机场复合道面注浆工程效果评价方法研究

柴震林 ，袁 捷 ，罗 勇

（1.上海机场（集团）有限公司建设开发公司，上海 201207；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092；3.上海民航新时代机场设计研究院有限公司，上海 200335）

中国部分机场兴建时间很早，如虹桥机场东跑道兴建时间可追溯至上世纪20年代，成都双流机场可追溯至上世纪30年代，使用时间都远超过一般水泥混凝土道面的设计寿命。机场通过对道面不断改扩建以延续道面的使用寿命，但由于道面基础属于隐蔽工程，要对基础进行处置难度很大，通常采用的方法主要是注浆。注浆主要起到以下2点作用：①通过提高基础强度可减少面层结构的荷载应力[1-2]；②可减少道面脱空现象，提高基础的均匀性[3-5]。注浆工程属于隐蔽工程，中国尚缺乏对道面注浆工程效果评价完善的方法，实际工程中通常采用注浆前后FWD测试弯沉的对比来作为评价。这种方法在一般水泥混凝土道面注浆工程效果评价中应用尚可，但在本文依托工程（“白+黑”道面结构）却无法应用。因为本次注浆工程施工周期长4个月，外界温差最大近30℃。而上面层沥青混凝土材料属于温度敏感性材料，材料模量会随着温度改变而产生显著变化，环境因素对弯沉测试结果影响很大。如直接采用注浆前后实测FWD弯沉数据对比来评价注浆效果必然导致偏差很大。因此，本文以实际工程为依托，开展复合道面注浆工程效果评价方法的研究，其关键是对实测弯沉数据修正，以消除温度等外界因素的干扰。

1 依托工程介绍

上海某4E机场跑道需要进行第4次沥青混凝土加铺改造（图1为加铺前道面结构示意图）。经现场测试，道面基础存在局部强度不足、整体差异大和脱空等问题。因此决定在加铺前先对基础进行注浆加固处置，处置标准为基层顶面反应模量平均值由50 kN/m3提升至60 kN/m3。为科学评价注浆效果，需要制定科学可行的注浆效果评价方法。项目组确定了基于FWD弯沉的基本评价思路，为了提高注浆效果评价的可信度，确定了原位测试的基本原则。即注浆前后弯沉测试点位完全重合，从而消除了测试点位不同可能带来的偏差。但是专家分析后认为，即使采用FWD原位测试进行注浆效果评价，仍会存在以下一些问题：

图1 试验段道面结构Fig.1 Cross-section of testing pavement

1）测试荷载误差。FWD测试设备可以通过电脑调节测试荷载，但实际测试荷载有一定的波动性。现场试验结果如下：设定测试荷载为140 kN，共完成3组测试数据，实测荷载分别为140.20 kN、142.70 kN、146.55 kN，最大偏差在5%左右。由于注浆工程只能小幅度提高基础强度，5%的误差会对注浆效果评价产生显著影响。

2）环境温度差异误差。本次注浆工程工期长，从春末持续到秋初，环境温差很大。以本次注浆工程试验段为例，共完成3次FWD弯沉测试，温度分别为14.6℃、10.8℃和2.1℃。沥青混凝土是温度敏感性材料，如此大的温差使得材料模量受温度影响变化后所导致的弯沉差异甚至超过了注浆效果本身带来的弯沉差异。

2 基于FWD弯沉测试的注浆效果评价方法

要建立注浆效果评价方法的关键有2点：①确定实测弯沉数据的修正方法，包括荷载修正和测试修正；②确定合格标准，即基层顶面反应模量由50 kN/m3提升至60 kN/m3的对应的弯沉值。

2.1 弯沉数据修正方法

为了提高弯沉数据的可对比性，需要将弯沉数据修正至统一标准，其中最主要的修正项目为测试荷载和温度。

2.1.1 荷载修正

根据路面力学理论，一般情况下路面/道面面层材料都假定为线弹性材料，根据计算公式，道面弯沉与荷载大小呈线性关系[2]。因此，弯沉数据的荷载修正可通过线性修正方法，将实测试荷载修正至标准荷载。对于E类机场，标准荷载一般采用140 kN。

2.1.2 温度修正

由于测试时间跨度长，存在较大温度差异，温差会影响沥青混凝土材料模量，进而影响到弯沉测试值。因此，有必要将不同温度条件下测试得到的弯沉修正到标准温度条件下弯沉。公路规范[6]对于沥青路面温度修正的建议：当加铺层厚度不大于5 cm时，或者路表温度在20±2℃范围内时，不需温度修正，其他情况应进行温度-弯沉修正。但是规范中仅给出对于BZZ-100标准轴载测试条件下贝克曼梁式弯沉的温度修正建议公式，无法直接在FWD弯沉测试中采用。参考其技术思路，本文采用以下方法进行温度-弯沉修正。

1）采用公路沥青路面设计规范的温度梯度公式预估沥青加铺层内部的平均温度T0

式中：T为沥青加铺层内部的平均温度（℃）；a为系数，a=-2.65+0.52h；b 为系数，b=0.62-0.008h；T0为测定时的路表温度与前5 h平均气温的平均值（℃）；h为沥青加铺层厚度（cm）。

2）根据沥青材料模量-温度线性关系假定推算沥青加铺层因温度引起的模量变化

式中：ET为T温度时沥青加铺层的模量（MPa）；E20为20℃时沥青加铺层的模量，根据道面结构实测参数确定（MPa）；a为系数，参考公路沥青路面设计规范中沥青混凝土15℃时推荐模量中值（2000 MPa）和20℃时推荐模量中值（1400 MPa）进行线性内差，a的推荐值为120；T为测试时沥青加铺层内部的平均温度（℃）。

3）采用有限元数值模拟确定温度修正系数δT

采用有限元软件，以实际工程参数建立3D有限元模型，面层沥青混凝土材料模量分别取20℃标准值和实际测试温度T所对应的模量值。通过有限元软件计算出20℃标准弯沉值和实际温度T对应的弯沉值，两者之间的比值即为δT。有限元模型的详细介绍见下文。需要指出的是，注浆前测试弯沉温度修正时，模型中的基层顶面反应模量取实际值50 kN/m3，注浆后测试弯沉温度修正时，模型中的基层顶面反应模量取设计值 60 kN/m3。

2.2 建立注浆效果合格评价标准

设计方对注浆工程提出的要求有2点：①提高基础强度，基层顶面反应模量平均值由50 kN/m3提高到60 kN/m3，且达标率不低于80%；②提高基础均匀性，要求实测弯沉值的变异系数由50%下降到15%以内。第②点要求评价相对简单，只需对测试弯沉值进行荷载和温度修正，再统计修正后弯沉值的变异系数即可。但第①点较难评价，因为注浆后基层顶面反应模量无法直接测试得到，现场只能测试得到弯沉数据。基层顶面反应模量增加对应的是弯沉值减小。因此，需要计算出基层顶面反应模量由50 kN/m3提高到60 kN/m3所对应的弯沉值折减系数δ。本文通过采用有限元软件为平台，通过数值模拟得到理论折减系数δ。

要计算理论折减系数δ的关键在于2个方面：①准确掌握道面当前的结构参数；②构建一个合理的弯沉响应理论模型。本文以依托工程为例，详述阐述理论折减系数δ的确定过程。

1）确定道面结构。该跑道道面结构非常复杂，有过多次改扩建和加铺改造。通过现场钻芯取样和查阅相关技术资料，确定跑道结构如表1所示。整条跑道沿纵向道面结构有所差异，根据道面结构的不同共分为4个区，分别定为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区。

表1 跑道各区域道面结构信息Tab.1 Regional runway pavement structural information

2）确定道面结构参数。对现场钻芯取样材料进行试验测试，结合规范推荐取值确定面层结构参数。注浆前基层顶面反应模量K是通过现场开挖，由承载板试验得到K为50 kN/m3。有限元模型中的道面结构参数取值如表2所示。

表2 有限元模型中道面结构参数取值Tab.2 Parameter value of pavement structure in finite element model

3）弯沉响应理论分析模型采用通用有限元软件ABAQUS构建，计算内容为基层顶面反应模量K分别为50 kN/m3和60 kN/m3时的理论弯沉值。分析模型示意如图2所示。

图2 有限元模型示意图Fig.2 Finite element model diagram

a）对沥青加铺层和水泥混凝土板块实体建模，水泥板以下采用K地基模拟，模型平面尺寸为5 m×5 m，沥青加铺层分4层，水泥道面根据实际结构分为1层或者2层，其中I、IV区水泥道面为单层板结构，II、III区水泥道面为双层板结构，具体参数如表1所示。

b）沥青加铺层之间以及沥青加铺层与水泥板之间假定为完全连续。对于II、III区水泥道面的双层板结构，鉴于道面设计和施工时并未做增加层间接触的考虑，且根据现场钻芯取样，双层板芯样完全分离，故假定双层板之间为完全滑动。

c）采用静态荷载模拟FWD的荷载作用，荷载接触面形状简化为正方形，接触应力在承载板范围内均匀分布，荷载参数如表3所示。

表3 模型中的荷载参数Tab.3 Load parameters in model

d）单元模型选用8节点三维线性非协调等参单元（C3D8I）。

4）通过有限元模型分别计算不同基层顶面反应模量K下理论弯沉值，如表4所示。

表4 不同道面结构下的理论弯沉值Tab.4 Theoreticaldeflectionvaluesunderdifferentpavementstructures

5）计算基层顶面反应模量60 kN/m3和50 kN/m3时弯沉值的比值，即为各区域道面的理论折减系数δ，如表5所示。

表5 跑道各区域注浆效果合格的理论折减系数Tab.5 Theoretical reduction factor of regional runway grouting quality standards

将跑道各区域实测弯沉值修正，可计算得到实际折减系数。当实际折减系数小于表5中各区域对应的理论折减系数时，即认为该点注浆效果合格。

3 试验段注浆工程效果评价

本文以依托工程注浆试验段的效果评价为例，检验本文提出的注浆效果评价方法的可行性。

3.1 评价技术路线

将前文所述的注浆效果评价方法以流程图表示，如图3所示。本文依托案例的注浆效果评价分为两方面：①基础强度的提高；②基础均匀性的改善。

图3 试验段注浆工程效果评价流程Fig.3 Evaluation procedure of grouting quality of test section

3.2 注浆效果评价

注浆前实测弯沉数据如表6所示。测试时的路表温度为14.6℃，沥青加铺层厚度为25 cm，根据式（1）可推算沥青加铺层内部的平均温度T=16.5℃。根据式（2）可推算沥青各个加铺层材料模量随温度的变化情况，如表7所示。

表6 试验段注浆前FWD弯沉实测数据Tab.6 FWD deflectionmeasurementdataoftestsectionbeforegrouting

表7 沥青加铺层材料模量随温度的修正Tab.7 Modulus of asphalt overlay corrected with temperature

采用弯沉响应理论分析模型分别计算20℃和16.5℃条件下的道面结构在140 kN（承载板的直径为30 cm）静载作用下的理论弯沉值，得到温度修正系数δT=/=0.8522。将表6中的实测弯沉值分别进行荷载和温度修正，得到修正后的标准弯沉值，如表8所示。

注浆后，分别在工程完工14天和90天进行了原位FWD弯沉测试，测试时路表温度分别为10.8℃和2.1℃。根据上述方法分别计算得到10.8℃和2.1℃的温度修正系数为0.8133和0.7627（理论模型中的基层顶面反应模量K=60 kN/m3），对实测弯沉数据进行荷载和温度修正，修正前后的弯沉数据如表8所示。

由表8中可以得出，14天的弯沉值的合格率为72%，90天弯沉值的合格率为91%，高于设计提出的达标率为不低于80%的要求。注浆前后的修正弯沉数据对比如图4所示，图中纵坐标为各测点弯沉值，包括注浆前、注浆后14天和注浆后90天3种工况，横坐标为各测点编号，为了对比明显，将弯沉值由小到大进行了排序。从图4中可以看出，注浆后道面弯沉值减小趋势明显，且时间越长，效果越显著。

表8 注浆后实测弯沉和修正弯沉Tab.8 Measured deflection and revisions deflection after grouting

图4 注浆前后弯沉数据对比Fig.4 Comparison of deflection data before and after grouting

4 结语

1）基于理论分析和有限元数值模拟，提出了机场复合道面实测弯沉数据的荷载修正和温度修正方法。

2）提出了机场复合道面注浆工程效果评价方法，并以依托工程为案例，详细给出了实测弯沉数据修正及注浆效果评价过程。

3）本文提出的复合道面注浆效果评价方法在依托工程中得到应用。工程验证表明，该方法可比较准确地评价复杂条件下的道面注浆效果，可为其他类似工程提供借鉴和参考。

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