【摘 要】
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随着“一带一路”战略的不断推进,多年冻土区出现了许多新开挖的边坡,开挖暴露的冻土在工程的热影响及工程间相互影响下,其物理、力学和水力性质发生显著的变化,冻土边坡的冻融滑塌问题频发。尤其在全球气候变暖的背景下,多年冻土边坡活动层逐年退化,使冻融滑塌问题更为严重,给多年冻土地区的工程设计、施工和运营带来了极大的困难。而目前边坡治理的工程措施大多采用被动的治理方法,服役性能较差,不能从根本上解决冻土边坡
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随着“一带一路”战略的不断推进,多年冻土区出现了许多新开挖的边坡,开挖暴露的冻土在工程的热影响及工程间相互影响下,其物理、力学和水力性质发生显著的变化,冻土边坡的冻融滑塌问题频发。尤其在全球气候变暖的背景下,多年冻土边坡活动层逐年退化,使冻融滑塌问题更为严重,给多年冻土地区的工程设计、施工和运营带来了极大的困难。而目前边坡治理的工程措施大多采用被动的治理方法,服役性能较差,不能从根本上解决冻土边坡的冻融滑塌问题。针对多年冻土边坡的冻融滑塌问题,本文提出了一种新型框架免动力加速对流锚杆多年冻土边坡支护结构,采用理论分析和数值模拟相结合的方法对该结构的工作特性进行了研究,具体研究内容如下:（1）结合无动力通风技术、通风管降温技术和锚固技术,提出一种具有无动力通风、主动冷却、耗能减胀的框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构,详细介绍了该结构的构造、特性以及施工方法,对其设计思路和工作机理进行了探讨。（2）根据热学平衡原理,给出免动力加速对流锚杆冻结土体所需的风速;基于能量守恒定律,推导出无动力风帽的相对负压和免动力加速对流锚杆内平均风速,并给出该锚杆的进风量;根据结构风场与土体温度场的联系,给出冻土边坡内冻融交界面轴向抬升量的简化计算方法;基于Winkler弹性地基梁模型,建立出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简化计算模型,根据静力平衡和变形协调条件,提出该结构的冻胀效应简化计算方法。算例结果表明:无动力风帽的抽风效应和抽风管的烟囱效应相互叠加,提升了免动力加速对流锚杆的通风能力,增强该锚杆内外空气对流,提高了空气循环流动速率;无动力风帽提高了免动力加速对流锚杆内平均风速,风速越大,冷空气与土体之间的对流换热和蒸发散热效率越强,冷空气从土体中带走的热量越多,换热作用越强,越有利于土体降温;免动力加速对流锚杆带入的冷量在边坡内逐年累积,足以抵消暖季吸收的热量,使冻土边坡内活动层的厚度逐年减小;给出的冻胀效应简化计算方法能够准确的描述该结构的锚固性能,并且该结构能够减少边坡土体冻胀效应,提高冻土边坡的稳定性。（3）基于通风原理、传热学和冻土力学,将框架、免动力加速对流锚杆与土体进行耦合,建立出考虑抽风效应的大气-结构-边坡系统水热力耦合模型;采用有限元法对冻土的水热力耦合控制方程进行离散,给出考虑新型支护结构的水热力耦合控制方程的有限元格式,依托MATLAB软件编制出分析程序;算例分析表明:免动力加速对流锚杆通过对流换热和蒸发散热的方式将坡体内热量带到外界环境中,为边坡内增加了一条散热通道,冻土边坡内融化层的深度明显减小,融化层下侧的低温区向坡内逐渐扩大,边坡土体的温度也明显降低,具有良好的通风和降温能力;在边坡内温度梯度作用下,新型支护边坡的水分迁移更明显;在冻融循环过程中,新型支护边坡的应力状态、水平位移大小随冻融循环动态变化,应力和位移变化幅度较小,改善了边坡内的应力分布,提高了边坡的稳定性。
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