摘要 摘要 我國民航運輸業(yè)發(fā)展迅猛，隨著航空業(yè)務(wù)量的增長，大型寬體飛機日起降架 次不斷增加，一些機場的道面出現(xiàn)損壞加速的現(xiàn)象，道面使用性能下降，已經(jīng)無 法保障飛機的安全運行，迫切需要進行道面結(jié)構(gòu)補強或功能恢復，以提高道面使 用性能，延長使用壽命。在不停航施工等復雜條件的約束下，恢復與提高道面整 體使用性能最常用、最有效的辦法是實施瀝青混凝土加鋪。 國內(nèi)外眾多機場實施了跑道道面瀝青混凝土加鋪，積累了大量成功經(jīng)驗，但 是由于受到各種復雜條件的制約，已實施的加鋪工程尚難以達到滿意的效果。本 文細致分析機場跑道加鋪工程設(shè)計與實施過程中面i 臨的種種復雜條件，吸收國內(nèi) 外加鋪工程的成功經(jīng)驗，通過試驗研究、現(xiàn)場測試、數(shù)理統(tǒng)計、理論分析、數(shù)值 模擬、經(jīng)驗總結(jié)等手段，對瀝青混凝土加鋪工程實施中涉及的評價、決策、結(jié)構(gòu) 分析、不停航施工組織與管理等方面的部分關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。同時，針 對道面瀝青混凝土加鋪層的“反射裂縫”、“車轍”和“松散”等主要病害，從道 面結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料設(shè)計方面進行了研究。 加鋪決策是道面管理的主要內(nèi)容，加鋪決策的科學與否直接影響加鋪工程的 效果。本文針對結(jié)構(gòu)性補強和功能性加鋪，相應(yīng)地選擇評價指標及明確判別標準。 同時，為簡化決策流程，對多項功能性評價指標采用了可拓評價方法進行道面功 能性能綜合評價。 在總結(jié)機場道面加鋪層反射裂縫的類型及其成因機理的基礎(chǔ)上，提出道面加 鋪設(shè)計的核心任務(wù)主要是控制反射裂縫?；仡櫫四壳皺C場道面和公路路面加鋪層 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并重點闡述這些設(shè)計方法中對減緩反射裂縫的考慮。進一步通過 有限元計算，分析了加鋪層厚度和設(shè)置土工合成材料對加鋪層應(yīng)力的影響。在此 基礎(chǔ)上，詳細分析了各種控制反射裂縫的措施及其效果。 基于機場跑道道面工作狀態(tài)與受力特征分析，結(jié)合室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試鋪段各 項檢測結(jié)果，提出了跑道對于加鋪層瀝青混合料的性能要求，推薦以s m a 作為 跑道加鋪的主要混合料類型。為了進一步提高s m a 的抗輪轍和抗松散等性能， 采用s b s 改性瀝青摻配天然湖瀝青的復合改性瀝青作為結(jié)合料，并基于試驗結(jié) 果提出了s b s 改性瀝青與湖瀝青的最佳配合比。 充分考慮跑道不停航施工的各種制約因素，分析測算各道工序的施工時間， 并基于最優(yōu)化方法原理，通過施工組織網(wǎng)絡(luò)圖建立了不停航施工組織優(yōu)化的數(shù)學 模型，并根據(jù)時間和資源兩方面的約束條件給出了資源的合理配置。同時，對不 停航施工應(yīng)急預案的制定原則、步驟及內(nèi)容進行了總結(jié)。 本論文依托上海虹橋國際機場跑道第三次加鋪工程，開展復雜條件下機場跑 摘要 道瀝青混凝土加鋪技術(shù)研究，不僅為虹橋國際機場跑道第三次加鋪工程提供技術(shù) 支持，而且對于我國其它機場跑道瀝青混凝土加鋪工程實施具有一定的借鑒作 用。 關(guān)鍵詞：機場跑道，瀝青混凝土，加鋪，道面使用性能， 可拓評價，決策，結(jié)構(gòu)設(shè)計，不停航施工 a b s t r a c t r e c e n t l y , c h i n ac i v i la v i a t i o ni n d u s t r yh a sb e e ni nas t a g eo fr a p i dd e v e i o p m e n t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fa i rt r a f f i cv o l u m ea n d l a r g ew i d e b o d ya i r c r a f tp r o p o r t i o n ， p a v e m e n t so fs o m eb u s ya i r p o r t s r u n w a ys p e e du pt ot h ed a m a g e ，w h i c hi n d u c e st h e d e c r e a s i n go fp a v e m e n tp e r f o r m a n c e s f o rp r o t e c t i o no ft h es a f eo p e r a t i o no f a i r c r a f t , t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o rp a v e m e n ts t r u c t u r a lr e i n f o r c e m e n to rf u n c t i o n a lr e c o v e r y t oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c ea n dp r o l o n gi t sl i f es p a n o nt i l e c o m p l i c a t e dc o n d i t i o n s s u c ha sc o n s t r u c t i o nu n d e rw i t h o u ts t o p i n gf l i g h t s ，a s p h a l t o v e r l a y i n gi st h em o s t c o m m o n l yu s e da n dt h em o s te f f e c t i v ew a yt or e c o v e ro ri m p r o v et h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c e t h i st e c h n i c a lm e a n sh a sb e e na l r e a d yw i d e l yi m p l e m e n t e di n m a n ya i r p o r t s r u n w a yp a v e m e n t so v e r l a yp r o j e c t si nt h ew o r l d ，a n dal o to fs u c c e s s f u le x p e r i e n c ei s a c c u m u l a t e d b u td u et ov a r i o u s c o m p l i c a t e dc o n d i t i o n s ，t h eo v e r l a y i n gp r o j e c t s i m p l e m e n t e d 眥s t i l ld i f f i c u l tt oa c h i e v es a t i s f i e dr e s u l t s v a r i o u s c o m p l i c a t e d c o n d i t i o n sf a c e di nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fo v e r l a yp r o j e c th a v eb e e n a n a l y z e di n t h i sp a p e r b a s e do nt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c e sa th o m ea n da b r o a d s o m e k e yt e c h n o l o g i e so fe v a l u a t i o n ，d e c i s i o n m a k i n g ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，o r g a n i z a t i o na n d m a n a g e m e n to fc o n s t r u c t i o nu n d e rn o n - s t o pf l i g h th a v eb e e na n a l y z e db ye x p e r i m e n t s ， i n 。s i t ut e s t i n g ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i e n c es u m m a r y e ta 1 t h e m a j o rd e f i c t si na s p h a l to v e r l a ys u c h 叢”r e f l e c t i v ec r a c k ”，”r u t t i n g ”a n d ”r a y e l i n h a sb e e nr e s e a r c h e df r o ms t r u c t u r a la n dm a t e r i a ld e s i g na sw e l l a st h em a i nc o n t e n t so fp a v e m e n tm a n a g e m e n t , d e c i s i o n m a k i n go fp a v e m e n t o v e r l a yi m p a c to nt h ee f f e c to fo v e r l a yp r o j e c td i r e c t l y a c c o r d i n gt os t r u c t u r a l r e i n f o r c e m e n ta n df u n c t i o n a lr e c o v e r y , e v a l u a t i o ni n d e x e sa n dc r i t e f i ah a y cb e e s t a b l i s h e d t os i m p l i f yt h ed e c i s i o n m a k i n gp r o c e s s e s ，e x t e n s i o ne v a l u a t i o nl n c i 五o di s u s e dt og e tc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf r o ms o m ef u n c t i o n a le v a l u a t i o ni n d e x e s b a s e du p o nt h ea n a l y s i so ft h em a j o rt y p e sa n dt h ec a u s e so fr e f l e c t i v ec r a c k si n e x i s t e do v e r l a y e dp a v e m e n t s ，t h ec o r et a s kf o rt h ed e s i g no fa s p h a l to v e r l a yo n c e m e n tc o n c r e t ei sr e d u c i n gr e f l e c t i v ec r a c k s t h e nt h e p a p e rr e v i e w ss e v e r a lt y p i c a l a s p h a l to v e r l a yd e s i g nc r i t e r i aw i t hp a r t i c u l a re m p h a s i so nt h e i rr e s i s t i n gr e t i e c f i v e c r a c k s s t r u c t u r a lr e s p o n s ev a i l e dw i t h a s p h a l to v e r l a yt h i c k n e s sa n dm o d u l u so f g e o s y n t h e t i c su n d e ra i r c r a f tl o a d i n ga r ea n a l y z e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d w i t h a b s t r a c t w h i c hs e v e r a lt e c h n i q u e sa n dt h e i re f f e c t sf o rr e s i s t i n gr e f l e c t i v ec r a c k sa r ep r e s e n t e d b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r a lr e s p o n s eo fa i r p o r tr u n w a yp a v e m e n t s ， p r o p e r t yr e q u i r e m e n t so fo v e r l a ya s p h a l tm i x t u r ea r em a d ew i t ht h er e s u l t so fl a b o r a t o r y a n df i e l dt e s t s s m ai sr e c o m m e n da st h et h em a i nt y p eo fr u n w a yo v e d a ym i x t u r e i n o r d e rt o9 1 1 h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fa n t i r o t t i n ga n da n t i r a v e l i n g ，s b sa n dn a t u r a l a s p h a l ta 聆u s e da st h eb i n d e rt om o d i f ys m a a n dt h eb e s tm i xo fa s p h a l ti se a c u l a t e d b a s e do nt h et e s tr e s u l t s f u l lc o n s i d e r a t i o nh a sb e e ng i v e no nt h ec o n d i t o no fc o n s b u c t i o nu n d e rn o n s t o p f l i 曲t s ，t i m eo fe a c hc o n s t r u c t i o np e r i o di sc a l c u l a t e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f o p t i m i z a t i o n , t h eo p t i m i z e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fn o n s t o pf l i g h t sc o n s t r u c t i o n o r g a n i z a t i o ni se s t a b l i s h e dt h r o u g hc o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o nn e t w o r kp l a n a n dt h e r a t i o n a la l l o c a t i o no fr e s o u r c e si sg i v e nw i t ht h ec o n s t r a i n t sb o t ho ft i m ea n dr e s o u r c e s a tt h es a n l et i m e ，t h ep r i n c i p l e s , s t e p sa n dc o n t e n t so fc o n t i n g e n c yp l a n sf o rt h e c o n s t r u c t i o nu n d e r n o n s t o pf l i g h t sc o n d i t i o na r ed e v e l o p e da n ds u m m a r i z e d r e l y i n go nt h et h i r do v e r l a yp r o j e c to fs h a n g h a ih o n g q i a oi n t e r n a t i o n a la i r p o r t , a s p h a l t - o v e r l a y i n gt e c h n o l o g y f o r a i r p o r tr u n w a yp a v e m e n tu n d e rc o m p l i c a t e d c o n d i t i o n si sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , w h i c hn o to n l yp r o v i d e st e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h e t h i r do v e r l a yp r o j e c to fh o n g q i a oi n t e r n a t i o n a la i r p o r t , b u ta l s og i v e sa ni m p o r t a n t r e f e r e n c ef o ra s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yp r o j e c t so fo t h e ra i r p o r t sr u n w a y si nc h i n a k e yw o r d s ：r u n w a y ，a s p h a l tc o n c r e t e ，o v e r l a y ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，e x t e n s i o n e v a l u a t i o n ，d e c i s i o n - m a k i n g ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，c o n s t r u c t i o nu n d e r n o n - s t o pf l i g h t s 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟大學關(guān)于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定， 同意如下各項內(nèi)容：按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版 本；學校有權(quán)保存學位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有 關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前 提下，學?？梢赃m當復制論文的部分或全部內(nèi)容用于學術(shù)活動。 一弛諱嚴織 袱7 月訓日 經(jīng)指導教師同意，本學位論文屬于保密，在年解密后適用 纛麓躲郝渺指導教師簽名：學位論文作者簽名：氣“r 年月 日 莎卯礦年7 爿日 同濟大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，進行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集 體，均已在文中以明確方式標明。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任 由本人承擔。 躲書觸仙 徊8 聿7 剛b 第i 章緒論 第1 章緒論 1 1 研究背景 近年來，我國宏觀經(jīng)濟持續(xù)向好，民航運輸業(yè)發(fā)展迅猛。目前，中國境內(nèi)民 用航空定期航班通航機場1 4 2 個( 不含香港和澳門) ，其中，浦東國際機場貨郵 吞吐量排名世界第六，首都機場客運吞吐量排名世界第八?！笆?期間，全國 機場年起降架次和年旅客吞吐量分別增加了5 7 5 和9 1 2 。 隨著飛機起降架次和大型寬體飛機比例的快速增長，一些早期修建的機場飛 行區(qū)技術(shù)等級較低，跑道道面結(jié)構(gòu)損壞嚴重，使用性能急劇下降，迫切需要進行 道面結(jié)構(gòu)補強或功能恢復，以提高道面使用性能，延長使用壽命【1 q o l 。 瀝青混凝土加鋪是改善跑道道面結(jié)構(gòu)性能和功能性能的有效手段，尤其是在 機場無法關(guān)閉，必須進行不停航施工的情況下，瀝青混凝土加鋪成為機場道面加 鋪的最佳手段。 據(jù)初步統(tǒng)計，上海虹橋國際機場、廈門高崎國際機場、大連周水子國際機場、 哈爾濱太平國際機場，合肥駱崗機場等十幾個機場均已實施了不停航條件下跑道 瀝青混凝土加鋪。預計未來幾年，還將有大批機場需要對跑道實施瀝青混凝土加 鋪。 由于受到各種復雜條件的制約，已實施的加鋪工程尚難以達到滿意的效果。 通過對國內(nèi)機場加鋪工程與運營狀況的調(diào)查、分析與整理，總結(jié)出目前加鋪工程 面臨的主要復雜條件如下： 1 、缺乏完整、連續(xù)的跑道建設(shè)、維修、評價資料。 道面加鋪時機的選擇，道面加鋪層設(shè)計參數(shù)的確定等都需要以建設(shè)、維修及 多年道面使用性能評價資料作為依據(jù)。由于以前對建設(shè)、維修資料的保存和管理 不夠重視，多數(shù)機場的建設(shè)、維修資料不完整，加之大部分機場還沒有開展定期 的道面使用性能調(diào)查與評價工作，其評價數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性，無法掌握道面使用性 能的衰變規(guī)律，也就難以對道面的使用壽命進行可靠的預測。 所以，必須通過定期及專項的道面性能調(diào)查與評價，才能夠科學、準確地掌 握現(xiàn)有道面的狀況，預估道面使用壽命，為加鋪決策提供科學的依據(jù)，為加鋪設(shè) 計提供可靠的參數(shù)。 2 、不停航施工條件復雜，需將設(shè)計、施工及維護進行統(tǒng)籌考慮。 機場航班日益密集，使跑道維護工程在實施的時間和空間上受到極大限制。 l 第l 章緒論 在實施的時間上，需要根據(jù)跑道的道面性狀和機場的運行條件，從密集的航班計 劃中尋求加鋪施工的最佳時機；在實施空間上，每個施工周期內(nèi)各項施工工序的 操作面必須滿足不停航施工的安全要求，確保機場正常運行。 因此，要在不停航施工的約束條件下，綜合考慮設(shè)計與施工，重點考慮加鋪 層的可施工性及可維修性。針對道面加鋪層結(jié)構(gòu)類型選擇，加鋪材料選型等一系 列問題，著重考慮以下幾方面問題： 1 ) 需兼顧機場運營與施工。運營中的機場，無法進行連續(xù)施工、每個施工 周期時間長度受到嚴格限制。在這種條件約束下，無法實施水泥混凝土加鋪，即 使實施瀝青混凝土加鋪，在每個施工周期內(nèi)，也要嚴格控制瀝青混凝土攤鋪與冷 卻凝固的時間： 2 ) 因機場始終處于不間斷運營中，加鋪層的任何損害都可能出現(xiàn)危及飛機 運行安全，造成航班延誤的重大后果，所以，要著重高性能瀝青混合料的研究與 應(yīng)用，保證加鋪層瀝青混合料的耐久性，減輕和克服普遍存在的弱點( 反射裂縫、 輪轍、松散等) ，盡量減少運營后的維修量； 3 ) 在滿足結(jié)構(gòu)要求的情況下，合理確定加鋪層厚度與設(shè)計使用年限，結(jié)構(gòu) 厚度、分層與施工時間、工期的關(guān)系。 3 、既有道面結(jié)構(gòu)類型多樣，病害種類、程度復雜。 不同機場跑道道面的地基條件、結(jié)構(gòu)組合、材料組成各不相同。受到環(huán)境、 荷載等因素的長期影響，許多建設(shè)年代較久的機場，其道面結(jié)構(gòu)較建設(shè)時發(fā)生了 較大的變化，跑道道面還可能被多次改造，少數(shù)機場經(jīng)歷過二次、三次加鋪。這 種狀況下，道面的基礎(chǔ)、面層結(jié)構(gòu)或者表面狀況都可能存在著不同的薄弱環(huán)節(jié)。 經(jīng)過長期使用的舊道面，隨著使用性能的下降，各種病害頻繁發(fā)生，并且發(fā) 展速度越來越快。這些病害如果處治不當，會嚴重影響加鋪效果，使加鋪層提前 破壞。 在這些復雜條件的約束下，加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)確定困難，考慮因素增加， 在加鋪工程實施之前，需要對道面的病害類型與分布進行詳盡的調(diào)查，并對病害 產(chǎn)生原因進行分析，研究病害處治措施，進行病害處治。要統(tǒng)籌考慮既有道面的 合理利用、新老道面的結(jié)合以及由于目前道面的缺陷對加鋪層的影響，在加鋪層 結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計中，重點研究解決加鋪層可能出現(xiàn)的反射裂縫、輪轍、松散等病 害。 4 、大型寬體飛機陸續(xù)投入使用，對加鋪層性能要求更高。 大型寬體飛機起降架次的迅速增加，以及跑道運行安全要求的不斷提高，對 道面加鋪層的結(jié)構(gòu)性能和混合料性能均提出了更高的技術(shù)要求，尤其對高溫、多 2 第l 章緒論 雨地區(qū)的機場跑道，加鋪層應(yīng)具有更強的抗輪轍、抗松散能力。 綜上所述，細致分析機場跑道加鋪工程設(shè)計與實施過程中面臨的種種復雜條 件，吸收國內(nèi)外加鋪工程的成功經(jīng)驗，對瀝青混凝土加鋪工程實施中涉及的評價、 決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計、不停航施工組織與管理等一系列技術(shù)問題進行深入 研究，具有十分重要的意義。本論文依托上海虹橋國際機場跑道第三次加鋪工程， 開展復雜條件下機場跑道加鋪工程技術(shù)研究，不僅為虹橋國際機場跑道第三次加 鋪工程提供技術(shù)支持，而且對于我國其它機場跑道瀝青混凝土加鋪工程實施具有 重要的借鑒作用。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外針對跑道瀝青混凝土加鋪技術(shù)進行了大量的研究，下面就道面性能評 價與加鋪決策、加鋪層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計、高性能瀝青混合料、不停航施工等幾方 面的內(nèi)容進行綜述。 1 、道面性能評價與加鋪決策 國外道面評價與加鋪決策方面的理論研究與實踐起步較早。7 0 年代初期， 美國空軍有大量的老道面接近使用期限，隨著時間的推移，維修工作量不斷增加。 為準確描述和確定機場道面的相對狀況，評價各種維修措施的效果，同時也為最 有效地使用維修經(jīng)費，美軍建筑工程研究所( c e l 也) 于1 9 7 4 年開始機場道面評 價體系的研究，到1 9 8 1 年完成美國空軍機場道面維護管理系統(tǒng)研究報告。到 8 0 年代末9 0 年代初，發(fā)達國家建立起較為完整的機場道面評價體系框架。其過 程可劃分為三個階段【1 1 】： 1 ) 七十年代初期，美國陸軍建筑工程研究所受美國空軍委托進行機場道面 狀況評定、損壞鑒定和維修、管理等方面的研究，建立了機場道面評價體系【1 2 】， 其內(nèi)容主要包括： ( 1 ) 道面損壞的明確定義、分類、具體量測方式； ( 2 ) 道面狀況指數(shù)( p c i ) 計算方法； ( 3 ) 分析損壞成因機理，分別考慮了交通荷載因素和環(huán)境因素； ( 4 ) 針對各種損壞的維修對策。 對道面損壞狀況的評價和分析是本階段的重點，這種分析方法對后來的道面 評價體系的研究產(chǎn)生了重要的影響。 2 ) 由美國陸軍工程兵部隊開發(fā)，為f ：從所認可的m i c r o p a r 的道面評 價體系，繼承了第一階段p c i 的概念及相關(guān)內(nèi)容，并取得以下進展【1 扣1 7 】： 3 第l 章緒論 ( 1 ) 提出道面族( p a v e m e n tf a m i l y ) 的概念，根據(jù)結(jié)構(gòu)、功能、等級的不 同，將各道面區(qū)域劃歸為不同的族； ( 2 ) 根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，回歸出每一族道面的使用性能( 通常采用p c i ) 衰變 規(guī)律，作為該族道面的壽命預測曲線； ( 3 ) 提出p c i 臨界值的概念，并提出確定方法。 3 ) 9 0 年代初開始應(yīng)用于肯尼迪國際機場的i a p m s 屬于網(wǎng)級管理系統(tǒng)，其 道面評價體系從以下幾方面加以完善【1 8 2 0 】： ( 1 ) 道面結(jié)構(gòu)承載力分析及結(jié)構(gòu)剩余壽命預測； ( 2 ) 道面狀況指數(shù)( p c i ) 分析及剩余壽命預測： ( 3 ) 不同道面區(qū)域修復優(yōu)先級權(quán)數(shù)的確定； ( 4 ) 典型修復對策的選擇條件； 至此，機場道面評價體系的框架已經(jīng)大體確定。此后，隨著評價理論的發(fā)展 和檢測儀器的不斷改進，國外學者在道面結(jié)構(gòu)反演分析、平整度評價和剩余壽命 等方面對機場道面評價體系進行了完善。 國內(nèi)對機場道面評價與加鋪決策的實踐與研究起步較晚，目前正處于不斷發(fā) 展與完善的階段，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，并逐步形成了一套系統(tǒng)的機場道面評 價體系。同濟大學自1 9 9 5 年起開始機場道面調(diào)查評價的研究工作，先后完成了 十多份國內(nèi)機場的道面調(diào)查評價報告；并從1 9 9 8 年起系統(tǒng)開展了機場道面調(diào)查、 評價、預測和維護技術(shù)的研究，在道面評價管理理論與實踐方面積累了豐富的經(jīng) 驗和數(shù)據(jù)，為機場當局制定道面大中修方案提供了技術(shù)支持；尤其是在上海虹橋 機場與合肥駱崗機場的加鋪工程中，系統(tǒng)、全面的機場道面評價為項目確立和方 案設(shè)計提供了科學的依據(jù)。2 0 0 0 年，民航總局機場司安全保障處頒布了民用 機場飛行區(qū)場地維護手冊，根據(jù)國內(nèi)機場現(xiàn)有的技術(shù)水平對機場道面的調(diào)查、 評價和維護方法作了一些總結(jié)，對于國內(nèi)機場的維護工作有一定的指導意義【2 1 1 。 通過上海市教育委員會曙光計劃所資助的由同濟大學承擔的“機場道面評價體系 研究”，我國已經(jīng)初步構(gòu)建了民用機場道面的評價體系。隨著以落錘式彎沉檢測 設(shè)備為代表的一批先進的無損檢測設(shè)備的逐步推廣應(yīng)用，機場道面評價利用方面 的理論研究與實踐也將進一步的發(fā)展與完善。 道面性狀模型的研究始于2 0 世紀6 0 年代，最早可以追溯到美國的a a s h t o 環(huán)道試驗，此后在各國研究者的不懈努力下，模型取得了很大發(fā)展。國際民航組 織( i c a o ) 提出用逆轉(zhuǎn)設(shè)計評價法來預估道面剩余使用壽命。f a a 在機場道面 剩余壽命預估中采用p c i 預測模型，該模型基于“道面族”概念，采用回歸方法 建立了p c i 與道面使用年限之間關(guān)系，據(jù)此預測機場道面剩余壽命。但是，從 p c i 預測模型構(gòu)建方法可知，道面p c i 衰變模型是以長期、大量的數(shù)據(jù)積累為基 4 第l 章緒論 礎(chǔ)。我國沿用了i c a o 的思路進行道面結(jié)構(gòu)性剩余壽命預估。在功能性剩余壽命 預估方面，國內(nèi)也建立了相應(yīng)的模型，如同濟大學的雙指數(shù)反s 曲線模型【2 1 2 4 】， 也有建立p c i - i r i 的相關(guān)關(guān)系預測道面功能性剩余壽命的成果案例【2 5 1 。由于機 場跑道平整度關(guān)系到旅客的舒適度和飛機的機械壽命，并且由道面不平整引起飛 機對道面的沖擊會縮短道面的使用年限，因此，平整度與道面服務(wù)性能有密切的 相關(guān)性，作為道面評價中一項重要的功能性指標被不斷重視。 綜上所述，國內(nèi)外初步構(gòu)建和完善了“機場道面評價體系”，但是，目前國 內(nèi)機場道面評價中都是針對不同使用性能分別采用不同的評價指標進行評價，沒 有采用綜合評價方法評價道面的整體性能，無法滿足道面管理決策的需要；目前 的評價體系詳細的評價了道面的各種性能，能夠針對各個方面性能的不足，采取 不同的維護辦法，只有當涉及道面結(jié)構(gòu)、損壞狀況、平整度等方面大范圍不滿足 時才會采取加鋪的措施來改善道面整體使用性能，但是目前評價體系沒有明確基 于道面加鋪決策的評價指標體系及決策方法。 2 、加鋪層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計 國內(nèi)外的機構(gòu)和學者對道面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)體系的力學響應(yīng)規(guī)律進行了深 入研究，同時，公路領(lǐng)域的大量相關(guān)研究成果為機場瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析 及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提供了重要的依據(jù)和參考。 翁興中【2 6 】( 1 9 9 4 ) 根據(jù)機場水泥混凝土道面加鋪瀝青面層的受力特點，將其 作為三維空間體系來處理。把瀝青道面和基層劃為層元。對原道面采用網(wǎng)絡(luò)，可 以考慮各種接( 裂) 縫的影響，從而較好地解決了這兩者的耦合問題。以此為基 礎(chǔ)，提出了加鋪層體系的理論分析方法。并根據(jù)對加鋪層在荷載作用下的應(yīng)力和 位移分析，以及對瀝青混凝土材料的研究，提出了瀝青混凝土加鋪層的設(shè)計指標， 即：加鋪層的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，以及原水泥混凝土道面的彎拉應(yīng)力，從而為加鋪 層設(shè)計方法的建立奠定了基礎(chǔ)。 翁興中、焦明糾2 7 】( 2 0 0 2 ) 通過對瀝青混凝土蓋被層、基層和土基采用分層 的方法，對水泥混凝土道面劃分有限元網(wǎng)格，對軍用機場水泥混凝土道面瀝青薄 層蓋被起飛段的應(yīng)力進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當飛機在薄層結(jié)構(gòu)上起飛時，其破壞 主要是剪切破壞；影響薄層剪應(yīng)力的主要因素是薄層的厚度和薄層與舊道面的結(jié) 合程度。增大薄層厚度和薄層與i e t 道面之間的結(jié)合程度均可以減少薄層的剪應(yīng) 力：為了提高起飛段薄層的高溫穩(wěn)定性和瀝青混凝土的強度，建議采用改性瀝青 混凝土鋪筑面層，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時須進行瀝青混凝土抗剪強度驗算。 j i n w o nk i ma n dw i l l i a mgb u t t l a r 2 8 】( 2 0 0 0 ) 采用一種三維非線性有限元對 g r e a tp e o r i ar e g i o n a la i r p o r t ( g p r a ) 的e 滑行道上瀝青加鋪層的反射裂縫進行 5 第l 章緒論 分析。計算結(jié)果表明，設(shè)置玻璃纖維加筋層能較大地減小加鋪層內(nèi)的拉應(yīng)力和剪 應(yīng)力，有效抑制在重復荷載作用下的反射裂縫處的應(yīng)力集中。 d i y a rb o z k u r t 2 9 】( 2 0 0 2 ) 采用三維有限元方法對r a n t o u ln a c 跑道道面的加 鋪工程進行模擬，水泥混凝土板與下層采用接觸算法，瀝青膠結(jié)料用粘彈性材料 模擬。得出了瀝青加鋪層在板接縫附近的應(yīng)力響應(yīng)。研究表明，裂縫處治夾層 ( i s a c ) 能很大程度上減小在交通荷載作用下加鋪層底面的拉應(yīng)力，同時改性 瀝青( p g6 4 2 8 ) 較普通瀝青( p g5 8 2 2 ) 能減小加鋪層頂部的拉應(yīng)力。 倪明，姚祖康【3 0 】( 1 9 9 4 ) 通過建立半解析單元力學模型，計算分析了舊水泥 混凝土路面上瀝青加鋪層的三維荷載應(yīng)力，探討加鋪層產(chǎn)生發(fā)射裂縫的機理，表 明偏荷載應(yīng)力是加鋪層產(chǎn)生反射裂縫的重要因素之一，合理設(shè)計加鋪層厚度和材 料組合，控制荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力，是加鋪層設(shè)計的主要任務(wù)。同時，層間結(jié) 合條件對加鋪層荷載應(yīng)力影響較大，不容忽視。 陳飛，胡光偉1 3 l j ( 2 0 0 1 ) 利用三維有限元方法，結(jié)合g o o d m a n 力學模型， 計算分析了具有接縫的舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層在行車荷載和溫度作用 下的應(yīng)力和位移狀況，分析了反射裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的原因以及加鋪層厚度在防治 反射裂縫中的作用。結(jié)果表明，加鋪層與舊水泥混凝土路面層間的結(jié)合條件是影 響加鋪層應(yīng)力狀態(tài)的重要因素；舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層的反射裂縫是由 行車荷載和溫度變化產(chǎn)生的主拉應(yīng)力超過材料強度所致。偏荷載主拉應(yīng)力和溫度 主拉應(yīng)力是鋪裝層開裂的主要原因；瀝青加鋪層厚度對荷載應(yīng)力影響較大，增加 加鋪層厚度可抑制行車荷載引起的反射裂縫。 吳寧等【3 2 】( 2 0 0 5 ) 以寧連公路南京段水泥混凝土路面改造工程為研究對象， 通過有限元計算分析了瀝青混凝土加鋪層反射裂縫的受力特性，為加鋪層的結(jié)構(gòu) 和材料設(shè)計提供依據(jù)。研究表明，隨著加鋪層厚度的增加，裂縫尖端應(yīng)變能密度 呈減小趨勢，但面層厚度增大到一定程度后，減小的程度趨于緩慢。隨著格柵模 量的增加，裂縫尖端應(yīng)變能密度值不斷減?。划敻駯拍Ａ砍^2 0 0 0 a 后，繼 續(xù)增加格柵模量，裂縫尖端應(yīng)變能密度的減小速度變慢。當瀝青穩(wěn)定碎石模量在 8 0 0 - - 1 0 0 0 m p a 時，裂縫尖端的水平應(yīng)力和應(yīng)變能密度較小，對加鋪層反射裂縫 的防止有重要作用。 b a s s a ms a a d ，h a n im i t r ia n dh o r m o zp o o r o o s h a s b 3 3 】( 2 0 0 5 ) 結(jié)合設(shè)計控制 指標，采用三維隱式動態(tài)的有限元程序a d i a n 對常規(guī)瀝青道面在單輪荷載作用 下的動態(tài)響應(yīng)進行研究，提出了基層模量、厚度和路基性質(zhì)對路表彎沉、路基項 面永久變形的影響模型。 j i l lm h o l c w i n s k ic t a 1 3 4 】( 2 0 0 3 ) 采用三維有限元程序a b a q u s 對明尼蘇 達州的瀝青混凝土路面在復雜輪載下的表面應(yīng)力及由路表橫向裂縫帶來的應(yīng)力 6 第1 章緒論 進行分析，結(jié)果表明，拉應(yīng)力在輪跡帶外緣比中間更大，橫向裂縫能顯著增加基 層的豎向應(yīng)力，由此帶來的a c 面層的橫向應(yīng)力顯著。 e k t s c h e g ge t a 1 3 5 】( 1 9 9 8 ) 應(yīng)用德國專利a t - 3 9 0 3 2 8 對不同的加鋪結(jié)構(gòu)層 的破壞特性及發(fā)射裂縫的發(fā)展進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)鍥入開裂方法( w e d g e s p l i t t i n gm e t h o d ) 能合理描述加鋪層表面的反射裂縫，斷裂能概念能合理反映瀝 青混合料的斷裂特性，與瀝青面層膠結(jié)良好的低硬度夾層能有效防治反射裂縫的 發(fā)展。 j o s e p hw v e s p a , r e m 】( 2 0 0 5 ) 通過試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過夾層應(yīng)力吸收復合材料 ( i s a c ) 處治混凝土板接縫，能有效延緩反射裂縫的發(fā)展，減小由此帶來的加 鋪層破壞。 目前，加鋪層厚度設(shè)計一般有三種方法：有效厚度法、撓度法和力學一經(jīng)驗 法。加鋪層設(shè)計最常用的方法是有效厚度法，美國工程兵團提出了在原有剛性道 面上鋪設(shè)瀝青或柔性加鋪層的經(jīng)驗公式。國外機場道面加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法以美 國f a a 最為典型。f a a 加鋪層設(shè)計方法經(jīng)歷了一個由有效厚度法到彈性層狀體 系法到有限元方法的發(fā)展歷程【3 7 枷】。f 八a 咨詢通報a c 5 3 2 0 6 d 中規(guī)定，原有剛 性道面上熱拌瀝青加鋪層設(shè)計采用厚度補差法。這些厚度設(shè)計方法一般都能夠滿 足道面結(jié)構(gòu)承載力的要求。 國內(nèi)眾多機場道面使用性能調(diào)查結(jié)果顯示，反射裂縫是道面瀝青混凝土加鋪 層最主要的病害，并且一經(jīng)出現(xiàn)，就發(fā)展迅速。反射裂縫的出現(xiàn)，減弱了加鋪層 的結(jié)構(gòu)強度，導致水損害，加速了加鋪層失效速度，所以，如何預防、減緩反射 裂縫的出現(xiàn)是目前加鋪層設(shè)計需要考慮的最主要問題。通過以上文獻分析，采用 玻纖格柵等夾層結(jié)構(gòu)能夠使加鋪層受力更加均衡合理，能夠有效地減緩反射裂縫 的發(fā)生。 4 、高性能瀝青混合料 瀝青混凝土機場道面在世界各國應(yīng)用廣泛，為了獲得更好的使用性能，世界 各國紛紛開展對瀝青混合料的選型及配比設(shè)計的研究。比較常用的混合料類型包 括傳統(tǒng)最常用的密級配瀝青混凝土( a c ) 、抗滑表層a k 、美國開發(fā)的s u p e r p a v e 混合料以及現(xiàn)今發(fā)達國家比較流行的開級配多孔瀝青混合料( o p a ) 或開級配抗 滑磨耗層( o g f c ) 。隨著研究的深入，s m a 因其具備優(yōu)良的高溫性能、良好的 耐久性、良好的表面特性、良好的低溫抗裂性、服務(wù)壽命長、養(yǎng)護費用及用戶費 用低等優(yōu)點，特別適用于道面加鋪材料，因此在世界各國得到廣泛的推廣，并進 行了深入的研究。 s m a 在工程中的使用最早出現(xiàn)在上個世紀六十年代的聯(lián)邦德國，由于其優(yōu) 7 第1 章緒論 良的抗輪轍性能和耐久性，八十年代首先在歐洲得到應(yīng)用，丹麥哥本哈根機場是 最早應(yīng)用s m a 的機場道面。前聯(lián)邦德國早在1 9 8 4 年就建立了s m a 國家標準， 并于國家統(tǒng)一后的1 9 9 8 年進行了修訂，加進了改性瀝青內(nèi)型4 0 。歐洲瀝青路面 協(xié)會餌a p a ) 將其卓越的面層功能特性歸結(jié)為【4 1 】：抗滑性、平整度與抗輪轍、耐 久性、減噪性與明視度。e r i k 等認為影響s m a 輪轍的因素依次為：2 r a m 通過量、 瀝青含量、纖維含量。丹麥c a r l 則通過輪轍試驗得出以下結(jié)論：馬歇爾試驗的 結(jié)果與輪轍無關(guān)、增加粗集料含量使輪轍減小、s b s 改性增加了s m a 的抗疲勞 能力；荷蘭通過三軸試驗證明s m a 抗輪轍能力為普通混合料的1 5 4 倍、改性 后進一步增至5 l0 倍【4 。 美國自1 9 9 1 年起在全美各州開始修建大量s m a 路面，研究人員對其性能 和影響因素作了較多的研究。e r b r o w n 和r a j i b 4 l j ( 2 0 0 0 ) 由蠕變試驗證明 4 7 5 m m 通過量為2 5 時應(yīng)變最小，蠕變模量最高；b r o w n 等還由試驗證明 4 7 5 m m 通過量小于3 0 時才能保證石料與石料的接觸：并通過輪轍試驗證明使 用s b s 改性瀝青可使輪轍減少7 8 倍，石棉纖維的使用使輪轍降低一倍；同時 二者都可以大大降低輪轍的產(chǎn)生速度。1 9 9 4 年f h w a 委托n c a t 在全國范圍內(nèi) 對1 4 0 段s m a 路面進行調(diào)研，1 9 9 8 年，a a s h t o 提出了s m a 設(shè)計、施工等技 術(shù)規(guī)范草案1 4 h7 。 我國于1 9 9 2 年在建設(shè)首都機場高速公路過程中首次采用了s m a 。我國最早 在飛機場跑道上應(yīng)用s m a 道面是桂林機場和廈門機場，后來在首都國際機場東 跑道得到廠全面的應(yīng)用，并取得了很大的成功1 4 耵。以后在其他許多機場如敦煌機 場、蘭州中川機場、哈爾濱機場、天津機場以及許多軍用機場得到了應(yīng)用。西安 公路交通大學申愛琴等【4 9 】( 2 0 0 6 ) 對s m a 與抗滑表層路用性能進行了研究，得 出以下結(jié)論：s m a 穩(wěn)定度偏小，流值及飽和度偏大：使用閃長巖輪轍大于玄武 巖，說明石料性質(zhì)對s m a 至關(guān)重要；而改性后低溫蟠變速率反而降低，需要進 一步對試驗方法進行研究；s m a 抗疲勞性能優(yōu)于其它棍合料，其殘留穩(wěn)定度與 其它瀝青混合料無明顯差異。廣東虎門大橋s m a 鋪裝工程1 5 0 ，由重慶交通部公 路所進行了試驗工作，通過大型環(huán)道試驗證明s m a 比a c 抗裂性好，也優(yōu)于國 外常用作橋面鋪裝的湖瀝青澆注式混凝土，驗證了使用改性劑有利于延長s m a 疲勞壽命。 為了準確的理解和科學地推廣s m a 路面，1 9 9 7 年部公路司給公路科學研究 所下達“瀝青瑪蹄脂碎石混合料性能及指標”研究任務(wù)，要求結(jié)合我國國情，制 定出切合實際的“瀝青瑪蹄脂碎石混合料設(shè)計施工指南( 或規(guī)范) ”。我國于2 0 0 1 年提出了s m a 路面施工技術(shù)指南。對s m a 研究的主要成果均體現(xiàn)在( s m a 路 面技術(shù)指南1 5 1 】中。在其所有研究成果中，以下兩點具有重要價值： 8 第l 章緒論 1 ) 根據(jù)我國國情，夏季炎熱和超載嚴重的情況，需適當減少瀝青用量； 2 ) 由于瀝青用量較少，就需要有配套的施工工藝，必須采用大噸位振動壓 路機采用“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的碾壓方式。 對于復雜條件下機場跑道加鋪工程，其特殊的荷載狀況和工作狀態(tài)，必然對 加鋪層材料各項性能提出更高的要求，而國內(nèi)外研究中至今沒有明確給出機場跑 道對加鋪層瀝青混合料的性能要求?；趕 m a 的優(yōu)良性能，我國在機場加鋪及 高速公路路面工程中進行了廣泛推廣，已經(jīng)獲得了許多比較成熟的經(jīng)驗，但是， 就機場跑道對加鋪層的性能要求，高性能瀝青混合料的