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水 利 学 报

２０２２年 ８月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 ８期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）０８ － ０９１４ － １２

心墙相变砾质土工程特性及寒区冬季施工防冻控温研究

刘东海，戴怀建，郑 涵

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 ３００３５０）

摘要：寒区砾质土心墙堆石坝冬季施工面临着心墙土料冻结与融化问题。通常冬季心墙填筑采用摊铺保温材料以
防止土料冻结，但易干扰施工，导致有效填筑时间缩短。本文利用相变材料（ ＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＭａｔｅｒｉａｌ，ＰＣＭ）的相变
储放热性能，制备了心墙相变砾质土，用于寒区冬季砾质土心墙控温防冻。通过渗透试验、无侧限抗压试验、三
轴试验、热常数试验及温控试验等，研究不同 ＰＣＭ掺量下心墙相变砾质土工程特性和防冻控温性能。试验结果
发现，相变砾质土的无侧限抗压强度、抗剪强度和抗渗性能均随 ＰＣＭ掺量的增加而显著提高；随着 ＰＣＭ 掺量的
增加，相变砾质土导热系数及比热下降。在室内控温箱试验验证相变传热模型有效性的基础上，开展了心墙相变
砾质土施工控温有限元模拟，分析了不同施工环境温度（最低温－ ５℃、－ ８℃和－ １０℃）工况下心墙相变砾质土的
温控效果，发现 ６％ＰＣＭ掺量的相变砾质土在最低温－ ５℃施工环境下保证土体不发生冻结；采用提高制备温度和
上层铺筑联合控温措施，可保证最低温－ １０℃施工环境下心墙连续高效填筑；与常规砾质土相比，相变砾质土可
延长心墙冬季施工时间，改善了心墙砾质土防冻性能，为心墙土料冬季施工防冻提供了一种潜在选择。
关键词：心墙堆石坝；寒区施工；相变砾质土；工程特性；防冻控温
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２００１６
中图分类号：ＴＶ６４１．４１

１ 研究背景

我国将要在高寒地区建设一批超高砾质土心墙堆石坝，寒区心墙冬季施工面临着土料冻结与融化
问题 ［１ － ２］ 。负温条件下心墙土料冻结强度高，造成压实性能降低，碾压遍数增加，影响工程进度；压
实后的心墙料经冻融作用会诱发结构破坏 ［３ － ４］ 。如两河口砾质土堆石坝心墙土料冬季施工时发现有冻
结现象 ［５］ ，已经填筑的心墙土料会经历 １～５次冻融循环 ［６］ ；加拿大 ｇｌａｃｉｏ － ｌａｃｕｓｔｒｉｎｅ土石坝经过反复
的湿干和冻融循环产生裂缝，导致强度和稳定性下降 ［７］ ；美国的 ＴｗｉｎＬａｋｅｓ坝在 ０．４ｍ深处发生冻结，
土料出现裂缝 ［８］ 。当前，国内外在路基、渠道等防冻胀方面已有较多的研究，主要通过隔热保温 ［９］ 、
土质改性 ［１０］ 、防渗排水 ［１１］ 及供热装置 ［１２］ 等方法防止土体冻胀。目前常采用摊铺保温材料来防止心墙
土料冻结，上述工程措施直接有效但保温材料的收放过程施工干扰大，易造成有效施工时间短 ［５］ 。
近年来，相变材料（ ＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＭａｔｅｒｉａｌ，ＰＣＭ）由于其相变储放热特性，已广泛用于建筑物的墙
壁 ［１３］ 、地板 ［１４］ 、玻璃窗 ［１５］ 、天花板 ［１６］ 和屋顶 ［１７］ 等，以提高建筑物的热舒适性。此外，ＰＣＭ 用于改
善路基路面的冻融冻结，以减少季节性和昼夜循环期间路面温升和温降的影响 ［１８］ 。如 Ｍａｈｅｄｉ等 ［１９］ 证
明了微胶囊 ＰＣＭ可有效改善路基土冻融作用；Ｋｒａｖｃｈｅｎｋｏ等 ［２０ － ２１］ 采用微胶囊 ＰＣＭ用于解决路面季节
性冻结及融化的问题；Ｃｈｅｎ等 ［２２］ 将粉煤灰和相变材料掺混到膨胀土中改善寒区膨胀土热学性能，控
制冻融循环破坏程度。在 ＰＣＭ用于心墙黏土土料防冻方面，Ｌｉｕ等 ［４］ 验证了相变黏土作为心墙料的可
行性，心墙相变黏土在负温环境下可免受冻结、延长施工时间。上述研究为相变材料用于高寒区心墙

收稿日期：２０２２ － ０１ － １０；网络首发日期：２０２２ － ０８ － ０５
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０８０５．１０３４．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５１９７９１８９）
作者简介：刘东海（ １９７４ － ），教授，博士生导 师，主 要 从 事 大 型 工 程 仿 真 与 优 化、数 字 化 施 工 与 质 量 实 时 评 估 研 究。Ｅ － ｍａｉｌ：
ｌｉｕｄｈ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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