馬國杰 張美琳 彭奕興 彭夢凱 王龍鑫

摘? 要：凍土是一種結(jié)構(gòu)非常復(fù)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?xí)?yán)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(guān)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(xué)者對于凍土性質(zhì)進(jìn)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(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：凍土性質(zhì);機(jī)場跑道路基;地基處理

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(gè)部分。首先，凍土中的水分在溫度降低的過程中逐漸凍結(jié)，從液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為固態(tài)，土體發(fā)生凍脹。溫度降低到冰點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生凍結(jié)效應(yīng)。土體中的水在此過程中形成冰夾層、結(jié)晶體和透鏡體， 這些結(jié)構(gòu)與土顆粒相互結(jié)合導(dǎo)致土體的體積增加，使路面產(chǎn)生不均勻的上升甚至導(dǎo)致跑道道面破壞、結(jié)構(gòu)物發(fā)生變形。

當(dāng)氣候回暖時(shí)，土體中的固態(tài)結(jié)晶水又將重新轉(zhuǎn)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(qiáng)度急劇降低。同時(shí)，液態(tài)水增多也會(huì)使土體由高強(qiáng)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?xí)l(fā)生翻漿、斷裂、彈簧等現(xiàn)象。

一次次凍融循環(huán)對機(jī)場跑道是非常致命的。因?yàn)樗粌H會(huì)導(dǎo)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(huì)極大地威脅飛機(jī)起降時(shí)的安全。我國很多機(jī)場就位于多年凍土地區(qū)，例如已建成的漠河和加格達(dá)奇機(jī)場，規(guī)劃中的那曲機(jī)場等等。這些機(jī)場的跑道建設(shè)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(jié)時(shí)溫度越低，土體的凍結(jié)深度越深且凍結(jié)速度越快。土體融化時(shí)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(jié)的土體更多，土體的強(qiáng)度也更低。

土體融化后，土體中的水會(huì)排出固結(jié)，明鋒等人[1]認(rèn)為土體內(nèi)含水率越高土體融化得越慢。土體的融化時(shí)變形其實(shí)是一個(gè)先快后慢的過程，大致可以分為三個(gè)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(shí)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(jìn)行，孔隙水壓力消散速度減慢，土體本身的變形速度相應(yīng)減緩，稱為過渡階段。直到孔隙水壓力完全消散，土體變形達(dá)到穩(wěn)定。由此可以看出，對于含水率高的土體，固結(jié)時(shí)間也就越長，這一現(xiàn)象對土體的強(qiáng)度同樣有影響。

1.2 上部荷載的影響

機(jī)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(yán)格。除此之外，飛機(jī)運(yùn)行時(shí)給跑道路基施加的動(dòng)力荷載效應(yīng)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(rèn)為上部荷載對凍脹起到了抑制作用，存在有外界荷載時(shí)，凍脹率與凍結(jié)速率呈負(fù)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(dāng)于受到圍壓作用。在生成的冰晶體和周圍土顆粒的雙重?cái)D壓下，土體中的礦物顆粒或者礦物塊產(chǎn)生裂紋或者碎裂，碎裂后的礦物顆粒可以填充周圍的空隙，減緩了土體體積增長。

因此可以看出施加外部荷載可以減緩?fù)馏w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(shí)，融化過程中鹽分隨含水量升高而溶解，土體的結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，強(qiáng)度迅速降低。凍結(jié)過程中冰、水中的可溶性鹽類會(huì)因?yàn)樗畠鼋Y(jié)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(huì)產(chǎn)生物理和化學(xué)腐蝕，發(fā)生毛細(xì)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?yàn)橥馏w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(jī)場建設(shè)的實(shí)際情況對土體采取換填處理、隔離法、設(shè)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(guān)性質(zhì)后就需要對其采取合適的處理方式提高其強(qiáng)度，避免發(fā)生破壞。對地基凍土進(jìn)行處理時(shí)要謹(jǐn)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(zhǔn)備，這樣一旦發(fā)生病害就可以及時(shí)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(gè)方面著手：

（1）可通過提高土體中礦物質(zhì)含量來增強(qiáng)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?fù)馏w的凍脹現(xiàn)象。

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

（3）通過加強(qiáng)道面排水防止道面及時(shí)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(gè)原因是由于土體中的空隙過多，進(jìn)行充分壓實(shí)后，土體中空隙較少，凍脹時(shí)其體積變化也相對較小，從而可以降低凍脹效應(yīng)。

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(jī)跑道路基土外設(shè)其他設(shè)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(jī)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(shè)隔熱層。這種方法可以在外界溫度較高時(shí)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(qiáng)度和穩(wěn)定性，但是在外界溫度較低時(shí)，它也會(huì)影響土體熱量的散失。

（3）采用熱管（或通風(fēng)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(dāng)于給跑道施加了一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)。但是熱管的鋪設(shè)更換維修等還需要進(jìn)一步研究。

（4）采用塊碎石和空心磚護(hù)坡。塊碎石和空心磚護(hù)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(shí)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(shí)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(shí)際，具體的改進(jìn)方法還需要我們進(jìn)一步地探索研究。

3 結(jié)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(gè)因素互相作用，機(jī)理十分復(fù)雜，難以具體檢測分析，這就導(dǎo)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(jī)場跑道道面的特殊性——更大的寬幅、更嚴(yán)格的差異性沉降要求、更大的動(dòng)荷載、飛機(jī)大荷載短周期的重復(fù)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(gè)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(jī)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(gè)世紀(jì)的研究歷程。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(jié)果越來越精確?？梢灶A(yù)見，未來凍土地區(qū)機(jī)場道面路基的僵局必將迎來融化的春天。

參考文獻(xiàn)：

[1]明鋒，李東慶，張宇.一維飽和凍土融化固結(jié)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(jī)場土基凍脹特性試驗(yàn)研究[J].施工技術(shù)，2010，39（S2）：8-11.

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

[4]孫俊，張旭.阿里機(jī)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(jī)場工程凍土土基處理方法探討[J].建筑技術(shù)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(jī)場跑道修筑技術(shù)現(xiàn)狀[J].冰川凍土，2015，37（06）：1599-1610.