10.1 道面结构的冻胀机理
一般认为机场道面结构的冻胀是由于在冬季气温降到0℃以下时，土基中自由水首先在接近0℃时冻结。土基内出现小的冰晶，它与土颗粒之间由结合水膜隔开。结合水由于土颗粒分子引力的作用，只有在更低的温度时才冻结。当温度继续降低时，土颗粒最外层的弱结合水开始冻结，它们参加到冰晶体中去，使冰晶逐渐增大。此时，冰晶周围土颗粒的结合水膜比别处薄，阳离子浓度也大。这就使冻结区的与未冻结区的结合水之间产生不平衡，弱结合水就由水膜厚的地方向薄的地方转移。倘若负温度下降较慢，而未冻区的水分补给又很充分，随着上层土壤的冻结将发生水流连续移动的现象。未冻区的弱结合水就不断地向冻结区转移，在土层中形成垂直于寒流方向的扁冰块，这就是聚冰层（冰夹层）。土壤中的毛细水在冷处比在热处具有更大的表面张力，气态水在冷处比热处压力要低，这些都会促成毛细水，气态水由暖处向冷处移动，由试验得知，在温度下降到-3℃时，土中水分的移动实际上就停止了。因此，负温度区的水分移动一般发生在0℃到-3℃等温线之间的土层中。如果入冬之前土基含水量较大，地下水位高（有充分的水源补给）；土质不良（如粉土、黏土等）以及入冬后气候时寒时暖，冰冻线长时间停留在某一深度，这里就形成了相当厚的冰夹层。有时，在其下方还可能出现第二个、第三个冰夹层。水结冰后，体积增大，使土基隆起而造成面层开裂或错台。春融时，积聚在土基上层的过多水分不能及时排出，过湿使土基的承载强度下降。并且在机轮荷载作用下形成唧泥和翻浆以及道面板的断裂。
土在冻结过程中，土中水分发生明显的迁移运动，造成水分重分布。这与未冻土水分的蒸发、下渗以及毛细作用等水分的运动是不同的。冻土中的水分主要是在负温和冰晶（透晶体和冰夹层等）的综合作用下发生的，是一个十分复杂的物理、力学变化过程。冻结过程中温度的变化和压力的变化将决定水分运动的方向和水分迁移的强度。
冻土中的水分重分布现象，既具有不均匀性又具有沿深度分布的规律性。一般可分为两种体系：一种是无外界水源补给的情况，冻结过程中只有土体内部的水分迁移而发生的水分重分布现象，通常称为封闭体系；另一种是有外界水源补给的情况，冻结时水分增加量主要由外来水迁移量而决定，通常称为开放体系。
对细粒土（黏性土和粉性土），在开放体系下，冻结过程中下卧未冻土层的水向冻结锋面迁移时，可以得到地下水源的不断补充。所以，冻结后在整个冻深范围内，土的含水量较冻结前有大幅度的增加，使土层冻胀量很大。在封闭体系中，由于缺乏地下水补给，冻结后含水量仅在上部土层中较冻前有显著增加，而下部土层含水量则减少。对不含粉、黏粒的粗砾石、砂等粗颗粒土，冻结过程一般不产生水分迁移现象，但粗粒土中含粉、黏颗粒时，有明显的水分迁移，随着黏粒增多，其性质逐渐接近黏性土，但当黏粒含量增加较多时，会使土层增加不透水性，阻碍水分的运动，其水分迁移数量又会减少。当粉土颗粒和开放条件组合时，发生强烈的水分迁移现象，造成上部土层局部聚集大量的冰透镜体，使土体含水量增大。
戈壁滩地区一般地势平坦，土质主要是含沙砾的戈壁土，外表看是构筑机场道面的天然基础。这一地区降雨虽少，但雨季集中，多为7、8、9三个月，下雨时往往是遍地漫流，在戈壁滩表面形成许多冲沟和积水坑。在风力和水力搬运下，由粉土及细砂土将冲沟和洼坑填平。于是，在戈壁滩表层形成了不均匀的粉土夹层、粉土沟和粉土坑。这些粉土沟和粉土坑的深度可达几米到数十米。西北某机场地处戈壁滩，其机场构形为南、北跑道、两条联络道和一个停机坪组成（如图10-1所示）。道面结构的冻胀一直是该机场道面损坏的主要原因。北跑道主要有五条粉土沟（图10-2）穿越；南跑道也存在多条粉土沟和粉土坑，南跑道北端的冻胀较南端突出。戈壁滩地区气候干燥，地下水位低，天然土处于一种开放状态，其土的含水量较少。水分的迁移主要表现为两种状态，由于地下水位深（一般可达数十米），当气温较高，土体处于零度以上时，土体中的水分其一是以液态形式迁移表现为毛细作用，其上升高度受土体颗粒的影响；土颗粒越小，毛细孔隙越细，其上升高度就越高，反之亦然。其二是以气态形式迁移，表现为水分凝聚在空气中，随着空气的流动而发生迁移；道面结构修建后，由于道面板为水泥混凝土材料，其结构密实，阻止了空气的上升；同时道面板的温度与空气的温度存在着差异；当上升的较热空气遇到较冷道面板时，在温度差的作用下，空气中的水分就会凝聚在道面板下。随着冷凝水的增多并逐渐下渗到土基中。如果土基为粉土或黏土，其渗透性较差，水分在粉土或黏土中聚积导致土基的含水量的增大（见表10-2）。土基的最大含水量可达20%左右。
图10-1 西北某机场构形图
图10-2 道面结构下粉土层平面分布图（单位：m）
戈壁滩的粉土沟和粉土层主要是靠风和水力的作用下形成，图10-3为西北某机场道面下的粉土坑。图10-4为西北某机场道面下的粉土沟。粉土层的厚度主要取决于原地貌的沟坎深度，一般为几十厘米到几米深不等（见图10-5）。
图10-3 西北某机场道面下的粉土坑
图10-4 西北某机场道面下的粉土沟
图10-5 西北某机场粉土层厚度
表10-2为西北某机场实测道面下粉土层含水量随深度的变化。从表中可以看出，粉土层中的含水量随深度变化很小（上层土层含水量小的原因主要是在夏季进行试验，表层的水分蒸发导致含水量的减少，下层土层含水量应该是冰冻时土层的真实含水量），说明粉土层中的含水量已接近或达到饱和状态。当粉土层的厚度小于地下水位深度时，加上戈壁滩的砂砾石颗粒大，其毛细上升高度较低，不会影响到粉土层的含水量，粉土层的含水量的增加主要是由空气中的水分在道面板下凝聚后形成的，并在重力作用下逐渐向下发展。当粉土层的厚度大于地下水位深度时，粉土层中的一部分水会由地下水毛细作用上升到土层中，但同样在道面板下空气中凝聚的水分也会使土层上层的含水量增加。
表10-2 西北某机场粉土层含水量试验报告
从土层含水量的竖向分布说明，地下水通过毛细作用上升的水是很少的，地下水作为水源向冻结区提供水的可能性也是很少的。冻胀所需要的水，大部分是贮存的粉土中的水分提供的。因此，道面下粉土层厚度的厚薄、面积大小及含水量的多少决定了土基的冻胀程度。
为了进一步研究西北地区机场道面冻胀形成机理和冻胀破坏的规律，1999～2001年3年期间对西北某机场道面结构在冻融变化前后的道面高程进行了实测。在北跑道共发生五处冻胀（见图10-2）。在冻胀发生部位，结合道面修补对冻胀发生部位的土层进行颗粒组成分析，确定土层为粉土。冻胀范围均在粉土层范围内。因此，说明在西北戈壁滩地区的道面结构冻胀是由于土层存在粉质土层，在温度坡差的作用下，道面结构中和土层中的气态水在道面结构层下形成凝结水，导致大量水聚集在粉土层中，为道面的冻胀形成冻结区并有足够的水向冻结区提供水源，最终在道面结构下面的土层中形成聚冰层，引起道面结构的冻胀。