關于多年凍土地區(qū)跑道地基土性質(zhì)的研究

馬國杰 張美琳 彭奕興 彭夢凱 王龍鑫

摘? 要：凍土是一種結構非常復雜的多相體系，由礦物顆粒、冰、未凍水和氣體組成，其性質(zhì)與一般土有很大的差別。世界上的凍土面積大概占陸地總面積的23%，我國作為世界凍土第三大國，凍土在國土面積中所占比例更是不容忽視。然而，多年凍土會嚴重影響路基的穩(wěn)定性以及跑道的安全性、適用性和耐久性。因此，關于凍土在凍脹和融陷過程中所產(chǎn)生的變化和它對路基影響的研究就顯得尤為重要。目前國內(nèi)已有不少學者對于凍土性質(zhì)進行了分析研究，文章將根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)對多年凍土地區(qū)跑道路基土的性質(zhì)和處理方法進行總結。

關鍵詞：凍土性質(zhì);機場跑道路基;地基處理

中圖分類號：U416.1 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0033-02

Abstract： Frozen soil is a complex polyphase system composed of mineral particles， ice， unfrozen water and gas， and its properties are very different from those of ordinary soil. The permafrost area in the world accounts for about 23% of the total land area. As the country with the third largest frozen soil in the world， the proportion of permafrost area in the national land area cannot be ignored. However， the permafrost soil will seriously affect the safety of the roadbed as well as the safety， suitability and durability of the runway. Therefore， thorough studies on the changes of permafrost in the course of thawing and its effect on runway subgrade seems rather important. At present， many domestic scholars have studied the properties of permafrost. This paper will conclude the properties of runway subgrade soil and its improvement in permafrost regions according to the existing data.

Keywords： properties of permafrost soil; runway subgrade; ground improvement

引言

凍脹土地基的一次凍融循環(huán)主要包含兩個部分。首先，凍土中的水分在溫度降低的過程中逐漸凍結，從液態(tài)逐漸轉化為固態(tài)，土體發(fā)生凍脹。溫度降低到冰點時，就會發(fā)生凍結效應。土體中的水在此過程中形成冰夾層、結晶體和透鏡體， 這些結構與土顆粒相互結合導致土體的體積增加，使路面產(chǎn)生不均勻的上升甚至導致跑道道面破壞、結構物發(fā)生變形。

當氣候回暖時，土體中的固態(tài)結晶水又將重新轉化為液態(tài)，土體再次變形。失去原本固態(tài)水的支撐后，土體強度急劇降低。同時，液態(tài)水增多也會使土體由高強度的固體變?yōu)樗苄泽w甚至流體。路面以下土體的承載力越來越低，施加荷載后甚至會發(fā)生翻漿、斷裂、彈簧等現(xiàn)象。

一次次凍融循環(huán)對機場跑道是非常致命的。因為它不僅會導致道面變形，影響其安全性和使用壽命，而且季節(jié)性凍融產(chǎn)生的凍脹、翻漿等還會極大地威脅飛機起降時的安全。我國很多機場就位于多年凍土地區(qū)，例如已建成的漠河和加格達奇機場，規(guī)劃中的那曲機場等等。這些機場的跑道建設規(guī)劃將不可避免地需要工程師們處理路基土中的凍土病害問題。知己知彼，百戰(zhàn)不殆。因此，為了有效地控制凍土凍融產(chǎn)生的危害，對于多年凍土地區(qū)路基土性質(zhì)和其影響因素的分析研究十分必要。

1 凍土路基的影響因素

1.1 溫度及含水率的影響

凍結時溫度越低，土體的凍結深度越深且凍結速度越快。土體融化時溫度越高，土體中的零度線就越深，能夠融化的土體就越多，融化速度也越快。

溫度對土體的融化范圍也起主要作用，溫度越高土體本身的融化范圍越大，產(chǎn)生變形和固結的土體更多，土體的強度也更低。

土體融化后，土體中的水會排出固結，明鋒等人[1]認為土體內(nèi)含水率越高土體融化得越慢。土體的融化時變形其實是一個先快后慢的過程，大致可以分為三個階段： 快速融化階段、過渡階段和穩(wěn)定階段。土體剛開始融化時其孔隙水壓力消散速度較快，土體變形速度也快，也就是快速融化階段。但是隨著融化過程的進行，孔隙水壓力消散速度減慢，土體本身的變形速度相應減緩，稱為過渡階段。直到孔隙水壓力完全消散，土體變形達到穩(wěn)定。由此可以看出，對于含水率高的土體，固結時間也就越長，這一現(xiàn)象對土體的強度同樣有影響。

1.2 上部荷載的影響

機場跑道與一般道路的特性不同，往往需要更寬的道面且對不均勻沉降的要求更為嚴格。除此之外，飛機運行時給跑道路基施加的動力荷載效應及其影響深度比起鐵路、公路路基等也大得多。也就是說，上部荷載對于多年凍土地區(qū)跑道路基的影響更為突出。

沈哲等人[2]認為上部荷載對凍脹起到了抑制作用，存在有外界荷載時，凍脹率與凍結速率呈負指數(shù)函數(shù)形式，并且附加荷載越大土體的凍脹越弱。馬巍[3]等人的研究也表明施加荷載后土體內(nèi)土顆粒相當于受到圍壓作用。在生成的冰晶體和周圍土顆粒的雙重擠壓下，土體中的礦物顆?；蛘叩V物塊產(chǎn)生裂紋或者碎裂，碎裂后的礦物顆?？梢蕴畛渲車目障叮瑴p緩了土體體積增長。

因此可以看出施加外部荷載可以減緩土體的凍脹，并且荷載越大越明顯。

1.3 鹽分的影響

土體成分中鹽分的含量對土體本身的凍脹也有較明顯的影響，可能發(fā)生腐蝕、鹽脹、融陷等地基病害問題。

土體中含有的可溶性鹽分較多時，融化過程中鹽分隨含水量升高而溶解，土體的結構會遭到破壞，強度迅速降低。凍結過程中冰、水中的可溶性鹽類會因為水凍結成而析出，使得土體在凍脹過程中體積增加。

除此之外，一些鹽分在溫度變化過程中還可能生成新的鹽類。部分鹽類還會產(chǎn)生物理和化學腐蝕，發(fā)生毛細作用破壞建筑物，如果在這種含鹽量高的土體上修筑跑道，跑道就可能因為土體中鹽分被腐蝕，壽命縮短甚至被破壞。對于含鹽量較高土體如鹽漬土的處理方式，張旭等人[4]提出，可以根據(jù)機場建設的實際情況對土體采取換填處理、隔離法、設置防凍層等方法。

2 凍土地基的處理方式

了解地基凍土的相關性質(zhì)后就需要對其采取合適的處理方式提高其強度，避免發(fā)生破壞。對地基凍土進行處理時要謹慎，首先需要了解跑道周邊環(huán)境的氣候變化和地質(zhì)條件并做好萬全的施工準備，這樣一旦發(fā)生病害就可以及時采取合理的解決措施。根據(jù)魏成存[5]的研究，對于凍土地基的處理可以從以下幾個方面著手：

（1）可通過提高土體中礦物質(zhì)含量來增強土體的抗凍耐寒性能，比如施加一定量的氯化鈉可有效地減緩土體的凍脹現(xiàn)象。

（2）對土基進行充分壓實。但是此法適用于土體中的水分較少的情況，當土體中水壓較高時，壓實度越高凍脹反而越強烈。

（3）通過加強道面排水防止道面及時將道面上的水分排水下滲到路基來減輕凍脹。土體凍脹的一個原因是由于土體中的空隙過多，進行充分壓實后，土體中空隙較少，凍脹時其體積變化也相對較小，從而可以降低凍脹效應。

除了以上三種方法，劉偉博等人[6]還根據(jù)我國在多年凍土地區(qū)，如青藏、東北，已建成的鐵（公）路路面地基處理方法，提出了可能適用于飛機跑道路基土外設其他設施的方法來防止路基土的凍脹融陷對道面產(chǎn)生影響，威脅跑道路基的穩(wěn)定性和飛機的安全性：

（1）凍土覆蓋層較淺的地區(qū)可將凍土層挖去，換填更合適的材料（如壓密性較小的粗砂礫料）。

（2）鋪設隔熱層。這種方法可以在外界溫度較高時防止熱量傳遞至凍土地基引起地基土融化，從而有效保證了路基土的強度和穩(wěn)定性，但是在外界溫度較低時，它也會影響土體熱量的散失。

（3）采用熱管（或通風管）跑道——一種利用液-氣兩相介質(zhì)對流循環(huán)散熱的（熱虹吸）管狀降溫裝置，相當于給跑道施加了一個空調(diào)系統(tǒng)。但是熱管的鋪設更換維修等還需要進一步研究。

（4）采用塊碎石和空心磚護坡。塊碎石和空心磚護坡路基已經(jīng)在我國凍土地區(qū)的鐵（公路）路基工程中被證實能在避免凍土凍脹融陷，減少差異性沉降方面發(fā)揮顯著作用。但在實際工程中發(fā)現(xiàn)，由于跑道道面的特性不同，寬幅更大，照搬硬套這種方式顯然不太實際，具體的改進方法還需要我們進一步地探索研究。

3 結束語

凍土地基的凍融受到包括溫度、含水率、上部荷載、組成成分在內(nèi)的多種因素的影響，各個因素互相作用，機理十分復雜，難以具體檢測分析，這就導致目前人們對凍土地基的了解和研究仍不夠透徹。我國在凍土地區(qū)鐵（公）路路基方面已經(jīng)研究出了許多有效的解決方法，但是由于機場跑道道面的特殊性——更大的寬幅、更嚴格的差異性沉降要求、更大的動荷載、飛機大荷載短周期的重復作用等等，讓多年凍土地區(qū)跑道路基的處理變得可謂是難上加難。然而，這并不代表著跑道凍土地基是一個無解的難題。目前，國內(nèi)外已有許多研究人員針對凍土地區(qū)機場跑道道面材料的選擇提出了有效可行的解決方案，國外更是經(jīng)過了近半個世紀的研究歷程。隨著現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，對凍土的檢測手段也將越來越可靠，數(shù)據(jù)結果越來越精確。可以預見，未來凍土地區(qū)機場道面路基的僵局必將迎來融化的春天。

參考文獻：

[1]明鋒，李東慶，張宇.一維飽和凍土融化固結分析[J].冰川土，2016，38（04）：1067-1073.

[2]沈哲，李永毅，李澎，等.高寒地區(qū)機場土基凍脹特性試驗研究[J].施工技術，2010，39（S2）：8-11.

[3]馬巍，吳紫汪，常小曉，等.圍壓作用下凍結砂土微結構變化的電鏡分析[J].冰川凍土，1995（02）：152-158.

[4]孫俊，張旭.阿里機場鹽漬化凍土工程地質(zhì)特性及其改良[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（01）：93-99.

[5]魏成存.機場工程凍土土基處理方法探討[J].建筑技術開發(fā)，2016，43（01）：93+95.

[6]劉偉博，喻文兵，陳琳，等.多年凍土地區(qū)機場跑道修筑技術現(xiàn)狀[J].冰川凍土，2015，37（06）：1599-1610.