排水固结法处理机场场道地基预压荷载取值研究

林 晖

(厦门路桥建设集团有限公司，福建厦门 361000)

当采用排水固结预压法处理软基时，堆载的强度应大于或等于以后的使用荷载，所以需要计算机场场道的使用荷载。国内外对飞机荷载计算研究较少。呙润华等［1］采用多层弹性体系理论对飞机荷载作用下机场土基的附加应力及其特征进行了分析。许金东等［2］对飞机作用于机场刚性道面上的动力荷载进行了实测，应用有限元和边界元方法建立了机场刚性道面体系静力和动力分析模型，并进行了室内试验论证。张磊等［3］选取1/4余弦波模拟飞机循环降落荷载，计算得到温州机场新跑道软黏土地基在空客A380作用下附加应力的分布情况。

预压荷载选取得是否合理，决定了软基处理的质量，关系着工程投资，但现有的规范对预压荷载取值并没有明确规定，研究机场场道的预压荷载取值具有现实意义。国内的许多学者虽然采用了不同的方法对飞机附加应力进行了计算，但是都没有考虑道面结构、基床层、地基填土的特点。本文结合机场场道处理后地基结构特点和荷载类型，采用布辛奈斯克法和有限元法计算不同工况下空客A380造成的地基附加应力，以确定机场场道预压荷载的合理取值。

1 计算条件

机场场道地基结构如图1所示。

图1 机场场道地基结构(单位:m)

软基采用排水固结法处理时，沉降计算应考虑泥面以上总荷载作用效应。飞行区场道的作用荷载强度按照以下条件换算:

1)道面结构层自上而下为一层42 cm厚水泥混凝土层、两层半刚性基层。其中两基层均采用18 cm厚的水泥稳定碎石。

2)基床层(填石渣层)厚度1.0 m。

3)为了满足承载力的要求，泥面以上填土厚度在2.0 m以上，选取填土厚度2.0，2.5 m进行计算。

4)按当今最大飞行器空客A380后起落架荷载组合效应最大点计算飞机移动荷载作用效应。

2 等效使用荷载

按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)［4］和《港口工程荷载规范》(JTS 144-1—2010)［5］，地基处理后泥面以上荷载标准组合按下式计算。

式中:γ为填土的重度，kN/m3;H为填土高度，m;p1为道面结构层自重，kPa;p2为土基交工面以上基床层自重，kPa;p3为飞机对淤泥面产生的附加荷载，与填土层厚度有关;ψc为荷载组合系数，按国标取0.7。

根据排水固结堆载预压原理，预压荷载p≥p1+p2+ψcp3，其中p1和p2按下述计算。

1)道面结构荷载p1计算。道面结构层的换算荷载 p1为18.5 kPa。

2)填石基床层自重p2计算。基床为1.0 m厚填石渣层，换算荷载p2为22.0 kPa。

3 飞机活荷载对地基产生的附加应力

飞机计算参数:当今4F级机场荷载最大的飞机为空客A380，该飞机在起飞时最大重量5 620 kN。A380飞机轮胎分布如图2所示，飞机起飞时各起落架的最大重量如表1所示。

图2 A380起落架与轮胎的平面位置示意(单位:mm)

表1 A380起飞时各起落架的最大重量 kN

由于道面结构采用刚性混凝土及半刚性基层，地基附加应力采用布辛奈斯克法和有限元法计算。计算中考虑各起落架之间的相互影响。

经分析，飞机荷载引起的地基附加应力最大处为后翼下两个主起落架中间点(A点)和机体主起落架的中点(B点)，如图3所示。

1)布辛奈斯克法计算结果

图3 A380起落架荷载计算简图

泥面以上填土厚度预计为2.0～2.5 m，填土面以上设置1.0 m厚填石渣层(基床层)。附加应力采用布辛奈斯克法计算，结果如图4所示。由图4可以确定:①泥面以上填土厚度2.0 m(即泥面位于半刚性基层下3.0 m)时，空客A380在B点泥面产生的附加应力为43 kPa;泥面以上填土厚度2.5 m(即泥面位于半刚性基层下3.5 m)时，空客A380在B点泥面产生的附加应力为37 kPa。②在填土厚度＜4.0 m(即泥面位于半刚性基层下5.0 m以内)时，机体主起落架中点(B点)的地基附加应力最大;在填土厚度＞4.0 m(即泥面位于半刚性基层下超过5.0 m)时，后翼下两个主起落架中间点(A点)的地基附加应力和B点基本相等。

图4 荷载随深度扩散曲线

2)有限元计算结果

采用Midas有限元计算软件，对飞机荷载造成的地层附加应力进行了计算。由于道面结构层厚度和填石渣层的厚度是固定的，变化的只有填土层的厚度。为方便起见，分别按填土2.0 m和2.5 m计算其对应的地基附加应力。路基材料力学参数如表2所示，计算模型如图5所示。

①泥面上填土厚度2.0 m。泥面上填土厚度2.0 m时，飞机机体主起落架和后翼下主起落架下方地基附加应力计算结果如图6所示。

②泥面上填土厚度2.5 m。泥面上填土厚度2.5 m时，飞机机体主起落架和后翼下主起落架下方地基附加应力计算结果如图7所示。

表2 路基材料力学参数

图5 计算模型

图6 填土2.0 m时不同计算点地基附加应力

由图6和图7可以看出:泥面以上填土厚度2.0 m时，机体主起落架下方和后翼下主起落架下方泥面的附加应力分别为41.7，32.7 kPa;泥面上填土厚度2.5 m时，机体主起落架下方和后翼下主起落架下方泥面的附加应力分别为34.7，27.9 kPa。

图7 填土2.5 m时不同计算点地基附加应力

3)两种方法的对比分析

由以上分析可知，Midas有限元法计算填土厚度2.0，2.5 m时飞机附加荷载在泥面产生的地基附加应力最大值分别为41.7，34.7 kPa，且均位于机体主起落架中点下方;布辛奈斯克法计算结果则为43，37 kPa，也位于机体主起落架中点下方。两种方法计算结果基本一致。

4 场道预压荷载取值

根据预压荷载公式p≥p1+p2+ψcp3，将填土2.0，2.5 m对应的飞机荷载在泥面产生的地基附加应力最大值41.7，34.7 kPa带入，可求得场道使用荷载标准组合，如表3所示。

表3 场道使用荷载标准组合

国内部分沿海机场场道采用插板排水固结堆载预压法处理时，预压荷载取值如表4所示。

表4 国内部分沿海机场场道预压荷载取值

一般情况下，机场场道泥面以上的填土厚度≥2.0 m，由表4可知计算的使用荷载在70 kPa以下。国内部分机场在选择预压荷载时，考虑了可靠度、最不利工况等因素，都适当提高了预压荷载，如深圳机场二跑道、宁波机场、珠海机场等。厦门新机场地基处理一期工程泥面以上填土厚度在2.0～2.5 m，建议设计预压荷载取80 kPa，荷载强度相当于预压土(砂)5.0 m。在填土厚度较厚的区域可适当减少预压荷载的取值。

5 结论

1)布辛奈斯克法和有限元法计算的空客A380在泥面产生的地基附加应力基本相符。在填土厚度＜4.0 m(即泥面位于半刚性基层下5.0 m以内)时，机体主起落架中点下地基附加应力最大;在填土厚度＞4.0 m(即泥面位于半刚性基层下超过5.0 m)时，机体主起落架中点和后翼下两个主起落架中间点的地基附加应力基本相等。

2)当采用排水固结堆载预压法处理机场场道软基时，泥面以上填土厚度越小，预压荷载取值越大。在选择机场场道预压荷载时，考虑可靠度、最不利工况等因素，应适当提高预压荷载。

3)厦门新机场地基处理一期工程泥面以上填土厚度2.0～2.5 m，建议场道地基处理设计时预压荷载取80 kPa，相当于预压土(砂)5.0 m。在填土厚度较厚的区域，可适当减小预压荷载。

［1］呙润华，凌建明.飞机荷载作用下场道地基附加应力特征［J］.同济大学学报，2001，29(3):288-293.

［2］许金东，邓子辰.机场刚性道面动力分析［M］.西安:西北工业大学出版社，2002.

［3］张磊，高玉峰，王军.飞机荷载作用下温州机场超固结软粘土地基变形研究［J］.三峡大学学报:自然科学版，2013，35(3):59-64.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50009—2012 建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［5］中华人民共和国交通运输部.JTS 144-1—2010 港口工程荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.