年公布的數(shù)據(jù)，其147個(gè)成員國(guó)的1 038個(gè)機(jī)場(chǎng)中，瀝青混凝土跑道占62.6%[1]。歐洲瀝青路面協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)了2003年362個(gè)歐美機(jī)場(chǎng)中瀝青混凝土道面占62.4%[2]。中國(guó)新建民用機(jī)場(chǎng)中，僅在且末和敦煌等極少數(shù)小型機(jī)場(chǎng)中采用瀝青混凝土道面，即使加上北京首都機(jī)場(chǎng)、上海虹橋機(jī)場(chǎng)、廣東白云機(jī)場(chǎng)等的瀝青混凝土加鋪，瀝青混凝土道面的比例僅占10%左右。

與國(guó)際民用機(jī)場(chǎng)道面現(xiàn)狀相比，中國(guó)民用機(jī)場(chǎng)道面類(lèi)型單一，主要以水泥混凝土為主。分析其原因主要是對(duì)機(jī)場(chǎng)的安全要求過(guò)高，使得不是很成熟的瀝青混凝土道面技術(shù)很難推廣應(yīng)用，其次中國(guó)對(duì)機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究較少，瀝青道面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依舊停留在對(duì)小荷載飛機(jī)、較小航空交通量的道面設(shè)計(jì)時(shí)代。隨著大型飛機(jī)的不斷推出，特別是近年來(lái)，以B777、A380為代表的新一代的大型飛機(jī)（new generation large aircraft，NGLA）不斷問(wèn)世，NGLA的起落架構(gòu)型復(fù)雜、軸載重、輪壓高、制動(dòng)產(chǎn)生的水平力大，道面會(huì)表現(xiàn)出特殊的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，使得目前國(guó)內(nèi)外的瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法都面臨新的挑戰(zhàn)[3]。

中國(guó)瀝青路面的修筑和設(shè)計(jì)技術(shù)已取得了很大的成就，結(jié)合國(guó)外民航道面結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)民航大發(fā)展，有必要在中國(guó)嘗試推廣瀝青道面，經(jīng)多方論證，昆明新機(jī)場(chǎng)作為中國(guó)第一個(gè)新建的能夠適應(yīng)F類(lèi)飛機(jī)的機(jī)場(chǎng)擬采用瀝青道面結(jié)構(gòu)。

本文以昆明機(jī)場(chǎng)為依托，通過(guò)不同的設(shè)計(jì)方法論證昆明機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)對(duì)交通和環(huán)境的適應(yīng)性，并對(duì)中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

國(guó)際上常用的民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)方法有兩種：經(jīng)驗(yàn)法和力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法以加州承載比（CBR）為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法則以彈性層狀體系理論或有限元作為理論模型。

目前國(guó)際上廣泛使用的是FAA的6E（advisory circular AC150/5320-6E）法[4]，6E法是以彈性層狀體系為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，改變傳統(tǒng)的以設(shè)計(jì)飛機(jī)作為混合交通的換算模式，采用基于累計(jì)損傷的設(shè)計(jì)理論來(lái)考慮不同機(jī)型對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響，6E法以美國(guó)FAA的NAPTF（national airport pavement test facility）的足尺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，能夠滿(mǎn)足NGLA和普通飛機(jī)要求的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)推出了設(shè)計(jì)程序FAARFIELD，取代6D法成為目前FAA官方授權(quán)的方法。

中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法較為落后，采用CBR為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，為此國(guó)內(nèi)部分高校在借鑒國(guó)外設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上[5]，對(duì)中國(guó)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，提出了基于累計(jì)損傷的機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[6-7]，并考慮了材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性[8-9]。

2 道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(shù)

2.1 航空交通量

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，昆明新機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為20年，設(shè)計(jì)交通量如表1所示，不考慮交通量的年增長(zhǎng)變化。

表1 昆明新機(jī)場(chǎng)各類(lèi)機(jī)型運(yùn)行架次Tab.1 Traffic volume of Kunming New Airport

2.2 飛機(jī)荷載參數(shù)

按照前文所述的飛機(jī)荷載參數(shù)計(jì)算方法，求得昆明新機(jī)場(chǎng)飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 昆明新機(jī)場(chǎng)飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Aircraft design parameters of Kunming New Airport

2.3 道面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

參考中國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2006中材料設(shè)計(jì)參數(shù)，各層材料參數(shù)取值如表3所示，對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石，公路設(shè)計(jì)規(guī)范中的水泥劑量為4%～6%，考慮到昆明機(jī)場(chǎng)瀝青道面水穩(wěn)基層擬采用低水泥摻量（3%～4%），其抗壓模量取為1 000 MPa。

表3 昆明新機(jī)場(chǎng)道面格結(jié)構(gòu)層的靜態(tài)材料參數(shù)取值Tab.3 Material parameters of Kunming New Airport

土基的模量按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的自然區(qū)劃方法確定，昆明機(jī)場(chǎng)土質(zhì)為紅粘土，模量較高；施工現(xiàn)場(chǎng)采取了碎石碾壓處治，使土基模量有所提高，因此土基模量擬定為120 MPa，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土基的CBR值為10%，道面各結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)取值匯總?cè)绫?所示。

2.4 初擬道面結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)專(zhuān)家論證，昆明新機(jī)場(chǎng)將采用半剛性基層瀝青道面結(jié)構(gòu)，并由設(shè)計(jì)院提出了初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如表4所示。在后文的設(shè)計(jì)中將其瀝青面層、瀝青碎石基層厚度設(shè)為定值，保持與該初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)厚度一致，對(duì)半剛性底基層厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表4 半剛性基層道面初擬結(jié)構(gòu)組合Tab.4 Semi-rigid base pavement structure of Kunming New Airport pavement

3 不同設(shè)計(jì)方法對(duì)道面結(jié)構(gòu)厚度的影響

通過(guò)采用不同的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，采用水泥穩(wěn)定碎石基層作為設(shè)計(jì)層，計(jì)算的道面結(jié)構(gòu)型式如表5所示。

本文新方法設(shè)計(jì)的道面結(jié)構(gòu)總厚度與美國(guó)FAARFIELD方法設(shè)計(jì)的總厚度比較接近，而與中國(guó)規(guī)范方法差別較大，這說(shuō)明中國(guó)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法比較保守，不適合用于大型樞紐機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)合3種方法的設(shè)計(jì)思路和具體過(guò)程，造成這一結(jié)果的主要原因?yàn)閷?duì)于混合交通的設(shè)計(jì)，本文中的設(shè)計(jì)方法和美國(guó)FAARFIELD法采用基于Miner定律的累積損傷原理進(jìn)行考慮多種機(jī)型的荷載作用，而中國(guó)規(guī)范方法仍是采用設(shè)計(jì)飛機(jī)法；在設(shè)計(jì)飛機(jī)法中，當(dāng)量單輪荷載（ESWL）的計(jì)算是關(guān)鍵，它是基于土基頂面彎沉等效原則進(jìn)行當(dāng)量計(jì)算；另外，對(duì)于飛機(jī)的橫向分布，規(guī)范只是依據(jù)道面寬度取一定值，并沒(méi)有考慮機(jī)輪在道面橫斷面的概率分布，因此，當(dāng)預(yù)測(cè)機(jī)型相對(duì)較多，而且大型飛機(jī)出現(xiàn)時(shí)，按照中國(guó)規(guī)范方法進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)得到比較保守的結(jié)果，而基于CDF的設(shè)計(jì)就會(huì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法，分別基于靜態(tài)響應(yīng)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析得到的設(shè)計(jì)結(jié)果有一定差別，后者比前者設(shè)計(jì)厚度大。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)分析得到的半剛性底基層底面拉應(yīng)力比靜態(tài)分析大，面層、基層材料與土基材料的動(dòng)模量比例大于各自靜模量比例，使得在動(dòng)態(tài)分析中，基層承受了更大的拉應(yīng)力。但同時(shí)由于動(dòng)模量明顯大于靜模量且動(dòng)態(tài)荷載作用時(shí)間較短，動(dòng)態(tài)分析得到的基層拉應(yīng)變小于靜態(tài)分析。本研究選取的控制指標(biāo)為半剛性底基層拉應(yīng)力，所以基于動(dòng)態(tài)分析的設(shè)計(jì)厚度較大；如果采用以拉應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo)的疲勞方程，將會(huì)得到相反的結(jié)果。如何選取更為合理的性能預(yù)估方程有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用國(guó)內(nèi)外不同的瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)昆明新機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行論證，發(fā)現(xiàn)中國(guó)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與國(guó)外相比存在很大距離，促使中國(guó)機(jī)場(chǎng)道面研究人員需對(duì)現(xiàn)行的民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入研究，探索出更加合理、更能夠反映道面結(jié)構(gòu)實(shí)際使用狀態(tài)的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，中國(guó)機(jī)場(chǎng)瀝青道面設(shè)計(jì)方法主要可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1）損壞模式 中國(guó)高速公路瀝青路面大量使用半剛性基層材料，使得新建的瀝青道面機(jī)場(chǎng)的基層也在沿用半剛性基層材料，但是國(guó)內(nèi)外機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中并沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)控制其破壞，且飛機(jī)荷載作用下半剛性基層瀝青道面結(jié)構(gòu)的疲勞特性也較公路不同，因此，有必要考慮道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料特征，提出適應(yīng)中國(guó)瀝青道面結(jié)構(gòu)特色的損壞設(shè)計(jì)控制模式。

2）混合交通的考慮 混合交通建議采用累積損傷法考慮不同飛機(jī)荷載對(duì)道面產(chǎn)生的疲勞損傷；建議在中國(guó)不同的機(jī)場(chǎng)布設(shè)測(cè)試儀器，測(cè)試飛機(jī)的輪跡橫向分布規(guī)律，為準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)道面結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

3）瀝青混合料的粘彈性特性會(huì)對(duì)道面輪轍、推擠、擁包等病害產(chǎn)生負(fù)面影響 由于目前對(duì)瀝青道面推擠、擁抱等表面損壞的機(jī)理和控制方法研究十分有限，建議以后多收集中國(guó)瀝青道面的損壞情況，為新一輪規(guī)范的修訂提供參考。

4）瀝青混凝土材料的疲勞特性 大型飛機(jī)荷載作用下，瀝青道面結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈現(xiàn)多應(yīng)力峰值的典型特點(diǎn)，使得現(xiàn)有的瀝青路面的疲勞方程不能適應(yīng)多輪飛機(jī)荷載的特點(diǎn)，從而基于累計(jì)損傷法計(jì)算出的道面結(jié)構(gòu)厚度與實(shí)際不吻合，因此有必要對(duì)大型飛機(jī)多應(yīng)力峰值條件下，瀝青混凝土的疲勞特性進(jìn)行研究，為科學(xué)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

[1]史保華，王 聲.應(yīng)用瀝青混凝土修建機(jī)場(chǎng)道面的分析探討[J].石油瀝青，1998，12（2）：35-42.

[2]European Asphalt Pavement Association.Airfield Uses of Asphalt[R]. The Netherlands：European Asphalt Pavement Association，2003.

[3]游慶龍，凌建明，袁 捷，等.適應(yīng)大型飛機(jī)的瀝青道面結(jié)構(gòu)有限元模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2012，12（2）：18-23.

[4]US Department of Transportation，F(xiàn)ederal Aviation Administration. Airport Pavement Design and Evaluation，AC No：150/5320-6E[R].US Department of Transportation，F(xiàn)ederal Aviation Administration，2009.

[5]李巧生，趙鴻鐸，凌建明.適應(yīng)大型特種飛機(jī)的機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（1）：121-126.

[6]劉 文.機(jī)場(chǎng)瀝青道面設(shè)計(jì)指標(biāo)及方法研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[7]趙鴻鐸.適應(yīng)大型飛機(jī)的瀝青道面交通荷載分析方法及參數(shù)的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[8]游慶龍.機(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)三維非線(xiàn)性力學(xué)響應(yīng)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2011.

[9]閆啟琨.復(fù)雜起落架荷載作用下瀝青道面動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2011.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Effect of different design methods to thickness of asphalt concrete airport pavement

YOU Qing-long1a，MA Jing-lian1b，YUAN Jie2
（1a.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education；1b.School of Economics and Manegement，Chang'an University，Xi'an 710064，China；2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Based on a large survey of currently representative design methods of asphalt concrete airport pavement in the world，structure thickness of Kunming New Airport is analyzed using the design methods of 6E，6D from FAA，China's civil aviation asphalt pavement design method and the new design method from the author's research group.The results show that the total thickness of pavement structure designd by the Civil Aviation Specifications of China is thicker than the 6E of FAA by 27 cm；the total thickness of the new design method from author's research group is closer to the 6E of FAA；the total thickness based on the the pavement structure dynamic mechanical response is thicker than static mechanical response by 15 cm.After discussing the thickness of Kunming New Airport pavement，some problems of the present design method are discussed in details.Besides，the development of design method in China is discussed and some advices are put forward for further design.Through the research，some technical references are provided for the improvement of our design theory of asphalt concrete pavement.

airport pavement；asphalt concrete；design method

U416.223；V351.11

：A

：1674-5590（2014）04-0039-04

2013-04-23；

：2013-06-09

：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60776818，51308064）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2014M552398）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（CHD2011JC081，0009-2014G1211009）

游慶龍（1982—），男，湖南岳陽(yáng)人，講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.