寒区机场道面结构设计

寒区机场道面结构设计第1章简介研究背景和意义近年来，民航业发展迅速，中国已建成150个民用机场。机场的铺装面积已超过5000万平方米。机场是飞机降落，起飞，停车，补给和维护的地方,也是运输系统的重要组成部分，所以说，机场的路面性能直接影响到飞机运行过程安全性，乘客可以将其作为衡量机场服务水平的一项指标。在高原地区和东北部等寒冷地区，机场的人行道更加脆弱。随着航班数量的增加和大型宽体飞机数量的增加，一些早期的机场人行道结构受到严重破坏，路面性能大大下降。研究机场的人行道结构，改善路面性能并延长路面寿命成了当务之急。在寒冷地区设计机场人行道结构的过程中，主要考虑因素是沥青混凝土的人行道材料性能，抗冻性和耐腐蚀性。沥青混凝土是机场路面的主要材料，因此有必要深入了解和研究其抗冻性模式。多年冻土建设过程的困难在于，冻土的性质不稳定，易受温度波动的影响，多年冻土的分布与环境温度密切相关。随着社会的发展，运输，结构，运行和气候条件的日益复杂，导致在寒冷地区机场跑道结构建设项目的决策，设计，管理和建设中出现了许多理论和方法受到限制。在寒冷地区开发机场项目。因此，有必要对寒冷地区机场跑道道面结构的设计进行系统的调查，准确掌握机场道面的实际情况和发展趋势，选择合理的机场道面计划。2国内外研究现状国外研究现状Vinson.etal（1996）指出，导致寒冷地区的沥青混凝土路面遭到破坏的因素有很多，其中与温度相关的两种类型是低温开裂和车辙，并且他还认为，对于这两种类型的破坏方式，可以从设计的角度进行解决，充分考虑沥青结合料和集料等方面因素，并结合实际验证结果进行设计，可以有效降低温度对这两种破坏方式的影响。GuyDore（2002）寒冷地区沥青路面的主要问题是：（1）冻融会加剧沥青混凝土路面的低温裂缝;（2）沥青混凝土路面的冻胀裂缝;（3）冻融不均引起的季节性长期路面不均匀;（4）到了春季，冰雪融化的时候，道路路面对车辆德尔承载能力降低Monismith等人（1980）分析了裂纹尖端附近的橡胶沥青中间层在应力集中的耗散情况，经过实验验证得出，其软弱夹层有延缓裂缝向外扩张的作用。Coetzee，Franken，等人对此问题进行了类似的分析和研究，但是Franken的工作表明，夹层材料越坚硬，其抗裂性就越明显。根据加拿大运输部（ATR-021（AK-77-68-300），1995年）的经验，加拿大一家主要民航机场运营商结合自身的发展需要和当地的实际情况，研制实用性很强的沥青路面的设计方法，这种方法适合动地特别寒冷的区域，因为加拿大的大多数机场都处于这种环境条件下，所以受到当地政府的高度重视。对机场交通的研究以及预测路面荷载水平和土壤基础的承载力研究表明，设计曲线确定路面的路面厚度，然后确定路面的防冻剂和所需的沥青要求。美国陆军统一设计标准（UFC2-260-02，2001）提供了两种灵活的路面设计方法，即CBR方法和弹性分层系统方法。在传统的路面设计中，要想科学的制定出设计所需的路面结构厚度，就需要充分考虑不同的飞机总重、飞机起落架构型等多种因素，并将这些因素绘制成曲线图，将其作为结构设计的重要参数。日本交通运输部民航局编辑的机场沥青路面设计要点（冷培三，翁兴中，蔡蔡良才，1993）正式将CBR方法认证为机场路面设计的基础，其最终的路面厚度要由该种方法所得到的计算值来决定。澳大利亚联邦机场协会的APSDS（LeighJ.Wardle和BruceRodway，1995年）是根据弹性分层系统路面设计程序CIRCLY开发的。弹性分层系统用于计算路面结构的响应，路面材料的特性不仅考虑了各向同性，而且还可以模拟横向各向异性和粘弹性等特征。希腊（A.Loizos和G.Charonitis，2004年）采用ALI-APLI系统航空公司推荐使用CAN-PCN系统来评估机场路面的承载能力和结构性能。弹性分层系统理论用于计算路面结构的机械响应。这可以考虑到由沥青层疲劳裂纹和严重的过应力引起的沥青层表面变形。国内研究现状在国内，国内学者对路面结构的抗冻害性进行了大量的研究和分析，1999年李金玉等通过快速冻融实验表明冻融过程是物理过程。通过比较实验方法和评估因素，对其进行了深入研究，并讨论了这两种方法之间的差异。刘泉声分析了岩石中单个裂纹的冻胀过程，并对冻胀力方程进行了数值模拟。2013年隧道衬砌裂缝的有限元模拟。王海年首次将太阳辐射、气温、空气湿度等因素作为重要考量指标，建立的有限元模型是基于相变的路边非恒定温度场。司伟等人，根据现有得到研究结论，创建了新的有限元模型，即以多年冻土区路基温度场为基础，深度解析了路面结构呈厚度与其路基的温度之间存在的联系。袁希忠等还研究了多年冻土期初始温度和冰含量对上层活性层厚度的影响，并分析了不同类型的冻土的力学性能对温度变化的敏感性。李金平分析了多年冻土区路面结构变化对子场温度场的影响。这些研究和实验工作为跟踪工作奠定了良好的基础，从各个方面研究了影响路面抗冻性的因素。随着人们对路面承载力的需求增加，人们通常选择浇筑致密的混凝土或沥青路面结构，因此渗透性路面的研究和应用进展缓慢。国内很多专家学者还专注于连续浇筑渗透性混凝土和渗透性沥青路面的研究，这实际上与路面得到渗透性有关，由于白天和晚上之间的温差很大，因此寒冷地区的机场在下雨或下雪时会渗透混凝土，当混凝土用水饱和以后，温度较低时会发生冻结和解冻，所以说昼夜温差大可能导致冻结/解冻循环并损坏混凝土结构。徐健等利用非稳态相变温度场的数学模型和热弹塑性霜冻模型研究了冻融活性层厚度的变化，有效减少土地破坏。考虑到多年冻土区路基的特点，中国学者进行了重要研究。解决路基上季节性冻土流动的一种方法是盐化。ShenZhe等人研究了长春特定机场的土壤样品，并提出了影响因子和与土壤冻胀因子的函数关系。合理处理土壤区域中的机场跑道基础。刘伟波及其同事分析了日本和国外多年冻土地区的机场跑道维护技术的现状，并讨论了主动冷却路基技术对多年冻土地区的机场跑道的适用性。在评估非冻结地区的跑道通行能力方面，也取得了重要的国内研究成果。李晓刚等人提出了一种评估机场跑道承载能力的方法。张建林等通过实际测量和理论挠曲拟合，确定了反应弹性模量和基础排斥弹性模量，完成了机场人行道承载力的计算。张献民等提出了一种计算机场复合路面承载力的方法。本文研究的主要内容寒冷地区机场人行道结构的设计主要是基于冻融破坏，耐久性，寒冷地区机场人行道的承载力，温度，湿度，除冰剂等在施工和维护相结合的作用下进行的。在充分考虑外部环境的基础上，研究寒冷气候下的机场人行道损坏模式和相应的解决方案，以结构力学的角度分析路面结构，并将相关的设计指标作为研究机场路面沥青路面抗冻害性能的影响因素，然后寻找相关参数，探索提高路面耐久性的方法损害预测公式，这也为优化后续铺装材料，施工过程以及评估表面结构状况提供了理论依据。与此同时，相关学者研究了路面宽度的结构力学，找到了适合于寒冷地区机场路面的设计指标，并设计了寒冷地区机场路面的设计，最终为寒冷气候下机场人行道的建设和维护提供了理论依据。技术路线调查沥青混凝土路面的性能并收集相关数据，以分析主要损坏类型和真实路面结构的发生机理。在寒冷地区的机场人行道结构中，需要通过分析和比较各种设计指标和损坏估算公式来确定烤箱的主要参数。分析了寒冷地区机场人行道结构的设计指标和设计方法。材料收集并对比分损坏模式环境交通载荷结构组合材料特性损坏预估方程设计指标寒区机场跑道设计指标道面结构力学影响寒区机场道面设计第二章寒冷地区机场沥青道面结构破坏模式与解决措施2.1沥青混合料典型组成结构沥青混合料的强度组成原理主要有两种：镶嵌原理和紧凑结构原理。因此，沥青混合料的结构可分为根据镶嵌原理构造的结构和根据致密结构原理构造的结构。通常，矿物材料之间的挤压力和内部摩擦力是主要的因素，并补充沥青粘合剂的组合以形成沥青混合物的结构强度。矿物材料之间的内聚力是主要的，并补充矿物材料的颗粒间混合力和内部摩擦力以形成沥青混合物的结构强度。根据上述原理，通常可以通过三种方式构造沥青混合料的结构：（1）悬浮密实结构：这种类型的混合物通常由连续分级的矿物混合物组成。尽管通常使用最佳的粘合原理来设计具有高密度和良好强度的结构，但是沥青材料和物理条件对该结构具有重大影响，从而导致较差的温度稳定性。（2）骨架空隙结构：混合物中的粗骨料紧密相连，细骨料的含量相对较小，因此这种结构称为骨架空洞结构。这种混合物具有较大的空隙，骨架由石头组成。粗骨料和镶嵌力之间的内部摩擦对这种结构有很大的影响，因此沥青的影响相对较小。（3）骨架密实结构：这种结构混合物的结构通常由一定数量的粗骨料组成，然后根据空隙的数量添加一定数量的细骨料使其相对致密。2.2机场沥青路面性能沥青路面具有施工时间短，减震性能好，维护保养方便等优点，因此在中国机场建设中得到了广泛的应用。飞机负载远高于正常的汽车负载，再加上温度和湿度等环境因素，机场沥青路面容易受到诸如细小，逐渐破裂的损坏。路面的外观表现为局部增白现象，增白区域的渗透系数高于非增白区域的渗透系数。另外，沥青路面具有防滑性和不渗透性，并且使用防雾密封层提供了路面干燥性能。温度对沥青路面的性能有重要影响。随着温度的升高，沥青混凝土的剪切和压缩性能显着下降。沥青路面的厚度对剪切性能也有一定影响，这与其周围温度环境也有关系，当厚度值超过一定的标准，会对沥青混凝土路面的剪切性与抗压性造成影响，用线性关系表示为抛物线形状，即当达到抛物线点以后，沥青混凝土厚度与其剪切强度和抗压强度成负相关关系。2.3机场沥青路面的损坏形式及产生机理沥青路面的表面结构包括表面，基础垫层和土壤基础。沥青表层通常使用沥青混凝土，基础层通常使用沥青稳定的砾石，沥青混凝土，无机粘结剂稳定材料也有分级砾石等；垫层通常是分级砾石。包括以下类型（请参见图2-1）：（a）柔性道面结构(b)半刚性道面结构(c)复合道面结构图2-1机场沥青道面结构类型机场沥青路面的损坏是由于其他因素引起的，例如飞机反复装载，机场环境的变化，路面材料的损坏，路面结构的结构缺陷，导致结构损坏和路面结构的劣化。这些都是对路面造成影响的关键性因素。沥青路面的损坏类型可分为五类：（1）裂纹损伤：在路面上出现水平裂纹，垂直裂纹，反射裂纹，滑动裂纹和其它裂纹。沥青的硬化会导致沥青混合料收缩，由于沥青硬化而导致人行道中的水平或垂直裂缝，低温裂缝，地下裂缝导致的反射裂缝以及地基的垂直沉降不均匀。这两个裂缝会降低跑道结构的性能。此外，施工缝也会引起纵向裂缝。块裂通常是由沥青混合物的收缩和温度变化引起的。滑移裂缝通常发生在表面裂缝较弱或表层与下层路面结构之间粘附力差的区域。疲劳裂纹损坏是由于在车轮载荷下沥青表面底部的大应变引起的。（2）变形和损坏：在载荷和外部环境的共同作用下，路面改变了沥青路面的形状。这包括车辙，挤压，沉降，膨胀，起伏等。导致人行道表面车辙的因素包括重复施加飞轮载荷，沥青混凝土的高温稳定性和塑性变形抗力不足，或者基层或沥青混合表面的硬度不足。图层材料被装入飞机。重复作用下的压缩变形和横向剪切位移；例如，由于混合物的热稳定性差而引起的偏移，飞机的行为是产生由剪切形成的大水平力；沉降是基础由于土壤基础沉降的固结不足或压实不足，会导致表面沉降不均匀和严重的纵向裂缝。同时，由于土壤基础的压实程度不同，土壤基础的强度不同会损坏路面。冻结或膨胀的土壤会导致人行道表面受到冰冻力的作用，而路基上方的水会使人行道膨胀和破裂。另外，由于混凝土板中的裂缝，水泥混凝土路面中的沥青和辅助路面可能很小。路面形成波浪条纹的原因是由于在进行路面施工过程中没有严格按照国家施工标准进行施工，施工质量没有保障，这也就使得路面上所用到的材料不能承受其硬钢承受的车轮水平力。（3）分解破坏：沥青粘合剂和集料被剥落，表面磨损，并且存在诸如老化和松弛等功能破坏。松弛会散布在整个道路上，并且通常在轮迹区域中是可怕的。而造成这一现象与沥青含量有之间关系，当其含量低于标准数值，会大大降低沥青与集料之间的粘合性，还有一个原因有可能是因为沥青本身存在老化