多年凍土區(qū)新型框架熱錨管邊坡支護結構的工作機理及試驗研究.pdf

1、隨著寒區(qū)工程建設規(guī)模不斷擴大及全球氣候變暖，多年凍土邊坡熱融滑塌災害規(guī)模逐漸增大，頻率越來越高。邊坡災害對寒區(qū)人類生活及工程正常運行威脅越來越大，邊坡熱融失穩(wěn)防治刻不容緩。本文針對凍融滑坡問題，開展多年凍土區(qū)邊坡現(xiàn)場災害調研和凍土工程技術研究，在深入認識凍土邊坡自身特性的基礎上，就邊坡凍融災害治理的新技術進行了積極探索和開發(fā)，提出了一種新型主動降溫冷卻多年凍土邊坡錨固結構。采用理論、數(shù)值和試驗相結合的方法，對新型凍土邊坡支護結構的工作機

2、理及特性進行了系統(tǒng)研究，以期能夠為多年凍土區(qū)邊坡災害治理提供合理的防護結構，并為其關鍵技術問題提供科學依據(jù)，取得的主要成果如下：
　　（1）查明了多年凍土邊坡工程病害成因和致災機理，發(fā)現(xiàn)了凍土邊坡災害治理存在的問題?；凇爸鲃永鋮s保護凍土”理念，結合熱棒和框架錨桿技術的優(yōu)點，提出了一種適用于多年凍土邊坡的新型框架熱錨管支護結構，闡述了其技術原理。該結構既能錨固支擋、又能主動降溫冷卻、還能通過自身變形減輕凍脹破壞。以消除凍土邊坡上限

3、退化和防止熱融滑塌為需求，提出了以極限承載力和熱量平衡為控制指標的設計思路，給出了相應的設計計算步驟，為凍土邊坡熱融滑塌災害治理提供了新技術和新思路。
　?。?）基于等效熱阻理論，建立了熱錨管傳熱計算模型，求解了熱錨管傳熱半徑。根據(jù)上述提出的設計思路，給出了兩種熱-力共同控制的實用計算方法：
　　a）荷載結構設計法；
　　b）考慮框架-熱錨管-土體協(xié)同工作的計算方法。
　　算例分析表明：新型框架熱錨管能抵御凍土邊

4、坡上限退化，支護效果顯著；凍脹作用下結構內力分布均勻，變形同步，不會產生應力集中而導致結構破壞；給出的計算方法物理概念明確，能較好的描述該結構的工作機理，是一種快速實用的設計方法，可為其設計提供理論依據(jù)。
　?。?）基于熱錨管換熱機理和多場耦合理論，建立了大氣-框架熱錨管-邊坡系統(tǒng)水熱力耦合分析模型，采用有限元法求解了耦合方程，依托Matlab平臺開發(fā)能夠反映框架熱錨管土體多場耦合機制的有限元程序。利用開發(fā)的程序對經典凍結試驗進行

5、了分析，初步驗證了土體水熱力耦合程序的可靠性。采用程序分別對開挖擾動和氣候變暖條件下的純凍土邊坡和框架熱錨管支護多年凍土邊坡進行了計算，結果表明：
　　a）新開挖凍土邊坡在凍融及氣候變暖作用下邊坡上限退化明顯，容易誘發(fā)凍融失穩(wěn)破壞。熱錨管作用下凍土邊坡上限抬升，季節(jié)活動層下部存在常年低溫凍結區(qū)，坡面水分遷移速率增大。
　　b）邊坡應力狀態(tài)隨季節(jié)凍融動態(tài)變化，框架熱錨管作用下邊坡應力發(fā)生重分布；在一個凍融周期內，熱錨管拉力先增

6、大、后減小，且不能恢復初始狀態(tài)。
　　c）框架熱錨管邊坡水平位移在凍結時大于融化時，且比純土邊坡小很多。進一步說明新型框架熱錨管結構具有良好的降溫效果和支護性能。
　?。?）為了給出實用的框架熱錨管支護邊坡穩(wěn)定性分析方法，根據(jù)多年凍土邊坡熱融滑塌破壞模式，采用斜條分法建立了簡化的穩(wěn)定性分析模型；為了考慮溫度和水分對邊坡穩(wěn)定性的影響，基于上述（3）中的水熱力耦合理論，建立了水熱力耦合有限元極限平衡的穩(wěn)定性分析模型，確定了多年凍

7、土邊坡最危險滑移面，求得了最小安全系數(shù)；計算表明：框架熱錨管作用下邊坡安全系數(shù)明顯提高；斜條分模型能夠反映新型結構作用下邊坡內力重分布引起的條間力變化及其對穩(wěn)定性的影響；水熱力耦合有限元極限平衡的分析模型彌補了斜條分法的不足，合理的考慮了溫度、水分、土體的強度與變形對框架熱錨管邊坡穩(wěn)定性的影響，是一種比較嚴密的分析方法。
　　（5）為了驗證本文提出結構的有效性和計算方法的合理性，基于相似理論，設計了新型框架熱錨管支護凍土邊坡和純土

8、邊坡模型試驗，對比分析了凍融、不同初始含水量和荷載作用下邊坡土體溫度、水分、位移和結構內力變化規(guī)律。
　　結果表明：
　　a）框架熱錨管作用下邊坡凍結期溫降更快、邊坡凍結更長，融化期溫度也較低；
　　b）在一個凍融周期內邊坡未凍水含量隨時間增加先減小、后增大，但不能恢復原值；
　　c）氣溫隨時間逐漸降低，熱錨管拉力不斷增大，氣溫回暖凍脹力減弱、熱錨管拉力突降，融化期拉力基本不變，凍結期拉力大于融化期。