復合式基層機場瀝青道面研究

楊 明 樺

(中國民航大學機場學院，天津 300300)

0 引言

近年來隨著民航強國的提出，國家對民航運輸業(yè)的投資大幅增加，相應的基礎設施建設也快速發(fā)展。我國機場普遍采用水泥混凝土道面，然而水泥混凝土道面維修困難，一旦重修機場便會停飛，將造成一定的經濟損失并且給民眾帶來不便利。機場瀝青道面維修便捷，很好的能解決這方面的問題，我國機場瀝青道面普遍采用半剛性基層和柔性基層，然而半剛性基層和柔性基層都有各自不可避免的缺點，由于無機結合料穩(wěn)定材料的干縮及溫縮效應的原因，半剛性基層產生開裂進而導致道面產生反射裂縫。柔性基層承載能力弱，不得不通過增加厚度來提高其承載力，建設成本比較高昂。所以研究新的基層結構成為目前機場道面新的研究方向，本文引用國外長壽命瀝青路面的設計理念提出了復合式基層機場瀝青道面的結構，可以充分發(fā)揮出半剛性材料和柔性材料的優(yōu)點，并對其設計指標進行選取。本文通過有限元軟件ABAQUS建立復合式基層機場瀝青道面的模型，分析復合式基層機場瀝青道面在飛機荷載作用下的力學響應量，進而分析該道面結構對于我國機場道面結構壽命需求的適用性。

1 復合式基層介紹

1.1 基層的分類

機場瀝青道面的基層按照結構層的剛度可以分為柔性基層、半剛性基層和剛性基層[1]。柔性基層普遍采用瀝青穩(wěn)定類碎石、級配碎石等材料，優(yōu)點是屬于粘彈性材料，有一定自愈能力，具有較好的疲勞性能和水穩(wěn)定性，不易隨溫度、濕度變化產生裂縫，因此一般不會出現(xiàn)反射裂縫問題。缺點是剛度比較低，在同樣的交通荷載下柔性基層比較厚，投資成本比較高。半剛性基層主要材料為石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定碎石等，優(yōu)點是承載力大、剛度大、彎沉小而且投資經濟，缺點是對溫度、濕度變化敏感，溫縮、干縮變形大，屬于脆性材料，容易開裂造成反射裂縫問題。剛性基層一般使用低強度的混凝土板，這種基層在國內外的機場瀝青道面中一般都不會應用。

1.2 復合式基層特點分析

美國瀝青協(xié)會提出了永久路面的設計理念，這個設計理念的核心就是按照功能合理的方式設置路面結構層，其中面層要求具有抗剪切變形、不透水和抗損耗的能力，基層和底基層是路面結構的主要承重結構，要求具有抵抗交通荷載作用下的抗疲勞開裂能力和良好的抗車轍性能[2]。通過以上分析可以看到柔性基層和半剛性基層可以優(yōu)勢互補[3]，結合中國的實際交通狀況和經濟條件本文提出復合式基層機場瀝青道面結構，底基層采用無機結合料穩(wěn)定類材料,基層采用瀝青穩(wěn)定類材料，這種結構充分利用了半剛性材料的較高強度和承載能力的優(yōu)點,可以減少瀝青層的厚度并且降低了初期投資，也可以改善中國目前對土基強度普遍要求不高的現(xiàn)狀。同時，半剛性材料用在底基層可以大大改善其受力條件[4]。這種結構也可以充分發(fā)揮柔性基層抗彎拉強度好、抗疲勞性能好、不易產生收縮開裂等優(yōu)點，瀝青穩(wěn)定類材料能夠吸收和消減半剛性基層裂縫尖端應力和應變，從而有效的防止反射裂縫的產生，此外瀝青面層與柔性基層間的結合良好，大大的提高了面層的使用質量，它可以減少面層底面的拉應力和拉應變，還可以使瀝青面層減少滑動、推移等問題，使其在惡劣氣候或重交通荷載條件下都能表現(xiàn)出良好的力學特性[3]。復合式基層機場瀝青道面很好的解決了基層的弊端，這樣道面的損壞就會被限制在面層之中，道面維修就會變得容易很多，道面損壞以后只需要銑刨表面層再重新加鋪罩面，減少了對道面基層結構性的大修，極大的減少了物力人力財力的消耗。

2 設計指標的選取

我國現(xiàn)行規(guī)范采取的機場瀝青道面設計方法為以道面累積損傷理論為基礎的力學經驗法。機場瀝青道面的破壞方式主要分為疲勞開裂和輪轍。瀝青道面的疲勞開裂自下而上擴展而成，當瀝青面層層底的變形超過材料的允許變形時，在拉應力最大處材料產生初始裂縫并逐漸擴展開來。瀝青道面的結構性輪轍是由土基和道面各結構層的永久變形不斷累積導致的[5]。所以在設計復合式基層機場瀝青道面時需要選取設計指標分別控制疲勞開裂破壞和輪轍破壞，依據MH 5010—2017民用機場瀝青混凝土道面設計規(guī)范選取其設計指標。由于無機結合料穩(wěn)定類材料的抗拉強度較低，在荷載和自然條件的綜合作用下不可避免的會產生開裂現(xiàn)象,必須對其受力條件進行限制[6]，所以對于復合式基層瀝青道面還應控制其無機結合料穩(wěn)定類底基層的疲勞開裂。

2.1 瀝青面層疲勞開裂的設計指標

選擇瀝青面層底面的最大水平拉應變作為設計指標，以限制瀝青面層的疲勞開裂，瀝青道面的瀝青層層底疲勞開裂控制式按式(1)計算[7]。

lgNj=-3.081-5lgεh-2.665lgEA

(1)

其中，Nj為允許荷載重復作用次數；εh為瀝青面層底面的最大水平拉應變；EA為瀝青混合料20 ℃的回彈模量,MPa。

2.2 輪轍的設計指標

選擇道基頂面的最大豎向壓應變作為設計指標，以限制瀝青道面的輪轍，瀝青道面的輪轍控制式按式(2)計算[7]。式(1)，式(2)均為美國聯(lián)邦航空局下屬的國家機場道面試驗中心通過進行室內足尺實驗和現(xiàn)場實驗所得到的，能夠較為可靠的反映機場道面的實際使用情況。

(2)

其中，Nj為允許荷載重復作用次數；εv為道基頂面最大豎向壓應變。

2.3 半剛性底基層疲勞開裂的設計指標

選擇半剛性底基層層底的最大水平拉應力作為設計指標，以限制瀝青道面半剛性底基層的疲勞開裂，瀝青道面半剛性底基層的疲勞開裂控制式按式(3)計算[8]。式(3)是由室內反復疲勞試驗所得。

(3)

其中，Nj為允許荷載重復作用次數；σt為無機結合料穩(wěn)定類基層層底的最大水平拉應力；fr為無機結合料穩(wěn)定類材料彎拉強度,MPa。

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

瀝青道面結構的計算模型應該簡化為飛機荷載作用下的多層體系，采用層間連續(xù)接觸的彈性層狀理論體系理論計算瀝青道面結構力學響應量。使用ABAQUS有限元軟件建立輪組—柔性道面—復合式基層—道基的有限元模型。有限元模型的幾何尺寸為12 m×10 m×10.65 m。設置邊界條件時，對于側邊界約束水平方向，對地面約束豎直方向。選擇tie連接作為層間接觸。選擇C3D8R作為單元類型，在荷載控制區(qū)域采用0.1 m×0.1 m的網格[9]。機型選擇我國目前使用數量最多的機型B737-800，主起落架為單軸雙輪，單軸荷載為188.24 kN，輪胎壓力為1.47 MPa，主起落架輪距為0.88 m，輪組位置在道面中心。各層參數在表1中列出。其有限元模型三維視圖如圖1所示。

表1 道面各結構層材料參數

3.2 有限元計算結果分析

通過有限元模型對復合式基層機場瀝青道面結構的模擬計算，得到的瀝青面層層底最大水平拉應變?yōu)?20 με，道基頂面最大豎向壓應變?yōu)?98 με，半剛性底基層層底的最大水平拉應力為0.63 MPa。把120 με,498 με分別代入到式(1)，式(2)，可以得到其允許荷載重復作用次數依次為1.38×108，5.89×109。混凝土穩(wěn)定碎石的彎拉強度為1.5 MPa，把0.63 MPa代入式(3)中可以得到其允許荷載重復作用次數為2.14×108。通過上述計算分析可以發(fā)現(xiàn)復合式基層機場瀝青道面具有足夠的允許荷載重復作用次數，完全可以滿足我國機場道面結構壽命的需求。

4 結論

本文主要結論如下：

1)通過比較不同類型基層的優(yōu)缺點，提出了復合式基層機場瀝青道面的結構：瀝青混凝土面層+瀝青穩(wěn)定碎石基層+混凝土穩(wěn)定碎石底基層。此結構具有較強的承載能力和足夠的強度、剛度，具有良好的疲勞壽命，同時設置的柔性基層能夠有效降低反射裂縫出現(xiàn)的可能。2)提出了復合式基層機場瀝青道面的設計指標，通過控制瀝青面層底面的最大水平拉應變來限制瀝青面層疲勞破壞，通過控制道基頂面最大豎向壓應變限制道面輪轍，通過控制無機結合料穩(wěn)定類底基層層底的最大水平拉應力限制底基層的疲勞破壞。3)通過有限元模擬計算發(fā)現(xiàn)復合式基層機場瀝青道面具有足夠的允許荷載重復作用次數，完全可以滿足我國機場道面結構壽命的需求。