道面板對多年凍土區(qū)跑道下伏凍土地溫場影響研究

段書珩

摘要：根據(jù)民航局十三五規(guī)劃，未來一段將我國高緯度地區(qū)新建及改擴(kuò)數(shù)量眾多的機(jī)場。為了確保飛機(jī)起降的安全，必須對鋪設(shè)道面板后，跑道土基的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。利用有限元軟件對跑道下伏凍土地溫場進(jìn)行模擬，研究其在跑道運營年限內(nèi)的溫度變化。

關(guān)鍵詞：有限元模擬；多年凍土；地溫場

引言

根據(jù)我國民航業(yè)發(fā)展規(guī)劃，未來將在我國東北地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的機(jī)場建設(shè)，到2030年將陸續(xù)新增40個小型支線及通航機(jī)場，因此在多年凍土區(qū)修建跑道成為無法回避的問題。

1有限元模型的建立

1.1有限元模型區(qū)域

我國東北多年凍土區(qū)地層分層由上到下為：砂礫土、亞黏土、風(fēng)化基巖。模型將跑道寬度設(shè)為45m，跑道兩側(cè)自道肩向外延伸40m，跑道表面向下的深度取21m。跑道分為四層，從上至下依次為：面層、上基層、下基層和墊層。上基層采用水泥穩(wěn)定碎石料，下基層采用水泥穩(wěn)定砂礫，在冰凍地區(qū)的潮濕地段，不應(yīng)采用石灰土作為墊層。面層、上基層、下基層和墊層的厚度分別為30cm、20cm、20cm和30cm。在機(jī)場跑道的土基中，防凍層處理措施一般采用換填法，碎石填充層和換填層開挖深度共4m。A、B、C分別為砂礫土，亞黏土和基巖，D、E、F、G分別為面層、上基層、下基層和墊層，H為防凍處理層。如圖1所示。

1.2模型模型參數(shù)

在進(jìn)性多年凍土區(qū)機(jī)場跑道溫度場模擬時，主要用到土體比熱 、密度 和導(dǎo)熱系數(shù) 等參數(shù)。在靠近0oC的正負(fù)溫度區(qū)間，需要考慮冰水相變作用以及水和土骨架的熱傳導(dǎo)，土體的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)不是常數(shù)，而是隨著溫度的變化而變化，且比熱是連續(xù)變化。我們假定凍土的冰水相變發(fā)生在一定溫度區(qū)間內(nèi)，決定采用顯熱容法處理相變問題。模型所用參數(shù)如表1所示。

1.3附面層理論

為了計算方便，模型的溫度邊界條件可以采用熱學(xué)第一類邊界條件，但是這種邊界條件的獲得需要對路基表面進(jìn)行長期觀測。影響路基上墊面與大氣溫度的因素很多，如風(fēng)速、太陽輻射、降雨和降雪等都會觀測造成很大影響，難以獲得精確的溫度數(shù)據(jù)。目前，在對鐵路和公路的溫度場數(shù)值模擬一般都采用第一類邊界條件，但是東北寒區(qū)機(jī)場跑道溫度場的邊界條件相比于公路和鐵路更加復(fù)雜、模型計算所需的邊界參數(shù)難以直接獲得。綜上所述，本文決定參考東北多年凍土區(qū)公路鐵路溫度長期觀測資料，整理分析后將其作為本文模型中的邊界表

在對機(jī)場跑道進(jìn)行長期的溫度場數(shù)值模擬中，難以精確模擬大氣氣溫和太陽輻射的日波動，同時為了消除對路基表面較多影響的其他因素，本文采用附面層原理。相關(guān)學(xué)者經(jīng)過長期的溫度監(jiān)測提出了路基溫度場計算的附面層原理，路基表面的熱邊界條件 采用對附面層底部的長期實測溫度值整理擬合出的溫度函數(shù)。不同于路基表面存在影響溫度的眾多因素，如風(fēng)速、降雨、降雪和環(huán)境溫度變化等，附面層原理假設(shè)在附面層底部，這些影響因素不存在。溫度增量和附面層厚的選取對機(jī)場跑道溫度場模擬結(jié)果有非常大的影響。本文假設(shè)下附面層厚度等效于道面板厚度。

1.4熱學(xué)邊界條件

本文模型中采用的熱邊界條件表達(dá)式如下[43]：

（1.1）

式中：T0—為下附面層底年平均地溫，即模型的邊界溫度，與年平均氣溫有關(guān)；

—為年平均升高溫度增量，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，未來50年年均升溫0.05℃；

A—為上邊界溫度的年振幅，對于天然地表取11.5℃，水泥混凝土路面取14.8℃；

—為時間，小時；

—為初始相位，這里取 /2。

東北多年凍土區(qū)機(jī)場跑道有限元模型上邊界如上式所示，該邊界條件為熱學(xué)第一類邊界條件，并且考慮了未來50年的全球溫度升溫的影響，加載位置為下附面層第即跑道基層的上表面。模型兩側(cè)邊界條件去絕熱條件，有限元模型底部采用第二類邊界條件，施加恒定溫度梯度為0.03℃/m的熱流邊界條件。模型初始溫度場難以通過觀測的手段獲得，采用天然地表土體邊界條件下，經(jīng)過長時間跨度計算得到的溫度場分布，計算時不考慮全球氣候變暖的影響。

2有限元模擬結(jié)果

在鋪設(shè)道面板后，不采取任何降溫措施，研究道面板下土基地溫變化規(guī)律。并與天然土基地溫對比，探究影響土基地溫變化的主要原因。研究的年均溫度為1℃～-4℃，模擬分析了8種工況

2.1鋪設(shè)道面板土基溫度變化規(guī)律

2.2有限元模擬結(jié)果分析

由以上結(jié)果我們可以得知：當(dāng)年均溫度一定時，隨著跑道運行年限的增加，土基熱穩(wěn)定性一般都會降低，在年均溫度較高時此種現(xiàn)象比較明顯。如年均溫度為1℃，當(dāng)跑道運行至第5年10月中旬時，跑道下部土基多年凍土上限降低至12m之多；當(dāng)跑道運行至第10年10月中旬時，多年凍土上限持續(xù)降低至17m左右；當(dāng)跑道運行至第15年10月中旬和第20年10月中旬時，跑道下部土基不存在凍土，土基由多年凍土退化為季節(jié)性凍土，跑道下部土基中的水分在寒季因溫度降低凍結(jié)，在暖季融化，形成凍融循環(huán)，對跑道土基穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

當(dāng)年均溫度較低時，土基年均地溫降低明顯，多年凍上限有一定抬升。跑道土基地溫的差距隨運行年限增加變化減少，年均地溫趨于一致。觀察年均溫度為-3℃的土基地溫場可以得知，相比于年均溫度較高時，道面板下土基最高溫度降低，多年凍土上限提高，年均地溫降低。同時，跑道運行年限的增加使多年凍土上限有所下降，年均地溫上升，但是上升速度變慢。無論是年均溫度的高低，當(dāng)運行年限相同時，年均氣溫對土基溫度場有較大影響，說明影響跑道土基年均地溫的主要因素依然是年均溫度，其次是跑道運行年限。

3結(jié)論與展望

在多年凍土區(qū)進(jìn)行機(jī)場跑道建設(shè)，道面板的鋪設(shè)對跑道下伏凍土地溫場的影響很大。隨著跑道運營年限的增加，跑道地溫場溫度升高，必須采取降溫措施，保護(hù)跑道下伏凍土，維持跑道下浮凍土的熱穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中國民航大學(xué)）