道面板對多年凍土區跑道下伏凍土地溫場影響研究

段書珩

摘要：根據民航局十三五規劃，未來一段將我國高緯度地區新建及改擴數量眾多的機場。為了確保飛機起降的安全，必須對鋪設道面板后，跑道土基的熱穩定性進行研究。利用有限元軟件對跑道下伏凍土地溫場進行模擬，研究其在跑道運營年限內的溫度變化。

關鍵詞：有限元模擬；多年凍土；地溫場

引言

根據我國民航業發展規劃，未來將在我國東北地區進行大規模的機場建設，到2030年將陸續新增40個小型支線及通航機場，因此在多年凍土區修建跑道成為無法回避的問題。

1有限元模型的建立

1.1有限元模型區域

我國東北多年凍土區地層分層由上到下為：砂礫土、亞黏土、風化基巖。模型將跑道寬度設為45m，跑道兩側自道肩向外延伸40m，跑道表面向下的深度取21m。跑道分為四層，從上至下依次為：面層、上基層、下基層和墊層。上基層采用水泥穩定碎石料，下基層采用水泥穩定砂礫，在冰凍地區的潮濕地段，不應采用石灰土作為墊層。面層、上基層、下基層和墊層的厚度分別為30cm、20cm、20cm和30cm。在機場跑道的土基中，防凍層處理措施一般采用換填法，碎石填充層和換填層開挖深度共4m。A、B、C分別為砂礫土，亞黏土和基巖，D、E、F、G分別為面層、上基層、下基層和墊層，H為防凍處理層。如圖1所示。

1.2模型模型參數

在進性多年凍土區機場跑道溫度場模擬時，主要用到土體比熱 、密度 和導熱系數 等參數。在靠近0oC的正負溫度區間，需要考慮冰水相變作用以及水和土骨架的熱傳導，土體的比熱和導熱系數不是常數，而是隨著溫度的變化而變化，且比熱是連續變化。我們假定凍土的冰水相變發生在一定溫度區間內，決定采用顯熱容法處理相變問題。模型所用參數如表1所示。

1.3附面層理論

為了計算方便，模型的溫度邊界條件可以采用熱學第一類邊界條件，但是這種邊界條件的獲得需要對路基表面進行長期觀測。影響路基上墊面與大氣溫度的因素很多，如風速、太陽輻射、降雨和降雪等都會觀測造成很大影響，難以獲得精確的溫度數據。目前，在對鐵路和公路的溫度場數值模擬一般都采用第一類邊界條件，但是東北寒區機場跑道溫度場的邊界條件相比于公路和鐵路更加復雜、模型計算所需的邊界參數難以直接獲得。綜上所述，本文決定參考東北多年凍土區公路鐵路溫度長期觀測資料，整理分析后將其作為本文模型中的邊界表

在對機場跑道進行長期的溫度場數值模擬中，難以精確模擬大氣氣溫和太陽輻射的日波動，同時為了消除對路基表面較多影響的其他因素，本文采用附面層原理。相關學者經過長期的溫度監測提出了路基溫度場計算的附面層原理，路基表面的熱邊界條件 采用對附面層底部的長期實測溫度值整理擬合出的溫度函數。不同于路基表面存在影響溫度的眾多因素，如風速、降雨、降雪和環境溫度變化等，附面層原理假設在附面層底部，這些影響因素不存在。溫度增量和附面層厚的選取對機場跑道溫度場模擬結果有非常大的影響。本文假設下附面層厚度等效于道面板厚度。

1.4熱學邊界條件

本文模型中采用的熱邊界條件表達式如下[43]：

（1.1）

式中：T0—為下附面層底年平均地溫，即模型的邊界溫度，與年平均氣溫有關；

—為年平均升高溫度增量，根據相關文獻，未來50年年均升溫0.05℃；

A—為上邊界溫度的年振幅，對于天然地表取11.5℃，水泥混凝土路面取14.8℃；

—為時間，小時；

—為初始相位，這里取 /2。

東北多年凍土區機場跑道有限元模型上邊界如上式所示，該邊界條件為熱學第一類邊界條件，并且考慮了未來50年的全球溫度升溫的影響，加載位置為下附面層第即跑道基層的上表面。模型兩側邊界條件去絕熱條件，有限元模型底部采用第二類邊界條件，施加恒定溫度梯度為0.03℃/m的熱流邊界條件。模型初始溫度場難以通過觀測的手段獲得，采用天然地表土體邊界條件下，經過長時間跨度計算得到的溫度場分布，計算時不考慮全球氣候變暖的影響。

2有限元模擬結果

在鋪設道面板后，不采取任何降溫措施，研究道面板下土基地溫變化規律。并與天然土基地溫對比，探究影響土基地溫變化的主要原因。研究的年均溫度為1℃～-4℃，模擬分析了8種工況

2.1鋪設道面板土基溫度變化規律

2.2有限元模擬結果分析

由以上結果我們可以得知：當年均溫度一定時，隨著跑道運行年限的增加，土基熱穩定性一般都會降低，在年均溫度較高時此種現象比較明顯。如年均溫度為1℃，當跑道運行至第5年10月中旬時，跑道下部土基多年凍土上限降低至12m之多；當跑道運行至第10年10月中旬時，多年凍土上限持續降低至17m左右；當跑道運行至第15年10月中旬和第20年10月中旬時，跑道下部土基不存在凍土，土基由多年凍土退化為季節性凍土，跑道下部土基中的水分在寒季因溫度降低凍結，在暖季融化，形成凍融循環，對跑道土基穩定性產生不利影響。

當年均溫度較低時，土基年均地溫降低明顯，多年凍上限有一定抬升。跑道土基地溫的差距隨運行年限增加變化減少，年均地溫趨于一致。觀察年均溫度為-3℃的土基地溫場可以得知，相比于年均溫度較高時，道面板下土基最高溫度降低，多年凍土上限提高，年均地溫降低。同時，跑道運行年限的增加使多年凍土上限有所下降，年均地溫上升，但是上升速度變慢。無論是年均溫度的高低，當運行年限相同時，年均氣溫對土基溫度場有較大影響，說明影響跑道土基年均地溫的主要因素依然是年均溫度，其次是跑道運行年限。

3結論與展望

在多年凍土區進行機場跑道建設，道面板的鋪設對跑道下伏凍土地溫場的影響很大。隨著跑道運營年限的增加，跑道地溫場溫度升高，必須采取降溫措施，保護跑道下伏凍土，維持跑道下浮凍土的熱穩定性。

參考文獻

[1]趙晨.多年凍土區寬幅路基溫度場規律研究[D].南京：東南大學，2015.

[2] 朱林楠.高原凍土區不同下墊面的附面層研究[J].冰川凍土，1988，10（1）：8-14.

[3] 張奕.傳熱學[M].南京：東南大學出版社，2004.

（作者單位：中國民航大學）