机场水泥道面动态弯沉的温度影响分析

刘海伦 ，李 萌 ，杜 浩

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.上海机场（集团）虹桥国际机场公司，上海 200335；3.上海同科交通科技有限公司，上海 200092）

目前，落锤式弯沉仪（FWD）在机场道面评价中应用广泛。然而，受热胀冷缩影响，水泥道面板会发生一定翘曲变形，由此导致的实测动态弯沉差异为机场水泥道面的结构性能评价带来极大不便。

受测试手段及条件限制，目前国内外在温度对水泥道面弯沉直接影响方面的研究并不多，而较多地集中在温度与影响弯沉有关因素之间的间接研究，如温度应力[1-4]、温度翘曲变形[5]、接缝[6-8]及其他[9-10]。针对机场水泥道面弯沉受温度影响的实测数据尤为匮乏。

因此，通过分析华东区域两个机场24 h现场连续实测数据，探究温度影响下机场水泥混凝土道面实测弯沉的变化规律，以期为进一步的有关研究提供借鉴。

1 试验方案

1）试验设备 现场测试设备采用Carbrol HWD，荷载盘直径为30 cm，测试荷载级位设为140 kN，共布设8个传感器。传感器间距布置如表1所示。

2）测试方案 在华东地区两个机场机坪区域各选取1块水泥混凝土道面板（分别命名为1#板、2#板）对板边、板中、板角进行测试，同时记录测试时刻路表温度，其中，板边、板中、板角测试位置如图1所示。测试方案如表2所示。

表1 传感器布设方案Tab.1 Sensor layout plan

图1 测点位置布设情况Fig.1 Measuring point location

表2 机坪内道面弯沉测试方案Tab.2 Test scheme of apron pavement deflection

2 数据分析

2.1 弯沉变化规律

1）板中弯沉

图2可知：两块测试板24 h内路表温度变化明显（1#板20～49℃，2#板17.3～28℃）；相较而言二者板中弯沉总体变化不大，以荷载中心弯沉D1为例，1#板76～83 μm，2# 板 59～68 μm。

表3所示，1#板和2#板板中弯沉值标准差均很小，变异系数均在5%以内，在实际测试应用中这种程度的变化波动基本可忽略不计。因此，板中弯沉值基本不受日周期温度变化的影响。

2）板边弯沉

从图3中可知，1#板、2#板板边弯沉均与路表温度变化呈负相关，即板边弯沉随温度升高而减小、随温度降低而增大。各测点处D2弯沉值比D1略大，是由于D2更靠近板边，受荷时挠度更大。板边弯沉在午后 12：00～17：00 间达到最小，在午夜 01：00～05：00 间达到最大。

图2 板中实测弯沉变化趋势Fig.2 Interior deflection test trend

表3 板中弯沉标准差及变异系数Tab.3 Standard deviation and variation coefficient of slab interior deflection

图3 板边实测弯沉变化趋势Fig.3 Edge deflection test trend

表4 板边弯沉标准差及变异系数Tab.4 Standard deviation and variation coefficient of slab edge deflection

由表4计算结果可知：各传感器测试结果离散程度与弯沉值大小呈正相关系，即弯沉值越大，标准差和变异系数越大，相应地受温度影响越明显；不考虑D1、D2情况下，可认为距荷载中心越远，弯沉测试结果受温度影响越小。

3）板角弯沉

图4列出板角弯沉24 h测试结果与路表温度的变化趋势，可知板角与板边弯沉变化趋势类似，即路表温度越高，板角弯沉值越小。

图4 板角实测弯沉变化趋势Fig.4 Corner deflection test trend

从表5各传感器测试结果变化程度可知，距荷载中心越远，弯沉变化越小，即受温度影响越小。这与板边弯沉变化规律也比较类似。

2.2 接缝传荷能力变化规律

在道面结构性能评价中，接缝传荷能力一般以弯沉比传递系数表征。弯沉比传递系数以“未受荷板弯沉/受荷板弯沉”表示。图5为1#、2#测试板板边接缝传荷能力随测试温度的变化情况。

表5 板角弯沉标准差及变异系数Tab.5 Standard deviation and variation coefficient of slab corner deflection

图5 道面板接缝传荷能力变化趋势Fig.5 Joint load transfer efficiency trend

从图5可知：1#板接缝传荷能力变化趋势与路表温度变化较为一致，温度高时接缝传荷能力相对较高，温度降低时接缝传荷能力下降；2#板接缝传荷能力则与温度变化无明显相关性。分析认为这与二者接缝类型有关（1#板测试板边为假缝，2#板则为企口缝）；依靠集料嵌锁传递荷载的道面假缝随温度变化张开或闭合，道面板接缝传荷能力随之减小或增大；企口缝由于板边设置了企口，受温度影响较小，因而接缝传荷能力相对稳定。

2.3 脱空评价值变化规律

在机场水泥混凝土道面结构性能评价中，板底脱空评价是一项重要内容。中国民用机场道面现行评价规范[11]中通过测试同一块板板边、板中和板角弯沉（荷载中心D1），并以“板边弯沉值/板中弯沉值”和“板角弯沉值/板中弯沉值”来评价道面板的板底脱空情况。

图6和图7分别表示板边和板角的脱空评价值随路表温度变化情况。

图6 道面“板边/板中”值变化趋势Fig.6 Trend of‘slab edge/slab interior’values

图7 道面“板角/板中”值变化趋势Fig.7 Trend of‘slab corner/slab interior’values

从图6和图7可知，随着日周期的温度变化，板边及板角脱空判定值均呈现明显波动。与板边角弯沉变化规律类似，脱空判定值随路表温度升高而降低，随路表温度降低而增大，二者波动曲线也表现为类轴对称。从前述板中、板边及板角弯沉变化情况来看，造成这一情况的原因是板边角弯沉值受温度的影响大于板中弯沉。

按照评价规范标准，当“板边/板中＞2.0”或“板角/板中＞3.0”时即可判定为板底脱空。表6统计结果显示，本次测试脱空判定值24 h测试结果的变异系数均达到10%以上，其中1#板板边脱空判定值变异系数达到18.93%，判定值浮动范围在1.26～2.25之间，即不同时刻测试将会得到截然不同的两种判定结果。

表6 脱空判定值变化统计结果Tab.6 Void judgment values

可见，当道面板边角脱空判定值在临界值附近时，极易因测试时机的不同而导致测试结果不同。从机场实际运行角度来看，道面测试应反映最不利的情况，因此，测试时机应尽量选择在温度较低的下半夜00：00～06：00之间（即道面板发生边角翘曲时）。若存在跟踪测试需求，则应尽量选择同一时刻测试。

3 结语

通过连续24 h测试机场水泥道面弯沉值，主要得到以下结论：

1）道面板中弯沉值稳定，变异系数在5%以内，受路表温度变化影响不大；

2）板边弯沉值随路表温度升高而减小，随路表温度降低而增大，二者变化曲线表现为负相关。距荷载中心越远，弯沉测试结果受温度影响越小。板角弯沉值变化规律与板边弯沉类似；

3）路表温度变化对接缝传荷能力有一定影响。接缝类型为假缝时，接缝传荷能力与温度变化规律一致，接缝类型为企口缝时，接缝传荷能力则基本不受路表温度影响；

4）以中国民航现行评价标准计算，道面板底脱空判定值随路表温度升高而减小，随路表温度降低而增大，不同时刻测试可能得到不同评价结果，测试时机建议选择下半夜道面边角发生翘曲时，跟踪测试应尽量选择同一时段。