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        排水固結(jié)法處理機(jī)場場道地基預(yù)壓荷載取值研究

        2014-11-27 03:19:24
        鐵道建筑 2014年9期
        關(guān)鍵詞:泥面道面起落架

        林 暉

        (廈門路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,福建廈門 361000)

        當(dāng)采用排水固結(jié)預(yù)壓法處理軟基時(shí),堆載的強(qiáng)度應(yīng)大于或等于以后的使用荷載,所以需要計(jì)算機(jī)場場道的使用荷載。國內(nèi)外對(duì)飛機(jī)荷載計(jì)算研究較少。咼潤華等[1]采用多層彈性體系理論對(duì)飛機(jī)荷載作用下機(jī)場土基的附加應(yīng)力及其特征進(jìn)行了分析。許金東等[2]對(duì)飛機(jī)作用于機(jī)場剛性道面上的動(dòng)力荷載進(jìn)行了實(shí)測,應(yīng)用有限元和邊界元方法建立了機(jī)場剛性道面體系靜力和動(dòng)力分析模型,并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)論證。張磊等[3]選取1/4余弦波模擬飛機(jī)循環(huán)降落荷載,計(jì)算得到溫州機(jī)場新跑道軟黏土地基在空客A380作用下附加應(yīng)力的分布情況。

        預(yù)壓荷載選取得是否合理,決定了軟基處理的質(zhì)量,關(guān)系著工程投資,但現(xiàn)有的規(guī)范對(duì)預(yù)壓荷載取值并沒有明確規(guī)定,研究機(jī)場場道的預(yù)壓荷載取值具有現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)的許多學(xué)者雖然采用了不同的方法對(duì)飛機(jī)附加應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算,但是都沒有考慮道面結(jié)構(gòu)、基床層、地基填土的特點(diǎn)。本文結(jié)合機(jī)場場道處理后地基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和荷載類型,采用布辛奈斯克法和有限元法計(jì)算不同工況下空客A380造成的地基附加應(yīng)力,以確定機(jī)場場道預(yù)壓荷載的合理取值。

        1 計(jì)算條件

        機(jī)場場道地基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 機(jī)場場道地基結(jié)構(gòu)(單位:m)

        軟基采用排水固結(jié)法處理時(shí),沉降計(jì)算應(yīng)考慮泥面以上總荷載作用效應(yīng)。飛行區(qū)場道的作用荷載強(qiáng)度按照以下條件換算:

        1)道面結(jié)構(gòu)層自上而下為一層42 cm厚水泥混凝土層、兩層半剛性基層。其中兩基層均采用18 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石。

        2)基床層(填石渣層)厚度1.0 m。

        3)為了滿足承載力的要求,泥面以上填土厚度在2.0 m以上,選取填土厚度2.0,2.5 m進(jìn)行計(jì)算。

        4)按當(dāng)今最大飛行器空客A380后起落架荷載組合效應(yīng)最大點(diǎn)計(jì)算飛機(jī)移動(dòng)荷載作用效應(yīng)。

        2 等效使用荷載

        按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[4]和《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)[5],地基處理后泥面以上荷載標(biāo)準(zhǔn)組合按下式計(jì)算。

        式中:γ為填土的重度,kN/m3;H為填土高度,m;p1為道面結(jié)構(gòu)層自重,kPa;p2為土基交工面以上基床層自重,kPa;p3為飛機(jī)對(duì)淤泥面產(chǎn)生的附加荷載,與填土層厚度有關(guān);ψc為荷載組合系數(shù),按國標(biāo)取0.7。

        根據(jù)排水固結(jié)堆載預(yù)壓原理,預(yù)壓荷載p≥p1+p2+ψcp3,其中p1和p2按下述計(jì)算。

        1)道面結(jié)構(gòu)荷載p1計(jì)算。道面結(jié)構(gòu)層的換算荷載 p1為18.5 kPa。

        2)填石基床層自重p2計(jì)算?;矠?.0 m厚填石渣層,換算荷載p2為22.0 kPa。

        3 飛機(jī)活荷載對(duì)地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力

        飛機(jī)計(jì)算參數(shù):當(dāng)今4F級(jí)機(jī)場荷載最大的飛機(jī)為空客A380,該飛機(jī)在起飛時(shí)最大重量5 620 kN。A380飛機(jī)輪胎分布如圖2所示,飛機(jī)起飛時(shí)各起落架的最大重量如表1所示。

        圖2 A380起落架與輪胎的平面位置示意(單位:mm)

        表1 A380起飛時(shí)各起落架的最大重量 kN

        由于道面結(jié)構(gòu)采用剛性混凝土及半剛性基層,地基附加應(yīng)力采用布辛奈斯克法和有限元法計(jì)算。計(jì)算中考慮各起落架之間的相互影響。

        經(jīng)分析,飛機(jī)荷載引起的地基附加應(yīng)力最大處為后翼下兩個(gè)主起落架中間點(diǎn)(A點(diǎn))和機(jī)體主起落架的中點(diǎn)(B點(diǎn)),如圖3所示。

        1)布辛奈斯克法計(jì)算結(jié)果

        圖3 A380起落架荷載計(jì)算簡圖

        泥面以上填土厚度預(yù)計(jì)為2.0~2.5 m,填土面以上設(shè)置1.0 m厚填石渣層(基床層)。附加應(yīng)力采用布辛奈斯克法計(jì)算,結(jié)果如圖4所示。由圖4可以確定:①泥面以上填土厚度2.0 m(即泥面位于半剛性基層下3.0 m)時(shí),空客A380在B點(diǎn)泥面產(chǎn)生的附加應(yīng)力為43 kPa;泥面以上填土厚度2.5 m(即泥面位于半剛性基層下3.5 m)時(shí),空客A380在B點(diǎn)泥面產(chǎn)生的附加應(yīng)力為37 kPa。②在填土厚度<4.0 m(即泥面位于半剛性基層下5.0 m以內(nèi))時(shí),機(jī)體主起落架中點(diǎn)(B點(diǎn))的地基附加應(yīng)力最大;在填土厚度>4.0 m(即泥面位于半剛性基層下超過5.0 m)時(shí),后翼下兩個(gè)主起落架中間點(diǎn)(A點(diǎn))的地基附加應(yīng)力和B點(diǎn)基本相等。

        圖4 荷載隨深度擴(kuò)散曲線

        2)有限元計(jì)算結(jié)果

        采用Midas有限元計(jì)算軟件,對(duì)飛機(jī)荷載造成的地層附加應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。由于道面結(jié)構(gòu)層厚度和填石渣層的厚度是固定的,變化的只有填土層的厚度。為方便起見,分別按填土2.0 m和2.5 m計(jì)算其對(duì)應(yīng)的地基附加應(yīng)力。路基材料力學(xué)參數(shù)如表2所示,計(jì)算模型如圖5所示。

        ①泥面上填土厚度2.0 m。泥面上填土厚度2.0 m時(shí),飛機(jī)機(jī)體主起落架和后翼下主起落架下方地基附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

        ②泥面上填土厚度2.5 m。泥面上填土厚度2.5 m時(shí),飛機(jī)機(jī)體主起落架和后翼下主起落架下方地基附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

        表2 路基材料力學(xué)參數(shù)

        圖5 計(jì)算模型

        圖6 填土2.0 m時(shí)不同計(jì)算點(diǎn)地基附加應(yīng)力

        由圖6和圖7可以看出:泥面以上填土厚度2.0 m時(shí),機(jī)體主起落架下方和后翼下主起落架下方泥面的附加應(yīng)力分別為41.7,32.7 kPa;泥面上填土厚度2.5 m時(shí),機(jī)體主起落架下方和后翼下主起落架下方泥面的附加應(yīng)力分別為34.7,27.9 kPa。

        圖7 填土2.5 m時(shí)不同計(jì)算點(diǎn)地基附加應(yīng)力

        3)兩種方法的對(duì)比分析

        由以上分析可知,Midas有限元法計(jì)算填土厚度2.0,2.5 m時(shí)飛機(jī)附加荷載在泥面產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力最大值分別為41.7,34.7 kPa,且均位于機(jī)體主起落架中點(diǎn)下方;布辛奈斯克法計(jì)算結(jié)果則為43,37 kPa,也位于機(jī)體主起落架中點(diǎn)下方。兩種方法計(jì)算結(jié)果基本一致。

        4 場道預(yù)壓荷載取值

        根據(jù)預(yù)壓荷載公式p≥p1+p2+ψcp3,將填土2.0,2.5 m對(duì)應(yīng)的飛機(jī)荷載在泥面產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力最大值41.7,34.7 kPa帶入,可求得場道使用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合,如表3所示。

        表3 場道使用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合

        國內(nèi)部分沿海機(jī)場場道采用插板排水固結(jié)堆載預(yù)壓法處理時(shí),預(yù)壓荷載取值如表4所示。

        表4 國內(nèi)部分沿海機(jī)場場道預(yù)壓荷載取值

        一般情況下,機(jī)場場道泥面以上的填土厚度≥2.0 m,由表4可知計(jì)算的使用荷載在70 kPa以下。國內(nèi)部分機(jī)場在選擇預(yù)壓荷載時(shí),考慮了可靠度、最不利工況等因素,都適當(dāng)提高了預(yù)壓荷載,如深圳機(jī)場二跑道、寧波機(jī)場、珠海機(jī)場等。廈門新機(jī)場地基處理一期工程泥面以上填土厚度在2.0~2.5 m,建議設(shè)計(jì)預(yù)壓荷載取80 kPa,荷載強(qiáng)度相當(dāng)于預(yù)壓土(砂)5.0 m。在填土厚度較厚的區(qū)域可適當(dāng)減少預(yù)壓荷載的取值。

        5 結(jié)論

        1)布辛奈斯克法和有限元法計(jì)算的空客A380在泥面產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力基本相符。在填土厚度<4.0 m(即泥面位于半剛性基層下5.0 m以內(nèi))時(shí),機(jī)體主起落架中點(diǎn)下地基附加應(yīng)力最大;在填土厚度>4.0 m(即泥面位于半剛性基層下超過5.0 m)時(shí),機(jī)體主起落架中點(diǎn)和后翼下兩個(gè)主起落架中間點(diǎn)的地基附加應(yīng)力基本相等。

        2)當(dāng)采用排水固結(jié)堆載預(yù)壓法處理機(jī)場場道軟基時(shí),泥面以上填土厚度越小,預(yù)壓荷載取值越大。在選擇機(jī)場場道預(yù)壓荷載時(shí),考慮可靠度、最不利工況等因素,應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)壓荷載。

        3)廈門新機(jī)場地基處理一期工程泥面以上填土厚度2.0~2.5 m,建議場道地基處理設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)壓荷載取80 kPa,相當(dāng)于預(yù)壓土(砂)5.0 m。在填土厚度較厚的區(qū)域,可適當(dāng)減小預(yù)壓荷載。

        [1]咼潤華,凌建明.飛機(jī)荷載作用下場道地基附加應(yīng)力特征[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(3):288-293.

        [2]許金東,鄧子辰.機(jī)場剛性道面動(dòng)力分析[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

        [3]張磊,高玉峰,王軍.飛機(jī)荷載作用下溫州機(jī)場超固結(jié)軟粘土地基變形研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,35(3):59-64.

        [4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

        [5]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTS 144-1—2010 港口工程荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

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