多年凍土對機場跑道地基的破壞機理及防控措施

王海英

山西機械化建設集團有限公司（030009）

凍土有其特殊性，會對基礎及地表以下部位產生破壞作用，包含凍脹、融沉等，同時上部建筑結構也易顯現出不同程度的不均勻沉降現象，隨之威脅到結構的質量，可見結構開裂等問題。受到荷載的作用，道面往往有較為明顯的開裂現象，后續衍生出唧泥等一系列的異常狀況。凍土的破壞面較廣，作用強度較大，而由于凍土導致的地基質量問題往往較為嚴重。機場跑道修建于多年凍土區時，質量問題發生概率更高，為此必須加強探討，以合理的方法處理凍土地基。

1 研究背景及意義

我國多年凍土區具有分布范圍廣、面積較大的基本特點。為了順應社會各界對航班運輸事業的要求，相繼在多年凍土區開展機場建設工作，以便構建互聯互通的航線網絡。以東北三省為例，至2030年，將新增40 個小型支線及通勤機場。在內蒙古自治區，其東北部的機場建設進程也在持續推進，如興安盟、呼倫貝爾盟。無論是東北三省還是內蒙古東北部，在機場建設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合理地開展機場建設是未來極具探討意義的課題。多年凍土的物理力學性質特殊，對溫度較為敏感，即便溫度有小幅度的變化，也有可能會對凍土的狀態造成影響，例如出現強度、熱參數的大幅度變化，并且往往伴有較為突出的流變特性。為此，若要在凍土區順利開展機場跑道建設，必須先明確凍土的溫度分布狀況，合理地組織規劃機場建設。

相比于公路、鐵路交通基礎設施，機場跑道的寬度更大，以滿足飛機的起降要求。飛機的荷載作用較強，對機場跑道的結構質量有更高的要求，由此也決定了機場跑道結構的特殊性。在此背景下，公路、鐵路的溫度場研究成果對于機場跑道而言缺乏足夠的參考價值，因此需要立足于機場跑道的實際條件，探尋多年凍土對跑道的具體破壞機理，并提出相應的防控措施，確保在多年凍土區建成高品質的機場跑道。

2 凍土的基本特性

根據我國機場建設規劃，為了更有效地提高百姓出行水平，機場建設范圍有所擴寬，相繼在多年凍土區開展機場建設。但多年凍土對溫度較為敏感，呈現出較為明顯的流變性特征，不利于機場建設進程的順利推進，質量問題高發。凍土指的是溫度在0 ℃以下的特殊土質，由含有冰的各類巖石和土壤組成。根據冰凍時間的不同，可分為短時凍土、季節凍土、多年凍土三大類。文章研究的多年凍土區，指的是存在兩年或更長時間凍結不融的土層。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融化層。凍結融化層對溫度較為敏感，具有“冬凍夏融”的特點，因此亦可稱之為活動層。活動層凍融后，土體呈現出不同程度的變形現象，迫使凍土區的土質發生改變，地基沉降隨之發生，即便凍土溫度僅存在微小的變化，也依然會對凍土強度造成顯著的影響。

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。凍土中的水分并不等同于冰，實際上其還含有部分未結凍的水。根據此特點，在分析凍土的含冰量時，不可局限于凍土融化后的含水量，否則所得的結果缺乏準確性。在分析時，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量占凍土水分總質量的比例。

2.2 力學特性

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

2.3 凍脹性

對于多年凍土區，若溫度達到某相對較低的狀態，其中水分將凍結，產生大量的冰凍顆粒，并逐步向正凍帶轉移，部分空閑區域將得到有效的填充處理。待凍土的體積膨脹至特定的規模時，顆粒間有相對位移現象，此時凍土顯現出凍脹問題。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移，可以發現此時冰凍層的厚度較之于前期有所增加，進而顯現出更為明顯的凍脹現象[2]。

3 多年凍土對機場跑道地基的破壞機理

3.1 機場跑道的特殊性

機場跑道的作業面較為寬闊，飛機動荷載與靜荷載的作用較強，會迫使凍土地基受到較強的高應力作用，與此同時地基發生凍脹、融沉現象，破壞機場跑道地基的性能，因此在多年凍土區修建機場跑道時，必須高度重視質量的控制。不僅于此，荷載影響深度、航空器起降的動力特性等也是需要重點考慮的內容。以波音B747-400 飛機為例，滿載起飛狀態下的荷載高達600 余t，但如此強烈的荷載卻僅作用于相對較小的范圍（相當于2.4 輛標準汽車的范圍），顯然有較大的荷載影響深度。在高應力狀態下，凍土的流變特性更為明顯。此時進一步增加凍土的控制難度，可能會在外力作用下發生失穩、變形現象。以哈爾濱太平國際機場為例，在該項目的建設中，要求地基的沉降量≤2 cm，橫向差異沉降量≤1 cm，足以見得對機場跑道地基建設質量的高標準、高要求特點。為此，需要高度重視多年凍土環境，保證建設于凍土上的跑道地基有足夠的穩定性，由此給飛機的順利起降提供保障，并提升機場跑道的耐久性[3]。

3.2 凍融對地基造成的破壞形式和機理

3.2.1 地基的凍脹破壞

在低溫凍結作用下，冰封面的水分和孔隙的毛細水將發生凍結，形成形態各異的冰浸土體。在該變化之下，土體顆粒有相對位移的趨勢，土體體積也因此發生改變，即呈現出凍脹現象。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，現場溫度保持相對較低的狀態，水膜遇低溫環境后原位凍結，形成冰鋒面。在形成冰鋒面過程中水分發生動態轉移（從高溫處轉向低溫處），受此影響，孔隙水分向冰鋒面匯集，從而構成冰透鏡體。由于凍脹的存在，地面普遍顯現出不同程度的上升跡象，隨之破壞地面的平整性，建設于該處的道面的平整度下降，嚴重威脅到飛機起降的安全性。

3.2.2 地基的融沉破壞

凍土融化期間，冰轉變為水，同時部分水向外排出，由此導致路基發生融沉破壞。通常，人類活動會對原凍土層的穩定狀態帶來影響，迫使其水熱平衡條件遭到破壞。可見，地基有滑塌、泥流等各類問題，地基的平整性和穩定性均有所不足，威脅到飛機的起降安全。

3.2.3 道面底板脫空、翻漿冒泥

現階段，我國機場跑道普遍采取的是水泥混凝土結構，但混凝土有自收縮應力的作用，還存在較為明顯的溫度應力。為有效減小應力的不良影響，通常采取結構分塊的設置方法，單塊尺寸普遍為0.5 m×0.5 m。在采取分塊設置的方法后，會出現縱、橫向接縫，而在工程中普遍將該部分設計為真縫，從而出現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，會導致結構內有明顯的積水現象，土基偏軟弱，強度大幅度下降。日常使用中，受飛機荷載的作用，路基內的膠凝材料與細集料的穩定性受到影響，部分由于水分的流動而被攜帶出，長此以往，道面板底部基層細集料減少，材料的填充作用有限，出現板底脫空現象。此時道面板的受力結構發生變化，即原有的荷載結構受到破壞，隨之出現簡支結構，嚴重時還將演變為懸臂結構，承載力每況愈下，板體顯現出裂縫，飛機起降的安全性難以得到保障。

4 凍土區地基病害的防治措施

4.1 換填砂礫石墊層

換填砂礫石重點考慮的是較大孔隙和較強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期間水分的遷移和聚集現象，從而緩解地基土的凍脹問題。在采取換填時，需要著重考慮的是上部跑道結構的功能需求、施工現場的地質條件、水文條件、氣候條件等多重因素，經過系統的分析后，確定合適的換填深度，并嚴格控制所用換填材料的含量。

4.2 適當加大結構層埋深

加大結構層埋深的基本思路是將基礎置于冰凍線以下，也可以對基礎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，也依然能夠保證機場跑道的穩定性。在施工中，除了考慮凍脹力對上部結構的影響外，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構層埋置深度。從適用性的角度來看，土質壓縮性較大、地下凍土較薄時，可以采用加大結構層埋深的處理方法。

4.3 合理設置保溫隔熱層

基本思路是根據跑道基礎底部的實際特點合理設置隔熱層，在此結構的作用下，阻止地基土與外部環境的熱量傳遞，減小融化深度，達到防止凍脹的效果。在保溫隔熱層施工中，材料通常考慮的是玻璃纖維、泡沫混凝土等。通過保溫隔熱層的設置，可以在溫度較高時阻隔外部熱量，以免其經由道面向凍土地基內傳遞，此時有利于維持凍土的熱穩定性，避免因熱量作用而發生異常。但需注意的是，在冬季低溫環境中，隔熱層阻止內部熱量的外散，難以有效防護凍土地基。為此，必須注重對保溫隔熱層的可行性分析，確保其與外界環境相協調，以發揮出防護的作用。

4.4 加強地面排水

依托于可行的排水設施，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偏潮濕的問題。在采取地面排水措施時，需要著重考慮如下幾點:①注重機場跑道橫坡設計，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部分建設區域的地下水位較高時，可以考慮在道面兩側修筑降水盲溝，采取此方法引排水；③對于深入到坪土基內的潛流、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 預壓加密土層

通過施加靜載荷的方法處理施工現場的地基，目的在于使地基土層轉為壓密的狀態，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，確保建設后的結構保持相對穩定的狀態，以防下沉、開裂。在對土層做預壓加密處理后，地基由松散轉變為相對密實的狀態，地基的變形量有所減小，可形成致密的“隔絕屏障”，以免水流進入其中，從而實現對地基的有效防護，以防凍脹對地基造成不良影響。

5 結語

在社會經濟持續發展之下，機場的建設規模隨之擴大，易遇到多年凍土區。若未經處理而直接施工機場跑道，容易由于凍脹、融沉等問題而影響地基的穩定性，隨之威脅到飛機的安全起降。為此，施工單位必須高度重視現場多年凍土區的實際特性，有針對性地采取換填、加大結構層埋深等相關方法，保證凍土區機場跑道地基的施工質量。