本文選題：多年凍土邊坡 + 新型框架熱錨管�。� 參考：《蘭州理工大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著寒區(qū)工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大及全球氣候變暖,多年凍土邊坡熱融滑塌災(zāi)害規(guī)模逐漸增大,頻率越來越高。邊坡災(zāi)害對寒區(qū)人類生活及工程正常運(yùn)行威脅越來越大,邊坡熱融失穩(wěn)防治刻不容緩。本文針對凍融滑坡問題,開展多年凍土區(qū)邊坡現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)研和凍土工程技術(shù)研究,在深入認(rèn)識凍土邊坡自身特性的基礎(chǔ)上,就邊坡凍融災(zāi)害治理的新技術(shù)進(jìn)行了積極探索和開發(fā),提出了一種新型主動降溫冷卻多年凍土邊坡錨固結(jié)構(gòu)。采用理論、數(shù)值和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對新型凍土邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理及特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,以期能夠?yàn)槎嗄陜鐾羺^(qū)邊坡災(zāi)害治理提供合理的防護(hù)結(jié)構(gòu),并為其關(guān)鍵技術(shù)問題提供科學(xué)依據(jù),取得的主要成果如下:(1)查明了多年凍土邊坡工程病害成因和致災(zāi)機(jī)理,發(fā)現(xiàn)了凍土邊坡災(zāi)害治理存在的問題�；凇爸鲃永鋮s保護(hù)凍土”理念,結(jié)合熱棒和框架錨桿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),提出了一種適用于多年凍土邊坡的新型框架熱錨管支護(hù)結(jié)構(gòu),闡述了其技術(shù)原理。該結(jié)構(gòu)既能錨固支擋、又能主動降溫冷卻、還能通過自身變形減輕凍脹破壞。以消除凍土邊坡上限退化和防止熱融滑塌為需求,提出了以極限承載力和熱量平衡為控制指標(biāo)的設(shè)計(jì)思路,給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟,為凍土邊坡熱融滑塌災(zāi)害治理提供了新技術(shù)和新思路。(2)基于等效熱阻理論,建立了熱錨管傳熱計(jì)算模型,求解了熱錨管傳熱半徑。根據(jù)上述提出的設(shè)計(jì)思路,給出了兩種熱-力共同控制的實(shí)用計(jì)算方法:a)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法;b)考慮框架-熱錨管-土體協(xié)同工作的計(jì)算方法。算例分析表明:新型框架熱錨管能抵御凍土邊坡上限退化,支護(hù)效果顯著;凍脹作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻,變形同步,不會產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞;給出的計(jì)算方法物理概念明確,能較好的描述該結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理,是一種快速實(shí)用的設(shè)計(jì)方法,可為其設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。(3)基于熱錨管換熱機(jī)理和多場耦合理論,建立了大氣-框架熱錨管-邊坡系統(tǒng)水熱力耦合分析模型,采用有限元法求解了耦合方程,依托Matlab平臺開發(fā)能夠反映框架熱錨管土體多場耦合機(jī)制的有限元程序。利用開發(fā)的程序?qū)?jīng)典凍結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行了分析,初步驗(yàn)證了土體水熱力耦合程序的可靠性。采用程序分別對開挖擾動和氣候變暖條件下的純凍土邊坡和框架熱錨管支護(hù)多年凍土邊坡進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明:a)新開挖凍土邊坡在凍融及氣候變暖作用下邊坡上限退化明顯,容易誘發(fā)凍融失穩(wěn)破壞。熱錨管作用下凍土邊坡上限抬升,季節(jié)活動層下部存在常年低溫凍結(jié)區(qū),坡面水分遷移速率增大。b)邊坡應(yīng)力狀態(tài)隨季節(jié)凍融動態(tài)變化,框架熱錨管作用下邊坡應(yīng)力發(fā)生重分布;在一個凍融周期內(nèi),熱錨管拉力先增大、后減小,且不能恢復(fù)初始狀態(tài)。c)框架熱錨管邊坡水平位移在凍結(jié)時大于融化時,且比純土邊坡小很多。進(jìn)一步說明新型框架熱錨管結(jié)構(gòu)具有良好的降溫效果和支護(hù)性能。(4)為了給出實(shí)用的框架熱錨管支護(hù)邊坡穩(wěn)定性分析方法,根據(jù)多年凍土邊坡熱融滑塌破壞模式,采用斜條分法建立了簡化的穩(wěn)定性分析模型;為了考慮溫度和水分對邊坡穩(wěn)定性的影響,基于上述(3)中的水熱力耦合理論,建立了水熱力耦合有限元極限平衡的穩(wěn)定性分析模型,確定了多年凍土邊坡最危險滑移面,求得了最小安全系數(shù);計(jì)算表明:框架熱錨管作用下邊坡安全系數(shù)明顯提高;斜條分模型能夠反映新型結(jié)構(gòu)作用下邊坡內(nèi)力重分布引起的條間力變化及其對穩(wěn)定性的影響;水熱力耦合有限元極限平衡的分析模型彌補(bǔ)了斜條分法的不足,合理的考慮了溫度、水分、土體的強(qiáng)度與變形對框架熱錨管邊坡穩(wěn)定性的影響,是一種比較嚴(yán)密的分析方法。(5)為了驗(yàn)證本文提出結(jié)構(gòu)的有效性和計(jì)算方法的合理性,基于相似理論,設(shè)計(jì)了新型框架熱錨管支護(hù)凍土邊坡和純土邊坡模型試驗(yàn),對比分析了凍融、不同初始含水量和荷載作用下邊坡土體溫度、水分、位移和結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律。結(jié)果表明:a)框架熱錨管作用下邊坡凍結(jié)期溫降更快、邊坡凍結(jié)更長,融化期溫度也較低;b)在一個凍融周期內(nèi)邊坡未凍水含量隨時間增加先減小、后增大,但不能恢復(fù)原值;c)氣溫隨時間逐漸降低,熱錨管拉力不斷增大,氣溫回暖凍脹力減弱、熱錨管拉力突降,融化期拉力基本不變,凍結(jié)期拉力大于融化期。d)凍結(jié)初期邊坡土體有冷縮現(xiàn)象,凍結(jié)持續(xù)進(jìn)行水分凍脹,邊坡產(chǎn)生向前水平位移并不斷增大,融化期純土邊坡水平位移持續(xù)增大,而框架熱錨管邊坡水平位移融化初期減小,后期基本不變。e)對比試驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度、水分、內(nèi)力及變形的變化規(guī)律比較吻合,驗(yàn)證了本文所述理論計(jì)算方法的合理性。通過試驗(yàn)和理論分析表明,新型框架熱錨管結(jié)構(gòu)降溫效果顯著、支護(hù)性能優(yōu)越,是一種可行、有效的多年凍土邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。
[Abstract]:In this paper , a new type frame heat anchor tube supporting structure is proposed , which is suitable for slope disaster management in permafrost regions . ( 3 ) Based on the heat transfer mechanism of thermal anchor tube and the theory of multi - field coupling , an analytical model of water thermal coupling of soil - frame heat anchor tube - slope system is established . The stability analysis model is established by using finite element method . ( 5 ) In order to verify the rationality of the validity and calculation method of the structure proposed in this paper , based on the similarity theory , a new frame thermal anchor tube support frozen soil slope and a pure soil slope model test are designed . The results show that :
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU445;TU473

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7 王s，

本文編號：1980469