寒区机场跑道工程冻融病害的产生机理与防治技术

李春光

（中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

冻土是指温度在0℃或0℃以下且含有冰的各种岩石和土壤，一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体4种基本成分组成的非均质、各向异性的多相复合体[1]。由于冻土中水分随环境温度的变化，在冰和水两种状态下相互转化，从而导致冻土的物理力学性质呈现强烈的温度敏感性和流变性。

随着西部大开发的持续推进和“一带一路”的不断深入，我国在寒区修建了大量机场[2]，如漠河古莲机场、大兴安岭鄂伦春机场和那曲机场等，并将持续推进寒区机场的建设。在这些机场跑道规划设计过程中势必考虑冻土随温度变化产生的冻胀和融沉病害现象，而冻土的温度敏感性和流变性严重影响寒区机场跑道的稳定性、安全性和耐久性[3]。寒区机场跑道大面积的混凝土道面封闭层，引起地基中的水汽聚集在道面层下表面形成“锅盖效应”，从而加剧道基结构的不均匀沉降和冻融破坏，严重影响跑道的适航性。因此，本文根据国内外学者多年来对冻土性质和冻融变形的研究，总结归纳寒区机场跑道冻融变形的形成机理和防治措施，以期为寒区机场跑道、输油站场和寒区高等级路基等大面积硬化封闭层的设计提供重要的科学依据。

1 冻融病害的产生机理及影响因素

1.1 冻融机理

在寒区修建工程需考虑季节性温度变化带来的地基土周期性冻结与融化过程。随大气温度的降低，土体温度下降至冻结温度时产生冻结，内部孔隙水与外界补给水形成多晶体、透镜体等形式的冰体引起土体体积增大，从而导致了地表的不均匀上升，产生冻胀现象。冻结温度越低，冻结速度越快，冻结深度也越深。随着温度回升，冻结的土体开始融化，体积减小，在土体自重与外荷载作用下，融化的水分开始排出，从而导致土体压缩。土体在经历多次冻融循环后，改变了土体的结构性，破坏了土颗粒的粘结力，使得土体强度严重下降[4]。

关于土体的冻胀作用，海内外专家学者提出了多种冻胀机理的理论。程国栋等[5]基于连续介质力学和热力学，提出了饱和正冻土中的水、热、力耦合模型，补充了以往研究仅有温度场和水分场的不足。此外，经过大量试验，海内外专家学者得出了一些关于冻土融沉有关的理论。周国庆通过对饱和砂层开展竖向冻融过程研究，观察结构切向力受力变化，得出饱和砂土融化过程可分为三个阶段：负温升温、相变以及自由升温，之后融沉过程则由初始、急降以及缓降三个阶段组成。

1.2 冻融影响因素

对于冻土来说，冻结、融沉过程往往是温度场、水分场以及应力场三场耦合相互作用的结果，从而使得道路出现不均匀沉降、冻胀融沉病害。土体的冻胀融沉问题，本质上是热质迁移。Edwin认为冻融通过改变土的结构性使得土体垂直方向的渗透性增大。明锋等[6]考虑冰水相变的热传导方程和水分迁移方程，建立了以孔隙比为变量的融化变形固结理论。通过有限元软件进行数值模拟并与实验结果对比，认为土体融化速率随着含水率增高而变缓，土体融化时的变形过程可分为三个阶段：快速融化阶段、过渡阶段和稳定阶段，对于含水率高的土体，其固结时间也越长。梁波等[7]通过对青藏铁路清水河、北麓河土体进行室内试验，认为土的压实度和冻融循环次数对抑制土体的冻融变形可以起到积极作用，外部荷载虽能减小土体冻胀，却增加了融沉变形。王静通过对不同塑性指数的路基土进行冻融循环实验，认为冻融循环次数相同时，冻胀率随塑性指数增加而增加，同种土的冻胀率随冻融循环次数增加而增加。

“锅盖效应”是指土体中的水分会因温度或水力梯度、蒸发等作用发生迁移，当地表存在不透气的覆盖层时，水分蒸发受阻而在覆盖层下聚积，从而引发了一系列工程病害。在寒区大温差作用下，“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、相变成冰的过程。在土体经历冻胀融沉的过程中，“锅盖效应”是造成道基产生不均匀沉降的关键[8]。

多年冻土区和季节性冻土区温差较大且水汽迁移比较活跃，使得“锅盖效应”广泛存在于寒区铁路、公路和机场跑道等工程中。如兰州中川机场，年降水量仅为320mm左右，年蒸发量达到1400～1500mm以上，昼夜温差较大，地下水存在于中川机场跑道下35m附近。在投入使用20年后，跑道中部产生了3～5cm的长距离纵向裂缝，道面混凝土面板开裂和局部严重沉降，道面平整度降低，从而影响使用。由于道基下部土体含水量的增大，以及机场所在地的大温差气候、砂砾层和粉质黄土地质以及地基深层地下水的迁移等因素，为“锅盖效应”的形成提供了良好的环境条件，形成了典型的“锅盖效应”。

2 防治措施

2.1 改善路基土性能和结构设计

为了预防寒区机场跑道的冻融病害，需要采取一系列措施来改善路基土性能和结构设计。首先，可以通过提高土体的抗冻性来提高其稳定性。一种方法是增加土体中的矿物质含量，如在土体中添加氯化钠等物质，可以有效减缓土体的冻胀现象。此外，在土体的含水率较低时，还可以加强土体的碾压，以减小冻胀的影响。其次，针对冻土路基的设计，需要考虑长期累积温度应力和荷载的持续影响。在路基中铺设低导热层（如硅藻土混合料）可以阻隔热量的传导，减小温度梯度，从而降低“锅盖效应”的影响。此外，还可以通过选择合适的路基材料和结构形式，提高路基的稳定性和抗冻性能。

2.2 控制水分迁移和防止“锅盖效应”

“锅盖效应”是寒区机场跑道冻融病害的重要因素之一，它会导致覆盖层下的水分聚集，进而引发一系列的工程病害。为了控制水分迁移和防止“锅盖效应”的发生，可以采取以下措施：

（1）可以在道基中设置隔断层，用以截断液态水和水汽的迁移通道。常用的方法是在路基中铺设防水土工布隔断层，有效限制水汽的迁移。

（2）通过控制土体中的温度和水力梯度，可以减少水分的蒸发和迁移。

（3）可以采取排水措施，如设置排水系统和排水管道，及时排除道基内的积水，防止水分的滞留和聚集。

2.3 综合管理和维护策略

寒区机场跑道的冻融病害防治还需要依靠综合的管理和维护策略。

（1）定期巡检和检测技术应用。定期巡检是及时发现和解决问题的关键步骤。应建立定期巡检制度，对机场跑道进行定期检测和评估。巡检应涵盖跑道表面、排水系统、照明设施、标志标线等关键部位。结合先进的检测技术，如红外热成像、地面雷达和无损检测技术等，可以全面评估跑道的状况，对跑道的结构和性能进行全面监测和评估，及早发现潜在的冻融病害和结构问题。

（2）监测系统的应用。安装有效的监测系统可以实时监测跑道的变形、温度和湿度等关键参数，提前预警并采取相应的措施。这些监测系统可以提供数据支持，帮助及时发现冻融病害和异常情况，采取相应的维护措施。同时，定期对监测数据进行分析和评估，制定相应的维护计划和预警机制。

（3）制定科学合理的维护养护措施。针对不同的冻融病害和结构问题，制定相应的维护养护措施是重要的管理策略。包括道面修复、补强和加固等，以确保跑道的安全性和稳定性。例如，对于冻胀问题，可以采用增加路面厚度、增设补偿缝和改善排水系统等措施；对于融沉问题，可以采用修补破损部位、加固路基和排水系统的措施。同时，合理选择和应用材料，如冻土改良材料、防冻胀剂和抗渗材料，有助于提高跑道的抗冻融性能和耐久性。

（4）建立应急处理机制。针对突发的冻融病害和结构问题，制定应急处理措施是必要的。通过建立应急处理机制，及时应对突发的冻融病害事件，以减小损失并保障航空运行的安全。应急处理措施应包括快速响应机制、临时修复方案和安全预警机制等。在发生紧急情况时，及时采取措施，修复病害并确保跑道的安全运行。

（5）培训与技术支持。提供培训和技术支持，加强工作人员对跑道综合管理和维护的理解和技能。通过培训，工作人员可以掌握先进的管理理念和操作技术，提高对冻融病害的识别能力和应对能力[9]。

2.4 新材料与新技术的应用

新材料与新技术的应用是提高寒区机场跑道工程的抗冻融性能和耐久性的关键手段。目前，针对冻土路基的改良和防治，已经涌现出一些新型材料和新技术的研究和应用。

（1）冻土改良材料。通过在冻土路基中引入适量的改良材料，可以改变土体的物理和力学特性，提高其抗冻胀和抗融沉性能。例如，聚合物改性材料、纤维材料和化学添加剂等被广泛应用于冻土路基的改良中。这些材料可以增加土体的抗拉强度、抗压强度和抗渗性能，改善土体的稳定性和耐久性。

（2）防冻胀剂。防冻胀剂是一种添加到水泥基材料中的特殊添加剂，可以抑制水泥基材料在冻融循环过程中的体积变化。防冻胀剂可以减少水泥基材料中的冰晶体形成，阻碍冻胀过程中的胀破现象，从而有效地减少冻融引起的病害。这种材料在寒区机场跑道工程中具有广泛的应用潜力，可以提高道面的抗冻胀性能和耐久性。

（3）抗渗材料。由于寒区机场跑道工程往往处于湿润环境中，土体的抗渗性能对于防止水分积聚和“锅盖效应”的形成至关重要。抗渗材料可以有效地提高土体的渗透阻力，阻碍水分的渗透和迁移，从而减少水分聚集和水汽迁移所引起的病害。常用的抗渗材料包括聚合物改性材料、防水土工布和土壤胶凝剂等。

通过采取上述改善路基土性能和结构设计、控制水分迁移和防止“锅盖效应”、综合管理和维护策略等措施，可以有效预防和减轻寒区机场跑道的冻融病害。然而，需要指出的是，寒区机场跑道的冻融病害问题具有一定的复杂性和特殊性，因此在实际应用中需要结合具体的工程情况和环境条件进行综合考虑和处理。未来的研究还应加强对新材料和新技术的应用研究，以及通过室内试验、现场观测和数值模拟等手段，进一步提高对冻土路基冻融病害机理和防治措施的认识和理解，为寒区机场跑道工程的建设和维护提供科学依据。

3 结束语

本文结合文献对寒区机场跑道工程冻融病害的产生机理与防治技术进行了综述，基于上述分析，对该领域的发展提出几点建议。

（1）我国的冻土面积分布较广，加之机场跑道修建的特殊性（飞机大荷载、更严格的宽幅要求和更高的平整度要求），使得寒区线路工程修建的经验难以成熟地转化到机场工程建设中。在实际工程中，飞机荷载的作用必然导致地基温度场的变化，而飞机荷载作用下道基结构层水—热—力等多物理场耦合是复杂的变化过程，很多研究过程考虑单一，因此有待进一步研究。

（2）室内试验和数值模拟中水汽、空气流动、水热边界条件变化，需结合观测数据和实际工况提高水热及变形分析的可靠度，有必要针对具体工程进行进一步验证。鉴于当前的研究现状，冻土道基试验设备的研发或许限制该领域研究水平进一步提高，应研发高精度的适用于冻土水热力参数研究的试验系统，通过大量的室内外试验与冻土多场耦合计算结果进行验证，实现研究成果与实际工程的高度结合。

（3）传统的冻土区路基病害防治措施在一定程度上取得了显著的效果，但随着气候、环境的变化，新的防治措施研究变得尤为重要。新材料的使用将提高冻土路基的性能，未来关于前沿且高效的防冻胀、防融沉材料的研制以及符合道基结构的研究显得更为重要。

因此，今后应逐步将室内试验、模型试验、数值分析、现场原位试验和实际工程病害检测紧密结合，完善和改进寒区机场跑道工程冻融理论和防治措施，并应用于工程实践中。