多年凍土區(qū)新型框架熱錨管邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理及試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著寒區(qū)工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大及全球氣候變暖，多年凍土邊坡熱融滑塌災(zāi)害規(guī)模逐漸增大，頻率越來越高。邊坡災(zāi)害對(duì)寒區(qū)人類生活及工程正常運(yùn)行威脅越來越大，邊坡熱融失穩(wěn)防治刻不容緩。本文針對(duì)凍融滑坡問題，開展多年凍土區(qū)邊坡現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)研和凍土工程技術(shù)研究，在深入認(rèn)識(shí)凍土邊坡自身特性的基礎(chǔ)上，就邊坡凍融災(zāi)害治理的新技術(shù)進(jìn)行了積極探索和開發(fā)，提出了一種新型主動(dòng)降溫冷卻多年凍土邊坡錨固結(jié)構(gòu)。采用理論、數(shù)值和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)新型凍土邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)

2、理及特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期能夠?yàn)槎嗄陜鐾羺^(qū)邊坡災(zāi)害治理提供合理的防護(hù)結(jié)構(gòu)，并為其關(guān)鍵技術(shù)問題提供科學(xué)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(zāi)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了凍土邊坡災(zāi)害治理存在的問題。基于“主動(dòng)冷卻保護(hù)凍土”理念，結(jié)合熱棒和框架錨桿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種適用于多年凍土邊坡的新型框架熱錨管支護(hù)結(jié)構(gòu)，闡述了其技術(shù)原理。該結(jié)構(gòu)既能錨固支擋、又能主動(dòng)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(biāo)的設(shè)計(jì)思路，給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟，為凍土邊坡熱融滑塌災(zāi)害治理提供了新技術(shù)和新思路。
　?。?）基于等效熱阻理論，建立了熱錨管傳熱計(jì)算模型，求解了熱錨管傳熱半徑。根據(jù)上述提出的設(shè)計(jì)思路，給出了兩種熱-力共同控制的實(shí)用計(jì)算方法：
　　a）荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法；
　　b）考慮框架-熱錨管-土體協(xié)同工作的計(jì)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(hù)效果顯著；凍脹作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻，變形同步，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；給出的計(jì)算方法物理概念明確，能較好的描述該結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理，是一種快速實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，可為其設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　?。?）基于熱錨管換熱機(jī)理和多場(chǎng)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(tái)開發(fā)能夠反映框架熱錨管土體多場(chǎng)耦合機(jī)制的有限元程序。利用開發(fā)的程序?qū)?jīng)典凍結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行

5、了分析，初步驗(yàn)證了土體水熱力耦合程序的可靠性。采用程序分別對(duì)開挖擾動(dòng)和氣候變暖條件下的純凍土邊坡和框架熱錨管支護(hù)多年凍土邊坡進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)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(dòng)層下部存在常年低溫凍結(jié)區(qū)，坡面水分遷移速率增大。
　　b）邊坡應(yīng)力狀態(tài)隨季節(jié)凍融動(dòng)態(tài)變化，框架熱錨管作用下邊坡應(yīng)力發(fā)生重分布；在一個(gè)凍融周期內(nèi)，熱錨管拉力先增

6、大、后減小，且不能恢復(fù)初始狀態(tài)。
　　c）框架熱錨管邊坡水平位移在凍結(jié)時(shí)大于融化時(shí)，且比純土邊坡小很多。進(jìn)一步說明新型框架熱錨管結(jié)構(gòu)具有良好的降溫效果和支護(hù)性能。
　?。?）為了給出實(shí)用的框架熱錨管支護(hù)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(jiǎn)化的穩(wěn)定性分析模型；為了考慮溫度和水分對(duì)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(xiǎn)滑移面，求得了最小安全系數(shù)；計(jì)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(jié)構(gòu)作用下邊坡內(nèi)力重分布引起的條間力變化及其對(duì)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(bǔ)了斜條分法的不足，合理的考慮了溫度、水分、土體的強(qiáng)度與變形對(duì)框架熱錨管邊坡穩(wěn)定性的影響，是一種比較嚴(yán)密的分析方法。
　?。?）為了驗(yàn)證本文提出結(jié)構(gòu)的有效性和計(jì)算方法的合理性，基于相似理論，設(shè)計(jì)了新型框架熱錨管支護(hù)凍土邊坡和純土

8、邊坡模型試驗(yàn)，對(duì)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(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律。
　　結(jié)果表明：
　　a）框架熱錨管作用下邊坡凍結(jié)期溫降更快、邊坡凍結(jié)更長(zhǎng)，融化期溫度也較低；
　　b）在一個(gè)凍融周期內(nèi)邊坡未凍水含量隨時(shí)間增加先減小、后增大，但不能恢復(fù)原值；
　　c）氣溫隨時(shí)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(jié)期拉力大于融化期。