摘 要：地表覆蓋層使土體表面蒸發(fā)效應(yīng)受阻，引起水汽在不透氣的覆蓋層下集聚，進(jìn)而引起一系列的工程病害的現(xiàn)象被稱為“鍋蓋效應(yīng)”?！板伾w效應(yīng)”會(huì)導(dǎo)致水在淺層土體中積聚，最終誘發(fā)機(jī)場(chǎng)跑道道基災(zāi)害。基于鍋蓋效應(yīng)水汽遷移量計(jì)算方法，建立計(jì)算模型，對(duì)不同條件下的“鍋蓋效應(yīng)”防治效果進(jìn)行分析?；谟?jì)算結(jié)果，認(rèn)為在土體中鋪設(shè)隔斷層會(huì)抑制“鍋蓋效應(yīng)”，透氣性能越強(qiáng)的隔斷層起到的抑制效果越弱，隔斷層最優(yōu)鋪設(shè)位置為最大凍結(jié)深度位置?；谕馏w透氣性對(duì)水汽遷移的影響規(guī)律，開(kāi)展理論分析，認(rèn)為在有效范圍內(nèi)，含水率、干密度的增大會(huì)使土體透氣性下降，抑制土體水汽遷移速率，進(jìn)而抑制“鍋蓋效應(yīng)”的產(chǎn)生。以上研究結(jié)論對(duì)于選取隔斷層材料、確定隔斷層埋深位置具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)可為寒區(qū)機(jī)場(chǎng)跑道凍害的防治提供思路。

關(guān)鍵詞：鍋蓋效應(yīng)；水汽遷移量計(jì)算方法；含水率；菲克定律

中圖分類號(hào)：V351" " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " "文章編號(hào)：1007 - 9734 （2024） 06 - 0086 - 09

0 引 言

地表低溫引起土體中的氣態(tài)水遷移并在地表覆蓋層下凝華集聚并引發(fā)工程災(zāi)害的現(xiàn)象被稱為“鍋蓋效應(yīng)”［1］。近年來(lái)，越來(lái)越多由“鍋蓋效應(yīng)”引發(fā)的工程災(zāi)害在寒區(qū)的機(jī)場(chǎng)被發(fā)現(xiàn)。例如，沈陽(yáng)桃仙機(jī)場(chǎng)跑道道肩凍脹開(kāi)裂，見(jiàn)圖1。沈陽(yáng)桃仙機(jī)場(chǎng)的地下水位深度約為30m，最大凍結(jié)深度約為1.48m，跑道道肩下鋪設(shè)有山皮石碎石墊層，冬季發(fā)生凍脹導(dǎo)致跑道道肩開(kāi)裂。沈陽(yáng)桃仙機(jī)場(chǎng)凍脹災(zāi)害是“鍋蓋效應(yīng)”引發(fā)工程災(zāi)害的典型案例［2］。

類似工程實(shí)例還出現(xiàn)在蘭州中川機(jī)場(chǎng)、敦煌機(jī)場(chǎng)、山西長(zhǎng)治機(jī)場(chǎng)、關(guān)山輸油站、蘭新高鐵（門源至浩門段）等［3］［4］。由于我國(guó)西部、東北部地區(qū)每年會(huì)有一段時(shí)間處于極端低溫的環(huán)境條件，同時(shí)這些地區(qū)的地下水位埋深較深，故而這些地區(qū)開(kāi)展的工程面臨“鍋蓋效應(yīng)”的威脅［5］［6］，亟須開(kāi)展相關(guān)研究。

目前，針對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的研究手段主要有：案例分析、計(jì)算分析、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等。姚仰平等通過(guò)對(duì)不同地區(qū)實(shí)際工程災(zāi)害案例的成因展開(kāi)分析，提出了“鍋蓋效應(yīng)”這一概念，并總結(jié)歸納了“鍋蓋效應(yīng)”的形成和致災(zāi)機(jī)理［1］［2］。張明禮等通過(guò)對(duì)不同地區(qū)工程實(shí)例的分析，論證了“鍋蓋效應(yīng)”的致災(zāi)機(jī)理，并強(qiáng)調(diào)水汽遷移致災(zāi)需要引起高度重視［6］。賴遠(yuǎn)明等針對(duì)非飽和粗粒土中氣態(tài)水遷移的規(guī)律，結(jié)合熱力學(xué)定律建立了未凍水含量的熱力學(xué)計(jì)算模型，為進(jìn)一步分析非飽和土體中由水汽相變所引起的水分積聚現(xiàn)象提供了依據(jù)［7］。Zhang等將氣態(tài)水遷移相變的規(guī)律融入PDV模型之中，建立耦合模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，再現(xiàn)了凍結(jié)狀態(tài)下“鍋蓋效應(yīng)”引發(fā)的水分集聚現(xiàn)象［8］［9］。宋二祥等采用數(shù)值計(jì)算的方法開(kāi)展研究，分析計(jì)算了“鍋蓋效應(yīng)”作用下土體的凍脹規(guī)律，揭示了土中水和水蒸氣在變溫作用下的運(yùn)移及相變規(guī)律，分析了“鍋蓋效應(yīng)”的形成條件和影響因素［10］。羅汀等針對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”相關(guān)工程災(zāi)害案例特點(diǎn)，研發(fā)了“凍融循環(huán)鍋蓋效應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)儀”，并基于該試驗(yàn)儀器進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)，揭示了不同試驗(yàn)條件下的氣態(tài)水遷移規(guī)律［11］。還有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)［12-16］采用室內(nèi)試驗(yàn)的手段開(kāi)展“鍋蓋效應(yīng)”相關(guān)研究，分析了不同條件下氣態(tài)水遷移相變規(guī)律，揭示了室內(nèi)試驗(yàn)條件下“鍋蓋效應(yīng)”的形成機(jī)理。為降低“鍋蓋效應(yīng)”所引發(fā)的災(zāi)害損失，姚仰平等提出了雙鍋蓋的水汽遷移抑制方法，即在土體合適位置鋪設(shè)隔斷層（或加密的土層）用以防治“鍋蓋效應(yīng)”引發(fā)的工程災(zāi)害［4］。羅汀等在北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)內(nèi)開(kāi)展了長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，不僅再次印證了“鍋蓋效應(yīng)”的形成機(jī)理，還證明了雙鍋蓋能夠有效抑制“鍋蓋效應(yīng)”［17］。仝睿等在蘭新鐵路武威段進(jìn)行了原位測(cè)試，在實(shí)際路基中監(jiān)測(cè)到了“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象［18］。

本研究團(tuán)隊(duì)在梳理已報(bào)道的“鍋蓋效應(yīng)”相關(guān)研究成果［3.4，17，19］基礎(chǔ)上，提出了一種氣態(tài)水遷移量的簡(jiǎn)單計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果能夠反映實(shí)際條件下的水汽遷移規(guī)律，極大地簡(jiǎn)化了“鍋蓋效應(yīng)”水汽遷移量的理論計(jì)算［20］。本文基于“鍋蓋效應(yīng)”水汽遷移量計(jì)算方法，建立計(jì)算模型，并嘗試分析隔斷層的埋設(shè)深度、隔斷層的透氣性對(duì)水汽遷移的影響，進(jìn)而找出隔斷層的最優(yōu)鋪設(shè)方式，為找出“鍋蓋效應(yīng)”的有效防治措施提供理論依據(jù)。

1 “鍋蓋效應(yīng)”水汽遷移量計(jì)算方法

“鍋蓋效應(yīng)”的前期研究［3.4，17，19］表明：在地下水位較低的季凍區(qū)，土體中水分以氣態(tài)水的形式進(jìn)行遷移，其遷移規(guī)律應(yīng)滿足氣體擴(kuò)散規(guī)律；在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下，溫度是驅(qū)動(dòng)水汽遷移擴(kuò)散的重要因素?！板伾w效應(yīng)”水汽遷移量計(jì)算方法以這兩個(gè)研究結(jié)論為基礎(chǔ)，其基本假設(shè)為：（1）在地下水埋深較深時(shí)，土體中只有氣態(tài)水的遷移，液態(tài)水遷移量忽略不計(jì)；（2）氣態(tài)水的遷移速率遵循菲克定律；（3）土體溫度場(chǎng)主要受到周圍環(huán)境的影響，水汽運(yùn)移對(duì)土體溫度場(chǎng)的影響忽略不計(jì)。該假設(shè)明確了鍋蓋效應(yīng)水汽遷移量計(jì)算方法的推導(dǎo)前提，并將復(fù)雜的環(huán)境條件進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，為得到簡(jiǎn)單有效的水汽遷移量解析計(jì)算方法奠定了基礎(chǔ)。

菲克定律的公式表述為：

[qv=-Dv?ρv] （1）

式中的[qv]為水汽流動(dòng)速度（其單位為kg/m·s），[ρv]為土空隙水汽密度（其單位為kg/m3），[Dv]為非飽和土體中水汽擴(kuò)散系數(shù)（其單位為m2/s），Dv=[τ?η?na?D0]，[D0]為大氣擴(kuò)散系數(shù)（其單位為m2/s），[τ]為土體空隙曲率系數(shù)，無(wú)量綱常量，通常取0.66；[na]為被空氣填充的孔隙率（其單位為%），可以通過(guò)土體的干密度和含水率計(jì)算得到；[η]為加強(qiáng)因子，無(wú)量綱量，反映含水率的影響。土體的空隙水汽密度[ρv]可以通過(guò)理想氣體公式來(lái)定量計(jì)算：

[ρv=ωwRTμv] （2）

式中[R]為通用氣體常數(shù)（其單位為J/mol·k），[ωw]為水汽摩爾質(zhì)量（其單位為g/mol），[T]為土體溫度（其單位為℃），[μv]為土體中水汽壓（其單位為Pa）。

對(duì)理想氣體公式的左右兩邊求梯度，結(jié)合Monteith和Unsworth提出的飽和水汽壓梯度表達(dá)式［21］[?μv.sat=λωwμv.satRT2?T]，以及Tentens方程［22］[μv=μv，satRH=0.611exp（17.27T-273.2T-36）RH]，可得：

[qv=-Dv?ωwRT2?0.611?（λωwRT22-1T2）?ΔTΔz?exp（17.27T2-273.2T2-36）] （3）

上述公式中[RH]為相對(duì)濕度（其單位為%），[λ]為蒸發(fā)潛熱（其單位為J/g），[μv，sat]為飽和水汽壓（其單位為Pa），[ΔT]為溫度差（其單位為℃），[Δz]為兩個(gè)擴(kuò)散面之間的距離（其單位為m），[T1]為土體淺部邊界面的溫度（其單位為℃），[T2]為土體深部邊界面的溫度（其單位為℃）。土體中的相對(duì)濕度保持恒定的100%，公式中[RH]項(xiàng)為1，[ΔRH]為0。根據(jù)“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得結(jié)論可知，凍結(jié)會(huì)使土體水分遷移量增大，需要在公式（3）的基礎(chǔ)上增加凍結(jié)影響參數(shù)[A0]：

[qv=-DvA0ωwRT2?0.611?exp（17.27T2-273.2T2-36）（λωwRT22-1T2）ΔTΔz] （4）

式中[A0]為無(wú)量綱量，其表達(dá)式具體可參考文獻(xiàn)［22］：

[A0=en·（T1-T0-T1+T0）] （5）

式中[T0]為凍結(jié)溫度（其單位為℃），[n]為土性影響參數(shù)，取值范圍為0.1～0.5。在設(shè)定溫度梯度的情況下，對(duì)公式（4）進(jìn)行積分，可以得到土體含水率變化量的表達(dá)式［20］：

[Δθ=t1t2qvdtρd?d] （6）

式中[Δθ]為含水率變化量（其單位為%），[ρd]為土體干密度（其單位為g/cm3），[d]為土層厚度（其單位為m）。利用公式（6）能夠預(yù)測(cè)土體中由水汽遷移導(dǎo)致的含水率變化。該計(jì)算方法的有效性已通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比得到論證［20］。該方法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，物理意義明確，計(jì)算結(jié)果能夠反映實(shí)際條件下的水汽遷移規(guī)律。

2 隔斷層對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”影響效果的數(shù)值計(jì)算分析

2.1" 邊界條件與初始條件

為揭示隔斷層對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的影響效果，需計(jì)算出土體中的含水率變化量，而土體中的含水率變化量可通過(guò)“鍋蓋效應(yīng)”水汽遷移量計(jì)算方法結(jié)合一定的邊界條件和初始條件獲得。具體計(jì)算條件如下：計(jì)算模型為一維土柱，不考慮水汽的橫向遷移，土體底端始終有水汽的補(bǔ)給；土柱的深度為5m，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為60天；土柱頂端完全覆蓋不透氣，模擬“鍋蓋效應(yīng)”頂部邊界。結(jié)合李強(qiáng)等報(bào)道的“鍋蓋效應(yīng)”工程背景，選取蘭州地區(qū)粉土為研究對(duì)象，干密度為1.5g/cm3，初始含水率為10%［1］；土體頂部邊界溫度為-5℃，底部邊界溫度為15℃，計(jì)算過(guò)程邊界溫度恒定不變?；陉惡鹊南嚓P(guān)室內(nèi)試驗(yàn)研究［19］，上述溫度邊界條件下的溫度梯度可表示為：

[T=20lg（1.8z+1）-5] （7）

式中，[z]為埋深位置，單位為m。計(jì)算過(guò)程中土體中溫度分布保持恒定不變。由于初始含水率為10%，土體的凍結(jié)溫度為0℃［23］，凍結(jié)深度為0.42m。土體中溫度梯度見(jiàn)圖2。

2.2" 計(jì)算參數(shù)選取及公式調(diào)整

現(xiàn)有研究成果表明在土體中設(shè)置隔斷層會(huì)影響“鍋蓋效應(yīng)”，土體頂部的覆蓋層與土體中部的隔斷層會(huì)形成雙鍋蓋現(xiàn)象［4］。因此，在計(jì)算有隔斷層土體中的水汽遷移量時(shí)，應(yīng)根據(jù)已有的研究結(jié)果對(duì)式（4）進(jìn)行調(diào)整?？紤]透氣性后的隔斷層上部土體水汽遷移速率公式為：

[qup=qv-（1-ξ）?qavg] （8）

式中，[qup]為隔斷層上部某埋深位置的水汽遷移速率，[qv]為無(wú)隔斷層時(shí)相同位置的水汽遷移速率，[qavg]為隔斷層上部水汽遷移速率的平均值，[ξ]為隔斷層的透氣性。當(dāng)隔斷層透氣性為100%時(shí)，可以認(rèn)為不存在隔斷層，此時(shí)[qup=qv]。計(jì)算過(guò)程中其余參數(shù)可參照表1中給定數(shù)值。表1數(shù)據(jù)是根據(jù)姚仰平等［3］、Zhang等［9］、Luo等［17］、陳含［19］已報(bào)道的研究成果確定。

2.3" 工況設(shè)置

為研究隔斷層鋪設(shè)埋深位置、隔斷層透氣性對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”防治效果的影響，本文設(shè)置了不同條件的計(jì)算工況，詳見(jiàn)表2。表2中計(jì)算工況（1）的隔斷層透氣性為100%，隔斷層不能起到阻隔水汽遷移的效果，等效為無(wú)隔斷。（2）至（9）為不同透氣性能的隔斷層在不同埋深位置的計(jì)算工況。

2.4" 隔斷層影響規(guī)律分析

圖3展示了工況（1）至（9）條件下的土體中含水率增量的計(jì)算結(jié)果。由于在埋深1.5m以下的含水率變化不明顯，圖3中僅展示了1.5m埋深以內(nèi)的含水率增量。對(duì)圖3a中工況（1）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在凍結(jié)范圍以內(nèi)（埋深小于0.42m）時(shí)，土體含水率出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)，在凍結(jié)范圍以外（埋深大于0.42m）時(shí)，土體含水率變化不明顯；經(jīng)過(guò)60天累計(jì)，淺部含水率的最大增量約為8.3%，出現(xiàn)在埋深0m處。圖3a的計(jì)算結(jié)果表明土體發(fā)生了顯著的“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象，水分在覆蓋層下出現(xiàn)了集聚。對(duì)比圖3a與圖3b的計(jì)算結(jié)果，即工況（1）與工況（2）的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在所有相同條件下，工況（2）的含水率增量均小于工況（1）的最大含水率增量（8.3%），工況（2）的最大含水率增量約為7.6%，出現(xiàn)在透氣率為90%曲線上的埋深0m處，因此可以得出鋪設(shè)隔斷層能對(duì) “鍋蓋效應(yīng)”起到抑制作用的結(jié)論。對(duì)圖3b進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：不同透氣率0m埋設(shè)處的含水率增量分別為：1.7%、2.4%、3.0%、3.7%、4.3%、5.0%、5.6%、6.3%、6.9%、7.6%，顯然含水率增量隨著隔斷層透氣性的增加而增加。同樣對(duì)圖3b～3i進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，所有工況的含水率增量均隨著隔斷層透氣性的增加而增加，因此可以得出：隔斷層的透氣性能會(huì)對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的抑制效果產(chǎn)生影響，并且透氣性能越強(qiáng)的隔斷層所起到的抑制效果越弱，這個(gè)結(jié)論對(duì)實(shí)際應(yīng)用中如何最優(yōu)化選取隔斷層材料具有一定的參考價(jià)值。再對(duì)圖3b～3i中透氣性0%的含水率增量計(jì)算曲線進(jìn)行分析，即分析工況（2）至（9）中0%透氣性隔斷層在不同埋深位置時(shí)的含水率增量分布，能夠發(fā)現(xiàn)：隔斷層鋪設(shè)在不同埋深位置時(shí)，含水率增量分布會(huì)隨之發(fā)生改變，因此可以認(rèn)為隔斷層的埋設(shè)位置會(huì)對(duì)水汽遷移產(chǎn)生影響，但僅從圖3b～3i中曲線很難總結(jié)出隔斷層的埋設(shè)位置與含水率增量間的具體規(guī)律，需要對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理分析。

從圖3可知：（1）在溫度梯度的作用下，水汽會(huì)在土體淺部的覆蓋層下集聚，最終形成“鍋蓋效應(yīng)”；（2）在土體中鋪設(shè)隔斷層對(duì)抑制“鍋蓋效應(yīng)”是有效的；（3）隔斷層的透氣性能會(huì)對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的抑制效果產(chǎn)生影響，并且透氣性能越強(qiáng)的隔斷層所起到的抑制效果越弱，這個(gè)結(jié)論對(duì)實(shí)際應(yīng)用中如何最優(yōu)化選取隔斷層材料具有一定的參考價(jià)值；（4）隔斷層的埋設(shè)位置會(huì)對(duì)水汽遷移產(chǎn)生影響，但其具體影響規(guī)律還需通過(guò)進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)獲取。

圖4展示了隔斷層埋深和透氣性對(duì)凍結(jié)深度范圍內(nèi)含水率增量的共同影響，該曲面的三個(gè)坐標(biāo)軸分別為“隔斷層埋深位置”“隔斷層透氣性”“凍結(jié)深度范圍內(nèi)的平均含水率增量”。對(duì)圖4中“隔斷層透氣性”與“凍深范圍內(nèi)的平均含水率增量”之間的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：凍結(jié)深度范圍內(nèi)的平均含水率增量隨著隔斷層透氣性的增大而增長(zhǎng)，呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。如果將凍結(jié)深度范圍內(nèi)的平均含水率增量作為衡量“鍋蓋效應(yīng)”強(qiáng)弱的指標(biāo)，那么可以認(rèn)為隔斷層對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的抑制效果會(huì)受隔斷層的透氣性能影響，透氣性能越強(qiáng)的隔斷層所起到的抑制效果越弱，這與從圖3中所得出的結(jié)論完全一致。

再對(duì)圖4中“隔斷層埋深位置”與“凍結(jié)深度范圍內(nèi)的平均含水率增量”之間的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在隔斷層埋深在0～40cm范圍內(nèi)時(shí)，凍結(jié)深度范圍內(nèi)的平均含水率增量隨隔斷層埋深的增加而減小，在隔斷層埋深在40cm～120cm范圍內(nèi)時(shí)，凍結(jié)深度范圍內(nèi)的平均含水率增量隨隔斷層埋深的增加而增加；凍結(jié)深度范圍內(nèi)的平均含水率增量最小值出現(xiàn)在隔斷層埋深40cm處（凍結(jié)深度位置為埋深42cm）；隔斷層埋深位置越接近凍結(jié)深度位置，隔斷層對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的抑制效果越好。因此可以得出結(jié)論：在恒定溫度梯度的條件下，抑制“鍋蓋效應(yīng)”的隔斷層最優(yōu)鋪設(shè)位置為最大凍結(jié)深度。

從圖4可知：（1）隔斷層的透氣性能會(huì)對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”的抑制效果產(chǎn)生影響，兩者表現(xiàn)出線性關(guān)系，即透氣性能越強(qiáng)的隔斷層所起到的抑制效果越弱，這與圖3的分析結(jié)果相一致，結(jié)論相互印證；（2）在恒定溫度梯度的條件下，抑制“鍋蓋效應(yīng)”的隔斷層最優(yōu)鋪設(shè)位置為最大凍結(jié)深度。

3 干密度、初始含水率的影響機(jī)理分析

前面通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了隔斷層透氣性對(duì)水汽遷移量的影響，發(fā)現(xiàn)隔斷層透氣性對(duì)水汽遷移速率影響顯著。如果將土體中某深度位置的土層視為隔斷層，那么該土層的透氣性同樣會(huì)對(duì)整個(gè)土體的水汽遷移產(chǎn)生顯著影響。在其他條件一定的情況下，該土層的透氣性越差，那么整個(gè)土體的水汽遷移速率越低，“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象也越不明顯。目前已報(bào)道的能對(duì)水汽遷移規(guī)律產(chǎn)生影響的因素包括初始含水率、干密度等，現(xiàn)有的研究成果表明“鍋蓋效應(yīng)”引發(fā)的水分集聚現(xiàn)象同樣受這些因素的影響，因此結(jié)合隔斷層透氣性對(duì)水汽遷移的影響規(guī)律，本文認(rèn)為初始含水率、干密度能夠通過(guò)影響土體的透氣性對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象產(chǎn)生影響。具體分析如下：

土體中氣體孔隙所占比例是決定土體透氣性的主要因素。孔隙越大，聯(lián)通的孔隙越多，土體透氣性就越強(qiáng)。土體是一個(gè)三相體，氣體孔隙所占比例會(huì)受到固相、液相所占比例的影響。含水率是反映土體中液相所占比例的物理量，而干密度是反映土體中固相所占比例的物理量。初始含水率、干密度的變化會(huì)直接影響土體氣體孔隙所占比例，進(jìn)而影響土體透氣性。按照上述分析，含水率或干密度的上升，會(huì)使氣體孔隙所占比例下降，導(dǎo)致水汽遷移量下降。但需要特別注意的是初始含水率、干密度都只能在一定范圍內(nèi)對(duì)土體的透氣性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土體的水汽遷移規(guī)律。例如當(dāng)含水率過(guò)低時(shí)，土體中基質(zhì)吸力較大，較大的基質(zhì)吸力會(huì)影響水汽的擴(kuò)散，此時(shí)土體透氣性對(duì)水汽遷移的影響已經(jīng)不起主導(dǎo)作用；當(dāng)含水率過(guò)高時(shí)，土體中以液態(tài)水的遷移為主，此時(shí)的水汽遷移會(huì)被液態(tài)水的遷移所抑制。因此，只有在特定的取值范圍內(nèi)，初始含水率、干密度才能通過(guò)改變土體的透氣性進(jìn)而影響“鍋蓋效應(yīng)”的強(qiáng)弱。

通過(guò)上述分析可知：初始含水率、干密度的增大會(huì)壓縮氣體孔隙所占比例，導(dǎo)致土體透氣性下降，降低土體水汽遷移速率，進(jìn)而抑制“鍋蓋效應(yīng)”；這種影響只在初始含水率、干密度的特定取值范圍內(nèi)有效。

目前，關(guān)于含水率和干密度的有效取值范圍還沒(méi)有明確的研究結(jié)論，本文在對(duì)氣態(tài)水遷移的相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論［15］［16］［19］進(jìn)行梳理總結(jié)的基礎(chǔ)上認(rèn)為：含水率的有效取值范圍大致在8%～20%，干密度的有效取值范圍大致在1.0g/cm3～1.8g/cm3。

圖5［19］中室內(nèi)試驗(yàn)土體上下端分別為-10℃和20℃，試驗(yàn)時(shí)間為10天。試驗(yàn)中只有氣態(tài)水補(bǔ)充。圖5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映了不同初始含水率、干密度情況下淺部土體的水汽遷移增量。從圖5a中的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，初始含水率在10%～20%時(shí)，淺部土體的水汽遷移增量隨初始含水率的增加而下降；從圖5b中的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，淺部土體的水汽遷移增量隨干密度的增加而下降。根據(jù)圖5的試驗(yàn)結(jié)果可知：在一定的取值范圍內(nèi)，含水率、干密度的增加會(huì)降低覆蓋層下水分的集聚現(xiàn)象，使“鍋蓋效應(yīng)”減弱。因此，在特定的取值范圍內(nèi)初始含水率、干密度的改變會(huì)影響“鍋蓋效應(yīng)”的強(qiáng)弱。

相似的試驗(yàn)結(jié)論還出現(xiàn)在王乃東等的研究中［15］［16］。圖6中室內(nèi)試驗(yàn)土體上下端分別為0℃和24℃，試驗(yàn)時(shí)間為7天，試驗(yàn)土體底端封閉。圖6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映了不同初始含水率、干密度情況下2cm埋深處土體的含水率增量。從圖6a可以看出，初始含水率在10%～20%時(shí)，2cm埋深處土體的含水率增量隨初始含水率的增加而下降；從圖6b中可以看出，2cm埋深處土體的含水率增量隨干密度的增加而下降。

圖5和圖6中的試驗(yàn)邊界條件不同，試驗(yàn)時(shí)間不同，但試驗(yàn)所得規(guī)律相同，印證了前文。因此可以得出結(jié)論：在有效取值范圍內(nèi)，含水率、干密度的增大會(huì)使土體透氣性下降，降低土體水汽遷移速率，進(jìn)而抑制“鍋蓋效應(yīng)”。

4 結(jié) 論

（1）基于“鍋蓋效應(yīng)”氣態(tài)水遷移量計(jì)算方法分析了隔斷層的影響效果：將隔斷層鋪設(shè)在最大凍結(jié)深度位置時(shí)，淺部土體的水分集聚量最?。煌笟庑詫?duì)水汽遷移效果影響顯著，隔斷層的透氣性越低對(duì)水汽遷移的抑制效果越明顯，反之亦然。

（2）在已有的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，結(jié)合透氣性對(duì)水汽遷移的影響規(guī)律，分析了含水率、干密度對(duì)水汽遷移的影響機(jī)理。認(rèn)為：在有效取值范圍內(nèi)，含水率、干密度的增大會(huì)使土體透氣性下降，降低土體水汽遷移速率，進(jìn)而抑制“鍋蓋效應(yīng)”。

（3）本文研究結(jié)論為寒區(qū)機(jī)場(chǎng)跑道“鍋蓋效應(yīng)”的防治提供了一定的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］李強(qiáng)，姚仰平，韓黎明，等.土體的“鍋蓋效應(yīng)”［J］.工業(yè)建筑，2014，44（2）：69-71.

［2］YAO Y，LI F， LAI Y.Disaster-causing mechanism and prevention methods of “pot cover effect”［J］.Acta Geotech-nica，2022，18（3）：1135-1148.

［3］姚仰平，王琳.影響鍋蓋效應(yīng)因素的研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（8）：1373-1382.

［4］YAO Y P，WANG L.Double pot cover effect in unsaturated soils［J］.Acta Geotechnica，2019，14（4）：1037-1047.

［5］姚仰平，王琳，王乃東.干寒區(qū)鍋蓋效應(yīng)致災(zāi)特征及案例分析［J］.工業(yè)建筑，2016，46（9）：21-24.

［6］張明禮，張瑞玲，馮德剛，等.寒區(qū)工程鍋蓋效應(yīng)病害調(diào)查與防治研究進(jìn)展［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（19）： 7863-7873.

［7］BAI R Q，LAI Y M，PEI W S，et al.Study on the frost heave behavior of the freezing unsaturated silty clay［J］.Cold Reg Sci Technol，2022，197：1-10.

［8］ZHANG S，TENG J D，HE，Z Y，et al.Canopy effect caused by vapour transfer in covered freezing soils［J］.Geotech-nique，2016，66（11）：927-940.

［9］ZHANG S，TENG J D，HE Z Y，et al.Importance of vapor flow in unsaturated freezing soil： a numerical study［J］.Cold Reg Sci Technol，2016，126：1-9.

［10］宋二祥，仝睿，羅爽，等.路基土體“時(shí)變覆蓋效應(yīng)”的數(shù)值模擬分析［J］.工程力學(xué)，2019，36（8）：30-39.

［11］LUO T，CHEN H，YAO Y P，et al.Development of pot-cover effect apparatus with freezing-thawing cycles［J］.Sci China Technol Sci，2019，62（9）：158-170.

［12］BAI R Q，LAI Y M，ZHANG M Y，et al.Water-vapor-heat behavior in a freezing unsaturated coarse-grained soil with a closed top［J］.Cold Reg Sci Technol，2018，155：120-126.

［13］BAI R Q，LAI Y M，ZHANG M Y，et al.Study on the coupled heat-water-vapor-mechanics process of unsa-turated soils［J］.J Hydrol，2020，585：1-12.

［14］張升，賀佐躍，滕繼東，等.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 （5）：961-968.

［15］王乃東，馬梓棋，姚仰平，等.試驗(yàn)時(shí)間和初始含水率對(duì)土體水氣遷移的影響分析［J］.工業(yè)建筑，2016，46（9）：13-16.

［16］王乃東，賈峻峰，姚仰平，等.土的干密度對(duì)水氣遷移影響規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］.廣州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2016，15（3）：70-72，80.

［17］LUO T，QU X，WANG N D，et al.“Pot cover effect” and its prevention： an experimental study in the field［J］.Cold Reg Sci Technol，2019，167：1-10.

［18］仝睿，宋二祥，趙志宏，等.某鐵路路基凍脹過(guò)程實(shí)測(cè)及“時(shí)變覆蓋效應(yīng)”分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，17（8）：1949-1956.

［19］陳含.凍融循環(huán)條件下鍋蓋效應(yīng)機(jī)理及試驗(yàn)研究［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2021.

［20］曲嘯，姚仰平，羅小映，等.地表“鍋蓋效應(yīng)”水汽遷移量的計(jì)算方法研究［J］.工業(yè)建筑，2022，52（5）：194-198.

［21］MONTEITH J L，UNSWORTH M.Principles of environ-mental physics［M］.Fourth Edition，Elsevier，1990.

［22］TAYLOR G S，LUTHIN J N.A model for coupled heat and moisture transfer during soil freezing［J］.Can Geotech， 1978，15（4）：548-555.

［23］周家作，譚龍，韋昌富，等.土的凍結(jié)溫度與過(guò)冷溫度試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2015（3）：777-785.

責(zé)任編校：裴媛慧，陳 強(qiáng)

Research on Prevention Mechanism of “Pot Cover Effect” in Airport Runway

QU Xiao1*，ZHANG Tianqi1，GU Zhanfei1，CHEN Han2，GUO Qinqiang3，YUE Weiqi1

（1. School of Civil Engineering and Environment， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou" 450015，China； 2. Institute of Geotechnical Engineering，China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100048，China；

3. Henan First Geology and Mineral Survey Institute Co.，Ltd.，Luoyang" 471000，China）

Abstract： Pot cover effect refers to the phenomenon that the water vapor in the overburden soil moves upward by temperature gradient and condenses into liquid water or decomposes into ice which accumulate under the overburden eventually.Many examples show that the pot cover effect can lead to water accumulation in shallow soil，and eventually induce pavement disasters.In this paper， based on the calculation method of vapor migration of the pot cover effect，the calculation model is established， and prevention mechanism under different conditions is analyzed.Based on the calculation results， it is considered that the pot cover effect can be suppressed by laying separation layer in the soil， and the water content increment in the freezing depth increases with the gas permeability of the separation layer. The optimum laying position of the separation layer should be at the freezing depth of the soil， so as to effectively suppress the pot cover effect. The above conclusions are useful for selecting the material of separation layer and determining the depth of separation layer. The mechanism of initial water content and dry density on the pot cover effect is studied. It is concluded that the change of initial water content and dry density in the effective range can cause the change of soil permeability and then affect the pot cover effect. The above conclusions can provide ideas for the prevention and control of airport runway freezing damage in cold region.

Key" words：the pot cover effect；calculation method of vapor migration；water content；Fick's law