本文提出了一种具有通风降温、支挡锚固和减胀减震功能的新型框架通风锚杆冻土边坡支护结构，并阐述其工作机理。基于传热学和自然对流理论，建立新型框架通风锚杆与土体换热的计算模型，对其降温效果进行了分析；基于Winkler理论，建立冻胀和融沉阶段新型框架通风锚杆与土体相互作用的力学简化计算模型，分析冻胀和融化阶段新型框架通风锚杆受力性能。结合算例，采用提出的简化计算方法分析了新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡的热学和力学效应，并通过模型试验与理论计算对比，对所提出理论计算方法的合理性进行验证。结果表明：(1)新型框架通风锚杆能够充分发挥冷季吸收冷量冻结土体、暖季屏蔽热量保护冻土的作用，并逐年抬升冻融交界面；(2)新型框架通风锚杆支护结构支护效果良好，能够减弱土体冻胀作用，提高多年冻土边坡的稳定性；(3)所提出简化计算方法以期为新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡提供理论依据。
新型框架通风锚杆是自主研发的一种冻土边坡柔性支挡结构，具有广阔的应用前景。为了探究新型框架通风锚杆的降温效果及力学效应，设计了能够加载、变角度且可同时测得温度、水分、风速及内力的多功能冻土实验箱，并搭建了新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡的室内试验，得到了不同时期内边坡温度、水分、风速及支挡结构内力变化规律。试验结果表明：越靠近通风锚杆，土体温度和水分变化越明显，新型通风锚杆能吸收冷量并沿轴向和径向传递和扩散，具有良好的降温效果，并保持冻土边坡的冻结状态。新型通风锚杆内风速变化规律与外界风速变化较为一致，外界风速越大，新型框架通风锚杆降温效果越明显。不同时期内，新型锚杆轴力呈抛物线型变化，冻结期轴力大于融化期，且冻结期框架内力是融化期的2～3倍。研究结果可为新型框架通风锚杆的设计和工程应用提供指导。
针对多年冻土边坡的冻融滑塌问题,结合无动力通风技术、通风管降温技术和锚固技术,提出一种新型框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构,并阐述了新型结构的工作机理。基于通风工程和传热学理论,建立免动力加速对流锚杆与土体换热的计算模型,给出免动力加速对流锚杆的热效应理论计算方法;基于Winkler弹性地基梁理论,建立框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构与土体协同工作的计算模型,提出框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的力学效应理论计算方法。结合算例,采用提出的理论计算方法对框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的热-力学效应进行分析,并利用自主研发的框架免动力加速对流锚杆支护多年冻土边坡的水热力耦合分析软件对提出的理论计算方法进行验证,结果表明:(1)无动力风帽极大提升了免动力加速对流锚杆的通风能力,增大了外界冷空气与边坡内部土体之间的对流换热强度,促使多年冻土边坡内冻融交界面逐年抬升;(2)框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构减弱了边坡土体的冻胀作用,能够提高多年冻土边坡的稳定性;(3)文章提出的理论计算方法具有一定的准确性和合理性,可为框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的设计提供理论依据。
为了快速准确掌握多年冻土边坡的冻融反应规律,基于水热力耦合理论,依托MATLAB编制了能反应土体多场耦合机制的有限元程序,与经典试验对比吻合较好,验证了程序的可靠性。据此开发了一套可独立运行、操作简便的多年冻土边坡水热力耦合分析软件,介绍了软件的功能和开发过程。结合算例分析了冻融作用下冻土边坡的反应特性,结果表明:不同时刻边坡的温度、水分、应力和位移有明显差别,在坡面冻融交界面出现剪应力最大值条带,边坡水平位移在冻结完成时,沿坡面大小基本相同,融化期结束时为上小、下大,融化时边坡的水平位移、未冻水含量均比冻结时大,而剪应力最大值却小;暖季多年冻土稳定性较差,开发的软件对冻土边坡工程冻融计算有重要应用价值。
为确定多年冻土边坡稳定性影响因素的敏感程度,考虑冻融循环对边坡土体的损伤作用和边坡局部冻融的特殊性,在影响边坡稳定性基本因素的基础上,引入季节活动层冻融深度和冻融损伤系数,提出基于有限元的温度场-应力场(热-力)耦合多年冻土边坡稳定性分析方法,从而得到边坡的稳定性系数,并将稳定性系数作为系统特征量,利用正交试验对各影响因素进行交互设计,运用改进的灰色关联分析模型进行关联度分析。结果表明:土体黏聚力对多年冻土边坡稳定敏感程度最大;冻融损伤系数、季节活动层冻融深度、内摩擦角、坡度和密度,说明环境因素对多年冻土边坡的影响不容忽略。在该地区冻土边坡防护治理中,通过有效措施减少极端气候条件的影响,是极为重要的。
为进一步研究多年冻土边坡在冻融作用下的局部稳定性,针对多年冻土边坡局部冻融的特殊性,考虑冻融循环对边坡土体的损伤作用,基于有限元建立温度场、应力场耦合的多年冻土边坡稳定性分析方法,以东北大兴安岭多年冻土地区某路堑边坡为研究对象,对边坡的冻融过程以及稳定性进行分析。结果表明:在冻融作用下,边坡季节活动层融化深度与环境温度有较强的相关性;坡顶特征点位移随时间变化趋势呈"台阶"状,可分为快速发展阶段和稳定发展阶段;比较有限元方法与极限平衡法计算结果的差异,证明了有限元方法的合理性,对多年冻土边坡防护治理有很好的指导意义。
框架通风锚管多年冻土边坡支护结构是基于"积极保护冻土"的原则提出的一种同时具备通风降温功能和锚固功能的新型多年冻土边坡支护结构,为了推动该结构在工程中的应用,现对其降温效果进行研究。首先,对通风锚管与土体之间的管壁换热机制进行分析,得出考虑风速影响的管壁热流密度计算公式;然后建立通风锚管径向传热模型,以管壁热流密度作为锚管边界条件,通过摄动方法求解,得出径向冻结锋面扩展的降温效果评价指标;同时,基于能量守恒定律得出通风锚管轴向坡面融深变化的另一降温效果评价指标;采用自主研发的有限元程序对通风锚管的降温效果进行数值模拟,并结合理论结果进行验证分析。结果表明:管壁的热交换作用是对流换热和蒸发散热两种作用的叠加;通风锚管具备较好的降温效果,且受管壁开孔率的影响较大;给出的评价指标能够全面的评价通风锚管的降温效果;有限元结果也证实了通风锚管良好的降温效果以及评价指标的合理性。研究成果能够为结构的设计提供理论依据和指导。
为了给出更符合工程实际的冻土边坡稳定性计算方法,通过考察青藏高原地区多年冻土边坡滑移实例、分析其破坏类型和影响因素,提出了高陡边坡的冻融折线型滑移面,基于热平衡理论和莫尔-库伦强度理论给出了折线型的滑移面确定方法;考虑土体在冻融循环作用下抗剪强度损伤、滑移面上水的渗流作用以及气温变暖三种因素,给出了框架锚杆支护多年冻土区高陡边坡的稳定性计算方法。算例分析表明:利用直线型滑面计算的多年冻土边坡稳定性系数比折线型滑移面更小,容易造成保守设计,使用折线型滑移面更为经济;边坡开挖后10a内,冻融循环作用对稳定性的发展趋势起主导作用,10a后气温变暖发挥主要作用,渗流作用对边坡稳定性的影响较为显著,对稳定性发展趋势没有影响,但三种因素都应当在工程设计中考虑。
针对寒区冻土边坡失稳普遍采用被动技术治理的缺陷,基于"主动降温保护冻土"的理念,结合通风管和框架锚杆各自的优势,提出一种具有主动降温、减胀、支挡锚固功能一体化的多年冻土边坡新型支护结构,对其构造和工作原理进行了阐述;在考虑风速阻力损失的情况下,根据结构自然通风的驱动力和结构风场压差的等量关系,得出结构内部的风速计算公式,进而评价通风锚管的通风能力。结合算例,采用有限元和理论计算的方法对结构通风能力及影响因素进行分析,结果表明:结构具有较好的通风能力,对保持边坡的稳定有利;风压差为结构自然通风的主要驱动力,沿程阻力损失为结构的主要风速损失;抽风弯管的设置显著提高了通风能力;结构通风的最优管径比为0.4～0.7;结构自由段长度越大,通风能力越弱。
为了给保温板防护多年冻土边坡提供设计依据,基于水热力耦合理论,建立了铺设保温板的冻土边坡多场耦合分析模型,运用有限元法进行了求解,依托Matlab软件编制了计算程序,结合实例分析了铺设不同厚度保温板的边坡温度、水分、应力及位移变化规律.结果表明:保温板的最佳施工时间为冻结期结束时,厚度为5～7cm;融化期结束时,在冻融交界面处未冻水含量和剪应力均达到最大,且剪应力呈带状分布,水平位移分布呈凸肚状,随着保温板厚度增大,坡面附近高含量未冻水土层的厚度依次减小,剪应力最大值增大,水平位移明显减小;冻结期结束时,铺设保温板边坡的水平位移分布呈倾倒状.保温板阻止边坡上限下移有积极作用,能提高边坡的稳定性.