寒區(qū)機(jī)場跑道工程凍融病害的產(chǎn)生機(jī)理與防治技術(shù)

李春光

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

凍土是指溫度在0℃或0℃以下且含有冰的各種巖石和土壤，一種由固體土顆粒、冰、液態(tài)水和氣體4種基本成分組成的非均質(zhì)、各向異性的多相復(fù)合體[1]。由于凍土中水分隨環(huán)境溫度的變化，在冰和水兩種狀態(tài)下相互轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致凍土的物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的溫度敏感性和流變性。

隨著西部大開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)和“一帶一路”的不斷深入，我國在寒區(qū)修建了大量機(jī)場[2]，如漠河古蓮機(jī)場、大興安嶺鄂倫春機(jī)場和那曲機(jī)場等，并將持續(xù)推進(jìn)寒區(qū)機(jī)場的建設(shè)。在這些機(jī)場跑道規(guī)劃設(shè)計過程中勢必考慮凍土隨溫度變化產(chǎn)生的凍脹和融沉病害現(xiàn)象，而凍土的溫度敏感性和流變性嚴(yán)重影響寒區(qū)機(jī)場跑道的穩(wěn)定性、安全性和耐久性[3]。寒區(qū)機(jī)場跑道大面積的混凝土道面封閉層，引起地基中的水汽聚集在道面層下表面形成“鍋蓋效應(yīng)”，從而加劇道基結(jié)構(gòu)的不均勻沉降和凍融破壞，嚴(yán)重影響跑道的適航性。因此，本文根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者多年來對凍土性質(zhì)和凍融變形的研究，總結(jié)歸納寒區(qū)機(jī)場跑道凍融變形的形成機(jī)理和防治措施，以期為寒區(qū)機(jī)場跑道、輸油站場和寒區(qū)高等級路基等大面積硬化封閉層的設(shè)計提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 凍融病害的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

1.1 凍融機(jī)理

在寒區(qū)修建工程需考慮季節(jié)性溫度變化帶來的地基土周期性凍結(jié)與融化過程。隨大氣溫度的降低，土體溫度下降至凍結(jié)溫度時產(chǎn)生凍結(jié)，內(nèi)部孔隙水與外界補(bǔ)給水形成多晶體、透鏡體等形式的冰體引起土體體積增大，從而導(dǎo)致了地表的不均勻上升，產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)速度越快，凍結(jié)深度也越深。隨著溫度回升，凍結(jié)的土體開始融化，體積減小，在土體自重與外荷載作用下，融化的水分開始排出，從而導(dǎo)致土體壓縮。土體在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，改變了土體的結(jié)構(gòu)性，破壞了土顆粒的粘結(jié)力，使得土體強(qiáng)度嚴(yán)重下降[4]。

關(guān)于土體的凍脹作用，海內(nèi)外專家學(xué)者提出了多種凍脹機(jī)理的理論。程國棟等[5]基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)，提出了飽和正凍土中的水、熱、力耦合模型，補(bǔ)充了以往研究僅有溫度場和水分場的不足。此外，經(jīng)過大量試驗(yàn)，海內(nèi)外專家學(xué)者得出了一些關(guān)于凍土融沉有關(guān)的理論。周國慶通過對飽和砂層開展豎向凍融過程研究，觀察結(jié)構(gòu)切向力受力變化，得出飽和砂土融化過程可分為三個階段：負(fù)溫升溫、相變以及自由升溫，之后融沉過程則由初始、急降以及緩降三個階段組成。

1.2 凍融影響因素

對于凍土來說，凍結(jié)、融沉過程往往是溫度場、水分場以及應(yīng)力場三場耦合相互作用的結(jié)果，從而使得道路出現(xiàn)不均勻沉降、凍脹融沉病害。土體的凍脹融沉問題，本質(zhì)上是熱質(zhì)遷移。Edwin認(rèn)為凍融通過改變土的結(jié)構(gòu)性使得土體垂直方向的滲透性增大。明鋒等[6]考慮冰水相變的熱傳導(dǎo)方程和水分遷移方程，建立了以孔隙比為變量的融化變形固結(jié)理論。通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，認(rèn)為土體融化速率隨著含水率增高而變緩，土體融化時的變形過程可分為三個階段：快速融化階段、過渡階段和穩(wěn)定階段，對于含水率高的土體，其固結(jié)時間也越長。梁波等[7]通過對青藏鐵路清水河、北麓河土體進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，認(rèn)為土的壓實(shí)度和凍融循環(huán)次數(shù)對抑制土體的凍融變形可以起到積極作用，外部荷載雖能減小土體凍脹，卻增加了融沉變形。王靜通過對不同塑性指數(shù)的路基土進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為凍融循環(huán)次數(shù)相同時，凍脹率隨塑性指數(shù)增加而增加，同種土的凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增加。

“鍋蓋效應(yīng)”是指土體中的水分會因溫度或水力梯度、蒸發(fā)等作用發(fā)生遷移，當(dāng)?shù)乇泶嬖诓煌笟獾母采w層時，水分蒸發(fā)受阻而在覆蓋層下聚積，從而引發(fā)了一系列工程病害。在寒區(qū)大溫差作用下，“鍋蓋效應(yīng)”的形成包括非飽和地基土體在非凍結(jié)期水汽的冷凝過程及凍結(jié)期液態(tài)水和水汽遷移、相變成冰的過程。在土體經(jīng)歷凍脹融沉的過程中，“鍋蓋效應(yīng)”是造成道基產(chǎn)生不均勻沉降的關(guān)鍵[8]。

多年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)溫差較大且水汽遷移比較活躍，使得“鍋蓋效應(yīng)”廣泛存在于寒區(qū)鐵路、公路和機(jī)場跑道等工程中。如蘭州中川機(jī)場，年降水量僅為320mm左右，年蒸發(fā)量達(dá)到1400～1500mm以上，晝夜溫差較大，地下水存在于中川機(jī)場跑道下35m附近。在投入使用20年后，跑道中部產(chǎn)生了3～5cm的長距離縱向裂縫，道面混凝土面板開裂和局部嚴(yán)重沉降，道面平整度降低，從而影響使用。由于道基下部土體含水量的增大，以及機(jī)場所在地的大溫差氣候、砂礫層和粉質(zhì)黃土地質(zhì)以及地基深層地下水的遷移等因素，為“鍋蓋效應(yīng)”的形成提供了良好的環(huán)境條件，形成了典型的“鍋蓋效應(yīng)”。

2 防治措施

2.1 改善路基土性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了預(yù)防寒區(qū)機(jī)場跑道的凍融病害，需要采取一系列措施來改善路基土性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先，可以通過提高土體的抗凍性來提高其穩(wěn)定性。一種方法是增加土體中的礦物質(zhì)含量，如在土體中添加氯化鈉等物質(zhì)，可以有效減緩?fù)馏w的凍脹現(xiàn)象。此外，在土體的含水率較低時，還可以加強(qiáng)土體的碾壓，以減小凍脹的影響。其次，針對凍土路基的設(shè)計，需要考慮長期累積溫度應(yīng)力和荷載的持續(xù)影響。在路基中鋪設(shè)低導(dǎo)熱層（如硅藻土混合料）可以阻隔熱量的傳導(dǎo)，減小溫度梯度，從而降低“鍋蓋效應(yīng)”的影響。此外，還可以通過選擇合適的路基材料和結(jié)構(gòu)形式，提高路基的穩(wěn)定性和抗凍性能。

2.2 控制水分遷移和防止“鍋蓋效應(yīng)”

“鍋蓋效應(yīng)”是寒區(qū)機(jī)場跑道凍融病害的重要因素之一，它會導(dǎo)致覆蓋層下的水分聚集，進(jìn)而引發(fā)一系列的工程病害。為了控制水分遷移和防止“鍋蓋效應(yīng)”的發(fā)生，可以采取以下措施：

（1）可以在道基中設(shè)置隔斷層，用以截斷液態(tài)水和水汽的遷移通道。常用的方法是在路基中鋪設(shè)防水土工布隔斷層，有效限制水汽的遷移。

（2）通過控制土體中的溫度和水力梯度，可以減少水分的蒸發(fā)和遷移。

（3）可以采取排水措施，如設(shè)置排水系統(tǒng)和排水管道，及時排除道基內(nèi)的積水，防止水分的滯留和聚集。

2.3 綜合管理和維護(hù)策略

寒區(qū)機(jī)場跑道的凍融病害防治還需要依靠綜合的管理和維護(hù)策略。

（1）定期巡檢和檢測技術(shù)應(yīng)用。定期巡檢是及時發(fā)現(xiàn)和解決問題的關(guān)鍵步驟。應(yīng)建立定期巡檢制度，對機(jī)場跑道進(jìn)行定期檢測和評估。巡檢應(yīng)涵蓋跑道表面、排水系統(tǒng)、照明設(shè)施、標(biāo)志標(biāo)線等關(guān)鍵部位。結(jié)合先進(jìn)的檢測技術(shù)，如紅外熱成像、地面雷達(dá)和無損檢測技術(shù)等，可以全面評估跑道的狀況，對跑道的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行全面監(jiān)測和評估，及早發(fā)現(xiàn)潛在的凍融病害和結(jié)構(gòu)問題。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。安裝有效的監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測跑道的變形、溫度和濕度等關(guān)鍵參數(shù)，提前預(yù)警并采取相應(yīng)的措施。這些監(jiān)測系統(tǒng)可以提供數(shù)據(jù)支持，幫助及時發(fā)現(xiàn)凍融病害和異常情況，采取相應(yīng)的維護(hù)措施。同時，定期對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評估，制定相應(yīng)的維護(hù)計劃和預(yù)警機(jī)制。

（3）制定科學(xué)合理的維護(hù)養(yǎng)護(hù)措施。針對不同的凍融病害和結(jié)構(gòu)問題，制定相應(yīng)的維護(hù)養(yǎng)護(hù)措施是重要的管理策略。包括道面修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)和加固等，以確保跑道的安全性和穩(wěn)定性。例如，對于凍脹問題，可以采用增加路面厚度、增設(shè)補(bǔ)償縫和改善排水系統(tǒng)等措施；對于融沉問題，可以采用修補(bǔ)破損部位、加固路基和排水系統(tǒng)的措施。同時，合理選擇和應(yīng)用材料，如凍土改良材料、防凍脹劑和抗?jié)B材料，有助于提高跑道的抗凍融性能和耐久性。

（4）建立應(yīng)急處理機(jī)制。針對突發(fā)的凍融病害和結(jié)構(gòu)問題，制定應(yīng)急處理措施是必要的。通過建立應(yīng)急處理機(jī)制，及時應(yīng)對突發(fā)的凍融病害事件，以減小損失并保障航空運(yùn)行的安全。應(yīng)急處理措施應(yīng)包括快速響應(yīng)機(jī)制、臨時修復(fù)方案和安全預(yù)警機(jī)制等。在發(fā)生緊急情況時，及時采取措施，修復(fù)病害并確保跑道的安全運(yùn)行。

（5）培訓(xùn)與技術(shù)支持。提供培訓(xùn)和技術(shù)支持，加強(qiáng)工作人員對跑道綜合管理和維護(hù)的理解和技能。通過培訓(xùn)，工作人員可以掌握先進(jìn)的管理理念和操作技術(shù)，提高對凍融病害的識別能力和應(yīng)對能力[9]。

2.4 新材料與新技術(shù)的應(yīng)用

新材料與新技術(shù)的應(yīng)用是提高寒區(qū)機(jī)場跑道工程的抗凍融性能和耐久性的關(guān)鍵手段。目前，針對凍土路基的改良和防治，已經(jīng)涌現(xiàn)出一些新型材料和新技術(shù)的研究和應(yīng)用。

（1）凍土改良材料。通過在凍土路基中引入適量的改良材料，可以改變土體的物理和力學(xué)特性，提高其抗凍脹和抗融沉性能。例如，聚合物改性材料、纖維材料和化學(xué)添加劑等被廣泛應(yīng)用于凍土路基的改良中。這些材料可以增加土體的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能，改善土體的穩(wěn)定性和耐久性。

（2）防凍脹劑。防凍脹劑是一種添加到水泥基材料中的特殊添加劑，可以抑制水泥基材料在凍融循環(huán)過程中的體積變化。防凍脹劑可以減少水泥基材料中的冰晶體形成，阻礙凍脹過程中的脹破現(xiàn)象，從而有效地減少凍融引起的病害。這種材料在寒區(qū)機(jī)場跑道工程中具有廣泛的應(yīng)用潛力，可以提高道面的抗凍脹性能和耐久性。

（3）抗?jié)B材料。由于寒區(qū)機(jī)場跑道工程往往處于濕潤環(huán)境中，土體的抗?jié)B性能對于防止水分積聚和“鍋蓋效應(yīng)”的形成至關(guān)重要?？?jié)B材料可以有效地提高土體的滲透阻力，阻礙水分的滲透和遷移，從而減少水分聚集和水汽遷移所引起的病害。常用的抗?jié)B材料包括聚合物改性材料、防水土工布和土壤膠凝劑等。

通過采取上述改善路基土性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制水分遷移和防止“鍋蓋效應(yīng)”、綜合管理和維護(hù)策略等措施，可以有效預(yù)防和減輕寒區(qū)機(jī)場跑道的凍融病害。然而，需要指出的是，寒區(qū)機(jī)場跑道的凍融病害問題具有一定的復(fù)雜性和特殊性，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合具體的工程情況和環(huán)境條件進(jìn)行綜合考慮和處理。未來的研究還應(yīng)加強(qiáng)對新材料和新技術(shù)的應(yīng)用研究，以及通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬等手段，進(jìn)一步提高對凍土路基凍融病害機(jī)理和防治措施的認(rèn)識和理解，為寒區(qū)機(jī)場跑道工程的建設(shè)和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合文獻(xiàn)對寒區(qū)機(jī)場跑道工程凍融病害的產(chǎn)生機(jī)理與防治技術(shù)進(jìn)行了綜述，基于上述分析，對該領(lǐng)域的發(fā)展提出幾點(diǎn)建議。

（1）我國的凍土面積分布較廣，加之機(jī)場跑道修建的特殊性（飛機(jī)大荷載、更嚴(yán)格的寬幅要求和更高的平整度要求），使得寒區(qū)線路工程修建的經(jīng)驗(yàn)難以成熟地轉(zhuǎn)化到機(jī)場工程建設(shè)中。在實(shí)際工程中，飛機(jī)荷載的作用必然導(dǎo)致地基溫度場的變化，而飛機(jī)荷載作用下道基結(jié)構(gòu)層水—熱—力等多物理場耦合是復(fù)雜的變化過程，很多研究過程考慮單一，因此有待進(jìn)一步研究。

（2）室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬中水汽、空氣流動、水熱邊界條件變化，需結(jié)合觀測數(shù)據(jù)和實(shí)際工況提高水熱及變形分析的可靠度，有必要針對具體工程進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。鑒于當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，凍土道基試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)或許限制該領(lǐng)域研究水平進(jìn)一步提高，應(yīng)研發(fā)高精度的適用于凍土水熱力參數(shù)研究的試驗(yàn)系統(tǒng)，通過大量的室內(nèi)外試驗(yàn)與凍土多場耦合計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)研究成果與實(shí)際工程的高度結(jié)合。

（3）傳統(tǒng)的凍土區(qū)路基病害防治措施在一定程度上取得了顯著的效果，但隨著氣候、環(huán)境的變化，新的防治措施研究變得尤為重要。新材料的使用將提高凍土路基的性能，未來關(guān)于前沿且高效的防凍脹、防融沉材料的研制以及符合道基結(jié)構(gòu)的研究顯得更為重要。

因此，今后應(yīng)逐步將室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場原位試驗(yàn)和實(shí)際工程病害檢測緊密結(jié)合，完善和改進(jìn)寒區(qū)機(jī)場跑道工程凍融理論和防治措施，并應(yīng)用于工程實(shí)踐中。