《千字文》中用“云腾致雨,露结为霜”描述自然界的物态变化。水蒸气上升过程中遇冷液化,形成云雨;秋冬时节,夜间气温降低,空气中的水蒸气液化成为露,如果气温更低甚至会凝华成为霜。这样的物态变化实在是太常见,初中生小学生都能把这种稀松平常的现象解释清楚。
但是,并不是所有的现象都那么容易理解,在机场建设中,就有一类病害曾让技术人员伤透了脑筋。
这个病害最初发现于兰州中川机场,该机场始建于1968年,1970年通航,到了90年代初,机场跑道道面及地基已有多处病害、严重影响飞行,甚至可能威胁飞机飞行的安全。相关部门于1993进行了灾害调查和加固整修。
(图:兰州中川机场,图片来自网络)
跑道下方的地基土以湿陷性黄土为主,调查发现黄土路基中出现了洞穴5处、软弱带18处、塌陷42处,出现病害面积占跑道总面积的30~40%。当时对病害成因给出的解释包括四点:1.道面和路基结构设计不合理;2.道面开裂后地表水从裂缝下渗进入地基,导致黄土湿陷;3.飞机机型改变导致荷载增大;4.冻胀。
这些原因能从一些方面解释机场路基的破坏,但是有一点很让人费解——为什么会出现冻胀?在寒冷地区,冻胀出现必须满足两个条件:一是温度足够低;二是土里有水。兰州是干寒地区,降雨量小且雨水多集中在夏季,即使夏天有水输入路面以下,这部分水要么会蒸发掉,要么会在重力的作用下继续往下渗流、进入更深的部位。冬天寒冷的时候,路面以下居然还有水?没道理啊,水从哪里来呢?
有一天,一位技术人员正在苦思冥想之际,打开电视收看CCTV《走进科学》,节目中正在播出“神秘蓝冰”。他恍然大悟——这水可能是飞机上掉下来的呀!那一夜他没有能入睡,激动得辗转反侧。如果故事到这里就结束了,我也不会写这篇文章了……后来人们在机场盯梢了很久,也没见到飞机上掉落“蓝冰”。“蓝冰”的解释就此流产了……
查阅资料的过程中,技术人员又发现了另一个倒霉的机场——敦煌机场。
如果说兰州中川机场下面的湿陷性黄土(遇水会发生体积收缩)是土力学工作者所讨厌的一个极端,那么敦煌机场下面的土则是我们所忌惮的另一个极端,它遇到水会膨胀。建设于1982年-1984年的敦煌机场从投入使用起就饱受膨胀的摧残,地面不停地鼓包,严重影响飞机起降。
和兰州一样,敦煌也是一个干旱少雨的地方,在七八月份有降雨时,地面鼓胀就很严重。当然,更令人费解的是,在二三月份,地面同样会鼓。大冬天的,你好好呆着不行么?天上又不下雨,你哪儿来的自信让自己鼓起来?人们发现,敦煌机场下面的水也不是天上掉下来的,而是它自己聚集到跑道下方的。
冬天很冷的时候,跑道下方不知为何产生了很多冰;天气回暖之后冰逐渐融化成水,地面就鼓起来了。
“天呐,这冰也长脚了不成?”
“跑道下方的冰,到底是哪儿来的呢?”
“这背后一定潜藏着某种黑暗的力量…… ”
“我们要相信科学!”
我们按照经典的土力学套路来分析一下这个问题。
(一)水不会凭空产生,它一定是从哪里来的。——这是废话,学过物理的都知道。
(二)冬天的水不会是从地面渗下去的,也不会是从旁边流进来的。——那是当然,冬天基本没有降水。
(三)水应该不是是夏天的水滞留在这儿的。——根据敦煌机场的病害推测,冰层是冬天才逐渐形成的。
(四)是毛细水上升么?
土是多孔的材料,土里的孔隙就像一个个毛细管一样,可以把水网上吸(毛细作用)。孔隙越细,毛细水上升高度越大。然而这种情况导致的水份分布是单调的,越往上含水量越低,不会出现临近道面的一小块含水量奇高的现象。此外,在一般的土中,毛细水能上升三五米就不错了,这些干旱的地方地下水位在-20~-30m的地方。毛细水也被排除了。
就这样,可能的原因一个个被排除了,真是让人蓝瘦,香菇。
这天,一位苦闷的技术人员在家做蒸汽海鲜吃。科研之余,吃蒸汽海鲜是他唯一的慰藉。
他爱人批评他:“就知道吃,就不能想想科学问题么?跑道下面的水,是天上掉下来的么?”
愁眉不展之际,他突然看到锅盖儿上凝结了很多很多水汽。
那很多很多的水汽就像很多很多的SCI,跑进了他的脑子。
“锅盖下面的水,是天上掉下来的么?”
pia,他仿佛被苹果砸中了一样,发现了新大陆。原来,机场跑道就是个锅盖子啊!那顿蒸汽海鲜,是他有史以来吃过的最好吃的蒸汽海鲜,他开心得连蒸鱼豉油都忘洒了。这到底是怎么回事呢?
我们知道,在地面以下,越往下温度越高。数九寒冬里,地下二三十米的地方的地下水并没有地面上那么冷,甚至还有点温。从水面到地面,越往上温度越低(地表甚至可能低于零度)、水蒸气的饱和蒸汽压越低。土中的孔隙容许气体通过,水蒸气得以向上迁移,迁移的过程中遇冷液化甚至凝华。
如果液化成水,水可能会聚集在那里,但也有可能会在重力的作用下向下流(“云腾致雨”)。
但若凝华成冰,冰就能一直安安静静地待着,越积越多,直到冬天过去(“露结为霜”)。
跑道就是个大锅盖,盖上锅盖,水和冰就聚集在跑道下方;若没有那锅盖,自然看不到这种奇特的现象。
为了纪念这锅蒸汽海鲜,这个现象被命名为“锅盖效应”。
那天晚上,他特意跑道澡堂子去跑了个澡。看着天花板上的水珠子往下落,别提多享受了。
人物是虚构的,物理现象是真实的,若有不当之处,还请各位读者指正。
“锅盖效应”的机理和防治正在研究中,北航、清华、中南、浙大等高校共同参与。
谨以此文向奋斗在科研前线的各位科研工作者致敬!
参考资料:
白旭耀. 兰州中川机场跑道整修工程简介[J]. 陕西建筑, 1998 (4): 24-27.
华遵孟,沈秋武. 敦煌机场跑道破坏原因与防治[J]. 西部探矿工程, 1994(04): 32-34.
李强,姚仰平,韩黎明,等. 土体的“锅盖效应”[J]. 工业建筑, 2014(02): 69-71.
宋二祥,罗爽,孔郁斐,等. 路基土体“锅盖效应”的数值模拟分析[J]. 岩土力学, 2017.
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