寒区工程锅盖效应病害调查与防治研究进展

张明礼，张瑞玲，冯德刚，严艳锋，周志雄，郝东苗，李 广

(1.兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050; 2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，兰州 730000;3.中交三公局桥梁隧道工程有限公司，北京 100012)

寒区工程的修筑显著改变了地基土体与大气的水热边界条件以及水热输运过程[1-2]。季节冻土区机场跑道[3]与路基[4-5]、多年冻土区宽幅路基[6-7]等研究发现土中水分因温度、蒸发等作用而向地表迁移。当地表存在不透气的覆盖层时，水分因蒸发受阻而在覆盖层下聚积，将这种现象称为“锅盖效应”或“覆盖效应”[8]。寒区工程覆盖层不仅增大了地表的吸热能力[9]，形成显著的“聚热效应”[10-11]，而且宽幅结构层在隔水性和大温差作用下，向上迁移的液态水和水汽受到路面的阻止而积聚在覆盖层下[6,9]，导致土体含水率增大甚至达到饱和，“锅盖效应”显著。表层工程构筑物在“聚热效应”和“锅盖效应”作用下经历冻融干湿循环，从而导致地基土体孔隙率增大、承载力下降[6,12-13]，发生开裂、沉陷、倾斜、挠曲变形、冻胀及融沉等病害，严重威胁寒区工程稳定性[14]。众多学者从室内、现场试验以及数值模拟等方面探究了“锅盖效应”现象。然而，目前寒区建设经验大多集中于温度场调控和下伏冻土冻胀、融沉对工程构筑物稳定性的影响分析[15]，对冻土工程水分运移，特别是水汽运移研究欠缺。

随着中国“西部大开发”的不断推进和“一带一路”倡议的深入实施，寒区机场跑道、输油站场、青藏高速公路等重大基础设施建设持续推进。这些穿越季节冻土区和多年冻土区的重大工程构筑物形成的大面积工程覆盖层将引起显著的“锅盖效应”，亟需深入研究寒区“锅盖效应”作用下的地基土体液态水、水汽输运及累积过程，分析“锅盖效应”形成机制及其对工程结构层变形的影响，提出有效的防控措施，为完善寒区工程水热力稳定计算方法奠定理论基础，调查了公路路基、高铁无砟轨道基床、机场跑道、输油站场面临的锅盖效应病害，从病害特征、形成机理、理论模型、防控技术等四个方面，综述寒区工程锅盖效应形成机理及病害防治的最新进展。在总结当前锅盖效应研究不足的基础上，对寒区工程“锅盖效应”研究提出建议，以期为寒区工程病害防控和寒区高等级路基、寒区机场跑道、输油站场等大面积硬化地坪设计提供科学依据。

1 病害调查

“锅盖效应”的形成包括非饱和地基土体在非冻结期水汽的冷凝过程及冻结期液态水和水汽迁移、相变成冰过程[16]，其外在主要影响因素是大温差作用。由于中国北方季节冻土区与多年冻土区温差大、水汽输运活跃，“锅盖效应”造成的工程病害频发，故对季节冻土区以及多年冻土区的锅盖效应进行病害调查分析。

1.1 季节冻土区机场跑道

兰州中川国际机场位于秦王川盆地，属典型的温带半干旱气候。年均降水量仅320 mm左右，年蒸发量1 400～1 500 mm，年温差和日温差均较大。中川机场跑道地下水深度35 m以上，混凝土面板下依次为砂砾层、石灰土层、自重湿陷性黄土层[17]。经过二十多年的使用后，跑道道面中部出现长度为几十厘米至几十米的3～5 cm纵横向道面裂缝，道面混凝土板严重开裂、道面平整度差、局部不均匀沉降达到10 cm[18-19]。道基中洞穴、软弱带、塌陷和道面裂缝、破损、不均匀沉降分布面积占到跑道总面积的1/3，而这些病害主要是由于土体含水量增加导致。由于地下水位较低，毛细作用不会对路基进行水分补充，水分补充主要来源于气态水的迁移。道基底部的砂砾层和黄土状粉土为土体孔隙中的水汽向上部运移和相态转化提供了便利条件。在场地环境大温差作用下，深层土中的水汽在温差的作用下通过砂砾层和黄土状粉土层迁移至道基上部，在不透气的混凝土道基下部聚集导致含水率逐渐增加，形成典型的锅盖效应。当较高含水量的土体在负温下冻结时即产生冻胀变形，使得道基向上隆起、甚至开裂；当高含水量的道基融化变形与湿陷性黄土在水分聚集作用下发生的湿陷变形叠加将产生可观的道面沉降或者道面结构层脱空；同时，道面雨水在裂缝和道面接缝处的不均匀入渗也会加剧道基水分聚集和变形，加剧道基软弱带、道面裂缝和不均匀沉降的发生。

地处干旱荒漠区的敦煌机场也有类似的病害发生。与中川机场不同的是其道基下的粉土层为盐渍土。道基在未铺设沥青混凝土面层前，道面裂缝分布较弱，变形量也相对较小。但在原道面上加补5 cm厚的沥青混凝土面层后，道面膨胀变形速度反而加快[18]。分析扩建后变形加快的原因主要是：在宽幅结构层的隔水性和大温差作用下，向上迁移的液态水和水汽受到路面的阻止而积聚在覆盖层下，致使土体含水量增大甚至达到饱和，“锅盖效应”现象显著。道面在“锅盖效应”作用下经历冻融干湿循环，导致路基填料孔隙率增大、承载力下降，加剧了膨胀等病害。

沈阳桃仙国际机场跑道的开裂为典型的深季节冻土区“锅盖效应”致灾案例。该机场跑道宽45 m，地下水位为28～35 m，最大冻深达1.48 m[20]。经过多年运营，跑道出现纵向、斜向裂缝；角隅断裂、沉陷与错台；胀裂和板底脱空等工程病害，以晚春和初夏时病害最为显著。桃仙机场位于中国东北地区，全年降水较少、地下水位较深，跑道浅层理应不会出现积水，但现场开挖探坑时发现，在距离道面不到1 m的碎石层下有大量的积水。姚仰平等[18]的研究认为机场跑道混凝土面层为不透水层，土体中的水汽在温差作用下发生向上迁移，形成“锅盖效应”。冬季大温差作用下，水汽在迁移的过程中便冷凝为水或者凝华为冰，引起地表冻胀开裂；夏季温度升高导致冰融化成水从而降低道基土体强度，引起融沉、脱空、沉降等病害。

张如如等[3]对山西长治机场跑道进行了路基含水率检测，该机场跑道道面由4.5 m×4.5 m的混凝土板铺成，宽45 m，道面结构厚50 cm，未设稳定层，下部为粉质黏土，地下水位深5 m左右。探孔检测结果表明，在土基表层0.5 m内含水率升高明显，相比于土路面，跑道中心含水率增大约为6%。1 m以下土层受道面结构的影响较小(图1)。因此道面结构层的存在对土基表层含水率增大作用显著。

图1 现场含水率沿深度分布

1.2 季节冻土区输油站场

关山输油站场位于兰州市黄峪乡，海拔2 400 m，最大冻深约130 cm，站场土质以粉土和粉质黏土为主。站场自2009年开建后，先后对泄压罐区与泵棚区，原碎石铺设地段浇筑宽幅混凝土面板。但自2016年入冬以来，场内地坪出现一系列冻胀病害且有进一步发展的趋势。主要表现为：①混凝土面板夏季大范围下沉开裂，部分场地地坪“凸”起[图2(a)]；②冬季冻胀导致面板纵向错台、开裂、隆起显著，隆起量达到20～30 cm[图2(b)]。为了明确站场变形成因，2019年1月24—29日现场开挖了探坑，发现相比于2009年修筑站场时的填料含水量，混凝土面板下部0～50 cm土体水分聚集显著，含水量增大5%～50%(图3)。该工程处在强蒸发季节冻土区，与兰州中川机场跑道水分聚集和冻胀破坏类似。调查表明站场既有盲沟深度1.2～1.5 m，且排水不畅，降雨沿裂缝和混凝土面板接缝入渗作用明显，为冻胀提供了水分补给来源。在降雨、融雪、融冰入渗和混凝土面板下部盲沟积水毛细作用及水汽运移综合作用下水分在混凝土面板下部富集，形成“锅盖效应”。冬季冻结期，聚集的水分冻胀顶托混凝土面板，导致混凝土开裂、错台。

图2 输油站场构筑物变形

图3 含水量沿深度变化

1.3 季节冻土区公路路基

地处西北内陆的新疆、内蒙古地区昼夜温差较大，降雨量少且蒸发强烈，地下水位较深，路基内部由于湿度梯度和温度梯度驱动的水汽运移作用剧烈。冉武平等[21]选取位于中国西北地区的G315新疆南疆路段进行湿度调研，发现沥青混凝土面层覆盖的路基含水量高于裸露地面，特别在50～100 m范围内含水量增大多达6%，路面覆盖效应显著[图4(a)]；路基顶面以下40～80 cm范围内含水量变化最大，从该范围向上或向下呈递减的趋势[图4(b)]，产生这一现象是由于“锅盖效应”导致沥青面层下部土壤水分聚集，导致基质吸力不断衰减，水汽迁移缓慢，造成中部含水量聚集。张玉等[22]对乌鲁木齐市S111K31+700、和静县S206K2+900和托克逊县S301K39+800路基在2015年1月—2016年12月期间的水分变化监测进行分析，同样也发现了类似的规律。在路面以下30 cm范围内，离路面结构越近路基湿度越大；在30～150 cm范围内，路基湿度受温度、大气降水及蒸发的多重影响，路基内部30～90 cm范围内湿度最大；在150～180 cm范围内，地下水位较深，毛细水不为路基供水，路基内的湿度受水汽向上迁移聚集而增大。

图4 路基湿度分布

1.4 季节冻土区高速铁路路基

哈大高速铁路是中国第一条修建于季节性冻土区的高速铁路客运专线，全线总长约为920 km，其中路基长约为230 km[23]。监测资料表明，自2012年底正式运营以来哈大高速铁路路基普遍存在约5 mm的冻胀，最大冻胀达20 mm，且大部分冻胀发生在A/B组填料和级配碎石中[24]。贺佐跃等[25]分析发现A/B组填料和级配碎石层都为粗颗粒填料，一般属于冻胀不敏感性土，并且这些粗颗粒填料的质量含水率很低，约为5%。因此，该土层理论上不会出现较大的水分聚集。但与此相反，最大冻结深度位于含水率较低的粗颗粒填料内。苗祺等[26]分析发现高速铁路无砟轨道结构密闭性良好。外界环境的改变使得路基填土中的水分蒸发且水汽不断地在轨道混凝土板下冷凝聚集，使得路基表层填料含水量增大，当温度降低时，路基土体冻结，水汽在温度梯度作用下不断向冻结锋面迁移，造成铁路路基较大的冻胀变形。成晨[27]指出在中国东北部以及西部高原地区，路基冻害是对铁路交通影响较大的一种病害。在这些地区进行铁路路基施工时，若采用透水性较差的材料，水分会在路基中聚集，长时间的低温环境下土壤内部的水分会冻结，结晶化的水相较于液态水，形态结构会产生较为明显的变化，使得路基不同部分出现膨胀，从而导致路基受力结构发生变化，出现开裂的现象。仝睿等[28]针对兰新铁路武威段的路基冻胀现场实测表明,由于入冬前路基浅层局部土体有一定体积含水率,浅层冻结之后,减小水分的蒸发;同时在温度梯度作用下,有不可忽略的地下水气向上迁移,加大浅层的冻胀，形成时变覆盖效应，导致路基内的水分迁移及冻胀。

1.5 多年冻土区高等级公路路基

为分析多年冻土区路面结构下部的水热变化差异，张中琼等[29]以青藏高原北麓河试验段为测试点，该路面宽11 m左右，面层为沥青混凝土结构，由厚度4 cm的AC-13细粒式改性沥青混凝土和厚度5 cm的AC-16改性沥青混凝土组成。张中琼等[7]在该试验段分别监测了路基中心、右路肩与右半幅中心中间三个位置5～400 cm深度范围的含水量变化情况。经过三年的含水率监测发现路基中心、右路肩和右半幅中心累积含水量在0.5～2.5 m深度分别增大1.4%、2%和2.3%左右(图5)。分析其原因认为浅层路面为不透水的沥青层，黑色路面的吸热作用使得浅层水分大量蒸发，而在覆盖面以下，土体水分在温度梯度作用下以气态水形式逐渐迁移至不透水层，受覆盖效应影响，这一迁移过程受阻，水汽凝结成液态水，覆盖面以下出现明显水分聚集。因此可知，多年冻土区大面积覆盖层的存在也容易导致“锅盖效应”的发生。

图5 不同路面位置和深度处土层水分累积量

综合上述病害调查分析可以看出：“锅盖效应”现象的出现都有一个共同的特征，即大面积覆盖层或部分覆盖层的存在。由于大面积覆盖层或部分覆盖层的存在使得地基水汽并不像天然地表一样自由蒸发，从而加剧覆盖层下含水量增加。然而，寒区工程环境为此过程提供了周期性的冻融循环边界条件，从而导致路基、跑道等出现沉陷、翻浆、开裂等一系列工程病害。

调查了甘肃、辽宁、吉林、山西、新疆、青海等地区的机场跑道、普通公路路基、高等级公路路基、高速铁路路基、输油站场道基等由“锅盖效应”诱发的工程病害并分析了其病害成因和特点，具体如表1所示。

表1 锅盖效应病害工程实例

2 机理分析

结合非饱和土水汽迁移的物理过程和内在机理，并按照边界条件和内部机理的不同，滕继东等[16]将“锅盖效应”分为两种情形。第一类“锅盖效应”即为不透气覆盖层下水汽因蒸发受阻遇冷凝结而聚集的现象，常发生在地下水位较浅、毛细较强的土中，常见如返潮现象。第二类“锅盖效应”是指在寒旱地区的冻结期，覆盖层内土体温度低于霜点，液态水和水汽相变成冰(冻结和凝华)，减小了土中空气湿度和含水率，从而加剧了水汽迁移，水汽以冰的形式储存于表层土体，造成覆盖层下总含水率(冰、水、汽)增加的现象。

在上述分类的基础上，张升等[30]通过试验验证了两类“锅盖效应”并分析了其内在机理。通过对不同初始含水率的试样开展不同温度条件下的水汽迁移试验，发现第一和第二类“锅盖效应”均能使试样土体顶部产生水分聚集，但第二类“锅盖效应”水分增加显著且含水率峰值位置与冻结锋面大致相同。为进一步分析寒区路基土体“锅盖效应”气态水迁移规律及其作用机理，罗汀等[31-32]和王乃东等[33]利用锅盖效应试验设备也进行了一系列试验，研究了温度梯度、初始含水率以及试验时间等因素对锅盖效应的影响。通过分析温度梯度这一影响因素发现：当土体上下边界为正温时，含水率会在覆盖层下出现最大值；当改变土体上边界为负温时，含水率不但会在覆盖层下出现最大值，而且还会在冻结锋面出现峰值。在分析初始含水率这一影响发现初始含水率较大时，非饱和土体中水分迁移以液态水为主；初始含水率较小时，非饱和土体中水分迁移主要以气态水为主。此后，罗汀等[34-35]以北京大兴国际机场为研究对象进行了“锅盖效应”现场试验，通过试验发现冬季地温的变化会影响“锅盖效应”的影响范围，且最大影响深度为50 cm。通过总结发现，“锅盖效应”的形成主要与初始含水率、温度梯度、路基土质和干密度等因素有关，通过控制以上因素可以有效减弱液态水或者汽态水的迁移，从而达到减弱“锅盖效应”的目的。

为进一步揭示“锅盖效应”形成机理，一些学者们在数值模拟上也做了相应的工作。张如如[36]采用多场耦合数值分析软件建立了考虑孔隙水汽相变的一维有限元模型。分析了不同土质类别机场跑道中，水分在道面结构阻滞和环境温度影响下的运移规律，对比分析了温差幅值、填土初始含水率和初始温度等因素对水分运移的影响，从季节性温度变化角度揭示了“锅盖效应”的形成机理；宋二祥等[37-38]采用有限元分析软件对道面下路基一维土柱进行数值模拟，结果显示温度分布对“锅盖效应”有较大的影响，即路基顶部温度比下部温度低时，在温度梯度作用下容易引起路基土体“锅盖效应”。贺佐跃等[39-40]通过建立耦合模型利用数值分析软件研究了“锅盖效应”气态水迁移的影响因素，研究发现土质差异对“锅盖效应”气态水的迁移也有很大的影响，粉土相比于其他土质更容易形成道面覆盖效应；季节性温度变化对砂土含水量影响最小，粉质黏土最大，黏土介于两者之间。

基于以上对于“锅盖效应”的形成机理分析可知，水分是导致“锅盖效应”产生的首要条件，温度梯度和覆盖边界是产生水分聚集的必要条件。综合分析而言，土体种类、含水量、补水条件、温度梯度等是影响路基土体“锅盖效应”的主要因素。

3 理论模型

非饱和土冻结过程是一个复杂的水-热-汽-气-力耦合过程，由于现有测量技术的局限性，土体冻结过程中仅能测量试样内的温度、液态水含量和热通量的变化过程，无法定量揭示冻结过程中含冰量、水汽密度的运移规律。数值模拟的优势在于能够再现冻结过程中土体内水分迁移和热量传递的整个过程，利用数值模拟去解释冻结过程中非饱和土中水、汽迁移和热量传递过程是一种合理而有效的手段。完备的理论模型是实现数值模拟的重要基础，因此以下简述学者们对于“锅盖效应”理论推导所做的努力。

已有的现场监测发现“锅盖效应”主要发生在非饱和土区域。对于非饱和土，由于非饱和孔隙的存在，水分迁移会以液态水和水汽两种形式进行。Penman[41]针对非饱和土中水汽的迁移过程，基于Fick定律首次提出了土体中水汽迁移理论；Philip等[42]在Penman的研究基础上，通过进一步研究提出了一种考虑水、汽耦合运移的模型；De Vries[43]综合考虑重力、温度和含水率梯度的影响，进一步推广并完善了土体水汽迁移理论(Philip-De Vries, PDV)模型；而Milly[44]基于Philip的研究基础，通过引入基质势变量这一物理参数，提出一种更适用于非均质土体的水-汽耦合运移模型；Nassar等[45]在Philip提出的PDV模型基础上，引入溶质吸力，使得PDV模型的数值分析结果更接近于工程实际；Sakai等[46]针对含水率较低条件下非饱和土的水、热、汽迁移问题，提出了一种更为准确的计算非饱和土中水、热、汽迁移的修正方法；Saito[47]通过对包气带中水、汽迁移过程进行研究，提出了一种新的水-热-汽耦合模型；其后，Sakai等[46]利用前人提出的水-热-汽耦合模型，在考虑冷凝与蒸发的条件下，研究了砂土中水、汽迁移现象。

上述模型均仅适用于非饱和融土中的水、汽耦合运移过程，并未考虑非饱和土的冻结过程。为此，Hansson等[48]将水-热-汽耦合模型扩展至冻土领域，建立了适用于冻融循环条件下的水-热-汽耦合模型，并进行了数值求解。随后，Zhang等[49]利用扩展后的模型阐明了非饱和土水、汽迁移以及冷凝成冰进而引起冻胀的整个过程(锅盖效应)。其中水分迁移的控制方程[16]为

(1)

式(1)中：θw、θv和θi分别是液态水体积分数、气态水体积分数和冰体积分数；ρw和ρi分别为液态水和冰的密度，kg/m3；h为水头高度，m；T为温度，K；z为空间坐标，方向竖直向上为正，m；t为时间，s；Kwh和KwT为由基质势及温度势导致的等温传导率，m/s，和非等温水力传导率，m2/(K·s)；Kvh和KvT为由基质势及温度势导致的等温气体传导率，m/s，和非等温气体传导率，m2/(K·s)。

能量控制方程[16]为

(2)

式(2)中：CP为等效比热容，J/(m3·K)；Cw和Cv分别为液态水和气态水的比热容，J/(m3·K)；Li和Lv分别为冻结和汽化时的潜热，J/kg；λ为等效导热系数，W/(m·K)；qw和qv分别为液态水通量和水汽通量，m/s。

张明礼等[50-51]、杨高升等[52]也建立了与其类似的水热、水-热-汽耦合模型，并将模型计算结果与野外监测数据进行了对比，验证了模型的有效性，为后续非饱和土热、质传输的进一步研究和水-热-汽-力耦合模型的建立奠定基础。同时，宋二祥等[37]通过理论推导也建立了一种水-热-气耦合模型，并通过数值模拟对路基土体“锅盖效应”问题进行了研究。北京大兴机场现场试验和数值模拟[53-56]对双锅盖效应进行了研究，并进一步探讨阻挡水蒸气迁移不透气层的最佳位置，为“锅盖效应”的防治提供了参考。

土体的水分变化与土体内部空气流动、液态水与水汽转化密切相关[57-60]。对于“锅盖效应”所包含的水-热-汽-气-力耦合过程，上述模型仅考虑水、汽(气)迁移和热量传递，在今后的研究中应提出能够涵盖冻胀变形过程的模型。此外，自然界和工程领域中的绝大部分非饱和土的孔隙中都存在空气，从而其间存在着复杂的毛细压力和各相间的耦合效应，使得非饱和土中多相耦合理论明显有别于饱和土。已有学者通过理论及试验研究发现，即使存在于饱和土中的少量的干燥气体也会对干旱区地表能量平衡和水分平衡过程产生很大影响[61]。因此，对于寒旱地区的“锅盖效应”很有必要在考虑孔隙干燥气体的基础上研究其水分迁移特性。

4 防治技术

“锅盖效应”的发生受到覆盖层、温度梯度、水汽、毛细力等多种因素的影响，锅盖效应的防治需要因地制宜地采取针对性的措施。针对多年冻土区的工程构筑物，已有研究提出了保护冻土、控制融化速率、综合治理的路基设计原则[62]，采用通风管[63]、块石[64-66]、热管[67]等“主动冷却”措施调控路基温度场。但是，对工程覆盖层内部的水汽运移和累积控制尚未开展。针对季节冻土区的高铁路基和公路冻胀问题，科研人员提出了不同的防冻胀措施，主要分为: 以控制路基温度为目的的保温措施，以减小路基含水量为目的的防排水措施，以及降低路基填料冻胀敏感性为目的的土质改性措施[26,68-69]。在特定条件下，锅盖效应导致的病害是由其中一种或者几种因素共同作用的结果，基于“锅盖效应”的形成机理，阻断或减弱水汽的迁移可有效防治“锅盖效应”引起的工程灾害。对此，姚仰平等[70]提出在露点位置铺设疏水隔气层的防治措施。露点即为冷凝或冷冻开始发生的温度，是干寒区“锅盖效应”冷凝或冷冻作用是否发生的分界线。在露点位置铺设水汽隔断层的目的在于隔断层可以截断水汽迁移的路径，使得深层气态水不再上升至浅层土，且露点位置以下虽然也存在温差和水汽迁移，但因温度达不到凝结或凝华条件，也就不会在隔断层处产生气态水的冷凝(冷冻)和聚集从而形成二次灾害。但目前铺设隔断层和疏水盲沟的防治措施仅在机场跑道中得到应用，对于大范围“覆盖效应”工程的应用还有待实践。

通过阅读文献资料，从“锅盖效应”的影响因素出发，提出了基于“阻-通-截”理念的综合防治措施，“阻”即在“覆盖工程”中铺设低导热面层(硅藻混合料)以阻隔热量、减小温度梯度；“通”即在靠近工程顶面的土层中分散铺设通气管线，通过在通气管线予以空气流动，使得上部边界土层中的水分能够实现一部分的自由蒸发，达到减弱“锅盖效应”中水分聚集的效果；“截”即铺设防水土工布隔断层，截断液态水和水汽的迁移通道。

总结已有防治经验，“锅盖效应”的防治措施可以概括为以下三点：①通过保温措施来控制路基温度以减小温度梯度；②通过铺设疏水隔气层来疏通减小路基含水量；③通过采用冻胀敏感性小的填料来减少土体的水分聚集，以达到减弱“锅盖效应”的目的。

5 结论与展望

5.1 结论

基于寒区工程锅盖效应形成机理及病害防治的最新进展，得到以下结论。

(1)寒区公路路基、高铁无砟轨道基床、机场跑道、输油站场均面临不同程度的锅盖效应，导致工程结构层沉陷、翻浆、开裂等一系列工程病害。

(2)水分是导致锅盖效应产生的首要条件，温度梯度和覆盖边界是产生水分聚集的必要条件，土体种类、含水量、补水条件、温度梯度等是影响路基土体“锅盖效应”的主要因素。

(3)对于“锅盖效应”所包含的水-热-汽-气-力耦合过程，已有研究仅考虑水、汽(气)迁移和热量传递，对于空气对流对水分累积的影响及水汽液化成水(凝华成冰)的转化对土体变形的影响缺乏考虑。

(4)阻断或减弱水汽的迁移可有效防治“锅盖效应”引起的工程灾害，研究者采取了有效的疏水隔汽防治措施,该措施对机场“锅盖效应”的防治效果良好，但暂且只在机场跑道中得到了实际的应用，对于铁路及公路路基的锅盖效应防治还有待工程检验。

5.2 展望

随着寒区旱区基础设施建设的推进，锅盖效应作用下的工程结构层液态水及水汽输运、累积过程及其防控措施研究取得了丰富的成果，对寒区大面积覆盖层工程构筑物的地基和基础设计起到了重要的指导作用，同时，仍有一些关键科学问题和工程技术问题尚未解决。基于目前的研究现状，今后可以重点开展以下研究。

(1)由于现有测量技术的局限性，对于已探得的“锅盖效应”的主要影响因素-水汽，工程和室内试验均未取得实际的测量。针对现有的“锅盖效应”室内及现场试验均未测得水汽含量的情况，建议采用pF meter传感器测得基质吸力，通过计算能够得到水汽的含量，以此能为“锅盖效应”研究提供数据支撑。

(2)相比于季节冻土区“锅盖效应”所做的研究分析，多年冻土区“锅盖效应”研究较少，液态水和水汽运移及冷凝转化机制尚不清楚。寒区工程在大温差、隔水层作用下的液态水迁移与水汽运移驱动力和运移机制，特别是对水汽凝结过程的正确理解是确定水分聚积范围、提出“锅盖效应”防治措施的基础和前提。因此，明确锅盖效应作用下液态水和水汽运移和冷凝规律是今后必须解决的关键科学问题。

(3)分析“锅盖效应”作用下路基长期稳定性不仅需要确定路基填料的长期强度参数，而且需要考虑液态水、水汽输运和长期累积对工程结构变形的作用。应构建考虑空气-水汽两相流和土体变形规律的水-汽-气-热-力耦合模型，预测工程构筑物稳定性，以期为寒区工程设计和病害防治提供理论支持和科学对策。

(4)“锅盖效应”的防治措施目前还缺乏试验验证，特别是对于“时变覆盖效应”的防治方法还有待进一步探索，建议今后可开展基于“阻-通-截”理念的综合防治措施研究，为寒区工程“锅盖效应”的病害防治提供更为有效的措施。