呂秋臻，張 瑾,*，時(shí) 偉，李廣勝，張甲峰

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525；2.上海民航新時(shí)代機(jī)場設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120)

為保證飛機(jī)安全起降，要求機(jī)場跑道具有一定的強(qiáng)度、平坦度、粗糙度和穩(wěn)定性。由于機(jī)場跑道路面寬幅大并受到較大的沖擊荷載，使得其受力情況與普通公路鐵路不同。我國凍土區(qū)面積分布較廣，季節(jié)性凍土面積達(dá)到我國領(lǐng)土面積的50%以上[1]。在經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展過程中，旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，越來越多的機(jī)場建造于凍土之上，而由于凍土區(qū)的凍融循環(huán)作用，建設(shè)過程中就必然會(huì)面臨凍脹和融沉兩大危險(xiǎn)，加之較大的沖擊荷載，使得機(jī)場跑道建設(shè)形勢就更為復(fù)雜，這也成為很多地區(qū)交通建設(shè)的阻力。

凍融循環(huán)作用對(duì)土的力學(xué)性能和穩(wěn)定性都有較大影響，而土層中的水是導(dǎo)致凍脹破壞的根本原因。排水疏水是解決跑道凍脹問題最關(guān)鍵的方法，翁曉波[2]運(yùn)用有限元模擬地下水和降水情況下設(shè)置土工格柵和復(fù)合土工膜對(duì)路基的影響，得出加入土工格柵和復(fù)合土工膜可以有效降低降水和地下水對(duì)路基的影響。張聚賢[3]以蘭新線路為例，通過有限元建模研究發(fā)現(xiàn)，鋪設(shè)復(fù)合土工膜能夠有效減少凍害數(shù)量和最大凍脹高度。牛富俊等[4]依托新建哈大客運(yùn)專線，在路基中設(shè)置封閉復(fù)合土工膜，從而阻隔外界水分流入，保持了內(nèi)部路基主體含水量的穩(wěn)定，減少凍脹。曹立[5]以哈大客運(yùn)專線為依托，發(fā)現(xiàn)路基中層及上層土凍脹受到含水量影響較大，設(shè)置復(fù)合土工膜對(duì)路基凍結(jié)期水分遷移起到隔斷作用。LIU Y Y等[6]發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)土工膜后，路基中水分受季節(jié)降雨的影響較小，濕度變化小，路基水穩(wěn)定性大大提高。

綜合現(xiàn)有凍土機(jī)場排水設(shè)施的研究現(xiàn)狀，以新疆某機(jī)場道面修復(fù)工程為例，對(duì)凍害造成的道面破壞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，采用數(shù)值模擬對(duì)復(fù)合土工膜對(duì)機(jī)場路基受力、變形影響進(jìn)行分析，探索出合理有效的凍土區(qū)機(jī)場路基凍害控制措施。

1 機(jī)場道面破壞分析

新疆某機(jī)場處于季節(jié)性凍土區(qū)域，該工程跑道道面材料為水泥混凝土，跑道西端400 m延長段(圖1)由于凍土的凍融循環(huán)作用，剛投入使用不久便出現(xiàn)了一系列問題：跑道西端不均勻變形的錯(cuò)臺(tái)、斷板等結(jié)構(gòu)性病害突出，A停機(jī)坪也存在類似問題；跑道西端400 m共計(jì)1110塊道面板，已損壞的道面板共有446塊，其中出現(xiàn)裂縫的252塊、錯(cuò)臺(tái)的76塊、破損的42塊、更新后仍損壞的道面板76塊，道面板的破損比例為40.2%。跑道西端道面沿中線左右兩側(cè)道面狀況指數(shù)(PCI值)分別為79.89和76.07，評(píng)定為“良”等級(jí)，接近“中”等級(jí)[7]。根據(jù)改進(jìn)的機(jī)場水泥混凝土道面脫空判定標(biāo)準(zhǔn)[8]，該機(jī)場出現(xiàn)的12種典型破壞頻次見圖2，可以看出，縱向、橫向或斜向裂縫(即為道面板開裂產(chǎn)生相對(duì)橫向位移)，沉陷或錯(cuò)臺(tái)(在裂縫或接縫處產(chǎn)生相對(duì)豎向位移)，小補(bǔ)丁(對(duì)道面坑洞進(jìn)行修補(bǔ)產(chǎn)生補(bǔ)丁，因?yàn)樵撔扪a(bǔ)部分強(qiáng)度較弱，在沖擊荷載下產(chǎn)生破壞)這三種病害在該工程的病害中最為突出。

圖2 道面病害頻次統(tǒng)計(jì)及部分病害示意

脫空是導(dǎo)致沉陷、錯(cuò)臺(tái)、補(bǔ)丁等病害的主要原因，根據(jù)工程現(xiàn)場反饋的機(jī)場跑道脫空率發(fā)現(xiàn)跑道西端400 m脫空現(xiàn)象最為嚴(yán)重。對(duì)西端400 m跑道進(jìn)行取點(diǎn)，測量變形情況。首先將西端400 m跑道均分為10個(gè)部分，每個(gè)部分40 m，分別為P51—P60，而后對(duì)距離每個(gè)起點(diǎn)的不同位置處進(jìn)行取點(diǎn)研究，如P51+12，表示距離P51部分的起點(diǎn)12 m處。分別統(tǒng)計(jì)中心線和距離中心線南北兩方向各9 m 3個(gè)斷面的部分點(diǎn)凍脹情況，各斷面變形曲線見圖3。由圖可看出，該跑道凍脹問題嚴(yán)重。

2 凍害原因

對(duì)于西端400 m跑道脫空嚴(yán)重的原因展開分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致病害嚴(yán)重的原因主要是由于下層土含水率較高、凍脹嚴(yán)重，進(jìn)而使得道面脫空，在飛機(jī)巨大的沖擊荷載下，造成道面破壞。具體原因如下：

1) 環(huán)境水加重凍融循環(huán)破壞程度。由于采用基巖中開槽的結(jié)構(gòu)層方式，加之結(jié)構(gòu)層采用了透水的砂礫石層，同時(shí)存在著環(huán)境水的來源，在這些特定條件的組合下，凍融循環(huán)使得凍結(jié)層循環(huán)出現(xiàn)隆起和疏松的周期變化，這是導(dǎo)致跑道道面出現(xiàn)病害的主要原因。

2) 土體分布不均造成凍脹差異。路基基床土體分布不均勻，而不同種類的土體對(duì)于凍脹的反應(yīng)程度也是不同的，從而造成凍脹差異，引起上部道面不同程度的沉陷。

3) 路基表面不平整。上文提到的脫空即為不平整的一種，不平整路面就會(huì)產(chǎn)生部分空洞，當(dāng)周圍有水供給時(shí)，就會(huì)在該部位產(chǎn)生積水，從而加重凍脹，導(dǎo)致跑道道面發(fā)生破壞；脫空部位由于承載能力很低，在受到巨大沖擊荷載時(shí)，極易發(fā)生破壞，這也是產(chǎn)生跑道破壞的原因之一。

3 凍土機(jī)場場地變形的數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型參數(shù)設(shè)置

在西端400 m跑道范圍內(nèi)，找出最易破壞的位置，即飛機(jī)降落瞬間機(jī)輪接觸點(diǎn)，利用Comsol軟件建立該機(jī)場西端400 m跑道飛機(jī)降落瞬間受力點(diǎn)截面的有限元模型。由于該工程地下水為穩(wěn)定水面，根據(jù)填土的彈性模量等物理性質(zhì)隨飽和度降低趨勢建立線性關(guān)系[2]，從而確定含水砂土彈性模量。跑道道面截面寬度取45 m，深度為20.4 m，取最北側(cè)、最深處跑道路基點(diǎn)為原點(diǎn)，兩機(jī)輪著地點(diǎn)取表層距離原點(diǎn)20和25 m處，與實(shí)際工程相符。

結(jié)合該機(jī)場實(shí)際工況，采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲處理。模擬時(shí)在距離砂土層頂部下方1.3 m處設(shè)置復(fù)合土工膜，土工膜上方為不含水砂土，下方為飽和砂土。土層及復(fù)合土工膜布設(shè)如圖4所示，具體土層信息模型參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組均施加660 kN的飛機(jī)荷載[9]，下方設(shè)置固定約束，兩邊均設(shè)置水平約束，表面為自由約束。分析研究有無土工膜情況下機(jī)場路基的應(yīng)力及變形情況。

圖4 土層及復(fù)合土工膜布設(shè)

表1 土層參數(shù)

3.2 有限元模型結(jié)果分析

根據(jù)有限元模型結(jié)果壓力水頭等值線(圖5、圖6)可以看出，設(shè)置復(fù)合土工膜可以有效延長水的滲流路徑、降低同位置壓力水頭大小，從而降低土中應(yīng)力，提高土體承載能力，減小飛機(jī)沖擊荷載下的道面變形位移大小。圖7、圖8為不設(shè)土工膜與設(shè)置土工膜情況下的應(yīng)力云圖，為方便觀看，將云圖中應(yīng)力變形處，即云圖中凹陷處放大90倍。從云圖中可以明顯看出設(shè)置復(fù)合土工膜的道面豎向應(yīng)力要明顯小于無復(fù)合土工膜的豎向應(yīng)力。

圖5 不設(shè)置復(fù)合土工膜壓力水頭等值線

圖6 設(shè)置復(fù)合土工膜壓力水頭等值線

圖7 不設(shè)置復(fù)合土工膜應(yīng)力云圖

圖8 設(shè)置復(fù)合土工膜應(yīng)力云圖

圖9、圖10為2種工況下的豎向應(yīng)力和豎向位移對(duì)比曲線，應(yīng)力應(yīng)變?cè)c(diǎn)設(shè)置在模型最左端。通過比較可以看出設(shè)置復(fù)合土工膜能夠有效保護(hù)機(jī)場路基，減少病害。

由圖9可以看出，在飛機(jī)著陸時(shí)兩機(jī)輪處豎向應(yīng)力達(dá)到最大，在荷載中點(diǎn)處應(yīng)力值較低，而位于荷載施加點(diǎn)外側(cè)存在2個(gè)小突變；由圖10可以看出，在荷載中點(diǎn)處豎向位移達(dá)到最大。根據(jù)溫克勒彈性地基梁模型，畫出豎向位移和剪力示意(圖11、圖12)。由圖11可以看出，荷載中心點(diǎn)處應(yīng)力較低，是因?yàn)橛捎趦蓚?cè)荷載點(diǎn)造成的剪應(yīng)力正負(fù)號(hào)相反，相互抵消，從而使得兩荷載中點(diǎn)處剪應(yīng)力為0，而荷載點(diǎn)外的兩個(gè)突變是由于荷載作用引起土體擠壓，兩側(cè)土體給予的約束應(yīng)力造成。由圖12可以看出，豎向位移在兩機(jī)輪連線中點(diǎn)處達(dá)到最大，是由于機(jī)輪距離較近，瞬時(shí)沖擊對(duì)道面造成擠壓使得中點(diǎn)處產(chǎn)生位移疊加，導(dǎo)致兩荷載中點(diǎn)處位移最大。

圖11 剪力疊加示意

圖12 豎向位移疊加示意

為更清楚地比較數(shù)據(jù)的差異性，下面將取兩機(jī)輪及中點(diǎn)(距離路邊分別為20，22.5，25 m處)的豎向位移和豎向應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 有無土工膜道面位移、應(yīng)力對(duì)比

由表2數(shù)據(jù)分析可得，設(shè)置復(fù)合土工膜的路基道面應(yīng)力和飛機(jī)荷載沖擊瞬間的道面豎向位移顯著降低，豎向位移減小最高可達(dá)到11.55%，而豎向應(yīng)力變化更為明顯，中點(diǎn)處豎向應(yīng)力減少50%，兩加載點(diǎn)處應(yīng)力變化也達(dá)到了16.5%，從而起到保護(hù)道面不受破壞的作用。豎向位移的減小，能夠保證道面平整度；豎向應(yīng)力的減小，能夠保護(hù)水泥道面不會(huì)過早發(fā)生破壞，避免裂縫的產(chǎn)生。

路基中的水是導(dǎo)致道路過早發(fā)生破壞、壽命縮短的根本原因。設(shè)置復(fù)合土工膜減少滲透壓力，延長滲流路徑，阻止水的滲透，使得地下水面距離道面較遠(yuǎn)。由于復(fù)合土工膜的低滲透性，使得被保護(hù)的土體中含水率明顯降低，凍脹明顯減小，而深處土體凍脹對(duì)上表面的影響相對(duì)較弱，從而能夠有效提升路基抗沖擊的能力。

3.3 土工膜布設(shè)深度對(duì)路面豎向位移的影響

運(yùn)用上述有限元模型分析復(fù)合土工膜不同布設(shè)深度對(duì)豎向位移的影響，找出復(fù)合土工膜布設(shè)最佳位置。不同的埋置深度下，道面豎向位移及變化率如表3所示。

表3 不同布設(shè)位置產(chǎn)生的路基豎向位移對(duì)比 m

從表3中可以看出，豎向位移減小量在1.1 m之前均為正值，1.3 m變?yōu)樨?fù)值，說明1.1 m為設(shè)置復(fù)合土工膜的最佳埋置深度。復(fù)合土工膜有最適埋置深度的原因是：當(dāng)復(fù)合土工膜埋置深度較大時(shí)，土工膜上面土層厚度要比下面飽和土層厚度大很多，此時(shí)在荷載作用下，正常土層的受壓累計(jì)變形可能會(huì)比較薄的飽和土層的變形大，這就產(chǎn)生了復(fù)合土工膜在每種工況下的一個(gè)最適埋置深度。就本案例來說，復(fù)合土工膜最佳布設(shè)深度為距離砂土層表面1.1 m處。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

本道面工程場地處于相對(duì)富水的環(huán)境，環(huán)境水在道面土體中的富集易產(chǎn)生季節(jié)性凍土的凍脹危害，應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。從消除產(chǎn)生凍脹的原因與條件入手，結(jié)合本工程特點(diǎn)及場地水文地質(zhì)條件，并考慮防水措施的有效性與投資經(jīng)濟(jì)性，采取針對(duì)結(jié)構(gòu)層直接防水為主，以外圍疏排、降水為輔的技術(shù)措施?？紤]到單一技術(shù)措施處理效果有限，應(yīng)采用多種措施綜合運(yùn)用。具體措施為鋪設(shè)復(fù)合土工膜，同時(shí)設(shè)置防凍墊層和盲溝。

1) 鋪設(shè)復(fù)合土工膜：采用兩布一膜，在-20 ℃溫度時(shí)，其縱橫向的抗拉強(qiáng)度不小于14 kN/m，斷裂延伸率不大于20%，CBR頂破強(qiáng)度不小于2.5 kN。對(duì)新建道面基層下的砂礫石層采用防滲復(fù)合土工膜進(jìn)行U字形包裹，其中砂礫石層頂部土工膜單邊包裹長度不小于10 m。

2) 鋪設(shè)墊層：開挖基槽，清除原有砂礫石墊層及松動(dòng)基巖，設(shè)置1.3 m厚級(jí)配砂礫石墊層。材料要求：級(jí)配砂礫石，含鹽量不大于0.3%，粒徑5～50 mm，不均勻系數(shù)Cu≥5，曲率系數(shù)Cc=1～3；天然級(jí)配砂礫石料，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%，最大粒徑不大于10 cm。

3) 設(shè)置盲溝：圍繞跑道四周進(jìn)行設(shè)置，縱向埋深2.4～4.1 m，斷面如圖13所示。

圖13 復(fù)合土工膜及盲溝結(jié)構(gòu)示意

自采取該措施以來，該機(jī)場跑道一直沒有出現(xiàn)病害及其他凍脹問題，使用效果良好。從機(jī)場改造段現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，采用復(fù)合土工膜+墊層+盲溝的措施，可以較好地對(duì)地下水進(jìn)行防滲控制，從而減小了凍害影響。

5 結(jié)論

本文根據(jù)新疆某機(jī)場實(shí)際工程情況，利用有限元建模模擬設(shè)置復(fù)合土工膜和不設(shè)土工膜2種工況，可以得出以下結(jié)論：

1) 環(huán)境水是凍土區(qū)機(jī)場道面破壞的根本原因，是凍融循環(huán)發(fā)生的最直接條件。解決凍土區(qū)機(jī)場跑道病害的主要方法就是要從消除環(huán)境水入手。

2) 設(shè)置復(fù)合土工膜的路基在飛機(jī)沖擊荷載作用下道面應(yīng)力和道面豎向位移顯著降低。豎向位移減小最高可達(dá)到11.55%，而豎向應(yīng)力變化更為明顯，中點(diǎn)處豎向應(yīng)力減少50%，兩加載點(diǎn)處應(yīng)力變化也達(dá)到了16.50%，從而起到保護(hù)道面不受破壞、延長路面壽命的作用。

3) 利用有限元模型研究復(fù)合土工膜在不同布設(shè)深度下對(duì)豎向位移變化的影響，可得豎向位移減小量在1.1 m之前均為正值，1.3 m變?yōu)樨?fù)值，即1.1 m為設(shè)置復(fù)合土工膜的最佳埋置深度。

4) 結(jié)合工程特點(diǎn)及場地水文地質(zhì)條件，考慮到單一技術(shù)措施處理效果有限，應(yīng)采用多種措施綜合運(yùn)用。采取針對(duì)結(jié)構(gòu)層直接防水為主，以外圍疏排、降水為輔的技術(shù)措施，即設(shè)置復(fù)合土工膜進(jìn)行隔水和防滲水、鋪設(shè)墊層、設(shè)置盲溝排水疏水，更好地保證防水措施的有效性與投資經(jīng)濟(jì)性。