机场跑道混凝土与土体分层结构动力响应及其长期运营沉降研究

混凝土和土是机场建设的主要材料，在飞机起降作用下，机场跑道立体结构的力学响应相当复杂，其中包括轮载对混凝土面板的冲击作用、混凝土的损伤演化与本构特性以及下卧土体的沉降变形规律等。本项目拟采用土工动态测试技术和微细观多尺度观测方法，建立起道面混凝土的拉压损伤模型，发展一种适用于高频重度不规则载荷下的土体弹塑性动本构，研制针对高速冲击问题的光滑粒子法与有限元的耦合数值算法，系统地探讨飞机轮载下混凝土-土分层结构中及二者界面上应力波传播规律与动态效应(如道面开裂、地基沉降等)。通过此项工作，可望在理论上丰富岩土类介质含损伤本构知识，获得应力波在混凝土与土的不同厚度组合试件中传播和衰减机制、能量分配模式，揭示混凝土面板及其与土体分界面处损伤破坏机理，提出飞机频繁起降下跑道地基长期沉降预测与控制方法；在实践上可为跑道立体结构的智能设计、安全运营等提供关键技术支撑，具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

项目组采用理论研究、实验测试和数值模拟相结合的方法，开展了多项科研工作，圆满完成了计划书中规定的各项指标，主要体现在：开展了机场跑道常用的C75混凝土动静态力学性能方面实验研究，建立起一种可较好地反映混凝土材料力学行为的损伤本构，并与数值模拟及理论分析相结合，对混凝土冲击响应特性进行了探讨；提出了混凝土动态拉伸强度的一种简便计算方法，得出此类混凝土中应力波传播与衰减规律；开展土体动三轴测试实验，结合现代岩土类材料率相关内变量本构理论，改进了一种土体的动态应力-应变关系；开展了混凝土与土体分层结构的应力波传播室内模型试验，结合冲击点的加速度、速度和位移时程曲线形状的分析，揭示了冲击点的受力和运动过程；建立起完整的9块板三维有限元分析模型，考虑接缝的传力作用以及道面板与基层的接触，数值分析了波音777型飞机在不同位置加载时道面板中的力学响应，并对不同接触方式的计算结果进行了对比分析；根据大量的现场实测数据，对比研究了不同类型的飞机滑行时跑道的动力响应，得出了道面不同位置处弯沉及应变的主要变化特征；研制出无限元与有限元的动态耦合数值算法，系统地探讨飞机轮载作用下混凝土-土体分层结构中以及二者界面上的应力波传播规律与动态效应。上述研究成果可为机场跑道立体结构的智能设计、安全运营等提供关键技术支撑，具有重要的理论价值和广阔的应用前景。项目组在MCR和MAMS等国际著名SCI期刊及本领域国内权威EI期刊、核心期刊上共发表论文15篇（另有6篇在评审或待刊中），获批国家专利和软件著作权各1项，培养博士、硕士研究生5名。通过积极参与相关领域的主流国际会议、邀请国外专家访问等形式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。