機(jī)場(chǎng)的建設(shè)過程中涉及多種專業(yè)領(lǐng)域的分工與合作,本文立足于土木工程專業(yè)的視角,試圖簡(jiǎn)要地普及一下北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱大興機(jī)場(chǎng))可能遇到的由“鍋蓋效應(yīng)”導(dǎo)致的土木工程病害,以及關(guān)于“鍋蓋效應(yīng)”機(jī)制的研究成果、在大興機(jī)場(chǎng)建設(shè)過程中采取的病害防治方案。
(1).機(jī)場(chǎng)工程的概述
大興機(jī)場(chǎng)坐落于北京市大興區(qū)且毗鄰河北省廊坊市,于2015年9月全面開工并在70周年國(guó)慶前夕如期投入運(yùn)營(yíng)。機(jī)場(chǎng)的功能定位主要為疏解首都的航空需求和支撐雄安新區(qū)的建設(shè)。
大興機(jī)場(chǎng)效果圖(來自知乎@Homura)
按照工程慣例,機(jī)場(chǎng)級(jí)別通常由飛行區(qū)等級(jí)來衡量。機(jī)場(chǎng)的飛行區(qū)是與客機(jī)活動(dòng)直接相關(guān)的構(gòu)筑物的統(tǒng)稱,包括:跑道、滑行道、機(jī)坪、地面標(biāo)志、燈光助航設(shè)施及排水系統(tǒng)。
大興機(jī)場(chǎng)屬于最高級(jí)別的4F級(jí)。
飛行區(qū)等級(jí)表
機(jī)場(chǎng)的飛行區(qū)建設(shè)中,屬于土木工程的部分(即跑道、滑行道和機(jī)坪)統(tǒng)稱為場(chǎng)道工程。
隨著民航事業(yè)的發(fā)展,機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)道工程也在不斷地演變和改進(jìn),例如:
1.為保證客機(jī)在各類氣象條件下起飛著陸的安全,需要建設(shè)較大的飛行區(qū);2.為適應(yīng)客機(jī)在起降過程中噴出的高溫高速氣流,我國(guó)的機(jī)場(chǎng)跑道普遍采用耐高溫的水泥混凝土跑道(早期的瀝青跑道易受溫度的影響);3.為滿足質(zhì)量不斷增加的大型客機(jī)對(duì)于助跑距離的要求,機(jī)場(chǎng)跑道的長(zhǎng)度也需要不斷增加。
從土木工程的角度看,場(chǎng)道其實(shí)就是鋪設(shè)于路基之上的一層(或多層)人工結(jié)構(gòu)物。場(chǎng)道及其下方的巖土體,從上到下可以劃分為:混凝土面板層、路基層、墊層、壓實(shí)過的天然土、天然土。
場(chǎng)道及其下方的巖土層
從上面的描述不難得知,機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)道作為客機(jī)的所有活動(dòng)區(qū)域,直接承受著由客機(jī)自重及其行駛所產(chǎn)生的荷載,尤其是跑道部分在客機(jī)變速和起降過程中會(huì)產(chǎn)生顯著的動(dòng)力響應(yīng),因此場(chǎng)道及其下部巖土體的性能直接決定了機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)安全。
于是,知悉場(chǎng)道下部巖土體的物理力學(xué)特性就顯得格外重要了。
眾所周知,土木工程范疇中的“土體”除了土顆粒,還包括了賦存于土顆粒間的水分和氣體。天然狀態(tài)下,土體中的水分能以氣態(tài)水的形式蒸發(fā)到大氣中,而大氣中的水分則能以降雨的形式滲入土體中,也就是說水分在土體與大氣之間存在著動(dòng)態(tài)的變化與平衡。
而在機(jī)場(chǎng)建設(shè)完工后,面積廣闊的場(chǎng)道結(jié)構(gòu)會(huì)不可避免地阻斷水分在土體與大氣間的遷移。本應(yīng)從土體中向上蒸發(fā)至大氣的水汽因受阻而在場(chǎng)道結(jié)構(gòu)的下表面聚集,本應(yīng)以降雨的形式補(bǔ)充至土體中的水分也無法直接滲入場(chǎng)道下方的土體中。
簡(jiǎn)而言之,面積廣闊的機(jī)場(chǎng)會(huì)使土體與大氣之間的水分交換受到阻礙。
相較于土體強(qiáng)度、變形等傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念所著重考慮的因素,上述的水分交換失衡在多數(shù)情況下顯得人微言輕。不過,學(xué)術(shù)界已經(jīng)逐漸認(rèn)識(shí)到這種失衡會(huì)在特定條件下形成“鍋蓋效應(yīng)”,進(jìn)而造成嚴(yán)重的場(chǎng)道工程病害。
大興機(jī)場(chǎng)所在地的氣候和巖土狀況滿足鍋蓋效應(yīng)的形成條件,為此,我國(guó)科研人員在機(jī)場(chǎng)建設(shè)期間針對(duì)鍋蓋效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究并提出了相應(yīng)的防治方案。
下文的第2、第3小節(jié)分別簡(jiǎn)要地介紹“鍋蓋效應(yīng)”的形成機(jī)制、大興機(jī)場(chǎng)“鍋蓋效應(yīng)”的研究與防治。
(2).鍋蓋效應(yīng)的機(jī)制
鍋蓋效應(yīng)最初是為解釋機(jī)場(chǎng)病害問題而提出的假說。
位于我國(guó)西北部的蘭州中川機(jī)場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)過程中一直困擾于場(chǎng)道面的工程病害[1],這些病害具體表現(xiàn)為:
1.場(chǎng)道面發(fā)生嚴(yán)重的不均勻沉陷,沉陷量在場(chǎng)道中心位置達(dá)到最大值;2.跑道的縱橫向都出現(xiàn)了寬度達(dá)3-5cm的裂縫,長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)幾十米;3.場(chǎng)道面的混凝土板存在不同程度的破損。
病害的成因在于場(chǎng)道面下方淺層的黃土遇水發(fā)生濕陷,使得場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的脫空,加之客機(jī)的動(dòng)力循環(huán)荷載,最終演變?yōu)樽阋杂绊憴C(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)安全的工程病害。
第1小節(jié)中曾提到,幾乎不透水的場(chǎng)道面混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙雨水下滲;與此同時(shí),身處干寒地帶的蘭州中川機(jī)場(chǎng)有著非常低的地下水位(地表以下約35m)。據(jù)此可以推斷,場(chǎng)道面下方淺層土體的含水率會(huì)非常低。
然而事實(shí)正好相反,根據(jù)巖土勘察結(jié)果,水分在淺層土體中大量聚集,甚至使土體達(dá)到飽和狀態(tài)。除此之外,水分還會(huì)在氣溫低于0度時(shí)發(fā)生凍脹現(xiàn)象并加重病害。
土體淺層的水分大量聚集
因此,解決病害問題的第一步是探究水分在淺層土體中大量聚集的機(jī)制。在這一探究過程中不斷地有科研人員提出猜想并且不斷地被證偽,直至2014年終于提出了逼近真相的鍋蓋效應(yīng)[2]。
眾所周知,煮沸的水會(huì)以蒸汽的形式向上遷移,如果受到鍋蓋的阻滯便會(huì)以水珠的形式聚集在鍋蓋下表面。
出自文獻(xiàn)[2]
類似地,面積廣闊且難以透水的場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)如同扣在土層上方的鍋蓋,阻滯了土中水的向上遷移并使之聚集于場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的下表面附近。這就是土體的鍋蓋效應(yīng)。
一般情況下,土中水自發(fā)向上遷移的水量非常有限,并且處于淺層土體中的水分如無其他外力則會(huì)受重力影響而下滲至深處。反而言之,鍋蓋效應(yīng)的機(jī)制在于如何使水分不斷地向上遷移并大量滯留于淺層土體中。
文獻(xiàn)[3]根據(jù)物理過程和內(nèi)在機(jī)制的差異,將鍋蓋效應(yīng)分為兩類:
第一類鍋蓋效應(yīng)屬于非飽和土內(nèi)水氣冷凝的過程:處于淺層的非飽和土具有一定的吸水和儲(chǔ)水能力,再加上土體溫度隨深度的增加而增加(也就是上冷下熱),于是,深層土體中的水分在毛細(xì)吸力和溫度的作用下,以氣態(tài)水的形式向上遷移并在冷凝后聚集于淺層土體中。
從以上描述可知,第一類鍋蓋效應(yīng)的形成條件是土體本身的含水率不低、毛細(xì)作用較強(qiáng),因此還不足以完滿地解釋旱區(qū)機(jī)場(chǎng)(例如蘭州中川機(jī)場(chǎng))的病害。
溫度和含水率隨著埋深的變化
第二類鍋蓋效應(yīng)屬于非飽和凍土內(nèi)水氣遷移成冰的過程。在冬季,蘭州中川機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)道面下方淺層土體的溫度低于霜點(diǎn)(水蒸氣凝華成霜的溫度),該區(qū)域土中的液態(tài)水與氣態(tài)水分別發(fā)生凍結(jié)與凝華,也就是相變成冰。這一相變過程會(huì)導(dǎo)致淺層土體內(nèi)的空氣濕度與含水率降低,于是在深淺土層之間形成了空氣濕度梯度,吸引著深層土體中的水分以氣態(tài)水的形式向上遷移,隨后凝華成冰并再度形成了空氣濕度梯度,進(jìn)一步強(qiáng)化了水分的向上遷移。
上述物理過程可以歸納為:氣態(tài)水向上遷移→凝華成固態(tài)→淺層土體的空氣濕度下降→形成空氣濕度梯度→強(qiáng)化了氣態(tài)水的向上遷移。
至此,第二類鍋蓋效應(yīng)作為一種正反饋調(diào)節(jié)的泵吸過程,很好地解釋了出現(xiàn)在蘭州中川機(jī)場(chǎng)的工程病害。
從科研角度看,第二類鍋蓋效應(yīng)涉及了土體的溫度-滲流場(chǎng)耦合、非飽和土、凍土這3個(gè)土力學(xué)研究領(lǐng)域。學(xué)術(shù)圈目前已經(jīng)積累了一定的數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)方面的研究成果[3,4],但要完全探清第二類鍋蓋效應(yīng)的機(jī)制還任重而道遠(yuǎn)。
第二類鍋蓋效應(yīng)的機(jī)制
(3).大興機(jī)場(chǎng)的病害防治
大興機(jī)場(chǎng)的所在地屬于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱的大陸性季風(fēng)氣候區(qū),地下水平均埋深約20米,地表附近的土體會(huì)隨著季節(jié)變化而出現(xiàn)凍融循環(huán)的過程。這意味著大興機(jī)場(chǎng)同樣可能困擾于鍋蓋效應(yīng)所致的工程病害。
為此,在大興機(jī)場(chǎng)的建設(shè)初期,針對(duì)鍋蓋效應(yīng)所致病害的防治,北京航空航天大學(xué)的研究人員開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究[5]。
試驗(yàn)筒壁的埋設(shè)-出自文獻(xiàn)[5]
第2小節(jié)已經(jīng)敘述了鍋蓋效應(yīng)與季節(jié)變化的密切關(guān)聯(lián),因此該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的時(shí)間跨度為2016年12月至2017年4月,完整地觀測(cè)了一個(gè)冬季的氣溫變化所帶來的影響。
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含水率隨深度的分布-出自文獻(xiàn)[5]
上圖展示了大興機(jī)場(chǎng)下方的土體在冬季前后的含水率隨深度的分布情況??梢?,經(jīng)冬之后,深層土體中的水分向上遷移并富集于淺層土體中。也就是說,如果沒有對(duì)癥下藥地改良場(chǎng)道工程的設(shè)計(jì)方案,那么鍋蓋效應(yīng)必定會(huì)再現(xiàn)于大興機(jī)場(chǎng)。
第2小節(jié)已經(jīng)介紹了鍋蓋效應(yīng)的機(jī)制,結(jié)合工程的可操作性和經(jīng)濟(jì)性,“阻斷水分的向上遷移”可能是最為有效的方案。
北航的研究者們?cè)缫芽紤]了這一方案并進(jìn)行了隔斷水分遷移的試驗(yàn)。試驗(yàn)中保持其他參量不變,僅在埋深45cm的土體中設(shè)置一道隔水隔氣的隔斷層,并觀測(cè)土體在冬季前后的含水率隨深度的分布情況。
含水率隨深度的分布-出自文獻(xiàn)[5]
如上圖所示,在增設(shè)隔斷層后,水分不再富集于淺層土體中,說明隔斷層有效地阻斷了水分的向上遷移,從而破壞了鍋蓋效應(yīng)的形成條件。
至此,由鍋蓋效應(yīng)所致工程病害的防治方案已得到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的驗(yàn)證,蘭州中川機(jī)場(chǎng)長(zhǎng)期所困擾的工程病害將不會(huì)再重蹈于大興機(jī)場(chǎng)。
以上。謝謝閱讀。
參考內(nèi)容:
[1]熊英功.蘭州中川機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程的環(huán)境地質(zhì)問題及其治理[J].西部探礦工程,1998(05):16-17.
[2]李強(qiáng),姚仰平,韓黎明,胡晶,彭仁,王乃東.土體的“鍋蓋效應(yīng)”[J].工業(yè)建筑,2014,44(02):69-71.
[3]滕繼東,賀佐躍,張升,盛岱超.非飽和土水氣遷移與相變:兩類“鍋蓋效應(yīng)”的發(fā)生機(jī)理及數(shù)值再現(xiàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2016,38(10):1813-1821.
[4]張升,賀佐躍,滕繼東,劉巖,盛岱超.非飽和土水汽遷移與相變:兩類“鍋蓋效應(yīng)”的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2017,39(05):961-968.
[5]羅汀,曲嘯,姚仰平,王乃東,陳經(jīng)偉.北京新機(jī)場(chǎng)“鍋蓋效應(yīng)”一維現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].土木工程學(xué)報(bào),2019,52(S1):233-239.
[6]知乎用戶@鶴運(yùn)的文章:地下世界的“云騰致雨,露結(jié)為霜”.
[7]知乎用戶@Mustang在“流體力學(xué)在巖土工程,土木工程中有什么用?”問題下的回答.
供稿:許曉亮,駱祚森,陳奕愷,郭宇,曹旭等
(文中部分內(nèi)容來源于知乎用戶Homura——”工程科普 | 大興機(jī)場(chǎng)的建設(shè)——“鍋蓋效應(yīng)”衍生的病害及其防治“,如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除)