摘要：本文通过对机场混凝土道面的一种常见病害——脱空，从脱空产生的机理研究，到使用有限元软件ABAQUS对脱空进行数据模拟，分析不同程度的脱空、不同的传递效果对道面的影响，得到结论：道面板之间传递效果差时，脱空对道面影响更大，在脱空的作用下，道面最大弯压应力增幅74.5%。
关键词：机场；道面；脱空；ABAQUS
引言
脱空是机场道面的一种常见病害，对机场道面影响很大。如果早期脱空病害不能及时发现，在飞机荷载的作用下，脱空会逐渐发展，最终导致板的断裂，影响道面的正常使用因此，寻求一种切实可行的道面脱空处理方法，就成为道面维护部门急待解决的问题。
1 国内外研究现状
国内外对脱空问题研究较多。在脱空成因机理及判别方面，波特兰水泥协会（PCA，1984）基于美国各州公路工作者协会（CAASHO）道路试验成果提出的冲刷损伤模型，该模型以板角挠度作为脱空的评价指标。邓普西（Dempsey，1983）和福佑（Phu等，1986）应用能量模型建立了冲刷与水挤出的速率、交通荷载和路面挠度之间的相互关系。美国国家公路研究机构（NCHRP，1990）提出了经验性的脱空判别模型。关于分析由于稳态外载荷引起的位移，应力，应变等。本文希望通过ABAQUS分析常见道面板模型在受力后可能出现的最大应力。
2 脱空形成机理
道面脱空区分为原始脱空区和后生脱空区。
2.1 原始脱空区
现场浇注的混凝土，由于水泥浆下渗，使得板与基层之间形成具有一定抗剪能力的整体材料，但受温度影响，板要伸缩，经反复作用，使得水平抗剪能力下降；同时板内温度的非线性分布，引起板向上或向下翘曲，加速了板与基层之间的分离于是刚性道面板底与基层之间出现微小的空隙，即原始脱空区。
2.2 后生脱空区
混凝土面板具有较大的刚度，而对基层的强度要求不高，因此在基层支撑均匀的情况下，面层板可直接设在基层上然而，机轮荷载作用于道面时，面层板会产生变形由于板的弯沉会使基层产生一定量的塑性变形，板在荷载驶离后恢复原状，而基层则不能恢复原状。
混凝土道面板还受环境温度的影响，产生很大的温度应力，为避免板的断裂和拱起，设置了纵缝、横缝。在自然环境下，正是由于纵缝、横缝的存在，会有水的入侵。在机轮荷载的作用下，机轮驶离后板回弹时形成真空，这种负压进一步将水泵入已形成的原始空隙中，随着混凝土板下水的累积，基层材料趋向于自由水饱。在机轮动荷载频繁作用下，引起水的动压力，使得细粒料和联结较弱的胶结料受到冲刷，并随水的挤入而被带出，这些悬浮的液体形成卿泥现象，如图1。这种现象一旦发生，道面板就会局部失去基层的支撑作用而产生断裂及错台，降水会沿缝隙下渗，并积滞在脱空区内，飞机驶过时，后方板的边缘或角隅先向下弯沉，将脱空区内积滞的水挤向前方，而当后序飞机行驶时，又将水挤向后方飞机速度较快，积滞水受到挤压的前后流动速度很高。基层材料在高速水流的作用下很易受冲刷，而积滞水变成含有细粒土的泥浆在机轮和面层板弯沉变形作用下，只产生在缝边及板边缘的局部范围内，随着唧泥的进一步发展，混凝土道面板下的基层材料由于被挤出带走，基层就不能给道面板以完全的支撑，恶性循环，最终导致道面的损坏。
由于基层细粒料被水带到表面，在道面形成卿泥病害，而基层由于细粒料的缺失出现脱空。这种脱空通常出现在板底。
图1 唧泥形成示意图
3 脱空对道面的影响
水泥混凝土道面具有诸多优点，但在实际使用中，由于飞机荷载的重复作用，板下土基易产生一定的塑性变形，或由于温度的影响使混凝土板产生翘曲，造成混凝土板局部范围不再与土基保持连续接触，即混凝土板下局部出现脱空。这对混凝土板的受力是极为不利的。在荷载作用下，脱空部位的边缘会产生局部应力集中现象，在飞机荷载重复作用下，影响道面的使用性能。
脱空时板块的受力模式如同悬臂结构，因此，板块在脱空状态下受到飞机轮载作用时，板块内的弯拉应力会显著增大，且增大比率会随着脱空程度的加大而加大，使道面结构承载能力下降。以通用有限元软件ABAQUS6.14为计算平台，为充分考虑周边板块约束的影响，模型尺寸取相邻9块板，单板尺寸为5.0m*5.0m*44cm。水泥板弹性模量为36GPa，泊松比为0.15；基层顶面反应模量为130MPa；荷载采用B747-400主起落架荷载参数（如表1所示），脱空位置示意图如图1所示，荷载也加载在脱空部位的板角；模型边界条件为约束边界水平位移，计算单元采用C3D8I。
表1 B747-400的荷载参数
注：轮印尺寸按面积等效转换为矩形。
图2 脱空示意简图
脱空通常出现在板边和板角位置，由于板角本身就是板块受力的最不利部位，因此本文在对脱空的模拟中只考虑板角脱空情况。为了便于单元划分和保证计算精度，假设脱空区域为正方形，如图2所示，脱空尺寸分为1.5m*1.5m。
模型中，相邻两块道面板之间设置弹簧单元，通过阻尼系数的不同来模拟不同的接缝传荷能力，接缝传荷能力好时阻尼系数为0.1，接缝传荷能力差时阻尼系数为0.9。同时，基层顶面模量的不同在一定程度上体现了脱空的不同程度。折减系数F分别为1、0.7、0.5、0.3、0，图2和图3便是不同状况下的道面板受力云图。
表2 道面荷载应力分析
从计算结果可以看出，脱空对道面的影响随着脱空程度的增大而迅速增加。在接缝传荷能力为“好”时，板内最大弯拉应力增加55.92%，在接缝传荷能力为“差”时，板内最大弯拉应力增加74.49%。飞机荷载虽不致于直接将板块压断，但也会大大降低板块的使用寿命，增大出现断板、裂缝的可能性。
图2 接缝传荷能力好时应力图（F=1）
图3 接缝传荷能力好时应力图（F=1）
4 结论
（1）对于后生脱空区，形成脱空需要具备以下3个条件：存在地表水下渗通道，如接缝嵌缝料出现；损坏，或存在未修补的贯穿裂缝；基层材料不耐冲刷；荷载作用。
（2）道面板之间传递效果差时，脱空对道面影响更大，在脱空的作用下，道面最大弯压应力增幅74.5%。
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论文作者:姚玮昕,张扬,孙学舟,戚文科,张影影
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
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