针对多年冻土边坡的冻融滑塌问题,结合无动力通风技术、通风管降温技术和锚固技术,提出一种新型框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构,并阐述了新型结构的工作机理。基于通风工程和传热学理论,建立免动力加速对流锚杆与土体换热的计算模型,给出免动力加速对流锚杆的热效应理论计算方法;基于Winkler弹性地基梁理论,建立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计算模型,提出框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的力学效应理论计算方法。结合算例,采用提出的理论计算方法对框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的热-力学效应进行分析,并利用自主研发的框架免动力加速对流锚杆支护多年冻土边坡的水热力耦合分析软件对提出的理论计算方法进行验证,结果表明:(1)无动力风帽极大提升了免动力加速对流锚杆的通风能力,增大了外界冷空气与边坡内部土体之间的对流换热强度,促使多年冻土边坡内冻融交界面逐年抬升;(2)框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构减弱了边坡土体的冻胀作用,能够提高多年冻土边坡的稳定性;(3)文章提出的理论计算方法具有一定的准确性和合理性,可为框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的设计提供理论依据。

严寒冻土区桩锚支护过程中的基坑受冻胀作用而导致基坑产生变形甚至发生坍塌事故屡屡发生,对基坑进行及时、准确的监测分析,采取相应防治措施,能有效降低发生事故的风险。通过采用全过程实时监测的方式,以长春市地铁2号线西兴站装配式车站工程深基坑为工程背景,根据严寒冻土区基坑冬季受力特点并结合工程地质条件研究了施工现场周围土体的沉降、支护体系的受力变形以及基坑外地下水的变化特征,分析了土体冻胀以及冻融循环对基坑稳定的影响。

季节性冻土区边坡支护结构往往受冻融循环作用而发生破坏,对边坡支护结构造成很大的安全隐患。结合兰州地区某实际工程,应用大型非线性有限元软件ADINA中的热-流体-固体耦合分析模块建立了季节性冻土区土钉边坡支护结构的有限元模型,开发了土体在冻胀、融沉时的本构模型,并用实测结果考证了程序的有效性。然后采用二次开发的软件分析土钉边坡支护结构在冻融循环作用下的反应特性及规律。分析结果表明:在冻融循环作用下,每层土钉钉头附近轴力值增加最大,沿土钉轴向增加值逐渐减小;轴力相对增量沿坡高逐渐增大;水平位移、坡顶地面沉降量均因冻土融化使得含水率增加而突增。研究结论可为季节性冻土地区边坡支护的设计和施工提供参考。

为得到多年冻土区公路隧道围岩温度场和融化圈的发展规律,建立了围岩融化圈的计算方法,对融化圈深度和围岩温度的计算值与实测值进行了对比,采用有限元法分析了支护对融化圈的影响。分析结果表明:围岩温度平均误差不超过0.6℃,融化圈深度误差不超过10%,计算值与实测值吻合较好;每延迟1d施作喷射混凝土,融化圈深度增大10cm,喷射混凝土厚度每增加5cm,融化圈深度增加约10cm;一次模筑混凝土入模温度为15℃时的融化圈深度比入模温度为5℃时大了约10cm;当保温板厚度从5cm增加到20cm时,融化圈深度减小2/3,保温板及二次模筑混凝土水化热对融化圈深度有较大影响;洞内风速为3.0 m·s-1时的融化圈深度比洞内风速为1.0m·s-1时减小了10～20cm;施作喷射混凝土30、60、90、120d后,洞内气温为8℃时的融化圈深度为洞内气温为2℃时的1.25、1.31、1.35、1.40倍。可见,洞内气温宜控制在3℃5℃,围岩开挖后应尽早施作支护,宜选用低热或中热水泥以降低混凝土释放的水化热。

季节性冻土区深基坑支护冻胀影响问题常常由于温差不大、冻融时间较短容易被忽略,但某些特殊情况下冻胀影响产生的基坑坍塌事故却屡见不鲜。对基坑边坡冻胀机理及计算方法进行了总结描述,结合北京某深基坑支护工程,通过对2011～2012年冬季冻胀影响过程的监测与相应处理措施实施效果分析,总结了桩锚支护结构体系的冻胀影响因素,提出了相应注意事项、预防及处理措施。