多年冻土区新型框架热锚管边坡支护结构的工作机理及试验研究

摘要

随着寒区工程建设规模不断扩大及全球气候变暖，多年冻土边坡热融滑塌灾害规模逐渐增大，频率越来越高。边坡灾害对寒区人类生活及工程正常运行威胁越来越大，边坡热融失稳防治刻不容缓。本文针对冻融滑坡问题，开展多年冻土区边坡现场灾害调研和冻土工程技术研究，在深入认识冻土边坡自身特性的基础上，就边坡冻融灾害治理的新技术进行了积极探索和开发，提出了一种新型主动降温冷却多年冻土边坡锚固结构。采用理论、数值和试验相结合的方法，对新型冻土边坡支护结构的工作机理及特性进行了系统研究，以期能够为多年冻土区边坡灾害治理提供合理的防护结构，并为其关键技术问题提供科学依据，取得的主要成果如下：
　　（1）查明了多年冻土边坡工程病害成因和致灾机理，发现了冻土边坡灾害治理存在的问题。基于“主动冷却保护冻土”理念，结合热棒和框架锚杆技术的优点，提出了一种适用于多年冻土边坡的新型框架热锚管支护结构，阐述了其技术原理。该结构既能锚固支挡、又能主动降温冷却、还能通过自身变形减轻冻胀破坏。以消除冻土边坡上限退化和防止热融滑塌为需求，提出了以极限承载力和热量平衡为控制指标的设计思路，给出了相应的设计计算步骤，为冻土边坡热融滑塌灾害治理提供了新技术和新思路。
　　（2）基于等效热阻理论，建立了热锚管传热计算模型，求解了热锚管传热半径。根据上述提出的设计思路，给出了两种热-力共同控制的实用计算方法：
　　a）荷载结构设计法；
　　b）考虑框架-热锚管-土体协同工作的计算方法。
　　算例分析表明：新型框架热锚管能抵御冻土边坡上限退化，支护效果显著；冻胀作用下结构内力分布均匀，变形同步，不会产生应力集中而导致结构破坏；给出的计算方法物理概念明确，能较好的描述该结构的工作机理，是一种快速实用的设计方法，可为其设计提供理论依据。
　　（3）基于热锚管换热机理和多场耦合理论，建立了大气-框架热锚管-边坡系统水热力耦合分析模型，采用有限元法求解了耦合方程，依托Matlab平台开发能够反映框架热锚管土体多场耦合机制的有限元程序。利用开发的程序对经典冻结试验进行了分析，初步验证了土体水热力耦合程序的可靠性。采用程序分别对开挖扰动和气候变暖条件下的纯冻土边坡和框架热锚管支护多年冻土边坡进行了计算，结果表明：
　　a）新开挖冻土边坡在冻融及气候变暖作用下边坡上限退化明显，容易诱发冻融失稳破坏。热锚管作用下冻土边坡上限抬升，季节活动层下部存在常年低温冻结区，坡面水分迁移速率增大。
　　b）边坡应力状态随季节冻融动态变化，框架热锚管作用下边坡应力发生重分布；在一个冻融周期内，热锚管拉力先增大、后减小，且不能恢复初始状态。
　　c）框架热锚管边坡水平位移在冻结时大于融化时，且比纯土边坡小很多。进一步说明新型框架热锚管结构具有良好的降温效果和支护性能。
　　（4）为了给出实用的框架热锚管支护边坡稳定性分析方法，根据多年冻土边坡热融滑塌破坏模式，采用斜条分法建立了简化的稳定性分析模型；为了考虑温度和水分对边坡稳定性的影响，基于上述（3）中的水热力耦合理论，建立了水热力耦合有限元极限平衡的稳定性分析模型，确定了多年冻土边坡最危险滑移面，求得了最小安全系数；计算表明：框架热锚管作用下边坡安全系数明显提高；斜条分模型能够反映新型结构作用下边坡内力重分布引起的条间力变化及其对稳定性的影响；水热力耦合有限元极限平衡的分析模型弥补了斜条分法的不足，合理的考虑了温度、水分、土体的强度与变形对框架热锚管边坡稳定性的影响，是一种比较严密的分析方法。
　　（5）为了验证本文提出结构的有效性和计算方法的合理性，基于相似理论，设计了新型框架热锚管支护冻土边坡和纯土边坡模型试验，对比分析了冻融、不同初始含水量和荷载作用下边坡土体温度、水分、位移和结构内力变化规律。
　　结果表明：
　　a）框架热锚管作用下边坡冻结期温降更快、边坡冻结更长，融化期温度也较低；
　　b）在一个冻融周期内边坡未冻水含量随时间增加先减小、后增大，但不能恢复原值；
　　c）气温随时间逐渐降低，热锚管拉力不断增大，气温回暖冻胀力减弱、热锚管拉力突降，融化期拉力基本不变，冻结期拉力大于融化期。
　　d）冻结初期边坡土体有冷缩现象，冻结持续进行水分冻胀，边坡产生向前水平位移并不断增大，融化期纯土边坡水平位移持续增大，而框架热锚管边坡水平位移融化初期减小，后期基本不变。
　　e）对比试验与理论计算结果发现温度、水分、内力及变形的变化规律比较吻合，验证了本文所述理论计算方法的合理性。通过试验和理论分析表明，新型框架热锚管结构降温效果显著、支护性能优越，是一种可行、有效的多年冻土边坡支护结构。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景、目的和意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 本文主要研究内容及技术路线

1.4 本文研究工作的创新点

第2章 新型框架热锚管边坡支护结构的提出及设计思路

2.1 引言

2.2 冻土区边坡工程病害及成因分析

2.3 框架锚杆支护结构及工作原理

2.4 主动冷却热棒及换热原理

2.5 框架热锚管结构提出及技术特点

2.6 框架热锚管支护边坡的设计思路及计算步骤

2.7 热锚管加工制造及检测方法

2.8框架热锚管施工关键技术探讨

2.9 本章小结

第3章 新型框架热锚管冻土边坡支护结构计算方法

3.1 引言

3.2 热锚管设计参数

3.3 热锚管换热计算

3.4 框架梁柱间距确定

3.5 框架热锚管支护边坡热稳定性计算

3.6 框架热锚管结构内力计算

3.7 考虑框架热锚管土体协同工作的内力计算

3.8 对比分析

3.9 本章小结

第4章 新型框架热锚管支护冻土边坡水热力耦合分析

4.1 引言

4.2 建立大气-框架热锚管-边坡系统耦合计算模型

4.3 耦合方程求解

4.4 土体水热力耦合程序验证

4.5 算例分析

4.6 本章小结

第5章 冻融作用下框架热锚管支护边坡力学稳定性分析

5.1 引言

5.2 多年冻土边坡失稳类型

5.3 基于斜条分的框架热锚管边坡稳定性分析

5.4 水热力耦合有限元-极限平衡的稳定性分析

5.5 本章小结

第6章 新型框架热锚管支护冻土边坡试验研究

6.1 引言

6.2 试验目的和内容

6.3. 模型相似比设计

6.4. 试验设备和材料

6.5. 模型设计和测点布置

6.6 试验工况及过程

6.7 试验结果与分析

6.8 模型试验与理论计算对比分析

6.9 本章小结

结论与展望

1. 结论

2. 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间获得的科研成果及奖励

1. 发表学术论文

2. 发明专利

3. 实用新型专利

4. 软件著作权

5. 获奖及荣誉

附录B 攻读学位期间参与的科研项目