温度与位移耦合作用下非饱和土体对热活化挡土墙的侧向土压力模型研究

本研究针对热活化挡土墙（Thermo-Active Retaining Walls）在冷却/加热循环中因温度变化导致的非饱和回填土侧向压力动态响应问题，提出了一种耦合温度与位移的解析模型。通过对比现场试验数据及参数化分析（黏土、粉土、砂土，25°C–45°C），揭示了温度升高降低被动土压力、收缩引发张力裂缝的机制，为能源地下结构（Energy Geostructures）的服役性能评估提供了关键理论工具。

　　

随着建筑能耗占全球40%且CO₂排放超30%，利用热泵系统（Heat Pump）的地源热能开发成为可持续能源解决方案。热活化挡土墙（Thermo-Active Retaining Walls）作为典型能源地下结构（Energy Geostructures），其回填土侧向压力受温度变化与墙体热胀冷缩双重影响，但现有模型未充分耦合非饱和土（Unsaturated Soils）特性与热力学行为，导致张力裂缝深度预测偏差及结构安全隐患。

为破解这一难题，研究人员构建了温度-位移依赖的解析框架，通过对比Baralis和Barla的现场试验数据（4.6米地下室墙）验证模型准确性。采用参数化分析模拟6米嵌固墙在25°C–45°C下三种土体（黏土、粉土、砂土）的响应，结合热诱导变形（Thermally Induced Deformation）计算中间被动/主动状态（Intermediate Passive/Active State）的土压力分布。

关键技术方法

1. 耦合非饱和土水-力-热本构关系，引入温度依赖的表面张力线性模型；
2. 基于热膨胀系数量化墙体变形对土压力状态（At-Rest/Active/Passive）的切换机制；
3. 通过场试验数据校准模型参数，分析冷却/加热循环下张力裂缝（Tension Crack）演化规律。

研究结果
INTRODUCTION
建筑能源需求激增促使热活化结构应用，但温度波动导致非饱和土体力学行为复杂化，亟需量化模型。

ANALYTICAL DERIVATION
建立的解析模型将墙体位移Δ与温度梯度ΔT关联，推导出非饱和土体在中间状态的侧向压力系数K_int。

APPLICATION
与Baralis和Barla的实测数据对比显示，模型能准确预测冷却周期（Cooling Cycle）下膨胀导致的张力区消失现象。

PARAMETRIC STUDY
温度升至45°C时，砂土被动压力降低12%，黏土张力裂缝深度减少40%；加热周期（Heating Cycle）引发0.2%收缩即导致裂缝区扩大。

DISCUSSION
温度升高通过降低水表面张力削弱土体抗拉强度，而收缩变形使主动区（Active Zone）向破裂临界状态迁移。

ADVANTAGES AND LIMITATIONS
模型优势在于耦合热-力变形与土体状态切换，但未考虑非均质土体与长期蠕变效应。

CONCLUSIONS
该研究首次量化了热活化挡土墙的非饱和土压力动态响应，证明冷却操作可缓解裂缝风险，而加热模式需严格监控。成果为能源地下结构的协同设计与服役评估提供了理论基石，推动地源热泵系统在减碳目标下的安全应用。