在我国东南沿海地区, 软弱土的分布范围非常广, 在这种场地条件下修建的公路及机场工程, 投入运营后往往因公路路面或跑道道面工后沉降变形过大而出现开裂、沉陷现象, 对沉降变形的原因进行分析发现, 运营期反复动载的作用是一个非常重要的影响因素^[1,2,3]。

浦东机场地处上海市东南方向, 濒临东海, 区域内软弱土层厚度非常大, 一般在30m左右, 有古河道流经的区域厚度接近60m, 工程地质条件复杂, 地基沉降变形量大。在跑道通航后, 对道面进行了长时间的变形观测, 观测发现, 一跑道通航14年工后平均沉降量约62cm, 二跑道通航8年工后平均沉降量约36cm, 三跑道通航4年工后平均沉降量也达到18cm^[4]。根据统计数据, 同时期的航班起降架次增长迅猛, 浦东机场从2000年的6万架次/年增至2013年的37万架次/年, 因此, 由飞机荷载引起的地基沉降变化规律以及飞机荷载引起的沉降在工后沉降中所占比例的变化情况需要进行深入研究。

在引起跑道沉降变形的几种主要荷载中 (填土荷载、道面结构荷载及飞机荷载) , 飞机荷载是不可忽视的一部分。呙润华等^[5]研究认为, 飞机荷载的影响深度主要在10m以内, 其影响随深度增加迅速减小。蔡袁强等^[6]利用层状弹性理论结合分层总和法计算飞机荷载作用下的软基沉降, 取得了比较好的实用效果。杨斐等^[7]通过研究发现, 飞机荷载引起的沉降在工后沉降中的占比>30%, 并且随着时间的增加这一比例仍会不断增大。王广德等^[8]认为飞机荷载沉降多发生在通航后2~3年, 随后沉降变形增长缓慢。目前在软弱土地基上修建的机场越来越多, 而对飞机荷载引起地基沉降方面的研究仍较少, 需要进一步进行研究。

本文以浦东机场通航后近14年的跑道沉降观测数据为基础, 建立了简化的飞机荷载引起沉降的分析模型, 对不同场地条件、不同地基处理方式下飞机荷载引起软基沉降变形的规律进行研究, 对飞机荷载沉降与工后沉降的关系进行分析, 研究结果对类似工程软基处理设计具有非常好的指导意义。

浦东机场区域地形较为平坦, 机场面积约40km², 现有跑道中, 一跑道位于中间, 三跑道位于一跑道西侧460m, 二跑道位于一跑道东侧2 260m, 场区的地势标高从西向东逐渐降低。从成陆时间的角度看, 一、三跑道区域场地成陆的时间较早, 浅部地层与上海市区相似, 地表有一层“硬壳层”^[9], 而东部二跑道区域成陆的时间较晚, 在2000年以前还是围海促淤形成的滩地。

对3条跑道所在区域的工程地质条件进行对比发现, 区域内浅部土层差别较大、成分复杂, 地表遍布浜塘, 土层在平面上和空间上分布很不均匀, 西侧三跑道浅部土层的厚度较小, 为7~8m, 并且工程性质较好的 (3) ₂层砂质粉土较其他区域厚度大, 一跑道及二跑道浅部土层厚9~10m;深部土层 (第 (4) 层淤泥质黏土及以下) , 在土层埋深, 物理性质方面差别较小, 但其力学特性从西向东逐渐变差。以一跑道为例, 场地土层的物理及力学参数如表1所示。

进行软基处理前, 首先要对地基的沉降变形进行分析, 以此作为地基处理方案选择的依据。沉降计算采用分层总和法^[10], 具体表达式如下:

式中:S为总沉降;ψ_s为沉降计算经验系数, 对于正常固结饱和黏性土地基可取ψ_s=1.1~1.4, 荷载较大、地基土较软弱时取较大值, 否则取较小值;e_1i为自重压力所对应的孔隙比;e_2i为自重压力和附加应力之和所对应的孔隙比;h_i为第i层土厚度。

对于任意时间, 地基土层平均固结度U^-的普遍表达式为:

式中:α, β根据所采用的加载方式、排水固结方式的不同, 表达式略有不同。

浦东机场跑道的工程荷载包括填土荷载、道面结构荷载及飞机荷载, 填土荷载及道面结构荷载按实际计算, 对于飞机荷载, 不同的道面结构形式、不同的飞机及轮组类型, 传递至土基顶面的附加应力均不相同^[11], 对于水泥混凝土道面, 当飞机为单轴双轮时 (B737及MD11) , 主要轮组下方土基顶面处的附加应力为6~10k Pa, 当飞机为双轴四轮 (B747及B757) 时, 附加应力为20~32k Pa, 为简化计算, 本次计算飞机荷载取20k Pa。

以3条跑道处典型的勘察钻孔为例, 对工程荷载下天然地基的沉降变形进行计算, 计算结果如表2所示。

浦东机场的3条跑道采用了3种不同的地基处理方式, 一跑道于1999年通航, 地基处理方法为“强夯”;二跑道于2005年通航, 地基处理方法为“堆载预压+强夯”^[12,13];三跑道于2008年通航, 地基处理方法为“真空预压+冲击碾压”。

工后沉降受多方面因素影响, 比如竣工时地基的固结程度、通航后地下水位的变动情况、飞机荷载等。为掌握跑道工后沉降的变化规律, 在3条跑道建成后均进行了长时间的沉降观测, 截至2013年10月, 一跑道的观测时间已经长达14年, 二跑道观测时间为8年, 三跑道的观测时间为5年。

首先对一跑道通航后道面的沉降情况进行分析, 变形观测点均设置于跑道中心线上, 一跑道沉降变形曲线如图1所示。

一跑道地基通过垫层强夯, 在地表形成了一层“硬壳层”, 这层硬壳有利于道面结构的稳定及应力传递, 从图1可以看出, 一跑道工后沉降变形量较大, 且达到稳定沉降变形的时间较长, 截至2013年10月, 一跑道中心线上观测点的沉降量, 平均值为623mm, 最大值达到了882mm (位于古河道区域) , 最小值为507mm, 平均沉降速率约为3.2mm/年。

二跑道在3条跑道中工程荷载最大, 场地原为围海促淤形成的滩地, 工程地质条件最差。二跑道首先采用堆载预压方法进行深层变形处理, 在堆载预压土方卸载后, 采用垫层强夯法进行浅层地基处理。图2为二跑道中心线上整桩号观测点的沉降历时观测曲线, 从图2可以看出, 在通航满8年时, 二跑道平均沉降量约为359mm, 最大值为522mm、最小值为232mm, 平均沉降速率约为15.7mm/年。

三跑道的工程地质条件最好, 地势高、工程荷载小, 沉降变形较小, 因此三跑道仅采用冲击碾压方法进行浅层地基处理, 仅在有古河道的区域采用真空预压方法。三跑道在通航5年时, 三中心线上观测点平均沉降量为179mm, 最大值为312mm、最小值为76mm, 沉降速率为13.5mm/年 (见图3) 。

对上面数据进行分析发现, 目前一跑道的实测沉降量较大, 古河道处最大实测值已经达到882mm, 平均值也达到了623mm, 但一跑道目前的沉降速率最小, 为3.2mm/年, 沉降变形已经稳定, 二跑道和三跑道目前通航的时间相对较晚, 观测时间短, 截至2013年其沉降变形速率仍较大。

浦东机场的3条跑道目前整体运行情况良好。

飞机滑行或起飞时, 其主要滑行在道面中线附近, 目前世界上绝大部分民航客机, 其最外侧机轮的轮距为5.26~11.0m^[14], 而E类及F类的跑道, 道面宽度为60m, 跑道宽度较大, 因此其边缘只是偶然承受飞机荷载, 飞机荷载的影响可忽略不计, B747在跑道上滑行时如图4所示。

在跑道的横断面上, 一般中心与边缘的高差在0.2~0.3m, 由此高差引起的差异沉降极小。因此, 可将跑道横断面上中心点与边缘的沉降差近似作为飞机荷载引起的沉降。跑道横断面的沉降变形如图5所示。

假如某时刻跑道横断面上两端A点和B点的沉降量分别为S_A, S_B, 跑道中点的沉降量为S₀, 因飞机荷载产生的沉降量 (简称飞机荷载沉降) S_f的简化计算公式如下:

浦东机场3条跑道长度分别为4 000, 3 800, 3 400m, 宽度均为60m, 详细参数如表3所示。

依据公式 (1) 对飞机荷载引起的沉降S_f进行分析, 一跑道飞机荷载沉降S_f的变化曲线如图6所示, 图中P225, P250等代表桩号。

从图6可以看出, 一跑道4个观测断面飞机荷载沉降引起的沉降S_f均随着时间的增加逐渐增大, 在跑道通航初期S_f沉降速率较快, 在满24个月时的S_f已达到61mm, 在第36个月时沉降量约为90mm, 在通航3年后沉降速率逐渐减小, 通航14年时飞机荷载沉降量约117.6mm, 飞机荷载引起的沉降已基本稳定。

二跑道飞机荷载引起的沉降量S_f的变化曲线如图7所示, 二跑道于2005年通航, 从图7可以看出, 其沉降规律与一跑道相似, 在通航初期沉降速率较快, 在满12个月时飞机荷载沉降量S_f约为37mm, 24个月时约为49mm, 至观测截止日, 由飞机荷载引起的地基沉降S_f仍未稳定, S_f约为88.2mm, 变形速率约为0.33mm/月。

三跑道飞机荷载沉降S_f的变化曲线如图8所示, 由于机场区域三跑道的地质条件最好, 且工程荷载小, 因此其工后总沉降量及飞机荷载沉降量S_f均较小, 在满12个月时, 飞机荷载沉降量S_f约为26.4mm, 在满24个月时沉降量平均值S_f约为50.1mm, 通航6年时飞机荷载沉降量为69.7mm, 沉降速率约为0.36mm/月。

将3条跑道的飞机荷载沉降S_f, 在相同的通航时间条件下进行对比, 对比结果如图9所示。

从图9可以看出, 3条跑道中, 一跑道由飞机荷载引起的沉降S_f最大, 且速率最快, 二跑道和三跑道沉降速率相近, 在通航的前2年中, 一跑道的沉降速率约为36.6mm/年, 二跑道和三跑道的沉降速率分别为25.1mm/年、25.3mm/年。一跑道在通航8年左右飞机荷载沉降趋于稳定, 在通航第5年时, 二跑道的沉降量S_f及沉降速率略大于三跑道, 观测期内二跑道及三跑道的飞机荷载沉降仍未稳定。

工后沉降和飞机荷载沉降都是随着时间不断变化的, 但二者的变化规律是否相同需要进行研究。假设跑道通航后某一时间的工后沉降量为S_t, 此时由飞机动荷载引起的沉降量为S_f, 飞机荷载产生的沉降量与工后沉降的比值m为飞机荷载沉降占比, 其表达式如下。

对浦东机场3条跑道飞机荷载沉降占比随时间变化情况进行对比分析, 结果如图10所示。

从图10可以看出, 3条跑道飞机荷载沉降占比m的变化规律大致相同, 通航初期m值较大, 随着通航时间的增加, 飞机荷载沉降及工后沉降均不断增大, 但其比值m却逐渐减小。一跑道刚通航时m接近40%, 随后逐渐减小, 到第14年时减小至18.9%。二跑道m值的变化幅度较小, 通航当年沉降占比约为28.8%, 到第8年时下降24.6%。三跑道工后沉降量较小, 通航初期飞机荷载沉降与工后总沉降的比值m接近50%, 到第5年时m值为38.9%。随着通航时间的增加, 软土地基固结沉降, 地基的强度不断增大, 飞机荷载对地基的影响逐渐减小。

1) 飞机荷载引起的沉降在通航初期增长较快, 随着通航时间的增加沉降速率逐渐减小, 依据3条跑道飞机荷载沉降变形的数据进行推测, 浦东机场由飞机荷载引起的沉降量在120mm以内。

2) 飞机荷载引起的沉降在工后沉降中的占比m在通航初期时较大, 随着通航时间的增加, 软弱土层不断固结, 地基土的强度逐渐增大, 飞机荷载对土基的影响逐渐减小, 其引起的沉降在总沉降中的占比逐渐减小。

3) 对于在软弱土层上建设的机场项目, 应充分考虑飞机荷载的影响, 飞机荷载对于地基沉降变形的影响不可忽略。