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机场道面是供飞机起飞、着陆滑跑、飞行前准备和飞行后维护保养的场地, 道面修建的目的是为各种规定型号的飞机提供安全、经济、耐久、适用的道面结构物。沥青混凝土道面具有平整、抗滑、舒适、减震等良好的使用性能,以及机械化施工程度高、工期短、养护方便等施工优点,已被国际上很多大型民用机场采用。根据国际民航组织1999 年公布的数据,其147 个成员国的1 038 个机场中,沥青混凝土跑道占62.6%。欧洲沥青路面协会2003 年对欧美机场进行了统计,362 个机场中沥青混凝土道面占62.4%。在中国新建的民用机场中,仅在且末和敦煌等极少数的小型机场中采用沥青混凝土道面,即使加上北京首都机场、上海虹桥机场、广东白云机场等的沥青混凝土加铺,沥青混凝土道面的比例仅占10%左右。与国际民用机场道面现状相比,中国民用机场道面类型单一,主要以水泥混凝土为主。分析其原因主要是中国对机场沥青混凝土道面结构设计理论研究较少,对机场沥青道面结构研究不够充分,制定的设计规范主要参考美国机场设计方法和公路路面设计经验,其可信度和实用性有待于大量的工程验证。因此,为了提高中国沥青道面的建设技术,建立现代化的机场设计理论体系,需结合国外机场道面设计方法开展分析研究。

国际上民用机场沥青混凝土道面的设计方法可以分为两种:经验法和力学- 经验法。国际上沥青道面设计经验法主要以CBR 法为代表,该方法以CBR 值作为路基土和路面材料( 主要是粒料) 的参数性能指标,以土基的抗剪强度作为设计指标,控制土基变形以及道面轮辙等损坏模式。通过足尺试验或现有道面的调查, 建立起“CBR—轮载作用次数—路面结构层厚度( 以粒料层的总厚度表示) ”三者的经验关系。利用不同飞机起落架构型的关系曲线, 按当量飞机年作用次数和土基的CBR 值确定道面的总厚度及其结构层的厚度。

传统的力学- 经验法一般以弹性层状体系理论作为理论模型,以弹性模量和泊松比作为材料的设计参数,以沥青层底面的水平拉应变和土基顶面的竖向压应变作为设计控制指标,分别控制土基的永久变形和沥青混凝土的疲劳开裂两种主要的损坏模式。

目前,国际上沥青道面设计方法研究出现新的发展趋势,很多国家都在考虑采用有限元分析与室内外试验相结合的方法,来建立更符合道面结构实际受力状态的分析模型。有限元法的基本思想是将道面结构离散成许多小单元,通过数值模拟计算求解传统弹性层状体系方法无法考虑的材料非线性、几何非线形等复杂特性。目前许多国外大学和研究机构都开发了有限元设计程序,如:伊利诺大学香槟分校的Thompson 等研发了有限元软件ILLI-PAVE;法国LCPC 和空中客车公司合作研究道面结构响应,推出考虑沥青黏弹性性质的有限元模型等。

CBR 经验法的设计理论和技术已经比较成熟,而且设计参数少、简单明了, 国内外民用机场沥青道面设计方法中70%以上是采用CBR 法,其中包括:美国联邦航空局( FAA) 、美国陆军工程兵(COE) 、法国、加拿大、日本及中国等。但是, 由于CBR 只能用来表征土基的抗剪强度, 仅与道面的土基破坏这一损坏模式对应,并不能表征道面的疲劳开裂和温度开裂以及结构的其它各种损坏,而且,即使在土基强度表征上,各种研究表明CBR 法也存在许多不足之处。另外,近年来,随着世界各大机场运行架次的日益增多以及新一代大型民用客机的大量出现,这都对道面结构提出了更高的强度和耐久性要求, 因此,稳定类基层材料在道面结构层中开始被大量使用。由于CBR 法仅适用于以粒料作为基层和底基层的全厚度柔性道面,无法直接计算稳定类材料层( 包括半刚性基层) 的厚度,因此,只能用当量折减系数考虑,这缺乏分析理论和试验数据支持,不利于新型机场道面的设计和修建。考虑稳定类材料的道面结构CBR 方法存在一些问题,从而迫使各国开始寻求新的设计理论和指标体系来适应新的需求。

传统的力学- 经验法避免了CBR 法中存在的缺点,可表征由于荷载和温度引起的结构层疲劳开裂,并直接计算基层稳定材料的厚度。美国沥青协会AI 法、壳牌石油公司法、FAA 针对大型飞机B777 的LEDFAA1.3 法、美国陆军工程兵(COE) 弹性层状体系法以及澳大利亚APSDS 法都是以弹性层状体系为力学模型的力学- 经验法。然而,机场道面损坏调查表明,与沥青混凝土面层相比半刚性基层的疲劳寿命更短,即半刚性基层先于沥青混凝土面层出现疲劳开裂损坏。目前,国际上机场沥青道面一般都采用柔性基层,建立的设计理论也主要针对柔性基层,对半刚性基层的研究相比甚少,缺乏科学的设计控制指标和参数,因此,力学- 经验法中也需考虑各国的气候特性和路面材料特点来进一步研究和完善。