宋 洋, 張 卓

(1.中國民航大學公共管理系，天津 300300；2.中國民航大學通航學院，天津 300300)

混凝土可靠性是指在使用年限內(nèi)、道面保持使用功能的能力[1]，也反映跑道在使用運行過程中飛機平穩(wěn)安全起降的安全程度。場道施工階段，傳統(tǒng)的道面層質(zhì)量檢驗方法采取點測法或者面測法測量壓實度，抽樣結(jié)果檢測合格率滿足當前道面結(jié)構(gòu)層密實度標準即可，這使得某些路段的壓實度較低，直接影響場道的質(zhì)量和安全。同時，施工中由于受到外在環(huán)境及材料自身性質(zhì)等不確定性因素的影響[2]，也會對道面可靠性產(chǎn)生一定的負面影響。

中外學者從不同方面研究了機場場道。例如，李永生等[3]分析機場場道建設(shè)區(qū)域的氣候特征、荷載條件等選擇采用改性瀝青混合料進行機場道面罩面不停航施工，有效提高道面疲勞強度，并利用施工期壓實度等對施工現(xiàn)場的瀝青混合料進行施工技術(shù)評價；史保華等[4]采用彈性半空間地基模型方法對道面基礎(chǔ)回彈模量進行反算并推算出道面等級號(pavement classification number，PCN)，以此評價公路飛機跑道水泥混凝土道面的承載能力。李樂等[5]介紹了機場水泥混凝土道面疲勞破壞模型和各設(shè)計參數(shù)的分布規(guī)律，采用蒙特卡洛方法編寫了道面可靠度計算程序。王楓等[6]在機場混凝土道面修復工程中，為滿足道面板塊邊角局部破損的修復過程道面可靠性要求，通過有限元數(shù)值模擬和實驗開展了對局部嵌固式邊角修復施工工藝的研究。魏保立等[7]為保障機場跑道的安全和使用性能，采用振動理論建立了飛機-道面結(jié)構(gòu)的耦合振動分析模型。蔡靖等[8]通過建立機場道面結(jié)構(gòu)的溫度場分析模型，研究飛機在跑道滑行過程中受溫度荷載影響的道面應(yīng)力狀態(tài)及性能評估。戚春香等[9]采用有限元分析方法和多組模型試驗，對考慮板角脫空和板中脫空兩種情況的機場剛性道面板接縫處的應(yīng)力及傳荷能力進行分析。Tamagusko等[10]研究不同計算機軟件應(yīng)用在機場道面設(shè)計中的原理和公式。Heymsfield等[11]考慮道面結(jié)構(gòu)配置、材料、荷載、環(huán)境條件等指標，綜述了與機場道面相關(guān)的道面結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析規(guī)范的計算方法和內(nèi)在特性。Graziani等[12]、Scimemi等[13]基于機場道面管理系統(tǒng)(airport pavement management system，APMS)研究道面承載力的演變以及道面剩余壽命的估計，主要是對道面維護方面的研究。

以上研究大多是對機場場道在設(shè)計、修復、運行、維護階段的研究，沒有研究場道在施工期的施工參數(shù)對場道質(zhì)量和安全的影響。因此，現(xiàn)以場道施工期施工參數(shù)為基礎(chǔ)，在壓實度反映施工質(zhì)量的前提下，重點對壓實度偏低區(qū)域進行道面可靠性分析，對工程施工質(zhì)量進行二次檢驗，以期提高場道施工質(zhì)量，完善施工質(zhì)量控制體系。

1 三維地質(zhì)及場道綜合模型

基于建筑信息模型(building information model，BIM)平臺軟件構(gòu)建三維地質(zhì)及場道數(shù)字模型能夠?qū)崿F(xiàn)場道建設(shè)區(qū)域地質(zhì)情況三維化展示、道面層施工過程可視化，在施工過程中能夠?qū)崟r反映場道各結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量，可以實時提取施工質(zhì)量參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效管理與分析。

1.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)預處理

為解決勘探數(shù)據(jù)不完整或不具有拓撲結(jié)構(gòu)，對地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進行插值預處理，基于反距離加權(quán)插值法[14-15]的數(shù)學計算公式為

(1)

Z(xi,yi)=Zi,i=1,2,…,n

(2)

(3)

(4)

式中：Z為地質(zhì)數(shù)據(jù)中缺失點的高程估計值；(x，y)是地質(zhì)區(qū)域D內(nèi)任意實數(shù)值E-N坐標；di為點(x，y)與點(xi，yi)之間的歐氏距離；λi為插值點權(quán)重；ρ為冪指數(shù)，一般取ρ=2；n為已知點個數(shù)。假設(shè)在區(qū)域D內(nèi)有n個坐標，則存在Z(x1,y1),…,Z(xi,yi),…,Z(xn,yn)，即Z1…Zi…Zn；通過對區(qū)域D內(nèi)的已知點(xi,yi,zi)進行插值計算得出缺失點(x,y,z)，即插值點。以此補全地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，地質(zhì)數(shù)據(jù)保存為.txt文件或.csv文件，供繪制地質(zhì)模型使用。

1.2 場道工程數(shù)據(jù)預設(shè)

東北地區(qū)某場道，記為A場道工程，其場道設(shè)計規(guī)格為長2 150 m，寬45 m，飛行區(qū)指標為4C，可起降最大機型B737-700、A320，設(shè)計使用年限為35年，剛性道面結(jié)構(gòu)層從下至上依次為土基層、天然砂礫墊層(30 cm)、水泥穩(wěn)定碎石基層(20 cm)、水泥混凝土面層(32 cm)，墊層寬出基層40 cm，基層比混凝土面層寬出50 cm?？煽慷葮藴蕿?5%及以上，各結(jié)構(gòu)層壓實度標準、參數(shù)設(shè)計如表1、表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)層壓實度標準Table 1 Structural compaction standard

表2 結(jié)構(gòu)層設(shè)計參數(shù)Table 2 Structural layer design parameters

1.3 地質(zhì)及場道模型耦合

基于完整的鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)，使用BIM技術(shù)三維建模軟件Civil 3D[16-17]繪制三維地質(zhì)模型。繪制步驟如下：①首先創(chuàng)建一個曲面，創(chuàng)建曲面類型選擇不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network，TIN)曲面；②再對曲面進行定義，將已經(jīng)處理好的.txt形式或.csv形式的點文件導入模塊中，繪制出一個地質(zhì)層曲面；③重復上一步驟，直到將所有地質(zhì)層曲面創(chuàng)建完成；④選擇一個曲面向它的下一層曲面提取實體模型得到一個三維地質(zhì)實體模型，依次對每個地質(zhì)層曲面進行實體創(chuàng)建，直到所有實體創(chuàng)建完成，即完成地質(zhì)模型的構(gòu)建。

以場道工程各動靜態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用BIM技術(shù)創(chuàng)建三維場道模型?；趫龅赖膸缀翁卣?，繪制接近長方體的實體模型。首先根據(jù)所建場道的地理位置信息ENZ(東-北-高程)，也是(x,y,z)坐標，高程值初始設(shè)為0，并保存在.txt形式的點文件中，作為初始數(shù)據(jù)并創(chuàng)建場道初始平面；隨著工期的延長和施工現(xiàn)場傳遞的動態(tài)施工數(shù)據(jù)，不斷更新數(shù)據(jù)庫，繪制完整的場道實體模型。

將所構(gòu)建的地質(zhì)模型和場道模型通過坐標轉(zhuǎn)換、高程數(shù)據(jù)合并進行模型耦合，得到三維地質(zhì)及場道綜合模型，實現(xiàn)對場道的全方位多視角的可視化分析。模型創(chuàng)建效果和耦合如圖1～圖4所示。

圖1 地質(zhì)模型繪制過程圖Fig.1 Geological model drawing process diagram

圖2 三維地質(zhì)實體模型圖Fig.2 3D geological solid model map

圖3 三維場道模型圖Fig.3 Three-dimensional runway model diagram

圖4 地質(zhì)及場道耦合模型Fig.4 Geological and runway coupling model

圖5 施工參數(shù)提取Fig.5 Construction parameter extraction

1.4 模型數(shù)據(jù)提取

在構(gòu)建的動態(tài)場道模型中提取施工參數(shù)，為后面可靠性分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在BIM平臺數(shù)據(jù)管理模塊中找到查找選項，將鼠標定位在任意檢測區(qū)域，如圖5所示，顯示該位置的施工數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括密實度、實際厚度、材料屬性等，最后將數(shù)據(jù)以表格形式提取出來，存入可靠性分析參數(shù)數(shù)據(jù)集中。

2 場道可靠性分析模型

可靠性一般由可靠度的大小表示[18]，根據(jù)場道道面設(shè)計的可靠度定義為：場道道面結(jié)構(gòu)在特定環(huán)境下、特定時期內(nèi)，路面使用性能完成預定功能的概率。就水泥混凝土道面而言，其可靠度定義為：在設(shè)計使用年限內(nèi)，道面所承受的飛機荷載應(yīng)力不超過混凝土疲勞強度的概率Ps，計算方法采用結(jié)構(gòu)抗力-荷載效應(yīng)(R-S)模型。結(jié)構(gòu)功能函數(shù)表示為Z=R-S，若Z>0，混凝土結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)，Z=0，結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)，Z<0，結(jié)構(gòu)進入失效狀態(tài)，可靠度計算公式為

Ps=P(R-S>0)

(5)

道面結(jié)構(gòu)抗力疲勞強度R計算公式[5,19]為

R=φσs(0.639-0.287×10-4k+

0.585Tw-0.07lnN)

(6)

式中：P為概率；φ是施工中的不確定性因素；σs為混凝土彎拉強度，MPa；k為基礎(chǔ)反應(yīng)模量，MN/m；Tw為接縫傳荷系數(shù)；N為輪載累計作用次數(shù)。

考慮回歸分析飛機荷載應(yīng)力強度S計算公式[5,20-21]為

(7)

式中：Pt為飛機主起落架上的輪載(動、靜荷載均考慮)，kN；h為道面板厚度，mm；Ec為混凝土彎拉彈性模量，MPa；kj為基層頂面回彈模量，MN/m3；e1、e2、e3、e4為回歸系數(shù)；r為飛機主起落架一個輪的軌跡半徑，mm。Pt、r計算公式為

(8)

(9)

(10)

Wt=0.6Lt

(11)

式中：G為飛機重量，kN，這里考慮空機重量G1和最大滑行重量G2；p為主起落架荷載分配系數(shù)，根據(jù)機型在MH/T 5004—2010《民用機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范》中查找；nc為主起落架個數(shù)；nw為一個主起落架的輪子數(shù)。Wt為飛機主起落架一個輪印的寬度，mm；Lt為飛機主起落架一個輪印的長度，mm；q為飛機主起落架輪胎壓力，MPa，在文獻[22]中查找。

基于以上計算公式，即可計算道面可靠度Ps，它表示R>S的概率。

3 可靠性分析應(yīng)用

在可靠度計算過程中，需要的直接施工參數(shù)數(shù)據(jù)有基層頂面當量回彈模量、結(jié)構(gòu)層施工厚度、混凝土彎拉彈性模量、混凝土施工實際強度，各施工參數(shù)系數(shù)等，間接參數(shù)和其他參數(shù)有材料及其特性、含水率、壓實度、累計當量荷載次數(shù)、飛機參數(shù)、各參數(shù)系數(shù)等。在BIM場道模型中提取施工參數(shù)，在每一道面結(jié)構(gòu)層填鋪完成后，通過在模型中設(shè)置檢測點的方式對其進行質(zhì)量檢驗。

這里對基層的施工狀態(tài)進行可靠性分析，在基層建設(shè)完成時選取135個檢測點，對這些點的施工質(zhì)量進行檢驗。

(1)檢驗壓實度，整體壓實度合格率為98.07%，符合施工標準。但這其中存在個別檢測點位置壓實度偏低的情況，壓實度為90%～93%，在其中選取一個位置進行下一步可靠性分析。

(2)選取第45個檢測點位置(壓實度為90.14%)，提取該區(qū)域影響可靠性分析的施工參數(shù)，對于還未施工的混凝土面層數(shù)據(jù)值設(shè)為設(shè)計值。

可靠度計算施工參數(shù)如表3所示，模擬飛機荷載參數(shù)如表4所示。

表3 可靠度計算施工參數(shù)Table 3 Reliability calculation of construction parameter values

表4 A場道可起降飛機參數(shù)表Table 4 Parameter table of aircraft capable of taking off and landing on runway A

根據(jù)表4飛機參數(shù)數(shù)據(jù)計算得到起降飛機單輪作用的輪載Pt范圍為67.67～183.83 kN，隨著輪載的變化，飛機荷載應(yīng)力強度隨之變化，進而在荷載應(yīng)力強度變化范圍內(nèi)，分析不同荷載應(yīng)力作用下可靠度與飛機荷載作用次數(shù)之間的關(guān)系，判斷當前場道基層施工狀態(tài)是否能達到設(shè)計可靠度標準，是否滿足設(shè)計年限要求，這里荷載年重復作用次數(shù)(飛機年起降架次)設(shè)為71 175次。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同荷載作用下飛機荷載作用次數(shù)與可靠度之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between aircraft load action times and reliability under different loads

計算結(jié)果分析：當飛機單輪荷載應(yīng)力小于0.95 MPa、可靠度達到95%及以上時，飛機荷載作用次數(shù)大于在設(shè)計年限內(nèi)預計飛機起降架次2 491 125次，此時的施工狀態(tài)在當前外界因素下符合可靠性設(shè)計要求；當飛機單輪荷載應(yīng)力為1.00 MPa、滿足可靠度標準95%時，飛機荷載作用次數(shù)最大為180萬次左右，小于設(shè)計年限內(nèi)預計飛機起降架次，即該檢測區(qū)域的當前施工狀態(tài)不能達到設(shè)計使用年限要求，不符合可靠性設(shè)計要求；當飛機單輪荷載應(yīng)力大于1.00 MPa時，隨著荷載作用次數(shù)的增加可靠度下降幅度逐漸增大，在設(shè)計荷載次數(shù)范圍內(nèi)可靠度不能達到95%。綜上基層當前檢測點區(qū)域的施工狀態(tài)需要進行調(diào)整。

依據(jù)上述計算過程和原理，在面層填鋪完成時，同樣可對面層的施工狀態(tài)進行可靠性分析，一旦發(fā)現(xiàn)可靠度不符合設(shè)計可靠度標準，質(zhì)量管理人員立即傳遞消息到施工現(xiàn)場以便及時進行施工調(diào)整?？煽慷炔环蠘藴蕰r，通過分析施工參數(shù)對可靠度的影響為現(xiàn)場施工調(diào)整策略提供參考，由于土基層反應(yīng)模量對可靠性影響較小，這里不進行分析，主要研究基層頂面反應(yīng)模量、面層道面板厚度以及混凝土彎拉彈性模量三個較重要的因素對可靠度的影響，影響結(jié)果曲線如圖7～圖9所示。

圖7 基層頂面反應(yīng)模量與可靠度的關(guān)系Fig.7 The relationship between the reaction modulus of the subgrade and the reliability

圖8 道面板厚度與可靠度的關(guān)系Fig.8 The relationship between road panel thickness and reliability

圖9 混凝土彎拉彈性模量與可靠度的關(guān)系Fig.9 The relationship between concrete flexural and tensile elastic modulus and reliability

從圖7～圖9中可以看出，基層頂面反應(yīng)模量和混凝土彎拉彈性模量對可靠度的影響相對較小，混凝土板厚對可靠度的影響較大，因此在施工中應(yīng)嚴格控制混凝土的板厚，必要時可增加檢測點對混凝土板施工厚度進行實測。

4 可靠性分析驗證

結(jié)合上述方法，以某一個已建成并投入運營的機場為例，飛行區(qū)的場道是水泥混凝土道面，搜集其在前期建設(shè)施工中的場道工程數(shù)據(jù)，并結(jié)合實際運行中場道的狀態(tài)，對可靠性分析方法進行驗證。

根據(jù)工程當時的施工數(shù)據(jù)，場道各結(jié)構(gòu)層壓實度合格率均達到96%以上，符合規(guī)范要求的施工質(zhì)量驗收標準，但存在場道左側(cè)接地帶、跑道中心線附件壓實度偏低，存在質(zhì)量隱患，場道道面在投入運行3年3個月時出現(xiàn)了裂縫現(xiàn)象，如圖10所示。依據(jù)建立的道面可靠性分析模型和施工數(shù)據(jù)對該區(qū)域道面進行可靠度計算，常規(guī)起降飛機荷載為機型B737-700，考慮其載重參數(shù)，在飛機輪載25萬次時計算得到可靠度僅為77.13%，低于可靠度標準，可見該區(qū)域道面在完工時存在較大的質(zhì)量安全隱患，推測該區(qū)域道面運行中將會出現(xiàn)質(zhì)量問題，與實際道面出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象相符。

進一步分析該區(qū)域場道施工階段各結(jié)構(gòu)層施工狀態(tài)對可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)基層對道面質(zhì)量影響較大，若在施工中做到及時調(diào)整，將會減少道面出現(xiàn)質(zhì)量問題的隱患。

圖10 機場道面裂縫Fig.10 Airport pavement crack

5 結(jié)論

(1)以場道工程各動靜態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提供了基于地質(zhì)分析的三維場道模型的構(gòu)建技術(shù)，為場道施工質(zhì)量控制和可靠性分析打下基礎(chǔ)，實現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)的高效管理和分析。

(2)場道施工中，在對不同結(jié)構(gòu)層壓實度進行實時檢驗和控制的基礎(chǔ)上進行可靠性分析，利用構(gòu)建的可靠度計算模型實現(xiàn)可靠度的計算，實現(xiàn)了施工中可靠度實時動態(tài)分析功能，對施工質(zhì)量進行二次檢驗，進一步提高場道施工質(zhì)量，同時也是對水泥混凝土場道設(shè)計可靠性的檢驗。

(3)分析了場道在滿足施工質(zhì)量驗收規(guī)范的情況下，個別不滿足施工質(zhì)量標準的點位對可靠度的影響，為進行施工現(xiàn)場調(diào)整工作提供了參考，能夠較好地解決滿足規(guī)范但仍存隱患的問題。

研究可為場道工程建設(shè)相關(guān)單位的施工中質(zhì)量管控提供參考依據(jù)。