多年冻土对机场跑道地基的破坏机理及防控措施

王海英

山西机械化建设集团有限公司（030009）

冻土有其特殊性，会对基础及地表以下部位产生破坏作用，包含冻胀、融沉等，同时上部建筑结构也易显现出不同程度的不均匀沉降现象，随之威胁到结构的质量，可见结构开裂等问题。受到荷载的作用，道面往往有较为明显的开裂现象，后续衍生出唧泥等一系列的异常状况。冻土的破坏面较广，作用强度较大，而由于冻土导致的地基质量问题往往较为严重。机场跑道修建于多年冻土区时，质量问题发生概率更高，为此必须加强探讨，以合理的方法处理冻土地基。

我国多年冻土区具有分布范围广、面积较大的基本特点。为了顺应社会各界对航班运输事业的要求，相继在多年冻土区开展机场建设工作，以便构建互联互通的航线网络。以东北三省为例，至2030年，将新增40 个小型支线及通勤机场。在内蒙古自治区，其东北部的机场建设进程也在持续推进，如兴安盟、呼伦贝尔盟。无论是东北三省还是内蒙古东北部，在机场建设中普遍存在高寒多年冻土的特殊地层，因此如何在多年冻土区合理地开展机场建设是未来极具探讨意义的课题。多年冻土的物理力学性质特殊，对温度较为敏感，即便温度有小幅度的变化，也有可能会对冻土的状态造成影响，例如出现强度、热参数的大幅度变化，并且往往伴有较为突出的流变特性。为此，若要在冻土区顺利开展机场跑道建设，必须先明确冻土的温度分布状况，合理地组织规划机场建设。

相比于公路、铁路交通基础设施，机场跑道的宽度更大，以满足飞机的起降要求。飞机的荷载作用较强，对机场跑道的结构质量有更高的要求，由此也决定了机场跑道结构的特殊性。在此背景下，公路、铁路的温度场研究成果对于机场跑道而言缺乏足够的参考价值，因此需要立足于机场跑道的实际条件，探寻多年冻土对跑道的具体破坏机理，并提出相应的防控措施，确保在多年冻土区建成高品质的机场跑道。

根据我国机场建设规划，为了更有效地提高百姓出行水平，机场建设范围有所扩宽，相继在多年冻土区开展机场建设。但多年冻土对温度较为敏感，呈现出较为明显的流变性特征，不利于机场建设进程的顺利推进，质量问题高发。冻土指的是温度在0 ℃以下的特殊土质，由含有冰的各类岩石和土壤组成。根据冰冻时间的不同，可分为短时冻土、季节冻土、多年冻土三大类。文章研究的多年冻土区，指的是存在两年或更长时间冻结不融的土层。高纬度和高海拔往往是多年冻土的两大突出地理特征。多年冻土在以纬度相对较高的东北大、小兴安岭和海拔较高的青藏高原等地，约占国土总面积的22%，分布范围较广。多年冻土的地表通常存在冻结融化层。冻结融化层对温度较为敏感，具有“冬冻夏融”的特点，因此亦可称之为活动层。活动层冻融后，土体呈现出不同程度的变形现象，迫使冻土区的土质发生改变，地基沉降随之发生，即便冻土温度仅存在微小的变化，也依然会对冻土强度造成显著的影响。

2.1 物理特性

含水量和含冰量均是冻土物理特性中的重要指标。冻土中的水分并不等同于冰，实际上其还含有部分未结冻的水。根据此特点，在分析冻土的含冰量时，不可局限于冻土融化后的含水量，否则所得的结果缺乏准确性。在分析时，需要选择合理的测量方法，如体积含冰量。体积含冰量指的是冰的体积占冻土总体积的比例，而相对含冰量指的是冰的质量占冻土水分总质量的比例。

2.2 力学特性

含冰量将在很大程度上对冻土的力学特性带来影响。冻土对温度较为敏感，随着温度的降低，冰的凝固状态较好，强度随之提高。同时，在应变速率发生变化后，冰的强度也将随之改变，此时影响冻土的特性。冻土的强度易受到外部环境因素的影响，包括但不限于应变速率、温度、压力。以应变速率为例，此项指标发生变化后，冻土的强度随之改变，总体上冻土具有从塑性转向脆性的特点[1]。

2.3 冻胀性

对于多年冻土区，若温度达到某相对较低的状态，其中水分将冻结，产生大量的冰冻颗粒，并逐步向正冻带转移，部分空闲区域将得到有效的填充处理。待冻土的体积膨胀至特定的规模时，颗粒间有相对位移现象，此时冻土显现出冻胀问题。以温度逐步降低的变化条件为例，存在于冻土中的水分开始转移，可以发现此时冰冻层的厚度较之于前期有所增加，进而显现出更为明显的冻胀现象[2]。

3.1 机场跑道的特殊性

机场跑道的作业面较为宽阔，飞机动荷载与静荷载的作用较强，会迫使冻土地基受到较强的高应力作用，与此同时地基发生冻胀、融沉现象，破坏机场跑道地基的性能，因此在多年冻土区修建机场跑道时，必须高度重视质量的控制。不仅于此，荷载影响深度、航空器起降的动力特性等也是需要重点考虑的内容。以波音B747-400 飞机为例，满载起飞状态下的荷载高达600 余t，但如此强烈的荷载却仅作用于相对较小的范围（相当于2.4 辆标准汽车的范围），显然有较大的荷载影响深度。在高应力状态下，冻土的流变特性更为明显。此时进一步增加冻土的控制难度，可能会在外力作用下发生失稳、变形现象。以哈尔滨太平国际机场为例，在该项目的建设中，要求地基的沉降量≤2 cm，横向差异沉降量≤1 cm，足以见得对机场跑道地基建设质量的高标准、高要求特点。为此，需要高度重视多年冻土环境，保证建设于冻土上的跑道地基有足够的稳定性，由此给飞机的顺利起降提供保障，并提升机场跑道的耐久性[3]。

3.2 冻融对地基造成的破坏形式和机理

3.2.1 地基的冻胀破坏

在低温冻结作用下，冰封面的水分和孔隙的毛细水将发生冻结，形成形态各异的冰浸土体。在该变化之下，土体颗粒有相对位移的趋势，土体体积也因此发生改变，即呈现出冻胀现象。土中颗粒带有电子，其对周边水分有吸附作用。由于水的聚积而形成水膜，现场温度保持相对较低的状态，水膜遇低温环境后原位冻结，形成冰锋面。在形成冰锋面过程中水分发生动态转移（从高温处转向低温处），受此影响，孔隙水分向冰锋面汇集，从而构成冰透镜体。由于冻胀的存在，地面普遍显现出不同程度的上升迹象，随之破坏地面的平整性，建设于该处的道面的平整度下降，严重威胁到飞机起降的安全性。

3.2.2 地基的融沉破坏

冻土融化期间，冰转变为水，同时部分水向外排出，由此导致路基发生融沉破坏。通常，人类活动会对原冻土层的稳定状态带来影响，迫使其水热平衡条件遭到破坏。可见，地基有滑塌、泥流等各类问题，地基的平整性和稳定性均有所不足，威胁到飞机的起降安全。

3.2.3 道面底板脱空、翻浆冒泥

现阶段，我国机场跑道普遍采取的是水泥混凝土结构，但混凝土有自收缩应力的作用，还存在较为明显的温度应力。为有效减小应力的不良影响，通常采取结构分块的设置方法，单块尺寸普遍为0.5 m×0.5 m。在采取分块设置的方法后，会出现纵、横向接缝，而在工程中普遍将该部分设计为真缝，从而出现接缝处较为薄弱的情况。虽然针对接缝部位采取了填充处理措施，但随着时间的延长，封堵材料逐步老化，加之积雪融化后的下渗作用，会导致结构内有明显的积水现象，土基偏软弱，强度大幅度下降。日常使用中，受飞机荷载的作用，路基内的胶凝材料与细集料的稳定性受到影响，部分由于水分的流动而被携带出，长此以往，道面板底部基层细集料减少，材料的填充作用有限，出现板底脱空现象。此时道面板的受力结构发生变化，即原有的荷载结构受到破坏，随之出现简支结构，严重时还将演变为悬臂结构，承载力每况愈下，板体显现出裂缝，飞机起降的安全性难以得到保障。

4.1 换填砂砾石垫层

换填砂砾石重点考虑的是较大孔隙和较强自由对流特性的材料，包含卵石、粗砂等。此类材料能消除冻结期间水分的迁移和聚集现象，从而缓解地基土的冻胀问题。在采取换填时，需要着重考虑的是上部跑道结构的功能需求、施工现场的地质条件、水文条件、气候条件等多重因素，经过系统的分析后，确定合适的换填深度，并严格控制所用换填材料的含量。

4.2 适当加大结构层埋深

加大结构层埋深的基本思路是将基础置于冰冻线以下，也可以对基础底面以下的融化土层作有效的减薄处理。这种方式可有效控制地基土融化后的沉降量，即便处于最大荷载作用，也依然能够保证机场跑道的稳定性。在施工中，除了考虑冻胀力对上部结构的影响外，还需要兼顾操作便捷性、低成本等方面的要求，确定最合理性的道面结构层埋置深度。从适用性的角度来看，土质压缩性较大、地下冻土较薄时，可以采用加大结构层埋深的处理方法。

4.3 合理设置保温隔热层

基本思路是根据跑道基础底部的实际特点合理设置隔热层，在此结构的作用下，阻止地基土与外部环境的热量传递，减小融化深度，达到防止冻胀的效果。在保温隔热层施工中，材料通常考虑的是玻璃纤维、泡沫混凝土等。通过保温隔热层的设置，可以在温度较高时阻隔外部热量，以免其经由道面向冻土地基内传递，此时有利于维持冻土的热稳定性，避免因热量作用而发生异常。但需注意的是，在冬季低温环境中，隔热层阻止内部热量的外散，难以有效防护冻土地基。为此，必须注重对保温隔热层的可行性分析，确保其与外界环境相协调，以发挥出防护的作用。

4.4 加强地面排水

依托于可行的排水设施，有效降低地下水及土体的含水量，以免土壤因含水量的增加而出现偏潮湿的问题。在采取地面排水措施时，需要着重考虑如下几点:①注重机场跑道横坡设计，尽可能提高该处的排水能力，以免在日常使用中场地形成积水；
②部分建设区域的地下水位较高时，可以考虑在道面两侧修筑降水盲沟，采取此方法引排水；
③对于深入到坪土基内的潜流、砂沟，较为合适的是采取阻断水流的处理方法，确保土基不受到水的侵蚀作用。

4.5 预压加密土层

通过施加静载荷的方法处理施工现场的地基，目的在于使地基土层转为压密的状态，此后再将荷载卸除。在此方式下，有利于提高土层的地基承载力，确保建设后的结构保持相对稳定的状态，以防下沉、开裂。在对土层做预压加密处理后，地基由松散转变为相对密实的状态，地基的变形量有所减小，可形成致密的“隔绝屏障”，以免水流进入其中，从而实现对地基的有效防护，以防冻胀对地基造成不良影响。

在社会经济持续发展之下，机场的建设规模随之扩大，易遇到多年冻土区。若未经处理而直接施工机场跑道，容易由于冻胀、融沉等问题而影响地基的稳定性，随之威胁到飞机的安全起降。为此，施工单位必须高度重视现场多年冻土区的实际特性，有针对性地采取换填、加大结构层埋深等相关方法，保证冻土区机场跑道地基的施工质量。