多年凍土對機(jī)場跑道地基的破壞機(jī)理及防控措施

王海英

山西機(jī)械化建設(shè)集團(tuán)有限公司（030009）

凍土有其特殊性，會(huì)對基礎(chǔ)及地表以下部位產(chǎn)生破壞作用，包含凍脹、融沉等，同時(shí)上部建筑結(jié)構(gòu)也易顯現(xiàn)出不同程度的不均勻沉降現(xiàn)象，隨之威脅到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，可見結(jié)構(gòu)開裂等問題。受到荷載的作用，道面往往有較為明顯的開裂現(xiàn)象，后續(xù)衍生出唧泥等一系列的異常狀況。凍土的破壞面較廣，作用強(qiáng)度較大，而由于凍土導(dǎo)致的地基質(zhì)量問題往往較為嚴(yán)重。機(jī)場跑道修建于多年凍土區(qū)時(shí)，質(zhì)量問題發(fā)生概率更高，為此必須加強(qiáng)探討，以合理的方法處理凍土地基。

1 研究背景及意義

我國多年凍土區(qū)具有分布范圍廣、面積較大的基本特點(diǎn)。為了順應(yīng)社會(huì)各界對航班運(yùn)輸事業(yè)的要求，相繼在多年凍土區(qū)開展機(jī)場建設(shè)工作，以便構(gòu)建互聯(lián)互通的航線網(wǎng)絡(luò)。以東北三省為例，至2030年，將新增40 個(gè)小型支線及通勤機(jī)場。在內(nèi)蒙古自治區(qū)，其東北部的機(jī)場建設(shè)進(jìn)程也在持續(xù)推進(jìn)，如興安盟、呼倫貝爾盟。無論是東北三省還是內(nèi)蒙古東北部，在機(jī)場建設(shè)中普遍存在高寒多年凍土的特殊地層，因此如何在多年凍土區(qū)合理地開展機(jī)場建設(shè)是未來極具探討意義的課題。多年凍土的物理力學(xué)性質(zhì)特殊，對溫度較為敏感，即便溫度有小幅度的變化，也有可能會(huì)對凍土的狀態(tài)造成影響，例如出現(xiàn)強(qiáng)度、熱參數(shù)的大幅度變化，并且往往伴有較為突出的流變特性。為此，若要在凍土區(qū)順利開展機(jī)場跑道建設(shè)，必須先明確凍土的溫度分布狀況，合理地組織規(guī)劃機(jī)場建設(shè)。

相比于公路、鐵路交通基礎(chǔ)設(shè)施，機(jī)場跑道的寬度更大，以滿足飛機(jī)的起降要求。飛機(jī)的荷載作用較強(qiáng)，對機(jī)場跑道的結(jié)構(gòu)質(zhì)量有更高的要求，由此也決定了機(jī)場跑道結(jié)構(gòu)的特殊性。在此背景下，公路、鐵路的溫度場研究成果對于機(jī)場跑道而言缺乏足夠的參考價(jià)值，因此需要立足于機(jī)場跑道的實(shí)際條件，探尋多年凍土對跑道的具體破壞機(jī)理，并提出相應(yīng)的防控措施，確保在多年凍土區(qū)建成高品質(zhì)的機(jī)場跑道。

2 凍土的基本特性

根據(jù)我國機(jī)場建設(shè)規(guī)劃，為了更有效地提高百姓出行水平，機(jī)場建設(shè)范圍有所擴(kuò)寬，相繼在多年凍土區(qū)開展機(jī)場建設(shè)。但多年凍土對溫度較為敏感，呈現(xiàn)出較為明顯的流變性特征，不利于機(jī)場建設(shè)進(jìn)程的順利推進(jìn)，質(zhì)量問題高發(fā)。凍土指的是溫度在0 ℃以下的特殊土質(zhì)，由含有冰的各類巖石和土壤組成。根據(jù)冰凍時(shí)間的不同，可分為短時(shí)凍土、季節(jié)凍土、多年凍土三大類。文章研究的多年凍土區(qū)，指的是存在兩年或更長時(shí)間凍結(jié)不融的土層。高緯度和高海拔往往是多年凍土的兩大突出地理特征。多年凍土在以緯度相對較高的東北大、小興安嶺和海拔較高的青藏高原等地，約占國土總面積的22%，分布范圍較廣。多年凍土的地表通常存在凍結(jié)融化層。凍結(jié)融化層對溫度較為敏感，具有“冬凍夏融”的特點(diǎn)，因此亦可稱之為活動(dòng)層。活動(dòng)層凍融后，土體呈現(xiàn)出不同程度的變形現(xiàn)象，迫使凍土區(qū)的土質(zhì)發(fā)生改變，地基沉降隨之發(fā)生，即便凍土溫度僅存在微小的變化，也依然會(huì)對凍土強(qiáng)度造成顯著的影響。

2.1 物理特性

含水量和含冰量均是凍土物理特性中的重要指標(biāo)。凍土中的水分并不等同于冰，實(shí)際上其還含有部分未結(jié)凍的水。根據(jù)此特點(diǎn)，在分析凍土的含冰量時(shí)，不可局限于凍土融化后的含水量，否則所得的結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性。在分析時(shí)，需要選擇合理的測量方法，如體積含冰量。體積含冰量指的是冰的體積占凍土總體積的比例，而相對含冰量指的是冰的質(zhì)量占凍土水分總質(zhì)量的比例。

2.2 力學(xué)特性

含冰量將在很大程度上對凍土的力學(xué)特性帶來影響。凍土對溫度較為敏感，隨著溫度的降低，冰的凝固狀態(tài)較好，強(qiáng)度隨之提高。同時(shí)，在應(yīng)變速率發(fā)生變化后，冰的強(qiáng)度也將隨之改變，此時(shí)影響凍土的特性。凍土的強(qiáng)度易受到外部環(huán)境因素的影響，包括但不限于應(yīng)變速率、溫度、壓力。以應(yīng)變速率為例，此項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生變化后，凍土的強(qiáng)度隨之改變，總體上凍土具有從塑性轉(zhuǎn)向脆性的特點(diǎn)[1]。

2.3 凍脹性

對于多年凍土區(qū)，若溫度達(dá)到某相對較低的狀態(tài)，其中水分將凍結(jié)，產(chǎn)生大量的冰凍顆粒，并逐步向正凍帶轉(zhuǎn)移，部分空閑區(qū)域?qū)⒌玫接行У奶畛涮幚?。待凍土的體積膨脹至特定的規(guī)模時(shí)，顆粒間有相對位移現(xiàn)象，此時(shí)凍土顯現(xiàn)出凍脹問題。以溫度逐步降低的變化條件為例，存在于凍土中的水分開始轉(zhuǎn)移，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)冰凍層的厚度較之于前期有所增加，進(jìn)而顯現(xiàn)出更為明顯的凍脹現(xiàn)象[2]。

3 多年凍土對機(jī)場跑道地基的破壞機(jī)理

3.1 機(jī)場跑道的特殊性

機(jī)場跑道的作業(yè)面較為寬闊，飛機(jī)動(dòng)荷載與靜荷載的作用較強(qiáng)，會(huì)迫使凍土地基受到較強(qiáng)的高應(yīng)力作用，與此同時(shí)地基發(fā)生凍脹、融沉現(xiàn)象，破壞機(jī)場跑道地基的性能，因此在多年凍土區(qū)修建機(jī)場跑道時(shí)，必須高度重視質(zhì)量的控制。不僅于此，荷載影響深度、航空器起降的動(dòng)力特性等也是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。以波音B747-400 飛機(jī)為例，滿載起飛狀態(tài)下的荷載高達(dá)600 余t，但如此強(qiáng)烈的荷載卻僅作用于相對較小的范圍（相當(dāng)于2.4 輛標(biāo)準(zhǔn)汽車的范圍），顯然有較大的荷載影響深度。在高應(yīng)力狀態(tài)下，凍土的流變特性更為明顯。此時(shí)進(jìn)一步增加凍土的控制難度，可能會(huì)在外力作用下發(fā)生失穩(wěn)、變形現(xiàn)象。以哈爾濱太平國際機(jī)場為例，在該項(xiàng)目的建設(shè)中，要求地基的沉降量≤2 cm，橫向差異沉降量≤1 cm，足以見得對機(jī)場跑道地基建設(shè)質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求特點(diǎn)。為此，需要高度重視多年凍土環(huán)境，保證建設(shè)于凍土上的跑道地基有足夠的穩(wěn)定性，由此給飛機(jī)的順利起降提供保障，并提升機(jī)場跑道的耐久性[3]。

3.2 凍融對地基造成的破壞形式和機(jī)理

3.2.1 地基的凍脹破壞

在低溫凍結(jié)作用下，冰封面的水分和孔隙的毛細(xì)水將發(fā)生凍結(jié)，形成形態(tài)各異的冰浸土體。在該變化之下，土體顆粒有相對位移的趨勢，土體體積也因此發(fā)生改變，即呈現(xiàn)出凍脹現(xiàn)象。土中顆粒帶有電子，其對周邊水分有吸附作用。由于水的聚積而形成水膜，現(xiàn)場溫度保持相對較低的狀態(tài)，水膜遇低溫環(huán)境后原位凍結(jié)，形成冰鋒面。在形成冰鋒面過程中水分發(fā)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移（從高溫處轉(zhuǎn)向低溫處），受此影響，孔隙水分向冰鋒面匯集，從而構(gòu)成冰透鏡體。由于凍脹的存在，地面普遍顯現(xiàn)出不同程度的上升跡象，隨之破壞地面的平整性，建設(shè)于該處的道面的平整度下降，嚴(yán)重威脅到飛機(jī)起降的安全性。

3.2.2 地基的融沉破壞

凍土融化期間，冰轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，同時(shí)部分水向外排出，由此導(dǎo)致路基發(fā)生融沉破壞。通常，人類活動(dòng)會(huì)對原凍土層的穩(wěn)定狀態(tài)帶來影響，迫使其水熱平衡條件遭到破壞?？梢姡鼗谢?、泥流等各類問題，地基的平整性和穩(wěn)定性均有所不足，威脅到飛機(jī)的起降安全。

3.2.3 道面底板脫空、翻漿冒泥

現(xiàn)階段，我國機(jī)場跑道普遍采取的是水泥混凝土結(jié)構(gòu)，但混凝土有自收縮應(yīng)力的作用，還存在較為明顯的溫度應(yīng)力。為有效減小應(yīng)力的不良影響，通常采取結(jié)構(gòu)分塊的設(shè)置方法，單塊尺寸普遍為0.5 m×0.5 m。在采取分塊設(shè)置的方法后，會(huì)出現(xiàn)縱、橫向接縫，而在工程中普遍將該部分設(shè)計(jì)為真縫，從而出現(xiàn)接縫處較為薄弱的情況。雖然針對接縫部位采取了填充處理措施，但隨著時(shí)間的延長，封堵材料逐步老化，加之積雪融化后的下滲作用，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)有明顯的積水現(xiàn)象，土基偏軟弱，強(qiáng)度大幅度下降。日常使用中，受飛機(jī)荷載的作用，路基內(nèi)的膠凝材料與細(xì)集料的穩(wěn)定性受到影響，部分由于水分的流動(dòng)而被攜帶出，長此以往，道面板底部基層細(xì)集料減少，材料的填充作用有限，出現(xiàn)板底脫空現(xiàn)象。此時(shí)道面板的受力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，即原有的荷載結(jié)構(gòu)受到破壞，隨之出現(xiàn)簡支結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時(shí)還將演變?yōu)閼冶劢Y(jié)構(gòu)，承載力每況愈下，板體顯現(xiàn)出裂縫，飛機(jī)起降的安全性難以得到保障。

4 凍土區(qū)地基病害的防治措施

4.1 換填砂礫石墊層

換填砂礫石重點(diǎn)考慮的是較大孔隙和較強(qiáng)自由對流特性的材料，包含卵石、粗砂等。此類材料能消除凍結(jié)期間水分的遷移和聚集現(xiàn)象，從而緩解地基土的凍脹問題。在采取換填時(shí)，需要著重考慮的是上部跑道結(jié)構(gòu)的功能需求、施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件、水文條件、氣候條件等多重因素，經(jīng)過系統(tǒng)的分析后，確定合適的換填深度，并嚴(yán)格控制所用換填材料的含量。

4.2 適當(dāng)加大結(jié)構(gòu)層埋深

加大結(jié)構(gòu)層埋深的基本思路是將基礎(chǔ)置于冰凍線以下，也可以對基礎(chǔ)底面以下的融化土層作有效的減薄處理。這種方式可有效控制地基土融化后的沉降量，即便處于最大荷載作用，也依然能夠保證機(jī)場跑道的穩(wěn)定性。在施工中，除了考慮凍脹力對上部結(jié)構(gòu)的影響外，還需要兼顧操作便捷性、低成本等方面的要求，確定最合理性的道面結(jié)構(gòu)層埋置深度。從適用性的角度來看，土質(zhì)壓縮性較大、地下凍土較薄時(shí)，可以采用加大結(jié)構(gòu)層埋深的處理方法。

4.3 合理設(shè)置保溫隔熱層

基本思路是根據(jù)跑道基礎(chǔ)底部的實(shí)際特點(diǎn)合理設(shè)置隔熱層，在此結(jié)構(gòu)的作用下，阻止地基土與外部環(huán)境的熱量傳遞，減小融化深度，達(dá)到防止凍脹的效果。在保溫隔熱層施工中，材料通?？紤]的是玻璃纖維、泡沫混凝土等。通過保溫隔熱層的設(shè)置，可以在溫度較高時(shí)阻隔外部熱量，以免其經(jīng)由道面向凍土地基內(nèi)傳遞，此時(shí)有利于維持凍土的熱穩(wěn)定性，避免因熱量作用而發(fā)生異常。但需注意的是，在冬季低溫環(huán)境中，隔熱層阻止內(nèi)部熱量的外散，難以有效防護(hù)凍土地基。為此，必須注重對保溫隔熱層的可行性分析，確保其與外界環(huán)境相協(xié)調(diào)，以發(fā)揮出防護(hù)的作用。

4.4 加強(qiáng)地面排水

依托于可行的排水設(shè)施，有效降低地下水及土體的含水量，以免土壤因含水量的增加而出現(xiàn)偏潮濕的問題。在采取地面排水措施時(shí)，需要著重考慮如下幾點(diǎn):①注重機(jī)場跑道橫坡設(shè)計(jì)，盡可能提高該處的排水能力，以免在日常使用中場地形成積水；②部分建設(shè)區(qū)域的地下水位較高時(shí)，可以考慮在道面兩側(cè)修筑降水盲溝，采取此方法引排水；③對于深入到坪土基內(nèi)的潛流、砂溝，較為合適的是采取阻斷水流的處理方法，確保土基不受到水的侵蝕作用。

4.5 預(yù)壓加密土層

通過施加靜載荷的方法處理施工現(xiàn)場的地基，目的在于使地基土層轉(zhuǎn)為壓密的狀態(tài)，此后再將荷載卸除。在此方式下，有利于提高土層的地基承載力，確保建設(shè)后的結(jié)構(gòu)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，以防下沉、開裂。在對土層做預(yù)壓加密處理后，地基由松散轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬γ軐?shí)的狀態(tài)，地基的變形量有所減小，可形成致密的“隔絕屏障”，以免水流進(jìn)入其中，從而實(shí)現(xiàn)對地基的有效防護(hù)，以防凍脹對地基造成不良影響。

5 結(jié)語

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展之下，機(jī)場的建設(shè)規(guī)模隨之?dāng)U大，易遇到多年凍土區(qū)。若未經(jīng)處理而直接施工機(jī)場跑道，容易由于凍脹、融沉等問題而影響地基的穩(wěn)定性，隨之威脅到飛機(jī)的安全起降。為此，施工單位必須高度重視現(xiàn)場多年凍土區(qū)的實(shí)際特性，有針對性地采取換填、加大結(jié)構(gòu)層埋深等相關(guān)方法，保證凍土區(qū)機(jī)場跑道地基的施工質(zhì)量。