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相变材料赋能杆塔基础：防冻胀可行性的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球范围内，冻土地区广泛分布，约占陆地面积的50%以上。我国冻土面积达215万平方公里，占国土面积的22.3%，主要集中在东北、西北和青藏高原地区。随着电力需求的不断增长，越来越多的输电线路需要跨越冻土区域。然而，冻土地区独特的气候条件和地质特性，给杆塔基础的稳定性带来了严峻挑战。

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的特殊土体。在季节性变化中，当气温下降，冻土中的水分冻结，体积膨胀，产生强大的冻胀力；而当气温回升，冻土融化，土体强度降低，容易导致地基沉降。这种冻融循环过程周而复始，对杆塔基础产生持续的作用。例如，在我国东北的大兴安岭地区，冬季最低气温可达-50℃，土壤冻结深度超过2米。在此环境下，杆塔基础周围的土体在冻结时体积膨胀，对基础施加巨大的冻胀力，使基础受到上拔、侧移等作用；而在夏季，冻土融化，基础周围土体变软，难以提供足够的支撑力，导致杆塔倾斜、下沉。

杆塔基础作为输电线路的重要支撑结构，其稳定性直接关系到电力系统的安全运行。一旦杆塔基础因冻胀破坏，杆塔可能发生倾斜、倒塌等事故，这将导致输电线路中断，造成大面积停电。2008年我国南方地区遭遇罕见的低温雨雪冰冻灾害，大量输电线路杆塔基础因冻胀受损，致使多个城市和地区供电中断，给居民生活和工业生产带来了极大的不便，直接经济损失高达数十亿元。此外，杆塔基础冻胀破坏还会增加电力系统的维护成本。为了修复受损的杆塔基础，需要投入大量的人力、物力和财力。据统计，每年因杆塔基础冻胀问题，我国电力部门的维护费用高达数亿元。

传统的杆塔基础防冻胀措施，如加深基础埋深、采用保温材料等，虽然在一定程度上能够缓解冻胀问题，但存在诸多局限性。加深基础埋深会增加工程成本和施工难度，且效果有限；保温材料的使用寿命较短，需要定期更换，维护成本高。因此，寻找一种高效、经济、可持续的杆塔基础防冻胀方法迫在眉睫。

相变材料（PhaseChangeMaterial，PCM）是一种能够在特定温度范围内发生相变，并在相变过程中吸收或释放大量潜热的材料。当环境温度变化时，相变材料通过相变吸收或释放热量，从而实现对周围环境温度的调节。例如，在气温下降时，相变材料从液态转变为固态，释放潜热，减缓周围土体的降温速度；在气温回升时，相变材料从固态转变为液态，吸收潜热，抑制周围土体的升温速度。这种独特的温控特性，使得相变材料在建筑节能、冷链物流等领域得到了广泛应用。近年来，相变材料在岩土工程领域的应用研究也逐渐兴起，为解决杆塔基础冻胀问题提供了新的思路和方法。将相变材料应用于杆塔基础防冻胀，有望通过其相变过程的热量调节作用，有效降低土体的冻胀程度，提高杆塔基础的稳定性，保障电力系统的安全可靠运行。因此，深入研究相变材料在杆塔基础防冻胀中的应用可行性，具有重要的理论意义和工程实用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1杆塔基础冻胀破坏影响因素研究现状

国内外学者对杆塔基础冻胀破坏影响因素开展了大量研究。在土体性质方面，研究表明土的颗粒大小、含水量和矿物成分对冻胀有显著影响。细颗粒土，如粉质土和黏土，比粗颗粒土更容易发生冻胀。因为细颗粒土的比表面积大，能吸附更多的水分，且水分迁移通道细小，在冻结过程中水分迁移阻力大，更容易形成冰透镜体，从而导致更大的冻胀变形。含水量是影响冻胀的关键因素之一，当土体含水量超过一定阈值时，冻胀量会急剧增加。例如，在含水量为20%-30%的粉质土中，冻胀量可达到含水量为10%-15%时的2-3倍。土中的矿物成分也会影响其冻胀特性，含有蒙脱石等亲水性矿物的土，冻胀敏感性更高。

在温度条件方面，冻结速度和冻结深度对冻胀有重要影响。冻结速度越快，水分来不及充分迁移，冻胀量相对较小；但如果冻结速度过慢，水分有足够时间迁移，会导致大量冰透镜体形成，增加冻胀量。冻结深度越大，作用在基础上的冻胀力也越大。在寒冷地区，冬季气温低，冻结深度可达数米，对杆塔基础的稳定性构成严重威胁。例如，在我国东北地区，冬季冻结深度可达2-3米，杆塔基础需要承受巨大的冻胀力。

荷载作用也是影响杆塔基础冻胀破坏的重要因素。上拔荷载和水平荷载会改变基础周围土体的应力状态，从而影响冻胀力的分布和大小。当上拔荷载作用时，基础周围土体受到向上的拉力，使得土体中的水分更容易向上迁移，加剧冻胀；水平荷载则会使基础产生侧向位移，破坏土体与基础之间的粘结力，降低基础的抗冻胀能力。

此外，国外一些研究还关注了地基处理方式对冻胀的影响。例如，采用换填法，将冻胀性强的土体换为非冻胀性或弱冻胀性的材料，可以有效减小冻胀力。在加拿大的一些输电线路工程中，通过将基础周围的粉质土换填为砾石，使冻胀量降低了50%以上。国内研究