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。

多年冻土区修筑公路等建筑物后,改变了多年冻土地表的冻土水热条件,造成多年冻土融化,路基失稳,导致一系列的公路病害。片、块石利用多孔介质自然对流传热和热屏蔽特性,有利于保护冻土,保持路基稳定性。在研究片、块石路基作用机理的基础上,根据青藏公路K3005+500K3006+450路段修筑试验工程,分析片、块石路基的工程效果。通过对观测地温数据的分析认为,片、块石路基有效改善了多年冻土区路基下热状况,是一种有效保护多年冻土的工程措施。

为了评价多年冻土地区公路碎石路堤的自然对流降温效果,引入了通过碎石层与土层交界面的单位长度瞬态传热率和单位长度平均传热率两个参数,针对青藏公路的具体环境条件利用有限元数值方法进行了数值研究.结果表明:寒区碎石路堤降温效果可用单位长度瞬态传热率和单位长度平均传热率表征,单位长度瞬态传热率描述了碎石路堤自然对流降温效应的发生情况,而单位长度平均传热率描述了碎石路堤自然对流的降温能力.另外,它们还能够分区域评价碎石路堤降温效果.

分析表明路堤尺寸、形状和边界形式对碎石路堤自然对流效应的发生有显著影响,需要根据具体工程要求来确定路堤的压力边界条件。对4种压力边界情况的碎石路堤自然对流进行了数值计算,显示透气边界的碎石路堤自然对流降温效应为最强。最后,通过引入自然对流指数,提出了实际冻土路堤碎石层填筑高度的确定方法,具体给出了粒径为2cm4cm、4cm6cm、6cm8cm和8cm10cm的碎石层填筑高度,并对粒径为6cm8cm的碎石层填筑高度进行了实验验证,结果表明,通过自然对流指数所确定的碎石层高度对实际冻土路堤工程的设计具有参考价值。

通过变渗透率多孔介质流函数控制方程,分析了青藏公路碎石路堤冬季自然对流降温效应的发生和演化过程。结果表明:公路碎石路堤冬季自然对流降温效应从边坡区域最先开始形成,并随着冬季路面温度下降而逐渐向路堤中间区域发展。通过引入自然对流指数,分析了自然对流降温效应随路堤碎石层填筑厚度的变化规律,其可分为恒零区、急增区和缓变区3个阶段,急增区的起点和终点对应于路堤碎石层填筑的最小厚度和最大厚度。最后,利用自然对流指数具体计算了不同粒径碎石层填筑的临界厚度。

通过变渗透率无量纲控制方程的有限元数值方法分析了多年冻土区碎石路堤孔隙空气对流降温效应的发生机理和演化过程.分析表明,碎石路堤的对流降温效应是从两个边坡最先开始形成,逐渐向路堤中间区域发展,随着等温线偏离热传导温度分布位置的畸变程度不断加重,碎石路堤冬季对流降温效果也不断增强.分别给出了在边坡区域和路堤中间区域开始形成自然对流的最小临界Rayleigh数.分析了碎石路堤发生冬季自然对流降温效应的影响因素,并从理论上明确了抛石护坡、碎石护道是确保多年冻土区路基稳定性的有效工程措施.