机场道面抢修中测试技术的对比分析

张俊，许巍，王江，全泽群，苏立海，谭万鹏，陈铁友，刘森林

1）空军工程大学航空工程学院，陕西西安 710038；2）空军后勤部，北京 100009；3）中国人民解放军95666部队，四川成都 610066；4）中国人民解放军95857部队，湖北孝感432011

空军作战需要依托机场，然而，恰恰是在机场空军力量最为脆弱.对于敌方来说，机场是最直接且效费比高的打击目标，因为在地面上击毁飞机比在空中容易得多，摧毁保障飞机的基础设施，实质上就摧毁了其空战能力［1］.因此，在机场遇袭后，能否快速对受损道面进行修复，使其满足飞机的起降运行需求，就成为了制约空军战斗力的一个重要因素［2］.

机场遭到袭击后，可能会有数百个常规弹坑、地下弹坑、坑槽和未爆弹.完整的机场抢修需要进行毁伤评估、确定最小起降带、未爆弹排除、作业面清理、修复范围确定、切割破碎、飞散物回填、基层及面层施工、道面清扫、应急灯光、标志和飞机拦阻设施布置等阶段.其中，修复范围确定、飞散物回填、基层和面层施工为道面修复的关键环节，对机场抢修的总效率具有决定作用，要求在保证质量的前提下尽量简单快捷完成［3-4］.

如何快速实施机场毁伤评估、最小起降带选择以及道面毁伤修复，历来是美国军队土木工程支援保障的重心所在.美军从第2次世界大战起即开始研究机场抢修，抢修技术先后包括第2次世界大战中的木材、穿孔钢板和赫森麻席，越战中的AM-2铝道面板，20 世纪70—80 年代研制的玻璃钢道面板，1992年列装的轻量化折叠玻璃钢道面板，以及近年使用的快凝流动填料、膨胀聚氨酯泡沫和快硬混凝土等［1-6］.关于道面抢修过程中的测试，美国军队提出了以目测法确定修复范围，以动态圆锥贯入仪（dynamic cone penetrometer，DCP）测试加州承载比（California bearing ratio，CBR），以轻型落锤式弯沉仪（light weight deflectometer，LWD）、重型落锤式弯沉仪（heavy weight deflectometer，HWD）和飞机荷载模拟加载车等方法评估修复道面承载能力［5-7］.但是，已开展的机场道面抢修研究及实践表明这些测试方法不能完全满足使用需求［2，8］.为此，本研究针对机场道面抢修中修复范围确定、结构承载力测试和道面表面特性测试等关键项目，对比分析了相关测试方法，并提出后续发展建议，以期能促进中国军用机场道面抢修中测试技术和方法的进步，同时，对中国民用机场的不停航抢修也有参考和借鉴价值.

1 修复范围确定

机场道面受袭后，特别是水泥混凝土道面，破坏形成的弹坑往往会伴随有隆起，如图1.隆起的道面难以通过碾压和夯实等方法恢复，但隆起的部分也属于受损道面，需要进行修复.因此，如何快速确定弹坑的隆起范围，是修复工作开始前一项十分重要的工作［6-7］.范围确定得太大，将显著增大修复工作量；范围确定得太小，将无法完全修复受损道面.从原理上来看，确定受损范围就是要确定弹坑周围隆起的边界.

图1 带隆起弹坑（a）示意图；（b）实景图Fig.1 (Color online) Crater with bulge.(a) Schematic diagram and (b) actual diagram.

1.1 目测法

目前通用的测试方法是目测法或测杆法，所需工具为2根支柱和1根测杆，原理如图2.此方法一般由3 人实施，2 人负责移动支柱，1 人移动测杆，以保持测杆在每个测点上垂直放置.测试时沿原跑道中线方向在弹坑两侧各竖1根支柱，支柱需放置在未受损道面上，将测杆从明显隆起部位开始，沿2根支柱之间的连线向支柱移动.当测杆水平标记与2根支柱顶端呈三点一线水平时，则测杆放置点就是道面隆起的起始点，做标记，至此1条测线测试完成.横向移动1.0 m 或1.5 m，并重复以上步骤，直到测试完整个弹坑，将每条测线测得的隆起起始点连线，即可得到弹坑隆起范围.

图2 目测法确定弹坑隆起范围Fig.2 Determine the range of crater protmsion by visual method.

1.2 激光水平仪和激光扫平仪法

若能在弹坑周边打出一圈同一高程的线，再用塔尺在弹坑周边量测，则可以大大提高测试速度与精度，激光水平仪和激光扫平仪具备此功能.激光水平仪和激光扫平仪实物图可扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S1.用此设备测试弹坑隆起范围的步骤为:首先将水平仪或扫平仪架设在靠近弹坑但明显无隆起的道面上，打开仪器，用塔尺测出此时激光线的高程，记为标定高程，然后在弹坑周边移动塔尺，根据打在塔尺上的激光线读出测试点的高程，同最初测试的标定高程做对比，在考虑一定偏差的基础上，即可得到弹坑的隆起范围.

1.3 对比分析

目测法具有测试设备简单易得的优点，但测试过程中不仅需要移动测杆，还需横向多次移动支柱，测试过程繁琐、费时较长，并且仅依靠人目视对准，可能存在较大误差.此外，测试过程需要3人配合.

激光水平仪和激光扫平仪仅需1 人即可操作，且测试速度快、步骤简单，人为因素误差小，若增加2人共同操作塔尺速度将会更快.此外，这两种设备都是成熟商用产品.这两种设备的主要区别在于测试精度、测试距离和应用场景不同.激光水平仪的精度基本在0.3 mm/m 以上，主要用于室内测试，因此距离较短.虽然也有不少型号宣称可在室外使用，但经测试，在室外阳光下即使是绿光型号，测试距离一旦超过6 m，基本上很难在塔尺上找到激光线.而大弹坑直径都超过6 m，因此，在进行阳光下大弹坑测试时，目前的商用激光水平仪难以胜任.

相比激光水平仪，激光扫平仪的精度一般更高，精度基本小于0.3 mm/m，并且在接收器配合下，室外测试距离基本都能达到300 m以上.激光扫平仪目前多用于室外，比如大范围场地平整施工时的高程控制.用于弹坑修复范围测试时，通过将接收器与塔尺配合使用，即使在室外强光环境下，也能快速确定弹坑周边点的高程是否同标定高程有偏差.

通过以上分析可见，相比于目测法，激光水平仪和激光扫平仪法的速度更快、精度更高、操作更简单.特别是激光扫平仪法，能有效应对室外强光环境下大弹坑的测试需求，显著优于目测法.但是从使用需求来看，激光扫平仪法也有进一步改进的空间.目前的激光扫平仪接收器会在激光信号落到接收器中心线时发出提示音，当激光信号落在中心线以上或以下时会发出另一种提出音，但并不能显示偏离中心线的具体距离.具体的偏移距离，只能通过上下移动接收器使得激光信号落到中心线上来确定，这个过程必然会耗费额外时间.从测试效率上来看，激光水平仪法是最为适宜的方法，但还需解决强光环境下长距离时激光线不可见的问题.实际弹坑直径多在15 m 以下，可以通过采用定制更强功率激光的方法加以解决.比如通过调研发现某波长为532 mm 的固体激光器在室外强光下15 m 处仍清晰可见，光束宽度小于3 mm，而且还可以将激光测距仪集成在一起，这样可以同时测得弹坑的直径和深度等参数，使得弹坑测量具有更高的效率.

2 结构承载力测试

机场道面抢修是为了在受损后快速恢复机场的运行能力，抢修道面需能在预定次数的飞机荷载作用下保持完好.因此，确保抢修施工过程中各结构层承载能力决定了抢修道面保障飞机运行的能力，同样具有十分重要的地位［7-8］.但是不同于常规机场道面，抢修道面结构层一般包括飞散物回填层、基层和面层.飞散物回填层是指为了缩短抢修时间，一般将弹坑周边被炸飞的小尺度（比如美国军队规范要求不大于30 cm）飞散物直接回填到弹坑内，至距弹坑表面15～80 cm.根据面层抢修所用材料和方法的不同，基层可能采用级配碎石、固化土、土工格室加筋土和膨胀聚氨酯泡沫等，面层可能采用玻璃钢道面板、拼装式金属道面板、灌浆碎石和快硬混凝土等［9-10］.

用于弹坑修复的基层和面层材料类型丰富，这些材料及其结构组合具有不同的结构承载力，可应对不同机型不同次数（比如美军规定应急性修复需能保障设计飞机100次运行，保障性修复需能保障设计飞机5 000 次运行，永久性修复需能保障设计飞机50 000次运行）的运行需求［4，6］.

为保证抢修道面能够满足拟保障机型的运行需求，需要确保弹坑材料和结构组合方案承载力满足需求，同时各结构层的施工质量也要达到要求.对于回填飞散物层和基层承载力目前主要采用CBR法和LWD 法进行测试.对于面层承载力目前主要采用HWD法和模拟加载车试验法进行测试.

2.1 CBR法

标准的CBR 测试方法是现场采用CBR 测试仪实施的，此方法中架表及仪器调试比较费时费力，还需要载重车提供反力.此外，此方法的测试深度有限，为了获得下层CBR值QCBR，还需要分层开挖进行测试［11-12］，因此，不适于机场道面抢修检测.由于CBR 值在机场道面设计中应用较多，对于评价道面各结构层承载力是个重要指标，因此，针对现场快速测试需求，可采用DCP 来进行代替测试［13］.

DCP 测试简便，仅需2 人配合即可，1 人操作贯入仪，1人记录锤击次数和贯入深度，直至仪器贯穿拟测试结构层.通过测得的DCP 值HDCP（单位锤击的贯入值），根据DCP与CBR的相关关系式即可求得对应CBR 值.目前针对不同土质已经有不少成熟的经验公式可用，如式（1）至式（3）所示为应用较为广泛的美国陆军工程兵开发的经验公式.式（1）可用于除QCBR≥10 的低液限黏土（低至中塑性的无机黏土、砾石质黏土、砂质黏土、粉质黏土和贫黏土）和高液限黏土（高塑性的无机黏土/肥黏土）以外的所有土，式（2）用于CBR ＜10 的低液限黏土，式（3）用于CBR ＜10的高液限黏土［13］.

通过DCP 开展CBR 测试的另一个优点是在未分层测试的情况下，通过将贯入杆深入拟测试结构层即可得到多层结构层的承载力（理论上可达到贯入杆长度范围，即1.27 m）.

2.2 LWD法

LWD 法已列入铁路工程土工试验规程（TB 10102—2010），并在铁路行业广泛应用［14］.轻型落锤式弯沉仪的结构见图3.LWD法的原理是采用圆形承载板测定土体在落锤冲击荷载作用下的沉陷值，以计算土体的动态变形模量，测试过程操作十分简单，仅需让落锤冲击承载板3次，即可自动显示出测试的动态变形模量.LWD 测试的有效深度至少为承载板直径的1.5 倍，李丹枫等［15］研究表明，LWD 深度影响范围可达承载板直径的2.5 倍，水平方向可达承载板直径的2倍.深度方向上即使按照1.5 倍的作用深度计算，以常用的30 cm 直径承载板为例，测试深度也可达到45 cm，在一定程度上说明测试结构层承载能力较好.

张智豪等［16］研究了LWD用于土、水泥稳定土、级配碎石、水泥稳定碎石和沥青混凝土等道路材料压实度检测的可行性，发现LWD 测试的弯沉值和压实度具有高相关性，在充分试验验证的基础上可用于压实度检测，此方法还具有操作简单、结果稳定和快速检测等诸多优点.在某次机场道面抢修演练中使用LWD进行了测试，最多需2人配合即可操作，而且测试速度很快，操作简便，具有很大的应用潜力.但需要指出，由于LWD 落锤质量有限，冲击能量有限，因此其测试深度和测试动态模量范围都有限，一般其可测试动态模量小于80 MPa.

2.3 HWD法

对于更大模量的结构层需要采用HWD 来进行测试.某次机场道面抢修演练中使用HWD 进行抢修弹坑面层测试，可扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S2.

HWD 进行的弯沉测试可用于反演道基和道面各结构层模量，以及进行水泥混凝土道面脱空判定.HWD 测试具有原位测试、速度快和不破坏道面结构等优点，是世界各国道面结构性能测试最主要的方法［17-18］.由于HWD 冲击荷载大，作用深度可达土基层，可表征整体道面结构的承载能力，美国军队在很多机场道面抢修研究中都采用HWD 进行测试.采用的评价指标是冲击劲度模量EISM（impact stiffness modulus，ISM）.

其中，F为测试荷载（单位:N），d0为承载板中心弯沉值（单位:μm）.

美国军队相应的试验过程是对不同材料和结构组合的抢修道面开展HWD 测试，以对比评估不同抢修结构的承载能力，在不同加载次数时再次开展HWD 测试，以ISM 指标来分析抢修道面随加载次数增加的结构劣化规律［19］.

2.4 飞机荷载模拟加载车试验法

抢修过程中的质量控制最终要达到的目标都是可承担目标机型的多次运行.因此，道面抢修质量最直接、最可靠的验证方法是让目标飞机在抢修道面上进行往复通行加载试验.但是，综合考虑飞机协调调度、飞机安全保障、造价和操作难度等因素，使用真实飞机加载开展道面研究并不现实.

从验证需求来看，除舰载机外，需要模拟的飞机荷载主要是静载（飞机正常着陆时，接地过程中飞机平飘接地，由于升力的存在，对道面的作用荷载一般小于静载）.因此，使用飞机荷载模拟加载车进行往复通行加载是一种十分适宜的替代方法.美国军队使用的飞机荷载模拟加载车可扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S3.这些加载车都是按照实际飞机主起落架机轮构型及荷载进行设计，加载轮直接采用飞机机轮.美国军队在机场道面研究中十分重视现场试验，几乎在每个相关研究项目中都使用了加载车开展往复通行试验，这些加载车在机场道面领域丰硕成果取得过程中发挥了十分关键的作用［20］.

中国也已设计生产了飞机荷载模拟加载车，通过更换加载轮及配重，可满足所有主起落架为单轮、双轮及四轮的机型加载需求，加载轮也直接采用实际飞机机轮，如图4.目前已在土跑道、拼装式金属道面板及抢修道面试验研究中得到应用，并取得了良好的效果［21-22］.

图4 中国的飞机荷载模拟加载车（a）示意图；（b）实物图Fig.4 (Color online) Aircraft load simulation loading vehicle of China.(a) Schematic diagram,(b) actual diagram.

图4 轻型落锤式弯沉仪的结构Fig.4 Structure of light weight deflectometer.

2.5 对比分析

综上可以看出，DCP 和LWD 法主要用于抢修施工过程中的质量控制和承载力测试，HWD 和飞机荷载模拟加载车法用于抢修施工完成后及运行过程中的承载力测试.从结果导向来看，HWD 和飞机荷载模拟加载车法更能直接体现出抢修道面保障飞机运行的能力.HWD测试的优点是冲击荷载大，作用范围与作用深度大，可一定程度上模拟机轮的动载作用，对抢修道面的测试结果可表征整个结构的承载能力.但此测试所需的专用设备较大，测试过程过于专业和复杂.最重要的是，为了使用HWD 测试结果来表征保障飞机运行能力，还需要开展大量的重复试验建立HWD 测试值同飞机可运行次数的精确关系.

相比之下，飞机荷载模拟加载车法得到的结果更能直接表征抢修道面的承载性能.为了得到抢修道面的实际承载能力，需要使用加载车进行往复通行加载，直至道面达到失效破坏.显然，此方法同战时机场道面抢修的实际需求是不相符的.但是，飞机荷载模拟加载车试验法仍具有十分重要的意义.抢修道面主要用于战时快速保障，其目标也主要是满足5 000 次以下的飞机运行需求.因此，目前抢修道面成熟的结构设计也主要是经验法，即分别采用不同的材料和结构厚度组合来修复受损道面，同时记录过程中不同结构层承载力，然后采用飞机荷载模拟加载车开展往复通行加载试验，以此来优选可满足不同飞机、不同配置及不同运行次数需求的修复材料及结构组合，并以此来指导道面抢修实践.

可见，为满足道面抢修要求，在研究过程中，先选择不同的材料及结构组合来修复受损道面，同时使用DCP 和LWD 等方法在过程中记录不同结构层的承载力，然后再使用飞机荷载模拟加载车进行加载验证，以此指导战时道面抢修，是一个十分合理且可行的技术路线.过程中承载力测试，美军主要是采用CBR 指标，这是因为CBR 在美军道面设计规范中具有十分重要的地位，为此开展的大量研究中以CBR为表征指标的成果非常多.

但是，经实际测试发现DCP测试还存在一些问题.首先，测试过程仍不够简单，特别是对于承载力较高及需贯入深度较高的情况，即使采用一次性锥头，仍存在贯入杆难以拔出的现象.此外，在测试飞散物回填层承载力时，若存在较多粒径较大石块时可能无法测试或测试结果变异性太大.其次，DCP测试得到的数据还需要进行一定的计算才能得到所需结果.最后，虽然通过较高贯入深度可解决评估深度范围内的各结构层承载力，但由于贯入杆直径小，横向作用范围有限，造成在弹坑回填这种并不十分均匀的场景下，测试结果存在较大的变异性.相比之下，LWD承载板直径达到30 cm，作用深度可达40 cm 以上，测试过程简单，而且测试完毕无需计算即可直接给出结果.LWD 存在的问题主要是目前以此为评价指标而开展的实际抢修加载试验数据比较缺乏，抢修道面各结构层动态变形模量同道面最终可保障飞机运行次数的关系缺少数据支撑.因此，下一步应着重探索采用LWD 法来测试道面抢修过程中各结构层承载力，以动态变形模量作为评价指标，采用飞机荷载模拟加载车开展往复循环加载试验，建立不同结构层承载力及其组合同抢修道面可保障飞机运行次数间的关系.

3 道面表面特性测试

道面的表面特性主要包括平整度和抗滑性能，当道面修复范围不大时，抗滑性能影响不大，但若是修复范围较大或较多修复连片且修复范围处于飞机运行的关键区域，比如接地地带、转弯掉头区域等，应保证修复道面的抗滑性能.道面平整度差会给运行中的飞机带来较大的附加振动荷载，可能会影响飞机关键子系统，给飞行员的操纵带来困难，因此，应保证修复道面内部平整度并控制其与周边完好道面之间的高差.比如，美国军队规定当采用灌浆碎石或快硬混凝土面层时，应做到齐平修复，即不允许抢修道面与周边道面间有高差；当采用玻璃钢道面板等面层时，级配碎石基层的不平整度不能大于19 mm［4，6］.

3.1 抗滑性能测试

目前，机场道面表面抗滑性能测试主要有摆式仪法和摩擦系数测试车法.摆式仪法测试操作简单，但属于点测试，每次测试只能表征测试点的摩擦系数，大范围测试效率低.摩擦系数测试车法自动化程度高，测试效率高，适于大范围测试.但此方法测试设备较大，不易携带，而且由于测试时需要设备速度较高，需要牵引车辆为其加速.因此，摩擦系数测试车法不适于战时抢修道面的抗滑性能评估，摆式仪法可用于小范围评估.

近些年，随着智能手机性能的不断提升，特别是内置测量单元（inertial measurement unit，IMU）的性能提高，美国军队提出了一种基于减速原理和智能手机的道面抗滑性能评估方法，试验结果表明，相比专业的抗滑性能测试方法，此方法在准确性和精度方面还存在一定的差距，但其与专业测试值间良好的相关性以及较高的可重复性都表明，此方法对于道面抗滑性能的应急测试具有很好的应用前景［23-24］.此方法不需要专用设备，仅需给手机安装测试软件即可使用，对测试车辆的需求也不高，比如美军使用的悍马或中国使用的勇士/猛士等，在拟测试场景都是常见的.此外，该方法操作简单，现场人员不需要很专业的培训即可开展测试和评估.利用智能手机内置的加速度传感器还可开展道面平整度测试和评价，做到依托1台手机测试即得到道面抗滑性能和平整度评价结果，十分适于抢修道面的表面性能测试.

3.2 平整度测试

目前，机场道面平整度测试主要采用三米直尺法和激光平整度仪法.三米直尺法适于小范围测试，比如弹坑尺寸不大以及修复道面同周边完好道面错台.激光平整度仪法适于大范围长距离的测试，但需要专业设备，测试时还需要承载车辆配合，因此，并不适于抢修机场道面.

当道面不平时，飞机或车辆运行时必然会有振动产生，此时其竖向加速度会产生变化，且变化幅度与铺面不平整度相关.因此，在公路领域有学者提出了一种利用智能手机测试路面不平整度的思路，虽然在车辆运行速度、车辆类别、手机类型、采样频率和数据处理等方面存在着一些问题，但研究结果表明此方法具有可行性，在铺面平整度的快速测试评估中应用前景广阔［25-26］.

3.3 对比分析

由于具有明确的应急属性，机场道面表面特性测试目前成熟的方法中，摩擦系数测试车法和激光平整度仪法不适于抢修道面测试.摆式仪法和三米直尺法用于小范围测试尚可，用于大范围长距离测试时效率低.尽管还存在一些技术问题，但基于智能手机内置加速度传感器的测试方法同时具有测试设备简易通用、操作简单、配合设备易得和测试效率高的优点.因此，下一步应在现有成果的基础上，结合我国装备制式车辆和智能手机实际情况，编写测试软件，针对抢修道面开展表面特性试验，建立基于智能手机的道面表面特性测试方法.

4 结论

通过对机场道面抢修中修复范围确定、结构承载力测试和道面表面特性测试等关键步骤测试方法进行对比分析，可得:

1）修复范围确定方面，目测法具有测试过程繁琐、误差可能性大和所需人力多等缺点；商用激光水平仪和激光扫平仪法虽能一定程度解决上述问题，但也具有无法快速精确确定高程偏差的缺点.更优的方法是定制强光下15 m 内光线清晰可见的激光器，同时集成激光测距仪，可简单快速地获得弹坑隆起范围、弹坑直径及深度等多种参数信息.

2）修复道面结构承载力测试方面，HWD和飞机荷载模拟加载车法用于研究中最终承载力验证，不适于抢修过程中测试.虽然具有成果及数据丰硕的优点，但DCP 测试CBR 存在测试过程不够简单和测试结果需进一步计算等缺点.更优的方法是采用LWD 进行道面回填层结构承载力测试，并以飞机荷载模拟加载车通行试验，建立飞机可通行次数与道面结构层LWD 指标间的关系，以此指导抢修中采用LWD控制抢修质量.

3）修复道面表面特性测试方面，摩擦系数测试车法和激光平整度仪法不适于抢修道面测试，摆式仪法可用于小范围抗滑性能测试，三米直尺法可用于小范围及修复道面与完好道面间的错台测试.大范围测试更优的方法是开发基于智能手机的抗滑性能和平整度联合测试方法，后续需重点需解决测试软件、车辆适配和数据处理（测试数据同评价指标对应关系）等方面的问题.