林盛

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市 200092）

0 引言

基礎(chǔ)是道面的最下層結(jié)構(gòu)層，是道面承載的基石，其重要性不言而喻，但由于其位于道面最底層，屬于隱蔽性工程，性狀的好壞都無法直觀表現(xiàn)，因此不管設(shè)計、施工還是日常維護，對基礎(chǔ)的考慮都有欠缺。目前我國道面設(shè)計規(guī)范[1]中對基礎(chǔ)的要求僅為“密實、穩(wěn)定和均勻”，在施工驗收時也只是檢測壓實度和平整度等簡單指標(biāo)，導(dǎo)致基礎(chǔ)的性能往往不能滿足道面結(jié)構(gòu)在使用周期內(nèi)的要求。實際檢測發(fā)現(xiàn)，大部分道面的基礎(chǔ)在運行一定時間后就會出現(xiàn)諸如不均勻沉降、承載能力下降等問題。

圖1是華東某機場跑道2段區(qū)域基礎(chǔ)的雷達掃描成像圖。

圖1 基礎(chǔ)掃描成像圖

該跑道基礎(chǔ)新建時為20～25 cm塊石基礎(chǔ)，雷達掃描時道面使用時間為20 a。從雷達掃描結(jié)果來看，基礎(chǔ)性狀已發(fā)生了很大的改變。掃描結(jié)果顯示現(xiàn)有基礎(chǔ)厚度表現(xiàn)為32～56 cm，遠大于新建時的厚度，說明原有的塊石基礎(chǔ)已與土基混合一起，基礎(chǔ)已出現(xiàn)了明顯不均勻變形和沉降。

道面結(jié)構(gòu)在使用過程中的性能衰減有著一定的必然性，但如何保證在設(shè)計使用壽命內(nèi)性能下降后仍能滿足使用的要求，則需要從設(shè)計、施工和維護等多方面著手進行要求和規(guī)范。本文依據(jù)對國內(nèi)數(shù)十個機場道面性能的檢測，對道面基礎(chǔ)的不均勻變形的成因和處置方法進行研究，為我國機場道面的設(shè)計、施工和維護提供技術(shù)依據(jù)和參考。

1 基礎(chǔ)不均勻變形的主要成因

通過對我國數(shù)十家機場的現(xiàn)場檢測及調(diào)研，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究資料，總結(jié)出機場道面基礎(chǔ)不均勻變形主要有以下幾種。

（1）荷載作用下的壓密變形

雖然在施工時對基礎(chǔ)的壓實度有嚴(yán)格的要求，但基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)仍有進一步壓密的空間。道面在運行過程中受自重作用和飛機荷載作用，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為水泥混凝土道面具有很強的荷載擴散能力，認(rèn)為荷載作用引起的基礎(chǔ)附加應(yīng)力很小，不足以引起基礎(chǔ)的塑形破壞。實際上，由于水泥板塊的受力特性，荷載作用于板上不同位置時，引起的撓度有明顯差異。依據(jù)Westergaard理論[2]，在相同荷載作用下，板角撓度最大，板邊撓度其次，板中撓度最小，且差異量隨著接縫傳荷能力的下降而顯著增加。外荷載作用下面層撓度不同，對基礎(chǔ)的附加壓力也不同，長期作用會導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形，但通過這一部分影響的不均勻變形量不會太大。

（2）凍融作用

我國東北、華北、西北等大部分地區(qū)都屬于季節(jié)性凍脹地區(qū)，當(dāng)?shù)叵滤惠^高而溫度又低于冰點時，基礎(chǔ)就會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。水結(jié)冰后體積會增加10%左右，少量凍脹的危害不大，但過量凍脹，特別是不均勻凍脹，會使基礎(chǔ)出現(xiàn)不規(guī)則隆起現(xiàn)象，從而反映到道面結(jié)構(gòu)層中。待到春融季節(jié)時，隨著融化深度的加大，基礎(chǔ)凍融層的土由凍結(jié)狀態(tài)變?yōu)槿诨癄顟B(tài)，在土體自重作用和荷載作用下進行融化下沉與壓密變形[3]。由于春融帶來的土體內(nèi)濕度增大，使得基礎(chǔ)承載能力及抗變形能力下降，導(dǎo)致土體出現(xiàn)不均勻變形。長年如此，會使不均勻變形積累到非?？捎^的程度。

（3）周邊施工影響

周邊施工會對現(xiàn)有道面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，如地下隧道穿越工程、周邊擴建工程等，都會對現(xiàn)有道面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。施工會對周圍土體產(chǎn)生不可避免的施工擾動，從而改變了巖土體內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，引起地層變位及地表沉降。以隧道施工為例，隧道施工所引起的地面沉降曲線一般稱之為“沉降槽”[4]，如圖2所示。

圖2 下穿隧道施工影響的地表沉降

近年來，我國民航業(yè)發(fā)展迅猛，大量機場都在進行或計劃進行改擴建工程，以實現(xiàn)機場的擴容，甚至部分機場以機場為中心，建立起集機場、高鐵、磁懸浮等為一體的大型交通樞紐。大規(guī)模的施工會對現(xiàn)有道面產(chǎn)生怎樣的影響很難預(yù)估。

2 基礎(chǔ)不均勻變形對道面性能的影響

基礎(chǔ)一旦出現(xiàn)不均勻變形，會改變道面結(jié)構(gòu)的受力模式，長時間荷載作用下，會導(dǎo)致道面出現(xiàn)各種損傷。其主要影響分為功能性影響和結(jié)構(gòu)性影響兩個方面。

（1）功能性影響

路基不均勻變形會逐漸通過基層反映到面層，但面層坡度發(fā)生變化，影響道面排水和行車安全。機場對道面坡度有嚴(yán)格的規(guī)定，跑道道面橫坡在1%～1.5%，縱坡不大于0.1%[5]。道面坡度一旦不能滿足規(guī)定則必須整改。如果道面坡度不滿足要求需要整改非常困難，因此最好是提高設(shè)計指標(biāo)和施工質(zhì)量，避免出現(xiàn)坡度問題。面層坡度不能達到要求的直接結(jié)果是導(dǎo)致道面排水不暢，進而形成積水，而飛機在高速行駛時，積水會在輪胎和道面之間形成“水膜”，使飛機出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，嚴(yán)重時會影響到飛機的行駛安全。

（2）結(jié)構(gòu)性影響

水泥混凝土道面屬于脆性材料，強度高、剛度大，但缺乏可塑性，因此對下結(jié)構(gòu)層的變形適應(yīng)能力很差。當(dāng)基礎(chǔ)存在不均勻變形并反映到基層時，水泥面層因無法跟隨基層變形而產(chǎn)生附加應(yīng)力。從力學(xué)上分析，基礎(chǔ)的不均勻變形相當(dāng)于給道面結(jié)構(gòu)施加了一個邊界位移，這部分附加應(yīng)力以恒載形式持久作用于水泥板中。在結(jié)構(gòu)自重、飛機荷載作用和溫度荷載等綜合作用下，會影響到道面結(jié)構(gòu)的使用性能和使用壽命，而板中疲勞應(yīng)力一旦超過材料強度，就會造成板的斷裂。

當(dāng)附加荷載大到一定程度，對于道面一些薄弱部位，會導(dǎo)致道面局部受力過大而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，進而使道面出現(xiàn)一系列病害，如錯臺、裂縫等。圖3是機場道面常見的一些因基礎(chǔ)問題導(dǎo)致的病害照片。

圖3 道面病害照片

3 基礎(chǔ)不均勻變形的預(yù)防

我國現(xiàn)行的機場道面設(shè)計規(guī)范對基礎(chǔ)的基本要求是穩(wěn)定、密實，可以為道面結(jié)構(gòu)提供均勻穩(wěn)定的支承。然而在現(xiàn)實中發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形是無法避免的，可以做到的只是限定不均勻變形的量。制定標(biāo)準(zhǔn)的原則有兩點：

（1）考慮基礎(chǔ)不均勻變形引起的道面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，在道面設(shè)計年限內(nèi)，道面結(jié)構(gòu)在飛機荷載和溫度荷載的綜合作用下不發(fā)生疲勞破壞；

（2）基礎(chǔ)不均勻變形不致于引起面層坡度不滿足規(guī)范的要求，進而保證道面排水和運行安全的需要。

要限定不均勻變形的量，首先要提出能夠反映不均勻變形的衡量指標(biāo)。目前國內(nèi)外以常用最大沉降量來作為指標(biāo)。最大沉降量最為直觀，容易監(jiān)測，便于施工控制和工后監(jiān)測。但是，最大沉降量僅僅反映了基礎(chǔ)變形的絕對值，沒能表征基礎(chǔ)變形的形態(tài)及空間分布。另一個衡量指標(biāo)“差異沉降量”體現(xiàn)了“不均勻”的思想，差異沉降量越大，對道面結(jié)構(gòu)的不利影響越嚴(yán)重。但差異沉降量是指基礎(chǔ)的最大沉降量和最小沉降量的差值，它不考慮這兩點之間的距離和其它點的變形情況，沒有真實反映“不均勻”的分布特征。本文通過大量的工程現(xiàn)場觀測表明：采用最大沉降量和沉降曲線半波長平方的比值δmax/T2能較為科學(xué)地表征基礎(chǔ)不均勻變形的狀態(tài)。

民航對跑道、滑行道和停機坪等不同部位道面的坡度要求并不相同，因此需要對不同部位設(shè)定不同的標(biāo)準(zhǔn)。作者會進一步對此開展研究，以δmax/T2為指標(biāo)，建立不同等級機場、不同部位道面基礎(chǔ)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，為民航場道設(shè)計和施工提供技術(shù)依據(jù)。

4 基礎(chǔ)不均勻變形的處置

基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，目前尚缺乏快速、高效的檢測手段。一般都是等到基礎(chǔ)問題較為嚴(yán)重，反映到道面上層結(jié)構(gòu)時才會被注意。當(dāng)面層因為基礎(chǔ)問題而出現(xiàn)錯臺、排水不暢等問題時，可采用的處理手段十分有限。根據(jù)我國機場工程經(jīng)驗，主要有兩種手段：加鋪和注漿。

（1）加鋪

加鋪是一種治表不治本的方法，即在現(xiàn)有問題面層上加鋪一定厚度的新面層，最常用的是柔性加鋪。加鋪后道面表觀會大為改觀，在較長時間內(nèi)道面恢復(fù)較好的使用性能，但基礎(chǔ)的問題仍沒有解決，一段時間后還會再次反映到新加鋪面層，如反射裂縫、沉陷、隆起等病害。根據(jù)對我國近十條加鋪道面的跟蹤觀測，新加鋪道面會在1～2 a內(nèi)開始出現(xiàn)反射裂縫?！胺婪础弊龅迷胶?，施工質(zhì)量控制和加鋪混合料設(shè)計越好，反射裂縫出現(xiàn)時間會越晚，但從長遠來看，出現(xiàn)反射裂縫是必然的。

常用的“防反”措施有土工格柵、土工布、應(yīng)用吸收層等，但實際工程應(yīng)用效果都不是非常理想。近年來通過引進國外設(shè)備和技術(shù)，出現(xiàn)了一種新的“防反”措施——同步橡膠瀝青碎石封層技術(shù)。美國應(yīng)用表明：橡膠瀝青碎石封層作為應(yīng)力吸收層，可延緩反射裂縫達15 a以上[6]。同步橡膠瀝青碎石封層技術(shù)在公路行業(yè)已有較多應(yīng)用，但在機場應(yīng)用仍很少，需要進一步推廣。

（2）注漿

注漿理論上可以消除基礎(chǔ)問題。通過低壓滲透注漿，可以用水泥漿液擠出，置換基礎(chǔ)內(nèi)的泥土，可以有效緩解基礎(chǔ)問題的進一步發(fā)展。華東某機場跑道基礎(chǔ)損壞嚴(yán)重，現(xiàn)場鉆取的芯樣表明，基礎(chǔ)與下層土基混合在一起（見圖4）。為有效處置基礎(chǔ)病害，機場采用注漿對基礎(chǔ)進行處置。通過HWD檢測表明，注漿后基礎(chǔ)強度和均勻性有了顯著提高。

圖4 基礎(chǔ)芯樣照片

由于基礎(chǔ)注漿屬于隱蔽工程，機場道面基礎(chǔ)上層的結(jié)構(gòu)高度近1 m，施工質(zhì)量和效果評價較為困難，施工變異性很大。這也是注漿處置方法的一大難點。

以上兩種是常用的處置方法可單獨應(yīng)用，兩者結(jié)合使用效果會更好，但工程造價較高。決策者可根據(jù)實際工程情況選擇合適的處置方法。

5 結(jié)語

（1）結(jié)合機場自身特點，分析了機場道面基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形的3個主要成因，分別為：荷載壓密變形、凍融作用和周邊施工影響。

（2）從功能性影響、結(jié)構(gòu)性影響兩個方面分析了基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形對道面性能的影響。

（3）從設(shè)計角度提出了預(yù)防基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻變形的方法。結(jié)合工程經(jīng)驗，提出了以δmax/T2做為衡量基礎(chǔ)不均勻性的評價指標(biāo)。

（4）提出了機場道面出現(xiàn)基礎(chǔ)不均勻變形后的處置方法：面層加鋪和基礎(chǔ)注漿。

[1]MH5004-2009，民用機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范[S].

[2]Westergaard,H.M.Computation of Stresss in Concrete Roads[J].Proceedings,HRB,1925（5）：90-112.

[3]Chou,Yu T..Rigid pavement design for roads and streets elastic layered method[A].Proceedings,4th International Conference on Concrete Pavement Design an Rehabilitation[C].Purdue University,1989.

[4]Peek R.B，Deep excavation and tunneling in soft ground，State of the Art RePort[A].Proc.7th，Int.Conf.on soil Mechanics and Foundation Engineering[C].Mexieo City，1969.

[5]MH/5001-2006，民用機場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]王旭東，李美江，路凱冀,等.橡膠瀝青及混凝土應(yīng)用成套技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2008.