（交通运输规划与管理专业论文）民用机场道面管理系统研究.pdf

中国民航大学硕士学位论文 摘要 民用机场道面管理系统( p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称p m s ) 是提高民用机 场道面评价、管理和维护决策水平的重要技术手段，对提高管理效率、保障航空安全和 节省维护经费至关重要。 本文介绍了国内外机场p m s 的研究状况，系统研究了机场p m s 的评价体系、道面 性能预测理论和模型、机场道面维护决策和地理信息系统在p m s 中的应用。在道面评 价中，论文给出了民用机场道面分区方法，研究了道面破损状况、道面结构承载力、道 面抗滑性能和道面平整度的调查和评价方法；在道面性能预测理论和模型中，论文介绍 了常见的确定型、概率型和灰色预测模型，确定了道面性能预测模型的建立原则、影响 因素和数据预处理方法，并在此基础上分别建立了道面状况指数p c i ( p a v e m e n t c o n d i t i o ni n d e x ) 预测衰变模型、刚性道面和柔性道面结构剩余使用寿命预测衰变模型、 道面摩擦系数和道面平整度预测衰变模型；在道面维护决策中，论文进行了道面维护需 求分析，给出了应急维护和计划维护的决策准则，建立了基于静态和动态技术分析的维 护决策方法，研究了维护资金不足时的维护项目排序优化；论文对以机场p m s 为应用 对象的地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t c m ) 的数据分类、数据结构模型 和功能需求进行了详细分析，给出了基于g i s 的p m s 的设计原则、基本构成和系统框 架。 关键词：民用机场，道面，道面管理系统，地理信息系统 中国民航大学硕士学位论文 a b s t r a e t p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ( p m s ) i sa ni m p o r t a n tm e 组l l $ o fi m p r o v i n gp a v e m e n t e v a l u a t i o n , m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c ea n do fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o re f f e c t i v em a n a g e m e n t , a v i a t i o ns a f e t ya n dc o s ts a v i n gf o rc i v i la i r p o r t i nt h ep a p e ri td e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fp m sa th o m ea n da b r o a da n ds t u d i e s t h o r o u g h l yt h ep a v e m e n te v a l u a t i o nm e t h o d o l o g y , t h e o r i e sa n dm o d e l sf o rp a v e m e n t p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n , d e c i s i o nm a k i n go fp a v e m e n tm a i n t e n a n c e & r e h a b i l i t a t i o n , a n d a p p l i c a t i o no fg i so np m s f o ra i r p o r tp a v e m e n te v a l u a t i o n , i tr e s e a r c h e sm e t h o do f p a v e m e n tb l o c kz o n i n g , a n dh o w t os u r v e ya n de v a l u a t ep a v e m e n td a m a g e s ，s t r u c t u r eb e a r i n g c a p a c i t y , a n ds k i dr e s i s t a n c e f o ra i r p o r tp a v e m e n tp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n , i ti n t r o d u c e s n o r m a l l yu s e dm o d e l so fd e t e r m i n a c y , p r o b a b i l i t ya n dg r e yt h e o r y , a n ds e t so u tr u l e sf o r 伽咀曲m 咖p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nm o d e l ，e n u m e r a t e sr e l a t e df a c t o r sa n dd e s c r i b e sd a t a p r e p o s s e s s i n gm e t h o d p r e d i c t i o nm o d e l so fp a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x r e s i d u a ls e r v i c el i f e f o rr i n da n df l e x i b l ep a v e m e n t , 衔c t i o nc o e f f i c i e n ta n dr o u g h n e s sa r em a d e f o rd e c i s i o n m 地o f p a v e m e n tm a i n t e n a n c e & r e h a b i l i t a t i o n , t h en e e df o ra i r p o r tp a v e m e n tm a i n t e n a n c e i sa n a l y z e da n dd e c i s i o nm a k i n gc r i t e r i o nf o re m e r g e n c ya n dp l a n n e dr e p a i r , w h i c hi sb a s e d o ns t a t i ca n dd y n m i ca n a l y s i s , a l es u m m a r i z e d t h es e q u e n c eo p t i m i z a t i o nf o rm a i n t e n a n c e p r o g r a m si nt h ec o n d i t i o no fi n s u f f i c i e n ti n v e s t m e n ti sa l s os t u d i e d t h ed a t ac l a s s i f i c a t i o n ， d a t a - s t r u c t u r em o d e la n dn e e d e df u n c t i o n sf o rg i st h a ti su s e di np m sa t ea n a l y z e di nd e t a i l i ta l s op r e s e n t sd e s i g np r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n df t a m e w o r ko f p m sb a s e do ng i s k e yw o r d s ：c i v i la i r p o r t , p a v e m e n t s ，p m s ，g i s 中国民航大学硕士学位论文 图目录 图卜1 本文研究总体技术路线3 图2 - 1 纵向、横向和斜向裂缝扣分值1 0 图2 - 2 刚性道面评价综合修正曲线1 0 图3 1 灰色预测模型2 5 图3 - 2p c i 预测模型曲线”2 7 图4 - 1 决策树判定法示意图4 2 图5 - 1g i s 软件系统构成 图5 - 3 基于g i s 的道面管理系统的逻辑结构图5 6 图5 - 4 基于g i s 的道面管理系统的总体框架图5 6 v 中国民航大学硕士学位论文 表目录 表2 1 刚性道面破损类型8 表2 2 柔性道面破损类型9 表2 3 道面破损评价标准1 2 表2 4 刚性道面接缝传荷能力( l w 标准) 分级标准1 3 表2 5 刚性道面板底的脱空情况评价标准1 4 表2 6 刚性道面结构承载力评价1 4 表2 7 道面强度报告1 5 表2 8 结构层材料的厚度当量系数1 6 表2 9 道面整体结构承载力评价标准1 7 表2 1 0i c a o 的跑道摩擦系数评价标准1 8 表2 1 1 我国民用机场道面摩擦系数测试周期表1 8 表2 1 2 道面摩擦系数评价标准( 测试速度：6 s k n 恤) 1 8 表2 1 3 跑道i r i 评价标准2 0 表2 1 4 柔性道面3 m 尺变形损坏评价标准2 0 表2 1 5 刚性道面3 m 尺变形损坏评价标准2 0 表4 1 道面最低维护标准3 4 表4 2 刚性道面应急维护决策支持模型权值分配表3 6 表4 3 柔性道面应急维护决策支持模型权值分配表3 6 表4 4 维护范围与p c i 评价关系表3 7 表4 5 刚性道面建议的日常维护和中修方法3 9 表4 6 柔性道面建议的日常维护和中修方法4 0 表4 7 各影响因素在优化模型中的权值( 权值从1 到1 0 ) ”4 7 表4 8 年离港交通量在优化模型中的相对权值( 权值从1 到1 0 ) ”4 7 表4 9 道面功能类型在优化模型中的相对权值( 权值从i 到1 0 ) “4 7 表4 1 0 道面使用顺序在优化模型中的相对权值( 权值从1 到1 0 ) “4 7 表4 1 1 某机场年度道面维护项目次序4 8 表5 1 拓扑空间关系定义空间特征5 0 v i 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：登查! 煎日 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国民航大学研究生部办理。 研究生签名：彗垒亟导师签名： 中国民航大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 自上世纪8 0 年代初开始，我国经济迅速发展，民用航空事业也处于高速发展阶段。 截止2 0 0 5 年底，中国境内民用航空定期航班通航机场1 3 5 1 1 1 个( 不含香港和澳门，下同) 。 根据民航“十一五”规划，到2 0 1 0 年，我国民用通航机场数目将达到1 8 6 个；到2 0 2 0 年，将增加至2 2 0 个。这其中既有长期使用的老机场，也有新建或扩建不久的新机场。 道面作为机场最基本的基础设施之一，其面积大，空间分布广，性能变化规律非常复杂。 机场道面通常包括跑道、滑行道和机坪等铺筑面。为了保证道面上运行飞机的安全， 机场道面的表面状况( 摩阻性能、平整度和完好性) 和结构承载力都必须达到一定的技 术标准。但是随着时间的推移，在飞机荷载和自然因素的交互影响下，机场道面的结构 和功能将经历复杂多变的衰变过程。当前机场道面的总体状况处于何种水平，可能存在 哪些潜在问题，道面使用性能随着时间如何变化，如何在适当的时间选择最佳的维护策 略，如何以最小的费用获得最好的道面状况，都是机场管理和维护部门最关心的问题。 由于机场道面管理和维护技术水平落后，目前我国机场道面管理部门主要存在以下 问题： 1 、机场道面各种数据和技术资料的信息化程度不高。不论是巡视记录，还是调查结 果，一般都是记录在纸质介质或是以文件形式存储在计算机中，造成信息的保存、更新 和检索效率低下； 2 、道面性能评价缺乏全面的量化指标，存在大量主观判定的结果。目前主要以道面 抗滑性为评价指标，而道面的破损状况、平整度状况评价和计算过程极为不完善； 3 、缺乏对道面各类性能的衰变情况进行合理地预测，不能够准确掌握未来道面的状 况； 4 、机场道面维护决策主要以道面技术人员的经验为主。一般都采用随破随补的维护 方式，在维护时机、维护地点和维护方式的选择上缺乏相关理论支持； 5 、机场道面缺乏比较直观、准确的位置参照系统，日常道面性能调查和维护现场定 位比较困难。 依靠系统工程，计算机技术和信息管理技术建立的民用机场道面管理系统 ( p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称p m s ) 涵盖机场道面性能的调查与测试、使用功 能和结构承载力状况的分析、评价与维修对策等多个环节，目的为实现全过程对道面的 有效管理。 因此通过机场道面管理系统，可以有效地帮助管理人员提供一种客观和连续的道面 性能状况评价方法，及时掌握现在和未来的道面性能状况；可以方便快捷地考虑到多种 预算和维护策略，科学安排可用维护资源。 中国民航大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对于机场道面的评价研究开始于2 0 世纪7 0 年代。最早开始这一领域研究的是 美国陆军建筑工程研究所( c e r l - - u s a r m y c o r p s o f e n g i n e e r s c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g r e s e a r c hl a b o r a t o r y ) ，其最初研究的重点是道面破损状况的评价指标与标准，提出了p c i 指标和一整套调查、计算、分析和评价的方法【2 】。随着该研究领域的不断发展，不断引 入了一些新的评价指标，如道面的结构承载力、抗滑性能和平整度等指标，使道面评价 领域不断得到扩充和完善，形成了一套较为完整的道面评价体系。道面评价体系的建立 与不断的完善，形成了较为完善的道面管理系统，并开始向决策支持系统的研究转变， 通过建立道面性能模型，预测道面性能发展规律，从而为采取预防性维护措施提供决策 依据。 国外机场道面管理系统的发展是以p a v e r ( 后升级为m i c r op a v e r ) 的完善为主 线。该道面管理系统在公路及机场的道面管理领域取得了极大的成功，并为美国的海军、 陆军、空军、联邦航空局( f a a ) 和联邦公路协会( f h w a ) 所采纳。m i c r op a v e r 系 统是以道面的p c i 值为主要决策指标，其主要的功能有：根据道面区域的p c i 临界值和 结构确定修复对策；根据道面p c i 值、维护对策以及道面等级建立排序模型；根据历史 数据，回归出道面的p c i 值衰变规律，作为道面性能的预测曲线；进行投资预算，列出 项目计划【3 】。许多机场采用了m i c r op a v e r 系统作为机场道面管理的辅助软件，如美国 的o h a r e 机场、m i d w a y 机场和a l b a n y 机场等。 除了m i c r op a v e r ，其他比较著名的机场道面管理系统【4 】包括： l 、g - i b b 咨询公司的综合机场道面管理系统( i n t e g r a t e d a i r p o r t p a v e m e n t m a n a g e m e n t s y s t e m ，简称i a p m s ) 。该系统主要特点是将道面的结构剩余寿命分析引入到机场道面 管理系统中，与p c i 一起作为道面状况预测的基础以及维护对策选择的依据。 2 、d y n a t e s t 公司的机场道面信息及修复对策优化系统( a i r p o r ti n f o r m a t i o nr e t r i e v a l f o r p a v e m e n t o p t i m i z a t i o n r e h a b i l i t a t i o n t r e a t m e n t s y s t e m ，简称a i r p o r t s ) 【5 】。该系统 使用p c i 调查数据、f w d 测试的结构数据、道面抗滑性能数据以及道面平整度数据综 合评价道面状况。更为重要的是该系统已属于网级管理系统，其核心是一个性能一经济 评价系统( p e r f o r m a n c ee c o n o m i cr a t i n gs y s t e m ，简称p e p s ) ，能够帮助决策者进行预 算优化。 1 2 2 国内研究现状 我国民用机场p m s 研究刚刚起步，目前尚缺乏一套先进、科学系统的机场道面评 价体系作为理论指导，道面管理研究停留在具体的道面调查与评价工作上。2 0 0 0 年，民 航总局机场司颁布了民用机场飞行区场地维护手册，该手册根据国内外的机场现有 的技术水平对机场道面的调查、评价和维护方法作了一些总结，为机场道面维护工作提 2 中国民航大学硕士学位论文 供了一定的技术支持。但是该手册偏重于道面维护，道面评价的理论及其实施内容不足， 从整个道面管理工程的角度看显得缺乏系统性和先进性。 在国内首先进行机场p m s 研究的是上海机场集团和同济大学。自1 9 9 5 年起，有关 课题组开展了机场道面评价和管理方面的理论研究，形成了系列的基础研究成果。 1 3 论文研究的技术路线 道面管理系统属于信息管理系统，其研究的方面包括系统工程，计算机技术，g i s 技术等方面，比较庞大。为此，本论文拟遵循的总体技术路线【6 l 如图1 1 所示。 图1 - 1 本文研究总体技术路线 中国民航大学硕士学位论文 第二章机场道面评价体系 2 1 道面研究现状 机场道面评价 7 1 是道面维护和道面经济分析的基础，其主要包括道面损坏状况、道 面结构承载力、抗滑性和平整度四个方面。国外机场道面评价体系最早起源于军用机场， 所定评价指标标准偏低，而且缺乏如道面结构承载力评价等方面的内容，所以民用机场 必须根据自身特点开展有关研究。 道面表面的损坏不仅现象错综多变，而且原因也很复杂。各国通常采用主、客观相 结合的方法来评价道面损坏状况。目前，使用最为广泛的道面损坏状况评价指标为p c i 。 对道面结构承载力评价方法虽然有所不同，但是遇到的主要技术难点都在于如何快速地 反演土基和面层的模量值，国际上一般采用落锤弯沉仪对机场道面进行结构承载力调查 和评价，其整体强度一般采用a c n - p c n 法。为了保障飞机安全，必须对道面的抗滑性 进行周期性调查，评价当前道面抗滑能力。道面不平整首先是造成飞机乘员不舒适，同 时也可能带来潜在的不安全因素，并会增加飞机磨损和燃油消耗，而且对飞机的机械性 能及道面损坏速率等产生直接或间接影响。因此，平整度成为度量道面使用性能的一项 重要指标，其特性和测量方法便成为机场道面管理中最为关注的问题之一。 2 2 机场道面划分 总体来说，机场道面是一种平面的空间实体。从道面数据的采集到实施具体的维护 或者修复计划，都需要将道面划分为不同级别、大小不等的道面管理单元。其中上一层 管理单元由下一层管理单元组成，下一层管理单元继承上一层管理单元的所有属性，不 同的道面管理水平要求不同的道面划分精度。在网级道面管理中，主要为管理部门提供 宏观的决策，只关心道面的整体使用性能，因而对道面划分的标准较低。而在项目级道 面管理系统中，需要对道面使用性能有比较详细的了解，道面划分将直接影响到使用性 能的评价结果。因此合理、科学的道面分区方法和技术将是准确把握道面使用性能的关 键因素之一。 2 2 i 传统划分方法 在项目级道面管理系统中，道面管理单元从高到低划分为四个层次，依次为：机场 道面集合一道面子类一道面区域一调查单元。每一层次作为道面管理的决策对象，也是 属性信息的载体。 l 、机场道面集合( n e t w o r k ) ：在项目级道面管理中，该机场的所有道面就在这一层 次。 2 、道面子类( b r a n c h ) ：按照使用功能的不同，将总体道面划分为不同的道面子类， 并且考虑空问位置关系以及管理需要。同一道面子类要求使用功能相同，而且面积适宜。 道面子类这一层次的管理单元作为宏观决策的管理对象。 4 中国民航大学硕士学位论文 3 、道面区域( s e c t i o n ) ：其划分依据是道面空间位置、类型、结构组合、修建时期、 土基类型、交通等级、使用性能和排水状况等属性。就是将各种属性组合相似，并且位 置相邻的道面划分为一个管理区域。道面区域作为道面管理单元中的核心层次，既是宏 观决策对象，也是道面管理业务部门在实施道面管理中所要考虑的决策对象。 4 、调查单元( u n i t ) ：在道面区域的基础上，需要进行调查单元的划分，调查单元 的划分原则是根据面积要求，同时兼顾调查的方便进行设置。对于刚性道面，通常将相 邻2 0 块面板作为一个调查单元；对于柔性道面，通常将4 5 0 m 2 道面以为一个调查单元。 调查单元划分的依据是： ( 1 ) 便于道面损坏状况的调查和评价。因为道面损坏的扣分曲线和修正折减曲线是 以调查单元绘制的； ( 2 ) 现场工作也表明，这样大小的面积便于检查和评定； ( 3 ) 便于维护管理定位。评价区域面积广大，通过对道面单元进行标志物设置，便 于各项维护工作得到准确定位。 2 2 2 聚类分析划分方法 采用完全手工分区的方法并不能将道面属性相近的调查单元划到同一个道面区域。 但是，如果忽略机场道面的跑道、滑行道和机坪在使用性质上的显著不同，完全采用统 计分析的方法划分道面区域也是不妥的。结合机场道面的特点，应该按照使用功能的不 同将道面划分为不同的道面子类( b r a n c h ) ，然后在每一个道面子类的基础上利用聚类 分析隅】的方法划分道面区域( s e c t i o n ) 。 在聚类分析中，基本的思想是认为我们所研究的样品或指标( 变量) 之间存在着程 度不同的相似性( 亲疏关系) 。于是根据一批样品的多个观测指标( 特征指标) ，具体找 出一些能够度量样品之间相似程度的统计量，以这些统计量为划分类别的依据，将样本 聚类为不同的分类。本文采用c 均值聚类分析方法，其过程如下： l 、选择指标 聚类分析的对象是样本，样本由能反映出其特征的若干指标来表征，聚类分析的效 果主要取决于样本与聚类指标的选择。所谓聚类指标是指根据研究的对象和目的，能确 切地反映研究对象某一方面的特征，因此所选择的指标应具有代表性、适应性、可测性 和独立性。道面分区主要根据道面各项使用性能来选择评价指标，通过筛选和综合，选 择3 个主要反映道面使用性能的指标：p c i 、l i ( 摩擦系数) 和i r i ( 国际平整度指数) 。 设某道面子类划分为刀个临时分区，临时分区的大小可以参照调查单元的设置，这 样方便p c i 调查取值。每个临时分区x ：有m 个特征指标，那么特征指标矩阵为： 【x k 。= 矗： 吐i x 三2 。： x 厶 x ：。 x 二 ( 2 1 ) ! 里垦堕查兰堡圭兰垡丝苎 2 、数据标准化 由于聚类指标的量纲、绝对值不同，不具有可比性。因此可通过对数据的标准化处 理来消除它们之问的差异，平衡各指标的作用。本文采用平移极差变化法标准化处理， 首先计算每一维特征的均值和方差， 影2 吉善x ；( j 2 l k 朋) ( 2 2 ) 彰2 = i 1 善n 心一弓) 2 ( 2 3 ) 然后按照下式求各数据的标准化值劫，形成新的矩阵j ， = 孚 ( 2 4 ) 3 、指定分类数c c 均值算法的样本聚类数c 需要人工设定，通常要求2 c 衄2 。 4 、随机抽取c 个临时分区单元作为c 个分类的聚类中心z 。( 1 2 ，c ) 。 互= k ，：，而，j ，式中f 为随机抽样的样本序号。 5 、计算每个临时分区单元x 。( 1 幺力与每个聚类中心z 。( 1 z ，c ) 的欧氏距离d i k 。 z 。= k ，靠：，铂，) ( 2 5 ) 玩= l l x ，一z 。l = 瓯一z 。x x ，一z 。) r f ( 2 6 ) 6 、按距离最小原则进行分类。如果i 血( f ) = m i i l 慨 ，则第f 个临时分区单元属于 第七类。 7 、计算c 个分类中属于每个类的临时分区单元的个数版，重新计算c 个分类额的 聚类中心z 。 = 瓦1 善n 勃k e 埘) 8 、计算各类的误差平方和j k 。 以：兰艺k 一) 2k 国)( 2 8 ) 9 、计算全部临时分区单元的总误差平方和以，以为评价动态聚类效果的准则函数。 6 中国民航大学硕士学位论文 c 以= 以 ( 2 9 ) k - i l o 、判断是否为最小误差平法和厶嘲。如果以。= m i n 以g ) ，则第工次分类为最 佳分类其中工= i ，2 ，l 为聚类分析循环次数；为制定的总循环次数。 l l 、判断算法是否收敛。当互g ) * 乙g 1 ) 时，算法收敛，结束循环，否则转到步 骤5 进行重新分类。 采用动态聚类分析法划分同一功能( 跑道、滑行道和停机坪) 道面分区，可以克服 传统的手工分区法的过分依靠技术人员主观判断与定性分析的不足，使道面划分结构更 加合理和科学。 下面以某一条跑道为例，说明动态聚类分区的操作过程。该刚性跑道长3 2 0 0 m ，宽 5 0 m ，水泥混凝土板块的大小为5 , , 5 m 2 。首先选择合适大小的临时分区单元。在划分临 时分区单元过程中，将同一调查单元的板块归于同一个临时分区单元，以保证p c i 计算 的完整性。因为沿跑道方向每1 0 i n 恰好有2 0 块板组成一个调查单元，因此整条跑道可 以划分为3 2 0 个调查单元；又因为i r i 和l l 的测试数据的提交方式为每1 0 0 m 一个数值， 所以将该跑道划分为3 2 个临时单元，即沿跑道方向每1 0 0 m 为一个临时单元，每一临时 单元包括l o 个基本的调查单元。然后，确定c 值，计算确定合适的分类。每一道面子 类划分道面区域的数目是不完全一定的，一般3 0 0 0 m 以上的跑道可划分为5 1 0 个区域， 因此c 取值范围暂定5 l o ，选取不同c 值经过多次计算，即可筛选出较好的分类结果， 每一分类就可作为一个道面区域。 2 3 机场道面使用性能调查和评价 2 3 1 道面破损调查和评价 由于道面损坏发生具有随机性、多样性和程度差异性等特点，因此道面破损状况的 评价是道面使用性能评价中最为复杂的内容之一。当前，道面破损评价指标广泛采用 f a a 推荐的道面状况指数p c i 。此外，我国民用机场采用的开裂率( c r ，适应于柔性 道面) 和断板率( s i 汛，适应于刚性道面) 可以作为辅助的评价指标。限于篇幅，本文 只介绍p c i 的调查和评价，c r 和s r r 的调查评价可参照中国民航民用机场沥青混凝 土道面设计规范( m h 5 0 1 0 - 1 9 9 9 ) 。 2 3 1 1p c i 调查 机场道面p c i 值一般由三个方面来表征1 9 1 ：( 1 ) 损坏类型；( 2 ) 严重程度；( 3 ) 损 坏密度。 刚性道面破损类型共1 4 种，按照损坏形式分为面层断裂类、竖向变形类、接缝类、 表面类和修补类五个大类，具体损坏类型见表2 1 所示。 7 中国民航大学硕士学位论文 表2 1 刚性道面破损类型 损坏 形式 损坏类型定义 纵向、横向和由于荷载、翘曲应力和收缩应力等的综合作用产生的裂缝。该 斜向裂缝裂缝一般将混凝土板分成2 。块。 面层断 在角隅处产生的裂缝，从板角到裂缝两端的距离小于边长的一 裂类 角隅断裂 半( 否则为斜向裂缝) 一般裂缝边存在剥落现象。 破碎板或 交叉裂缝 产生的裂缝将道面分割成4 块以上 竖向变 形类 沉陷或错台由于基础鼓起或固结，接缝或裂缝位置道板形成的高差 由于温度升高，接缝宽度不够，导致混凝土板局部翘曲或者板 胀裂 边挤裂现象 填封料在环境和荷载因素的作用下，失去封堵的作用，杂物进 填封料损坏入接缝会阻止板块自由伸胀，引起翘曲，断裂或剥落；雨水渗入道 面结构会降低基础的承载能力。 接缝类 由于接缝处应力集中作用或者接缝内进入硬砾等原因，在接缝 接缝破碎周边( 一般小于5 0 m ) 产生的板块碎裂现象，裂缝面与板边成一定 的角度，裂缝没有贯通板厚。 脱空、板块 由于接缝或裂缝位置的基层材料在荷载作用下被带到道面表 面，使得道面板与基础部分形成脱空外观表现为接缝或裂缝附近 活动和唧泥 沉积着基层材料，或者飞机荷载经过时板块明显的活动 耐久性裂缝由于自然因素的作用，在接缝与裂缝附近产生的平 耐久性裂缝 行的或者“d ”形的发丝状细小裂缝，裂缝周边一般呈现暗色。 收缩裂缝 裂缝的走向、间距不规律，长度在l o c m 内，一股裂缝不会延 表层类 伸至全板，深度不会贯穿板厚。 由于水泥混凝土材料的小片脱落形成，一般直径为 坑洞 2 c m l o c m 。深度约i c m s c m 起皮、龟裂道面表层产生的网状、浅而细的发丝状裂纹，裂纹深度一般为 细和微裂纹0 5 c m 1 o c m 。 小补丁( 修补面 道面用水泥混凝土或者沥青混凝土进行局部的修补。 积小于o 5 m b 修补类大补丁( 修补面 积大于o 5 m 2 ) 大补丁指道面用水泥混凝土或者沥青混凝土进行较大面积的 局部修补。开挖补块指因设置地下设施开挖道面后形成的补块 和开挖补块 8 中国民航大学硕士学位论文 柔性道面损坏类型共1 4 种，按照损坏形式分为裂缝类、表面损坏类、变形类和其 它类四大类损坏类型，具体损坏类型见表2 2 所示。 表2 2 柔性道面破损类型 损坏 形式 损坏类型定义 在重复荷载的作用下，沥青混凝土道面产生的疲劳裂缝，裂缝呈 龟裂 网状或龟纹状 由于温缩应力的作用，在道面上形成的交错裂缝，将道面分割成 裂缝 不规则裂缝 o 1 m 2 l o r e 2 的碎块 类 由于材料和施工变异性等原因，在平行或垂直于飞机行驶方向上 纵向、横向裂缝 形成的裂缝。 目性道面加铺 在刚性道面上加铺柔性道面在原有羁b 性道面接缝处产生的反射 层的反射裂缝裂缝。 由于沥青混凝土中结合料的粘性下降，导致集料散失，道面表面 松敬 出现微坑等现象。 表面 由于沥青混合料中沥青含量过高或者空隙率过小，导致沥青在热 泛油 损坏天溢出道面，形成发亮的反光表面。 沥青混凝土表面集料在轮载的反复作用下。集料棱角被磨光的现 集料磨光 象。 道面局部区域的高程低于周边其它区域，由于该区域容易出现积 沉陷或隆起 水残留污迹。 车辙 在荷载反复作用下，由于基层和面层的累计塑性变形轮迹线上 变形 产生的沉降现象。表现为轮迹位置道面下沉，两侧隆起。 类 由于轮载的推挤作用，道面上垂直于行驶方向形成的有规则的波 搓扳 浪形起伏。 在柔性道面与刚性道面的结合处，由于刚性道面在温度升高时对 推挤 柔性道面的推挤作用，导致其鼓起或开裂的现象。 沥青道面在飞机发动机喷出的热气的影响下被烧焦或炭化，形成 喷气烧蚀 表面损坏。 其它 油料腐蚀道面被燃科、润滑油或者其它溶剂所侵蚀。 补丁 对道面进行局部的修补。 9 中国民航大学硕士学位论文 2 3 1 2p c i 计算方法 p c i 根据道面损坏类型、损坏程度和损坏密度计算： p c i = 1 0 0 - d p u k xw ( d p ，d ) ( 2 1 0 ) j = lj - 1 式中 f 损坏类型； - ，损坏严重程度； d p 艟第i 种损坏，第j 级损坏程度下，损坏范围为k 的扣分值； w ( d p ，d ) 多种损坏的综合修正权函数，与累计折减值d p 和折减次数d 有关 ( 由修正曲线确定) 。 巩。和w 0 3 p ，d ) 应该由经验丰富的工程技术人员组成评分小组，通过主观评价的方 法确定各种损坏类型的扣分折减曲线和综合修正曲线。图2 1 和图2 - 2 给出道面评价的 扣分值曲线和综合修正曲线的示例。 多 ， 。 | ， 纱 0l ：口，扎矸 4 ，o o 按坏密度( ) 图2 - 1 纵向、横向和斜向裂缝扣分值 ，一一 乡椰f 一 = _ ， 9多 ，一 少多乡 么乡 杉钐 么髟 ， 驴斩ll 位上，曲藏t 么 z ”4 j，t i to9 0i l ”1 2 i l 埘l $ l ll i t 0l 鞋掉折磕毽蚺扛t 图2 - 2 刚性道面评价综合修正曲线 l o ”柚钟” 举謦事 柚 ” 葺薯霉捌 中国民航大学硕士学位论文 2 3 1 3p c i 计算过程 p c i 计算首先需要对各个调查单元进行计算，在获得单元p c i 的基础上，进一步分 析道面区域与道面子类的p c i 以及其分布情况，从而为决策者掌握道面的损坏状况提供 依据。p c i 计算过程如下： 1 、损坏折减值计算 ( 1 ) 损坏量统计：选择同一调查单元内损坏类型、损坏程度相同的记录，对于刚性 道面，将损坏板块数累加；对于柔性道面，将损坏量进行累加( 长度计量时折算成面积) 。 ( 2 ) 损坏密度统计：对于刚性道面，将损坏板块数除以调查单元板块数作为损坏密 度；对于柔性道面，将损坏量除以调查单元面积作为损坏密度。 ( 3 ) 折减值计算：根据损坏密度与损坏程度查阅各类损坏类型的折减值扣分曲线， 获得该种损坏类型在该损坏程度下的折减值。 ( 4 ) 将单元内所有出现的损坏类型按照以上步骤分别统计。 2 、最大折减数分析 ( 1 ) 如果步骤l 中仅有1 条( 或者没有) 记录的折减值大于5 0 ，则转到步骤4 计算 单元p c i ，否则按下述步骤继续计算。 ( 2 ) 将步骤1 中所有的折减值按降序排列。 ( 3 ) 按照下式计算最大允许折减数( 研) ： m = l + ( 9 9 5 ) ( 1 0 0 一h d 功( 2 1 1 ) 式中 m 为调查单元内最大允许折减数； h d v 为调查单元内最大的损坏折减值。 ( 舢根据计算获得的最大允许折减数( m ) 截取按照降序排列的折减值，将大于m 的折减值不纳入步骤3 的分析( 截取过程中考虑所的小数部分) ，得到折减总值d v o 3 、最大修正折减值分析 ( 1 ) 列出折减值大于5 的记录数量r l 。 ( 根据拜以及折减总值d v , 通过多种损坏折减值修正曲线查得修正折减值c d v o ( 3 ) 将大于5 0 的最小折减值调整为5 0 ，相应疗减l ，然后根据( 2 ) 将符合条件的 折减值进行累加，并根据新的折减值累加结果及n 查阅相关修正曲线，从而确定相应的 修正折减值( c d 力，如此循环直至n = l ，得到若干个c d v 值。 ( 4 ) 取( 3 ) 中获得的若干个c d v 中最大值作为修正c d v 。 4 、计算调查单元的p c i 等于1 0 0 减去最大值修正c d v o 上述的计算过程是计算调查单元的p c i 值，其上层分区p c i 值由所辖调查单元的平 均值确定。 在p c i 计算过程中，各国一般采用计算程序进行计算，避免麻烦。损坏调查包括全 面调查和抽样调查，一般采用抽样调查了解道面的总体状况。当需要准确的掌握道面某 中国民航大学硕士学位论文 一区域的损坏状况或者所调查的道面非常重要时，则可以实施全面调查。在损坏调查中， 一般情况下调查人员将调查结果在现场直接记录在调查表格上，国外一些机场则采用手 持式电子设备( 类似于p d a ) 或者其他移动终端设备 1 0 l 进行损坏调查。 2 3 1 4p c i 评价标准 根据道面的破损情况，把道面破损状况分为若干个等级，并为每一等级规定相应的 数值范围，同时考虑使用和维护需求。道面p c i 评价标准1 1 1 1 见表2 3 所示。 表2 3 道面破损评价标准 评定等级优良中次差 跑道 1 0 0 9 09 0 7 57 s 一6 06 0 4 04 0 p c i 范围滑行道1 0 0 8 58 5 7 0 7 0 5 55 5 3 53 5 机坪1 0 0 8 08 0 6 56 5 5 05 0 3 03 0 机场自定义p c i 评价范围满足尚可不满足 2 3 2 结构承载力调查和评价 通过结构承载力的测定，可以鉴别出道面结构承载力较差或不足的区域和道面子 类；分析不同特征的道面结构对过去及当前交通量的适应情况承载力的测定方法t 1 2 1 分为破损试验和非破损试验。破损试验主要包括钻心取样，并对道面各结构层的芯样进 行物理、力学实验，计算结构承载力。非破损试验则通过道面的表面弯沉值反算结构承 载力，现在运用较多的是落锤弯沉仪( f a l l i n gw e i g h td e f l e c t m o m e t e r ，f w d ) 检测法。 道面结构承载力评价包括： 1 、道面各结构层强度分析与评价； 2 、道面整体承载力对于交通状况的适应性评价。 2 3 2 1 刚性道面结构层强度分析与评价 刚性道面各结构层调查参数主要包括【l 川： 1 、基层顶面反应模量和地基顶面反应模量； 2 、水泥混凝土板的弹性模量和弯拉强度； 3 、道面各个结构层的厚度及材料特性； 以上参数可以通过查阅道面设计、施工、维护或者历史调查资料、钻芯取样、f w d 弯沉反算和现场试验确定。主要采用f w d 检测结果反算，辅助钻芯取样实验的方法。 当前我国机场刚性道面设计规范采用的是w i n l d e r 地基模型【1 4 】，所以在刚性道面参 数反算过程中，可以根据w m k l e r 地基板圆形均布荷载作用下无限大板的挠度计算公式 作为模量反算，具体步骤如下： ( 1 ) 拟定水泥板的抗弯拉弹性模量e 和基层顶面反应模量k ，计算相对刚度半径h 中国民航大学硕士学位论文 z = 胨 ( 2 1 2 ) 式中 e 水泥混凝土弯拉弹性模量( m p a ) ； x 基层项面反应模量( m n m 3 ) ； 日水泥板厚； 水泥混凝土材料的泊松比； ，板和地基的相对刚度半径( m ) 。 c 2 ) 根据f w d 测试中承载板半径a 以及各个测点距离荷载中心的距离，通过挠度 系数历( 口，善) 表确定挠度系数； ( 3 ) 根据下式，计算f w d 各个测点的计算弯沉值； m ，孝) = 导面q ，0 ( 2 1 3 ) 口= 了a( 2 1 4 ) ， 。 ( 4 ) 将计算弯沉值与实测弯沉值进行对比，如果不满足要求，调整参数e 和x ，返 回步骤( 1 ) ，重新进行计算。 ( 5 ) 如果计算弯沉盆与实测弯沉盆吻合，拟定的参数及置即作为反演结果。 刚性道面的设计参数是弯拉强度和弯拉弹性模量，但由于弯拉试验要从道面上切取 小梁，实际操作中不具备可行性。因此，一般通过钻芯试件的劈裂强度( 统计值) 换算 获得抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量。 4 、分析道面板的传载能力 ( 1 ) 评价道面接缝或裂缝的传荷能力 道面接缝( 裂缝) 传荷能力的评价以f w d 板边中点测试的弯沉传递系数l w 为评 价调查指标，其评价标准见表2 4 所示。 表2 4 刚性道面接缝传荷能力( l w 标准) 分级标准 l 评定等级好中次差 l w ( ) 7 57 5 5 l5 0 3 0 2 d 3 o ( 3 ) 刚性道面结构承载力评价 刚性道面结构承载力评价采用混凝土抗弯拉强度、基层顶面反应模量和板厚作为评 价指标，飞行区等级指标i i 采用表2 6 中的标准【嘲。 表2 6 刚性道面结构承载力评价 飞行区等级指标i