飛機荷載作用下濕化對粉土道基應(yīng)力響應(yīng)的影響

羅其奇，張 升，李 強，葉新宇*，張興勝，余 虔

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.北京新機場建設(shè)指揮部，北京 102600；3.呼和浩特機場建設(shè)管理投資有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；4.民航機場規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司 巖土工程所, 北京 100020；5.機場工程安全與長期性能交通運輸行業(yè)野外科學觀測研究基地，北京 100020)

北方機場的建設(shè)因地制宜，大量使用粉土填料進行道基的填筑[1]，但粉土工程性質(zhì)受含水率影響較大。機場運營期間，受大氣降雨和“鍋蓋效應(yīng)”影響，易出現(xiàn)道面板下淺層粉土道基局部濕化問題[2-4]。在飛機荷載作用下，濕化引起的粉土道基不均勻沉降加劇，進一步誘發(fā)道面板破損等工程問題，嚴重影響飛機起降安全[5]。因此，研究不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下濕化對粉土道基應(yīng)力響應(yīng)的影響具有重要意義。

對于交通荷載作用下路基應(yīng)力響應(yīng)問題，已有學者進行初步研究。試驗研究方面，Lin等[6]研制了一種用于測量土體3個方向動應(yīng)力的新型正交土壓力傳感器，依據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)提出將土體動應(yīng)力與不同方向變形關(guān)聯(lián)的本構(gòu)關(guān)系。Zhang等[7]通過現(xiàn)場足尺試驗方法，研究了不同軸載和不同列車速度對風化泥巖路基和傳統(tǒng)路基動力參數(shù)增長系數(shù)、動應(yīng)力垂直衰減系數(shù)的影響。Wei等[8]進行了季節(jié)性凍土區(qū)路基模型試驗，研究了凍融過程中新型填料路基水平和垂直方向上動壓應(yīng)力的分布特性。

解析和數(shù)值模擬研究方面，凌道盛等[9]通過半解析有限單元法分析飛機移動荷載作用下道基動力響應(yīng)，分別以機型、滑行速度和道面類型為影響因素研究道基豎向正應(yīng)力及荷載響應(yīng)深度的變化規(guī)律。張獻民等[10]通過數(shù)值模擬方法研究了荷載等級、跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)和道基彈性模量對荷載響應(yīng)深度的影響規(guī)律，同時在考慮起飛升力和沖擊作用的情況下得到飛機起飛過程中滑跑速度與荷載響應(yīng)深度的關(guān)系。盧正等[11]研究得到移動動載作用下層狀地基動應(yīng)力豎向衰減規(guī)律，同時以荷載等級、路面厚度和路基彈性模量為參數(shù)進行荷載響應(yīng)深度的參數(shù)敏感性分析，提出荷載響應(yīng)深度計算公式。Ling等[12]進行了單輪飛機荷載下均質(zhì)和挖填交錯道基中土單元體動力響應(yīng)對比分析，研究挖填分界面處動應(yīng)力分布特征。Lee等[13]研究了一系列勻速運動的恒定和時諧線荷載作用下層狀半空間的動力響應(yīng)。Stache等[14]研究了飛機荷載、起落架構(gòu)型、地墊材料厚度和土-墊界面接觸條件對道基變形響應(yīng)的影響。綜上，上述研究均未考慮水對路基應(yīng)力響應(yīng)的影響。

目前，也有研究考慮了地下水位變化對路基應(yīng)力響應(yīng)的影響，如：管延華等[15]在不同地下水位條件下，通過模型試驗方法研究分級循環(huán)荷載引發(fā)的粉土路基豎向變形演化規(guī)律及附加應(yīng)力傳遞特征；解磊等[16]使用模型試驗方法研究了地下水位變化對粗砂地基承載力及應(yīng)力響應(yīng)的影響。已有研究較少關(guān)注路基逐漸濕化過程中的應(yīng)力響應(yīng)特征。本文首先開展了不同濕化程度的粉土道基加載模型試驗，得到粉土濕化過程中道基飽和度變化規(guī)律及力學響應(yīng)特征；其次，建立數(shù)值仿真模型并通過試驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值計算結(jié)果的可靠性；最后，開展了不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下濕化對粉土道基應(yīng)力響應(yīng)的影響研究。研究成果可為機場工程跑道結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化及道基病害處理等提供技術(shù)依據(jù)。

1 室內(nèi)模型試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

為研究飛機荷載作用下粉土道基濕化力學響應(yīng)特征，研發(fā)了物理模型試驗系統(tǒng)[17]，該系統(tǒng)包括加載裝置、模型試驗箱裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。通過液壓千斤頂和加載板施加荷載，通過電動泵和壓力表控制荷載大小。開展模型試驗前，為避免邊界效應(yīng)的影響，基于土體的基本物理力學參數(shù)建立數(shù)值模型。在最大飛機荷載條件下調(diào)整加載板尺寸，確定應(yīng)力影響深度及范圍，以此確定實驗室可容納的模型試驗箱尺寸及其對應(yīng)的加載板尺寸。

模型箱長、寬、高分別為2.0、2.0、1.8 m，側(cè)板嵌入的有機玻璃板能有效降低摩擦阻力，同時便于試驗觀測和記錄。側(cè)板過線孔處設(shè)置電纜密封接頭，同時保證接頭處的防水性能。采用DMWY型位移計（精度0.1 mm）監(jiān)測測點變形量，采用DMTY型土壓力盒（精度1 Pa）和Ec-50水分傳感器監(jiān)測測點土壓力和體積含水率。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括DMYB1840型應(yīng)變采集儀、DT80數(shù)據(jù)采集器及電子計算機等，物理模型試驗系統(tǒng)及測點分布如圖1所示。

圖1 多場物理模型試驗系統(tǒng)Fig.1 Physical model test system

1.2 試驗材料

山皮石和粉土試驗材料均取自北京大興區(qū)，粉土填料物理性質(zhì)指標見表1。根據(jù)民用機場道面設(shè)計規(guī)范[18]，制樣壓實度取為95%。室內(nèi)擊實試驗測得粉土最優(yōu)含水率為16 %，最大干密度為1 890 kg/m3。控制分層壓實厚度為0.1 m，壓實干密度為1 800 kg/m3。試樣長、寬、高分別為2 m、2 m、1.6 m，試樣包括厚0.15 m的山皮石墊層和厚1.45 m的粉土道基。制樣過程中，為確保土樣的均勻性，降低上層土樣壓實對下層土樣的影響，在夯機端部布置減震海綿，分層壓實后取樣測試質(zhì)量含水率和干密度，確保試樣干密度滿足試驗要求。

表1 粉土填料物理性質(zhì)指標Tab.1 Basic physical parameters of silt filler

1.3 試驗方案

為模擬現(xiàn)場粉土道基逐漸濕化過程，以注水次數(shù)為變量進行道基注水試驗。選取A380-800機型為對象，根據(jù)民用機場道面設(shè)計規(guī)范[18]，單個機輪壓力為1.47 MPa，輪印等效面積為0.177 m2，水泥道面板長、寬分別為5.0、4.5 m，道面板上機輪荷載分布如圖2所示，其中，1～8為道面板編號。參照編號2和6的道面板情況，對模型試驗中道基施加荷載，加載板長和寬分別為0.50和0.45 m，加載板上增設(shè)的加固肋能夠確保加載板的剛度。實際機場完整道面結(jié)構(gòu)包括道面板（面層）、基層和墊層，混凝土道面板可視作剛性基礎(chǔ)[19]；道面板彈性模量遠高于基層彈性模量，道面板底附加應(yīng)力傳遞至墊層過程中無應(yīng)力擴散現(xiàn)象產(chǎn)生。結(jié)合道面板和基層自重荷載，混凝土道面板密度和厚度分別為2 400 kg/m3、0.42 m，基層密度和厚度分別為2 000 kg/m3、0.40 m，換算出2、6號兩塊相鄰道面板下的墊層表面應(yīng)力分別為99.03、29.62 kPa。

圖2 A380-800機輪荷載分布Fig.2 Wheel loading distribution of A380-800

試驗過程中控制單次注水量不變，共進行了6次道基注水試驗，單次均勻注水試驗中反復加卸載至測點變形量和飽和度穩(wěn)定；此后，進行下次注水試驗，直至粉土道基不同深度處飽和度不再變化時，注水結(jié)束。

2 試驗結(jié)果與分析

圖3為粉土道基表面以下不同深度處飽和度變化曲線。由圖3可知：制樣結(jié)束后，道基不同深度處粉土飽和度差異較大，道基表面以下1.20 m深度處粉土接近飽和狀態(tài)，說明粉土具有較強的滲透性，制樣過程中水分向道基底部聚集。道基濕化過程中，道基表面以下0.70 m深度處粉土飽和度大致穩(wěn)定在0.75附近，說明該深度處粉土始終處于最大持水能力狀態(tài)。隨濕化程度加深，道基表面以下0.45 m深度范圍內(nèi)粉土飽和度呈增加趨勢；濕化結(jié)束時，道基表面以下0.45 m深度處粉土達到最大持水能力狀態(tài)。道基濕化過程中，道基表面以下0.95 m深度處粉土飽和度增加幅度較大，濕化結(jié)束時接近飽和狀態(tài)；道基表面以下1.20 m深度處粉土飽和度變化較小，持續(xù)處于飽和狀態(tài)。上述分析說明粉土持水能力較差，浸水工況下粉土濕化作用的影響范圍較大。

圖3 濕化次數(shù)-飽和度變化曲線Fig.3 Curves of wetting times with degree of saturation

3 有限元分析

3.1 數(shù)值模型建立

模型試驗尺寸有限，道基中應(yīng)力不能完全與現(xiàn)場對應(yīng)，因而建立數(shù)值仿真模型，便于定量分析不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)的道基濕化應(yīng)力響應(yīng)特征。首先，采用Abaqus模擬室內(nèi)試驗的工況，數(shù)值仿真模型及網(wǎng)格劃分如圖4所示，采用C3D8平面應(yīng)力應(yīng)變單元，數(shù)值模型尺寸與試驗一致，約束模型側(cè)面水平位移、模型底面水平和豎向位移；土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

圖4 濕化道基數(shù)值模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical model for wetting subgrade

在模型試驗中，道基飽和度的整體變化趨勢大致可以分為濕化前的初始階段、粉土最大持水能力階段及最終穩(wěn)定階段，分別對應(yīng)濕化前、第2次濕化和第6次濕化過程，選取上述特征濕化過程進行數(shù)值計算。將數(shù)值模型中的粉土道基沿著深度方向劃分為6層，在不同濕化階段中考慮粉土不同飽和度下的力學參數(shù)差異，依據(jù)不同層位飽和度取值分層賦予對應(yīng)飽和度下粉土的力學參數(shù)。通過數(shù)值計算得到濕化前、第2次濕化和第6次濕化過程中相對應(yīng)的試驗測點處的力學響應(yīng)特征，并與模型試驗結(jié)果進行對比分析。

3.2 不同飽和度下的粉土力學參數(shù)

飽和度對粉土力學特性影響顯著[20-21]，故開展不同飽和度（含水率）的非飽和粉土直剪[22]和固結(jié)[23]試驗。試樣的干密度與模型試驗土樣保持一致，試樣含水率分別為8%、10%、12%、14%、16%，不同含水率對應(yīng)的飽和度分別為43%、54%、65%、76%、86%。不同飽和度下，粉土彈性模量及抗剪強度參數(shù)變化曲線分別如圖5、6所示。

圖5 不同飽和度下粉土彈性模量變化Fig.5 Variation of elastic modulus under different degree of saturation

圖6 不同飽和度下粉土抗剪強度參數(shù)變化Fig.6 Variation of shear strength parameters under different degree of saturation

由圖5、6可知，粉土的彈性模量、黏聚力隨飽和度增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，在最優(yōu)含水率附近獲得最大值。由于含水率對內(nèi)摩擦角影響較小，故數(shù)值計算中對內(nèi)摩擦角取平均值。通過溫度場變量實現(xiàn)材料參數(shù)變化過程，數(shù)值模型初始參數(shù)取值見表2。

表2 數(shù)值模型初始物理力學參數(shù)Tab.2 Initial physical and mechanical parameters of the numerical model

3.3 數(shù)值模型驗證

為驗證數(shù)值模型的適用性，取模型試驗中不同測點處土壓力和變形量實測值與模擬值進行對比。圖7、8分別為濕化加載過程中不同測點處土壓力和變形量的實測值與模擬值對比結(jié)果。由圖7可知，不同濕化加載階段，各測點土壓力實測值與模擬值最大誤差約為15%，淺層道基相同深度處土壓力呈拱形分布特點，粉土濕化后測點處土壓力整體呈增長趨勢，說明濕化作用增加了應(yīng)力影響范圍。由圖8可知：加載階段不同測點變形量均呈現(xiàn)快速增長、平穩(wěn)波動變化趨勢；卸載階段不同測點變形量均呈現(xiàn)緩慢增長、平穩(wěn)波動變化趨勢。綜上，不同測點處土壓力和變形量實測值與模擬值整體變化趨勢基本相同，且在數(shù)值上接近，證明本文建立的數(shù)值模型可用于實際機場道基濕化應(yīng)力響應(yīng)分析。

圖7 不同測點的土壓力驗證Fig.7 Verification of soil pressure at different points

圖8 不同測點的變形驗證Fig.8 Verification of deformation at different points

3.4 濕化道基的應(yīng)力響應(yīng)敏感性分析

實際機場工程中，跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計有差異，本文基于已驗證的數(shù)值仿真模型，放大模型尺寸至現(xiàn)場實際機場跑道結(jié)構(gòu)尺寸，重復上述數(shù)值計算過程，研究不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下粉土濕化對道基應(yīng)力響應(yīng)的影響。跑道結(jié)構(gòu)層由道面板（面層）和基層組成，數(shù)值模型中在受荷道面板間設(shè)置寬1 cm的接縫，以考慮道面板間接縫傳遞荷載能力差異[24-25]。根據(jù)葉奮等[26]的研究，通過改變接縫材料彈性模量模擬不同傳荷能力，道面板接縫間的不同傳荷能力對應(yīng)的彈性模量見表3，模擬工況見表4。

表3 接縫不同傳荷能力下的彈性模量Tab.3 Elastic modulus of joints under different loading transfer capacities

表4 數(shù)值模擬方案Tab.4 Schemes for numerical simulation

根據(jù)規(guī)范[18]、[27]和文獻[28]，不同類型道面板和基層厚度范圍分別為0.18～0.40 m、0.15～0.40 m，瀝青道面板彈性模量變化范圍為0.8～1.6 GPa，水泥道面板彈性模量接近30.0 GPa。不同類型跑道結(jié)構(gòu)層厚度與彈性模量見表4，道面板長、寬分別為5.0、4.5 m；道面板所受荷載與模型試驗一致，分別取為99.03、29.62 kPa。選取道基敏感區(qū)域進行濕化應(yīng)力響應(yīng)分析，敏感區(qū)域示意圖如圖9所示。圖9中，路徑1為受荷較大道面板中心點以下的豎向路徑，路徑2、3為道面板外側(cè)角點以下的豎向路徑。

圖9 道基敏感區(qū)域示意圖Fig.9 Schematic diagram of sensitive area on subgrade

3.4.1 附加應(yīng)力1）路徑1處

應(yīng)力影響系數(shù)為附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值，被廣泛用于確定土體沉降計算深度[29]和應(yīng)力響應(yīng)深度[10]，同時對土體沉降量影響顯著。土體沉降計算分層總和法中應(yīng)力影響系數(shù)0.2對應(yīng)的深度為沉降計算深度[29]，因而確定道基中應(yīng)力影響系數(shù)0.2對應(yīng)的深度為應(yīng)力響應(yīng)深度。圖10為不同接縫傳荷能力下路徑1處道基附加應(yīng)力豎向分布。由文獻[11]可知，應(yīng)力影響系數(shù)小于0.1時對路基影響較小，故圖10（a）研究應(yīng)力影響系數(shù)0.1對應(yīng)深度范圍內(nèi)的附加應(yīng)力豎向分布特征。由圖10（a）可知，接縫傳荷能力對附加應(yīng)力豎向分布影響較小，附加應(yīng)力沿深度呈指數(shù)降低趨勢，粉土濕化后道基相同深度處附加應(yīng)力顯著增加。

圖10 不同接縫傳荷能力下路徑1處道基附加應(yīng)力分析結(jié)果Fig.10 Analysis results of additional stress at path 1 under different loading transfer capacities

由圖10（b）可知，不同接縫傳荷能力下應(yīng)力響應(yīng)深度不變，粉土濕化前后應(yīng)力響應(yīng)深度由4.30 m增至5.05 m，增長17.44%。說明與接縫傳荷能力比較，濕化作用對應(yīng)力響應(yīng)深度影響顯著，上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因在于粉土濕化后淺層道基中應(yīng)力疊加作用增加，同時增大了荷載傳遞范圍。由于接縫傳荷能力對附加應(yīng)力豎向分布影響較小，故在濕化對道基應(yīng)力響應(yīng)的影響研究中，暫不對接縫的影響進行分析。

圖11為不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑1處道基附加應(yīng)力豎向分布曲線。由圖11（a）、（b）可知，受荷較大道面板中心點下，附加應(yīng)力隨深度、面層和基層厚度增加整體呈降低趨勢，同時隨深度增加對跑道結(jié)構(gòu)層厚度變化的敏感性降低。原因在于，中心點下應(yīng)力擴散作用隨深度和跑道結(jié)構(gòu)層厚度逐漸增加，同時附加應(yīng)力在跑道結(jié)構(gòu)傳遞中衰減幅度增加，中心點下附加應(yīng)力降低。粉土濕化后，淺層道基附加應(yīng)力顯著增加，附加應(yīng)力對跑道結(jié)構(gòu)厚度變化的敏感性增加，并且濕化增加了應(yīng)力疊加作用，促進了跑道結(jié)構(gòu)層厚度對附加應(yīng)力的折減效應(yīng)。由圖11（c）、（d）可知：附加應(yīng)力隨深度、面層彈性模量增加整體呈降低趨勢，隨基層彈性模量增加先增加后降低。原因在于，中心點下應(yīng)力擴散作用隨深度和面層剛度增加逐漸增大，中心點下附加應(yīng)力持續(xù)降低。基層剛度增加至與面層剛度相同的過程中，道基中應(yīng)力擴散作用降低，中心點下附加應(yīng)力增加；此后基層剛度增加導致基層底面應(yīng)力分布由馬蹄形向馬鞍形轉(zhuǎn)化，中心點下附加應(yīng)力降低。面層彈性模量高于25 GPa后，道基附加應(yīng)力差異較小，說明對于實際機場工程中常用的水泥道面板，提高道面板承載能力對降低附加應(yīng)力無顯著效果。附加應(yīng)力對基層彈性模量變化的敏感性較高，合理的基層彈性模量能有效促進應(yīng)力擴散作用，實際機場工程中建議采用的基層彈性模量為1.4～1.6 GPa。

圖11 不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑1處道基附加應(yīng)力豎向分布Fig.11 Vertical distribution of additional stress at path 1 under different structural parameters of runway

2）路徑2處

圖12為不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下，路徑2處道基附加應(yīng)力豎向分布。由圖12（a）、（b）可知，受荷較大道面板外側(cè)角點下，除面層0.28 m和基層0.20 m工況，結(jié)構(gòu)層厚變化引發(fā)的附加應(yīng)力差異分布主要集中于粉土表面以下1.3 m深度內(nèi)。附加應(yīng)力隨面層厚度增加整體呈先增加后降低的變化，隨基層厚度增加整體呈降低趨勢。原因是面層厚度增加導致道面板下應(yīng)力分布由馬蹄形向馬鞍形轉(zhuǎn)化，道基中應(yīng)力擴散效應(yīng)增強，故角點下附加應(yīng)力先增加后降低；隨基層厚度增加，道基中應(yīng)力擴散作用增強，角點下附加應(yīng)力逐漸降低?；鶎雍穸?.20～0.25 m范圍內(nèi)，增加基層厚度對受荷較大道面板外側(cè)角點下附加應(yīng)力折減效果較好。由圖12（c）、（d）可知：受荷較大道面板外側(cè)角點下1.3 m深度范圍內(nèi)，附加應(yīng)力隨面層彈性模量增大而增加，隨基層彈性模量增大先降低后增加；角點1.3 m以下深度，附加應(yīng)力隨面層彈性模量增大而降低，隨基層彈性模量增大而增加；附加應(yīng)力隨深度增加整體呈降低趨勢。值得注意的是，基層彈性模量為1.60 GPa時，附加應(yīng)力隨深度增加呈先增加后降低的趨勢。原因是基層剛度增加，應(yīng)力擴散效應(yīng)降低，同時基層底應(yīng)力分布由馬蹄形向馬鞍形轉(zhuǎn)化，角點下附加應(yīng)力增加。受荷較大道面板外側(cè)角點下，面層剛度對附加應(yīng)力豎向分布影響較小，增加基層剛度會促進外側(cè)角點下應(yīng)力集中效應(yīng)。實際機場工程中，與改變其他跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)比較，應(yīng)優(yōu)先采用合適的基層厚度，建議的基層厚度范圍為0.25～0.30 m。

圖12 不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑2處道基附加應(yīng)力豎向分布Fig.12 Vertical distribution of additional stress at path 2 under different structural parameters of runway

3）路徑3處

圖13為不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑3處道基附加應(yīng)力豎向分布曲線。由圖13（a）、（b）可知：受荷較小道面板外側(cè)角點下0.35 m深度處出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨深度增加呈先增加后降低的趨勢；濕化后附加應(yīng)力對跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的敏感性顯著增加。附加應(yīng)力隨基層厚度增大整體呈降低趨勢，原因是基層厚度增加，道基中應(yīng)力擴散作用增強，角點下附加應(yīng)力降低。附加應(yīng)力隨面層厚度增大先減小后增大；另外，面層厚度為0.28 m時，附加應(yīng)力隨深度增大先降低后增加，原因是面層厚度增加，跑道結(jié)構(gòu)對附加應(yīng)力折減效應(yīng)增強，引發(fā)受荷較小道面板外側(cè)角點下附加應(yīng)力降低，同時受荷較大道面板下應(yīng)力擴散作用增強，因而受荷較小道面板外側(cè)角點下附加應(yīng)力增加。

圖13 不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑3處道基附加應(yīng)力豎向分布Fig.13 Vertical distribution of additional stress at path 3 under different structural parameters of runway

由圖13（c）、（d）可知：受荷較小道面板外側(cè)角點下，濕化前后附加應(yīng)力隨跑道結(jié)構(gòu)層彈性模量增大整體呈降低趨勢，隨深度增加整體呈先增加后降低的趨勢。原因是基層彈性模量增加，道基中應(yīng)力擴散作用降低，角點下應(yīng)力疊加作用減弱，角點下附加應(yīng)力降低。特例是，當面層彈性模量高于25.00 GPa、基層彈性模量低于1.20 GPa時，附加應(yīng)力隨深度增大呈降低趨勢。原因是，當面層剛度較大、基層剛度較小時，道基中應(yīng)力擴散效應(yīng)顯著，角點下附加應(yīng)力隨深度增大呈降低趨勢。瀝青道面結(jié)構(gòu)中面層彈性模量對角點下附加應(yīng)力折減效果較好，水泥道面結(jié)構(gòu)中角點下附加應(yīng)力分布差異較小。跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)對外側(cè)角點下附加應(yīng)力影響較小，實際機場工程中應(yīng)合理選擇基層材料，使基層彈性模量區(qū)間為1.40～1.60 GPa為宜。

3.4.2 應(yīng)力影響系數(shù)

1）路徑1處

圖14為不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下，路徑1處道基應(yīng)力影響系數(shù)豎向分布。由圖14可知，受荷較大道面板中心點下應(yīng)力影響系數(shù)隨深度增加整體呈指數(shù)降低趨勢，不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下應(yīng)力影響系數(shù)與附加應(yīng)力變化趨勢基本相同。應(yīng)力響應(yīng)深度隨面層厚度、基層厚度和面層彈性模量增大線性降低，水泥道面層彈性模量（25.00、30.00 GPa）對中心點下應(yīng)力響應(yīng)深度影響較小。應(yīng)力響應(yīng)深度隨基層彈性模量增大先增加后降低，同時與基層彈性模量呈2次拋物線關(guān)系。應(yīng)力響應(yīng)深度對跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的敏感性排序為基層彈性模量＞面層厚度＞基層厚度＞面層彈性模量，跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)中基層彈性模量是應(yīng)力響應(yīng)深度的主要影響因素。粉土濕化前后，不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下應(yīng)力響應(yīng)深度分別處于粉土道基表面以下4.6～5.0、5.3～5.7 m；與跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)比較，濕化對應(yīng)力響應(yīng)深度影響較大。粉土濕化后應(yīng)力響應(yīng)深度顯著增加，跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)力響應(yīng)深度的降低作用減弱。

圖14 不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑1處道基應(yīng)力影響系數(shù)豎向分布Fig.14 Vertical distribution of stress influence coefficient at path 1 under different structural parameters of runway

2）路徑2處

圖15為不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑2處道基應(yīng)力影響系數(shù)豎向分布曲線。由圖15可知，受荷較大道面板中心點下應(yīng)力影響系數(shù)隨深度增加整體呈指數(shù)降低趨勢，跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)力影響系數(shù)和附加應(yīng)力的影響基本相同。粉土濕化前后，應(yīng)力響應(yīng)深度分別處于粉土道基表面以下3.2～3.9、3.8～4.4 m，且應(yīng)力響應(yīng)深度隨面層彈性模量、基層厚度增大呈線性降低的趨勢。應(yīng)力響應(yīng)深度對跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的敏感性排序為面層厚度＞基層厚度＞基層彈性模量＞面層彈性模量，面層厚度是主要影響因素。與道面板中心區(qū)域比較，道面板角點下應(yīng)力疊加作用較弱，跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)對角點下應(yīng)力響應(yīng)深度影響較大。

圖15 不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下路徑2處道基應(yīng)力影響系數(shù)豎向分布Fig.15 Vertical distribution of stress influence coefficient at path 2 under different structural parameters of runway

3）路徑3處

圖16為不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下，路徑3處道基應(yīng)力影響系數(shù)豎向分布曲線。由圖16可知，受荷較小道面板外側(cè)角點下應(yīng)力影響系數(shù)與附加應(yīng)力變化趨勢基本一致。粉土濕化前、后受荷較小道面板外側(cè)角點下的應(yīng)力響應(yīng)深度分別位于粉土道基表面以下0.8、1.2～2.3 m。應(yīng)力響應(yīng)深度隨基層厚度增大呈線性降低趨勢，隨跑道結(jié)構(gòu)層彈性模量增大呈指數(shù)降低趨勢。

當面層彈性模量高于25.00 GPa、基層彈性模量高于1.40 GPa時，應(yīng)力響應(yīng)深度保持不變。應(yīng)力響應(yīng)深度對跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的敏感性排序為面層厚度＞基層厚度＞面層彈性模量＞基層彈性模量，面層厚度是主要影響因素。道面板下應(yīng)力疊加作用越弱，粉土濕化前后和不同跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)下道基應(yīng)力響應(yīng)敏感性越高。

4 結(jié) 論

飛機荷載在濕化粉土道基中引發(fā)的應(yīng)力是導致道面板破損病害的重要原因。本文研究了飛機荷載作用下，跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)和粉土濕化對道基敏感區(qū)域應(yīng)力響應(yīng)的影響，主要得出以下結(jié)論：

1）濕化作用加劇了應(yīng)力響應(yīng)深度內(nèi)的應(yīng)力疊加效應(yīng)，致使跑道受荷變形隨粉土濕化程度加深而加劇，同時增加了道基應(yīng)力響應(yīng)對跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的敏感性。道面板下不同區(qū)域應(yīng)力疊加作用越弱，應(yīng)力響應(yīng)深度對濕化和跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的敏感性越強。濕化作用增加了應(yīng)力響應(yīng)深度，同時削弱了跑道結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)力響應(yīng)深度的降低效果。道面板間接縫的傳荷能力對道基應(yīng)力響應(yīng)影響較小。

2）跑道結(jié)構(gòu)層厚度的增加能提升促進跑道結(jié)構(gòu)對飛機荷載的折減效應(yīng)及道基中應(yīng)力擴散作用。跑道結(jié)構(gòu)層剛度的增加能有效促進道基中應(yīng)力的擴散；同時，基層剛度增大會導致受荷道面板對應(yīng)基層底部的應(yīng)力分布形式由馬蹄形向馬鞍形轉(zhuǎn)化，使道面板角點下出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3）粉土道基濕化過程中，基層彈性模量對受荷較大道面板中心點下的道基應(yīng)力響應(yīng)影響顯著，且基層厚度對受荷較大道面板外側(cè)角點下的道基應(yīng)力響應(yīng)影響顯著。為降低濕化對道基受力狀態(tài)的影響，宜優(yōu)先采用合理的基層結(jié)構(gòu)參數(shù)。