寒區工程鍋蓋效應病害調查與防治研究進展

張明禮，張瑞玲，馮德剛，嚴艷鋒，周志雄，郝東苗，李 廣

(1.蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050; 2.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，蘭州 730000;3.中交三公局橋梁隧道工程有限公司，北京 100012)

寒區工程的修筑顯著改變了地基土體與大氣的水熱邊界條件以及水熱輸運過程[1-2]。季節凍土區機場跑道[3]與路基[4-5]、多年凍土區寬幅路基[6-7]等研究發現土中水分因溫度、蒸發等作用而向地表遷移。當地表存在不透氣的覆蓋層時，水分因蒸發受阻而在覆蓋層下聚積，將這種現象稱為“鍋蓋效應”或“覆蓋效應”[8]。寒區工程覆蓋層不僅增大了地表的吸熱能力[9]，形成顯著的“聚熱效應”[10-11]，而且寬幅結構層在隔水性和大溫差作用下，向上遷移的液態水和水汽受到路面的阻止而積聚在覆蓋層下[6,9]，導致土體含水率增大甚至達到飽和，“鍋蓋效應”顯著。表層工程構筑物在“聚熱效應”和“鍋蓋效應”作用下經歷凍融干濕循環，從而導致地基土體孔隙率增大、承載力下降[6,12-13]，發生開裂、沉陷、傾斜、撓曲變形、凍脹及融沉等病害，嚴重威脅寒區工程穩定性[14]。眾多學者從室內、現場試驗以及數值模擬等方面探究了“鍋蓋效應”現象。然而，目前寒區建設經驗大多集中于溫度場調控和下伏凍土凍脹、融沉對工程構筑物穩定性的影響分析[15]，對凍土工程水分運移，特別是水汽運移研究欠缺。

隨著中國“西部大開發”的不斷推進和“一帶一路”倡議的深入實施，寒區機場跑道、輸油站場、青藏高速公路等重大基礎設施建設持續推進。這些穿越季節凍土區和多年凍土區的重大工程構筑物形成的大面積工程覆蓋層將引起顯著的“鍋蓋效應”，亟需深入研究寒區“鍋蓋效應”作用下的地基土體液態水、水汽輸運及累積過程，分析“鍋蓋效應”形成機制及其對工程結構層變形的影響，提出有效的防控措施，為完善寒區工程水熱力穩定計算方法奠定理論基礎，調查了公路路基、高鐵無砟軌道基床、機場跑道、輸油站場面臨的鍋蓋效應病害，從病害特征、形成機理、理論模型、防控技術等四個方面，綜述寒區工程鍋蓋效應形成機理及病害防治的最新進展。在總結當前鍋蓋效應研究不足的基礎上，對寒區工程“鍋蓋效應”研究提出建議，以期為寒區工程病害防控和寒區高等級路基、寒區機場跑道、輸油站場等大面積硬化地坪設計提供科學依據。

1 病害調查

“鍋蓋效應”的形成包括非飽和地基土體在非凍結期水汽的冷凝過程及凍結期液態水和水汽遷移、相變成冰過程[16]，其外在主要影響因素是大溫差作用。由于中國北方季節凍土區與多年凍土區溫差大、水汽輸運活躍，“鍋蓋效應”造成的工程病害頻發，故對季節凍土區以及多年凍土區的鍋蓋效應進行病害調查分析。

1.1 季節凍土區機場跑道

蘭州中川國際機場位于秦王川盆地，屬典型的溫帶半干旱氣候。年均降水量僅320 mm左右，年蒸發量1 400～1 500 mm，年溫差和日溫差均較大。中川機場跑道地下水深度35 m以上，混凝土面板下依次為砂礫層、石灰土層、自重濕陷性黃土層[17]。經過二十多年的使用后，跑道道面中部出現長度為幾十厘米至幾十米的3～5 cm縱橫向道面裂縫，道面混凝土板嚴重開裂、道面平整度差、局部不均勻沉降達到10 cm[18-19]。道基中洞穴、軟弱帶、塌陷和道面裂縫、破損、不均勻沉降分布面積占到跑道總面積的1/3，而這些病害主要是由于土體含水量增加導致。由于地下水位較低，毛細作用不會對路基進行水分補充，水分補充主要來源于氣態水的遷移。道基底部的砂礫層和黃土狀粉土為土體孔隙中的水汽向上部運移和相態轉化提供了便利條件。在場地環境大溫差作用下，深層土中的水汽在溫差的作用下通過砂礫層和黃土狀粉土層遷移至道基上部，在不透氣的混凝土道基下部聚集導致含水率逐漸增加，形成典型的鍋蓋效應。當較高含水量的土體在負溫下凍結時即產生凍脹變形，使得道基向上隆起、甚至開裂；當高含水量的道基融化變形與濕陷性黃土在水分聚集作用下發生的濕陷變形疊加將產生可觀的道面沉降或者道面結構層脫空；同時，道面雨水在裂縫和道面接縫處的不均勻入滲也會加劇道基水分聚集和變形，加劇道基軟弱帶、道面裂縫和不均勻沉降的發生。

地處干旱荒漠區的敦煌機場也有類似的病害發生。與中川機場不同的是其道基下的粉土層為鹽漬土。道基在未鋪設瀝青混凝土面層前，道面裂縫分布較弱，變形量也相對較小。但在原道面上加補5 cm厚的瀝青混凝土面層后，道面膨脹變形速度反而加快[18]。分析擴建后變形加快的原因主要是：在寬幅結構層的隔水性和大溫差作用下，向上遷移的液態水和水汽受到路面的阻止而積聚在覆蓋層下，致使土體含水量增大甚至達到飽和，“鍋蓋效應”現象顯著。道面在“鍋蓋效應”作用下經歷凍融干濕循環，導致路基填料孔隙率增大、承載力下降，加劇了膨脹等病害。

沈陽桃仙國際機場跑道的開裂為典型的深季節凍土區“鍋蓋效應”致災案例。該機場跑道寬45 m，地下水位為28～35 m，最大凍深達1.48 m[20]。經過多年運營，跑道出現縱向、斜向裂縫；角隅斷裂、沉陷與錯臺；脹裂和板底脫空等工程病害，以晚春和初夏時病害最為顯著。桃仙機場位于中國東北地區，全年降水較少、地下水位較深，跑道淺層理應不會出現積水，但現場開挖探坑時發現，在距離道面不到1 m的碎石層下有大量的積水。姚仰平等[18]的研究認為機場跑道混凝土面層為不透水層，土體中的水汽在溫差作用下發生向上遷移，形成“鍋蓋效應”。冬季大溫差作用下，水汽在遷移的過程中便冷凝為水或者凝華為冰，引起地表凍脹開裂；夏季溫度升高導致冰融化成水從而降低道基土體強度，引起融沉、脫空、沉降等病害。

張如如等[3]對山西長治機場跑道進行了路基含水率檢測，該機場跑道道面由4.5 m×4.5 m的混凝土板鋪成，寬45 m，道面結構厚50 cm，未設穩定層，下部為粉質黏土，地下水位深5 m左右。探孔檢測結果表明，在土基表層0.5 m內含水率升高明顯，相比于土路面，跑道中心含水率增大約為6%。1 m以下土層受道面結構的影響較小(圖1)。因此道面結構層的存在對土基表層含水率增大作用顯著。

圖1 現場含水率沿深度分布

1.2 季節凍土區輸油站場

關山輸油站場位于蘭州市黃峪鄉，海拔2 400 m，最大凍深約130 cm，站場土質以粉土和粉質黏土為主。站場自2009年開建后，先后對泄壓罐區與泵棚區，原碎石鋪設地段澆筑寬幅混凝土面板。但自2016年入冬以來，場內地坪出現一系列凍脹病害且有進一步發展的趨勢。主要表現為：①混凝土面板夏季大范圍下沉開裂，部分場地地坪“凸”起[圖2(a)]；②冬季凍脹導致面板縱向錯臺、開裂、隆起顯著，隆起量達到20～30 cm[圖2(b)]。為了明確站場變形成因，2019年1月24—29日現場開挖了探坑，發現相比于2009年修筑站場時的填料含水量，混凝土面板下部0～50 cm土體水分聚集顯著，含水量增大5%～50%(圖3)。該工程處在強蒸發季節凍土區，與蘭州中川機場跑道水分聚集和凍脹破壞類似。調查表明站場既有盲溝深度1.2～1.5 m，且排水不暢，降雨沿裂縫和混凝土面板接縫入滲作用明顯，為凍脹提供了水分補給來源。在降雨、融雪、融冰入滲和混凝土面板下部盲溝積水毛細作用及水汽運移綜合作用下水分在混凝土面板下部富集，形成“鍋蓋效應”。冬季凍結期，聚集的水分凍脹頂托混凝土面板，導致混凝土開裂、錯臺。

圖2 輸油站場構筑物變形

圖3 含水量沿深度變化

1.3 季節凍土區公路路基

地處西北內陸的新疆、內蒙古地區晝夜溫差較大，降雨量少且蒸發強烈，地下水位較深，路基內部由于濕度梯度和溫度梯度驅動的水汽運移作用劇烈。冉武平等[21]選取位于中國西北地區的G315新疆南疆路段進行濕度調研，發現瀝青混凝土面層覆蓋的路基含水量高于裸露地面，特別在50～100 m范圍內含水量增大多達6%，路面覆蓋效應顯著[圖4(a)]；路基頂面以下40～80 cm范圍內含水量變化最大，從該范圍向上或向下呈遞減的趨勢[圖4(b)]，產生這一現象是由于“鍋蓋效應”導致瀝青面層下部土壤水分聚集，導致基質吸力不斷衰減，水汽遷移緩慢，造成中部含水量聚集。張玉等[22]對烏魯木齊市S111K31+700、和靜縣S206K2+900和托克遜縣S301K39+800路基在2015年1月—2016年12月期間的水分變化監測進行分析，同樣也發現了類似的規律。在路面以下30 cm范圍內，離路面結構越近路基濕度越大；在30～150 cm范圍內，路基濕度受溫度、大氣降水及蒸發的多重影響，路基內部30～90 cm范圍內濕度最大；在150～180 cm范圍內，地下水位較深，毛細水不為路基供水，路基內的濕度受水汽向上遷移聚集而增大。

圖4 路基濕度分布

1.4 季節凍土區高速鐵路路基

哈大高速鐵路是中國第一條修建于季節性凍土區的高速鐵路客運專線，全線總長約為920 km，其中路基長約為230 km[23]。監測資料表明，自2012年底正式運營以來哈大高速鐵路路基普遍存在約5 mm的凍脹，最大凍脹達20 mm，且大部分凍脹發生在A/B組填料和級配碎石中[24]。賀佐躍等[25]分析發現A/B組填料和級配碎石層都為粗顆粒填料，一般屬于凍脹不敏感性土，并且這些粗顆粒填料的質量含水率很低，約為5%。因此，該土層理論上不會出現較大的水分聚集。但與此相反，最大凍結深度位于含水率較低的粗顆粒填料內。苗祺等[26]分析發現高速鐵路無砟軌道結構密閉性良好。外界環境的改變使得路基填土中的水分蒸發且水汽不斷地在軌道混凝土板下冷凝聚集，使得路基表層填料含水量增大，當溫度降低時，路基土體凍結，水汽在溫度梯度作用下不斷向凍結鋒面遷移，造成鐵路路基較大的凍脹變形。成晨[27]指出在中國東北部以及西部高原地區，路基凍害是對鐵路交通影響較大的一種病害。在這些地區進行鐵路路基施工時，若采用透水性較差的材料，水分會在路基中聚集，長時間的低溫環境下土壤內部的水分會凍結，結晶化的水相較于液態水，形態結構會產生較為明顯的變化，使得路基不同部分出現膨脹，從而導致路基受力結構發生變化，出現開裂的現象。仝睿等[28]針對蘭新鐵路武威段的路基凍脹現場實測表明,由于入冬前路基淺層局部土體有一定體積含水率,淺層凍結之后,減小水分的蒸發;同時在溫度梯度作用下,有不可忽略的地下水氣向上遷移,加大淺層的凍脹，形成時變覆蓋效應，導致路基內的水分遷移及凍脹。

1.5 多年凍土區高等級公路路基

為分析多年凍土區路面結構下部的水熱變化差異，張中瓊等[29]以青藏高原北麓河試驗段為測試點，該路面寬11 m左右，面層為瀝青混凝土結構，由厚度4 cm的AC-13細粒式改性瀝青混凝土和厚度5 cm的AC-16改性瀝青混凝土組成。張中瓊等[7]在該試驗段分別監測了路基中心、右路肩與右半幅中心中間三個位置5～400 cm深度范圍的含水量變化情況。經過三年的含水率監測發現路基中心、右路肩和右半幅中心累積含水量在0.5～2.5 m深度分別增大1.4%、2%和2.3%左右(圖5)。分析其原因認為淺層路面為不透水的瀝青層，黑色路面的吸熱作用使得淺層水分大量蒸發，而在覆蓋面以下，土體水分在溫度梯度作用下以氣態水形式逐漸遷移至不透水層，受覆蓋效應影響，這一遷移過程受阻，水汽凝結成液態水，覆蓋面以下出現明顯水分聚集。因此可知，多年凍土區大面積覆蓋層的存在也容易導致“鍋蓋效應”的發生。

圖5 不同路面位置和深度處土層水分累積量

綜合上述病害調查分析可以看出：“鍋蓋效應”現象的出現都有一個共同的特征，即大面積覆蓋層或部分覆蓋層的存在。由于大面積覆蓋層或部分覆蓋層的存在使得地基水汽并不像天然地表一樣自由蒸發，從而加劇覆蓋層下含水量增加。然而，寒區工程環境為此過程提供了周期性的凍融循環邊界條件，從而導致路基、跑道等出現沉陷、翻漿、開裂等一系列工程病害。

調查了甘肅、遼寧、吉林、山西、新疆、青海等地區的機場跑道、普通公路路基、高等級公路路基、高速鐵路路基、輸油站場道基等由“鍋蓋效應”誘發的工程病害并分析了其病害成因和特點，具體如表1所示。

表1 鍋蓋效應病害工程實例

2 機理分析

結合非飽和土水汽遷移的物理過程和內在機理，并按照邊界條件和內部機理的不同，滕繼東等[16]將“鍋蓋效應”分為兩種情形。第一類“鍋蓋效應”即為不透氣覆蓋層下水汽因蒸發受阻遇冷凝結而聚集的現象，常發生在地下水位較淺、毛細較強的土中，常見如返潮現象。第二類“鍋蓋效應”是指在寒旱地區的凍結期，覆蓋層內土體溫度低于霜點，液態水和水汽相變成冰(凍結和凝華)，減小了土中空氣濕度和含水率，從而加劇了水汽遷移，水汽以冰的形式儲存于表層土體，造成覆蓋層下總含水率(冰、水、汽)增加的現象。

在上述分類的基礎上，張升等[30]通過試驗驗證了兩類“鍋蓋效應”并分析了其內在機理。通過對不同初始含水率的試樣開展不同溫度條件下的水汽遷移試驗，發現第一和第二類“鍋蓋效應”均能使試樣土體頂部產生水分聚集，但第二類“鍋蓋效應”水分增加顯著且含水率峰值位置與凍結鋒面大致相同。為進一步分析寒區路基土體“鍋蓋效應”氣態水遷移規律及其作用機理，羅汀等[31-32]和王乃東等[33]利用鍋蓋效應試驗設備也進行了一系列試驗，研究了溫度梯度、初始含水率以及試驗時間等因素對鍋蓋效應的影響。通過分析溫度梯度這一影響因素發現：當土體上下邊界為正溫時，含水率會在覆蓋層下出現最大值；當改變土體上邊界為負溫時，含水率不但會在覆蓋層下出現最大值，而且還會在凍結鋒面出現峰值。在分析初始含水率這一影響發現初始含水率較大時，非飽和土體中水分遷移以液態水為主；初始含水率較小時，非飽和土體中水分遷移主要以氣態水為主。此后，羅汀等[34-35]以北京大興國際機場為研究對象進行了“鍋蓋效應”現場試驗，通過試驗發現冬季地溫的變化會影響“鍋蓋效應”的影響范圍，且最大影響深度為50 cm。通過總結發現，“鍋蓋效應”的形成主要與初始含水率、溫度梯度、路基土質和干密度等因素有關，通過控制以上因素可以有效減弱液態水或者汽態水的遷移，從而達到減弱“鍋蓋效應”的目的。

為進一步揭示“鍋蓋效應”形成機理，一些學者們在數值模擬上也做了相應的工作。張如如[36]采用多場耦合數值分析軟件建立了考慮孔隙水汽相變的一維有限元模型。分析了不同土質類別機場跑道中，水分在道面結構阻滯和環境溫度影響下的運移規律，對比分析了溫差幅值、填土初始含水率和初始溫度等因素對水分運移的影響，從季節性溫度變化角度揭示了“鍋蓋效應”的形成機理；宋二祥等[37-38]采用有限元分析軟件對道面下路基一維土柱進行數值模擬，結果顯示溫度分布對“鍋蓋效應”有較大的影響，即路基頂部溫度比下部溫度低時，在溫度梯度作用下容易引起路基土體“鍋蓋效應”。賀佐躍等[39-40]通過建立耦合模型利用數值分析軟件研究了“鍋蓋效應”氣態水遷移的影響因素，研究發現土質差異對“鍋蓋效應”氣態水的遷移也有很大的影響，粉土相比于其他土質更容易形成道面覆蓋效應；季節性溫度變化對砂土含水量影響最小，粉質黏土最大，黏土介于兩者之間。

基于以上對于“鍋蓋效應”的形成機理分析可知，水分是導致“鍋蓋效應”產生的首要條件，溫度梯度和覆蓋邊界是產生水分聚集的必要條件。綜合分析而言，土體種類、含水量、補水條件、溫度梯度等是影響路基土體“鍋蓋效應”的主要因素。

3 理論模型

非飽和土凍結過程是一個復雜的水-熱-汽-氣-力耦合過程，由于現有測量技術的局限性，土體凍結過程中僅能測量試樣內的溫度、液態水含量和熱通量的變化過程，無法定量揭示凍結過程中含冰量、水汽密度的運移規律。數值模擬的優勢在于能夠再現凍結過程中土體內水分遷移和熱量傳遞的整個過程，利用數值模擬去解釋凍結過程中非飽和土中水、汽遷移和熱量傳遞過程是一種合理而有效的手段。完備的理論模型是實現數值模擬的重要基礎，因此以下簡述學者們對于“鍋蓋效應”理論推導所做的努力。

已有的現場監測發現“鍋蓋效應”主要發生在非飽和土區域。對于非飽和土，由于非飽和孔隙的存在，水分遷移會以液態水和水汽兩種形式進行。Penman[41]針對非飽和土中水汽的遷移過程，基于Fick定律首次提出了土體中水汽遷移理論；Philip等[42]在Penman的研究基礎上，通過進一步研究提出了一種考慮水、汽耦合運移的模型；De Vries[43]綜合考慮重力、溫度和含水率梯度的影響，進一步推廣并完善了土體水汽遷移理論(Philip-De Vries, PDV)模型；而Milly[44]基于Philip的研究基礎，通過引入基質勢變量這一物理參數，提出一種更適用于非均質土體的水-汽耦合運移模型；Nassar等[45]在Philip提出的PDV模型基礎上，引入溶質吸力，使得PDV模型的數值分析結果更接近于工程實際；Sakai等[46]針對含水率較低條件下非飽和土的水、熱、汽遷移問題，提出了一種更為準確的計算非飽和土中水、熱、汽遷移的修正方法；Saito[47]通過對包氣帶中水、汽遷移過程進行研究，提出了一種新的水-熱-汽耦合模型；其后，Sakai等[46]利用前人提出的水-熱-汽耦合模型，在考慮冷凝與蒸發的條件下，研究了砂土中水、汽遷移現象。

上述模型均僅適用于非飽和融土中的水、汽耦合運移過程，并未考慮非飽和土的凍結過程。為此，Hansson等[48]將水-熱-汽耦合模型擴展至凍土領域，建立了適用于凍融循環條件下的水-熱-汽耦合模型，并進行了數值求解。隨后，Zhang等[49]利用擴展后的模型闡明了非飽和土水、汽遷移以及冷凝成冰進而引起凍脹的整個過程(鍋蓋效應)。其中水分遷移的控制方程[16]為

(1)

式(1)中：θw、θv和θi分別是液態水體積分數、氣態水體積分數和冰體積分數；ρw和ρi分別為液態水和冰的密度，kg/m3；h為水頭高度，m；T為溫度，K；z為空間坐標，方向豎直向上為正，m；t為時間，s；Kwh和KwT為由基質勢及溫度勢導致的等溫傳導率，m/s，和非等溫水力傳導率，m2/(K·s)；Kvh和KvT為由基質勢及溫度勢導致的等溫氣體傳導率，m/s，和非等溫氣體傳導率，m2/(K·s)。

能量控制方程[16]為

(2)

式(2)中：CP為等效比熱容，J/(m3·K)；Cw和Cv分別為液態水和氣態水的比熱容，J/(m3·K)；Li和Lv分別為凍結和汽化時的潛熱，J/kg；λ為等效導熱系數，W/(m·K)；qw和qv分別為液態水通量和水汽通量，m/s。

張明禮等[50-51]、楊高升等[52]也建立了與其類似的水熱、水-熱-汽耦合模型，并將模型計算結果與野外監測數據進行了對比，驗證了模型的有效性，為后續非飽和土熱、質傳輸的進一步研究和水-熱-汽-力耦合模型的建立奠定基礎。同時，宋二祥等[37]通過理論推導也建立了一種水-熱-氣耦合模型，并通過數值模擬對路基土體“鍋蓋效應”問題進行了研究。北京大興機場現場試驗和數值模擬[53-56]對雙鍋蓋效應進行了研究，并進一步探討阻擋水蒸氣遷移不透氣層的最佳位置，為“鍋蓋效應”的防治提供了參考。

土體的水分變化與土體內部空氣流動、液態水與水汽轉化密切相關[57-60]。對于“鍋蓋效應”所包含的水-熱-汽-氣-力耦合過程，上述模型僅考慮水、汽(氣)遷移和熱量傳遞，在今后的研究中應提出能夠涵蓋凍脹變形過程的模型。此外，自然界和工程領域中的絕大部分非飽和土的孔隙中都存在空氣，從而其間存在著復雜的毛細壓力和各相間的耦合效應，使得非飽和土中多相耦合理論明顯有別于飽和土。已有學者通過理論及試驗研究發現，即使存在于飽和土中的少量的干燥氣體也會對干旱區地表能量平衡和水分平衡過程產生很大影響[61]。因此，對于寒旱地區的“鍋蓋效應”很有必要在考慮孔隙干燥氣體的基礎上研究其水分遷移特性。

4 防治技術

“鍋蓋效應”的發生受到覆蓋層、溫度梯度、水汽、毛細力等多種因素的影響，鍋蓋效應的防治需要因地制宜地采取針對性的措施。針對多年凍土區的工程構筑物，已有研究提出了保護凍土、控制融化速率、綜合治理的路基設計原則[62]，采用通風管[63]、塊石[64-66]、熱管[67]等“主動冷卻”措施調控路基溫度場。但是，對工程覆蓋層內部的水汽運移和累積控制尚未開展。針對季節凍土區的高鐵路基和公路凍脹問題，科研人員提出了不同的防凍脹措施，主要分為: 以控制路基溫度為目的的保溫措施，以減小路基含水量為目的的防排水措施，以及降低路基填料凍脹敏感性為目的的土質改性措施[26,68-69]。在特定條件下，鍋蓋效應導致的病害是由其中一種或者幾種因素共同作用的結果，基于“鍋蓋效應”的形成機理，阻斷或減弱水汽的遷移可有效防治“鍋蓋效應”引起的工程災害。對此，姚仰平等[70]提出在露點位置鋪設疏水隔氣層的防治措施。露點即為冷凝或冷凍開始發生的溫度，是干寒區“鍋蓋效應”冷凝或冷凍作用是否發生的分界線。在露點位置鋪設水汽隔斷層的目的在于隔斷層可以截斷水汽遷移的路徑，使得深層氣態水不再上升至淺層土，且露點位置以下雖然也存在溫差和水汽遷移，但因溫度達不到凝結或凝華條件，也就不會在隔斷層處產生氣態水的冷凝(冷凍)和聚集從而形成二次災害。但目前鋪設隔斷層和疏水盲溝的防治措施僅在機場跑道中得到應用，對于大范圍“覆蓋效應”工程的應用還有待實踐。

通過閱讀文獻資料，從“鍋蓋效應”的影響因素出發，提出了基于“阻-通-截”理念的綜合防治措施，“阻”即在“覆蓋工程”中鋪設低導熱面層(硅藻混合料)以阻隔熱量、減小溫度梯度；“通”即在靠近工程頂面的土層中分散鋪設通氣管線，通過在通氣管線予以空氣流動，使得上部邊界土層中的水分能夠實現一部分的自由蒸發，達到減弱“鍋蓋效應”中水分聚集的效果；“截”即鋪設防水土工布隔斷層，截斷液態水和水汽的遷移通道。

總結已有防治經驗，“鍋蓋效應”的防治措施可以概括為以下三點：①通過保溫措施來控制路基溫度以減小溫度梯度；②通過鋪設疏水隔氣層來疏通減小路基含水量；③通過采用凍脹敏感性小的填料來減少土體的水分聚集，以達到減弱“鍋蓋效應”的目的。

5 結論與展望

5.1 結論

基于寒區工程鍋蓋效應形成機理及病害防治的最新進展，得到以下結論。

(1)寒區公路路基、高鐵無砟軌道基床、機場跑道、輸油站場均面臨不同程度的鍋蓋效應，導致工程結構層沉陷、翻漿、開裂等一系列工程病害。

(2)水分是導致鍋蓋效應產生的首要條件，溫度梯度和覆蓋邊界是產生水分聚集的必要條件，土體種類、含水量、補水條件、溫度梯度等是影響路基土體“鍋蓋效應”的主要因素。

(3)對于“鍋蓋效應”所包含的水-熱-汽-氣-力耦合過程，已有研究僅考慮水、汽(氣)遷移和熱量傳遞，對于空氣對流對水分累積的影響及水汽液化成水(凝華成冰)的轉化對土體變形的影響缺乏考慮。

(4)阻斷或減弱水汽的遷移可有效防治“鍋蓋效應”引起的工程災害，研究者采取了有效的疏水隔汽防治措施,該措施對機場“鍋蓋效應”的防治效果良好，但暫且只在機場跑道中得到了實際的應用，對于鐵路及公路路基的鍋蓋效應防治還有待工程檢驗。

5.2 展望

隨著寒區旱區基礎設施建設的推進，鍋蓋效應作用下的工程結構層液態水及水汽輸運、累積過程及其防控措施研究取得了豐富的成果，對寒區大面積覆蓋層工程構筑物的地基和基礎設計起到了重要的指導作用，同時，仍有一些關鍵科學問題和工程技術問題尚未解決。基于目前的研究現狀，今后可以重點開展以下研究。

(1)由于現有測量技術的局限性，對于已探得的“鍋蓋效應”的主要影響因素-水汽，工程和室內試驗均未取得實際的測量。針對現有的“鍋蓋效應”室內及現場試驗均未測得水汽含量的情況，建議采用pF meter傳感器測得基質吸力，通過計算能夠得到水汽的含量，以此能為“鍋蓋效應”研究提供數據支撐。

(2)相比于季節凍土區“鍋蓋效應”所做的研究分析，多年凍土區“鍋蓋效應”研究較少，液態水和水汽運移及冷凝轉化機制尚不清楚。寒區工程在大溫差、隔水層作用下的液態水遷移與水汽運移驅動力和運移機制，特別是對水汽凝結過程的正確理解是確定水分聚積范圍、提出“鍋蓋效應”防治措施的基礎和前提。因此，明確鍋蓋效應作用下液態水和水汽運移和冷凝規律是今后必須解決的關鍵科學問題。

(3)分析“鍋蓋效應”作用下路基長期穩定性不僅需要確定路基填料的長期強度參數，而且需要考慮液態水、水汽輸運和長期累積對工程結構變形的作用。應構建考慮空氣-水汽兩相流和土體變形規律的水-汽-氣-熱-力耦合模型，預測工程構筑物穩定性，以期為寒區工程設計和病害防治提供理論支持和科學對策。

(4)“鍋蓋效應”的防治措施目前還缺乏試驗驗證，特別是對于“時變覆蓋效應”的防治方法還有待進一步探索，建議今后可開展基于“阻-通-截”理念的綜合防治措施研究，為寒區工程“鍋蓋效應”的病害防治提供更為有效的措施。