摘要
随着我国进入高质量发展阶段和“双碳”战略的持续推进，建筑行业也亟需践行绿色施工理念。人工冻结法在基坑支护中有着巨大的优势，冻土墙不仅可以作为临时基坑支护结构，还可以作为止水帷幕。然而人工冻结法需要大量能源，如何在能源消耗和支护优势之间找到平衡点，是当前迫切解决的问题。热棒因其单向导热、结构灵活、绿色环保等特点，被广泛应用于多年冻土区解决冻土病害问题。我国东北地区冬季拥有大量的天然冷能，将热棒技术引入到基坑支护中，既可以有效冻结土体，又减少了能源消耗，符合国家的绿色发展战略。因此，本文开展了基于热棒冻结法的基坑开挖现场试验，建立了热棒-基坑开挖有限元模型并通过试验进行了验证，采用现场试验与数值模拟相结合的方法研究基坑开挖变形规律，分析了开挖时间、热棒排数、布置方式和纵向间距等不同影响因素对基坑开挖变形的影响，为热棒冻结法在严寒地区基坑支护中的应用提供指导。本文主要研究内容与结论如下： （1）基于哈尔滨市呼兰区试验场地实际情况，制定了现场基坑变形监测方案。在试验场地进行开挖后，对周边地表沉降、坡顶水平位移和深层土体水平位移进行了监测与分析。研究表明，基坑周边地表沉降变形形式为“V”字型，冻土墙的变形形式为倾覆式变形，最大水平位移发生在冻土墙顶部。 （2）基于三维固体导热微分方程，考虑了土体相变潜热，建立了试验场地的热棒-基坑开挖有限元数值模型，利用试验数据验证了数值模型的可靠性。基于现场试验与数值模型，分析了热棒作用下冻土墙的温度场，研究了有无热棒制冷作用下基坑开挖后深层土体水平位移。研究表明，采用热棒冻结法能够有效减小基坑深层土体水平位移。 （3）基于热棒-基坑开挖有限元数值模型，分析了热棒制冷作用下土体冻结过程，研究了开挖时间、热棒排数、布置方式和纵向间距对基坑开挖变形的影响。研究表明，在热棒工作期间，基坑开挖时间越晚，土体冻结效果越好；当开挖时间确定后，合理确定热棒排数、布置方式和纵向间距可以有效降低热棒的消耗。
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