华东地区某机场飞行区等级为4E,机坪扩建工程于2019年3月开工建设,设计机位类别为C类,扩建面积约9.0 万m².道面结构设计自上而下为40 cm厚水泥混凝土面层、40 cm厚水泥稳定碎石基层、50 cm厚山皮石垫层,场区单块水泥混凝土道面板尺寸为5.0 m×5.0 m×0.4 m.试验段位于机场控制区内新旧道面交界处,接缝长度约180 m,如图1.沿接缝处两侧各有新旧水泥混凝土道面板,旧水泥混凝土道面于2007年9月投入使用,现场测试以接缝处两侧的道面板作为研究对象.

图1 新旧水泥混凝土道面接缝处
Fig.1 The joints between new and old cement concrete pavement

结合测试场地实际条件,现场测试设备采用落锤式弯沉仪(FWD),通过改变锤重和提升高度控制荷载的大小,由半径为0.15 m的刚性承载板作用在道面上.道面上的弯沉值可由弯沉仪设备上的8个传感器测定,每个测点测速约40 s,分辨率为1 μm.

试验测试点分别位于2#(新道面)和5#(旧道面)板的板中、板边和板角,其中板中测点位于道面板面的几何中心,板边测试点位于距板边垂直距离0.15 m的板边中点处,板角测试点位于与邻边相互垂直距离均为15 cm处,传感器间距0.3 m,测试点布置如图2.测试点在2#板和5#板分别有3处,每个测试点测试3次.由文献[1,18]可知正温度梯度下对道面结构的弯沉变形更不利,参照文献[16,19]已对一天内正负温度梯度的区段进行划分,故本文仅测试正温度梯度作用下道面板的弯沉变形.

试验在2019年8月3—8日白天进行现场弯沉测试,每间隔30 min测试一次,分别取15 ℃、30 ℃、45 ℃、60 ℃条件下弯沉值作为研究内容.

图2 测点位置布设
Fig.2 Measuring point location

采用ABAQUS对华东地区某机场新旧道面结构建立模型,单块道面板尺寸为5.0 m×5.0 m×0.4 m,水泥混凝土板数量为3×2块,即在新旧道面接缝处的两侧各布置3块新旧水泥混凝土板.假定整个道面结构层为连续均质、各向同性的线弹性材料,道面板选取C3D27R二次六面体减缩积分单元,板间采用tie连接.新旧道面接缝宽度10 mm,采用虚拟材料层法模拟接缝处填料.通过现场试,如图3和图4,计算机场道面结构的实际参数,材料参数见表1.

图3 水泥混凝土抗折试验
Fig.3 Flexural test of cement concrete

图4 地基反应模量试验
Fig.4 Test of subgrade reaction modulus

表1 材料参数
Tab.1 Structural and material parameters of pavement

飞机主起落架下方所在的2#或5#道面板单元网格局部加密,相邻道面板网格划分尺寸较密,如图5.不再对道面板下基层和土基建立实例模型,而是简化为以反应模量K值表征^[20].通过对板底施加弹性支撑,对面层限制水平方向的运动^[21],道面结构基顶反应模量取105.5 MN/m³.

图5 有限元模型
Fig.5 Finite element model

根据该机场实际运行情况,选取具有代表性的型号B737-800(单轴双轮)民航客机,飞机主起落架参数见表2^[22].飞机在机坪区域内低速滑行过程中对道面结构将产生附加动荷载,另外升力可忽略不计,结合现有文献研究成果^[23],以飞机静止荷载为基准,动载按不利状态下取静载值的1.3倍进行加载.主起落架轮印可按面积近似相等的原则,假定为矩形.取单个主起落架机轮作为研究对象,加载荷位与板边中部边缘垂直,以2种位置作用下产生的板底应力较大值作为判定不利荷位的依据.同时提取道面板上不同位置处弯沉值,荷载位置如图6.

图6 荷载作用位置
Fig.6 Position of loading action

道面结构表面受自然环境下的温度影响较为剧烈,并随时间呈周期性变化.已有学者研究板内温度场沿深度方向的线性变化和非线性变化对板内应力和弯沉值等差异性影响,结果表明板内温度场呈非线性分布更符合板内温度梯度的实际情况.考虑温度梯度变化对板内温度应力的影响,正温度梯度的产生的应力偏大^[19-20,24].故在正温度梯度情况下对新旧水泥混凝土道面两侧道面施加荷载,对新旧道面板表面分别施加15 ℃、30 ℃、45 ℃、60 ℃.

表2 飞机相关参数
Tab.2 Parameters of aircraft

根据现场实测和数值计算的各测试点荷载中心弯沉值,二者总体变化趋势基本一致,如图7.在不同温度环境下,当荷载作用在位置-1或位置-2处时,道面板的板中弯沉变化不够明显,表明板中弯沉基本不受温度变化的影响.板边和边角的弯沉受温度影响显著,其变化规律基本一致,由15 ℃升高至60 ℃时,道面板表面温度越高,板边板角弯沉值就越小.如在现场测试中,2#板、5#的板中、板边、板角弯沉减小了4.2%、19.8%、20.1%,5.1%、18.2%、22.1%.另外,2#板和5#板的板中弯沉值均小于板边、板角弯沉值,表现出具有板角弯沉>板边弯沉>板中弯沉的特点,板角受到温度影响较为敏感.实际道面结构中板底与基层紧密接触,这与面板四边处于自由状态不同,此时若发生无约束状态下自由板面翘曲现象很难,温度越高道面板表面胀缩现象就越剧烈,故沉降变形有越来越小趋势.

从图7可知,2#板荷载中心处产生的板中、板边、板角弯沉最大值均要比5#板小,板中、板边、板角分别小于21.1%、23%、18.1%.原因在于新旧道面结构设计不同,旧道面投入使用较早,年久失修,2#板的弹性模量大于5#板,对比分析表明增大弹性模量可以有效抵抗道面板弯沉变形,避免因新旧道面板弹性模量差值过大,导致新旧道面接缝处两侧产生错台现象.

图7 不同温度条件下道面的弯沉值
Fig.7 Deflection value of pavement under different temperatures

在道面结构接缝性能评价中,采用接缝处两侧板边的弯沉变形值之比(传荷系数)表征接缝传荷能力^[11],机场水泥混凝土道面的传荷能力标准见表3.

从图8中可知,在不同温度环境下,当荷载作用在位置-1或位置-2时,通过现场测试和数值计算对比分析,可看出新旧道面板接缝传荷能力的变化规律基本一致.当温度由15 ℃升高至60 ℃时,表明传荷系数与温度呈现出良好的二次曲线关系,温度对传荷能力具有显著的影响,具体表现为新旧道面板接缝传荷能力随温度升高而增大,但曲线又逐渐趋于平缓.这是因为道面板间传荷是通过接缝间的集料嵌锁和基层支撑作用实现的,在荷载作用下,道面板发生横向水平变形,使得相邻板块接触面间的间距发生变化.另外,接缝处填缝料受温度影响而发生膨胀现象,通过改变新旧道面缝隙张开程度,改变了填缝料的嵌锁作用.

表3 接缝传荷能力等级评价标准
Tab.3 Evaluation standard for joint load transfer capacity

图8 不同温度条件下板边传荷系数
Fig.8 Joint load transfer of slab edge under different temperatures

在相同温度条件下,由图8可知,当荷载作用在位置-1处产生的传荷能力大于均位置-2处.如在60 ℃时,经现场测试、数值模拟计算出新旧道面板的传荷系数分别为89.7%、84.1%,85.2%、80.2%,

分析表明新道面板弹性模量大于旧道面板,弹性模量在一定程度上可增强接缝处板间应力扩散传递,降低受荷板及未受荷板间沉降变形幅值,更好地使未受荷道面板块与受荷板块共同承担荷载.但从另一角度也说明了新旧道面板弹性模量差值不大,对传荷能力影响有限.结合现场测试,表明数值计算和现场测试计算出的传荷系数间误差较小,结果较为稳定、可靠.

在机场水泥混凝土道面结构性能评价中,板底脱空评价是一项重要内容.板底脱空会引起道面板错台损坏和板内应力增加,从而造成道面结构断裂,产生重大安全隐患.现有评价规范中通过“板边弯沉值/板中弯沉值”和“板角弯沉值/板中弯沉值”来评价道面板的板底脱空情况.图9和图 10分别为在现场测试和数值计算中板边和板角随道面板表面温度变化的脱空评价值.

图9 板边/板中值变化趋势-现场测试
Fig.9 Variation trend of slab edge/slab interior-field test

图 10 板角/板中值变化趋势-数值计算
Fig.10 Variation trend of slab corner/slab interior-numerical calculation

从图9、图 10可知,随着道面板表面温度变化,板边和板角脱空判定值均呈现不同程度的变化,但二者总体变化规律基本一致.如在现场测试中,2#、5#板的板边脱空判定值范围分别为1.0～1.2、1.0～1.2,板角脱空判定值范围分别为1.1～1.4、1.1～1.3,表明在不同温度环境下将会得到不同的脱空判定结果,但2#板和5#板的板边脱空判定值差异性变化不大,板角脱空判定值也是如此,主要原因在于道面板和旧道面板的弹性模量差值不大.按照道面评价规范标准,在不同温度环境下,当荷载作用在位置-1或位置-2时,板边/板中值均小于2.0,板角/板中值均小于3.0,故不存在脱空现象.

一般地将水泥混凝土板底的拉应力作为确定最不利荷位的评价指标,已有学者研究认为在负温度梯度下,板顶拉应力很小且稳定,而板底拉应力对道面结构破坏最大.目前关于板内温度应力的研究多局限在数值模拟计算,由于试验条件有限,本文基于上述研究,通过数值模型计算板底拉应力,新旧道面板的板底拉应力随温度变化趋势,如图 11所示.在仅受温度作用下,随着温度升高,板底拉应力逐渐增大.原因在于道面板表面的温度随自然环境下的温度呈现周期性变化,当道面板内形成温度梯度时,路面板将出现不同程度的胀缩与翘曲变形,但由于受到自身重力或相邻道面板的约束,板内将产生温度应力,导致板内裂缝的产生与扩展.

图 11 不同温度条件下板底应力的变化趋势
Fig.11 Variation trend of slab bottom tensile stress under different temperatures

如再施加荷载,道面板底部受拉,顶部受压,板中将明显发产生翘曲趋势,板底拉应力加剧变大.随着温度的升高,会加大道面板间相互挤压效应而产生较大的板底应力.故在道面结构设计中,应充分考虑温度对板底拉应力的影响,避免发生由板底向板顶的开裂破坏.

在相同温度环境,无论是在温度还是温度-荷载作用下,2#板的板底拉应力一直大于5#板.当温度-荷载作用在位置-1和位置-2时,在15 ℃、30 ℃、45 ℃、60 ℃环境下分别增大5.2%、5.7%、7.3%、8.4%,表明增大道面板弹性模量,板底拉应力也会增大,但可以看出,弹性模量对板底拉应力的影响程度较小.在新旧道面结构设计中,并不是通过减小道面板弹性模量方法来降低板底拉应力.