道面板对多年冻土区跑道下伏冻土地温场影响研究

段书珩

摘要：根据民航局十三五规划，未来一段将我国高纬度地区新建及改扩数量众多的机场。为了确保飞机起降的安全，必须对铺设道面板后，跑道土基的热稳定性进行研究。利用有限元软件对跑道下伏冻土地温场进行模拟，研究其在跑道运营年限内的温度变化。

关键词：有限元模拟；多年冻土；地温场

引言

根据我国民航业发展规划，未来将在我国东北地区进行大规模的机场建设，到2030年将陆续新增40个小型支线及通航机场，因此在多年冻土区修建跑道成为无法回避的问题。

1有限元模型的建立

1.1有限元模型区域

我国东北多年冻土区地层分层由上到下为：砂砾土、亚黏土、风化基岩。模型将跑道宽度设为45m，跑道两侧自道肩向外延伸40m，跑道表面向下的深度取21m。跑道分为四层，从上至下依次为：面层、上基层、下基层和垫层。上基层采用水泥稳定碎石料，下基层采用水泥稳定砂砾，在冰冻地区的潮湿地段，不应采用石灰土作为垫层。面层、上基层、下基层和垫层的厚度分别为30cm、20cm、20cm和30cm。在机场跑道的土基中，防冻层处理措施一般采用换填法，碎石填充层和换填层开挖深度共4m。A、B、C分别为砂砾土，亚黏土和基岩，D、E、F、G分别为面层、上基层、下基层和垫层，H为防冻处理层。如图1所示。

1.2模型模型参数

在进性多年冻土区机场跑道温度场模拟时，主要用到土体比热 、密度 和导热系数 等参数。在靠近0oC的正负温度区间，需要考虑冰水相变作用以及水和土骨架的热传导，土体的比热和导热系数不是常数，而是随着温度的变化而变化，且比热是连续变化。我们假定冻土的冰水相变发生在一定温度区间内，决定采用显热容法处理相变问题。模型所用参数如表1所示。

1.3附面层理论

为了计算方便，模型的温度边界条件可以采用热学第一类边界条件，但是这种边界条件的获得需要对路基表面进行长期观测。影响路基上垫面与大气温度的因素很多，如风速、太阳辐射、降雨和降雪等都会观测造成很大影响，难以获得精确的温度数据。目前，在對铁路和公路的温度场数值模拟一般都采用第一类边界条件，但是东北寒区机场跑道温度场的边界条件相比于公路和铁路更加复杂、模型计算所需的边界参数难以直接获得。综上所述，本文决定参考东北多年冻土区公路铁路温度长期观测资料，整理分析后将其作为本文模型中的边界表

在对机场跑道进行长期的温度场数值模拟中，难以精确模拟大气气温和太阳辐射的日波动，同时为了消除对路基表面较多影响的其他因素，本文采用附面层原理。相关学者经过长期的温度监测提出了路基温度场计算的附面层原理，路基表面的热边界条件 采用对附面层底部的长期实测温度值整理拟合出的温度函数。不同于路基表面存在影响温度的众多因素，如风速、降雨、降雪和环境温度变化等，附面层原理假设在附面层底部，这些影响因素不存在。温度增量和附面层厚的选取对机场跑道温度场模拟结果有非常大的影响。本文假设下附面层厚度等效于道面板厚度。

1.4热学边界条件

本文模型中采用的热边界条件表达式如下[43]：

（1.1）

式中：T0—为下附面层底年平均地温，即模型的边界温度，与年平均气温有关；

—为年平均升高温度增量，根据相关文献，未来50年年均升温0.05℃；

A—为上边界温度的年振幅，对于天然地表取11.5℃，水泥混凝土路面取14.8℃；

—为时间，小时；

—为初始相位，这里取 /2。

东北多年冻土区机场跑道有限元模型上边界如上式所示，该边界条件为热学第一类边界条件，并且考虑了未来50年的全球温度升温的影响，加载位置为下附面层第即跑道基层的上表面。模型两侧边界条件去绝热条件，有限元模型底部采用第二类边界条件，施加恒定温度梯度为0.03℃/m的热流边界条件。模型初始温度场难以通过观测的手段获得，采用天然地表土体边界条件下，经过长时间跨度计算得到的温度场分布，计算时不考虑全球气候变暖的影响。

2有限元模拟结果

在铺设道面板后，不采取任何降温措施，研究道面板下土基地温变化规律。并与天然土基地温对比，探究影响土基地温变化的主要原因。研究的年均温度为1℃～-4℃，模拟分析了8种工况

2.1铺设道面板土基温度变化规律

2.2有限元模拟结果分析

由以上结果我们可以得知：当年均温度一定时，随着跑道运行年限的增加，土基热稳定性一般都会降低，在年均温度较高时此种现象比较明显。如年均温度为1℃，当跑道运行至第5年10月中旬时，跑道下部土基多年冻土上限降低至12m之多；当跑道运行至第10年10月中旬时，多年冻土上限持续降低至17m左右；当跑道运行至第15年10月中旬和第20年10月中旬时，跑道下部土基不存在冻土，土基由多年冻土退化为季节性冻土，跑道下部土基中的水分在寒季因温度降低冻结，在暖季融化，形成冻融循环，对跑道土基稳定性产生不利影响。

当年均温度较低时，土基年均地温降低明显，多年冻上限有一定抬升。跑道土基地温的差距随运行年限增加变化减少，年均地温趋于一致。观察年均温度为-3℃的土基地温场可以得知，相比于年均温度较高时，道面板下土基最高温度降低，多年冻土上限提高，年均地温降低。同时，跑道运行年限的增加使多年冻土上限有所下降，年均地温上升，但是上升速度变慢。无论是年均温度的高低，当运行年限相同时，年均气温对土基温度场有较大影响，说明影响跑道土基年均地温的主要因素依然是年均温度，其次是跑道运行年限。

3结论与展望

在多年冻土区进行机场跑道建设，道面板的铺设对跑道下伏冻土地温场的影响很大。随着跑道运营年限的增加，跑道地温场温度升高，必须采取降温措施，保护跑道下伏冻土，维持跑道下浮冻土的热稳定性。

参考文献

[1]赵晨.多年冻土区宽幅路基温度场规律研究[D].南京：东南大学，2015.

[2] 朱林楠.高原冻土区不同下垫面的附面层研究[J].冰川冻土，1988，10（1）：8-14.

[3] 张奕.传热学[M].南京：东南大学出版社，2004.

（作者单位：中国民航大学）