寒區道面多發性病害現象及影響因素分析

董軍 楊祺

1 高寒地區道面常見的病害

1.1 融沉

融沉是高寒地區道面的主要病害之一，如圖1所示為某機場道面因融沉引起的道面板錯臺。一般多發生在含冰量大的黏性土地段，當道面下的多年凍土上部有較厚的地下冰層時，由于地下冰層埋藏較淺，在施工及使用過程中各種人為因素的影響下，使溫度場發生變化，由于某些部位溫度增加而融化，上覆土層和道面在自重和外力作用下產生沉陷，造成道面的嚴重變形。

1.2 凍脹

凍脹是在高寒地區修建機場道面時需要考慮的另一重要病害現象，在高寒地區，處于不良地質、水文條件下的地方，由于溫度場的變化，道面凍結過程中會發生水分遷移現象。水分不僅向凍結峰面遷移，而且在凍結中凝結成冰，由于冰密度略小于水，故在凍結的過程中伴隨著體積的膨脹，從而造成道面的凍脹。凍脹發生需要兩個必要條件:1)有充足的水分補給源;2)有水分補給的通道。

凍脹在高寒地區早期修建的機場工程中尤為突出，由于當時的工程技術人員對認識和掌握機場道面溫度場的規律不足，同時未能及時采取防護措施，致使很多機場道面發生破壞。主要表現為道面板上抬、道面板斷裂，甚至失效等破壞。

圖2為某機場常見的凍脹病害圖，從圖2上可以清晰地看到凍脹引起的道面板錯臺、斷裂以及邊角開裂等病害。

1.3 道面損壞

在高寒地區，道面損壞是機場道面最常見的道面破壞形式之一。它可以分為以下四類:1)裂縫類:溫度場的分布不均和荷載一起造成的機場道面的開裂破壞了道面結構的完整性。2)變形類:道面結構仍保持其完整性，但由于道面材料的穩定性等原因，使道面形狀發生了變化，如扭曲等等。3)松散類:由于輪胎和環境與道面的作用，以及溫度場的影響，使道面板表層材料部分或全部喪失，導致道面的使用性能降低。4)其他損壞類型包括泛油、磨光和各類修補。道面的損壞和其他道面病害是緊密聯系的。道面的損壞可以直接導致其他道面病害的發生，而其他道面病害的發生加劇了道面的損壞。

2 高寒地區道面常見病害產生機理分析

地處高寒地區的機場道面，秋冬季節，隨著氣溫的下降，道面板以及下面土體中的水分會由于溫度場的作用，體積不斷增大，使得下面土體發生不均勻的膨脹隆起，道面結構也隨之發生不均勻的隆起，造成道面板開裂、錯縫、錯臺、掉邊、掉角，在飛機輪載的作用下會逐漸發生破壞，甚至發生折斷。

在春夏季節，隨著溫度場的變化，道面板以及上部土體積聚的冰晶體首先出現融化，而下部的土體仍然凍結，形成不透水的冰凍夾層，融化水不能及時地滲透排出，使土中的含水量增加，土層軟化，土體強度下降，承載能力差，使道面結構發生沉陷，出現波浪、唧泥、翻漿，道面板產生不同程度的破壞，裂縫、掉角、錯臺、開裂，甚至折斷，影響飛行人員的安全和道面的正常使用。

3 高寒地區道面結構溫度場影響因素分析

3.1 外部氣候條件

1)氣溫。在影響溫度場的諸多要素中，氣溫是很重要的能量指標，是局地小氣候，如降水、蒸發、云量及風等影響的綜合指標。氣溫變化受海拔的影響，與土基下的凍土的分布具有良好的相關關系，氣溫會直接影響到高寒地區道面板和土基的溫度場狀況。氣溫的變化既給道面板和土基的存在、發展帶來了很大的影響，也直接影響到許多評價多年凍土狀態的指標，如:凍結指數、融化指數、年平均地溫、季節融化層深度等。研究高寒地區的道面溫度場首先就得對所研究區域的氣溫變化作詳細的分析。2)太陽輻射。太陽輻射是影響道面板及土基穩定性的重要因素，是道面板與土基邊界處能量交換的重要方式。地表反射率與道面板、顆粒組成、濕度狀況、溫度狀況、植被覆蓋狀況有關。夏季由于地表覆蓋度大，且地表濕潤，地表反射率小;冬季因地表植被較少，加上地面積雪致使反射率較高。3)風速、風向。風對道面溫度場的影響以前經常被忽視，實際上這是極不合適的。風速的大小直接地影響到道面邊界與大氣的對流熱交換系數，影響道面邊界處的熱交換效率與狀況，從而影響到道面內部及基底下多年凍土的溫度場分布狀況。4)蒸發。蒸發耗熱是因道面邊界表層的水分在外界輻射、氣溫、風速、濕度狀況等綜合因素影響下汽化而消耗的熱量，是調節地表溫度的重要因素。蒸發耗熱、輻射換熱、對流換熱三者共同構成了道面板與外界能量交換的主要方式。蒸發耗熱量的大小與蒸發量密切相關，而蒸發量又與道面類型、顆粒組成、濕度狀況、植被覆蓋狀況等因素有關。

3.2 道面內在因素

1)多年凍土的天然上限。多年凍土的天然上限是多年凍土在垂直方向的重要特征，是表征多年凍土熱穩定狀態的重要指標。多年凍土天然上限的高低將直接影響到多年凍土抵抗外界干擾的能力，從而影響到道面板的熱穩定狀況。查明多年凍土上限分布并預測道面板修建后上限可能發生的變化是高寒地區道面板修建的關鍵問題。多年凍土上限主要與凍土土質與凍土所處地段的氣候條件有關。2)土基的類型。不同類型土質的導熱、蓄熱能力及導濕能力是不相同的。高寒地區分布的土質類型是多種多樣的，有卵石土、碎石土、砂礫土、黏性土、砂黏土等。由于不同類型土質的顆粒組成、礦物成分、粒度大小以及表面自由能狀況各不相同，形成不同的空隙率、密度、蓄水和滲透能力。這些差異直接影響土層的溫度場、導熱系數、相變熱、導濕系數等熱物理參數和水分遷移系數，而這些參數將直接影響到熱量在道面板內的傳遞及水分的遷移，從而影響道面板的熱穩定狀況。

4 結語

溫度場的變化是引起高寒地區道面結構病害產生的主要原因。道面溫度場的影響因素可分為兩類:外部氣候條件和道面內在因素。道面內在因素直接地根本地影響到道面溫度場和水分場在道面板中的傳遞規律，內因是根本機制。外部氣候條件是造就多年凍土土基這一特殊工程地質體的環境條件，外部氣候條件的變化直接影響到道面板的溫度場，是影響道面溫度場的誘因與動力。

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