科技引领 | 青藏高原机场道面防冻害研究

项目研究背景及简介

青藏高原海拔高、温度低、环境条件恶劣，对机场道面造成很多不利影响，产生了比较严重的冻害。主要有两个方面的问题：一是道面混凝土的冻融破坏；二是道面道肩的冻胀问题。道面土基冻胀造成道面平整度下降，飞机滑跑时出现颠簸，影响飞行的舒适性，严重时还会损坏飞机轮胎和起落架，引起飞行事故。道肩冻胀阻碍了道面雨水的顺利排出，使之积于道面边缘，影响道面的正常使用，并在道面与道肩接缝处大量下渗，使冻胀进一步加剧，造成多处道面脱皮、剥落、断裂、错台等病害，不仅影响道面的寿命，增加维护工作量，还会影响飞行安全。

本项目根据青藏高原机场道面的实际情况，针对青藏高原地区自然环境、土壤和气候特点，通过现场调研与资料收集、室内试验、现场试验、理论分析与研究等方法，研究高原机场道面混凝土冻融破坏及道面冻胀的机理，提出机场道面混凝土抗冻指标，获得高原地区含泥砂砾土基冻胀规律，结合工程实际，从设计、施工等方面提出防治道面和道肩冻胀的措施，用来指导工程实践。该研究填补了我国青藏高原地区机场道面防冻害研究的技术空白。

项目研究成果先后应用于青海果洛、祁连、玉树、西宁，新疆塔什库尔干、奇台等多个机场建设工程中。经过验收，这些工程混凝土道面的各项技术指标均满足民航规范技术要求。使用研究成果后，各机场均没有出现过道面板断裂、表面脱皮、裂缝等现象；所有道面和道肩未出现冻胀，解决了以往普遍存在的道肩冻胀错台问题，效果非常好。采用项目提出的道肩与道面等厚方案，减少了施工程序，加快了施工进度。项目成果具有较大的经济效益和社会效益，具有重要的推广应用价值。

科技创新性

本项目主要有三项创新点：

创新点一：提出了青藏高原地区机场道面混凝土抗冻指标确定方法。

创新首次在高原地区现场埋设混凝土试件和温度传感器，进行长期观测，获得道面混凝土自然冻融次数，并提出了更为科学的自然冻融循环次数统计方法。通过室内标准冻融和现场埋设试件自然冻融损伤的测试分析，得出道面混凝土同等损伤条件下室内标准冻融与自然冻融次数的比例关系，据此确定道面混凝土的抗冻指标，方法更加科学合理。

创新点二：揭示了含泥砂砾土道基的冻胀机理，提出了相关设计参数

创新首次通过系统的室内试验获得了含泥砂砾土冻胀率计算的综合回归公式。并首次进行了道面道肩室内模型试验，获得了侧向水分入渗对机场道肩和道面土基含水率及冻胀量的影响规律，并通过现场试验和数值模拟进行了验证，填补了砂砾土地基道面道肩冻胀机理研究的空白。

创新点三：提出了解决机场道肩冻胀的工程措施

创新首次提出了道肩冻胀时的力学模型，进行道肩基层抗裂验算。并提出了道肩与道面结构层相同、优化道肩施工顺序等一系列工程措施，防止道肩出现冻胀错台。

研究主要亮点

目前，国内外一般采用气温资料统计混凝土自然冻融循环次数，室内标准冻融与自然冻融损伤的比例关系根据理论假设推导，不完全符合道面混凝土的实际。而且一般认为砂砾土是非冻胀土，对砂砾土地基上机场道面和道肩的冻胀机理研究处于空白；另外，工程中一般只提出道面防冻胀的工程措施，对防止道肩冻胀的工程措施也处于空白状态。

随着我国民航机场建设步伐的进一步加快，分布于青藏高原等高寒高海拔地区的机场也越来越多，该地区机场工程建设遇到的道面冻害等工程问题已引起广泛重视，成为极受关注的研究课题，怎样采取既经济合理又效果显著的措施，避免特殊气候条件下引发的一系列的工程问题，是制约类似区域机场工程安全和控制工程造价的关键。

针对上述问题，研究团队经过3年多的现场调查、试验、监测，室内试验、计算分析、数值仿真等艰苦细致的科研工作，提出一系列新观点和方法，成功解决了青藏高原地区机场道面混凝土冻融破坏和土基冻胀问题，发表论文13篇（其中SCI论文3篇、EI论文3篇、中文核心论文6篇）。

2019年9月，中国航协对研究进行了科学技术成果评价，认为研究成果整体达到国际先进水平，并获得2018年度中国航协民航科学技术奖三等奖。