排水固結(jié)法處理機(jī)場場道地基預(yù)壓荷載取值研究

林 暉

(廈門路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建廈門 361000)

當(dāng)采用排水固結(jié)預(yù)壓法處理軟基時(shí)，堆載的強(qiáng)度應(yīng)大于或等于以后的使用荷載，所以需要計(jì)算機(jī)場場道的使用荷載。國內(nèi)外對(duì)飛機(jī)荷載計(jì)算研究較少。咼潤華等［1］采用多層彈性體系理論對(duì)飛機(jī)荷載作用下機(jī)場土基的附加應(yīng)力及其特征進(jìn)行了分析。許金東等［2］對(duì)飛機(jī)作用于機(jī)場剛性道面上的動(dòng)力荷載進(jìn)行了實(shí)測，應(yīng)用有限元和邊界元方法建立了機(jī)場剛性道面體系靜力和動(dòng)力分析模型，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)論證。張磊等［3］選取1/4余弦波模擬飛機(jī)循環(huán)降落荷載，計(jì)算得到溫州機(jī)場新跑道軟黏土地基在空客A380作用下附加應(yīng)力的分布情況。

預(yù)壓荷載選取得是否合理，決定了軟基處理的質(zhì)量，關(guān)系著工程投資，但現(xiàn)有的規(guī)范對(duì)預(yù)壓荷載取值并沒有明確規(guī)定，研究機(jī)場場道的預(yù)壓荷載取值具有現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)的許多學(xué)者雖然采用了不同的方法對(duì)飛機(jī)附加應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，但是都沒有考慮道面結(jié)構(gòu)、基床層、地基填土的特點(diǎn)。本文結(jié)合機(jī)場場道處理后地基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和荷載類型，采用布辛奈斯克法和有限元法計(jì)算不同工況下空客A380造成的地基附加應(yīng)力，以確定機(jī)場場道預(yù)壓荷載的合理取值。

1 計(jì)算條件

機(jī)場場道地基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)場場道地基結(jié)構(gòu)(單位:m)

軟基采用排水固結(jié)法處理時(shí)，沉降計(jì)算應(yīng)考慮泥面以上總荷載作用效應(yīng)。飛行區(qū)場道的作用荷載強(qiáng)度按照以下條件換算:

1)道面結(jié)構(gòu)層自上而下為一層42 cm厚水泥混凝土層、兩層半剛性基層。其中兩基層均采用18 cm厚的水泥穩(wěn)定碎石。

2)基床層(填石渣層)厚度1.0 m。

3)為了滿足承載力的要求，泥面以上填土厚度在2.0 m以上，選取填土厚度2.0，2.5 m進(jìn)行計(jì)算。

4)按當(dāng)今最大飛行器空客A380后起落架荷載組合效應(yīng)最大點(diǎn)計(jì)算飛機(jī)移動(dòng)荷載作用效應(yīng)。

2 等效使用荷載

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)［4］和《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)［5］，地基處理后泥面以上荷載標(biāo)準(zhǔn)組合按下式計(jì)算。

式中:γ為填土的重度，kN/m3;H為填土高度，m;p1為道面結(jié)構(gòu)層自重，kPa;p2為土基交工面以上基床層自重，kPa;p3為飛機(jī)對(duì)淤泥面產(chǎn)生的附加荷載，與填土層厚度有關(guān);ψc為荷載組合系數(shù)，按國標(biāo)取0.7。

根據(jù)排水固結(jié)堆載預(yù)壓原理，預(yù)壓荷載p≥p1+p2+ψcp3，其中p1和p2按下述計(jì)算。

1)道面結(jié)構(gòu)荷載p1計(jì)算。道面結(jié)構(gòu)層的換算荷載 p1為18.5 kPa。

2)填石基床層自重p2計(jì)算?；矠?.0 m厚填石渣層，換算荷載p2為22.0 kPa。

3 飛機(jī)活荷載對(duì)地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力

飛機(jī)計(jì)算參數(shù):當(dāng)今4F級(jí)機(jī)場荷載最大的飛機(jī)為空客A380，該飛機(jī)在起飛時(shí)最大重量5 620 kN。A380飛機(jī)輪胎分布如圖2所示，飛機(jī)起飛時(shí)各起落架的最大重量如表1所示。

圖2 A380起落架與輪胎的平面位置示意(單位:mm)

表1 A380起飛時(shí)各起落架的最大重量 kN

由于道面結(jié)構(gòu)采用剛性混凝土及半剛性基層，地基附加應(yīng)力采用布辛奈斯克法和有限元法計(jì)算。計(jì)算中考慮各起落架之間的相互影響。

經(jīng)分析，飛機(jī)荷載引起的地基附加應(yīng)力最大處為后翼下兩個(gè)主起落架中間點(diǎn)(A點(diǎn))和機(jī)體主起落架的中點(diǎn)(B點(diǎn))，如圖3所示。

1)布辛奈斯克法計(jì)算結(jié)果

圖3 A380起落架荷載計(jì)算簡圖

泥面以上填土厚度預(yù)計(jì)為2.0～2.5 m，填土面以上設(shè)置1.0 m厚填石渣層(基床層)。附加應(yīng)力采用布辛奈斯克法計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以確定:①泥面以上填土厚度2.0 m(即泥面位于半剛性基層下3.0 m)時(shí)，空客A380在B點(diǎn)泥面產(chǎn)生的附加應(yīng)力為43 kPa;泥面以上填土厚度2.5 m(即泥面位于半剛性基層下3.5 m)時(shí)，空客A380在B點(diǎn)泥面產(chǎn)生的附加應(yīng)力為37 kPa。②在填土厚度＜4.0 m(即泥面位于半剛性基層下5.0 m以內(nèi))時(shí)，機(jī)體主起落架中點(diǎn)(B點(diǎn))的地基附加應(yīng)力最大;在填土厚度＞4.0 m(即泥面位于半剛性基層下超過5.0 m)時(shí)，后翼下兩個(gè)主起落架中間點(diǎn)(A點(diǎn))的地基附加應(yīng)力和B點(diǎn)基本相等。

圖4 荷載隨深度擴(kuò)散曲線

2)有限元計(jì)算結(jié)果

采用Midas有限元計(jì)算軟件，對(duì)飛機(jī)荷載造成的地層附加應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。由于道面結(jié)構(gòu)層厚度和填石渣層的厚度是固定的，變化的只有填土層的厚度。為方便起見，分別按填土2.0 m和2.5 m計(jì)算其對(duì)應(yīng)的地基附加應(yīng)力。路基材料力學(xué)參數(shù)如表2所示，計(jì)算模型如圖5所示。

①泥面上填土厚度2.0 m。泥面上填土厚度2.0 m時(shí)，飛機(jī)機(jī)體主起落架和后翼下主起落架下方地基附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

②泥面上填土厚度2.5 m。泥面上填土厚度2.5 m時(shí)，飛機(jī)機(jī)體主起落架和后翼下主起落架下方地基附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

表2 路基材料力學(xué)參數(shù)

圖5 計(jì)算模型

圖6 填土2.0 m時(shí)不同計(jì)算點(diǎn)地基附加應(yīng)力

由圖6和圖7可以看出:泥面以上填土厚度2.0 m時(shí)，機(jī)體主起落架下方和后翼下主起落架下方泥面的附加應(yīng)力分別為41.7，32.7 kPa;泥面上填土厚度2.5 m時(shí)，機(jī)體主起落架下方和后翼下主起落架下方泥面的附加應(yīng)力分別為34.7，27.9 kPa。

圖7 填土2.5 m時(shí)不同計(jì)算點(diǎn)地基附加應(yīng)力

3)兩種方法的對(duì)比分析

由以上分析可知，Midas有限元法計(jì)算填土厚度2.0，2.5 m時(shí)飛機(jī)附加荷載在泥面產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力最大值分別為41.7，34.7 kPa，且均位于機(jī)體主起落架中點(diǎn)下方;布辛奈斯克法計(jì)算結(jié)果則為43，37 kPa，也位于機(jī)體主起落架中點(diǎn)下方。兩種方法計(jì)算結(jié)果基本一致。

4 場道預(yù)壓荷載取值

根據(jù)預(yù)壓荷載公式p≥p1+p2+ψcp3，將填土2.0，2.5 m對(duì)應(yīng)的飛機(jī)荷載在泥面產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力最大值41.7，34.7 kPa帶入，可求得場道使用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，如表3所示。

表3 場道使用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合

國內(nèi)部分沿海機(jī)場場道采用插板排水固結(jié)堆載預(yù)壓法處理時(shí)，預(yù)壓荷載取值如表4所示。

表4 國內(nèi)部分沿海機(jī)場場道預(yù)壓荷載取值

一般情況下，機(jī)場場道泥面以上的填土厚度≥2.0 m，由表4可知計(jì)算的使用荷載在70 kPa以下。國內(nèi)部分機(jī)場在選擇預(yù)壓荷載時(shí)，考慮了可靠度、最不利工況等因素，都適當(dāng)提高了預(yù)壓荷載，如深圳機(jī)場二跑道、寧波機(jī)場、珠海機(jī)場等。廈門新機(jī)場地基處理一期工程泥面以上填土厚度在2.0～2.5 m，建議設(shè)計(jì)預(yù)壓荷載取80 kPa，荷載強(qiáng)度相當(dāng)于預(yù)壓土(砂)5.0 m。在填土厚度較厚的區(qū)域可適當(dāng)減少預(yù)壓荷載的取值。

5 結(jié)論

1)布辛奈斯克法和有限元法計(jì)算的空客A380在泥面產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力基本相符。在填土厚度＜4.0 m(即泥面位于半剛性基層下5.0 m以內(nèi))時(shí)，機(jī)體主起落架中點(diǎn)下地基附加應(yīng)力最大;在填土厚度＞4.0 m(即泥面位于半剛性基層下超過5.0 m)時(shí)，機(jī)體主起落架中點(diǎn)和后翼下兩個(gè)主起落架中間點(diǎn)的地基附加應(yīng)力基本相等。

2)當(dāng)采用排水固結(jié)堆載預(yù)壓法處理機(jī)場場道軟基時(shí)，泥面以上填土厚度越小，預(yù)壓荷載取值越大。在選擇機(jī)場場道預(yù)壓荷載時(shí)，考慮可靠度、最不利工況等因素，應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)壓荷載。

3)廈門新機(jī)場地基處理一期工程泥面以上填土厚度2.0～2.5 m，建議場道地基處理設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)壓荷載取80 kPa，相當(dāng)于預(yù)壓土(砂)5.0 m。在填土厚度較厚的區(qū)域，可適當(dāng)減小預(yù)壓荷載。

［1］咼潤華，凌建明.飛機(jī)荷載作用下場道地基附加應(yīng)力特征［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29(3):288-293.

［2］許金東，鄧子辰.機(jī)場剛性道面動(dòng)力分析［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［3］張磊，高玉峰，王軍.飛機(jī)荷載作用下溫州機(jī)場超固結(jié)軟粘土地基變形研究［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，35(3):59-64.

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTS 144-1—2010 港口工程荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.