马国杰 张美琳 彭奕兴 彭梦凯 王龙鑫
摘 要：冻土是一种结构非常复杂的多相体系，由矿物颗粒、冰、未冻水和气体组成，其性质与一般土有很大的差别。世界上的冻土面积大概占陆地总面积的23%，我国作为世界冻土第三大国，冻土在国土面积中所占比例更是不容忽视。然而，多年冻土会严重影响路基的稳定性以及跑道的安全性、适用性和耐久性。因此，关于冻土在冻胀和融陷过程中所产生的变化和它对路基影响的研究就显得尤为重要。目前国内已有不少学者对于冻土性质进行了分析研究，文章将根据现有的数据对多年冻土地区跑道路基土的性质和处理方法进行总结。
关键词：冻土性质;机场跑道路基;地基处理
中图分类号：U416.1 文献标志码：A 文章编号：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
冻胀土地基的一次冻融循环主要包含两个部分。首先，冻土中的水分在温度降低的过程中逐渐冻结，从液态逐渐转化为固态，土体发生冻胀。温度降低到冰点时，就会发生冻结效应。土体中的水在此过程中形成冰夹层、结晶体和透镜体， 这些结构与土颗粒相互结合导致土体的体积增加，使路面产生不均匀的上升甚至导致跑道道面破坏、结构物发生变形。
当气候回暖时，土体中的固态结晶水又将重新转化为液态，土体再次变形。失去原本固态水的支撑后，土体强度急剧降低。同时，液态水增多也会使土体由高强度的固体变为塑性体甚至流体。路面以下土体的承载力越来越低，施加荷载后甚至会发生翻浆、断裂、弹簧等现象。
一次次冻融循环对机场跑道是非常致命的。因为它不仅会导致道面变形，影响其安全性和使用寿命，而且季节性冻融产生的冻胀、翻浆等还会极大地威胁飞机起降时的安全。我国很多机场就位于多年冻土地区，例如已建成的漠河和加格达奇机场，规划中的那曲机场等等。这些机场的跑道建设规划将不可避免地需要工程师们处理路基土中的冻土病害问题。知己知彼，百战不殆。因此，为了有效地控制冻土冻融产生的危害，对于多年冻土地区路基土性质和其影响因素的分析研究十分必要。
1 冻土路基的影响因素
1.1 温度及含水率的影响
冻结时温度越低，土体的冻结深度越深且冻结速度越快。土体融化时温度越高，土体中的零度线就越深，能够融化的土体就越多，融化速度也越快。
温度对土体的融化范围也起主要作用，温度越高土体本身的融化范围越大，产生变形和固结的土体更多，土体的强度也更低。
土体融化后，土体中的水会排出固结，明锋等人[1]认为土体内含水率越高土体融化得越慢。土体的融化时变形其实是一个先快后慢的过程，大致可以分为三个阶段： 快速融化阶段、过渡阶段和稳定阶段。土体刚开始融化时其孔隙水压力消散速度较快，土体变形速度也快，也就是快速融化阶段。但是随着融化过程的进行，孔隙水压力消散速度减慢，土体本身的变形速度相应减缓，称为过渡阶段。直到孔隙水压力完全消散，土体变形达到稳定。由此可以看出，对于含水率高的土体，固结时间也就越长，这一现象对土体的强度同样有影响。
1.2 上部荷载的影响
机场跑道与一般道路的特性不同，往往需要更宽的道面且对不均匀沉降的要求更为严格。除此之外，飞机运行时给跑道路基施加的动力荷载效应及其影响深度比起铁路、公路路基等也大得多。也就是说，上部荷载对于多年冻土地区跑道路基的影响更为突出。
沈哲等人[2]认为上部荷载对冻胀起到了抑制作用，存在有外界荷载时，冻胀率与冻结速率呈负指数函数形式，并且附加荷载越大土体的冻胀越弱。马巍[3]等人的研究也表明施加荷载后土体内土颗粒相当于受到围压作用。在生成的冰晶体和周围土颗粒的双重挤压下，土体中的矿物颗粒或者矿物块产生裂纹或者碎裂，碎裂后的矿物颗粒可以填充周围的空隙，减缓了土体体积增长。
因此可以看出施加外部荷载可以减缓土体的冻胀，并且荷载越大越明显。
1.3 盐分的影响
土体成分中盐分的含量对土体本身的冻胀也有较明显的影响，可能发生腐蚀、盐胀、融陷等地基病害问题。
土体中含有的可溶性盐分较多时，融化过程中盐分随含水量升高而溶解，土体的结构会遭到破坏，强度迅速降低。冻结过程中冰、水中的可溶性盐类会因为水冻结成而析出，使得土体在冻胀过程中体积增加。
除此之外，一些盐分在温度变化过程中还可能生成新的盐类。部分盐类还会产生物理和化学腐蚀，发生毛细作用破坏建筑物，如果在这种含盐量高的土体上修筑跑道，跑道就可能因为土体中盐分被腐蚀，寿命缩短甚至被破坏。对于含盐量较高土体如盐渍土的处理方式，张旭等人[4]提出，可以根据机场建设的实际情况对土体采取换填处理、隔离法、设置防冻层等方法。
2 冻土地基的处理方式
了解地基冻土的相关性质后就需要对其采取合适的处理方式提高其强度，避免发生破坏。对地基冻土进行处理时要谨慎，首先需要了解跑道周边环境的气候变化和地质条件并做好万全的施工准备，这样一旦发生病害就可以及时采取合理的解决措施。根据魏成存[5]的研究，对于冻土地基的处理可以从以下几个方面着手：
（1）可通过提高土体中矿物质含量来增强土体的抗冻耐寒性能，比如施加一定量的氯化钠可有效地减缓土体的冻胀现象。
（2）对土基进行充分压实。但是此法适用于土体中的水分较少的情况，当土体中水压较高时，压实度越高冻胀反而越强烈。
（3）通过加强道面排水防止道面及时将道面上的水分排水下渗到路基来减轻冻胀。土体冻胀的一个原因是由于土体中的空隙过多，进行充分压实后，土体中空隙较少，冻胀时其体积变化也相对较小，从而可以降低冻胀效应。
除了以上三种方法，刘伟博等人[6]还根据我国在多年冻土地区，如青藏、东北，已建成的铁（公）路路面地基处理方法，提出了可能适用于飞机跑道路基土外设其他设施的方法来防止路基土的冻胀融陷对道面产生影响，威胁跑道路基的稳定性和飞机的安全性：
（1）冻土覆盖层较浅的地区可将冻土层挖去，换填更合适的材料（如压密性较小的粗砂砾料）。
（2）铺设隔热层。这种方法可以在外界温度较高时防止热量传递至冻土地基引起地基土融化，从而有效保证了路基土的强度和稳定性，但是在外界温度较低时，它也会影响土体热量的散失。
（3）采用热管（或通风管）跑道——一种利用液-气两相介质对流循环散热的（热虹吸）管状降温装置，相当于给跑道施加了一个空调系统。但是热管的铺设更换维修等还需要进一步研究。
（4）采用块碎石和空心砖护坡。块碎石和空心砖护坡路基已经在我国冻土地区的铁（公路）路基工程中被证实能在避免冻土冻胀融陷，减少差异性沉降方面发挥显着作用。但在实际工程中发现，由于跑道道面的特性不同，宽幅更大，照搬硬套这种方式显然不太实际，具体的改进方法还需要我们进一步地探索研究。
3 结束语
冻土地基的冻融受到包括温度、含水率、上部荷载、组成成分在内的多种因素的影响，各个因素互相作用，机理十分复杂，难以具体检测分析，这就导致目前人们对冻土地基的了解和研究仍不够透彻。我国在冻土地区铁（公）路路基方面已经研究出了许多有效的解决方法，但是由于机场跑道道面的特殊性——更大的宽幅、更严格的差异性沉降要求、更大的动荷载、飞机大荷载短周期的重复作用等等，让多年冻土地区跑道路基的处理变得可谓是难上加难。然而，这并不代表着跑道冻土地基是一个无解的难题。目前，国内外已有许多研究人员针对冻土地区机场跑道道面材料的选择提出了有效可行的解决方案，国外更是经过了近半个世纪的研究历程。随着现代科学技术的高速发展，对冻土的检测手段也将越来越可靠，数据结果越来越精确。可以预见，未来冻土地区机场道面路基的僵局必将迎来融化的春天。
参考文献：
[1]明锋，李东庆，张宇.一维饱和冻土融化固结分析[J].冰川土，2016，38（04）：1067-1073.
[2]沈哲，李永毅，李澎，等.高寒地区机场土基冻胀特性试验研究[J].施工技术，2010，39（S2）：8-11.
[3]马巍，吴紫汪，常小晓，等.围压作用下冻结砂土微结构变化的电镜分析[J].冰川冻土，1995（02）：152-158.
[4]孙俊，张旭.阿里机场盐渍化冻土工程地质特性及其改良[J].水文地质工程地质，2013，40（01）：93-99.
[5]魏成存.机场工程冻土土基处理方法探讨[J].建筑技术开发，2016，43（01）：93+95.
[6]刘伟博，喻文兵，陈琳，等.多年冻土地区机场跑道修筑技术现状[J].冰川冻土，2015，37（06）：1599-1610.
