飞机起落架荷载作用下的机场跑道沉降分析

飞机起落架荷载作用下的机场跑道沉降分析

由于各种客观条件的限制，中国许多民用飞机建在脆弱的基地上。为了确保飞机在这条线路上的高速行驶的安全和舒适，不仅要提供足够的路肩能力，还要满足一定的变形控制要求。软土区的路堑工程通常采取各种处理措施，改善现有软弱水库的形状，提高场地的承载能力和抗变形能力。由于软土工程性质的复杂性和空间分布的多样性，目前的场地处理工程中仍存在许多必须尽快解决的问题。事实上，在国内外以软土地为基础的机场道路和公路上，由于技术后沉降和高度差异的巨大差异，这是一个普遍问题，这会导致或加剧地板破裂和沉降等疾病，从而降低地板的使用能力。关于交通荷载对高速公路和机场跑道地基变形的影响,目前尚存在着不同的观点.我国现行的路基设计方法认为车辆等交通荷载对地基变形的影响可忽略不计;建于Ariake粘土上的日本某低路堤高速公路,运行5年内发生了1~2m的工后沉降,其中有很大比例是由汽车交通荷载引起的,我国广珠高速公路的部分软基路段在3年运营期内发生了1m的工后沉降,远远超过设计控制指标.国内外的工程实践充分表明,交通荷载对软土地基上的道路沉降变形的影响不容忽视.针对交通荷载对工后沉降变形的影响,目前国内外开展的研究主要通过实验分析行车动荷载下道路软基土的力学行为和固结特性,建立动荷载作用下的软基土永久变形预测模型.这些研究几乎全部建立在室内试验研究的基础上,提出的交通动载作用下软基的力学响应模型尚不成熟,对软基工后沉降的复杂组成难以明确划分.而且,目前针对飞机起降荷载对场道地基工后沉降的影响的研究尚少.本文尝试采用一种简单的方法,划分场道软土地基工后沉降的组成,定量研究交通荷载对场道地基工后沉降的影响.上海浦东国际机场第一跑道建成投入运营至今,已经积累了超过6年的沉降观测数据.以这些实测资料为基础,对场道地基变形进行分析,探讨了飞机起降荷载对跑道沉降的影响,以期为软土地区场道地基处理设计提供参考.1场道地基沉降机场飞行区场地地势平坦,地面标高约3.7~4.0m,具有滨海平原和被众多纵横交错的沟河浜切割的地质特征.场区内土层属第四纪上更新世(Q3)以来的长江入海三角洲松散堆积物,主要包括粉质粘土、粘质粉土、砂质粉土、淤泥质粘土、粘土和粉砂等.场区内地下水位埋藏较浅,标高约2.5~3.5m.地基土层的分布及主要参数如表1所示.该跑道设计填土及道面结构层荷重为43kPa,为大面积分布荷载.由于场地内⑤2层下的第⑦层为厚度大于20m的中密—密实砂质粉土层,埋深超过28m,按《上海市地基基础设计规范》,考虑⑤2层以上的28m土层为计算压缩层.根据分层总和法及应力历史法计算得到的最终沉降量分别为30.0cm和32.2cm.考虑到场区内沟河密布,浅部土层中暗浜很多,土层分布和土性差异明显,场道地基存在发生不均匀沉降的可能,场道地基处理采用了以强夯为主,结合换填、垫层等辅助措施的综合处理办法.按照设计要求,场道地基最终差异沉降控制在0.1%以内,运营10年工后沉降控制在10cm内.1998年2月至2004年9月,积累了6年多的跑道工后沉降观测数据.截至2004年9月,跑道中线的沉降特征列于表2,中线各断面测点的沉降历时曲线如图1所示.目前跑道运营情况正常,但由于地基沉降及差异沉降的影响,跑道道面横坡已经比设计值降低了15%~25%,跑道的纵坡也发生了局部的细微变化.跑道横坡变小,降低了道面的排水功能,增大了雨天飞机高速起降时产生飘滑的可能,从而影响飞行安全;纵坡的细小变化发展到一定程度,将会使跑道上高速运行的飞机产生明显颠簸,平稳舒适性下降,而过大过频的振动将危害飞机结构安全.因此,有必要加强对场道地基沉降及差异沉降的监控和预测分析.根据已有的实测沉降数据,采用Asaoka方法,取Δt=100d,预测得到跑道中线最终沉降量最大值为747.9mm,最小值为420.3mm,平均沉降588.7mm,部分区域最大差异沉降率达0.18%.因此,为了保证道面的使用功能,必须在适当的时候对道面进行加铺处理.从图1可以发现,跑道工后沉降曲线的前段具有典型的对数曲线特征,继而呈现缓和收敛趋势,然后沉降速率又显著增大.考虑到沉降速率开始显著增大的时刻与跑道通航开放交通的时间相符,且在此期间跑道并无其他变化因素,因此飞机起降荷载的影响应是速率变化的主要原因.为此,采用弹性层状理论,分析飞机荷载对场道地基变形的影响范围.2飞机荷载作用下场道地基附加应力分布机场跑道道面结构荷载与飞机荷载是两种不同性质的荷载,在地基中产生的附加应力相差很大.道面结构荷载属于大面积荷载,附加应力沿深度衰减较小,对于地基软弱土层的影响较大,而飞机荷载属于局部荷载,附加应力在深度范围内的分布衰减较大,对地基土层的影响相对于道面荷载有一定的差异.为了考察飞机荷载对场道地基变形的影响,本文采用弹性层状体系理论,突出设计机型荷载特点,计算分析飞机静荷载作用下场道地基的附加应力.机场道面是多层次的层状结构,根据各层次的功能和材料特性,将其划分为面层、基层和土基三个层次.该跑道采用刚性道面,飞机荷载经基层的扩散作用后,道面板的接缝对地基附加应力的影响已经很小,因此采用多层弹性体系理论进行分析是合理的.地基简化计算模型及参数如表3所示.设计机型为波音747-400,为小车式起落架,主起落架采用四起落架布局.飞机单轮与道面的接触面简化为圆形,飞机全重起飞荷载为3950kN,换算主起落架1.41MPa,接地面积1663cm2.相邻起落架对地基附加应力的叠加作用与起落架之间的距离有关,计算时只考虑主起落架的叠加效果.首先求解单轮荷载作用下地基任意点M(r,z)的附加应力,再将起落架各轮的附加应力响应进行矢量叠加,对主起落架的4个小车式起落架进一步叠加,最终得到场道地基在飞机荷载作用下地基顶面及地基内附加应力的分布特征.图2为波音747-400型飞机各种组合荷载作用下,场道地基最大附加应力沿深度方向的分布.计算表明,波音747-400机型作用在道面上时,场道地基最大附加应力分布在中主起落架组中心点.从图3可知,飞机荷载作用下,土基表面最大附加应力达32kPa,10,20,30和40m深度的最大附加应力分别为10.4,3.3,1.6和0.9kPa.以5%自重应力为参照标准,该机型对场道地基沉降的影响深度达10m.考虑到飞机起降时的动荷系数修正(一般取1.2),可认为波音747-400机型在起降时对地基沉降的影响深度将超过10m,可以达到场道地基下卧软弱淤泥质粘土层.所以,飞机荷载对场道地基工后沉降变形的影响不可忽视.3恒载沉降规律针对汽车、飞机等交通荷载作用下的高速公路及机场场道的地基变形计算,目前主要是在Seed等人提出的软化效应模式基础上,通过确定交通荷载作用下地基的力学响应,估算孔压分布模式,采用数学模型模拟交通荷载作用下的地基应变特性,进而通过数值方法计算得到交通荷载下的地基变形.这类方法具有明确的物理力学意义,但由于模型复杂、参数难以确定等一系列问题,往往很难应用于工程实践.本文利用跑道通航前恒载条件下的跑道沉降实测数据得到未施加飞机起降荷载时的跑道沉降规律,将此关系后延至跑道运营阶段,其推算沉降量与实测沉降量的差值,可视为飞机起降荷载所引起的附加沉降量.浦东机场一跑道沉降观测的起始时间为1998年2月,此时场道恒载已全部施加,1999年10月通航.由图1可见,所有观测点的沉降曲线在2000年附近时段发生了明显变化:趋于稳定的沉降速率,在大幅增加的起降次数的作用下,沉降速率显著增加.初期沉降观测时,场道静载已经全部施加,无法确定三点法中的瞬时沉降量,而2000年前的沉降曲线,其几何特征与对数曲线相符,因此,采用对数模型(式1),拟合跑道通航前的沉降曲线关系,通过回归得到模型参数,从而确定恒载条件下的长期沉降规律.St=S∞(1−Ae−Bt)(1)St=S∞(1-Ae-Bt)(1)式中:St为任意时刻的沉降量;S∞为恒载作用下的最终沉降量;A,B为模型参数;S∞,A,B均通过回归得到.将跑道中线22个沉降观测点竣工至通航前的17组观测沉降数据作为已知量,通过回归得到参数列于表3.从回归参数可以看出,对数曲线模型能够较好地反映恒载作用下场道地基沉降规律.通过回归得到跑道恒载作用下的沉降规律,推算恒载条件下场道地基最终的最大沉降量为483mm,最小为235mm,平均为288mm.将各测点恒载作用下的场道地基沉降规律后延,跑道运营期内恒载沉降与观测沉降的差值即飞机起降荷载引起的场道地基沉降量.图4是测点P270的沉降对比曲线,该测点在通航36,45和60个月后由于飞机起降荷载引起的沉降量分别为66,86和128mm.图4是跑道中线在不同通航时间的动载沉降量分布.跑道中线在通航36,45和60个月后由于飞机起降荷载引起的平均沉降量分别为64,84和126mm,占相应时刻工后沉降量的比例分别为20%,24%和31%.随着运营时间的增加,飞机起降荷载引起的场道地基沉降量在工后沉降量中的比例将越来越大.因此,在场道地基处理设计的沉降分析中,要充分考虑飞机起降荷载的影响,今后应将跑道的交通荷载水平作为场道地基处理的重要设计参