復合土工膜在凍土機場路基凍害控制的應用研究

呂秋臻，張 瑾,*，時 偉，李廣勝，張甲峰

(1.青島理工大學 土木工程學院，青島 266525；2.上海民航新時代機場設計研究院有限公司，上海 200120)

為保證飛機安全起降，要求機場跑道具有一定的強度、平坦度、粗糙度和穩定性。由于機場跑道路面寬幅大并受到較大的沖擊荷載，使得其受力情況與普通公路鐵路不同。我國凍土區面積分布較廣，季節性凍土面積達到我國領土面積的50%以上[1]。在經濟的不斷發展過程中，旅游業蓬勃發展，越來越多的機場建造于凍土之上，而由于凍土區的凍融循環作用，建設過程中就必然會面臨凍脹和融沉兩大危險，加之較大的沖擊荷載，使得機場跑道建設形勢就更為復雜，這也成為很多地區交通建設的阻力。

凍融循環作用對土的力學性能和穩定性都有較大影響，而土層中的水是導致凍脹破壞的根本原因。排水疏水是解決跑道凍脹問題最關鍵的方法，翁曉波[2]運用有限元模擬地下水和降水情況下設置土工格柵和復合土工膜對路基的影響，得出加入土工格柵和復合土工膜可以有效降低降水和地下水對路基的影響。張聚賢[3]以蘭新線路為例，通過有限元建模研究發現，鋪設復合土工膜能夠有效減少凍害數量和最大凍脹高度。牛富俊等[4]依托新建哈大客運專線，在路基中設置封閉復合土工膜，從而阻隔外界水分流入，保持了內部路基主體含水量的穩定，減少凍脹。曹立[5]以哈大客運專線為依托，發現路基中層及上層土凍脹受到含水量影響較大，設置復合土工膜對路基凍結期水分遷移起到隔斷作用。LIU Y Y等[6]發現鋪設土工膜后，路基中水分受季節降雨的影響較小，濕度變化小，路基水穩定性大大提高。

綜合現有凍土機場排水設施的研究現狀，以新疆某機場道面修復工程為例，對凍害造成的道面破壞進行統計研究，采用數值模擬對復合土工膜對機場路基受力、變形影響進行分析，探索出合理有效的凍土區機場路基凍害控制措施。

1 機場道面破壞分析

新疆某機場處于季節性凍土區域，該工程跑道道面材料為水泥混凝土，跑道西端400 m延長段(圖1)由于凍土的凍融循環作用，剛投入使用不久便出現了一系列問題：跑道西端不均勻變形的錯臺、斷板等結構性病害突出，A停機坪也存在類似問題；跑道西端400 m共計1110塊道面板，已損壞的道面板共有446塊，其中出現裂縫的252塊、錯臺的76塊、破損的42塊、更新后仍損壞的道面板76塊，道面板的破損比例為40.2%。跑道西端道面沿中線左右兩側道面狀況指數(PCI值)分別為79.89和76.07，評定為“良”等級，接近“中”等級[7]。根據改進的機場水泥混凝土道面脫空判定標準[8]，該機場出現的12種典型破壞頻次見圖2，可以看出，縱向、橫向或斜向裂縫(即為道面板開裂產生相對橫向位移)，沉陷或錯臺(在裂縫或接縫處產生相對豎向位移)，小補丁(對道面坑洞進行修補產生補丁，因為該修補部分強度較弱，在沖擊荷載下產生破壞)這三種病害在該工程的病害中最為突出。

圖2 道面病害頻次統計及部分病害示意

脫空是導致沉陷、錯臺、補丁等病害的主要原因，根據工程現場反饋的機場跑道脫空率發現跑道西端400 m脫空現象最為嚴重。對西端400 m跑道進行取點，測量變形情況。首先將西端400 m跑道均分為10個部分，每個部分40 m，分別為P51—P60，而后對距離每個起點的不同位置處進行取點研究，如P51+12，表示距離P51部分的起點12 m處。分別統計中心線和距離中心線南北兩方向各9 m 3個斷面的部分點凍脹情況，各斷面變形曲線見圖3。由圖可看出，該跑道凍脹問題嚴重。

2 凍害原因

對于西端400 m跑道脫空嚴重的原因展開分析，發現導致病害嚴重的原因主要是由于下層土含水率較高、凍脹嚴重，進而使得道面脫空，在飛機巨大的沖擊荷載下，造成道面破壞。具體原因如下：

1) 環境水加重凍融循環破壞程度。由于采用基巖中開槽的結構層方式，加之結構層采用了透水的砂礫石層，同時存在著環境水的來源，在這些特定條件的組合下，凍融循環使得凍結層循環出現隆起和疏松的周期變化，這是導致跑道道面出現病害的主要原因。

2) 土體分布不均造成凍脹差異。路基基床土體分布不均勻，而不同種類的土體對于凍脹的反應程度也是不同的，從而造成凍脹差異，引起上部道面不同程度的沉陷。

3) 路基表面不平整。上文提到的脫空即為不平整的一種，不平整路面就會產生部分空洞，當周圍有水供給時，就會在該部位產生積水，從而加重凍脹，導致跑道道面發生破壞；脫空部位由于承載能力很低，在受到巨大沖擊荷載時，極易發生破壞，這也是產生跑道破壞的原因之一。

3 凍土機場場地變形的數值模擬分析

3.1 有限元模型參數設置

在西端400 m跑道范圍內，找出最易破壞的位置，即飛機降落瞬間機輪接觸點，利用Comsol軟件建立該機場西端400 m跑道飛機降落瞬間受力點截面的有限元模型。由于該工程地下水為穩定水面，根據填土的彈性模量等物理性質隨飽和度降低趨勢建立線性關系[2]，從而確定含水砂土彈性模量。跑道道面截面寬度取45 m，深度為20.4 m，取最北側、最深處跑道路基點為原點，兩機輪著地點取表層距離原點20和25 m處，與實際工程相符。

結合該機場實際工況，采用復合土工膜進行防滲處理。模擬時在距離砂土層頂部下方1.3 m處設置復合土工膜，土工膜上方為不含水砂土，下方為飽和砂土。土層及復合土工膜布設如圖4所示，具體土層信息模型參數如表1所示。實驗組與對照組均施加660 kN的飛機荷載[9]，下方設置固定約束，兩邊均設置水平約束，表面為自由約束。分析研究有無土工膜情況下機場路基的應力及變形情況。

圖4 土層及復合土工膜布設

表1 土層參數

3.2 有限元模型結果分析

根據有限元模型結果壓力水頭等值線(圖5、圖6)可以看出，設置復合土工膜可以有效延長水的滲流路徑、降低同位置壓力水頭大小，從而降低土中應力，提高土體承載能力，減小飛機沖擊荷載下的道面變形位移大小。圖7、圖8為不設土工膜與設置土工膜情況下的應力云圖，為方便觀看，將云圖中應力變形處，即云圖中凹陷處放大90倍。從云圖中可以明顯看出設置復合土工膜的道面豎向應力要明顯小于無復合土工膜的豎向應力。

圖5 不設置復合土工膜壓力水頭等值線

圖6 設置復合土工膜壓力水頭等值線

圖7 不設置復合土工膜應力云圖

圖8 設置復合土工膜應力云圖

圖9、圖10為2種工況下的豎向應力和豎向位移對比曲線，應力應變原點設置在模型最左端。通過比較可以看出設置復合土工膜能夠有效保護機場路基，減少病害。

由圖9可以看出，在飛機著陸時兩機輪處豎向應力達到最大，在荷載中點處應力值較低，而位于荷載施加點外側存在2個小突變；由圖10可以看出，在荷載中點處豎向位移達到最大。根據溫克勒彈性地基梁模型，畫出豎向位移和剪力示意(圖11、圖12)。由圖11可以看出，荷載中心點處應力較低，是因為由于兩側荷載點造成的剪應力正負號相反，相互抵消，從而使得兩荷載中點處剪應力為0，而荷載點外的兩個突變是由于荷載作用引起土體擠壓，兩側土體給予的約束應力造成。由圖12可以看出，豎向位移在兩機輪連線中點處達到最大，是由于機輪距離較近，瞬時沖擊對道面造成擠壓使得中點處產生位移疊加，導致兩荷載中點處位移最大。

圖11 剪力疊加示意

圖12 豎向位移疊加示意

為更清楚地比較數據的差異性，下面將取兩機輪及中點(距離路邊分別為20，22.5，25 m處)的豎向位移和豎向應力數據進行比較，如表2所示。

表2 有無土工膜道面位移、應力對比

由表2數據分析可得，設置復合土工膜的路基道面應力和飛機荷載沖擊瞬間的道面豎向位移顯著降低，豎向位移減小最高可達到11.55%，而豎向應力變化更為明顯，中點處豎向應力減少50%，兩加載點處應力變化也達到了16.5%，從而起到保護道面不受破壞的作用。豎向位移的減小，能夠保證道面平整度；豎向應力的減小，能夠保護水泥道面不會過早發生破壞，避免裂縫的產生。

路基中的水是導致道路過早發生破壞、壽命縮短的根本原因。設置復合土工膜減少滲透壓力，延長滲流路徑，阻止水的滲透，使得地下水面距離道面較遠。由于復合土工膜的低滲透性，使得被保護的土體中含水率明顯降低，凍脹明顯減小，而深處土體凍脹對上表面的影響相對較弱，從而能夠有效提升路基抗沖擊的能力。

3.3 土工膜布設深度對路面豎向位移的影響

運用上述有限元模型分析復合土工膜不同布設深度對豎向位移的影響，找出復合土工膜布設最佳位置。不同的埋置深度下，道面豎向位移及變化率如表3所示。

表3 不同布設位置產生的路基豎向位移對比 m

從表3中可以看出，豎向位移減小量在1.1 m之前均為正值，1.3 m變為負值，說明1.1 m為設置復合土工膜的最佳埋置深度。復合土工膜有最適埋置深度的原因是：當復合土工膜埋置深度較大時，土工膜上面土層厚度要比下面飽和土層厚度大很多，此時在荷載作用下，正常土層的受壓累計變形可能會比較薄的飽和土層的變形大，這就產生了復合土工膜在每種工況下的一個最適埋置深度。就本案例來說，復合土工膜最佳布設深度為距離砂土層表面1.1 m處。

4 現場應用

本道面工程場地處于相對富水的環境，環境水在道面土體中的富集易產生季節性凍土的凍脹危害，應采取必要的防護措施。從消除產生凍脹的原因與條件入手，結合本工程特點及場地水文地質條件，并考慮防水措施的有效性與投資經濟性，采取針對結構層直接防水為主，以外圍疏排、降水為輔的技術措施。考慮到單一技術措施處理效果有限，應采用多種措施綜合運用。具體措施為鋪設復合土工膜，同時設置防凍墊層和盲溝。

1) 鋪設復合土工膜：采用兩布一膜，在-20 ℃溫度時，其縱橫向的抗拉強度不小于14 kN/m，斷裂延伸率不大于20%，CBR頂破強度不小于2.5 kN。對新建道面基層下的砂礫石層采用防滲復合土工膜進行U字形包裹，其中砂礫石層頂部土工膜單邊包裹長度不小于10 m。

2) 鋪設墊層：開挖基槽，清除原有砂礫石墊層及松動基巖，設置1.3 m厚級配砂礫石墊層。材料要求：級配砂礫石，含鹽量不大于0.3%，粒徑5～50 mm，不均勻系數Cu≥5，曲率系數Cc=1～3；天然級配砂礫石料，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%，最大粒徑不大于10 cm。

3) 設置盲溝：圍繞跑道四周進行設置，縱向埋深2.4～4.1 m，斷面如圖13所示。

圖13 復合土工膜及盲溝結構示意

自采取該措施以來，該機場跑道一直沒有出現病害及其他凍脹問題，使用效果良好。從機場改造段現場應用效果來看，采用復合土工膜+墊層+盲溝的措施，可以較好地對地下水進行防滲控制，從而減小了凍害影響。

5 結論

本文根據新疆某機場實際工程情況，利用有限元建模模擬設置復合土工膜和不設土工膜2種工況，可以得出以下結論：

1) 環境水是凍土區機場道面破壞的根本原因，是凍融循環發生的最直接條件。解決凍土區機場跑道病害的主要方法就是要從消除環境水入手。

2) 設置復合土工膜的路基在飛機沖擊荷載作用下道面應力和道面豎向位移顯著降低。豎向位移減小最高可達到11.55%，而豎向應力變化更為明顯，中點處豎向應力減少50%，兩加載點處應力變化也達到了16.50%，從而起到保護道面不受破壞、延長路面壽命的作用。

3) 利用有限元模型研究復合土工膜在不同布設深度下對豎向位移變化的影響，可得豎向位移減小量在1.1 m之前均為正值，1.3 m變為負值，即1.1 m為設置復合土工膜的最佳埋置深度。

4) 結合工程特點及場地水文地質條件，考慮到單一技術措施處理效果有限，應采用多種措施綜合運用。采取針對結構層直接防水為主，以外圍疏排、降水為輔的技術措施，即設置復合土工膜進行隔水和防滲水、鋪設墊層、設置盲溝排水疏水，更好地保證防水措施的有效性與投資經濟性。