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弄清冻土边坡的冻结和融化过程是预防和防治冻土边坡失稳的关键,而冻土边坡的冻结和融化过程是温度场、水分场和应力场相互作用的综合问题,要有效的预防和防止冻土边坡的失稳,需在充分考虑冻土的水分场、温度场和应力场耦合作用的前提下,对冻土边坡进行支护。 为了研究框架锚杆支护冻土边坡的工作机理,建立了框架锚杆支护冻土边坡的耦合计算模型,该模型考虑了水—热—力耦合、支护结构与土体耦合及框架锚杆与土体的协同作用。并将冻土视为平面弹性体,用显热容法考虑了土体中的冰水相变潜热,用冰阻抗因子考虑了各参数随时间的变化,给出了冻土的水分场、温度场、应力场基本方程。把锚杆看成杆单元、框架看成梁单元,用组合式考虑了框架锚杆和土体的耦合,推导了框架锚杆与土体协同作用的平衡方程,从而建立了框架锚杆支护冻土边坡的多场耦合模型。 采用有限元法和有限差分法对模型进行求解,基于 MATLAB软件平台编写了计算程序,通过已有的试验考证了程序的正确性。算例分析给出了边坡温度场、水分场、应力场和支护结构冻融反应的分布规律,结果表明:(1)坡面上部受气温影响较大,融化时活动层含水量接近饱和,底部出现过饱和的“水泡”;(2)冻结时剪应力最大值是融化时的两倍左右且分布均匀,边坡处于稳定状态,融化时剪应力在活动层和稳定冻土层交界面发生突变,此时边坡不稳定,该交界面是潜在滑移面;(3)在一个冻融周期内,冻结时水平位移增大,融化时水平位移减小,且随坡高的增加而增大,三种工况下水平位移的关系为:冻结时>融化时>初始时;(4)一个周期内锚杆力先增大后减小,冻胀时锚杆力增量沿坡高逐层增大,各层锚杆前端轴力增量最大,沿锚杆长度方向逐渐减小,立柱内力增量也较大并沿坡顶向下逐渐减小,融化时锚杆力和立柱内力大幅减小。由分析结果知:框架锚杆支护冻土边坡时,支护结构应按冻胀状态进行设计和计算。