寒区道面多发性病害现象及影响因素分析

董军 杨祺

1 高寒地区道面常见的病害

1.1 融沉

融沉是高寒地区道面的主要病害之一，如图1所示为某机场道面因融沉引起的道面板错台。一般多发生在含冰量大的黏性土地段，当道面下的多年冻土上部有较厚的地下冰层时，由于地下冰层埋藏较浅，在施工及使用过程中各种人为因素的影响下，使温度场发生变化，由于某些部位温度增加而融化，上覆土层和道面在自重和外力作用下产生沉陷，造成道面的严重变形。

1.2 冻胀

冻胀是在高寒地区修建机场道面时需要考虑的另一重要病害现象，在高寒地区，处于不良地质、水文条件下的地方，由于温度场的变化，道面冻结过程中会发生水分迁移现象。水分不仅向冻结峰面迁移，而且在冻结中凝结成冰，由于冰密度略小于水，故在冻结的过程中伴随着体积的膨胀，从而造成道面的冻胀。冻胀发生需要两个必要条件:1)有充足的水分补给源;2)有水分补给的通道。

冻胀在高寒地区早期修建的机场工程中尤为突出，由于当时的工程技术人员对认识和掌握机场道面温度场的规律不足，同时未能及时采取防护措施，致使很多机场道面发生破坏。主要表现为道面板上抬、道面板断裂，甚至失效等破坏。

图2为某机场常见的冻胀病害图，从图2上可以清晰地看到冻胀引起的道面板错台、断裂以及边角开裂等病害。

1.3 道面损坏

在高寒地区，道面损坏是机场道面最常见的道面破坏形式之一。它可以分为以下四类:1)裂缝类:温度场的分布不均和荷载一起造成的机场道面的开裂破坏了道面结构的完整性。2)变形类:道面结构仍保持其完整性，但由于道面材料的稳定性等原因，使道面形状发生了变化，如扭曲等等。3)松散类:由于轮胎和环境与道面的作用，以及温度场的影响，使道面板表层材料部分或全部丧失，导致道面的使用性能降低。4)其他损坏类型包括泛油、磨光和各类修补。道面的损坏和其他道面病害是紧密联系的。道面的损坏可以直接导致其他道面病害的发生，而其他道面病害的发生加剧了道面的损坏。

2 高寒地区道面常见病害产生机理分析

地处高寒地区的机场道面，秋冬季节，随着气温的下降，道面板以及下面土体中的水分会由于温度场的作用，体积不断增大，使得下面土体发生不均匀的膨胀隆起，道面结构也随之发生不均匀的隆起，造成道面板开裂、错缝、错台、掉边、掉角，在飞机轮载的作用下会逐渐发生破坏，甚至发生折断。

在春夏季节，随着温度场的变化，道面板以及上部土体积聚的冰晶体首先出现融化，而下部的土体仍然冻结，形成不透水的冰冻夹层，融化水不能及时地渗透排出，使土中的含水量增加，土层软化，土体强度下降，承载能力差，使道面结构发生沉陷，出现波浪、唧泥、翻浆，道面板产生不同程度的破坏，裂缝、掉角、错台、开裂，甚至折断，影响飞行人员的安全和道面的正常使用。

3 高寒地区道面结构温度场影响因素分析

3.1 外部气候条件

1)气温。在影响温度场的诸多要素中，气温是很重要的能量指标，是局地小气候，如降水、蒸发、云量及风等影响的综合指标。气温变化受海拔的影响，与土基下的冻土的分布具有良好的相关关系，气温会直接影响到高寒地区道面板和土基的温度场状况。气温的变化既给道面板和土基的存在、发展带来了很大的影响，也直接影响到许多评价多年冻土状态的指标，如:冻结指数、融化指数、年平均地温、季节融化层深度等。研究高寒地区的道面温度场首先就得对所研究区域的气温变化作详细的分析。2)太阳辐射。太阳辐射是影响道面板及土基稳定性的重要因素，是道面板与土基边界处能量交换的重要方式。地表反射率与道面板、颗粒组成、湿度状况、温度状况、植被覆盖状况有关。夏季由于地表覆盖度大，且地表湿润，地表反射率小;冬季因地表植被较少，加上地面积雪致使反射率较高。3)风速、风向。风对道面温度场的影响以前经常被忽视，实际上这是极不合适的。风速的大小直接地影响到道面边界与大气的对流热交换系数，影响道面边界处的热交换效率与状况，从而影响到道面内部及基底下多年冻土的温度场分布状况。4)蒸发。蒸发耗热是因道面边界表层的水分在外界辐射、气温、风速、湿度状况等综合因素影响下汽化而消耗的热量，是调节地表温度的重要因素。蒸发耗热、辐射换热、对流换热三者共同构成了道面板与外界能量交换的主要方式。蒸发耗热量的大小与蒸发量密切相关，而蒸发量又与道面类型、颗粒组成、湿度状况、植被覆盖状况等因素有关。

3.2 道面内在因素

1)多年冻土的天然上限。多年冻土的天然上限是多年冻土在垂直方向的重要特征，是表征多年冻土热稳定状态的重要指标。多年冻土天然上限的高低将直接影响到多年冻土抵抗外界干扰的能力，从而影响到道面板的热稳定状况。查明多年冻土上限分布并预测道面板修建后上限可能发生的变化是高寒地区道面板修建的关键问题。多年冻土上限主要与冻土土质与冻土所处地段的气候条件有关。2)土基的类型。不同类型土质的导热、蓄热能力及导湿能力是不相同的。高寒地区分布的土质类型是多种多样的，有卵石土、碎石土、砂砾土、黏性土、砂黏土等。由于不同类型土质的颗粒组成、矿物成分、粒度大小以及表面自由能状况各不相同，形成不同的空隙率、密度、蓄水和渗透能力。这些差异直接影响土层的温度场、导热系数、相变热、导湿系数等热物理参数和水分迁移系数，而这些参数将直接影响到热量在道面板内的传递及水分的迁移，从而影响道面板的热稳定状况。

4 结语

温度场的变化是引起高寒地区道面结构病害产生的主要原因。道面温度场的影响因素可分为两类:外部气候条件和道面内在因素。道面内在因素直接地根本地影响到道面温度场和水分场在道面板中的传递规律，内因是根本机制。外部气候条件是造就多年冻土土基这一特殊工程地质体的环境条件，外部气候条件的变化直接影响到道面板的温度场，是影响道面温度场的诱因与动力。

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