在热棒外围浇筑混凝土形成的热桩基础在冻土区电力杆塔中常被应用。热棒的工作功率随着大气温度、蒸发段土体温度的变化而变化。基于冻土传热学相关知识,结合青藏铁路望昆～不冻泉段电力杆塔基础的现场地温测试试验,建立热桩基础的三维有限元模型。考虑全球气候变暖、冻土相变、混凝土水化放热、热棒功率变化等因素,运用迭代的方法进行热棒功率和桩周土体温度计算。计算结果表明:计算结果与实测结果吻合程度较高,能较好的模拟现场情况。热棒的功率呈非连续波浪式变化,受混凝土入模温度及水化放热的影响,初始阶段功率达到最大160.6 W,第2年的平均功率比第1年低7.0 W。热桩基础能够有效增加基础冷储量,最大降低桩侧土体地温2.1～3.0℃,年平均地温降低0.8～1.5℃,能缩短桩周土体回冻时间约34%,第30 a可提高冻土上限49 cm。

利用大型有限元软件ANSYS的热分析和力学模块建立热桩基础模型,考虑全球变暖条件下,对高压输电线杆塔热桩基础的设计参数对温度场和承载性能的影响进行了数值计算分析。结果表明:随着热棒的面积比和长度增加,热棒冷却地基效果越好,热棒间距在5m时效果最佳,增大或减小间距工作效率均降低,并依据以上结果确定了热棒合理设计参数。活动层全部融化时桩顶水平位移大于竖向位移两个数量级,水平荷载是杆塔基础设计的控制荷载。随热桩基础的桩径和桩长增加,其承载力提高,桩身弹性模量对热桩承载力影响很小。

针对多年冻土地区高压输电线杆塔基础的工程问题,提出了热桩基础的新型杆塔基础,并通过有限元方法对热桩基础的温度场进行了数值计算,并且分析了热桩基础对多年冻土的保持作用。数值计算结果表明:热桩基础内部的冷储量在热棒的作用下明显增大,热桩工作年限愈久,对多年冻土的保持效果愈好,由于热棒的作用多年冻土上限得到了提高并且保持在一定位置,确保了基础的稳定性。

通过数值方法对多年冻土地区高压电塔热桩基础的稳定性进行了研究.分析了冻土活动层完全冻结和融化时,设计荷载作用下热桩基础的位移变化,并与普通桩基础进行了对比.计算结果表明:在春分日(活动层完全冻结)桩顶水平位移为0.02mm,竖向位移为0.13mm,秋分日(活动层完全融化)桩顶竖向位移为0.31mm,最大水平位移为5.16mm,均小于设计允许值.春、秋分日的热桩荷载位移控制比值的最大值分别为:0.82,0.02均小于1.0,表明水平荷载是杆塔基础设计的控制荷载.在相同荷载条件下春分日热桩桩顶水平位移为普通桩的8%,竖向位移为普通桩的62%,秋分日则分别为普通桩的7.9%和1.4%,可知在冻土地区热桩基础的稳定性明显高于普通桩基础.