管璞

1.華設(shè)設(shè)計集團(tuán)北京民航設(shè)計研究院有限公司 北京 100044

2.民航機場安全與運行工程技術(shù)研究中心 北京 100044

黨的十九大謀劃了我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的新征程，明確提出要建設(shè)交通強國，而后民航局出臺《新時代民航強國建設(shè)行動綱要》。在此背景下，并為滿足我國民航業(yè)迅猛發(fā)展的巨大需求，各類機場新建、遷建、改擴建項目層出不窮。

目前，HWD（Heavy Weight Deflectometer）無損彎沉檢測技術(shù)在機場運營階段的使用相對較為普遍，但鮮有關(guān)于機場擴建施工期間無損彎沉檢測方面的研究。

本文依托某機場飛行區(qū)擴建項目，為及時準(zhǔn)確掌握施工期間飛行區(qū)道面的結(jié)構(gòu)性能，以避免擴建區(qū)域道面在將來的運行中帶有先天的隱性缺陷，在施工期間全程使用HWD對道面進(jìn)行彎沉檢測。

1 HWD檢測原理

重型落錘式彎沉儀（HWD）主要包括以下幾個部分：承載車輛、落錘系統(tǒng)、傳感與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件。設(shè)備結(jié)構(gòu)原理如圖1[1]。

圖1 彎沉儀結(jié)構(gòu)原理圖

HWD通過控制系統(tǒng)操控落錘的提升與下落，來對道面施加瞬時沖擊荷載，通過調(diào)整落錘的下落高度以及配重來控制荷載大小，荷載通過剛性圓盤作用在道面上并形成彎沉盆，由荷載傳感器進(jìn)行荷載數(shù)據(jù)采集。道面彎沉值由9個彎沉傳感器進(jìn)行采集，最后通過系統(tǒng)控制器對采集到的荷載與彎沉數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)、掃描數(shù)字化后發(fā)給計算機。

HWD具有檢測速度快，精度高的優(yōu)點，能使厚度較大的道面得到充分的響應(yīng)。主要用于機場道面的無損彎沉檢測。荷載加載最大可達(dá)240kN，荷載傳感器分辨率達(dá)0.03~0.12kN，與荷載幅值有關(guān)，彎沉傳感器分辨率達(dá)1μm，系統(tǒng)測試速度約為1點/35s。

2 水泥混凝土道面彎沉檢測評價方法

2.1 道面基頂反應(yīng)模量反算方法

道面基頂反應(yīng)模量反算屬于水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演分析的一個過程，反演道面結(jié)構(gòu)參數(shù)依賴于彎沉盆面積指數(shù)法，該方法基于彈性地基板理論。

可采用彎沉盆面積指數(shù)法反演道面結(jié)構(gòu)參數(shù)的包括以下幾種結(jié)構(gòu)：

1）水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)；2）水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)（瀝青混凝土加鋪層的厚度等于或小于原有水泥混凝土道面厚度）；3）水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)；4）瀝青道面結(jié)構(gòu)；5）水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土（瀝青混凝土加鋪層厚度大于原有水泥混凝土道面厚度的復(fù)合結(jié)構(gòu)）。

本次研究分析的道面為水泥混凝土道面，且本文僅分析道面基層頂面反應(yīng)模量。

在進(jìn)行道面結(jié)構(gòu)基頂反應(yīng)模量反算時，需要確定的技術(shù)參數(shù)有：水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)層的有效厚度、HWD測試設(shè)備的測試荷載、承載板尺寸，以及在板中測試時獲得的彎沉盆數(shù)據(jù)。

傳感器間距約為0.3m，承載板中心1.5m范圍內(nèi)的各個傳感器的彎沉值計算彎沉盆面積指數(shù)計算公式如下：

式中：Awi——第i個傳感器對應(yīng)的彎沉盆面積指數(shù)（m）；

s——傳感器之間的間距，取值為0.3m；

di——第i個傳感器之間的彎沉值（m）。

彎沉盆面積指數(shù)Awi與道面結(jié)構(gòu)相對剛度半徑li的對應(yīng)關(guān)系通過圖2查找，超過圖中取值界限的按照公式2進(jìn)行計算：

圖2 彎沉盆面積指數(shù)Awi與道面結(jié)構(gòu)相對剛度半徑li的關(guān)系

式中：Awi——第i個傳感器對應(yīng)的彎沉盆面積指數(shù)（m）；

li——由Awi計算得到的道面結(jié)構(gòu)的相對剛度半徑（m）；

ai——回歸系數(shù)，具體取值如表1。

表1 彎沉盆面積指數(shù)Awi與相對剛度半徑li多項式回歸系數(shù)

最后按照公式3對所有傳感器對應(yīng)的道基頂面反應(yīng)模量Ki進(jìn)行計算。式中彎沉系數(shù)(l)與道面結(jié)構(gòu)相對剛度半徑l具有單調(diào)函數(shù)關(guān)系，通過圖3可確定l的取值范圍，如果取值超過圖中極限則利用公式4進(jìn)行分析：

圖3 道面結(jié)構(gòu)相對剛度半徑li與第i個傳感器的彎沉系數(shù)的關(guān)系

2.2 道面承載能力評價方法

本文使用沖擊勁度模量（ISM）來反應(yīng)道面及其基礎(chǔ)對運行飛機的綜合支撐作用，它是重型落錘式彎沉儀的加載重量與承載板下傳感器（D0）所測得的彎沉值的比值。某一區(qū)域道面（ISM）越大，則代表該區(qū)域道面與基礎(chǔ)對飛機的綜合支撐作用越強；反之，則代表道面與基礎(chǔ)的綜合職稱作用越弱。

2.3 道面接縫傳荷能力評價方法

2.3.1 道面板接縫傳荷能力

接縫傳荷能力系數(shù)是評價水泥混凝土道面板接縫傳荷能力的一種參數(shù)。參照《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T 5024）規(guī)定[2]，水泥混凝土道面接縫傳荷能力評價以彎沉比傳遞系數(shù)LTEδ作為指標(biāo)。

彎沉測試中，通過兩個距HWD承載板中心距離相同但分別跨越道面板接縫兩側(cè)相鄰板塊的傳感器分別測定其彎沉值：若兩塊相鄰道面板的彎沉值基本相同，則表明其接縫傳荷能力良好；若兩塊相鄰道面板彎沉值差異較大，則表明其接縫傳荷能力較差或失效。

式中：LTEδ—— 傳荷能力系數(shù)（%）；

Dunload—— 未受荷板距離接縫15cm位置處傳感器的實測彎沉值（um）；

Dload—— 受荷板距離接縫15cm位置處傳感器的實測彎沉值（um）。

參照現(xiàn)行《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T 5024），道面板接縫傳荷能力的評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 水泥混凝土道面接縫傳荷能力等級評定標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 約束系數(shù)

約束系數(shù)指負(fù)載盤周圍道面板對負(fù)載盤下道面板的約束作用。對于道面板板邊，由于其受傳荷能力的影響，其對加載道面板的約束作用會隨著其接縫的傳荷能力變化而發(fā)生變化。假設(shè)負(fù)載盤一側(cè)道面板對負(fù)載盤區(qū)域的約束作用是完好的，則約束系數(shù)可以用下式計算：

式中：b —— 約束系數(shù)；

LTEδ—— 傳荷能力系數(shù)。

2.4 道面板原始脫空系數(shù)

2.4.1 道面板原始脫空系數(shù)

現(xiàn)行《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》要求，水泥混凝土道面板底脫空狀況評價應(yīng)通過FWD測試進(jìn)行分析。

原始脫空系數(shù)是反映水泥混凝土道面板接縫處面層與基礎(chǔ)間脫空情況的一種參數(shù)，其是道面板板邊中點彎沉值與板中彎沉值的比值。由于該參數(shù)未考慮接縫傳荷能力，因此容易造成對道面板板邊脫空情況的誤差：若道面板接縫傳荷能力良好，則該參數(shù)測定的脫空系數(shù)是準(zhǔn)確的；若其接縫傳荷能力顯著降低或失效，則道面板板邊測定的彎沉值將增大，因此必須對該參數(shù)進(jìn)行如下修正。

式中：t —— 原始脫空系數(shù)；

D02—— 板邊測點的承載板中心彎沉；

D01—— 板中測點的承載板中心彎沉。

2.4.2 道面板修正脫空系數(shù)

該參數(shù)綜合考慮了道面板板邊/板中彎沉值的變化及其接縫傳荷能力，是判別板底是否脫空的有效參數(shù)。

參照現(xiàn)行《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T 5024）與工程經(jīng)驗規(guī)定：若脫空系數(shù)T在2 ~ 3之間，則認(rèn)為道面板板邊存在中度脫空；若脫空系數(shù)T > 3，則認(rèn)為道面板板邊存在嚴(yán)重脫空。

當(dāng)接縫附近存在明顯的唧泥、錯臺等現(xiàn)象時，可判定為道面板底脫空。具體詳情可參照《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T 5024）規(guī)定。

3 工程實踐

某機場擴建區(qū)域飛行區(qū)道面為水泥混凝土道面，通過重型落錘式彎沉儀（HWD）對滿足檢測要求的道面進(jìn)行加載來計算水泥混凝土道面板的承載能力、傳荷能力和脫空率。從而為施工質(zhì)量以及將來的道面維護(hù)改造提供數(shù)據(jù)支撐。

為使機場飛行區(qū)道面板結(jié)構(gòu)得到充分的響應(yīng)，本次檢測HWD荷載設(shè)置為1500kPa，根據(jù)最終檢測結(jié)果，水泥道面板的道基反應(yīng)模量、承載能力滿足設(shè)計要求，道面板整體傳荷性能評價為“好”，且道面板無明顯脫空。

4 結(jié)論和展望

在機場擴建過程中，飛行區(qū)道面的施工質(zhì)量關(guān)系機場的運營安全。HWD無損彎沉檢測技術(shù)在對道面不造成損壞的情況下對飛行區(qū)水泥道面板進(jìn)行檢測。從而對道面質(zhì)量進(jìn)行施工過程中的實時監(jiān)控，以避免機場道面質(zhì)量問題進(jìn)入運營階段。

本文以某機場擴建機坪的部分區(qū)域為依托，通過道基反應(yīng)模量、承載能力、脫空系數(shù)，以及接縫傳荷能力等指標(biāo)對該區(qū)域道面進(jìn)行評價，彎沉檢測結(jié)果顯示：擴建區(qū)域飛行區(qū)道面各項彎沉技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計要求。

HWD無損彎沉檢測技術(shù)不僅可應(yīng)用于運營中的機場道面檢測，也可用于施工過程中的飛行區(qū)道面檢測，該技術(shù)檢測速度快，工作效率高，檢測數(shù)據(jù)豐富，數(shù)據(jù)處理可靠。面對機場建設(shè)日益增加的形勢，HWD無損彎沉檢測技術(shù)將會有更加廣闊的應(yīng)用前景。