摘要：季冻土地区机场在季节变化过程中，受冻融循环影响，机场道面易出现裂纹、错台、断裂等形式的冻胀破坏，严重威胁机场飞行保障安全。为此，本文对东北地区2个新建机场道面冻胀行为进行持续观测，得到其冻胀变形规律，在此基础上结合现有理论研究，进一步探讨预防冻胀破坏的具体措施，为季冻土地区机场道面施工提供参考。
关键词：季冻土、机场道面、冻胀、观测、成因分析
1引言
季冻土一般指冬季冻结、夏季完全融化的土，主要分布于南北半球中高纬度地区，其厚度在北半球从北向南（南半球从南向北）逐渐减薄[1]。我国季冻土分布十分广泛，约占国土面积的53%[2]。在季冻土地区修建机场跑道，受季冻土冻融循环影响，机场道面易出现裂纹、错台、断裂等形式的冻胀破坏，特别是在雨水丰富且最大冻结深度大于道面结构层厚度的季节性冻土地区，机场道面冻胀危害尤为严重。通过对东北、西北部分机场道面病害的调研结果显示，由于冻胀引起的道面板破坏占比达20%以上，且多为结构性破坏，一旦出现，危害巨大。因而对季冻土地区机场道面冻胀进行深入研究，提出具体应对措施具有重要意义。
我国对于冻土、特别是季冻土的研究起步较晚，从1985年中国科学院兰州冰川冻土研究所首次翻译《冻土力学》开始，我国冻土相关的研究得到了不断发展[3]。目前季冻土地区的冻胀研究主要集中在公路、铁路及房屋工程领域，在机场中的应用研究还相对较少。薛小刚等[4]开展了粗粒土冻胀率的室内试验，分析了粗粒土地基上出现道面和道肩冻胀的原因；杨锐等[5]基于推导由冻胀引起的作用在道面面层的应力，从能量平衡的角度，推导出了作用在基层底面的冻胀应力解析式；沈哲等[6]通过对不同含水量条件下的土样冻胀后的各指标值进行分析，指出土体的冻胀受降温速率、土样的含水率、上覆荷载等因素的影响，并存在复杂的函数关系。翁兴中等[7]对戈壁滩地区无人工基础机场道面的冻胀原因进行了分析，提出了一套完整的道面冻胀损坏的修补技术和方法。
当前对于机场道面冻胀问题的研究主要集中在冻胀机理和预防措施上，但对机场道面冻胀随时间和季节的变化规律的现场观测还相对较少[8]。本文依托东北季冻土地区2个机场道面工程，对新建机场道面进行持续观测，得到机场道面冻胀随时间和季节的变化规律，并结合理论研究及施工实际，提出了机场道面冻胀的防治措施。
2冻胀观测结果与分析
2.1工程概况
依托东北季冻土地区2个机场道面工程，对新建机场道面进行持续观测。工程代号分别为1101工程和1102工程。
1101工程：该机场位于内蒙古自治区东北部，地势东高西低，多为丘陵，海拔603至772米之间，平均海拔612.9米。属中温带半湿润半干旱大陆性季风气候。春季多大风而少雨，蒸发量大；夏季温凉而短促，降雨集中；秋季降温快，霜冻早冬季严寒漫长，地面积雪时间长。该工程道面结构自上而下依次为30cm厚山皮石垫层，20cm厚水泥稳定碎石基层，2cm厚砂找平层，26～28cm厚道面混凝土。该工程于2011年4月动工，2011年10月竣工。图2.1为1101工程观测现场图片。
1102工程：该机场位于辽宁省中南部，属低山丘陵区。属于暖温带半湿润的季风气候，兼有海洋性的气候特点，四季分明、气候温和、空气湿润、降水集中、季风明显、风力较大。。该工程道面结构自上而下依次为30cm厚山皮石垫层，20cm厚水泥稳定碎石基层，2cm厚砂找平层，26～28cm厚道面混凝土。该工程于2011年4月动工，2011年08月竣工。图2.2为1102工程观测现场图片。
2.2观测结果
对两个机场典型新建道面进行了连续2年的高程观测。1101工程选取P0+200至P0+208段24个观测点，具体观测高程变化以2011年10月工程完工时的道面标高为准；1102工程选取P0+292至P0+300段24个观测点，具体观测高程变化以2011年08月工程完工时的道面标高为准。具体观测数据如表2.1所示。
表2.1 各观测点道面高程变化数据（单位：mm）
2.3数据分析
图2.3和图2.4给出了新建机场混凝土道面高程随时间的变化规律曲线。在机场道面施工后第一个冬季（2012年2月），受冻胀影响，1101工程道面平均提高12.0mm，1102工程道面平均提高13.3mm。在道面施工后第二个冬季（2013年2月），受冻胀影响，1101工程道面平均提高5.0mm，1102工程道面平均提高2.9mm。由观测结果可以看出，对于地基未受扰动的机场道面，冻胀的影响逐年减小，1101工程和1102工程第二年冻胀幅度分别为第一年冻胀量的48.5%和21.8%。
在机场道面施工后第一个夏季（2012年8月），由于季冻土的融沉及地基受荷沉降的双重影响，道面高程明显回落。由观测结果可以看出冻胀的影响并没有完全消除，1101工程道面增幅仍有2.2mm，1101工程道面增幅仍有2.9mm。在机场道面施工后第二个夏季（2012年8月），道面受冻胀的影响逐渐减弱，受荷沉降影响逐渐加大，道面高程增幅进一步减小，1101工程道面增幅为1.6mm，1101工程道面增幅为0.6mm，基本恢复至施工后道面高程。
通过图2.3和2.4对比可知，位于降水丰富地区的1102工程，不均匀冻胀危害更为明显，而位于降雨相对较少地区的1101工程，虽然冻胀幅度与1102工程类似，但冻胀较为均匀，冻胀危害明显较弱。
图2.3 1101工程道面高程变化曲线 图2.4 1102工程道面冻胀变化曲线
3机场道面冻胀机应对措施
季冻土的冻胀过程十分复杂，目前一般采用“毛细水迁移理论”来解释季冻土的冻胀机理。道面结构下土体在冬季气温降低到零度以下后，土中的水分会凝结成冰，形成冻结锋面。冻结锋面一般位于道面基层下部位置，相对稳定。随着低温的持续，冻结锋面随着土中颗粒的吸附作用以及结晶时的吸附作用，会把周围的水会吸附到冻结锋面区域附近，因此冰晶体不断的在冻结锋面上增长进而引起冻胀现象的出现。
从季冻土的冻胀机理可以得出，机场道面冻胀现象的发生需要具备冻胀敏感性的土体、充足的水源补给以及合适的温度梯度这三个基本条件。针对这一特点，结合前文观测结果，可以从三个方面考虑防治冻胀现象的发生：
3.1改善道面土基土质
改善道面土基土质是防治冻胀现象发生的主要方法，包括换填法、压实法、化学改良法。①换填法。即用砂土、砂砾土等粗粒类土置换受季节冻融影响的敏感性土体。换填法的优点是施工简便，适用范围广，缺点是小范围换填效果不明显，大范围换填造价较高，单位价格控制冻胀效率较低。②压实法。即对土基进行充分压实，压实可以减小冻胀量，提高冻融稳定性。其优点是造价相对较低，施工方法简单，缺点是受施工质量影响较大，如压实度达不到标准可能适得其反。③化学改良法。土体的冻结温度与土体中的矿物质含量有密切关系，通过添加化学药剂，加大土体的矿物质含量可以降低冻结温度和冻胀率。优点是减少土方工程量、降低造价，其缺点在于施工工艺在野外环境下难以保证，且易破坏环境。
3.2保持道面土基温度
保持道面土基温度的主要思路是通过设置特殊的低导热性能的材料，降低土基与外部环境之间的热传导，从而减小季节冻土土基冻结深度，在一定程度上降低了土基发生冻胀灾害的可能性。该种方法具有施工简单，投资较小等优势。常用的保持道面土基温度材料包括有机类保温材料和无机类保温材料。其中，生产和使用最多的是有机类保温材料，主要有团粒聚苯乙烯、可发性聚苯乙烯、挤出型聚苯乙烯、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨脂等。
3.1控制道面土基水量
控制道面土基水量是减少季节冻土冻胀的另一个有效途径。其主要思想是减少或切断外部水分补给，即使在土基上部冻结的情况下，如果没有充分的水分补给，土基依然不会发生明显的冻胀病害。针对具体工程可以采用加强道面排水，降低道面周围的地下水位等方法控制道面土基水量。该方法为防治道面冻胀的辅助方法，应用效果十分明显。
4结语
对东北2个机场竣工后近两年的高程变化观测，得到以下结论：①换季节性冻土地区冻胀引起的机场道面高程变化明显；②随着竣工时间的延长，冻胀影响逐渐减弱；③建道面地基受冻胀和沉降共同作用明显，且各段高程变化量较为离散容易引起错台、断板现象的发生。另外，结合机场道面的观测结果和冻胀机理，从改善道面土基土质、保持道面土基温度和控制道面土基水量三个方面阐述了机场道面冻胀的防治措施。
参考文献：
1.马巍，王大雁.冻土力学[M].北京：科学出版社，2014.
2.周幼吾，郭东信，邱国庆等．中国冻土[M]．北京：科学出版社，2000.
3.崔托维奇 著，张长庆，朱元林译.冻土力学[M].北京：北京科学出版社，1985.
4.薛小刚，岑国平，王新忠，洪刚.粗粒土地基道面冻胀原因及防治措施[J].公路工程，2017，42（4）：31-35.
5.杨锐，王肖戎，许金余，吴洪.高寒地区机场道面基层底面冻胀应力的计算[J].空军工程大学学报（自然科学版），2007，8（3）：16-18.
6.沈哲，李永毅，李澎，张罗利，张禹.高寒地区机场土基冻胀特性试验研究[J].施工技术，2010，38（增）：8-11.
7.翁兴中，赵文奇，陈卫星，王世智.戈壁滩地区无人工基础机场跑道冻胀损坏修补技术［C］∥第四届国际道路和机场路面技术大会论文集，2002，21（4）：24-26.
8.李永毅，李忠友，赵宏昌，吴士斌，孙凤彬.某机场混凝土道面冻胀观测结果分析[J].低温建筑技术，2014，36（10）：149-150.
论文作者:李强1,李忠友1,何玉成2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/19
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