机场刚性道面脱空防治关键技术研究

Abstract：Pavement voids beneath airport runways represent a significant engineering issue impacting flight safety. Their formation mechanism is complex， involving multiple factors such as aircraft dynamic loading， structural characteristics of pavement slabs， and underlying base support conditions. This study systematically investigates the formation process and prevention strategies for pavement voids by analyzing aircraft load characteristics and the mechanical response mechanisms at slab corners and edges. Research indicates that the primary causes of void formation are the impact effects of aircraft dynamic loads， the geometric properties of pavement slabs， and uneven settlement of the foundation layer. Effective prevention and control of pavement voids can be achieved through optimization of pavement structural design， enhanced base treatment， and the establishment of a dynamic monitoring system. These measures provide crucial technical support for the long-term stable operation of airport pavements.

Keywords ： Airport pavement; Void prevention and control; Dynamic load; Stress analysis; Non-destructive testing

1. 引言

机场道面作为飞机起降的关键基础设施，其结构完整性和使用性能直接关系到飞行安全。随着航空运输业的快速发展，飞机载重不断增加，起降频次日益提高，机场道面承受的载荷条件愈加复杂严峻。在这种背景下，道面脱空现象逐渐成为困扰机场运营管理的重要技术问题。道面脱空是指道面板块与基础层之间出现空隙，导致板块失去有效支承的现象，这种现象不仅会加剧道面结构的疲劳损伤，还可能引发板块开裂、错台等严重病害，严重威胁飞行安全。

机场刚性道面作为航空器起降的关键基础设施，其结构完整性直接关系到飞行安全与运营效率。板底脱空——即道面板与基层间的局部脱离现象——是诱发裂缝、错台乃至整体断裂的主要病害之一[4]。环境温度波动会显著影响脱空评价结果，例如接缝传荷系数和弯沉比的日变化可达 13.21%和78.11% ，甚至导致完全相反的判定结论[1]。传统弯沉检测方法（如弯沉比法和截距法）虽广泛应用，但存在明显局限：弯沉比易受接缝传荷能力与脱空的耦合干扰，截距法在数值模拟中难以有效识别脱空[7]，且点式采样（如 HWD）因间隔误差难以全面反映道面状态[5]。

脱空深度与面积的交互作用进一步增加了评估复杂性。研究表明，脱空率超过 6%时，深层脱空（>2.5m） ）会显著加剧弯沉和应力，使道面剩余寿命从数十年骤降至不足两年[3]。此外，脱空对应力分布的影响存在临界状态：当脱空区边缘应力超过健康道面峰值时，将引发结构失效[4]。为提升判定精度，学者提出总弯沉比（RTD）等新指标，其与道面结构参数相关性更高（ R²≈0.9 ），且不受接缝传荷能力影响，为脱空精准防治提供了新思路[2]。

道面脱空问题的复杂性在于其形成机理涉及多个相互作用的因素。飞机在道面上的运动产生的动载荷具有明显的冲击特性和时变特征，这种载荷作用模式与静态设计载荷存在显著差异。同时，道面板块的几何形状和尺寸，特别是板角和板边区域的结构特性，对载荷传递和应力分布产生重要影响。此外，基础层的支承条件、材料特性以及环境因素等也都会影响脱空现象的发生和发展。因此，深入研究道面脱空的形成机理和防治技术，对于保障机场道面的安全运行具有重要的理论意义和实践价值。

2. 脱空形成机理及演化过程

道面脱空现象的形成是一个复杂的渐进过程，涉及多种因素的相互作用和累积效应。脱空的形成机理可以从载荷作用、材料特性、环境条件和时间效应等多个角度进行分析，其演化过程通常经历萌发、发展和扩展等几个阶段。

脱空萌发阶段是脱空现象的起始阶段，其特点是在道面板块与基础层界面的局部区域开始出现微小的分离现象。这种分离现象通常始于板角和板边等应力集中区域，其产生的主要原因是载荷作用下的界面剥离应力超过了界面的粘结强度。在这个阶段，脱空区域的范围很小，深度也很浅，对道面的整体性能影响有限，但为后续的脱空发展奠定了基础。脱空萌发的时机往往与特定的载荷条件相关，如大型飞机的着陆冲击、超重载荷的作用或者多次循环载荷的累积效应等。

剥离应力公式（板角区域）

脱空萌发的核心判据为剥离应力 σ 剥离 超过界面粘结强度 ft。其中：

温度应力项：由板上下表面温差 Δ T 引起，板角因双向无约束，其值可达板中区域的2 倍

荷载应力项：荷载 P 作用于板角时，应力集中系数与荷载作用半径 r 和相对刚度半径 l 相关，r/l 越小应力越集中

临界条件： σ 剥离 ≥ft 时界面微裂隙萌生（典型值 ft=0.1-0.3MPa ）

脱空发展阶段是脱空现象的关键阶段，其特点是已萌发的脱空区域在载荷的反复作用下逐渐扩大和加深。在这个阶段，脱空区域的存在改变了板块的受力状态，使得脱空边缘区域承受更大的应力，进而促进脱空的进一步发展。同时，脱空区域内部可能积聚水分，在冻融循环作用下产生额外的破坏力，加速脱空的发展过程，寒冷地区冻胀力公式如下。脱空发展的速度取决于多种因素，包括载荷的大小和频率、材料的疲劳特性、环境条件的严酷程度。动水压力冲刷基层细粒料，导致脱空腔体积增大，如公式。

脱空扩展阶段是脱空现象的最终阶段，其特点是脱空区域达到一定规模后，开始向周围区域快速扩展，甚至可能影响到整个板块的稳定性。在这个阶段，脱空区域的存在显著降低了板块的有效支承面积，导致板块在载荷作用下产生过大的变形和应力。这种过大的变形和应力不仅会加剧脱空的扩展，还可能引发板块开裂、错台等其他形式的病害。脱空扩展阶段的特点是发展速度快、影响范围大，对道面的使用性能和安全性造成严重威胁，在这一阶段，断裂力学主导演化。

基础层特性对脱空形成和演化过程具有重要影响。基础层的承载能力、变形特性和稳定性直接决定了其对道面板块的支承效果。当基础层承载能力不足时，在载荷作用下会产生过大的变形甚至局部失稳，导致道面板块失去有效支承而产生脱空。基础层的不均匀性也是导致脱空的重要因素，当基础层的承载能力或变形特性在空间上分布不均匀时，会导致道面板块的差异沉降，在板块与基础层之间产生空隙。

水分渗透和积聚是加速脱空发展的重要环境因素。道面接缝和微小裂缝为水分渗透提供了通道，渗透的水分可能在板块与基础层界面处积聚，削弱界面的粘结力。在寒冷地区，积聚的水分在冻结时体积膨胀，会产生额外的破坏力，加速脱空的发展。同时，冻融循环的反复作用会进一步削弱材料的力学性能，为脱空的扩展创造条件。

3.脱空防治技术策略

机场道面脱空防治应采用全生命周期综合治理策略，涵盖设计、施工、运营三个关键阶段。设计阶段需优化道面结构参数和材料选择。板块厚度应充分考虑飞机载荷动态特性和应力集中效应，确保足够的抗弯刚度；板块尺寸需平衡施工便利性与结构稳定性；基础层设计应保证承载能力和均匀性，配置有效排水系统。材料方面，优选高强度、低收缩混凝土以提高抗裂性和界面粘结强度，基础层材料应具备良好级配、高压实度和长期稳定性。

施工阶段通过严格质量控制实现脱空防治。重点控制基础层压实度、平整度和均匀性，确保基础层表面清洁湿润，严格控制混凝土浇筑和振捣工艺，保证接缝施工质量和传荷能力。

运营阶段建立系统的检测维护体系。定期全面检查道面状况，重点监测板角、板边等脱空易发区域；实施预防性维护包括接缝密封、表面防护、排水维护等；根据脱空程度采取相应修复措施，轻微脱空可注浆加固，严重脱空需重新铺筑。

通过三阶段协同的综合防治策略，可有效预防和控制道面脱空，确保机场安全运营。

4.脱空修复技术

道面脱空的修复技术是脱空防治体系的重要组成部分，修复技术的选择和实施效果直接影响道面的使用性能和使用寿命。脱空修复技术应根据脱空的类型、严重程度、位置以及机场的运营条件来选择，并应确保修复效果的持久性和可靠性。

注浆技术是轻微脱空修复的主要方法，其原理是通过向脱空区域注入具有一定强度和粘结性能的浆液，填充脱空空间，恢复板块与基础层之间的有效接触。注浆材料的选择是注浆技术成功的关键，常用的注浆材料包括水泥浆、聚氨酯浆液、环氧树脂等。水泥浆具有成本低、强度高的优点，但流动性相对较差，适用于较大脱空空间的填充。聚氨酯浆液具有优良的流动性和粘结性能，能够渗透到细小的空隙中，适用于精细的脱空修复。环氧树脂具有极高的强度和粘结力，但成本较高，适用于关键部位的脱空修复。

注浆工艺的合理性对修复效果具有重要影响。注浆孔的布置应根据脱空的分布和范围来确定，既要确保浆液能够充分填充脱空空间，又要避免对道面结构造成不必要的损伤。注浆压力的控制是注浆工艺的关键环节，压力过低可能导致浆液充填不充分，压力过高可能引起板块抬升或开裂。注浆顺序的安排也很重要，通常应从脱空区域的边缘向中心逐步注浆，确保浆液的均匀分布。

对于严重脱空或注浆修复效果不佳的情况，可能需要采用局部重新铺筑的修复方法。这种方法虽然成本较高，但修复效果可靠，能够从根本上解决脱空问题。局部重新铺筑的关键是确保新旧结构的良好衔接，避免在接缝处产生新的薄弱环节。施工过程中应严格控制基础处理、混凝土浇筑、接缝施工等各个环节的质量，确保修复后的道面具有与原道面相当的使用性能。

复合修复技术是近年来发展起来的新技术，其特点是综合运用多种修复方法，发挥各种技术的优势，实现最佳的修复效果。例如，可以先采用注浆技术填充主要的脱空空间，然后在表面铺设高强度的修复材料，形成复合修复结构。这种方法既能够解决深层的脱空问题，又能够提高表面的承载能力和耐久性。

修复效果的评估和监测是确保修复质量的重要环节。修复完成后应采用适当的检测技术对修复效果进行评估，确保脱空得到有效填充，板块恢复正常的支承状态。长期监测可以了解修复效果的持久性，为修复技术的改进和优化提供依据。对于重要的脱空修复工程，建议建立长期监测制度，定期评估修复效果的变化情况。

5. 结论与展望

本研究围绕机场刚性道面脱空防治展开系统探究，明确了脱空形成与演化的核心机制。飞机动载荷的冲击效应和循环作用是脱空产生的关键外部诱因，尤其板角、板边等应力集中区域，在载荷作用下更易出现界面剥离。基础层承载能力不足、不均匀沉降及界面粘结强度薄弱则是内在主因，加之水分渗透与冻融循环的环境作用，加速了脱空的发展进程。

从防治技术来看，需构建全生命周期的综合策略：设计阶段优化道面结构参数与材料选型，增强板块抗弯刚度与基础层均匀性；施工时严格控制基础压实度与混凝土养护质量，保障界面粘结效果；运营中借助无损检测技术（如总弯沉比等新指标）实现脱空的早期识别，结合注浆加固、局部重铺等修复手段，形成“ 预防 - 监测 - 修复” 的完整体系。其中，注浆技术适用于轻微脱空，聚氨酯等流动性浆液可精准填充空隙；严重脱空则需局部重铺，确保新旧结构衔接可靠。

未来，道面脱空防治将向智能化、精准化方向发展。基于大数据与人工智能的智能监测系统，可实现脱空风险的预警预测；自愈合材料、智能材料等新技术的应用，有望从根本上提升道面抗脱空能力；数字化道面管理系统的构建，能推动脱空信息的实时分析与智能决策。随着航空业发展，需持续深化脱空机理研究，完善技术标准，通过多学科融合创新，为机场道面安全运行提供更坚实的技术保障。

6.参考文献

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[2]凌建明，刘海伦，马正好，等.总弯沉比及其在机场刚性道面板底脱空判定中的适用性[J].同济大学学报（自然科学版），2023，51（07）：1085-1093.

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