飞机荷载作用下高填方机场道基动力响应及累积沉降研究

发布时间：2020-10-27 16:54

　　 山区机场跑道通常跨越复杂的地形地质单元,形成的高填方和高边坡具有挖填交替、方量巨大、填料类型众多、性质复杂的特点。跑道运行后,一方面在飞机荷载长期作用下,在道基一定深度范围内产生附加动应力,引起填料或原道基颗粒间错动、滑移乃至破碎,产生的塑性形变或体变将会不断累积。另一方面机场跑道的铺设,阻碍了道基中湿度场与外界环境的交换,将改变原地表与大气之间的水分运移平衡,在道面板下一定范围内形成水分局部集中的现象,即“锅盖效应”,将会弱化土体的工程力学性质,降低土体强度。在飞机长期动载和“锅盖效应”作用下,容易诱发道基不均匀沉降等灾害,严重影响跑道的适航性。针对这些因素改进机场跑道适航性,是山区支线机场高填方变形和稳定控制中急需解决的关键科学问题。本文的主要研究内容和成果包括:1.建立飞机-道面结构-道基动力相互作用模型,采用半解析有限元方法研究了单轮和Boeing737主起落架荷载作用下道面结构和道基的动力响应,系统分析了动力相互作用过程中飞机的加速度效应和升力对响应的影响。结果表明,加速度效应对道面结构反向应力区间有影响,而对道面结构各向应力幅值影响不明显。考虑升力后,各向应力幅值降低幅度随着速度增加而增加,呈抛物线型。加速度效应对浅层土体各向应力时程曲线形态无明显影响,竖向应力幅值基本不变,加速度效应对深层土体剪切应力具有放大效应。主起落架荷载作用下,道面板顶部纵向压应力幅值达到竖向应力的1.5倍,拉应力区间幅值达到0.5MPa,应加强面板上层的抗压和抗拉设计。主起落架荷载的叠加效应对道基土体所受应力幅值有放大作用,这种放大作用,随着道基深度增加而增加。2.归纳和总结了“锅盖效应”形成机理,在寒旱地区,冷凝和冷冻作用是“锅盖效应”现象形成的主要机理。基于电磁波相互作用理论,提出了时域反射法(TDR)含水率测试统一经验模型,该经验公式对常见土体类型均能给出误差在±0.05g.g-1以内的结果,对1.3～2.3g.cm-3的干密度范围内具有较好的适用性。在工程中常见的击实功和孔隙水电导率变化范围内,精度可满足工程要求,为复杂填料含水率现场快速测试提供技术支持。设计并研制TDR向上渗透法标定装置,可有效解决在压实岩土体中TDR探针难以打入的问题,并可快速高效实现含水率和介电常数间关系标定。3.采用动三轴试验研究了动应力比、围压、含水率和初始固结比对土石混合料动力特性的影响。建立了土石混合料变形累积发展模型,提出飞机荷载作用下道基累积沉降计算方法。结果表明,在试样加载初期,轴向累积应变迅速发展,随后,随着振次增加,轴向累积应变发展速率逐渐下降并趋于稳定,轴向累积应变也趋于稳定。随着动应力比CSR的增加,回弹模量减小,轴向累积应变增加明显,CSR=1时轴向累积应变是CSR=0.2的11.15倍,应变达到0.138%。随着围压的增大,回弹模量增加,轴向累积应变增加。与饱和试样相比,最优含水率下的试样回弹模量增加,轴向累积应变明显减小,降幅约为50%。随着初始固结比的增大,回弹模量增加,轴向累积应变增加。本文建立的双曲线形式的土石混合料累积应变发展模型可以较好地预测土石料累积变形发展和最终的累积变形。飞机动载引起的道基累积沉降约为0.6～1.2mm。考虑“锅盖效应”后,道基累积沉降增幅可达50%。荷载速度对道基累积沉降有着明显影响,5m厚压缩层时,75m/s最终沉降量比20m/s提高了 30%。4.建立了六自由度飞机滑跑模型,可简单有效的模拟不同道面输入条件下机体的振动响应。随着沉降幅值增加,机体后主轮胎峰值冲击系数和质心加权加速度均方根值呈线性增加。随着飞机滑跑速度的增加和沉降波长的减小,机体后主轮胎峰值冲击系数和质心加权加速度均方根值呈现增加趋势。基于飞机滑跑安全性和乘客舒适性提出非均匀道基沉降控制标准,给出起降区和滑跑区差异沉降控制线。5.建立承德机场全跑道健康状态监测系统,采集了相关数据展开分析。现场监测结果表明加速度三向响应时程呈现多峰现象。道基土体瞬态应变和土压力响应时程曲线呈现拉压交替,与数值模拟一致。承德机场道基恒温层在2.5m左右,道基表层具有含水率聚集现象,具有“锅盖效应”现象,道基累积变形为毫米级,从挖填交替区到填方区再到填挖交替区整体上呈现凹型等沉降线趋势。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU43
【部分图文】：

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?第１章绪论??图１．４为山区机场高填方工程典型横剖面，李强和魏弋锋（２００６）提出“三??面一体控制论”来解决高填方工程中的一系列工程技术问题。“三面一体”指的??是基底面、临空面、填体顶面和填筑体。“基底面”为填筑体与原地基的接触面，??包括原地基中的软弱夹层。“临空面”即为边坡坡面。“填体顶面”包括道槽区顶??面和土面区顶面。“填筑体”包括道槽区填筑体、土面区填筑体和边坡稳定影响??区填筑体。“三面一体”各要素间相互作用和影响，“三面一体控制”的核心是把??握、平衡、协调和控制各要素间的关系来解决机场高填方工程的关键技术问题。??，??／?／??顶面?Ａ???ｉ＾ＸＪ??临空面．＾??一＇邊：：??图１．４机场高填方“三面一体”结构??目前国内外相关基础研究严重滞后于工程建设，尚无成熟理论和技术标准来??支撑和规范山区机场高填方的设计和施工。由于其在材料、结构以及服役要求等??方面的特殊性，按目前的理论及技术水平其建设还面临诸多挑战，主要有：??（１）
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本文编号：2858791