为解决多年冻土区冻融循环及全球气温升高引起的边坡失稳问题,基于"主动冷却"保护冻土的理念,结合框架锚杆和热棒制冷技术,提出一种既可主动降温、又能锚固支挡、还能减轻冻胀破坏,且适用于多年冻土边坡的新型支护结构,并阐述其技术原理;提出极限承载力和热量平衡两个设计控制指标,给出热-力共同控制的设计计算方法。将该结构和相应的计算方法应用于工程实例,计算结果表明:所提出结构不仅能防止多年冻土边坡上限退化,甚至能抬升上限,进而提高冻土边坡的稳定性;给出的计算方法能够较为准确描述结构的工作机理,为该结构的设计提供理论依据和参考。
研究目的:热棒作为一种主动保护多年冻土的措施,已在青藏铁路多年冻土区路基工程中得到广泛应用。但是,由于缺乏现场测试资料,多年冻土区热棒路基的设计计算始终是一个难题。研究方法:根据青藏铁路多年冻土区清水河试验段热棒路基的现场观测资料,计算了2002—2003年寒季热棒的有效传热影响范围、最大传热影响范围和热棒的产冷量以及传热影响范围内热棒蒸发段土体温度的降低值,并根据计算结果提出了热棒设计所应采用的纵向间距。研究结果:(1)清水河试验段天然地面热棒的有效传热影响范围为1.50 m,最大传热影响范围为2.16 m;(2)寒季热棒工作期间的总产冷量为1 149 MJ;(3)寒季最大传热影响范围内热棒蒸发段对应土体温度的平均降低值为0.95℃。研究结论:为保证热棒传热影响范围内土体温度有较大的降低值,工程设计时热棒的纵向间距以3.0 m为宜。
结合青藏铁路试验工程,在分析热棒路基热周转特性的基础上,建立热棒路基热工计算模型,阐述热棒路基的设计计算过程,讨论设计计算中基本参数的选取,热棒产冷量的计算,产冷量与间距、蒸发段长度、散热面积的关系,安全系数的选取。青藏铁路多年冻土区清水河试验段热棒路基的设计计算结果表明:采用直径76 mm、散热面积3.27 m2、蒸发段长度5 m的热棒,能够很好地起到保护多年冻土的作用,其产冷量达1 900 MJ。热棒的合理纵向间距应在3.5～4.0 m;安全系数在1.1～1.2。相比之下,散热面积、蒸发段长度对产冷量的影响较明显,热棒直径的影响较弱。