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海等 ［４］ 通过热学试验研究得出将松铺覆盖与 ＰＣＭ的相变储能特性相结合有助于降低 ＰＣＭ 掺量，并论
证了掺混 ＰＣＭ的上层覆盖松铺土料在心墙防冻控温中的可行性和有效性。然而，松铺覆盖土料在实
际大仓面施工条件下的防冻控温效果尚不明确，通过施加松铺层来减少下层压实相变黏土 ＰＣＭ 掺量
的机理和方法也尚待研究。因此，需要展开松铺覆盖下相变黏土施工的防冻控温研究，提出有效的防
冻控温措施，进而指导实际施工。
综上所述，本文进行了松铺覆盖下相变黏土施工控温数值模拟，进而根据模拟结果提出了防冻措
施。首先，研究松铺覆盖下的大仓面施工相变传热有限元数值模型的建立方法，并通过室内试验验证
数值模型的有效性；然后，结合工程实例，模拟分析了不同工况对相变黏土冬季施工控温效果的具体
影响；最后，给出了不同施工工况下防冻控温措施建议。本文研究对于解决寒区土方工程在冬季施工
过程中出现的冻融或冻结问题、减少 ＰＣＭ掺量、延长有效可施工时长等具有理论与实践意义。

２ 相变黏土控温数值模型及其验证

２．１ 模型假设 在心墙土料中掺入相变材料（ＰＣＭ）并设置松铺层，利用 ＰＣＭ的潜热放热和松铺土层
的保温效果进行联合控温。对于心墙相变黏土冬季施工的防冻控温问题，可将含水的土料视为多孔介
质复合材料，而 ＰＣＭ则视为留存于多孔介质复合材料孔隙中的夹杂物；在数值模拟中，比较关注的
是相变黏土整体的宏观等效性能，可对心墙相变黏土的热学性能进行均质化处理，以便于数值模拟。
通过均质化等效参数，相变黏土的控温问题可转换为多孔介质复合材料传热问题 ［１６］ 。基于上述分析，
对数值模型提出以下假定：
（ １）相变黏土固相骨架和孔隙流体之间的热交换充分 ［１７］ ，假定多孔介质复合材料内各相满足局部
热平衡，孔隙内部各相的温度变化过程与黏土保持同步。
（ ２）多孔介质复合材料内各相的流动迁移作用对温度模拟结果的影响较小 ［１８］ ，可只分析相变黏土
的温度场分布变化。
（ ３）可将相变黏土简化为各向等效的均匀连续体 ［１９］ ，使其满足均匀性、连续性及各向同性假定。
（４）ＰＣＭ的相变过程可通过建立对称的相变模糊区进行处理 ［２０］ ，不考虑过冷现象引起的 ＰＣＭ 的
相变温度范围的不对称问题。
（ ５）假定相变黏土内部的土颗粒和各介质均不可压缩 ［２１］ ，在相变过程中将其视为刚体，不考虑体
积变形。
（ ６）相变黏土的结晶度主要受 ＰＣＭ掺量的影响 ［１３］ ，假定其在振动碾压过程中结晶度不发生变化。
２．２ 模型控制方程 考虑 ＰＣＭ的相变潜热 ｑ 、空气对流
ｇｅｎ
ｑ、空气辐射 ｑ和太阳辐射 ｑ等环境参数影响（如图 １所
ｓ
ａ
ｃ
示），对相变黏土试样在冬季施工期复杂温度环境条件下
的控温性能进行模拟。其中，ＰＣＭ的相变潜热是储热的主
要影响因素，而空气对流和空气辐射是热量损失的主要影
响因素。
基于假定（ ３），取相变黏土中的微单元体，此环境下
的传热控制方程包括导热项 Ｑ、热源项 Ｑ 、累积项 Ｑ ，
ｚ ｏｕｔ Ｔ
如图 ２所 示。相 变 黏 土 的 传 热 方 程 如 式 （１）—（４）所 示，
其中，传递的热量仅考虑 ｚ方向。
 Ｔ 图 １ 相变黏土冬季施工中的换热过程
Ｑ ＝－ ｋ ｄｔｄｘｄｙｄｚ （１）
ｚ
ｅ
 ｘ
２
Ｔ
Ｑ － Ｑ ＝ ｋ ２ ｄｔｄｘｄｙｄｚ （２）
ｅ
ｚ ＋ ｄ ｚ
ｚ
 ｚ
Ｑ ＝ （ｑ＋ ｑ－ ｑ）ｄｔｄｘｄｙｄｚ （３）
ａ
ｏｕｔ
ｓ
ｃ
— ９ ５ —
６