为了快速和直观地掌握新型框架锚杆支护下多年冻土边坡的冻融规律,基于水-热-力耦合理论,考虑多年冻土边坡冻结和融化规律,在考虑风速影响下建立了新型通风锚杆支护边坡冻胀、融化固结耦合控制方程,并通过伽辽金法和有限差分法对这些控制方程进行相应的空间域和时间域的离散,进而编制了有限元软件,从而建立了新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡水-热-力耦合模型,并采用室内模型试验验证了所建立模型的可靠性.利用该模型对新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡进行了计算,研究结果表明:(1)在新型框架通风锚杆支护下,坡面及锚杆周围的温度明显低于坡体内部,且锚杆周围的温度分布呈现波浪线形态;在融化期间,坡面温度相对升高,然而锚杆周围的温度仍然低于坡体内部.(2)经过长期的冻融循环,边坡产生了不可恢复的变形,且变形逐年累加.(3)在冻融循环周期内,锚杆轴力表现为逐渐增大、然后减小的趋势,其受到的冻胀力超过融土土压力.该计算模型可为新型框架通风锚杆的设计计算提供理论指导.
土体在冻结过程中 ,不论是融土区、过渡区 (指正在形成的分凝冰及冻结缘区 )还是冻土区所涉及的问题不仅是温度场、水分场问题 ,而且涉及到力学场问题 ,并且力学场对土体的变形过程 (冻胀、压密 )及分凝冰的形成起着重要的作用 .依据连续介质力学、热力学原理 ,提出了土体冻结过程中的三场耦合方程 .并指出 ,土体冻结过程中的体积变化与应力状态、补 -排水条件、冻结条件密切相关 ;体变包含弹性部分、孔隙水变化引起的固结或膨胀部分、相变引起的体变及冻土区粘塑变形部分 ;水分驱动力控制着水分迁移量 ,它是由土基质势、溶质势、冰基质势、孔隙水压力及重力势组成 ;冻结缘现象是由于该区各点处的水分驱动力与相变温度同时满足相变条件而形成 ,冻结缘区含冰量的多少取决于冷能供给情况 ;分凝冰的形成及发展是引起较大冻胀的主要来源 ;分凝冰的形成条件由温度场及力学场统一控制 .即温度要达到相平衡条件 ;孔隙水应力除用于抵抗土骨架有效应力外 ,还需克服土颗粒间的粘聚力