飛機起落架荷載作用下的機場跑道沉降分析

飛機起落架荷載作用下的機場跑道沉降分析

由于各種客觀條件的限制，中國許多民用飛機建在脆弱的基地上。為了確保飛機在這條線路上的高速行駛的安全和舒適，不僅要提供足夠的路肩能力，還要滿足一定的變形控制要求。軟土區(qū)的路塹工程通常采取各種處理措施，改善現(xiàn)有軟弱水庫的形狀，提高場地的承載能力和抗變形能力。由于軟土工程性質(zhì)的復(fù)雜性和空間分布的多樣性，目前的場地處理工程中仍存在許多必須盡快解決的問題。事實上，在國內(nèi)外以軟土地為基礎(chǔ)的機場道路和公路上，由于技術(shù)后沉降和高度差異的巨大差異，這是一個普遍問題，這會導(dǎo)致或加劇地板破裂和沉降等疾病，從而降低地板的使用能力。關(guān)于交通荷載對高速公路和機場跑道地基變形的影響,目前尚存在著不同的觀點.我國現(xiàn)行的路基設(shè)計方法認為車輛等交通荷載對地基變形的影響可忽略不計;建于Ariake粘土上的日本某低路堤高速公路,運行5年內(nèi)發(fā)生了1~2m的工后沉降,其中有很大比例是由汽車交通荷載引起的,我國廣珠高速公路的部分軟基路段在3年運營期內(nèi)發(fā)生了1m的工后沉降,遠遠超過設(shè)計控制指標(biāo).國內(nèi)外的工程實踐充分表明,交通荷載對軟土地基上的道路沉降變形的影響不容忽視.針對交通荷載對工后沉降變形的影響,目前國內(nèi)外開展的研究主要通過實驗分析行車動荷載下道路軟基土的力學(xué)行為和固結(jié)特性,建立動荷載作用下的軟基土永久變形預(yù)測模型.這些研究幾乎全部建立在室內(nèi)試驗研究的基礎(chǔ)上,提出的交通動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.而且,目前針對飛機起降荷載對場道地基工后沉降的影響的研究尚少.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,定量研究交通荷載對場道地基工后沉降的影響.上海浦東國際機場第一跑道建成投入運營至今,已經(jīng)積累了超過6年的沉降觀測數(shù)據(jù).以這些實測資料為基礎(chǔ),對場道地基變形進行分析,探討了飛機起降荷載對跑道沉降的影響,以期為軟土地區(qū)場道地基處理設(shè)計提供參考.1場道地基沉降機場飛行區(qū)場地地勢平坦,地面標(biāo)高約3.7~4.0m,具有濱海平原和被眾多縱橫交錯的溝河浜切割的地質(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)計填土及道面結(jié)構(gòu)層荷重為43kPa,為大面積分布荷載.由于場地內(nèi)⑤2層下的第⑦層為厚度大于20m的中密—密實砂質(zhì)粉土層,埋深超過28m,按《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》,考慮⑤2層以上的28m土層為計算壓縮層.根據(jù)分層總和法及應(yīng)力歷史法計算得到的最終沉降量分別為30.0cm和32.2cm.考慮到場區(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,場道地基存在發(fā)生不均勻沉降的可能,場道地基處理采用了以強夯為主,結(jié)合換填、墊層等輔助措施的綜合處理辦法.按照設(shè)計要求,場道地基最終差異沉降控制在0.1%以內(nèi),運營10年工后沉降控制在10cm內(nèi).1998年2月至2004年9月,積累了6年多的跑道工后沉降觀測數(shù)據(jù).截至2004年9月,跑道中線的沉降特征列于表2,中線各斷面測點的沉降歷時曲線如圖1所示.目前跑道運營情況正常,但由于地基沉降及差異沉降的影響,跑道道面橫坡已經(jīng)比設(shè)計值降低了15%~25%,跑道的縱坡也發(fā)生了局部的細微變化.跑道橫坡變小,降低了道面的排水功能,增大了雨天飛機高速起降時產(chǎn)生飄滑的可能,從而影響飛行安全;縱坡的細小變化發(fā)展到一定程度,將會使跑道上高速運行的飛機產(chǎn)生明顯顛簸,平穩(wěn)舒適性下降,而過大過頻的振動將危害飛機結(jié)構(gòu)安全.因此,有必要加強對場道地基沉降及差異沉降的監(jiān)控和預(yù)測分析.根據(jù)已有的實測沉降數(shù)據(jù),采用Asaoka方法,取Δt=100d,預(yù)測得到跑道中線最終沉降量最大值為747.9mm,最小值為420.3mm,平均沉降588.7mm,部分區(qū)域最大差異沉降率達0.18%.因此,為了保證道面的使用功能,必須在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)Φ烂孢M行加鋪處理.從圖1可以發(fā)現(xiàn),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.考慮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,且在此期間跑道并無其他變化因素,因此飛機起降荷載的影響應(yīng)是速率變化的主要原因.為此,采用彈性層狀理論,分析飛機荷載對場道地基變形的影響范圍.2飛機荷載作用下場道地基附加應(yīng)力分布機場跑道道面結(jié)構(gòu)荷載與飛機荷載是兩種不同性質(zhì)的荷載,在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力相差很大.道面結(jié)構(gòu)荷載屬于大面積荷載,附加應(yīng)力沿深度衰減較小,對于地基軟弱土層的影響較大,而飛機荷載屬于局部荷載,附加應(yīng)力在深度范圍內(nèi)的分布衰減較大,對地基土層的影響相對于道面荷載有一定的差異.為了考察飛機荷載對場道地基變形的影響,本文采用彈性層狀體系理論,突出設(shè)計機型荷載特點,計算分析飛機靜荷載作用下場道地基的附加應(yīng)力.機場道面是多層次的層狀結(jié)構(gòu),根據(jù)各層次的功能和材料特性,將其劃分為面層、基層和土基三個層次.該跑道采用剛性道面,飛機荷載經(jīng)基層的擴散作用后,道面板的接縫對地基附加應(yīng)力的影響已經(jīng)很小,因此采用多層彈性體系理論進行分析是合理的.地基簡化計算模型及參數(shù)如表3所示.設(shè)計機型為波音747-400,為小車式起落架,主起落架采用四起落架布局.飛機單輪與道面的接觸面簡化為圓形,飛機全重起飛荷載為3950kN,換算主起落架1.41MPa,接地面積1663cm2.相鄰起落架對地基附加應(yīng)力的疊加作用與起落架之間的距離有關(guān),計算時只考慮主起落架的疊加效果.首先求解單輪荷載作用下地基任意點M(r,z)的附加應(yīng)力,再將起落架各輪的附加應(yīng)力響應(yīng)進行矢量疊加,對主起落架的4個小車式起落架進一步疊加,最終得到場道地基在飛機荷載作用下地基頂面及地基內(nèi)附加應(yīng)力的分布特征.圖2為波音747-400型飛機各種組合荷載作用下,場道地基最大附加應(yīng)力沿深度方向的分布.計算表明,波音747-400機型作用在道面上時,場道地基最大附加應(yīng)力分布在中主起落架組中心點.從圖3可知,飛機荷載作用下,土基表面最大附加應(yīng)力達32kPa,10,20,30和40m深度的最大附加應(yīng)力分別為10.4,3.3,1.6和0.9kPa.以5%自重應(yīng)力為參照標(biāo)準(zhǔn),該機型對場道地基沉降的影響深度達10m.考慮到飛機起降時的動荷系數(shù)修正(一般取1.2),可認為波音747-400機型在起降時對地基沉降的影響深度將超過10m,可以達到場道地基下臥軟弱淤泥質(zhì)粘土層.所以,飛機荷載對場道地基工后沉降變形的影響不可忽視.3恒載沉降規(guī)律針對汽車、飛機等交通荷載作用下的高速公路及機場場道的地基變形計算,目前主要是在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地基的力學(xué)響應(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,進而通過數(shù)值方法計算得到交通荷載下的地基變形.這類方法具有明確的物理力學(xué)意義,但由于模型復(fù)雜、參數(shù)難以確定等一系列問題,往往很難應(yīng)用于工程實踐.本文利用跑道通航前恒載條件下的跑道沉降實測數(shù)據(jù)得到未施加飛機起降荷載時的跑道沉降規(guī)律,將此關(guān)系后延至跑道運營階段,其推算沉降量與實測沉降量的差值,可視為飛機起降荷載所引起的附加沉降量.浦東機場一跑道沉降觀測的起始時間為1998年2月,此時場道恒載已全部施加,1999年10月通航.由圖1可見,所有觀測點的沉降曲線在2000年附近時段發(fā)生了明顯變化: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.初期沉降觀測時,場道靜載已經(jīng)全部施加,無法確定三點法中的瞬時沉降量,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),擬合跑道通航前的沉降曲線關(guān)系,通過回歸得到模型參數(shù),從而確定恒載條件下的長期沉降規(guī)律.St=S∞(1?Ae?Bt)(1)St=S∞(1-Ae-Bt)(1)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個沉降觀測點竣工至通航前的17組觀測沉降數(shù)據(jù)作為已知量,通過回歸得到參數(shù)列于表3.從回歸參數(shù)可以看出,對數(shù)曲線模型能夠較好地反映恒載作用下場道地基沉降規(guī)律.通過回歸得到跑道恒載作用下的沉降規(guī)律,推算恒載條件下場道地基最終的最大沉降量為483mm,最小為235mm,平均為288mm.將各測點恒載作用下的場道地基沉降規(guī)律后延,跑道運營期內(nèi)恒載沉降與觀測沉降的差值即飛機起降荷載引起的場道地基沉降量.圖4是測點P270的沉降對比曲線,該測點在通航36,45和60個月后由于飛機起降荷載引起的沉降量分別為66,86和128mm.圖4是跑道中線在不同通航時間的動載沉降量分布.跑道中線在通航36,45和60個月后由于飛機起降荷載引起的平均沉降量分別為64,84和126mm,占相應(yīng)時刻工后沉降量的比例分別為20%,24%和31%.隨著運營時間的增加,飛機起降荷載引起的場道地基沉降量在工后沉降量中的比例將越來越大.因此,在場道地基處理設(shè)計的沉降分析中,要充分考慮飛機起降荷載的影響,今后應(yīng)將跑道的交通荷載水平作為場道地基處理的重要設(shè)計參