交通荷載對機場場道地基工后沉降的影響研究

交通荷載對機場場道地基工后沉降的影響研究

1飛機起落架荷載目前，對機場跑道軟土壤工藝的評價側重于對水庫和道面靜載的影響，而對工廠建設后的交通負荷對工廠運營后的沉降的影響很少。這在過去飛機荷載較小、飛機起降架次較少的條件下是可行的,但隨著當前民航機型繼續(xù)朝著大型化、重載化的趨勢發(fā)展,面對新一代大型飛機的起降要求,以及樞紐機場跑道飛機起降頻繁的現(xiàn)狀,原有的場道地基設計中忽略飛機荷載的設計考慮已逐漸難以滿足機場跑道使用性能要求。為了保證在道面上飛機高速行駛的安全和舒適性,場道地基除了為道面結構提供足夠的承載能力外,還應在變形和不均勻變形方面滿足一定的限制性要求。目前建成的軟土地基上的機場場道及高速公路,工后沉降和差異沉降偏大已經成為比較普遍的問題,并因此誘發(fā)或加劇了鋪面開裂、沉陷等病害,降低了鋪面的使用性能。關于交通荷載對工后沉降的影響,目前國內外開展的研究幾乎全部建立在室內試驗研究的基礎上,但所提出的交通荷載作用下軟基的力學響應模型尚不成熟,對軟基工后沉降的復雜組成難以明確劃分,針對飛機起降荷載對場道地基工后沉降的影響的研究尚很少。本文嘗試采用一種簡單的方法,劃分場道軟土地基工后沉降的組成,定量分析交通荷載對場道地基工后沉降的影響。2針對地層基本特征的工后沉降控制上海浦東國際機場第一跑道建成投入運營至今,已經積累了超過6年的沉降觀測數(shù)據(jù)?；谶@些實測資料,本文針對飛機起降荷載對跑道沉降的影響進行定量分析。該跑道場區(qū)內地勢平坦,地面標高約3.7～4.0m,具有濱海平原和被眾多溝河浜切割的地質特征。場區(qū)內土層屬第四紀上更新世(Q3)以來的長江入海三角洲松散堆積物,主要包括粉質粘土、粘質粉土、砂質粉土、淤泥質粘土、粘土和粉砂等。場區(qū)內地下水位埋藏較淺,標高約2.5～3.5m。地基土層的分布及主要參數(shù)如表1所示。該跑道設計填土及道面結構層荷重為43kPa,系表面分布荷載。由于場地內⑤2層下的第⑦層為厚度大于20m的中密～密實砂質粉土層,埋深超過28m,按《上海市地基基礎設計規(guī)范》,考慮(⑤2層以上的28m為壓縮層。根據(jù)分層總和法及應力歷史法,計算得到的最終沉降量分別為30cm和32.2cm?？紤]到場區(qū)內溝河密布,淺部土層中暗浜很多,土層分布和土性差異明顯,場道地基存在不均勻沉降的可能。浦東機場第一跑道場道地基處理采用了以強夯為主,結合換填、墊層等輔助措施的綜合處理辦法。按照設計要求,場道地基最終差異沉降控制在0.1%以內,運營10年工后沉降控制在5～10cm。從1998年2月起,至2004年9月,該跑道積累了超過6年的工后沉降觀測數(shù)據(jù)。截至2004年9月,跑道中線的沉降特征列于表2,跑道中線各點的沉降歷時曲線如圖1所示。從圖1可知,跑道工后沉降曲線的前段具有典型的對數(shù)曲線特征,繼而呈現(xiàn)緩和收斂趨勢,然后沉降速率又顯著增大?？紤]到沉降速率開始顯著增大的時刻與跑道通航開放交通的時間相符,據(jù)此,筆者認為飛機起降荷載的影響應是其主要原因。3恒載工后的場道地基沉降目前,針對汽車、飛機等交通荷載作用下的公路及場道地基變形計算,主要是在Seed等人提出的軟化效應模式基礎上,通過確定交通荷載作用下的地基力學相應,估算孔壓分布模式,采用數(shù)學模型模擬交通荷載作用下的地基應變特性,進而采用數(shù)值方法計算得到交通荷早作用下的地基變形。這類方法具有明確的物理力學意義,但在實際工程應用中,由于模型復雜、參數(shù)難以確定等一系列問題,往往很難得到有效的應用。因此,本文采用擬合恒載條件下的跑道沉降數(shù)據(jù),得到未施加飛機起降荷載時的跑道沉降規(guī)律,將此關系后延至跑道運營階段,其推算沉降量與實測沉降量的差值,即施加飛機起降荷載所引起的附加沉降量。浦東機場第一跑道沉降觀測的最初時間為1998年2月,此時場道恒載已全部施加,1999年10月通航,飛機起降次數(shù)很快達到設計容量。由圖1可見,所有的觀測點,沉降曲線在2000年附近時段發(fā)生了顯著的變化,趨于穩(wěn)定的沉降速率,在大幅增加的起降次數(shù)的作用下,沉降速率顯著增加?？紤]到初期沉降觀測時刻,場道靜載已經全部施加,無法確定三點法中的瞬時沉降量。而2000年前的沉降曲線,其幾何特征與對數(shù)曲線相符。因此,采用對數(shù)模型(式1)擬合通航前的沉降曲線關系,通過回歸求得相應的模型參數(shù),從而得到恒載條件下的工后沉降規(guī)律。式中,St為任意時刻的沉降量,S∞為恒載作用下的最終沉降量,A,B為模型參數(shù),S∞,A,B均通過回歸得到。將跑道中線22個沉降觀測點竣工后至通航前的17組觀測沉降數(shù)據(jù)作為已知量,通過回歸得到參數(shù)。22個斷面測點的回歸R2值均大于0.99,據(jù)此可以認為,對數(shù)曲線模型能夠較好地反映大規(guī)模通航前恒載作用下場道地基工后沉降曲線特征。通過回歸得到恒載作用下該跑道沉降歷時曲線,推算恒載最大沉降量為483mm,最小值235mm,平均值288mm。將各測點的恒載作用下的場道地基沉降規(guī)律后延,得到恒載作用下的場道地基沉降曲線,認為其與觀測沉降的差值即飛機起降荷載引起的場道地基沉降量。圖2是測點P270的對比曲線。該觀測點在通航36個月、45個月和60個月后由于飛機起降荷載引起的沉降量分比為66mm,86mm和128mm。圖3是不同通航時間的跑道中線動載沉降量分布。跑道中線在通航36、45和60個月后由于飛機起降荷載引起的平均沉降量分別為64mm,84mm和126mm,占相應時刻的工后總沉降量的比例分別為20%,24%和31%。隨著運營時間的增加,飛機荷載引起的場道地基沉降量在工后沉降量中的比重越來越大。根據(jù)目前的場道地基實測沉降數(shù)據(jù),采用Asaoka方法預測得到跑道中線的最終平均沉降為588.7mm,該沉降量減去前述對數(shù)曲線模型回歸得到的靜載最終平均沉降量288mm,預計飛機起降交通荷載所引起的平均工后沉降最終將達300.7mm,占工后總沉降量的比例高達51%。由此可見,在場道地基處理設計中,計算分析工后沉降量時應充分考慮飛機起降荷載的影響。4機場一路段基坑工后沉降軟土地