飞机荷载作用下湿化粉土道基变形特性研究

罗其奇¹，张升¹，叶新宇¹，李强²，马新岩^{3, 4}，张兴中⁵

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 北京新机场建设指挥部，北京，102600；

3. 民航机场规划设计研究总院有限公司 岩土工程所，北京，100020；

4. 机场工程安全与长期性能交通运输行业野外科学观测研究基地，北京，100020；

5. 呼和浩特新机场建设工程项目指挥部，内蒙古 呼和浩特，010000)

摘要：为探明飞机荷载作用下湿化道基的变形特性，研制模型试验系统，并结合相应数值模型，开展飞机荷载作用下不同湿化程度的道基变形演化规律研究。研究结果表明：北京大兴区粉土渗透性强，持水能力较差，粉土饱和度75% 时达到最大持水能力。道基变形主要发生在粉土达到最大持水能力前，山皮石垫层与粉土道基分界面处出现了较大不均匀变形，而垫层的设置能有效降低加载区下卸荷不均匀变形。加载区下，随深度增加沉降横向分布呈现深“U”形—浅“U”形—深“V”形—浅“V”形的演化特征，不均匀变形横向分布主要集中于加载区及其5 m范围内；沉降竖向分布呈现指数降低和线性降低趋势，加载区下受荷敏感区域位于垫层表面以下6 m深度范围内。飞机荷载主要影响深度与受荷敏感深度相同，湿化作用降低了受荷敏感深度内应力集中效应，增加了飞机荷载影响范围以及不均匀变形，对不均匀变形横向分布范围无显著影响。

关键词：机场工程；粉土道基；湿化；应力叠加；变形特性

中图分类号：TU411          文献标志码：A        开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号：1672-7207（2021）07-2188-12

Investigation on deformation characteristics of wetting silt subgrade under aircraft loading

LUO　Qiqi¹, ZHANG　Sheng¹, YE　Xinyu¹, LI　Qiang², MA　Xinyan^{3, 4}, ZHANG　Xinzhong⁵

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. Beijing New Airport Construction Headquarters, Beijing 102600, China;

3. Department of Geotechnical Engineering, China Airport Planning & Design Institute Co. Ltd.,Beijing 100020, China;

4. Observation and Research Base of Transport Industry of Airport Engineering Safety and Long-term Performance, Beijing 100020, China;

5. Hohhot New Airport Construction Project Headquarters, Hohhot 010000, China)

Abstract: To investigate the deformation behavior of the subgrade subject to wetting, the large-scale model test and numerical modelling were conducted, and the evolution of the deformation of silt subgrade under the coupling action of wetting and aircraft loading was studied. The results show that the silt from Daxing district, Beijing exhibits strong permeability and poor water holding capacity, with maximum water holding capacity of 75% degree of saturation. The deformation of subgrade mainly occurs before reaching the maximum water holding capacity, the larger uneven deformation occurs at the interface between hill-skill stone layer and silt subgrade, and the unloading uneven deformation under the loading area can be reduced by hill-skill stone layer. The lateral distribution of settlement under the loading area exhibits different shape with depth, with deep "U", shallow "U", deep "V", and shallow "V". The uneven deformation in lateral distribution is mainly concentrated within the loading area and its range of 5 m. The exponential and linear reduction trends are found in vertical distribution of settlement, and the loading sensitive area under the loading area is within 6 m below the subgrade cushion. The main influenced depth of aircraft loading is the same as that of the loading sensitive depth. The stress concentration effect within the loading sensitive depth is reduced by the wetting effect. The influence ranges subject to the aircraft loading and the uneven deformation are increased by the wetting effect, which has limited influence on the lateral distribution range of the uneven deformation.

Key words: airport engineering; silt subgrade; wetting; stress superposition; deformation characteristic

我国北方机场道基大量采用场内粉土填料，后期机场运营过程中出现很多工程病害，其中道面板破损病害出现频率较高^[1-2]。据调查，很多工程病害与地下水相关^[3]，机场工程中湿化作用会加剧道基受荷不均匀变形，导致道面板破损病害^[4-5]。粉土具有连接性差、强度低、水稳定性差、易冲刷等特点，工程性质受含水率影响显著^[6-8]。机场运营期间，大面积覆盖的道面板阻断了道基与大气环境之间的连接通道，在温度梯度作用下发生水汽迁移，造成“锅盖效应”，浅层道基出现局部水分积聚区；同时，当道面板出现裂缝或填缝不佳时，降雨入渗亦容易诱发浅层粉土道基形成局部水分积聚区。在飞机荷载长期作用下，湿化道基易出现显著的不均匀沉降问题。局部水分积聚区域受荷导致不均匀沉降加剧，将促进道面板破损病害形成，严重缩短道面板使用寿命。因此，研究飞机荷载作用下湿化粉土道基变形特性对机场后期安全运营具有重要意义。

粉土具有强烈的水劣化特性，含水率低时，压缩性低，强度高。吸收水分时强度丧失明显，工程性质随含水率波动较大^[9]，很多学者对此进行了大量研究：宋修广等^[10]进行了不同含水率下压实粉土回弹模量及三轴试验，发现粉土含水率高于最优含水率时，回弹模量、变形模量及黏聚力随含水率的增大呈现显著的衰减趋势，当接近饱和状态时内摩擦角也急剧降低，从而获得粉土吸水后具有变形大、强度低的结论。管延华等^[11]针对浸水粉土路基进行了足尺模型试验研究，探明了考虑湿化作用时，分级循环荷载下粉土路基竖向变形机理以及附加应力传递规律。任克彬等^[12]对重塑粉土进行多次干湿循环后，通过固结排水剪切试验研究其抗剪强度特性；同时使用核磁共振以及扫描电镜测试方法研究其微观结构特征，建立了微观结构与抗剪强度之间的关系。肖成志等^[13]基于静三轴试验，分析了不同含砂量、压实度和含水率对粉土应力-应变曲线和抗剪强度指标的影响。宋修广等^[14]基于室内外试验研究了粉土路基强度随含水率变化规律，同时对比了不同掺灰改良方案下路面结构受力变形特征，得出最优的掺灰比例与路基处理深度。董金梅等^[15]对最优含水率的高分子材料改性粉土进行渗透试验、毛细水上升试验、抗冲刷试验以及干湿循环作用下强度特性试验，试验结果验证了高分子材料的改性效果。杨春宝等^[16]针对粉土边坡的坡内和坡外水位变化诱发的边坡失稳工况，进行了对应的离心模型试验，并通过理论分析以及数值模拟研究方法揭示了2种情况下粉土边坡变形演化机制。

综上，研究主要集中在地下水位波动造成的路基以及边坡变形机制方面，而对地基湿化过程中的响应特征关注较少；此外，亦有粉土强度变形特性的单元试验^[17]研究成果，然而这部分研究与工程实际有一定出入。基于此，本文作者开展粉土湿化过程中道基变形特性模型试验研究，同时基于试验结果，建立有限元数值分析模型，探讨粉土湿化过程中飞机荷载诱发的道基变形分布和演化规律，研究成果可为类似工程提供技术依据。

1  室内模型试验

1.1　模型试验系统

为研究飞机荷载作用下粉土道基湿化变形特性，自主设计研制了多场物理模型试验系统^[18]，该系统可反复模拟测试不同机型飞机停靠停机坪时造成的湿化道基响应。多场物理模型试验系统由加载装置、试验模型箱装置和数据采集装置3个部分组成。加载装置共2套，每套加载装置包括反力架、底板、加强梁、加载板以及荷载施加设备等。其中荷载施加设备包括液压千斤顶、电动液压油泵和数显压力表等，通过电动液压油泵和数显压力表模拟施加不同类型飞机荷载。2个反力架平行布置，2个液压千斤顶分别固定于反力架底面，加载装置的底板通过螺栓分别固定于模型箱开口面两侧的支撑板上，两加载板分别放置于液压千斤顶底部。

试验模型箱装置主体为上开口的长方体形箱体，用于分层填筑道面山皮石垫层材料和道基非饱和粉土制样。依据文献[19]，L为地基模型宽度，B为加载板宽度，h为地基深度，模型装置尺寸符合L/B>4和h/B>4条件时，可排除边界效应的影响，综合确定加载板宽度0.45 m，模型试验装置长×宽×高为2.0 m×2.0 m×1.8 m。装置包括安装骨架及固定于其上的侧板和底板，侧板的中部安装可视化有机玻璃板，侧板和有机玻璃板外侧均设置有加强肋，不仅能够降低土体与侧板的摩擦力，同时利于试验观测。为方便后期拆样，采用侧板模块和底板模块的拼装式结构，侧板模块和底板模块拼装后对接缝进行防渗漏处理。支撑板有2块，其下侧有加强梁，对称固定于模型箱一对侧板模块安装骨架的顶部。模型箱侧板设置有过线孔，在过线孔处安装传感器电缆密封接头并做好防漏处理。

数据采集装置包括DMWY型位移传感器、Ec-50土壤水分传感器、DMTY型土压力盒、数据采集仪以及电子计算机等，数据采集仪包括DMYB1840型动静态应变采集仪和DT80数据采集器，分别用于测量和采集试样变形量、体积含水率以及土压力等指标。

1.2　试验材料及道基填筑

试验使用的粉土以及山皮石填料均取自北京大兴国际机场，其基本物理性质指标见表1，采用轻型击实试验确定粉土的最优含水率为16.0%，最大干密度为1.89 g/cm³。

表1　粉土填料基本物理性质指标

Table 1　Basic physical parameters of silt

依据民用机场道面设计规范^[20]，本研究选用95%的压实度进行拌土和压实，道基分层压实厚度取为0.1 m。模型试验试样长为2.0 m、宽为2.0 m、高为1.6 m，道基顶部铺设0.15 m厚度的山皮石垫层，以此模拟实际机场道面道基结构。

将搅拌均匀的土样放入模型箱中压实，以1.80 g/cm³干密度作为控制条件，为确保压实效果，采用HCD125型电动冲击夯击实。填筑粉土试样过程中，为防止上层土样击实引起下层土样密度增大，同时确保制样均匀性；在小型夯机端部夯板处增设减震海绵，制样时适当增加下层土样压实厚度并分层取样测试质量含水率。制样结束后通过水分传感器测试数据进行干密度监测，确保试样满足均匀性要求。

1.3　试验仪器布置

主要采用DMWY型位移传感器(精度为0.1 mm)进行变形测量，变形测点设置在山皮石垫层表面、粉土道基与山皮石垫层分界面处共8个测点。测点竖向位于一条竖直线上，横向对称布置，从而获得试验过程中粉土道基变形量和山皮石垫层变形量。

粉土道基顶面以下0.20，0.45，0.70，0.95和1.20 m处分别布置5个数据采集层位。采用DMTY型土压力盒(精度为1 Pa)测量粉土道基不同深度处土压力，采用Ec-50土壤水分传感器测量不同深度处粉土体积含水率，测点布置如图1所示，传感器埋设过程如图2所示。

图1　测点布置图

Fig. 1　Arrangement diagram of measurement points

图2　传感器埋设过程

Fig. 2　Embedding process of sensors

1.4　试验方案

粉土变形特性受含水率影响显著，在飞机荷载作用下容易产生不均匀变形。据此试验方案设计以累积注水量为单一变量对道基进行注水试验，以此模拟测试现场粉土湿化过程中，飞机荷载作用下道基变形特性。

依据民用机场道面设计规范^[20]，以大型飞机A380-800为例，单个机轮荷载为1.47 MPa，轮印面积为0.177 m²，混凝土道面板长为5.0 m，宽为4.5 m，主起落架构型及道面板荷载如图3所示。

考虑粉土道基湿化过程中可能出现的最大不均匀变形工况，选取2号、6号2块相邻混凝土道面板作为加载板，模型试验中加载板长度、宽度和厚度分别为0.50，0.45和0.02 m，2块加载板上分别增设2条加固肋增加抗弯刚度，加载板刚度能够完全反映现场道面板上应力分布。实际机场道面结构由道面板、基层和垫层3部分组成，将混凝土道面板看作刚性基础^[21]，道面板与基层弹性模量之比大于20，道面板底附加应力通过基层传递至垫层表面时不会发生应力扩散。考虑道面板和基层自重荷载，混凝土道面板密度为2 400 kg/m³，水泥稳定碎石基层密度为2 000 kg/m³，混凝土道面板厚度为0.42 m，水泥稳定碎石基层厚度为0.40 m。计算得到最不利工况下2号、6号2块相邻混凝土道面板下山皮石垫层表面应力分别为99.03 kPa和29.62 kPa。

图3　A380-800主起落架构型及道面板荷载示意图

Fig. 3　Main landing gear configuration of airplane A380-800 and load schematic diagram of pavement slab

试验经历6次粉土道基湿化、加载过程，同时对道基进行反复加卸载，直至加载点处变形量稳定，再进行下次湿化和加卸载，直至粉土试样饱和度稳定，试验结束。

2  试验结果与分析

2.1　道基饱和度分布规律

图4所示为湿化过程中不同深度处粉土饱和度随湿化次数变化曲线。由图4可知：北京大兴区粉土渗透性强，持水能力差，道基水分持续向底部渗流。制样结束时，道基中部饱和度达到粉土最大持水能力，在粉土饱和度为75%附近时达到最大持水能力，道基底部接近饱和状态。湿化过程中，由于水分向底部渗流，浅层道基饱和度增长速度较慢，浅层道基饱和度缓慢增长至粉土最大持水能力。道基中部一直维持在粉土最大持水能力，主要起水分渗流通道的作用。道基下部饱和度呈持续增加趋势。图5所示为道基饱和度沿深度分布曲线。由图5可知：土样饱和度随深度呈增加趋势，说明湿化作用影响范围较深。顶部粉土饱和度分布出现差异，原因在于顶部粉土位于飞机荷载叠加效应集中区域，荷载作用诱发顶部粉土干密度增加，导致饱和度测试结果偏大。

图4　湿化次数-饱和度变化曲线

Fig. 4　Curves of humidification times and saturation

图5　深度-饱和度变化曲线

Fig. 5　Curves of depth and saturation

2.2　飞机荷载诱发土压力分布规律分析

图6(a)所示为湿化过程中垫层表面以下0.35 m深度处土压力横向分布曲线。不考虑土样自重，研究湿化作用下飞机荷载诱发道基土压力横向分布特征。由图6(a)可知：飞机荷载叠加作用下，道基附加应力横向分布特征与荷载有关，附加应力横向分布呈现中间高两边低的分布特征。道基中间荷载叠加效应显著，与荷载作用区域横向距离越远，飞机荷载折减效应越显著。由飞机荷载叠加效应诱发的道基土压力呈拱形分布特征，浅层道基土压力横向分布差异明显，土压力拱形分布特点容易诱发道基不均匀变形。图6(b)所示为湿化过程中垫层表面以下0.60 m深度处土压横向分布曲线，与图6(a)对比分析可知：飞机荷载传递至垫层表面以下0.60 m深度处，由荷载叠加效应诱发的两侧土压力差异分布趋势降低。荷载传递至此处发生大幅度折减，土压力横向分布较浅层道基均匀，也说明了深度是影响飞机荷载折减的主要因素。对比分析不同深度处土压力横向分布曲线，发现山皮石垫层和粉土对飞机荷载折减效应显著。同时，荷载折减幅度也与叠加效应有关，飞机荷载叠加效应越明显，荷载传递过程中折减幅度越大。与粉土对比，山皮石垫层的作用促进了飞机荷载折减。

图6　垫层表面以下不同深度处土压力横向分布图

Fig. 6　Horizontal distribution of earth pressure at different depths below cushion surface

2.3　道基湿化变形特性分析

图7(a)所示为测点2和6处变形演化曲线。测点2和6区域均布荷载较小，湿化前粉土变形恢复能力较好。湿化过程中，测点2和6变形量演化趋势大致相同，加载阶段测点2和6变形发展主要经历3个阶段，快速增长阶段、缓慢增长阶段、平稳波动阶段。湿化初期，山皮石垫层透水性强，水分通过山皮石垫层向浅层道基积聚，道基浅层粉土饱和度增加，变形进入快速增长阶段。随着湿化次数增加，浅层道基达到粉土最大持水能力，浅层滞水通过道基内部渗流通道向底部积聚，荷载影响范围内变形量分别增长至最大值7.2 mm和4.7 mm。卸载阶段测点2和6变形发展主要经历线性增长阶段、平稳波动阶段，湿化前期浅层粉土道基饱和度显著增加，测点2和6处变形量线性增长至最大值3.64 mm和0.99 mm。湿化后期，粉土道基饱和度大致稳定，变形量基本不变。

图7(b)所示为测点3和7处变形演化曲线。因该区域施加的均布荷载较大，相应变形较测点2和6处大，但变形量变化规律大致相同。加载阶段，测点3和7变形量主要分为2个阶段，即快速增长和缓慢增长阶段。随着湿化程度加深，测点变形量呈线性增长趋势，在第2次湿化结束时变形量增长率显著降低，说明受荷变形主要发生在浅层粉土饱和度快速增加阶段，湿化后期变形量基本稳定。卸载阶段测点变形主要经历线性增长阶段、平稳波动阶段，卸载阶段测点3最大变形量为4.52 mm，测点7最大变形量为2.60 mm。加载阶段测点3最大变形量为12.10 mm，测点7最大变形量为8.70 mm。对比湿化前和湿化过程中测点处变形量，发现粉土湿化后受荷变形量较大，湿化作用对粉土受荷变形影响显著。

图7　不同测点变形演化曲线

Fig. 7　Deformation evolution curves of different measuring points

图8所示为湿化过程中粉土道基受荷变形演化曲线。由图8可知：粉土道基受荷弹性变形和塑性变形均呈现先线性增加、后平稳波动变化趋势。湿化前，测点6和7处粉土弹性变形分别为1.70 mm和2.96 mm，塑性变形分别为0.10 mm和0.62 mm。测点6和7处湿化作用诱发的弹性变形分别为2.10 mm和3.54 mm，湿化作用诱发的塑性变形分别为0.88 mm和1.98 mm。与湿化前对比，粉土道基弹塑性变形均呈增长趋势，塑性变形增长比例显著,受荷敏感度较高。

图8　测点6和7处粉土变形演化曲线

Fig. 8　Deformation evolution curves of silt at measuring points 6 and 7

图9所示为荷载作用点处测点2和3以及测点6和7之间不均匀变形演化曲线。由图9可知：加卸载阶段测点之间不均匀变形变化趋势大致相同，变化幅度有微小差异。湿化之前，山皮石垫层和粉土道基承载性能较好，加载阶段表面和分界面测点处不均匀变形较接近，卸载阶段粉土与山皮石分界面处不均匀变形较大。加载阶段测点2和3之间最大不均匀变形为5.96 mm，测点6和7之间最大不均匀变形为5.39 mm。卸载阶段测点2和3之间最大不均匀变形为0.96 mm，测点6和7之间最大不均匀变形为2.01 mm。加载阶段表面和分界面处测点不均匀变形变化趋势大致相同，主要分为3个阶段：快速增长阶段、缓慢增长阶段和平稳波动阶段。湿化过程中山皮石垫层受荷不均匀变形基本不变，分界面处粉土道基不均匀变形呈增长趋势，湿化作用下粉土道基受荷不均匀变形是表面不均匀变形的主要组成部分。卸载阶段表面和分界面处不均匀变形变化趋势主要分为缓慢增长阶段和平稳阶段，试验结果表明山皮石垫层能降低粉土湿化诱发的表面卸荷不均匀变形。

图9　加载点间不均匀变形演化曲线

Fig. 9　Evolution curves of uneven deformation between loading points

3  数值计算

3.1　数值模型建立及参数

由于试验模型尺寸有限，道基中应力不能完全反映现场的应力水平，因而需要建立数值模型，定量分析道基湿化过程中飞机荷载对道基变形的影响规律。为验证建立的数值模型，本研究采用Abaqus模拟室内试验的工况。数值模型及网格划分如图10所示，采用C3D8平面应力应变单元，数值模型尺寸与物理模型装置尺寸一致，约束模型侧面水平位移，约束模型底面水平和竖向位移。根据物理模型试验尺寸，数值模型主要由山皮石垫层和粉土道基组成，山皮石垫层厚度为0.15 m，粉土道基深度为1.45 m，土体采用摩尔库仑本构模型，计算参数与模型试验保持一致。模型试验中道基不同深度处饱和度整体变化趋势分为3个阶段，即湿化前初始阶段、粉土最大持水能力阶段以及最终稳定阶段；数值模拟分3个阶段进行，分别对应湿化前、第2次湿化、第6次湿化过程。模型材料初始物理力学参数参考GUO^[22]和师莉莎^[23]的研究，材料初始物理力学参数见表2。依据文献[24]的研究，粉土黏聚力与含水率呈线性关系，弹性模量与含水率呈幂指数关系，内摩擦角基本不变。结合模型试验中不同湿化阶段道基饱和度沿深度分布的特征，通过温度场变量实现材料参数折减过程，进行模型材料强度参数折减。

表2　模型材料物理力学参数

Table 2　Physical and mechanical parameters of model materials

图10　湿化道基数值模型示意图

Fig. 10　Schematic diagram of numerical model for wetting subgrade

3.2　数值模型验证

3.2.1　测点土压对比分析　

图11(a)和11(b)所示分别为垫层表面以下0.35 m和0.60 m深度处土压力实测-模拟对比图，由图11(a)可知：垫层表面以下0.35 m深度处，湿化前、最大持水能力以及最终阶段左侧测点模拟值与实测值相对误差约为12%，中间测点模拟值与实测值相对误差约为9%，右侧测点模拟值与实测值相对误差约为15%。由图11(b)可知：表面以下0.60 m深度处，最大持水能力阶段以及最终阶段左侧测点模拟值与实测值相对误差约为13%，右侧测点模拟值与实测值相对误差约为12%。中间测点相对误差较小，飞机荷载叠加效应诱发浅层道基中部应力集中，测点土压力更接近土压力传感器测量范围。水力耦合作用下土压力盒受力面发生微小移动，造成试验数据与仿真数据不能完全对应，但试验数据与仿真数据数值上接近，分布趋势一致，较好地验证了数值计算模型的科学性与适用性。

图11　垫层表面以下不同深度处土压力实测-模拟对比图

Fig. 11　Comparison of measured and simulated earth pressure at different depths below cushion surface

3.2.2　测点变形对比分析　

图12(a)和12(b)所示分别为粉土湿化过程中表面测点、垫层与道基分界面处测点变形实测-模拟对比图。由图12(a)和12(b)可知：模拟值与实测值变化趋势基本一致，加载阶段两者均经历了快速增长阶段、缓慢增长阶段以及平稳波动阶段。由于大比例模型试验在制样上存在一定的不均匀性，可能导致实测值与模拟值不完全一致；但实测值与模拟值数值接近，曲线整体变化趋势相近，验证了数值计算模型的可靠性。

图12　不同测点处变形量实测-模拟对比图

Fig. 12　Comparison of measured and simulated deformation at different measuring points

3.3　实际场道数值计算结果分析

上述研究表明建立的数值模型能较好地适用于粉土道基湿化变形特性分析中，由于模型尺寸较小，道基中应力及变形不能完全与现场对应。因而需要放大模型加载区域至实际机场道面板尺寸，放大的模型参数与模型试验一致，数值模型示意图如图13所示。

图13　实际机场湿化粉土道基数值模型

Fig. 13　Numerical model for wetting silt subgrade in real airport

在数值模型中选取特征路径进行实际机场粉土湿化条件下道面道基受荷变形分析，特征路径平面示意图如图14所示。路径1和2分别为与道面板正交的横向分布路径，路径4和5分别位于路径2下方2 m和4 m深度处。路径3为与受荷大的道面板中心正交的竖向分布路径，路径6和7分别为路径3沿路径2方向横向平移2 m和4 m形成的竖向分布路径。

图14　特征路径平面示意图

Fig. 14　Schematic diagram of feature paths

3.3.1　湿化作用下荷载诱发沉降横向分布特征分析　

图15(a)和15(b)所示分别为路径1和2处表面沉降横向分布图。由图15(a)和15(b)可知：湿化作用下表面受荷沉降沿横向呈现“U”形分布特点。湿化作用对不均匀变形主要分布范围无显著影响，垫层表面及一定深度范围内受荷不均匀变形主要分布于加载区及其5 m范围内。湿化作用增大了飞机荷载影响范围，荷载影响范围内沉降量显著增加。荷载对表面沉降横向分布特征影响显著，体现出较大不均匀变形。随湿化程度加深，表面凹陷程度显著增加，“U”形分布加深。浅层粉土湿化前至最大持水能力阶段是沉降主要发展阶段，湿化过程中表面沉降量最大值为19.7 mm，与湿化前对比，最大沉降量增加值为8.47 mm。说明粉土水敏感特性突出，湿化作用诱发的受荷沉降量显著增加。

图15(c)所示为路径4和5处表面以下不同深度沉降横向分布图。由图15(c)可知：不同深度处沉降横向分布符合“V”形分布特征。湿化程度增加，沉降横向分布由浅“V”形向深“V”形分布演变。随深度增加，不均匀变形显著降低，沉降横向分布由深“V”形向浅“V”形分布演变，沉降集中现象减弱。表明随深度增加，飞机荷载叠加诱发的应力集中逐渐减弱，荷载横向影响范围逐渐增大。

图15　不同路径的沉降横向分布图

Fig. 15　Transverse distribution of settlement for different paths

3.3.2　湿化作用下荷载诱发沉降竖向分布特征分析　

图16(a)和16(b)所示分别为路径3，6和7处沉降竖向分布对比图。由图16(a)和16(b)可知：加载区附近沉降随深度变化主要分为2个阶段，指数减小阶段和线性减小阶段。加载区外，沉降主要分布于地表6 m深度以下。加载区内浅层道基沉降量降低速率较快，沉降量降低率随深度增加呈减小趋势。荷载诱发的沉降主要分布于表面以下6 m深度范围内，该深度范围内沉降量占比为71%，湿化前该范围内沉降量随深度增加呈现指数减小趋势。6 m以下深度，沉降量呈线性降低趋势。对比湿化前沉降量竖向分布曲线，湿化作用显著增加了沉降竖向降低率，表面以下6 m深度内沉降量占比为53%，湿化作用降低了该深度范围内应力集中效应，同时增加了荷载竖向影响深度。

图16　不同路径的沉降竖向分布对比图

Fig. 16　Vertical distribution of settlement for different paths

4  结论

1) 北京大兴地区粉土饱和度在75%附近达到最大持水能力。粉土持水能力不高、渗透性强，湿化过程中，粉土饱和度变化趋势为：上部粉土先增加后减小；中间粉土变化较小，主要起到过水通道作用；下部粉土饱和度持续增加。

2) 湿化作用下飞机荷载诱发的粉土弹塑性变形均呈现先线性增长，后平稳波动趋势。粉土受荷变形主要发生在浅层粉土湿化前至最大持水能力阶段。飞机荷载作用下粉土塑性变形增加比例较大，受荷敏感度较高。

3) 粉土湿化过程中，加卸载阶段山皮石垫层表面、山皮石与粉土分界面处不均匀变形演化趋势基本相同。山皮石与粉土分界面处产生的不均匀变形是表面不均匀变形的主要组成部分，而湿化作用进一步加剧该变形趋势，山皮石垫层的设置能有效降低湿化作用诱发的不均匀变形。

4) 湿化作用下，加载区下表面沉降横向分布呈“U”形分布特点，“U”形分布范围为加载区域及其5 m范围内。湿化作用增加了飞机荷载横向影响范围以及不均匀变形，对不均匀变形横向分布范围无显著影响。随深度增加，沉降横向分布由“U”形—深“V”形—浅“V形演化。加载区下不均匀变形受湿化作用影响逐渐降低，飞机荷载叠加诱发的应力集中效应逐渐减弱。

5) 随深度增加，粉土道基受荷沉降量竖向分布主要呈现指数降低和线性降低趋势。表面6 m深度以下沉降量分布基本相同，说明受荷敏感深度位于表面以下6 m范围内。随湿化程度加深，受荷沉降量显著增加，受荷敏感深度内沉降量占总沉降量比例逐渐降低，说明湿化作用降低了受荷敏感深度范围内应力集中效应，增加了荷载影响深度。值得注意的是本文主要研究飞机静荷载作用下湿化粉土道基变形特性，后期应考虑飞机动荷载的影响。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期： 2021 -03 -30； 修回日期： 2021 -05 -11

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52008401)；国家自然科学基金联合基金资助项目(U1834206)；湖湘高端人才聚集计划创新团队项目(2019RS1008) (Project(52008401) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(U1834206) supported by the Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China; Project(2019RS1008) supported by the HuXiang Top Talents Gathering Program-Innovation Team)

通信作者：叶新宇，博士，讲师，从事岩土工程研究；E-mail: yexinyu113@csu.edu.cn

DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.07.007

引用格式： 罗其奇, 张升, 叶新宇, 等. 飞机荷载作用下湿化粉土道基变形特性研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(7): 2188-2199.

Citation: LUO Qiqi, ZHANG Sheng, YE Xinyu, et al. Investigation on deformation characteristics of wetting silt subgrade under aircraft loading[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2021, 52(7): 2188-2199.