不同設(shè)計方法對瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計厚度的影響

游慶龍，馬靖蓮，袁 捷

（1.長安大學(xué)a.特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室；b.經(jīng)濟與管理學(xué)院，西安 710064；2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

不同設(shè)計方法對瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計厚度的影響

游慶龍1a，馬靖蓮1b，袁 捷2

（1.長安大學(xué)a.特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室；b.經(jīng)濟與管理學(xué)院，西安 710064；2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

在大量調(diào)研國內(nèi)外機場瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，以昆明新機場為依托，采用美國6E法、美國6D法、中國民航瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及課題組研究的設(shè)計新方法對昆明新機場瀝青道面結(jié)構(gòu)的厚度進行了論證分析。結(jié)果顯示，中國民航法設(shè)計的道面結(jié)構(gòu)總厚度較美國6E法設(shè)計厚度厚27 cm，課題組研究的設(shè)計新方法與美國6E法較為接近，且基于道面結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)響應(yīng)得到的道面結(jié)構(gòu)總厚度要比靜態(tài)的厚15 cm。通過對昆明機場道面結(jié)構(gòu)厚度的論證，探討了現(xiàn)有設(shè)計方法中存在的問題，提出了一些規(guī)范修訂的改進建議，為中國民用機場瀝青混凝土道面設(shè)計理論的完善和修訂提供一些理論參考。

機場道面；瀝青混凝土；設(shè)計方法

瀝青混凝土道面具有平整、抗滑、舒適、減震等良好的使用性能，以及機械化施工程度高、工期短、養(yǎng)護方便等施工優(yōu)點，已被國際上很多大型民用機場采用。根據(jù)國際民航組織（ICAO）1999年公布的數(shù)據(jù)，其147個成員國的1 038個機場中，瀝青混凝土跑道占62.6%[1]。歐洲瀝青路面協(xié)會統(tǒng)計了2003年362個歐美機場中瀝青混凝土道面占62.4%[2]。中國新建民用機場中，僅在且末和敦煌等極少數(shù)小型機場中采用瀝青混凝土道面，即使加上北京首都機場、上海虹橋機場、廣東白云機場等的瀝青混凝土加鋪，瀝青混凝土道面的比例僅占10%左右。

與國際民用機場道面現(xiàn)狀相比，中國民用機場道面類型單一，主要以水泥混凝土為主。分析其原因主要是對機場的安全要求過高，使得不是很成熟的瀝青混凝土道面技術(shù)很難推廣應(yīng)用，其次中國對機場瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究較少，瀝青道面結(jié)構(gòu)的設(shè)計依舊停留在對小荷載飛機、較小航空交通量的道面設(shè)計時代。隨著大型飛機的不斷推出，特別是近年來，以B777、A380為代表的新一代的大型飛機（new generation large aircraft，NGLA）不斷問世，NGLA的起落架構(gòu)型復(fù)雜、軸載重、輪壓高、制動產(chǎn)生的水平力大，道面會表現(xiàn)出特殊的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，使得目前國內(nèi)外的瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法都面臨新的挑戰(zhàn)[3]。

中國瀝青路面的修筑和設(shè)計技術(shù)已取得了很大的成就，結(jié)合國外民航道面結(jié)構(gòu)的趨勢和國內(nèi)民航大發(fā)展，有必要在中國嘗試推廣瀝青道面，經(jīng)多方論證，昆明新機場作為中國第一個新建的能夠適應(yīng)F類飛機的機場擬采用瀝青道面結(jié)構(gòu)。

本文以昆明機場為依托，通過不同的設(shè)計方法論證昆明機場瀝青道面結(jié)構(gòu)對交通和環(huán)境的適應(yīng)性，并對中國規(guī)范設(shè)計方法進行評價。

1 機場瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

國際上常用的民用機場瀝青混凝土道面設(shè)計方法有兩種：經(jīng)驗法和力學(xué)-經(jīng)驗法。經(jīng)驗法以加州承載比（CBR）為設(shè)計基礎(chǔ)，力學(xué)-經(jīng)驗法則以彈性層狀體系理論或有限元作為理論模型。

目前國際上廣泛使用的是FAA的6E（advisory circular AC150/5320-6E）法[4]，6E法是以彈性層狀體系為基礎(chǔ)的設(shè)計方法，改變傳統(tǒng)的以設(shè)計飛機作為混合交通的換算模式，采用基于累計損傷的設(shè)計理論來考慮不同機型對道面結(jié)構(gòu)的影響，6E法以美國FAA的NAPTF（national airport pavement test facility）的足尺實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，能夠滿足NGLA和普通飛機要求的設(shè)計方法，同時推出了設(shè)計程序FAARFIELD，取代6D法成為目前FAA官方授權(quán)的方法。

中國民航機場瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法較為落后，采用CBR為設(shè)計基礎(chǔ)，為此國內(nèi)部分高校在借鑒國外設(shè)計方法的基礎(chǔ)上[5]，對中國瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行研究，提出了基于累計損傷的機場瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[6-7]，并考慮了材料的靜態(tài)和動態(tài)特性[8-9]。

2 道面結(jié)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)

2.1 航空交通量

根據(jù)設(shè)計文件，昆明新機場瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為20年，設(shè)計交通量如表1所示，不考慮交通量的年增長變化。

表1 昆明新機場各類機型運行架次Tab.1 Traffic volume of Kunming New Airport

2.2 飛機荷載參數(shù)

按照前文所述的飛機荷載參數(shù)計算方法，求得昆明新機場飛機設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 昆明新機場飛機設(shè)計參數(shù)Tab.2 Aircraft design parameters of Kunming New Airport

2.3 道面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

參考中國《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》JTG D50-2006中材料設(shè)計參數(shù)，各層材料參數(shù)取值如表3所示，對于水泥穩(wěn)定碎石，公路設(shè)計規(guī)范中的水泥劑量為4%～6%，考慮到昆明機場瀝青道面水穩(wěn)基層擬采用低水泥摻量（3%～4%），其抗壓模量取為1 000 MPa。

表3 昆明新機場道面格結(jié)構(gòu)層的靜態(tài)材料參數(shù)取值Tab.3 Material parameters of Kunming New Airport

土基的模量按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中的自然區(qū)劃方法確定，昆明機場土質(zhì)為紅粘土，模量較高；施工現(xiàn)場采取了碎石碾壓處治，使土基模量有所提高，因此土基模量擬定為120 MPa，現(xiàn)場實際土基的CBR值為10%，道面各結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)取值匯總?cè)绫?所示。

2.4 初擬道面結(jié)構(gòu)

經(jīng)過專家論證，昆明新機場將采用半剛性基層瀝青道面結(jié)構(gòu)，并由設(shè)計院提出了初步設(shè)計結(jié)構(gòu)，如表4所示。在后文的設(shè)計中將其瀝青面層、瀝青碎石基層厚度設(shè)為定值，保持與該初步設(shè)計結(jié)構(gòu)厚度一致，對半剛性底基層厚度進行設(shè)計。

表4 半剛性基層道面初擬結(jié)構(gòu)組合Tab.4 Semi-rigid base pavement structure of Kunming New Airport pavement

3 不同設(shè)計方法對道面結(jié)構(gòu)厚度的影響

通過采用不同的設(shè)計方法進行設(shè)計計算，采用水泥穩(wěn)定碎石基層作為設(shè)計層，計算的道面結(jié)構(gòu)型式如表5所示。

本文新方法設(shè)計的道面結(jié)構(gòu)總厚度與美國FAARFIELD方法設(shè)計的總厚度比較接近，而與中國規(guī)范方法差別較大，這說明中國現(xiàn)有設(shè)計方法比較保守，不適合用于大型樞紐機場瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計。

結(jié)合3種方法的設(shè)計思路和具體過程，造成這一結(jié)果的主要原因為對于混合交通的設(shè)計，本文中的設(shè)計方法和美國FAARFIELD法采用基于Miner定律的累積損傷原理進行考慮多種機型的荷載作用，而中國規(guī)范方法仍是采用設(shè)計飛機法；在設(shè)計飛機法中，當(dāng)量單輪荷載（ESWL）的計算是關(guān)鍵，它是基于土基頂面彎沉等效原則進行當(dāng)量計算；另外，對于飛機的橫向分布，規(guī)范只是依據(jù)道面寬度取一定值，并沒有考慮機輪在道面橫斷面的概率分布，因此，當(dāng)預(yù)測機型相對較多，而且大型飛機出現(xiàn)時，按照中國規(guī)范方法進行設(shè)計會得到比較保守的結(jié)果，而基于CDF的設(shè)計就會更加經(jīng)濟合理。

應(yīng)用本文設(shè)計方法，分別基于靜態(tài)響應(yīng)分析和動態(tài)響應(yīng)分析得到的設(shè)計結(jié)果有一定差別，后者比前者設(shè)計厚度大。這是因為動態(tài)分析得到的半剛性底基層底面拉應(yīng)力比靜態(tài)分析大，面層、基層材料與土基材料的動模量比例大于各自靜模量比例，使得在動態(tài)分析中，基層承受了更大的拉應(yīng)力。但同時由于動模量明顯大于靜模量且動態(tài)荷載作用時間較短，動態(tài)分析得到的基層拉應(yīng)變小于靜態(tài)分析。本研究選取的控制指標(biāo)為半剛性底基層拉應(yīng)力，所以基于動態(tài)分析的設(shè)計厚度較大；如果采用以拉應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo)的疲勞方程，將會得到相反的結(jié)果。如何選取更為合理的性能預(yù)估方程有待于進一步研究。

4 結(jié)語

通過采用國內(nèi)外不同的瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對昆明新機場瀝青道面結(jié)構(gòu)進行論證，發(fā)現(xiàn)中國瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與國外相比存在很大距離，促使中國機場道面研究人員需對現(xiàn)行的民用機場瀝青混凝土道面設(shè)計方法進行深入研究，探索出更加合理、更能夠反映道面結(jié)構(gòu)實際使用狀態(tài)的科學(xué)設(shè)計方法，中國機場瀝青道面設(shè)計方法主要可從以下幾個方面進行考慮：

1）損壞模式 中國高速公路瀝青路面大量使用半剛性基層材料，使得新建的瀝青道面機場的基層也在沿用半剛性基層材料，但是國內(nèi)外機場瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論中并沒有相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)來控制其破壞，且飛機荷載作用下半剛性基層瀝青道面結(jié)構(gòu)的疲勞特性也較公路不同，因此，有必要考慮道面結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料特征，提出適應(yīng)中國瀝青道面結(jié)構(gòu)特色的損壞設(shè)計控制模式。

2）混合交通的考慮 混合交通建議采用累積損傷法考慮不同飛機荷載對道面產(chǎn)生的疲勞損傷；建議在中國不同的機場布設(shè)測試儀器，測試飛機的輪跡橫向分布規(guī)律，為準確地設(shè)計道面結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

3）瀝青混合料的粘彈性特性會對道面輪轍、推擠、擁包等病害產(chǎn)生負面影響 由于目前對瀝青道面推擠、擁抱等表面損壞的機理和控制方法研究十分有限，建議以后多收集中國瀝青道面的損壞情況，為新一輪規(guī)范的修訂提供參考。

4）瀝青混凝土材料的疲勞特性 大型飛機荷載作用下，瀝青道面結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈現(xiàn)多應(yīng)力峰值的典型特點，使得現(xiàn)有的瀝青路面的疲勞方程不能適應(yīng)多輪飛機荷載的特點，從而基于累計損傷法計算出的道面結(jié)構(gòu)厚度與實際不吻合，因此有必要對大型飛機多應(yīng)力峰值條件下，瀝青混凝土的疲勞特性進行研究，為科學(xué)的設(shè)計提供基礎(chǔ)。

[1]史保華，王 聲.應(yīng)用瀝青混凝土修建機場道面的分析探討[J].石油瀝青，1998，12（2）：35-42.

[2]European Asphalt Pavement Association.Airfield Uses of Asphalt[R]. The Netherlands：European Asphalt Pavement Association，2003.

[3]游慶龍，凌建明，袁 捷，等.適應(yīng)大型飛機的瀝青道面結(jié)構(gòu)有限元模型[J].交通運輸工程學(xué)報，2012，12（2）：18-23.

[4]US Department of Transportation，F(xiàn)ederal Aviation Administration. Airport Pavement Design and Evaluation，AC No：150/5320-6E[R].US Department of Transportation，F(xiàn)ederal Aviation Administration，2009.

[5]李巧生，趙鴻鐸，凌建明.適應(yīng)大型特種飛機的機場水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[J].土木工程學(xué)報，2011，44（1）：121-126.

[6]劉 文.機場瀝青道面設(shè)計指標(biāo)及方法研究[D].上海：同濟大學(xué)，2008.

[7]趙鴻鐸.適應(yīng)大型飛機的瀝青道面交通荷載分析方法及參數(shù)的研究[D].上海：同濟大學(xué)，2007.

[8]游慶龍.機場瀝青道面結(jié)構(gòu)三維非線性力學(xué)響應(yīng)研究[D].上海：同濟大學(xué)，2011.

[9]閆啟琨.復(fù)雜起落架荷載作用下瀝青道面動態(tài)響應(yīng)規(guī)律[D].上海：同濟大學(xué)，2011.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Effect of different design methods to thickness of asphalt concrete airport pavement

YOU Qing-long1a，MA Jing-lian1b，YUAN Jie2
（1a.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education；1b.School of Economics and Manegement，Chang'an University，Xi'an 710064，China；2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Based on a large survey of currently representative design methods of asphalt concrete airport pavement in the world，structure thickness of Kunming New Airport is analyzed using the design methods of 6E，6D from FAA，China's civil aviation asphalt pavement design method and the new design method from the author's research group.The results show that the total thickness of pavement structure designd by the Civil Aviation Specifications of China is thicker than the 6E of FAA by 27 cm；the total thickness of the new design method from author's research group is closer to the 6E of FAA；the total thickness based on the the pavement structure dynamic mechanical response is thicker than static mechanical response by 15 cm.After discussing the thickness of Kunming New Airport pavement，some problems of the present design method are discussed in details.Besides，the development of design method in China is discussed and some advices are put forward for further design.Through the research，some technical references are provided for the improvement of our design theory of asphalt concrete pavement.

airport pavement；asphalt concrete；design method

U416.223；V351.11

：A

：1674-5590（2014）04-0039-04

2013-04-23；

：2013-06-09

：國家自然科學(xué)基金項目（60776818，51308064）；中國博士后科學(xué)基金項目（2014M552398）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項（CHD2011JC081，0009-2014G1211009）

游慶龍（1982—），男，湖南岳陽人，講師，博士，研究方向為機場瀝青道面結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化.