摘要：该文依托西藏阿里某军用直升机停机坪工程建设展开，应用冻土的相关知识，分析了季节冻土的冻胀危害及其各影响因素，提出了有针对性的技术处理方案，并运用到建设中，成功解决了直升机停机坪地基季节冻土冻胀的问题，从而为类似工程积累了宝贵经验。
关键词：直升机停机坪；季节冻土；地基；冻胀
1 前言
西藏阿里某军事直升机停机坪工程位于阿里地区西北部，工程所在地海拔4310m，冻土深度1.8m，为典型的季节冻土区。冻土对道面可能产生的危害表现在几个方面，特别是机场的跑道、停机坪等，常因为冻胀等原因出现裂缝、不均匀沉降、错台，甚至损坏，融冻时可能因土基上部过湿而翻浆。不仅影响飞机的安全起降和飞行人员的安全，而且增加了结构的维修费用和缩短了结构的使用寿命。因此需要对冻害加以分析研究，并采取相应的工程技术措施进行经济、合理、可靠的防治。
2 工程概况及场区自然特征
2.1 工程概况
某军用直升机停机坪工程位于西藏阿里某县，共4个，每个停机坪建设面积为961㎡，道面平面尺寸为30m×30m，道肩宽1m；工程结构形式为填土处理地基，地基顶面增加细砂找平层及土工隔离层，其上为20cm厚水泥稳定碎石下基层，再上为20cm厚水泥稳定碎石上基层，最上层为20cm厚抗冻混凝土道面，刚性道面具有强度高，耐用等优点，其结构如如图1所示。
图1直升机停机坪道面结构图
2.2 场区地形地貌
区内地貌类型属高原湖盆区，为喀喇昆仑崇山峻岭和岗底斯山支脉，高原面保存完整，总的地势是南北高，中间低。
2.3 场区气候特征
场区内气候受其所处北半球中纬度带，太阳辐射角度大，距海洋远，海拔高以及与此相关的大气环流所控制，同时它又处在西北环流控制影响下，因此，自然环境比较恶劣，较突出的是空气稀薄缺氧、气温低、降水稀少、风沙大、年日温差大、霜冻期长，干冷季与温暖季变化分明，前者较长（10月至次年5月），后者较短（6月至9月）；场区内年平均气温为0.1℃，7月份平均气温为13.5℃，最冷月气温-28℃；地处高原寒带季风干旱地区，7—8月为雨季，年降雨量80 mm左右，降雨量集中，冬春季多大风。
2.4 场区工程地质特征
场区地形起伏，冻土层表层分布有粉土、粉细砂层，局部为砂砾土荒滩，表层呈微白色，场区西北部位于淡水湖边缘。场地土的工程地质参数分析见表1。
表1场区内冻土的工程地质参数
3 冻胀机理及影响因素
3.1 冻胀机理
冻胀是指土中水分冻结成冰时引起的土体体积膨胀。土层发生冻胀现象的次要原因是水分经冰冻成为冰的状态时，水分的体积要膨胀9%左右，主要原因是土层发生冻结时，水分经由未冻结区流进冻结区，使得水分在冻结区积聚，体积膨胀由小变大，产生了大量的冰侵体，其应力作用造成道面板的变形冻胀。冻胀宏观表现为土层不均匀鼓包、开裂，微观的冻结过程则为：土中水分结冰填充层中孔隙，从而扩大颗粒触点间距，导致土颗粒的相对移动。
3.2 冻胀影响因素
3.2.1 土质因素
含粉粒多的细粒土的渗透性较强，且毛细水可以及时补给，故水更易大量聚集，所以细粒土的冻胀很明显。当地下水位相同时，土壤的冻胀量随土颗粒大小而异，冻胀量越小；颗粒越细，冻胀量越大。粉性土冻胀量最大，粘性土次之，砂砾土最小。
3.2.2 含水量因素
土层发生冻胀的原因是水分的迁移和积聚，土体含水量大，则冻胀严重；当土体含水量小于某一值时，土的冻胀率为零。
很多相关资料表明，超出起始冻胀含水量的水分影响冻胀的发生（注：不是土中所有水分）。冻胀与含水量的关系可用式（1）表示：
η=α（W-Wp） （1）
其中，η为冻胀率，%；W为冻土层内冻前平均含水量，%；Wp为起始冻胀含水量，%；α为系数，选取不一，有0.3，0.67，0.8等不同的选择方式，根据试验确定。
3.2.3 温度因素
土体冻结过程，实际上是土中温度变化的过程。土体的冻结温度取决于土体的颗粒分散度、含水量、颗粒的矿物成分和水溶液的浓度。同一土质条件下，土体的冻结温度随着含水量的增大而增高。在任何负温下，土体总保持一定的未冻水含量，这些特性直接影响着冻胀特性。在封闭系统中，土体水分随负温增大不断冻结，未冻水含量减少，含冰量增大，土体积增大，因而土体的冻胀率随着土体的温度降低而增大。对于不同土质的土体，虽然冻胀率不同，但随温度变化的规律相似。
4 冻胀力及其分类
当停机坪的自重和附加载荷不足以与冻土中的冻胀力相平衡时，停机坪将在冻胀力的作用下产生冻胀变形，严重时将会引起结构的破坏。
依据冻胀力作用于道面板的位置和方向，可分为三类：水平冻胀力、法向冻胀力、切向冻胀力，如图2。
图2 作用于停机坪道面的冻胀力分布图
5 冻胀力的危害
5.1 水平冻胀力的危害
因停机坪道面两侧水平冻胀力对称分布，故对结构影响较小。
5.2 切向冻胀力及法向冻胀力的危害
切向冻胀力指地基土在冻结膨胀时，沿切向作用在道面板侧表面的而产生向上的力；垂直于冻结锋面及道面板底面，把道面板向上抬起的冻胀力，称为垂直作用于道面板底面的法向冻胀力，简称为法向冻胀力。这两种力同时作用于道面板，使面板上升、变形，致使结构物破坏。
无论哪种冻胀力，结构物的破坏程度与地基土的类型、含水量、外界温度以及结构物自身的刚度、外形等因素决定的，因此，这些因素也是对结构物产生危害的主要原因。
6 具体防治措施
为了确保工程质量，防止季节冻土危害的发生，针对场区内季节冻土的特征，综合考虑以上因素，施工时采取了多种防治措施相结合。
6.1 换填砂砾土
清除道槽及其影响区下覆土、粉土、粉细砂等，换填砂砾土。主要利用粗砂、卵石、砾石等粗颗粒材料的较大孔隙和较强的自由对流特性，消除冻结过程中水分的迁移和聚集现象，且在冻结的过程中水分从冻结锋面的高压端向未冻结面排出，从而削弱或消除地基土的冻胀。同时，砂砾石等粗粒料土还起到隔离层和缓冲层的作用，可以隔断地下毛细水上升的通道和缓和不均匀冻胀引起的结构层的升降。在采用换填法时，应根据道面结构的运用条件及结构特点、地基土质及地下水情况。确定合理的换填深度及黏性颗粒的含量。
6.2 增加道面结构层的厚度
上覆荷载对土体的冻胀有抑制的作用，冻胀作用随上覆荷载的增加而减小，增大道面结构层的厚度，同时可以提高整个道面结构层的整体性，对抑制不均匀冻胀的影响和减小冻胀量有重要的作用。
6.3 加强排水系统的设置
土体的冻胀与含水量密切相关，减小土体的含水量可以减小土体的冻胀率，土体含水量减小到一定程度，几乎不会冻胀。
排水的作用是降低地下水位及土体中的含水量。隔断外水补给及排出地表水，防止土壤含水量增大而造成潮湿。通常采取以下措施：在规范允许下尽量加大道面横坡设计；做好场区防排水工作，使场内不积水。
6.4 设置隔离层
在道槽区施工时，当填筑至道槽土基设计标高下1.0m时，薄铺一层2cm厚的砂层，再铺填二布一膜的土工材料，隔断地下水的毛细迁移通道，降低土体的含水量，对防治道面的冻胀有一定的作用。在道面下土体中设置土工格栅类高强纤维网，提高道面结构体的整体强度和增加道基的侧向约束，防治道面结构体的侧移和不均匀冻胀，遏制融沉。
7 结论
针对高原直升机停机坪工程的冻土冻胀问题，提出了防治措施，但冻土作为一个世界性的科学难题，要想取得良好的效果，必须根据各地的自然气候条件、土壤地质条件，理论与实践相结合的原则，综合考虑各种影响因素，采取相应的防治措施，多方面结合，才能保证工程结构物的安全性、稳定性、经济性。
目前，某军用直升机停机坪运营正常，地基冻胀问题得到了有效防治，文章所介绍的经验，为以后冻土地区类似工程施工提供参考。
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作者简介：
马同辉（1982—），男，汉族，河南周口，工程师，本科，主要从事交通工程施工技术工作。
论文作者:马同辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/5
标签：冻土论文; 停机坪论文; 含水量论文; 结构论文; 地基论文; 水分论文; 场区论文; 《基层建设》2019年第4期论文;