季冻区框架锚杆结构支护边坡的稳定性分析

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青海省位于高寒高海拔地区,冬季昼夜温差大且降雪量较多,其区域内的土体每天都会经历冻融循环的过程,会导致土体强度降低,甚至出现已支护的边坡发生失稳滑塌等现象,究其原因,是冻融条件下的理论研究相对滞后。基于此,以青海省季节性冻土区框架锚杆结构支护边坡的稳定性为研究主题,建立水-热-力耦合作用下的数值计算模型,并依据试验结果对计算模型进一步优化完善,得出各物理场的变化情况,为预测冻融变形及稳定性判定提供一定理论依据。完成的主要工作和结论如下:(1)结合冻融理论,建立了框锚支护边坡的水热力耦合计算程序,并采用MATLAB软件进行计算。程序采用有限差分法对时间域进行单元划分,联立温度场和水分场进行求解,采用有限单元法对空间域进行单元划分,联立已得到的时间域求解量对应力场进行求解。并将求得的温度场、水分场分布结果与室外试验数据进行对照分析发现:在冻结期,随着温度降低冻结深度不断向下发展,其变化符合冻胀规律,计算值与试验值基本吻合;计算中将水分边界条件设置为开放,得到的计算结果与土体含水率实测值的16~18%吻合较好,说明了计算程序的可靠性。(2)利用程序计算得出,结合室外试验:在冻融过程中,地表温度对土体温度的影响存在一个最大深度,约2.5m。冻结期的土体发生冻胀,在坡面表层产生较大冻胀变形,导致锚杆自由段轴力变化较大,但应力分布均匀,冻结时边坡处于稳定状态;融化期的土体内水分分布、黏聚力、内摩擦角以及土体结构发生变化,土体产生了永久位移,无法恢复到边坡初始状态,且融沉变形致使坡底和坡顶均有应力集中,应力约为初始时的2~3倍,边坡处于不稳定状态。(3)采用计算程序对实际工程边坡在不同边界条件下的稳定性展开分析,结果表明:温度和水分是相互影响的,水分向冻结锋面聚集、消散的速率受温度的影响,进而影响水分分布,而水分在冻融过程中所释放、吸收的相变潜热影响着温度的分布,而这种分布会导致土颗粒和结构之间的粘聚力发生改变,对边坡整体稳定性造成影响;在冻融过程中,边坡始终处于蓄热的状态,致使上层土体的温度较下层土体温度变化快;当水分边界为封闭时,水分分布仅受温度的影响;在支护结构作用时,三种工况中,工况三的水分减少量、冻结区域约为前两者工况下的1.5~2倍,且在融化时,工况三中的位移和应力分布区域几乎覆盖整个坡面,出现了明显的应力集中现象,边坡极易失稳;当水分边界为开放且有支护结构作用时,边界状态的变化直接导致了冻结深度的变化,其冻结深度相比封闭的水分边界条件下的冻结深度大了约0.5~1.5m,边坡上覆出现了较大的冻胀变形这对边坡稳定性是极其不易;且在冻结锋面处,未冻区与冻结区分界明显,其水分在冻结锋面后缘处聚集达到最大值约12%。
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