機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)

李春波

（中國(guó)民航工程咨詢有限公司，北京100621）

0 引言

在機(jī)場(chǎng)工程的建設(shè)中，各種施工工藝和技術(shù)日漸成熟，也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，可結(jié)合實(shí)際的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，選擇最為恰當(dāng)?shù)慕ㄔO(shè)工藝。機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)施工難度大，已經(jīng)成為機(jī)場(chǎng)工程的難點(diǎn)。在此類項(xiàng)目的實(shí)施過程中，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，注重對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和調(diào)整，確定科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方案作為后續(xù)施工的參考。未來各個(gè)機(jī)場(chǎng)工程中都應(yīng)重視瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)和施工創(chuàng)新。

1 機(jī)場(chǎng)道面的使用現(xiàn)狀

當(dāng)前，機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目呈現(xiàn)出數(shù)量增多、規(guī)模擴(kuò)大的趨勢(shì)，對(duì)道面施工有著嚴(yán)格的要求。通過對(duì)現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)道面使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，我國(guó)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)類型主要包括水泥混凝土道面和瀝青混凝土道面。結(jié)合我國(guó)機(jī)場(chǎng)道面的使用現(xiàn)狀得出，多數(shù)為水泥混凝土道面。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，采用瀝青混凝土道面的機(jī)場(chǎng)大約僅占主要通航機(jī)場(chǎng)總數(shù)的10%[1]。如今，在技術(shù)不斷進(jìn)步的過程中，瀝青混凝土道面施工工藝也日漸成熟，表現(xiàn)出諸多的性能優(yōu)勢(shì)，瀝青混凝土道面的應(yīng)用得到越來越多的重視。

2 機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)的主要方法

2.1 CBR 經(jīng)驗(yàn)法

就當(dāng)下國(guó)內(nèi)外機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目的使用情況來看，CBR 經(jīng)驗(yàn)法的應(yīng)用相對(duì)較多，在利用這一設(shè)計(jì)方法開展施工建設(shè)的過程中，最重要的兩個(gè)指標(biāo)是道基土和道面材料的參數(shù)。道面設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)為土基抗剪強(qiáng)度，道面失效的參考標(biāo)準(zhǔn)為土基變形量與道面輪轍量。通過目前研究的理論成果以及足尺試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果，擬合得出道面結(jié)構(gòu)厚度與CBR 值和飛機(jī)荷載作用次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。按照CBR 經(jīng)驗(yàn)法，基于不同飛機(jī)起落架構(gòu)型，累加所有機(jī)型的年作用次數(shù)，再通過上述經(jīng)驗(yàn)公式便可計(jì)算出較為合適的道面厚度參數(shù)[2]。

2.2 力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法

以往的經(jīng)典計(jì)算方法是以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)，將彈性模量和泊松比作為變量參數(shù)，把瀝青底部拉應(yīng)變及土基頂壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)因素，瀝青道面破壞指標(biāo)主要為瀝青混凝土的疲勞開裂和土基的永久變形。在道面設(shè)計(jì)方法和技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，一些學(xué)者提出了室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，將這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在實(shí)際的項(xiàng)目中，同樣可以輔助瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)。采用這種設(shè)計(jì)方法來開展設(shè)計(jì)工作，可將道面結(jié)構(gòu)離散為多個(gè)小單元，經(jīng)由數(shù)值模擬得出材料非線性、幾何非線性等復(fù)雜特性下的設(shè)計(jì)效果更為理想。

3 機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

3.1 多種機(jī)型下混合交通組成

在所有機(jī)場(chǎng)運(yùn)行過程中，并不是僅有一種型號(hào)的飛機(jī)，而是以多種機(jī)型共同運(yùn)行組合而成的混合交通流。在飛機(jī)起降的過程中，由于飛機(jī)型號(hào)不同，起落架的幾何構(gòu)型也存在較大區(qū)別，而這些區(qū)別最終引起道面受力的差異。在這種條件下的瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)，應(yīng)加強(qiáng)綜合分析?，F(xiàn)階段的設(shè)計(jì)條件下，美國(guó)開展的關(guān)于瀝青道面的設(shè)計(jì)更能反映機(jī)場(chǎng)的實(shí)際情況。以FAA 彈性層狀體系為基礎(chǔ)模型，荷載作用采用機(jī)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的機(jī)型組合，并不以單一設(shè)計(jì)機(jī)型為代表，能夠反映不同起落架構(gòu)型對(duì)道面的影響，并考慮設(shè)計(jì)年限內(nèi)機(jī)型的增長(zhǎng)率，以累積疲勞損壞開裂作為控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)瀝青道面的結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行計(jì)算。

3.2 多輪起落架荷載

不同型號(hào)飛機(jī)的起落架也存在著一定的結(jié)構(gòu)差異，但從根本上來看，起落架中都包含多個(gè)機(jī)輪。在飛機(jī)起降的過程中，多輪和單輪荷載條件下對(duì)道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響有著明顯的差異。在開展瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)過程中，有關(guān)設(shè)計(jì)人員需分析多輪荷載的當(dāng)量單輪化因素。國(guó)內(nèi)關(guān)于瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)，主要采用土基頂面的彎沉等效原則，在這一原則下，可在計(jì)算的過程中實(shí)現(xiàn)多輪荷載向當(dāng)量單輪荷載的科學(xué)轉(zhuǎn)化[3]。這種轉(zhuǎn)化需要一定的假設(shè)條件，即單輪與多輪起落架的全部輪印的接觸面積相同，同時(shí)對(duì)于道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，在相同的位置能夠引起相同的彎沉。雖然這一理論對(duì)瀝青混凝土道面有一定的作用，但是還并不成熟，在未來還有一定的發(fā)展空間。

3.3 輪跡橫向分布差異

當(dāng)飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)道面上運(yùn)行的過程中，飛機(jī)的中心線與相應(yīng)的道面標(biāo)志中線存在一定的偏差，這就導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)上不同的點(diǎn)位所承受的飛機(jī)荷載的作用次數(shù)與實(shí)際運(yùn)行次數(shù)在橫向分布上表現(xiàn)出差異。這種區(qū)別使得在瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)過程中，需考慮飛機(jī)輪荷的輪跡橫向作用分布特點(diǎn)，只有在考慮了這一因素的情況下，道面厚度才能夠更符合實(shí)際的要求。

3.4 環(huán)境氣候因素

瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)中，環(huán)境氣候因素同樣是需要重點(diǎn)考慮的因素。因?yàn)榫蜋C(jī)場(chǎng)道面本身來看，長(zhǎng)時(shí)間暴露于干濕、冷熱和凍融等環(huán)境中，都可能對(duì)道面造成顯著的影響。國(guó)內(nèi)外的很多機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目中，針對(duì)瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)，在考慮環(huán)境氣候因素的情況下，采用凍深的概念應(yīng)用在具體的設(shè)計(jì)工作中，明確規(guī)定了道面最小的防凍厚度。然而，這一設(shè)計(jì)方式僅僅考慮了凍深的因素，卻并未充分考慮降水、濕度與溫度等因素。

4 案例分析

4.1 工程概況

以國(guó)內(nèi)某中型機(jī)場(chǎng)為例，近期飛行區(qū)指標(biāo)設(shè)計(jì)為4D，遠(yuǎn)期根據(jù)實(shí)際發(fā)展需求升級(jí)為4E。在此機(jī)場(chǎng)的飛行區(qū)工程中，建設(shè)有一條長(zhǎng)2800m 的跑道，道面寬度為45m，兩側(cè)各設(shè)7.5m 寬的道肩。為保障機(jī)場(chǎng)的可靠運(yùn)行，在工程項(xiàng)目中同步建有滑行道系統(tǒng)、站坪、航站區(qū)、工作區(qū)等各種配套設(shè)施。

根據(jù)對(duì)此工程項(xiàng)目所處區(qū)域內(nèi)的自然條件分析，在開展瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮氣溫、降雨量、紫外線等因素。從氣溫角度來看，該區(qū)域全年均溫22℃，最高溫38℃，最低溫-2.0℃，根據(jù)對(duì)此氣溫條件的分析，此機(jī)場(chǎng)工程所處區(qū)域內(nèi)的溫度條件符合瀝青混凝土道面施工的溫度條件要求。結(jié)合對(duì)此地的降雨量分析，歷年降雨較為充沛，平均降水量達(dá)到1550mm，年最大降雨量為2200mm，年平均降雨日數(shù)為183d。瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)受到雨水的影響較大，在雨水與荷載的同步作用下，道面可能發(fā)生水損壞問題，這就要求在開展瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)的過程中，需從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮減小水損壞的措施。此機(jī)場(chǎng)工程所處區(qū)域內(nèi)，全年日照時(shí)間長(zhǎng)但紫外線不強(qiáng)，適合瀝青混凝土道面建設(shè)。

4.2 瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)方案

4.2.1 道面分區(qū)

通過對(duì)此機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析，結(jié)合相關(guān)專家給出的項(xiàng)目意見以及國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)的通用做法，在跑道道面、快速出口滑行道、跑道等待位置與跑道之間的垂直聯(lián)絡(luò)道部分，可使用瀝青混凝土道面。在其他位置，如需要長(zhǎng)時(shí)間停放飛機(jī)的站坪以及易產(chǎn)生輪轍的聯(lián)絡(luò)道轉(zhuǎn)彎位置，則采用水泥混凝土道面。

4.2.2 道面坡度設(shè)計(jì)

由于此項(xiàng)目所在地的降雨量充沛，在瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)過程中，為減少雨水對(duì)道面的侵蝕，應(yīng)加強(qiáng)排水設(shè)計(jì)，以避免雨水在道面的集中。為滿足快速排水的需求，需加大道面橫坡。跑道縱坡應(yīng)根據(jù)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，跑道兩端各700m 范圍內(nèi)采用0.7%，其余部分采用0.8%，最大限度地節(jié)省土方，跑道及滑行道的道面橫坡設(shè)置為1.2%，道肩橫坡采用1.7%[4]。

4.3 道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3.1 結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算

在瀝青混凝土道面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為得到最佳的設(shè)計(jì)效果，可在設(shè)計(jì)的過程中引入CBR 經(jīng)驗(yàn)法、彈性層狀體系分析法、有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算法。就我國(guó)當(dāng)前的瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)來看，有關(guān)于這一方面的設(shè)計(jì)規(guī)范，在具體的設(shè)計(jì)工作中可參考美國(guó)FAA 發(fā)布的咨詢通告圖和相關(guān)程序。

CBR 設(shè)計(jì)方法下，當(dāng)在瀝青混凝土道面中采用CBR 設(shè)計(jì)方法時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)機(jī)場(chǎng)航空業(yè)務(wù)量的預(yù)測(cè)值進(jìn)行分析，機(jī)型組合選擇C 類∶D 類∶E 類占比為80%∶15%∶5%，起降比例相同。據(jù)此，可對(duì)設(shè)計(jì)年限內(nèi)各種飛機(jī)的平均年起飛架次進(jìn)行估算，具體可采用以下公式（1）：

式（1）中:R1、R2、W1、W2分別表示當(dāng)量設(shè)計(jì)飛機(jī)起飛架次、換算為設(shè)計(jì)飛機(jī)主起落架構(gòu)型一致的起飛架次、設(shè)計(jì)飛機(jī)單輪荷載、擬換算飛機(jī)單輪荷載。

根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果分析，該機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最終確定的方案為：19cm 厚的瀝青混凝土面層，36cm 厚的水泥穩(wěn)定碎石基層，級(jí)配碎石墊層的厚度待定。按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，瀝青混凝土材料換算系數(shù)為1.6，水泥穩(wěn)定碎石基層、底基層換算系數(shù)分別為1.4、1.6，級(jí)配碎石墊層換算系數(shù)為1.2，將這些數(shù)據(jù)套用進(jìn)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，最終得出：級(jí)配碎石厚度為20cm。在這種情況下，道面結(jié)構(gòu)總厚度超過了土基CBR=20 時(shí)的當(dāng)量厚度。這一結(jié)果說明，在瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)中，當(dāng)所確定的墊層厚度為20cm 時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，還符合實(shí)際需求[5]。

4.3.2 結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)

該機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)中，依據(jù)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，瀝青混凝土道面面層主要為上、中、下三層，總厚度為19cm，下設(shè)一層土工布與2cm 厚的AC-5 應(yīng)力吸收層，基層采用兩層各18cm 厚的水泥穩(wěn)定碎石，墊層為20cm 厚的級(jí)配碎石。

面層包含上、中、下三層，瀝青材料均采用AB-70機(jī)場(chǎng)道面石油瀝青。 上面層采用厚度為5cm 的SMA-16 改性瀝青混凝土，利用SBS 改性劑進(jìn)行改性，級(jí)配為S 型，此種結(jié)構(gòu)使混合料的密實(shí)性更好。中面層采用厚度為6cm 的AC-20 改性瀝青混凝土，同樣采用SBS 進(jìn)行改性。下面層采用厚度為8cm 的AC-25 瀝青混凝土。為使面層的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到要求，在中、下面層添加適當(dāng)?shù)目管囖H劑。

此瀝青混凝土道面中的基層為水泥穩(wěn)定碎石，在極佳的條件下，使用的材料應(yīng)符合以下要求：水泥含量在4%以內(nèi)，7d 浸水的抗壓強(qiáng)度在3.0～4.5MPa 之間，壓實(shí)度為98%。

墊層采用的是20cm 厚的級(jí)配碎石，最大粒徑不超過5cm，壓實(shí)度大于96%。

4.3.3 優(yōu)化道面性能的措施

在該機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，為提高瀝青混凝土道面的使用性能，以使該道面在設(shè)計(jì)年限內(nèi)保持最佳的使用效果，應(yīng)在開展結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)過程中，做好各方面的優(yōu)化和管理。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可從以下幾個(gè)方面來實(shí)施：

（1）在上面層中采用SMA 混合料，在上、中面層中均使用改性瀝青，并在瀝青混合料中添加一定的穩(wěn)定纖維，通過這些添加劑可使混合料的孔隙率得到有效控制，從而起到改善混合料性能的作用，最終使道面擁有更好的穩(wěn)定性。

（2）由于大氣溫度的影響，瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)過程中，需保障瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。為滿足這一要求，可在中、下面層中選用骨料粒徑相對(duì)較大的AC-20 或AC-25 混合料級(jí)配，并使用改性瀝青和抗車轍劑，提高結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定性。

（3）在半剛性基層上設(shè)置應(yīng)力吸收層，由該應(yīng)力吸收層來進(jìn)行隔離與防水，可減少面層中的反射裂縫。

（4）盡可能選用厚度較大的瀝青面層，使道面具有更高的環(huán)境適應(yīng)能力，即使為軟土地基區(qū)域，道面沉降也可得到有效的控制。

5 結(jié)語

近年來，隨著機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目中建設(shè)部門對(duì)道面建設(shè)效率的要求越來越高，很多機(jī)場(chǎng)都采用瀝青混凝土道面，其具有施工速度快且不需養(yǎng)護(hù)的特點(diǎn)，但是這種道面結(jié)構(gòu)施工難度較大，為保障最佳的施工效果，工程人員需在瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)工作中，充分考慮各個(gè)方面的影響因素，采用各種設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，保障設(shè)計(jì)效果，進(jìn)而確保最終機(jī)場(chǎng)道面的工程質(zhì)量。