Analysis of ACR-PCR to evaluate bearing capacity of airport cement concrete pavements using field-measured data
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摘要: 为深入研究机场水泥混凝土道面承载能力的飞机分类等级-道面分类等级（ACR-PCR）评价方法，结合中国运输机场道面强度报告更新工作，基于中国民用航空局-道面分类等级评价软件（CAAC-PCR）及相应参数获取原则与方法，构建了覆盖中国运输机场水泥混凝土道面的ACR-PCR评价数据库；选取近20年建成投用的190条跑道数据作为分析样本，对其结构参数分布特征进行了统计分析；在此基础上，重点分析了PCR受结构参数影响的敏感性及变化规律，探讨了交通量和机型组合等交通参数对其的影响，并统计了其分布特征，进而对比分析了ACR-PCR与飞机分类号-道面分类号（ACN-PCN）2种评价方法。研究结果表明：面层厚度与抗弯拉强度是PCR最敏感的参数，基层参数次之，道基参数整体影响相对较小；PCR随交通量增长呈下降趋势，且降幅逐渐趋缓，其数值取决于机型组合中ACR最大机型及机型组合作用下的道面最大疲劳累积损伤因子；就中国机场水泥混凝土道面而言，随着飞行区等级由4C、4D提升至4E、4F，PCR的最大值总体接近，而最小值、中位数和平均值依次增大，且B类道基强度下的道面PCR整体略高于A类道基强度；与ACN-PCN评价方法相比，ACR-PCR能更灵敏地反映道面结构疲劳累积效应，评价结果更为保守，但二者在限载机型判别上具有一致性。Abstract: To advance the understanding of the aircraft classification rating-pavement classification rating (ACR-PCR) method for evaluating the bearing capacity of airfield cement concrete pavements, this study establishes a comprehensive ACR-PCR evaluation database for such pavements at China's transport airports. This effort is grounded in the national pavement strength-report updating program and employs the civil aviation administration of China-pavement classification rating (CAAC-PCR) software, alongside standardized principles and procedures for parameter acquisition. A total of 190 runways commissioned over the past two decades are selected as the analytical sample, and the distribution characteristics of their structural parameters are statistically examined. On this basis, the sensitivity of PCR to structural parameters and its variation patterns are investigated in detail, while the influences of traffic volume and aircraft mix are also assessed. Furthermore, the distribution characteristics of PCR are statistically summarized, and a comparative analysis is conducted between the ACR-PCR and the aircraft classification number-pavement classification number (ACN-PCN) methods. The results indicate that slab thickness and flexural strength are the most sensitive parameters governing PCR, followed by base-layer parameters, whereas subgrade parameters exert a comparatively minor influence. PCR decreases with increasing traffic volume, with the rate of reduction gradually diminishing; its value is governed by both the aircraft with the largest ACR in the fleet mix and the maximum cumulative fatigue damage factor induced by the traffic mix. For rigid pavements at Chinese airports, as the airfield area class upgrades from 4C and 4D to 4E and 4F, the maximum PCR values remain generally comparable, while the minimum, median, and mean values show a consistent upward trend. Additionally, PCR on class B subgrade is slightly higher than that on class A subgrade. Compared with the ACN-PCN method, the ACR-PCR approach exhibits greater sensitivity to cumulative fatigue effects and yields more conservative evaluations, yet both methods demonstrate consistency in identifying aircraft requiring load restrictions.
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图 3 190条水泥混凝土跑道所属飞行区等级（单位：条）
Figure 3. Airfield area class of 190 cement concrete runways (unit: strips)
图 5 道面PCR的结构参数敏感性指数μ*分布
Figure 5. Distribution of structural parameter sensitivity index μ* for PCR
图 7 交通量对道面PCR值和Cmax值的影响
Figure 7. Influence of traffic volume on PCR and Cmax values of the pavement
图 8 决定PCR值的关键机型最大容许质量与Cmax的关系
Figure 8. Relationship between the maximum allowable mass and Cmax of critical aircraft that determine the PCR value
图 9 不同飞行区等级PCR值分布特征
Figure 9. Distribution characteristics of PCR values at different airfield area class
表 1 评价参数获取原则和方法
Table 1. Acquisition principles and methods for evaluation parameters acquisition
参数 指标 获取原则和方法 评价期 评价期 新建道面与道面结构设计年限保持一致；既有道面可由道面设计年限减去已使用年限确定，当小于5年时，建议按5年取值 航空交通量 机型组合 新建道面按照设计文件获取；对于既有道面，应尽可能地收集近10年的航空交通量，并经过统计分析，预测出各机型的评价期起始年运行架次和年平均增长率。其中，对于特殊年份（如新冠疫情期间）的航空交通量历史数据宜剔除 评价期起始年交通量 年平均增长率 面层厚度 新建道面根据工程竣工文件确定；对于既有道面或者竣工文件缺失的道面，其厚度采用现场钻芯取样或探地雷达检测的方法进行确定 结构参数 面层弯拉弹性模量 新建道面根据设计文件确定；对于既有道面或者设计文件缺失的道面，可根据航空交通等级参照设计规范确定 面层弯拉强度 宜通过现场取芯进行劈裂试验，同一区域内宜选取不少于3个芯样，由测试结果的算术平均值作为测定值，结果精确至0.01 MPa （上、下）基层厚度 新建道面通常根据工程竣工文件确定；对于既有道面或者竣工文件缺失的道面，其厚度采用现场钻芯取样或探地雷达检测的方法进行确定 （上、下）基层回弹模量 新建道面通常根据工程竣工文件确定；对于既有道面或者竣工文件缺失的道面，使用重型落锤式弯沉仪进行弯沉测试，反算其回弹模量 垫层厚度 新建道面根据工程竣工文件确定；对于既有道面或者竣工文件缺失的道面，其厚度采用现场钻芯取样或探地雷达检测的方法进行确定 垫层回弹模量 新建道面通常根据工程竣工文件确定；对于既有道面或者竣工文件缺失的道面，可根据材料类型按照设计规范确定 道基顶面反应模量 道基顶面反应模量的获取方法取决于道面建设历史：建设历史不超过3年，可参照设计文件确定；近3年内进行过评估的道面，可参照评估报告确定；其他情况则需使用重型落锤式弯沉仪进行弯沉测试，反算道基顶面反应模量 
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表 2 ACR-PCR评价数据库形式
Table 2. Form of the ACR-PCR evaluation database
机场名称 部位 评价期/年 面层厚度/mm 面层弯拉弹性模量/MPa 面层弯拉强度/MPa 上基层厚度/mm 上基层回弹模量/MPa 下基层厚度/mm 下基层回弹模量/MPa 垫层厚度/mm 垫层回弹模量/MPa 道基顶面反应模量/(MN•m-3) 机型（架次，起飞占比，增长率） PCR值 道面强度报告结果 评价结果 机场1 配备平行滑行道的跑道 20 340 37 000 5.1 180 2 250 180 2 250 600 200 161 B737-800 (304, 50%, 0)
ARJ21700ER
(907, 50%, 0)
A321-100 (200, 50%, 0)640 640
R/A/W/T不限制运行 机场2 配备平行滑行道的跑道 5 340 38 900 5.8 210 500 210 500 0 0 36 A320-200
(1 602, 50%, 2%)
A319-100
(846, 50%, 2%）
A321-100
(860, 50%, 2%）
A320-NEO
(860, 50%, 2%）
B737-700
(54, 50%, 2%）
B737-800
(3 750, 50%, 2%）
ARJ21-700ER
(1 012, 50%, 2%)660 660
R/B/W/T不限制运行
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表 3 不同飞行区代表性跑道的航空交通参数
Table 3. Aircraft traffic parameters of representative runways for different airfield area class
跑道名称 航空交通参数（机型（起始年架次，起飞架次占比，年均增长率）） 4C-跑道1 B737-800（4 744，50%，2%）；A320-200（7 854，50%，2%）；A321-100（994，50%，2%）；ARJ21-700-STD（624，50%，2%）；A319-100（896，50%，2%） 4D-跑道2 A320-200（3 040，50%，3%）；A320-NEO（2 322，50%，3%）；A321-100（1 414，50%，3%）；ARJ21-700-STD（1 076，50%，3%）；B737-800（15 561，50%，3%）；B757-200-PF（1，50%，3%） 4E-跑道3 A320-200（69 049，100%，2%）；A330-300（1 733，100%，2%）；A350-1000（37，100%，2%）；B737-800（74 856，100%，2%）；B757-200（845，100%，2%）；B787-9（1 887，100%，2%）；B777-200（2 229，100%，2%）；ARJ21-700-ER（3 997，100%，2%） 4F-跑道4 A320-200（54 033，50%，2%）；A330-300（8 366，50%，2%）；A340-300（94，50%，2%）；A340-600（193，50%，2%）；A350-900（1 428，50%，2%）；B737-800（23 071，50%，2%）；B747-400B（2 828，50%，2%）；B777-200-LR（11 198，50%，2%）；B787-9（7 257，50%，2%）
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表 4 不同飞行区代表性跑道的结构参数
Table 4. Structure parameters of representative runways in different airfield area class
跑道名称 面层厚度/mm 弯拉弹性模量/MPa 抗弯拉强度/MPa 基层厚度/mm 回弹模量/MPa 道床顶面反应模量/（MN·m-3） 4C-跑道1 340 33 000 5.0 360 2 250 48 4D-跑道2 360 37 000 5.0 360 2 500 58 4E-跑道3 400 36 000 5.0 400 2 500 63 4F-跑道4 420 36 000 5.0 400 2 500 66
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表 5 机型组合对4C-跑道1道面PCR的影响
Table 5. Influence of the combination of aircraft mix on the PCR of lane 1 of 4C runway
工况 评价期为20年时的交通量占比/% Cmax值 交通量最大机型 损伤贡献度最大机型 ACR值最大机型 决定PCR值的关键机型 PCR值 B737-800 A319-100 A320-200 A321-100 ARJ21-700-STD 原组合 31.39 5.93 51.97 6.58 4.13 0.924 8 A320-200 A321-100 A321-100 A321-100 600 工况1 37.97 5.93 51.97 0 4.13 0.632 7 A320-200 B737-800 B737-800 B737-800 540 37.97 5.93 51.97 2a 4.13 0.632 7 A320-200 B737-800 A321-100 A321-100 620 工况2 0 5.93 89.94 0 4.13 0.370 8 A320-200 A320-200 A320-200 A320-200 530 2b 5.93 89.94 0 4.13 0.370 8 A320-200 A320-200 B737-800 B737-800 550 注：2a为2架次A321-100；2b为2架次B737-800。
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表 6 机型组合对4F-跑道4道面PCR的影响
Table 6. Influence of the combination of aircraft mix on the PCR of lane 4 of 4F runway
工况 评价期为15年时的交通量占比/% Cmax值 交通量最大机型 疲劳累积损伤贡献度最大机型 ACR值最大机型 决定PCR值的关键机型 PCR值 C类
B737-800D类
A330-300E类
B777-200LR原组合 91.1 7.7 1.2 0.152 6 B737-800 B777-200LR B777-200LR B777-200LR 840 工况1 92.3 7.7 0.0 0.028 8 A330-300 A330-300 A330-300 780 92.3 7.7 2a 0.028 8 A330-300 B777-200LR B777-200LR 920 工况2 100.0 0.0 0.0 0.001 2 B737-800 B737-800 B737-800 670 100.0 2b 0.0 0.001 2 B737-800 A330-300 A330-300 940 工况3 81.1 17.7 1.2 0.189 1 B777-200LR B777-200LR B777-200LR 830 71.1 27.7 1.2 0.226 5 B777-200LR 820 61.1 37.7 1.2 0.263 8 A330-300 810 51.1 47.7 1.2 0.301 2 A330-300 810 工况4 91.1 7.7 2.2 0.257 0 B777-200LR 810 90.1 7.7 3.2 0.361 3 B777-200LR 800 89.1 7.7 5.2 0.570 0 B777-200LR 780 注：2a为2架次B777-200LR；2b为2架次A330-300。
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表 7 不同飞行区等级PCR特征值
Table 7. PCR eigenvalues for different airfield area class
飞行区等级-道基类别 PCR值 最小值 最大值 平均值 中位数 4C-A 520 1 070 685 670 4C-B 550 1 130 726 710 4D-A 550 1 130 787 760 4D-B 560 1 210 807 780 4E-A 700 1 220 902 880 4E-B 860 1 210 1 098 1 125 4F-A 840 1 230 995 980 4F-B 960 1 230 1 080 1 045
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表 8 不同评价期时代表性跑道的道面承载能力评价结果
Table 8. Evaluation results of pavement bearing capacity of representative runways at different evaluation periods
跑道名称 评价方法 不同评价期（年）的评价结果 10 15 20 25 30 35 40 4C-跑道1 ACR-PCR 否 否 否 限载（A321-100） 限制（A321-100） ACN-PCN 否 否 否 否 否 否 限载（A321-100） 4D-跑道2 ACR-PCR 否 否 否 否 否 否 限载（A321-100） ACN-PCN 否 否 否 否 否 否 否 4E-跑道3 ACR-PCR 否 否 否 否 否 限载（A350-1000） ACN-PCN 否 否 否 否 否 否 否 4F-跑道4 ACR-PCR 否 限载（B777-200LR） 限载（B777-200LR、A350-900） 限载（B777-200LR、A350-900、B787-9） 限制（B777-200LR）限载（A350-900、B787-9） 限制（B777-200LR）
限载（A340-600、A350-900、B787-9）ACN-PCN 否 否 否 否 否 限载（B777-200LR）
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