（道路与铁道工程专业论文）机场跑道沥青混凝土加铺技术研究.pdf

摘要 摘要 我国民航运输业发展迅猛，随着航空业务量的增长，大型宽体飞机日起降架 次不断增加，一些机场的道面出现损坏加速的现象，道面使用性能下降，已经无 法保障飞机的安全运行，迫切需要进行道面结构补强或功能恢复，以提高道面使 用性能，延长使用寿命。在不停航施工等复杂条件的约束下，恢复与提高道面整 体使用性能最常用、最有效的办法是实施沥青混凝土加铺。 国内外众多机场实施了跑道道面沥青混凝土加铺，积累了大量成功经验，但 是由于受到各种复杂条件的制约，已实施的加铺工程尚难以达到满意的效果。本 文细致分析机场跑道加铺工程设计与实施过程中面i 临的种种复杂条件，吸收国内 外加铺工程的成功经验，通过试验研究、现场测试、数理统计、理论分析、数值 模拟、经验总结等手段，对沥青混凝土加铺工程实施中涉及的评价、决策、结构 分析、不停航施工组织与管理等方面的部分关键技术进行了深入研究。同时，针 对道面沥青混凝土加铺层的“反射裂缝”、“车辙”和“松散”等主要病害，从道 面结构设计和材料设计方面进行了研究。 加铺决策是道面管理的主要内容，加铺决策的科学与否直接影响加铺工程的 效果。本文针对结构性补强和功能性加铺，相应地选择评价指标及明确判别标准。 同时，为简化决策流程，对多项功能性评价指标采用了可拓评价方法进行道面功 能性能综合评价。 在总结机场道面加铺层反射裂缝的类型及其成因机理的基础上，提出道面加 铺设计的核心任务主要是控制反射裂缝。回顾了目前机场道面和公路路面加铺层 结构设计方法，并重点阐述这些设计方法中对减缓反射裂缝的考虑。进一步通过 有限元计算，分析了加铺层厚度和设置土工合成材料对加铺层应力的影响。在此 基础上，详细分析了各种控制反射裂缝的措施及其效果。 基于机场跑道道面工作状态与受力特征分析，结合室内试验及现场试铺段各 项检测结果，提出了跑道对于加铺层沥青混合料的性能要求，推荐以s m a 作为 跑道加铺的主要混合料类型。为了进一步提高s m a 的抗轮辙和抗松散等性能， 采用s b s 改性沥青掺配天然湖沥青的复合改性沥青作为结合料，并基于试验结 果提出了s b s 改性沥青与湖沥青的最佳配合比。 充分考虑跑道不停航施工的各种制约因素，分析测算各道工序的施工时间， 并基于最优化方法原理，通过施工组织网络图建立了不停航施工组织优化的数学 模型，并根据时间和资源两方面的约束条件给出了资源的合理配置。同时，对不 停航施工应急预案的制定原则、步骤及内容进行了总结。 本论文依托上海虹桥国际机场跑道第三次加铺工程，开展复杂条件下机场跑 摘要 道沥青混凝土加铺技术研究，不仅为虹桥国际机场跑道第三次加铺工程提供技术 支持，而且对于我国其它机场跑道沥青混凝土加铺工程实施具有一定的借鉴作 用。 关键词：机场跑道，沥青混凝土，加铺，道面使用性能， 可拓评价，决策，结构设计，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 眦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 丛”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 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 一弛讳严织 袱7 月训日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 纛麓躲郝渺指导教师签名：学位论文作者签名：气“r 年月 日 莎卯矿年7 爿日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 躲书触仙 徊8 聿7 刚b 第i 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 近年来，我国宏观经济持续向好，民航运输业发展迅猛。目前，中国境内民 用航空定期航班通航机场1 4 2 个( 不含香港和澳门) ，其中，浦东国际机场货邮 吞吐量排名世界第六，首都机场客运吞吐量排名世界第八。“十五 期间，全国 机场年起降架次和年旅客吞吐量分别增加了5 7 5 和9 1 2 。 随着飞机起降架次和大型宽体飞机比例的快速增长，一些早期修建的机场飞 行区技术等级较低，跑道道面结构损坏严重，使用性能急剧下降，迫切需要进行 道面结构补强或功能恢复，以提高道面使用性能，延长使用寿命【1 q o l 。 沥青混凝土加铺是改善跑道道面结构性能和功能性能的有效手段，尤其是在 机场无法关闭，必须进行不停航施工的情况下，沥青混凝土加铺成为机场道面加 铺的最佳手段。 据初步统计，上海虹桥国际机场、厦门高崎国际机场、大连周水子国际机场、 哈尔滨太平国际机场，合肥骆岗机场等十几个机场均已实施了不停航条件下跑道 沥青混凝土加铺。预计未来几年，还将有大批机场需要对跑道实施沥青混凝土加 铺。 由于受到各种复杂条件的制约，已实施的加铺工程尚难以达到满意的效果。 通过对国内机场加铺工程与运营状况的调查、分析与整理，总结出目前加铺工程 面临的主要复杂条件如下： 1 、缺乏完整、连续的跑道建设、维修、评价资料。 道面加铺时机的选择，道面加铺层设计参数的确定等都需要以建设、维修及 多年道面使用性能评价资料作为依据。由于以前对建设、维修资料的保存和管理 不够重视，多数机场的建设、维修资料不完整，加之大部分机场还没有开展定期 的道面使用性能调查与评价工作，其评价数据缺乏连续性，无法掌握道面使用性 能的衰变规律，也就难以对道面的使用寿命进行可靠的预测。 所以，必须通过定期及专项的道面性能调查与评价，才能够科学、准确地掌 握现有道面的状况，预估道面使用寿命，为加铺决策提供科学的依据，为加铺设 计提供可靠的参数。 2 、不停航施工条件复杂，需将设计、施工及维护进行统筹考虑。 机场航班日益密集，使跑道维护工程在实施的时间和空间上受到极大限制。 l 第l 章绪论 在实施的时间上，需要根据跑道的道面性状和机场的运行条件，从密集的航班计 划中寻求加铺施工的最佳时机；在实施空间上，每个施工周期内各项施工工序的 操作面必须满足不停航施工的安全要求，确保机场正常运行。 因此，要在不停航施工的约束条件下，综合考虑设计与施工，重点考虑加铺 层的可施工性及可维修性。针对道面加铺层结构类型选择，加铺材料选型等一系 列问题，着重考虑以下几方面问题： 1 ) 需兼顾机场运营与施工。运营中的机场，无法进行连续施工、每个施工 周期时间长度受到严格限制。在这种条件约束下，无法实施水泥混凝土加铺，即 使实施沥青混凝土加铺，在每个施工周期内，也要严格控制沥青混凝土摊铺与冷 却凝固的时间： 2 ) 因机场始终处于不间断运营中，加铺层的任何损害都可能出现危及飞机 运行安全，造成航班延误的重大后果，所以，要着重高性能沥青混合料的研究与 应用，保证加铺层沥青混合料的耐久性，减轻和克服普遍存在的弱点( 反射裂缝、 轮辙、松散等) ，尽量减少运营后的维修量； 3 ) 在满足结构要求的情况下，合理确定加铺层厚度与设计使用年限，结构 厚度、分层与施工时间、工期的关系。 3 、既有道面结构类型多样，病害种类、程度复杂。 不同机场跑道道面的地基条件、结构组合、材料组成各不相同。受到环境、 荷载等因素的长期影响，许多建设年代较久的机场，其道面结构较建设时发生了 较大的变化，跑道道面还可能被多次改造，少数机场经历过二次、三次加铺。这 种状况下，道面的基础、面层结构或者表面状况都可能存在着不同的薄弱环节。 经过长期使用的旧道面，随着使用性能的下降，各种病害频繁发生，并且发 展速度越来越快。这些病害如果处治不当，会严重影响加铺效果，使加铺层提前 破坏。 在这些复杂条件的约束下，加铺层结构设计参数确定困难，考虑因素增加， 在加铺工程实施之前，需要对道面的病害类型与分布进行详尽的调查，并对病害 产生原因进行分析，研究病害处治措施，进行病害处治。要统筹考虑既有道面的 合理利用、新老道面的结合以及由于目前道面的缺陷对加铺层的影响，在加铺层 结构与材料设计中，重点研究解决加铺层可能出现的反射裂缝、轮辙、松散等病 害。 4 、大型宽体飞机陆续投入使用，对加铺层性能要求更高。 大型宽体飞机起降架次的迅速增加，以及跑道运行安全要求的不断提高，对 道面加铺层的结构性能和混合料性能均提出了更高的技术要求，尤其对高温、多 2 第l 章绪论 雨地区的机场跑道，加铺层应具有更强的抗轮辙、抗松散能力。 综上所述，细致分析机场跑道加铺工程设计与实施过程中面临的种种复杂条 件，吸收国内外加铺工程的成功经验，对沥青混凝土加铺工程实施中涉及的评价、 决策、结构设计、材料设计、不停航施工组织与管理等一系列技术问题进行深入 研究，具有十分重要的意义。本论文依托上海虹桥国际机场跑道第三次加铺工程， 开展复杂条件下机场跑道加铺工程技术研究，不仅为虹桥国际机场跑道第三次加 铺工程提供技术支持，而且对于我国其它机场跑道沥青混凝土加铺工程实施具有 重要的借鉴作用。 1 2 国内外研究现状 国内外针对跑道沥青混凝土加铺技术进行了大量的研究，下面就道面性能评 价与加铺决策、加铺层结构分析与设计、高性能沥青混合料、不停航施工等几方 面的内容进行综述。 1 、道面性能评价与加铺决策 国外道面评价与加铺决策方面的理论研究与实践起步较早。7 0 年代初期， 美国空军有大量的老道面接近使用期限，随着时间的推移，维修工作量不断增加。 为准确描述和确定机场道面的相对状况，评价各种维修措施的效果，同时也为最 有效地使用维修经费，美军建筑工程研究所( c e l 也) 于1 9 7 4 年开始机场道面评 价体系的研究，到1 9 8 1 年完成美国空军机场道面维护管理系统研究报告。到 8 0 年代末9 0 年代初，发达国家建立起较为完整的机场道面评价体系框架。其过 程可划分为三个阶段【1 1 】： 1 ) 七十年代初期，美国陆军建筑工程研究所受美国空军委托进行机场道面 状况评定、损坏鉴定和维修、管理等方面的研究，建立了机场道面评价体系【1 2 】， 其内容主要包括： ( 1 ) 道面损坏的明确定义、分类、具体量测方式； ( 2 ) 道面状况指数( p c i ) 计算方法； ( 3 ) 分析损坏成因机理，分别考虑了交通荷载因素和环境因素； ( 4 ) 针对各种损坏的维修对策。 对道面损坏状况的评价和分析是本阶段的重点，这种分析方法对后来的道面 评价体系的研究产生了重要的影响。 2 ) 由美国陆军工程兵部队开发，为f ：从所认可的m i c r o p a r 的道面评 价体系，继承了第一阶段p c i 的概念及相关内容，并取得以下进展【1 扣1 7 】： 3 第l 章绪论 ( 1 ) 提出道面族( p a v e m e n tf a m i l y ) 的概念，根据结构、功能、等级的不 同，将各道面区域划归为不同的族； ( 2 ) 根据历史数据，回归出每一族道面的使用性能( 通常采用p c i ) 衰变 规律，作为该族道面的寿命预测曲线； ( 3 ) 提出p c i 临界值的概念，并提出确定方法。 3 ) 9 0 年代初开始应用于肯尼迪国际机场的i a p m s 属于网级管理系统，其 道面评价体系从以下几方面加以完善【1 8 2 0 】： ( 1 ) 道面结构承载力分析及结构剩余寿命预测； ( 2 ) 道面状况指数( p c i ) 分析及剩余寿命预测： ( 3 ) 不同道面区域修复优先级权数的确定； ( 4 ) 典型修复对策的选择条件； 至此，机场道面评价体系的框架已经大体确定。此后，随着评价理论的发展 和检测仪器的不断改进，国外学者在道面结构反演分析、平整度评价和剩余寿命 等方面对机场道面评价体系进行了完善。 国内对机场道面评价与加铺决策的实践与研究起步较晚，目前正处于不断发 展与完善的阶段，已经积累了丰富的经验，并逐步形成了一套系统的机场道面评 价体系。同济大学自1 9 9 5 年起开始机场道面调查评价的研究工作，先后完成了 十多份国内机场的道面调查评价报告；并从1 9 9 8 年起系统开展了机场道面调查、 评价、预测和维护技术的研究，在道面评价管理理论与实践方面积累了丰富的经 验和数据，为机场当局制定道面大中修方案提供了技术支持；尤其是在上海虹桥 机场与合肥骆岗机场的加铺工程中，系统、全面的机场道面评价为项目确立和方 案设计提供了科学的依据。2 0 0 0 年，民航总局机场司安全保障处颁布了民用 机场飞行区场地维护手册，根据国内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，对于国内机场的维护工作有一定的指导意义【2 1 1 。 通过上海市教育委员会曙光计划所资助的由同济大学承担的“机场道面评价体系 研究”，我国已经初步构建了民用机场道面的评价体系。随着以落锤式弯沉检测 设备为代表的一批先进的无损检测设备的逐步推广应用，机场道面评价利用方面 的理论研究与实践也将进一步的发展与完善。 道面性状模型的研究始于2 0 世纪6 0 年代，最早可以追溯到美国的a a s h t o 环道试验，此后在各国研究者的不懈努力下，模型取得了很大发展。国际民航组 织( i c a o ) 提出用逆转设计评价法来预估道面剩余使用寿命。f a a 在机场道面 剩余寿命预估中采用p c i 预测模型，该模型基于“道面族”概念，采用回归方法 建立了p c i 与道面使用年限之间关系，据此预测机场道面剩余寿命。但是，从 p c i 预测模型构建方法可知，道面p c i 衰变模型是以长期、大量的数据积累为基 4 第l 章绪论 础。我国沿用了i c a o 的思路进行道面结构性剩余寿命预估。在功能性剩余寿命 预估方面，国内也建立了相应的模型，如同济大学的双指数反s 曲线模型【2 1 2 4 】， 也有建立p c i - i r i 的相关关系预测道面功能性剩余寿命的成果案例【2 5 1 。由于机 场跑道平整度关系到旅客的舒适度和飞机的机械寿命，并且由道面不平整引起飞 机对道面的冲击会缩短道面的使用年限，因此，平整度与道面服务性能有密切的 相关性，作为道面评价中一项重要的功能性指标被不断重视。 综上所述，国内外初步构建和完善了“机场道面评价体系”，但是，目前国 内机场道面评价中都是针对不同使用性能分别采用不同的评价指标进行评价，没 有采用综合评价方法评价道面的整体性能，无法满足道面管理决策的需要；目前 的评价体系详细的评价了道面的各种性能，能够针对各个方面性能的不足，采取 不同的维护办法，只有当涉及道面结构、损坏状况、平整度等方面大范围不满足 时才会采取加铺的措施来改善道面整体使用性能，但是目前评价体系没有明确基 于道面加铺决策的评价指标体系及决策方法。 2 、加铺层结构分析与设计 国内外的机构和学者对道面沥青加铺层结构体系的力学响应规律进行了深 入研究，同时，公路领域的大量相关研究成果为机场沥青加铺层的结构响应分析 及结构设计方法提供了重要的依据和参考。 翁兴中【2 6 】( 1 9 9 4 ) 根据机场水泥混凝土道面加铺沥青面层的受力特点，将其 作为三维空间体系来处理。把沥青道面和基层划为层元。对原道面采用网络，可 以考虑各种接( 裂) 缝的影响，从而较好地解决了这两者的耦合问题。以此为基 础，提出了加铺层体系的理论分析方法。并根据对加铺层在荷载作用下的应力和 位移分析，以及对沥青混凝土材料的研究，提出了沥青混凝土加铺层的设计指标， 即：加铺层的拉应力和剪应力，以及原水泥混凝土道面的弯拉应力，从而为加铺 层设计方法的建立奠定了基础。 翁兴中、焦明纠2 7 】( 2 0 0 2 ) 通过对沥青混凝土盖被层、基层和土基采用分层 的方法，对水泥混凝土道面划分有限元网格，对军用机场水泥混凝土道面沥青薄 层盖被起飞段的应力进行分析。结果发现，当飞机在薄层结构上起飞时，其破坏 主要是剪切破坏；影响薄层剪应力的主要因素是薄层的厚度和薄层与旧道面的结 合程度。增大薄层厚度和薄层与i e t 道面之间的结合程度均可以减少薄层的剪应 力：为了提高起飞段薄层的高温稳定性和沥青混凝土的强度，建议采用改性沥青 混凝土铺筑面层，在结构设计时须进行沥青混凝土抗剪强度验算。 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 ) 采用一种三维非线性有限元对 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 滑行道上沥青加铺层的反射裂缝进行 5 第l 章绪论 分析。计算结果表明，设置玻璃纤维加筋层能较大地减小加铺层内的拉应力和剪 应力，有效抑制在重复荷载作用下的反射裂缝处的应力集中。 d i y a rb o z k u r t 2 9 】( 2 0 0 2 ) 采用三维有限元方法对r a n t o u ln a c 跑道道面的加 铺工程进行模拟，水泥混凝土板与下层采用接触算法，沥青胶结料用粘弹性材料 模拟。得出了沥青加铺层在板接缝附近的应力响应。研究表明，裂缝处治夹层 ( i s a c ) 能很大程度上减小在交通荷载作用下加铺层底面的拉应力，同时改性 沥青( p g6 4 2 8 ) 较普通沥青( p g5 8 2 2 ) 能减小加铺层顶部的拉应力。 倪明，姚祖康【3 0 】( 1 9 9 4 ) 通过建立半解析单元力学模型，计算分析了旧水泥 混凝土路面上沥青加铺层的三维荷载应力，探讨加铺层产生发射裂缝的机理，表 明偏荷载应力是加铺层产生反射裂缝的重要因素之一，合理设计加铺层厚度和材 料组合，控制荷载应力以及温度应力，是加铺层设计的主要任务。同时，层间结 合条件对加铺层荷载应力影响较大，不容忽视。 陈飞，胡光伟1 3 l j ( 2 0 0 1 ) 利用三维有限元方法，结合g o o d m a n 力学模型， 计算分析了具有接缝的旧水泥混凝土路面上沥青加铺层在行车荷载和温度作用 下的应力和位移状况，分析了反射裂缝产生和发展的原因以及加铺层厚度在防治 反射裂缝中的作用。结果表明，加铺层与旧水泥混凝土路面层间的结合条件是影 响加铺层应力状态的重要因素；旧水泥混凝土路面上沥青加铺层的反射裂缝是由 行车荷载和温度变化产生的主拉应力超过材料强度所致。偏荷载主拉应力和温度 主拉应力是铺装层开裂的主要原因；沥青加铺层厚度对荷载应力影响较大，增加 加铺层厚度可抑制行车荷载引起的反射裂缝。 吴宁等【3 2 】( 2 0 0 5 ) 以宁连公路南京段水泥混凝土路面改造工程为研究对象， 通过有限元计算分析了沥青混凝土加铺层反射裂缝的受力特性，为加铺层的结构 和材料设计提供依据。研究表明，随着加铺层厚度的增加，裂缝尖端应变能密度 呈减小趋势，但面层厚度增大到一定程度后，减小的程度趋于缓慢。随着格栅模 量的增加，裂缝尖端应变能密度值不断减小；当格栅模量超过2 0 0 0 a 后，继 续增加格栅模量，裂缝尖端应变能密度的减小速度变慢。当沥青稳定碎石模量在 8 0 0 - - 1 0 0 0 m p a 时，裂缝尖端的水平应力和应变能密度较小，对加铺层反射裂缝 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 ) 结合设计控制 指标，采用三维隐式动态的有限元程序a d i a n 对常规沥青道面在单轮荷载作用 下的动态响应进行研究，提出了基层模量、厚度和路基性质对路表弯沉、路基项 面永久变形的影响模型。 j i l lm h o l c w i n s k ic t a 1 3 4 】( 2 0 0 3 ) 采用三维有限元程序a b a q u s 对明尼苏 达州的沥青混凝土路面在复杂轮载下的表面应力及由路表横向裂缝带来的应力 6 第1 章绪论 进行分析，结果表明，拉应力在轮迹带外缘比中间更大，横向裂缝能显著增加基 层的竖向应力，由此带来的a c 面层的横向应力显著。 e k t s c h e g ge t a 1 3 5 】( 1 9 9 8 ) 应用德国专利a t - 3 9 0 3 2 8 对不同的加铺结构层 的破坏特性及发射裂缝的发展进行试验分析，发现锲入开裂方法( w e d g e s p l i t t i n gm e t h o d ) 能合理描述加铺层表面的反射裂缝，断裂能概念能合理反映沥 青混合料的断裂特性，与沥青面层胶结良好的低硬度夹层能有效防治反射裂缝的 发展。 j o s e p hw v e s p a , r e m 】( 2 0 0 5 ) 通过试验发现，经过夹层应力吸收复合材料 ( i s a c ) 处治混凝土板接缝，能有效延缓反射裂缝的发展，减小由此带来的加 铺层破坏。 目前，加铺层厚度设计一般有三种方法：有效厚度法、挠度法和力学一经验 法。加铺层设计最常用的方法是有效厚度法，美国工程兵团提出了在原有刚性道 面上铺设沥青或柔性加铺层的经验公式。国外机场道面加铺层结构设计方法以美 国f a a 最为典型。f a a 加铺层设计方法经历了一个由有效厚度法到弹性层状体 系法到有限元方法的发展历程【3 7 枷】。f 八a 咨询通报a c 5 3 2 0 6 d 中规定，原有刚 性道面上热拌沥青加铺层设计采用厚度补差法。这些厚度设计方法一般都能够满 足道面结构承载力的要求。 国内众多机场道面使用性能调查结果显示，反射裂缝是道面沥青混凝土加铺 层最主要的病害，并且一经出现，就发展迅速。反射裂缝的出现，减弱了加铺层 的结构强度，导致水损害，加速了加铺层失效速度，所以，如何预防、减缓反射 裂缝的出现是目前加铺层设计需要考虑的最主要问题。通过以上文献分析，采用 玻纤格栅等夹层结构能够使加铺层受力更加均衡合理，能够有效地减缓反射裂缝 的发生。 4 、高性能沥青混合料 沥青混凝土机场道面在世界各国应用广泛，为了获得更好的使用性能，世界 各国纷纷开展对沥青混合料的选型及配比设计的研究。比较常用的混合料类型包 括传统最常用的密级配沥青混凝土( a c ) 、抗滑表层a k 、美国开发的s u p e r p a v e 混合料以及现今发达国家比较流行的开级配多孔沥青混合料( o p a ) 或开级配抗 滑磨耗层( o g f c ) 。随着研究的深入，s m a 因其具备优良的高温性能、良好的 耐久性、良好的表面特性、良好的低温抗裂性、服务寿命长、养护费用及用户费 用低等优点，特别适用于道面加铺材料，因此在世界各国得到广泛的推广，并进 行了深入的研究。 s m a 在工程中的使用最早出现在上个世纪六十年代的联邦德国，由于其优 7 第1 章绪论 良的抗轮辙性能和耐久性，八十年代首先在欧洲得到应用，丹麦哥本哈根机场是 最早应用s m a 的机场道面。前联邦德国早在1 9 8 4 年就建立了s m a 国家标准， 并于国家统一后的1 9 9 8 年进行了修订，加进了改性沥青内型4 0 。欧洲沥青路面 协会饵a p a ) 将其卓越的面层功能特性归结为【4 1 】：抗滑性、平整度与抗轮辙、耐 久性、减噪性与明视度。e r i k 等认为影响s m a 轮辙的因素依次为：2 r a m 通过量、 沥青含量、纤维含量。丹麦c a r l 则通过轮辙试验得出以下结论：马歇尔试验的 结果与轮辙无关、增加粗集料含量使轮辙减小、s b s 改性增加了s m a 的抗疲劳 能力；荷兰通过三轴试验证明s m a 抗轮辙能力为普通混合料的1 5 4 倍、改性 后进一步增至5 l0 倍【4 。 美国自1 9 9 1 年起在全美各州开始修建大量s m a 路面，研究人员对其性能 和影响因素作了较多的研究。e r b r o w n 和r a j i b 4 l j ( 2 0 0 0 ) 由蠕变试验证明 4 7 5 m m 通过量为2 5 时应变最小，蠕变模量最高；b r o w n 等还由试验证明 4 7 5 m m 通过量小于3 0 时才能保证石料与石料的接触：并通过轮辙试验证明使 用s b s 改性沥青可使轮辙减少7 8 倍，石棉纤维的使用使轮辙降低一倍；同时 二者都可以大大降低轮辙的产生速度。1 9 9 4 年f h w a 委托n c a t 在全国范围内 对1 4 0 段s m a 路面进行调研，1 9 9 8 年，a a s h t o 提出了s m a 设计、施工等技 术规范草案1 4 h7 。 我国于1 9 9 2 年在建设首都机场高速公路过程中首次采用了s m a 。我国最早 在飞机场跑道上应用s m a 道面是桂林机场和厦门机场，后来在首都国际机场东 跑道得到厂全面的应用，并取得了很大的成功1 4 耵。以后在其他许多机场如敦煌机 场、兰州中川机场、哈尔滨机场、天津机场以及许多军用机场得到了应用。西安 公路交通大学申爱琴等【4 9 】( 2 0 0 6 ) 对s m a 与抗滑表层路用性能进行了研究，得 出以下结论：s m a 稳定度偏小，流值及饱和度偏大：使用闪长岩轮辙大于玄武 岩，说明石料性质对s m a 至关重要；而改性后低温蟠变速率反而降低，需要进 一步对试验方法进行研究；s m a 抗疲劳性能优于其它棍合料，其残留稳定度与 其它沥青混合料无明显差异。广东虎门大桥s m a 铺装工程1 5 0 ，由重庆交通部公 路所进行了试验工作，通过大型环道试验证明s m a 比a c 抗裂性好，也优于国 外常用作桥面铺装的湖沥青浇注式混凝土，验证了使用改性剂有利于延长s m a 疲劳寿命。 为了准确的理解和科学地推广s m a 路面，1 9 9 7 年部公路司给公路科学研究 所下达“沥青玛蹄脂碎石混合料性能及指标”研究任务，要求结合我国国情，制 定出切合实际的“沥青玛蹄脂碎石混合料设计施工指南( 或规范) ”。我国于2 0 0 1 年提出了s m a 路面施工技术指南。对s m a 研究的主要成果均体现在( s m a 路 面技术指南1 5 1 】中。在其所有研究成果中，以下两点具有重要价值： 8 第l 章绪论 1 ) 根据我国国情，夏季炎热和超载严重的情况，需适当减少沥青用量； 2 ) 由于沥青用量较少，就需要有配套的施工工艺，必须采用大吨位振动压 路机采用“紧跟、慢压、高频、低幅”的碾压方式。 对于复杂条件下机场跑道加铺工程，其特殊的荷载状况和工作状态，必然对 加铺层材料各项性能提出更高的要求，而国内外研究中至今没有明确给出机场跑 道对加铺层沥青混合料的性能要求。基于s m a 的优良性能，我国在机场加铺及 高速公路路面工程中进行了广泛推广，已经获得了许多比较成熟的经验，但是， 就机场跑道对加铺层的性能要求，高性能沥青混合料的