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水 利 学 报

２０２４年 ８月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ８期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０８ － ０９５５ － １１

松铺覆盖下相变黏土施工防冻控温数值模拟

刘东海，郑 涵，马子茹，陈 辉
（天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 ３００３５０）

摘要：堤坝及路基等工程冬季负温下施工，土料会因短时冻结或冻融而引起压实性能降低，并诱发冻胀、融沉、
开裂等病害。常规覆盖保温措施工艺复杂，难以实现负温下连续施工，易使工期延长。相变黏土为改善土料防冻
性能、延长冬季施工时间提供了可能，但相变材料（ＰＣＭ）掺量过高影响土料力学性能。为此，本文提出了土料掺
混 ＰＣＭ与松铺覆盖联合的防冻控温措施，利用原有施工中上层土料松铺工序，尽可能减少 ＰＣＭ 掺量，减小施工
干扰，同时解决负温施工暴露时段土料的表层防冻问题。首先，建立了考虑上层土料松铺的施工相变传热有限元
数值模型，并验证了模型的有效性；然后，定量分析了不同松铺厚度、ＰＣＭ掺量对相变黏土冬季施工控温效果的
影响，提出了相变黏土有效施工时长的估计方法；最后，给出了防冻控温措施建议，采用 ２％ＰＣＭ 掺量和 ９．６ｃｍ
松铺覆盖层厚度，即可满足现场施工控温的要求。本研究为解决寒区土料冬季施工过程中的防冻控温难题提供了
新的技术途径。
关键词：相变黏土；防冻控温；松铺覆盖；相变传热；数值模拟
＋
中图分类号：ＴＶ５２１
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０８１５
１ 研究背景

寒区堤坝和路基等工程冬季施工面临土料冻融问题的困扰，不仅易导致压实性能降低 ［１］ 、冻胀与
融沉结构损伤 ［２］ 、强度和防渗性能劣化 ［３］ 等，而且难于在低温下连续施工，使得工期延长。目前，寒
区工程冬季施工通常采用表面保温、限制冻胀和土料改性等防冻措施 ［４］ 。Ｗｅｉ等 ［５］ 提出了综合 ＸＰＳ保
温板和改性土料的新型复合绝热层，通过有限元模拟验证了其保温性能；Ｗａｎｇ等 ［６］ 建立了冻土的水
热耦合模型，总结了季节性冻土的冻胀变化规律，提出了限制冻胀的控温方法；Ｄｅｎｇ等 ［７］ 将糯米浆作
为改性材料，提出了季节性冻土区路基土壤改性的方法，论证了糯米浆可以通过增加土颗粒之间的接
触面积来降低冻融循环的降解效应。上述防冻控温方法能够有效降低土体冻害问题的发生，但往往也
存在工艺复杂、干扰施工、实施难度较大及占用有效施工时间较长等问题。
近年来，相变材料已经应用于道路冻融防护 ［８］ 、路面融雪除冰 ［９］ 、墙体冬季保温 ［１０］ 及大体积混
凝土温度控制 ［１１］ 。以石蜡为代表的相变材料（ＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＭａｔｅｒｉａｌ，ＰＣＭ） ［１２］ 具有相变储能放热、无
显著冻胀、相变过程可逆等特性，在防冻控温方面有明显优势。课题组前期相关研究采用直掺法制备
相变黏土（ＰＣＭ－ ｃｌａｙ），考虑在最大干密度下相变材料的热学特性、均质化等效模型和数值计算 ［１３］ ，
及其物理力学、抗渗等工程特性作为筑坝材料的可行性 ［１４］ 。但在实际施工时，ＰＣＭ掺量过高会影响土料
的物理力学性能，需在保证防冻控温效果且不影响施工进度的前提下，寻求减少 ＰＣＭ掺量的途径。
松铺作为心墙填筑作业的其中一环，利用松铺覆盖进行保温对填筑施工几乎没有干扰 ［４，１５］ 。刘东

收稿日期：２０２３ － １２ － ２９；网络首发日期：２０２４ － ０７ － １７
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０７１５．１２３８．００２
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２２７９１３６）
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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