复合土工膜在冻土机场路基冻害控制的应用研究
时间：2023-01-15 11:15:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
吕秋臻，张 瑾,*，时 伟，李广胜，张甲峰
(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；
2.上海民航新时代机场设计研究院有限公司，上海 200120)
为保证飞机安全起降，要求机场跑道具有一定的强度、平坦度、粗糙度和稳定性。由于机场跑道路面宽幅大并受到较大的冲击荷载，使得其受力情况与普通公路铁路不同。我国冻土区面积分布较广，季节性冻土面积达到我国领土面积的50%以上[1]。在经济的不断发展过程中，旅游业蓬勃发展，越来越多的机场建造于冻土之上，而由于冻土区的冻融循环作用，建设过程中就必然会面临冻胀和融沉两大危险，加之较大的冲击荷载，使得机场跑道建设形势就更为复杂，这也成为很多地区交通建设的阻力。
冻融循环作用对土的力学性能和稳定性都有较大影响，而土层中的水是导致冻胀破坏的根本原因。排水疏水是解决跑道冻胀问题最关键的方法，翁晓波[2]运用有限元模拟地下水和降水情况下设置土工格栅和复合土工膜对路基的影响，得出加入土工格栅和复合土工膜可以有效降低降水和地下水对路基的影响。张聚贤[3]以兰新线路为例，通过有限元建模研究发现，铺设复合土工膜能够有效减少冻害数量和最大冻胀高度。牛富俊等[4]依托新建哈大客运专线，在路基中设置封闭复合土工膜，从而阻隔外界水分流入，保持了内部路基主体含水量的稳定，减少冻胀。曹立[5]以哈大客运专线为依托，发现路基中层及上层土冻胀受到含水量影响较大，设置复合土工膜对路基冻结期水分迁移起到隔断作用。LIU Y Y等[6]发现铺设土工膜后，路基中水分受季节降雨的影响较小，湿度变化小，路基水稳定性大大提高。
综合现有冻土机场排水设施的研究现状，以新疆某机场道面修复工程为例，对冻害造成的道面破坏进行统计研究，采用数值模拟对复合土工膜对机场路基受力、变形影响进行分析，探索出合理有效的冻土区机场路基冻害控制措施。
新疆某机场处于季节性冻土区域，该工程跑道道面材料为水泥混凝土，跑道西端400 m延长段(图1)由于冻土的冻融循环作用，刚投入使用不久便出现了一系列问题：跑道西端不均匀变形的错台、断板等结构性病害突出，A停机坪也存在类似问题；
跑道西端400 m共计1110块道面板，已损坏的道面板共有446块，其中出现裂缝的252块、错台的76块、破损的42块、更新后仍损坏的道面板76块，道面板的破损比例为40.2%。跑道西端道面沿中线左右两侧道面状况指数(PCI值)分别为79.89和76.07，评定为“良”等级，接近“中”等级[7]。根据改进的机场水泥混凝土道面脱空判定标准[8]，该机场出现的12种典型破坏频次见图2，可以看出，纵向、横向或斜向裂缝(即为道面板开裂产生相对横向位移)，沉陷或错台(在裂缝或接缝处产生相对竖向位移)，小补丁(对道面坑洞进行修补产生补丁，因为该修补部分强度较弱，在冲击荷载下产生破坏)这三种病害在该工程的病害中最为突出。
图2 道面病害频次统计及部分病害示意
脱空是导致沉陷、错台、补丁等病害的主要原因，根据工程现场反馈的机场跑道脱空率发现跑道西端400 m脱空现象最为严重。对西端400 m跑道进行取点，测量变形情况。首先将西端400 m跑道均分为10个部分，每个部分40 m，分别为P51—P60，而后对距离每个起点的不同位置处进行取点研究，如P51+12，表示距离P51部分的起点12 m处。分别统计中心线和距离中心线南北两方向各9 m 3个断面的部分点冻胀情况，各断面变形曲线见图3。由图可看出，该跑道冻胀问题严重。
对于西端400 m跑道脱空严重的原因展开分析，发现导致病害严重的原因主要是由于下层土含水率较高、冻胀严重，进而使得道面脱空，在飞机巨大的冲击荷载下，造成道面破坏。具体原因如下：
1) 环境水加重冻融循环破坏程度。由于采用基岩中开槽的结构层方式，加之结构层采用了透水的砂砾石层，同时存在着环境水的来源，在这些特定条件的组合下，冻融循环使得冻结层循环出现隆起和疏松的周期变化，这是导致跑道道面出现病害的主要原因。
2) 土体分布不均造成冻胀差异。路基基床土体分布不均匀，而不同种类的土体对于冻胀的反应程度也是不同的，从而造成冻胀差异，引起上部道面不同程度的沉陷。
3) 路基表面不平整。上文提到的脱空即为不平整的一种，不平整路面就会产生部分空洞，当周围有水供给时，就会在该部位产生积水，从而加重冻胀，导致跑道道面发生破坏；
脱空部位由于承载能力很低，在受到巨大冲击荷载时，极易发生破坏，这也是产生跑道破坏的原因之一。
3.1 有限元模型参数设置
在西端400 m跑道范围内，找出最易破坏的位置，即飞机降落瞬间机轮接触点，利用Comsol软件建立该机场西端400 m跑道飞机降落瞬间受力点截面的有限元模型。由于该工程地下水为稳定水面，根据填土的弹性模量等物理性质随饱和度降低趋势建立线性关系[2]，从而确定含水砂土弹性模量。跑道道面截面宽度取45 m，深度为20.4 m，取最北侧、最深处跑道路基点为原点，两机轮着地点取表层距离原点20和25 m处，与实际工程相符。
结合该机场实际工况，采用复合土工膜进行防渗处理。模拟时在距离砂土层顶部下方1.3 m处设置复合土工膜，土工膜上方为不含水砂土，下方为饱和砂土。土层及复合土工膜布设如图4所示，具体土层信息模型参数如表1所示。实验组与对照组均施加660 kN的飞机荷载[9]，下方设置固定约束，两边均设置水平约束，表面为自由约束。分析研究有无土工膜情况下机场路基的应力及变形情况。
图4 土层及复合土工膜布设
表1 土层参数
3.2 有限元模型结果分析
根据有限元模型结果压力水头等值线(图5、图6)可以看出，设置复合土工膜可以有效延长水的渗流路径、降低同位置压力水头大小，从而降低土中应力，提高土体承载能力，减小飞机冲击荷载下的道面变形位移大小。图7、图8为不设土工膜与设置土工膜情况下的应力云图，为方便观看，将云图中应力变形处，即云图中凹陷处放大90倍。从云图中可以明显看出设置复合土工膜的道面竖向应力要明显小于无复合土工膜的竖向应力。
图5 不设置复合土工膜压力水头等值线
图6 设置复合土工膜压力水头等值线
图7 不设置复合土工膜应力云图
图8 设置复合土工膜应力云图
图9、图10为2种工况下的竖向应力和竖向位移对比曲线，应力应变原点设置在模型最左端。通过比较可以看出设置复合土工膜能够有效保护机场路基，减少病害。
由图9可以看出，在飞机着陆时两机轮处竖向应力达到最大，在荷载中点处应力值较低，而位于荷载施加点外侧存在2个小突变；
由图10可以看出，在荷载中点处竖向位移达到最大。根据温克勒弹性地基梁模型，画出竖向位移和剪力示意(图11、图12)。由图11可以看出，荷载中心点处应力较低，是因为由于两侧荷载点造成的剪应力正负号相反，相互抵消，从而使得两荷载中点处剪应力为0，而荷载点外的两个突变是由于荷载作用引起土体挤压，两侧土体给予的约束应力造成。由图12可以看出，竖向位移在两机轮连线中点处达到最大，是由于机轮距离较近，瞬时冲击对道面造成挤压使得中点处产生位移叠加，导致两荷载中点处位移最大。
图11 剪力叠加示意
图12 竖向位移叠加示意
为更清楚地比较数据的差异性，下面将取两机轮及中点(距离路边分别为20，22.5，25 m处)的竖向位移和竖向应力数据进行比较，如表2所示。
表2 有无土工膜道面位移、应力对比
由表2数据分析可得，设置复合土工膜的路基道面应力和飞机荷载冲击瞬间的道面竖向位移显著降低，竖向位移减小最高可达到11.55%，而竖向应力变化更为明显，中点处竖向应力减少50%，两加载点处应力变化也达到了16.5%，从而起到保护道面不受破坏的作用。竖向位移的减小，能够保证道面平整度；
竖向应力的减小，能够保护水泥道面不会过早发生破坏，避免裂缝的产生。
路基中的水是导致道路过早发生破坏、寿命缩短的根本原因。设置复合土工膜减少渗透压力，延长渗流路径，阻止水的渗透，使得地下水面距离道面较远。由于复合土工膜的低渗透性，使得被保护的土体中含水率明显降低，冻胀明显减小，而深处土体冻胀对上表面的影响相对较弱，从而能够有效提升路基抗冲击的能力。
3.3 土工膜布设深度对路面竖向位移的影响
运用上述有限元模型分析复合土工膜不同布设深度对竖向位移的影响，找出复合土工膜布设最佳位置。不同的埋置深度下，道面竖向位移及变化率如表3所示。
表3 不同布设位置产生的路基竖向位移对比 m
从表3中可以看出，竖向位移减小量在1.1 m之前均为正值，1.3 m变为负值，说明1.1 m为设置复合土工膜的最佳埋置深度。复合土工膜有最适埋置深度的原因是：当复合土工膜埋置深度较大时，土工膜上面土层厚度要比下面饱和土层厚度大很多，此时在荷载作用下，正常土层的受压累计变形可能会比较薄的饱和土层的变形大，这就产生了复合土工膜在每种工况下的一个最适埋置深度。就本案例来说，复合土工膜最佳布设深度为距离砂土层表面1.1 m处。
本道面工程场地处于相对富水的环境，环境水在道面土体中的富集易产生季节性冻土的冻胀危害，应采取必要的防护措施。从消除产生冻胀的原因与条件入手，结合本工程特点及场地水文地质条件，并考虑防水措施的有效性与投资经济性，采取针对结构层直接防水为主，以外围疏排、降水为辅的技术措施。考虑到单一技术措施处理效果有限，应采用多种措施综合运用。具体措施为铺设复合土工膜，同时设置防冻垫层和盲沟。
1) 铺设复合土工膜：采用两布一膜，在-20 ℃温度时，其纵横向的抗拉强度不小于14 kN/m，断裂延伸率不大于20%，CBR顶破强度不小于2.5 kN。对新建道面基层下的砂砾石层采用防渗复合土工膜进行U字形包裹，其中砂砾石层顶部土工膜单边包裹长度不小于10 m。
2) 铺设垫层：开挖基槽，清除原有砂砾石垫层及松动基岩，设置1.3 m厚级配砂砾石垫层。材料要求：级配砂砾石，含盐量不大于0.3%，粒径5～50 mm，不均匀系数Cu≥5，曲率系数Cc=1～3；
天然级配砂砾石料，粒径小于0.075 mm的颗粒含量不大于5%，最大粒径不大于10 cm。
3) 设置盲沟：围绕跑道四周进行设置，纵向埋深2.4～4.1 m，断面如图13所示。
图13 复合土工膜及盲沟结构示意
自采取该措施以来，该机场跑道一直没有出现病害及其他冻胀问题，使用效果良好。从机场改造段现场应用效果来看，采用复合土工膜+垫层+盲沟的措施，可以较好地对地下水进行防渗控制，从而减小了冻害影响。
本文根据新疆某机场实际工程情况，利用有限元建模模拟设置复合土工膜和不设土工膜2种工况，可以得出以下结论：
1) 环境水是冻土区机场道面破坏的根本原因，是冻融循环发生的最直接条件。解决冻土区机场跑道病害的主要方法就是要从消除环境水入手。
2) 设置复合土工膜的路基在飞机冲击荷载作用下道面应力和道面竖向位移显著降低。竖向位移减小最高可达到11.55%，而竖向应力变化更为明显，中点处竖向应力减少50%，两加载点处应力变化也达到了16.50%，从而起到保护道面不受破坏、延长路面寿命的作用。
3) 利用有限元模型研究复合土工膜在不同布设深度下对竖向位移变化的影响，可得竖向位移减小量在1.1 m之前均为正值，1.3 m变为负值，即1.1 m为设置复合土工膜的最佳埋置深度。
4) 结合工程特点及场地水文地质条件，考虑到单一技术措施处理效果有限，应采用多种措施综合运用。采取针对结构层直接防水为主，以外围疏排、降水为辅的技术措施，即设置复合土工膜进行隔水和防渗水、铺设垫层、设置盲沟排水疏水，更好地保证防水措施的有效性与投资经济性。
猜你喜欢 冻土土体荷载 活荷载北方建筑(2022年2期)2022-11-21日光温室荷载组合方法及应用农业工程学报(2022年7期)2022-07-09截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究冰川冻土(2022年1期)2022-06-19含空洞地层中双线盾构施工引起的土体位移研究低温建筑技术(2022年3期)2022-04-20考虑位移影响的有限土体基坑土压力研究 *重庆交通大学学报(自然科学版)(2022年1期)2022-02-10疲劳荷载作用下混凝土硫酸盐腐蚀寿命预测建材发展导向(2021年15期)2021-11-05软黏土中静压桩打桩过程对土体强度和刚度影响的理论分析北京工业大学学报(2021年7期)2021-07-14盾构施工过程中的土体变形研究居业(2018年9期)2018-10-24车辆二维静力动力荷载分析建筑工程技术与设计(2015年20期)2015-10-2126时代英语·高三(2014年5期)2014-08-26
