寒區機場跑道工程凍融病害的產生機理與防治技術

李春光

（中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 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、液態水和氣體4種基本成分組成的非均質、各向異性的多相復合體[1]。由于凍土中水分隨環境溫度的變化，在冰和水兩種狀態下相互轉化，從而導致凍土的物理力學性質呈現強烈的溫度敏感性和流變性。

隨著西部大開發的持續推進和“一帶一路”的不斷深入，我國在寒區修建了大量機場[2]，如漠河古蓮機場、大興安嶺鄂倫春機場和那曲機場等，并將持續推進寒區機場的建設。在這些機場跑道規劃設計過程中勢必考慮凍土隨溫度變化產生的凍脹和融沉病害現象，而凍土的溫度敏感性和流變性嚴重影響寒區機場跑道的穩定性、安全性和耐久性[3]。寒區機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”，從而加劇道基結構的不均勻沉降和凍融破壞，嚴重影響跑道的適航性。因此，本文根據國內外學者多年來對凍土性質和凍融變形的研究，總結歸納寒區機場跑道凍融變形的形成機理和防治措施，以期為寒區機場跑道、輸油站場和寒區高等級路基等大面積硬化封閉層的設計提供重要的科學依據。

1 凍融病害的產生機理及影響因素

1.1 凍融機理

在寒區修建工程需考慮季節性溫度變化帶來的地基土周期性凍結與融化過程。隨大氣溫度的降低，土體溫度下降至凍結溫度時產生凍結，內部孔隙水與外界補給水形成多晶體、透鏡體等形式的冰體引起土體體積增大，從而導致了地表的不均勻上升，產生凍脹現象。凍結溫度越低，凍結速度越快，凍結深度也越深。隨著溫度回升，凍結的土體開始融化，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，從而導致土體壓縮。土體在經歷多次凍融循環后，改變了土體的結構性，破壞了土顆粒的粘結力，使得土體強度嚴重下降[4]。

關于土體的凍脹作用，海內外專家學者提出了多種凍脹機理的理論。程國棟等[5]基于連續介質力學和熱力學，提出了飽和正凍土中的水、熱、力耦合模型，補充了以往研究僅有溫度場和水分場的不足。此外，經過大量試驗，海內外專家學者得出了一些關于凍土融沉有關的理論。周國慶通過對飽和砂層開展豎向凍融過程研究，觀察結構切向力受力變化，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、融沉過程往往是溫度場、水分場以及應力場三場耦合相互作用的結果，從而使得道路出現不均勻沉降、凍脹融沉病害。土體的凍脹融沉問題，本質上是熱質遷移。Edwin認為凍融通過改變土的結構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理論。通過有限元軟件進行數值模擬并與實驗結果對比，認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、過渡階段和穩定階段，對于含水率高的土體，其固結時間也越長。梁波等[7]通過對青藏鐵路清水河、北麓河土體進行室內試驗，認為土的壓實度和凍融循環次數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的路基土進行凍融循環實驗，認為凍融循環次數相同時，凍脹率隨塑性指數增加而增加，同種土的凍脹率隨凍融循環次數增加而增加。

“鍋蓋效應”是指土體中的水分會因溫度或水力梯度、蒸發等作用發生遷移，當地表存在不透氣的覆蓋層時，水分蒸發受阻而在覆蓋層下聚積，從而引發了一系列工程病害。在寒區大溫差作用下，“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、相變成冰的過程。在土體經歷凍脹融沉的過程中，“鍋蓋效應”是造成道基產生不均勻沉降的關鍵[8]。

多年凍土區和季節性凍土區溫差較大且水汽遷移比較活躍，使得“鍋蓋效應”廣泛存在于寒區鐵路、公路和機場跑道等工程中。如蘭州中川機場，年降水量僅為320mm左右，年蒸發量達到1400～1500mm以上，晝夜溫差較大，地下水存在于中川機場跑道下35m附近。在投入使用20年后，跑道中部產生了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，以及機場所在地的大溫差氣候、砂礫層和粉質黃土地質以及地基深層地下水的遷移等因素，為“鍋蓋效應”的形成提供了良好的環境條件，形成了典型的“鍋蓋效應”。

2 防治措施

2.1 改善路基土性能和結構設計

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

2.2 控制水分遷移和防止“鍋蓋效應”

“鍋蓋效應”是寒區機場跑道凍融病害的重要因素之一，它會導致覆蓋層下的水分聚集，進而引發一系列的工程病害。為了控制水分遷移和防止“鍋蓋效應”的發生，可以采取以下措施：

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

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

2.3 綜合管理和維護策略

寒區機場跑道的凍融病害防治還需要依靠綜合的管理和維護策略。

（1）定期巡檢和檢測技術應用。定期巡檢是及時發現和解決問題的關鍵步驟。應建立定期巡檢制度，對機場跑道進行定期檢測和評估。巡檢應涵蓋跑道表面、排水系統、照明設施、標志標線等關鍵部位。結合先進的檢測技術，如紅外熱成像、地面雷達和無損檢測技術等，可以全面評估跑道的狀況，對跑道的結構和性能進行全面監測和評估，及早發現潛在的凍融病害和結構問題。

（2）監測系統的應用。安裝有效的監測系統可以實時監測跑道的變形、溫度和濕度等關鍵參數，提前預警并采取相應的措施。這些監測系統可以提供數據支持，幫助及時發現凍融病害和異常情況，采取相應的維護措施。同時，定期對監測數據進行分析和評估，制定相應的維護計劃和預警機制。

（3）制定科學合理的維護養護措施。針對不同的凍融病害和結構問題，制定相應的維護養護措施是重要的管理策略。包括道面修復、補強和加固等，以確保跑道的安全性和穩定性。例如，對于凍脹問題，可以采用增加路面厚度、增設補償縫和改善排水系統等措施；對于融沉問題，可以采用修補破損部位、加固路基和排水系統的措施。同時，合理選擇和應用材料，如凍土改良材料、防凍脹劑和抗滲材料，有助于提高跑道的抗凍融性能和耐久性。

（4）建立應急處理機制。針對突發的凍融病害和結構問題，制定應急處理措施是必要的。通過建立應急處理機制，及時應對突發的凍融病害事件，以減小損失并保障航空運行的安全。應急處理措施應包括快速響應機制、臨時修復方案和安全預警機制等。在發生緊急情況時，及時采取措施，修復病害并確保跑道的安全運行。

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

2.4 新材料與新技術的應用

新材料與新技術的應用是提高寒區機場跑道工程的抗凍融性能和耐久性的關鍵手段。目前，針對凍土路基的改良和防治，已經涌現出一些新型材料和新技術的研究和應用。

（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、纖維材料和化學添加劑等被廣泛應用于凍土路基的改良中。這些材料可以增加土體的抗拉強度、抗壓強度和抗滲性能，改善土體的穩定性和耐久性。

（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象，從而有效地減少凍融引起的病害。這種材料在寒區機場跑道工程中具有廣泛的應用潛力，可以提高道面的抗凍脹性能和耐久性。

（3）抗滲材料。由于寒區機場跑道工程往往處于濕潤環境中，土體的抗滲性能對于防止水分積聚和“鍋蓋效應”的形成至關重要。抗滲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。常用的抗滲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構設計、控制水分遷移和防止“鍋蓋效應”、綜合管理和維護策略等措施，可以有效預防和減輕寒區機場跑道的凍融病害。然而，需要指出的是，寒區機場跑道的凍融病害問題具有一定的復雜性和特殊性，因此在實際應用中需要結合具體的工程情況和環境條件進行綜合考慮和處理。未來的研究還應加強對新材料和新技術的應用研究，以及通過室內試驗、現場觀測和數值模擬等手段，進一步提高對凍土路基凍融病害機理和防治措施的認識和理解，為寒區機場跑道工程的建設和維護提供科學依據。

3 結束語

本文結合文獻對寒區機場跑道工程凍融病害的產生機理與防治技術進行了綜述，基于上述分析，對該領域的發展提出幾點建議。

（1）我國的凍土面積分布較廣，加之機場跑道修建的特殊性（飛機大荷載、更嚴格的寬幅要求和更高的平整度要求），使得寒區線路工程修建的經驗難以成熟地轉化到機場工程建設中。在實際工程中，飛機荷載的作用必然導致地基溫度場的變化，而飛機荷載作用下道基結構層水—熱—力等多物理場耦合是復雜的變化過程，很多研究過程考慮單一，因此有待進一步研究。

（2）室內試驗和數值模擬中水汽、空氣流動、水熱邊界條件變化，需結合觀測數據和實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行進一步驗證。鑒于當前的研究現狀，凍土道基試驗設備的研發或許限制該領域研究水平進一步提高，應研發高精度的適用于凍土水熱力參數研究的試驗系統，通過大量的室內外試驗與凍土多場耦合計算結果進行驗證，實現研究成果與實際工程的高度結合。

（3）傳統的凍土區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構的研究顯得更為重要。

因此，今后應逐步將室內試驗、模型試驗、數值分析、現場原位試驗和實際工程病害檢測緊密結合，完善和改進寒區機場跑道工程凍融理論和防治措施，并應用于工程實踐中。