交通荷載對機(jī)場場道地基工后沉降的影響研究

交通荷載對機(jī)場場道地基工后沉降的影響研究

1飛機(jī)起落架荷載目前，對機(jī)場跑道軟土壤工藝的評價(jià)側(cè)重于對水庫和道面靜載的影響，而對工廠建設(shè)后的交通負(fù)荷對工廠運(yùn)營后的沉降的影響很少。這在過去飛機(jī)荷載較小、飛機(jī)起降架次較少的條件下是可行的,但隨著當(dāng)前民航機(jī)型繼續(xù)朝著大型化、重載化的趨勢發(fā)展,面對新一代大型飛機(jī)的起降要求,以及樞紐機(jī)場跑道飛機(jī)起降頻繁的現(xiàn)狀,原有的場道地基設(shè)計(jì)中忽略飛機(jī)荷載的設(shè)計(jì)考慮已逐漸難以滿足機(jī)場跑道使用性能要求。為了保證在道面上飛機(jī)高速行駛的安全和舒適性,場道地基除了為道面結(jié)構(gòu)提供足夠的承載能力外,還應(yīng)在變形和不均勻變形方面滿足一定的限制性要求。目前建成的軟土地基上的機(jī)場場道及高速公路,工后沉降和差異沉降偏大已經(jīng)成為比較普遍的問題,并因此誘發(fā)或加劇了鋪面開裂、沉陷等病害,降低了鋪面的使用性能。關(guān)于交通荷載對工后沉降的影響,目前國內(nèi)外開展的研究幾乎全部建立在室內(nèi)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,但所提出的交通荷載作用下軟基的力學(xué)響應(yīng)模型尚不成熟,對軟基工后沉降的復(fù)雜組成難以明確劃分,針對飛機(jī)起降荷載對場道地基工后沉降的影響的研究尚很少。本文嘗試采用一種簡單的方法,劃分場道軟土地基工后沉降的組成,定量分析交通荷載對場道地基工后沉降的影響。2針對地層基本特征的工后沉降控制上海浦東國際機(jī)場第一跑道建成投入運(yùn)營至今,已經(jīng)積累了超過6年的沉降觀測數(shù)據(jù)。基于這些實(shí)測資料,本文針對飛機(jī)起降荷載對跑道沉降的影響進(jìn)行定量分析。該跑道場區(qū)內(nèi)地勢平坦,地面標(biāo)高約3.7～4.0m,具有濱海平原和被眾多溝河浜切割的地質(zhì)特征。場區(qū)內(nèi)土層屬第四紀(jì)上更新世(Q3)以來的長江入海三角洲松散堆積物,主要包括粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘土、粘土和粉砂等。場區(qū)內(nèi)地下水位埋藏較淺,標(biāo)高約2.5～3.5m。地基土層的分布及主要參數(shù)如表1所示。該跑道設(shè)計(jì)填土及道面結(jié)構(gòu)層荷重為43kPa,系表面分布荷載。由于場地內(nèi)⑤2層下的第⑦層為厚度大于20m的中密～密實(shí)砂質(zhì)粉土層,埋深超過28m,按《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,考慮(⑤2層以上的28m為壓縮層。根據(jù)分層總和法及應(yīng)力歷史法,計(jì)算得到的最終沉降量分別為30cm和32.2cm?？紤]到場區(qū)內(nèi)溝河密布,淺部土層中暗浜很多,土層分布和土性差異明顯,場道地基存在不均勻沉降的可能。浦東機(jī)場第一跑道場道地基處理采用了以強(qiáng)夯為主,結(jié)合換填、墊層等輔助措施的綜合處理辦法。按照設(shè)計(jì)要求,場道地基最終差異沉降控制在0.1%以內(nèi),運(yùn)營10年工后沉降控制在5～10cm。從1998年2月起,至2004年9月,該跑道積累了超過6年的工后沉降觀測數(shù)據(jù)。截至2004年9月,跑道中線的沉降特征列于表2,跑道中線各點(diǎn)的沉降歷時曲線如圖1所示。從圖1可知,跑道工后沉降曲線的前段具有典型的對數(shù)曲線特征,繼而呈現(xiàn)緩和收斂趨勢,然后沉降速率又顯著增大?？紤]到沉降速率開始顯著增大的時刻與跑道通航開放交通的時間相符,據(jù)此,筆者認(rèn)為飛機(jī)起降荷載的影響應(yīng)是其主要原因。3恒載工后的場道地基沉降目前,針對汽車、飛機(jī)等交通荷載作用下的公路及場道地基變形計(jì)算,主要是在Seed等人提出的軟化效應(yīng)模式基礎(chǔ)上,通過確定交通荷載作用下的地基力學(xué)相應(yīng),估算孔壓分布模式,采用數(shù)學(xué)模型模擬交通荷載作用下的地基應(yīng)變特性,進(jìn)而采用數(shù)值方法計(jì)算得到交通荷早作用下的地基變形。這類方法具有明確的物理力學(xué)意義,但在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于模型復(fù)雜、參數(shù)難以確定等一系列問題,往往很難得到有效的應(yīng)用。因此,本文采用擬合恒載條件下的跑道沉降數(shù)據(jù),得到未施加飛機(jī)起降荷載時的跑道沉降規(guī)律,將此關(guān)系后延至跑道運(yùn)營階段,其推算沉降量與實(shí)測沉降量的差值,即施加飛機(jī)起降荷載所引起的附加沉降量。浦東機(jī)場第一跑道沉降觀測的最初時間為1998年2月,此時場道恒載已全部施加,1999年10月通航,飛機(jī)起降次數(shù)很快達(dá)到設(shè)計(jì)容量。由圖1可見,所有的觀測點(diǎn),沉降曲線在2000年附近時段發(fā)生了顯著的變化,趨于穩(wěn)定的沉降速率,在大幅增加的起降次數(shù)的作用下,沉降速率顯著增加?？紤]到初期沉降觀測時刻,場道靜載已經(jīng)全部施加,無法確定三點(diǎn)法中的瞬時沉降量。而2000年前的沉降曲線,其幾何特征與對數(shù)曲線相符。因此,采用對數(shù)模型(式1)擬合通航前的沉降曲線關(guān)系,通過回歸求得相應(yīng)的模型參數(shù),從而得到恒載條件下的工后沉降規(guī)律。式中,St為任意時刻的沉降量,S∞為恒載作用下的最終沉降量,A,B為模型參數(shù),S∞,A,B均通過回歸得到。將跑道中線22個沉降觀測點(diǎn)竣工后至通航前的17組觀測沉降數(shù)據(jù)作為已知量,通過回歸得到參數(shù)。22個斷面測點(diǎn)的回歸R2值均大于0.99,據(jù)此可以認(rèn)為,對數(shù)曲線模型能夠較好地反映大規(guī)模通航前恒載作用下場道地基工后沉降曲線特征。通過回歸得到恒載作用下該跑道沉降歷時曲線,推算恒載最大沉降量為483mm,最小值235mm,平均值288mm。將各測點(diǎn)的恒載作用下的場道地基沉降規(guī)律后延,得到恒載作用下的場道地基沉降曲線,認(rèn)為其與觀測沉降的差值即飛機(jī)起降荷載引起的場道地基沉降量。圖2是測點(diǎn)P270的對比曲線。該觀測點(diǎn)在通航36個月、45個月和60個月后由于飛機(jī)起降荷載引起的沉降量分比為66mm,86mm和128mm。圖3是不同通航時間的跑道中線動載沉降量分布。跑道中線在通航36、45和60個月后由于飛機(jī)起降荷載引起的平均沉降量分別為64mm,84mm和126mm,占相應(yīng)時刻的工后總沉降量的比例分別為20%,24%和31%。隨著運(yùn)營時間的增加,飛機(jī)荷載引起的場道地基沉降量在工后沉降量中的比重越來越大。根據(jù)目前的場道地基實(shí)測沉降數(shù)據(jù),采用Asaoka方法預(yù)測得到跑道中線的最終平均沉降為588.7mm,該沉降量減去前述對數(shù)曲線模型回歸得到的靜載最終平均沉降量288mm,預(yù)計(jì)飛機(jī)起降交通荷載所引起的平均工后沉降最終將達(dá)300.7mm,占工后總沉降量的比例高達(dá)51%。由此可見,在場道地基處理設(shè)計(jì)中,計(jì)算分析工后沉降量時應(yīng)充分考慮飛機(jī)起降荷載的影響。4機(jī)場一路段基坑工后沉降軟土地