機(jī)場(chǎng)剛性道面接縫彎沉測(cè)試的非零截距問題

程國勇，段 淳，劉國光

（中國民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

機(jī)場(chǎng)跑道的強(qiáng)度與穩(wěn)定性是飛機(jī)安全起降的基本保障，國際民航組織規(guī)定，各成員國對(duì)外開放的機(jī)場(chǎng)必需定期對(duì)機(jī)場(chǎng)道面進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)價(jià)，剛性道面接縫傳荷能力的檢測(cè)與評(píng)價(jià)是其中的重要內(nèi)容之一。目前接縫傳荷能力的評(píng)價(jià)一般采用彎沉測(cè)試的方法，采用的設(shè)備為重型彎沉儀HWD（heavy weight deflec tometer），其最大沖擊荷載一般可以達(dá)到250 kN以上。通過在接縫兩側(cè)布置位移傳感器，然后在板縫一側(cè)的板塊施加沖擊荷載，將未受荷板塊一側(cè)的測(cè)試彎沉值與受荷板塊的測(cè)試彎沉值相比得到彎沉比傳遞系數(shù)W，其測(cè)試原理如圖1所示，式（1）中彎沉比傳遞系數(shù)W的計(jì)算直接采用板縫兩側(cè)的實(shí)測(cè)彎沉值d2及d3而不做任何修正。

在機(jī)場(chǎng)剛性道面接縫傳荷能力的檢測(cè)與評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HWD采用不同的荷載級(jí)位時(shí)會(huì)得到不同的彎沉比傳遞系數(shù)W，其變異性隨測(cè)試荷載級(jí)位的增大而減小[1]。關(guān)于HWD測(cè)試荷載級(jí)位對(duì)于彎沉比傳遞系數(shù)W的影響，研究結(jié)論也不盡相同，有些研究結(jié)論認(rèn)為接縫傳荷能力與荷載大小無關(guān)，只與道面結(jié)構(gòu)自身有關(guān)[2]，有些則認(rèn)為采用較小的荷載級(jí)位測(cè)得的傳荷系數(shù)存在較大誤差，應(yīng)盡可能采用較高荷載級(jí)位測(cè)試[3]。文獻(xiàn)[4]中提到，F(xiàn)AA曾在丹佛國際機(jī)場(chǎng)進(jìn)行彎沉-荷載試驗(yàn)，表明道面荷載-彎沉之間呈線性關(guān)系，但荷載-彎沉關(guān)系曲線在y軸（彎沉）存在正截距，其范圍在0.003～0.013 mm之間。并據(jù)此給出結(jié)論，彎沉測(cè)試應(yīng)采用較大的荷載級(jí)位，否則測(cè)試數(shù)據(jù)無法用于道面結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演。至于究竟采用多大的測(cè)試荷載級(jí)位，文獻(xiàn)[4]中給出的標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)使HWD落錘中心彎沉值≥110 μm為標(biāo)準(zhǔn)。另外一些研究則著重探討脫空狀況、脫空大小[5-7]以及加載方式[8]等因素對(duì)于接縫傳荷能力的影響，但這些因素都是接縫本身的結(jié)構(gòu)特征，本身不會(huì)造成測(cè)試的誤差。

依據(jù)彈性地基板理論，在道面結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，道面板撓度應(yīng)當(dāng)與施加的荷載大小成正比。因此從理論上分析，HWD荷載級(jí)位與彎沉比傳遞系數(shù)W無關(guān)。上述將接縫傳荷系數(shù)測(cè)試的變異性歸結(jié)為采用的測(cè)試荷載級(jí)位太小以及接縫本身結(jié)構(gòu)性因素的思路是不正確的。

基于上述考慮，本文采用HWD分級(jí)加載對(duì)機(jī)場(chǎng)剛性道面接縫進(jìn)行了彎沉測(cè)試研究，目的在于闡明接縫彎沉隨荷載級(jí)位變化的規(guī)律、彎沉比傳遞系數(shù)W變異性產(chǎn)生的機(jī)理以及如何消除這種誤差從而準(zhǔn)確獲取接縫傳荷能力的信息，為機(jī)場(chǎng)道面的檢測(cè)及評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

使用丹麥丹納特8081型的重錘式彎沉儀，落錘承載盤直徑為30 cm，荷載沖擊的持續(xù)時(shí)間為25～30 ms。對(duì)于每條接縫使用4種不同大小的沖擊荷載，分別為90 kN、150 kN、180 kN及280 kN，具體施加荷載大小以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

在測(cè)試道面板接縫傳荷能力時(shí)，加載盤中心距離板邊距離為200～250 mm（加載盤邊緣距板邊距離為50～100 mm），d2、d3號(hào)傳感器分別布置于接縫的兩側(cè)，距離接縫邊緣均為5cm，通過d2、d3號(hào)傳感器的位移測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)相鄰板塊接縫的傳荷能力，加載盤及傳感器布置如圖1所示。然后按式（1）計(jì)算彎沉比傳遞系數(shù)W

其中：W為彎沉比傳遞系數(shù)；d2為荷載作用板塊傳感器彎沉值；d3為荷載未作用板塊傳感器彎沉值。

2 荷載-彎沉值的非零截距

共進(jìn)行了1126個(gè)接縫的試驗(yàn)，以實(shí)際測(cè)得的HWD沖擊荷載為橫坐標(biāo)、彎沉值為縱坐標(biāo)整理每條接縫d2、d3號(hào)傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)彎沉-荷載數(shù)據(jù)之間存在良好的線性關(guān)系，如圖1及圖2所示。圖1給出了部分接縫在受荷板塊邊緣d2號(hào)傳感器測(cè)出的彎沉值與施加的沖擊荷載之間的關(guān)系，圖2給出了部分接縫在未受荷板塊邊緣d3號(hào)傳感器測(cè)出的彎沉值與施加的沖擊荷載之間的關(guān)系。對(duì)于d2、d3號(hào)傳感器彎沉與荷載之間存在線性關(guān)系的現(xiàn)象不難解釋，因?yàn)樗┘拥臎_擊荷載對(duì)于道面的強(qiáng)度來說相對(duì)較小，無論道面板還是基層都處于線性變形階段，道面板的撓度當(dāng)然與施加的荷載大小成正比。

通過對(duì)所有彎沉-荷載數(shù)據(jù)線性回歸發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的回歸直線在y軸上（彎沉）均存在非零截距，此截距可能為正、也可能為負(fù)，而不僅僅是正截距，這一發(fā)現(xiàn)與文獻(xiàn)[4]中提到的情況不同。此外，基于本次接縫測(cè)試數(shù)據(jù)分析，d2號(hào)傳感器彎沉-荷載曲線的截距在-136.82～ +75.23 μm 之間；d3號(hào)傳感器彎沉-荷載曲線的截距在-52.95～+97.98 μm之間，上述截距數(shù)值也遠(yuǎn)超過文獻(xiàn)[4]中提到的0.003～0.013 mm的范圍。

通過彎沉-荷載數(shù)據(jù)之間存在的線性關(guān)系曲線及較小的離散性可以推測(cè)，y軸上的非零截距不是測(cè)試的偶然誤差所致，應(yīng)該是由于系統(tǒng)原因造成的。根據(jù)HWD測(cè)試過程分析，此非零截距應(yīng)當(dāng)是落錘釋放的瞬間傳感器橫梁和道面板回彈綜合的效果，其原理說明如圖4所示。當(dāng)HWD落錘釋放瞬間，對(duì)于HWD車架及儀器下部道面相當(dāng)于瞬間卸載，由于HWD車架、輪胎及道面板的彈性性質(zhì)，車架及輪胎回彈并帶動(dòng)傳感器橫梁向上發(fā)生位移δ1，根據(jù)相對(duì)位移原理，橫梁上移相當(dāng)于傳感器產(chǎn)生向下位移δ1（正位移）；同時(shí)道面板產(chǎn)生向上回彈δ2（負(fù)位移）。也就是說，在落錘著地之前，傳感器已經(jīng)測(cè)試到了位移，此位移為δ1與δ2綜合的效果。當(dāng)＞0時(shí)，彎沉-荷載曲線為正截距；反之彎沉-荷載曲線產(chǎn)生負(fù)截距。由于HWD車架及輪胎的彈性性質(zhì)是恒定的，同時(shí)在同一道面接縫位置道面板及基層的彈性性質(zhì)也是固定的，因此每次落錘釋放的瞬間回彈量δ1及δ2是一致的。

這樣就很好地解釋了每個(gè)接縫的彎沉-荷載數(shù)據(jù)之間為什么存在良好的線性關(guān)系，但不同接縫的彎沉-荷載曲線截距不同，因?yàn)椴煌涌p其彈性性質(zhì)不一樣。同時(shí)也能很好地解釋為什么隨著HWD荷載級(jí)位的增加，按照式（1）計(jì)算的彎沉比傳遞系數(shù)W的變異性會(huì)減小。這是由于對(duì)于同一接縫位置，回彈量變形 δ1及 δ2是常數(shù)，而隨著荷載級(jí)位的增大，δ1及 δ2在總彎沉中所占的比例逐漸減小所致。當(dāng)然，不同機(jī)場(chǎng)、不同接縫位置此非零截距數(shù)值有很大差別，目前暫無法得到其規(guī)律性。

3 非零截距對(duì)于傳荷系數(shù)的影響及消除方法

考慮到機(jī)場(chǎng)道面HWD接縫傳荷能力評(píng)價(jià)中d2、d3號(hào)傳感器彎沉值的大?。?10～ 1 000 μm），彎沉-荷載曲線的非零截距導(dǎo)致的測(cè)試誤差不可忽略。采用同一接縫在不同荷載級(jí)位下測(cè)得的d2、d3號(hào)傳感器彎沉數(shù)據(jù)，按照式（1）計(jì)算傳荷系數(shù)W，得到傳荷系數(shù)隨荷載的變化情況，限于篇幅圖5僅給出兩個(gè)接縫的數(shù)據(jù)以說明原理，可以看出，傳荷系數(shù)隨測(cè)試荷載級(jí)位的不同而變化。根據(jù)本批試驗(yàn)數(shù)據(jù)，施加的沖擊荷載在90～280 kN范圍內(nèi)變化時(shí)，接縫傳荷系數(shù)上下最大差異可達(dá)130%；更為嚴(yán)重的是，按照式（1）計(jì)算的傳荷系數(shù)經(jīng)常出現(xiàn)W＞1的異常情況，根據(jù)本批試驗(yàn)數(shù)據(jù)，W＞1的異常數(shù)據(jù)占6%。

因此，為客觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)道面接縫的傳荷能力，必須考慮接縫彎沉-荷載曲線的非零截距問題。根據(jù)前面的分析，接縫彎沉-荷載曲線的非零截距為傳感器橫梁和道面板回彈影響所致，與道面板的傳荷能力并無直接關(guān)系，需在傳荷系數(shù)計(jì)算中扣除此非零截距。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需首先對(duì)d2、d3號(hào)傳感器的彎沉-荷載進(jìn)行線性回歸，如圖3分別求得各自在彎沉值軸上的截距 Δd2、Δd3，然后按照式（2）計(jì)算修正后的傳荷系數(shù)，修正后的傳荷系數(shù)與荷載關(guān)系如圖5所示，可以看出經(jīng)過這樣修正后傳荷系數(shù)基本與采用的沖擊荷載無關(guān)

進(jìn)一步，為消除各種偶然因素造成的誤差并充分利用各級(jí)荷載的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以采用d2、d3號(hào)傳感器的荷載-彎沉關(guān)系曲線斜率kd2、kd3之比重新定義彎沉比傳遞系數(shù)W′

根據(jù)式（3）處理接縫彎沉測(cè)試數(shù)據(jù)后，完全消除了HWD測(cè)試荷載級(jí)位對(duì)于彎沉比傳遞系數(shù)的影響，而且這樣處理后W′＞1的不合理結(jié)果基本消除。

4 結(jié)語

通過以上研究，得到如下結(jié)論：

1）道面板兩側(cè)彎沉-荷載數(shù)據(jù)之間存在良好的線性關(guān)系，與彈性地基板理論相符。

2）道面板接縫兩側(cè)彎沉-荷載回歸直線在彎沉軸均存在非零截距，此截距可能為正、也可能為負(fù)，受荷板一側(cè)非零截距在-136.82～+75.23 μm之間；受荷板一側(cè)非零截距在-52.95～+97.98 μm之間。此非零距對(duì)于彎沉比傳遞系數(shù)的影響最大可達(dá)130%。

3）道面板接縫兩側(cè)彎沉非零截距為HWD車架及輪胎回彈和道面板回彈綜合作用的結(jié)果，與接縫的傳荷性質(zhì)無關(guān)，應(yīng)當(dāng)將接縫兩側(cè)彎沉測(cè)試結(jié)果扣除各自的非零截距后按照式（2）計(jì)算彎沉比傳遞系數(shù)?；蛘卟捎媒涌p兩側(cè)彎沉-荷載回歸直線的斜率之比按照式（3）重新定義彎沉比傳遞系數(shù)更加科學(xué)。

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