春融作用对寒区机场土面区工作性能的影响

刘国光，杨跃敏，牛富俊，孟兆刚，王庆彬，薛 军

1)中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州730020; 2)中国科学院大学，北京100049; 3)中国民航大学机场学院，天津 300300；4)漠河古莲机场，黑龙江漠河165300

民航机场飞行区设计中，为保障飞机偶尔滑出跑道或迫降时的安全，常在道面两侧设置种植草本植物的长方形地带，称为升降带. 升降带既具有保护跑道及其下部基层免受雨水冲刷的功能，又能在飞机意外冲出跑道时为飞机提供具有足够强度的滑停缓冲区以避免起落架折断，是机场飞行区内重要的功能区域. 升降带不但要具备足够强度为飞机迫降提供可靠支撑，还要为飞机滑停提供弹性缓冲，因此升降带表面通常是能种植草本植物且满足一定压实要求的回填土，故也称作土面区或草面区，所处位置的敏感性使得对其工作性能要求显著区别于路基及其他工程领域的回填土.

在寒区机场，土面区还是冬季道面除雪作业的残雪堆积区. 春融阶段，残雪及浅层冻结土融化造成土面区土体含水量快速上升. 对于多年冻土区机场，冬季气温低、冻深大，活动层底部在春融期间易形成不透水层，造成融水无法及时下渗，富集在地表甚至形成地表径流，显著影响土面区的工作性能，给机场跑道运行带来安全隐患. 此类冻融现象所造成的工程病害，主要是温升效应所带来的水热过程引起. 在一定温度范围内，冻土快速剪切强度随负温降低近似等比增大[1]. 考虑冰、土颗粒骨架以及冰土相互作用[2]，冻土抗剪强度会在不同温度下服从不同的应力-应变关系曲线[3]. 已有研究结果表明，冻土力学性能与温度及含水量呈非线性关系[4]，冻土密度和土体类型对冻土力学性能有重要影响[5].

在诸多参数中，导热系数是分析春融期间机场升降带土面区力学性能变化深度和影响范围的重要指标，常用测试法包括线热源法、稳定态比较法、热流计法和量热法等[6-9].这些方法在击实、三轴和冻融循环等试验中已得到广泛应用[10]. 工程实践中，多采用现场温度监测法获取不同深度土层冻结状况和水分参数评价工程融沉风险，以分析冻土温度状况变化时地面温度与气温间的关系[11]. 而数值模拟则可以从更大的时间和空间维度上研究此类问题，如预测隧道施加保温层前后冻融循环影响区的变化[12]、隧道温度场分析[13]、反演路基土体原始温度场[14]、模拟气候因素分析冻土路基温度场分布及冻结相变区变化规律[15-17]、研究天然地面以上路堤土体季节性、水分场及温度场变化的剧烈性等[18]和多年冻土区机场跑道建设中的温升效应问题[19]. 但针对多年冻土区机场升降带土面区工作性能在春融期间变化特性的研究尚不充分.

本研究结合漠河机场扩建前期准备工作，采集了升降带区域内土样开展室内试验，绘制了温升过程中冻土试样内部温度场变化曲线，测定了不同含水率及压实度下土样导热系数和剪切强度，总结了土面区在春融阶段的工作性能变化特征. 研究结果可为漠河机场扩建及其他位于多年冻土区的机场建设提供技术参考.

1 漠河机场概况

漠河机场是中国第一座选址建设在多年冻土地区的民用机场，2008年建成使用. 漠河机场位于高纬度大片连续多年冻土区内，根据多年冻土形成和存在的自然条件划分，属于高纬度多年冻土；按多年冻土分布的连续程度划分，属于岛状多年冻土；按冻土的含冰量及特征划分属于少冰-多冰冻土；按多年冻土的年平均地温划分，属于高温冻土；按体积压缩系数或总含水量划分，属于坚硬冻土. 从纵向看，冻融活动层与下卧冻土层相衔接，为衔接性多年冻土. 机场升降带土面区主要由砂土及碎石土组成，层厚0.3～3.5 m，水位0.5～3.8 m，季节冻深3 m.

为分析春融过程对土面区工作性能的影响，进行了现场取土，取土点距跑道端头约250 m、距跑道道肩50 m处. 表层0.3 m由于存在植物根系，故取土深度定为0.3～1.0 m.

2 春融过程中土体内部温度场变化

利用升降带土面区取土样品于室内制备了含水率为17%、压实度为98%、直径20 cm、高40 cm的圆柱体土样，并在其内部分层埋设温度传感器. 温度传感器按深度方向每隔5 cm埋入3个，共21个温度测点. 由于重点观察温升效应影响下冻土融化过程的土体内部温度场，试样在恒温-9 ℃下冻结72 h，在环境温度15 ℃中自然融化，每隔5 min记录1次各测点温度.

图1 冻土试样温度变化曲线Fig.1 Temperature variation curve of frozen soil sample

图1为冻土试样的温度变化曲线.由图1可见，在春融期间，土面区活动层内部温度场变化经历了4个阶段：第1阶段(快速升温期)，土体表面温度低于0 ℃，试样对温升最为敏感，内部温度快速上升；第2阶段(缓和融化期)，土体表面温度达到0 ℃，冻土试样内冰融化成水吸收热量，这个阶段土体温度上升缓慢；第3阶段(加速融化期)，土体内部冻结但表面温度大于0 ℃，该阶段试样整体温度上升较快；第4阶段(已融化期)，冻土试样完全融化，土体表面温度接近室温，土样温度上升缓慢.

3 春融下土面区活动层导热系数变化

3.1 含水率的影响

为分析漠河机场升降带土面区在春融期间导热系数变化规律，制作了12组直径3.9 cm、高8.0 cm的圆柱体试样，各冻土试样的含水率(质量分数)分别为15%、17%、19%和21%，压实度分别为90%、95%和98%. 试样在-18 ℃的恒温室里冷冻，利用稳态平板法测得不同含水率和压实度下试样导热系数随时间变化曲线.

稳态平板法测导热系数的实验原理为：圆柱状冻土试样侧面用锡纸包裹阻断侧面散热，将试样上下表面与铜板严密接触，开启加热器使上部铜板保持恒温，认为热量由上而下传递. 根据傅里叶导热定律，一维稳态情况下假设热量只沿着上下方向垂直传递，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度. 因此，将每单位温度梯度下单位时间内通过单位面积土体的热量记为导热系数λ，

λ=ΔTQ/(Adt)

(1)

其中，Q为热量；d为热量传递距离； ΔT为上下表面温度差；A为试样横截面积；t为测试时间.

图2 15%含水率下导热系数变化曲线Fig.2 Thermal conductivity coefficient curves with water content of 15%

为提高测试结果准确性，在试样上下部各埋设温度传感器记录不同测试时间的Δt， 从而计算得到12组试样在温升全过程导热系数，如图2至图8所示. 为总结导热系数变化随时间的变化规律，各图横坐标为时间，纵坐标为导热系数变化量(Δλ=λi+1-λi)， 即后一时刻导热系数和前一时刻导热系数的差值，分别讨论了含水率和压实度对导热系数的影响.

图3 17%含水率下导热系数变化曲线Fig.3 Thermal conductivity coefficient curves with water content of 17%

图4 19%含水率下导热系数变化曲线Fig.4 Thermal conductivity coefficient curves with water content of 19%

图5 21%含水率下导热系数变化曲线Fig.5 Thermal conductivity coefficient curves with water content of 21%

由图2至图5可知，含水率变化对导热系数影响较为显著，具有如下特点：

1)不同含水率冻土试样导热系数均呈现负增长(下降)趋势. 其变化大体经历4个阶段：第1阶段，导热系数快速下降，但下降速率不断减小；第2阶段，导热系数出现正增长趋势后迅速下降，但下降速率远低于第1阶段；第3阶段，导热系数降速变缓趋于稳定；第4阶段，导热系数稳定不变. 将上述4个阶段对应的导热系数变化临界值在图上用虚线表示出来，可清晰看出变化规律与温升变化规律相同.

2)不同含水率冻土试样的第1阶段都持续了10 min，第2阶段和第3阶段的持续时间随含水率增加而增大，进入第4阶段后导热系数均保持稳定.

3)低含水率冻土试样的导热系数对压实度较敏感. 在含水率较低时压实度不同，3条曲线的离散性较大. 当含水率升高时，3条曲线呈现逐渐重合的趋势，导热系数变化同步性较强.

结合温升实验和不同含水率影响下的导热系数变化曲线可知，温升过程中冰-水相变化对导热土体导热系数变化影响较大，总体上导热系数不断下降，细分有4个变化阶段：试样融化前导热系数下降较快、冰-水共存阶段导热系数波动缓和下降、试样完全融化后导热系数下降渐趋缓和及达到室温后导热系数基本不变.

3.2 压实度的影响

由图6至图8可知，压实度变化对导热系数影响较大，具有如下特点：

1)不同压实度下冻土试样导热系数变化曲线仍呈现温升实验中观察到的4阶段变化规律，表明冻土试样内部冻结冰的存在对导热系数影响较大，也体现了压实度对导热系数变化的影响.

2)从整体上看，不同压实度冻土试样导热系数随温升均呈下降趋势. 下降速度由快到慢，稍有增长后继续下降，然后下降量小幅波动趋稳，最后稳定不变. 从图上虚线所分割的不同变化阶段可知，其变化规律同含水率影响曲线接近.

3)与含水率影响曲线相同的是，第1阶段持续时间均为10 min. 与含水率影响曲线不同的是，第2阶段持续时间随压实度增大而不断减少，第3阶段随压实度增大而不断增加.

4)随着压实度增加，不同含水率冻土试样的导热系数曲线在第1和第2阶段的一致性较好；在第3阶段，不同含水率冻土试样导热系数曲线的离散型较大，表明随着冻土融化压实度对导热系数变化的影响规律性不明显.

图6 90%压实度下导热系数变化曲线Fig.6 Thermal conductivity coefficient curves with compaction degree of 90%

图7 95%压实度下导热系数变化曲线Fig.7 Thermal conductivity coefficient curves with compaction degree of 95%

图8 98%压实度下导热系数变化曲线Fig.8 Thermal conductivity coefficient curves with compaction degree of 98%

4 春融作用下土面区抗剪强度变化

利用漠河机场土面区土样制备了60组冻土试样，对应上述4组含水率和3组压实度分别在环境温度为-5、-1、3、7和11 ℃时进行快速直剪实验. 快剪实验以0.8 mm/min的剪切速率施加剪力直至破坏，每隔15 s记录1次测力计读数，测力计出现峰值时记下破坏值，继续剪切至位移为4 mm时停机. 若剪切过程中测力计读数无峰值，剪切位移为6 mm时停机.

冻土试样在不同环境温度下的快速直剪强度测试，体现了工作环境变化对冻土试样力学性能的影响，实验工况中冻土试样均存在不同程度的温升，但由于目前实验方法限制无法准确记录温度变化数据，故设定了5种环境温度，模拟分析土面区活动层在春融期间的工作性能变化，结果发现：

1)不同含水率冻土试样随着环境温度升高，其剪切强度均呈现不同程度的降低，降低速率与含水率呈正相关，尤其当环境温度为正温时这种影响更加显著.

2)压实度越高抗剪强度越大，表明增加压实度能在一定程度上缓解温升效应对冻土试样直剪强度降低的影响. 但随着含水率的增加，这种缓和效果也逐渐减弱.

5 春融作用对土面区工作性能的影响

5.1 积雪及冻深影响

对应春融期间的机场升降带土面区，在残雪融化阶段，雪融化吸热有助于避免活动层地温快速上升. 随着气温上升，活动层表层土温度升高，此时活动层导热系数较好，深层冻结土内的冻结冰有助于阻止表层土快速融化. 但随着表层土的融化，表层导热系数迅速下降，在大气和下层冻结冰之间形成一层导热系数较差的保温层，从而使土面区在较长一段时间呈上部融化、下部冻结的特殊状态，其工作性能较差.

5.2 含水率影响

由于春融期间机场升降带区域残雪融化带来的水分补给，造成土面区表层含水率较高. 从不同含水率影响下的导热系数变化曲线可知，受冰-水相变影响，冻土试样总体上导热系数不断下降，可细分为4个变化阶段：冰融化前导热系数下降较快、冰-水共存阶段导热系数波动下降、低温水阶段导热系数下降趋缓和到室温后导热系数基本不变. 土面区水热过程与导热系数变化相互影响，改变着土面区工作性能，即春融前期土面区工作性能变化最剧烈；春融过程中受冻深、冻结水含量和外来水补给等多种因素影响，土面区工作性能波动变化；春融结束后排水通道打开、含水率及导热系数保持稳定，春融作用对土面区工作性能影响才完全结束.

5.3 压实度影响

从不同压实度影响下导热系数变化可知，随着压实度上升，第2阶段持续时间不断减少，表明压实度较高时活动层导热性能更好，从而使冰-水共存阶段较短. 土体压实度为95%时，导热系数变化最为稳定，且变化较小(图7).

活动层良好的导热性可充分利用活动层冬季富集的冷量减缓春融期间表层的融化速率，表层融化后所形成的低导热系数的保温层可降低下部冻结层的融化速率，使活动层内富集的水分缓慢释放. 其不利之处在于会造成整个春融作用持续时间较长，土面区表层因外部水补给且下渗较慢，造成含水率升高，加重春融过程对土面区工作性能的影响.

5.4 土面区强度变化

春融过程中土面区强度呈下降趋势. 虽然增加压实度对提高土面区强度有一定贡献，但春融阶段含水率增加导致土面区强度下降更快. 根据含水率和压实度影响下冻土试样导热系数的4阶段变化模型可知，春融前期冻结层整体处于升温过程但强度较大，浅层土融化后使土体含水量快速上升，土体强度快速下降，严重影响着土面区的工作性能. 此时如果发生飞机冲出跑道事故，土面区缺少足够支撑能力，会使起落架陷入土面区，高速行驶的飞机极易发生起落架折断、机身翻滚，此时土面区工作性能为全年最差. 春融结束后，过饱和水排空，土体强度回升，土面区工作性能恢复.

6 结 论

通过分析春融过程中冻土试样内部温度场变化、不同含水率及压实度下冻土试样的导热系数和抗剪强度变化，可知：

1)春融期间，土面区冻土活动层温度场变化大体服从4阶段模型，对土面区工作性能、导热系数等影响也呈阶段性变化.

2)冻土含水率上升会影响春融阶段土体导热性能和剪切强度，对土面区工作性能影响最大. 因此，选择合理堆雪点，可以尽可能降低土面区含水率，从而降低春融过程对土面区工作性能的不利影响. 同时建议跑道两侧的临时堆雪区在春融开始前及时清运，减少外来水分补给.

3)土面区压实度对导热性能和剪切强度影响非常显著，然而春融阶段无法进行压实作业，建议在秋季进行全面压实，适当提高土面区整体压实度，考虑到经济性，在做好升降带土面区排水工作前提下，土面区压实度可控制在95%左右.