寒区框架锚杆边坡支护结构的冻胀效应计算方法及试验研究

摘要

框架锚杆支护结构目前已较为广泛地应用于边坡加固工程中，并取得了良好的工程效果，然而针对其在冻土地区的研究却十分匮乏。本文针对框架锚杆支护冻土边坡现有计算理论比较欠缺的问题，采用理论研究与模型试验相结合的方法对冻胀作用下框架锚杆支护结构位移和内力的变化规律进行分析。具体的研究内容和结论如下：
　　（1）基于温克尔弹性地基理论，建立了冻胀作用下框架锚杆边坡支护结构的计算模型，考虑到坡后土体与支护结构协调变形的特点，将土体的冻胀位移视为自由冻胀和框架锚杆结构约束冻胀两部分的叠加，给出了冻胀力的计算表达式，并采用有限差分法推导了冻胀作用下框架柱位移和内力的计算公式，并编制了相应的Matlab计算程序。
　　（2）结合工程算例，对考虑冻胀作用与不考虑冻胀作用两种情况下框架锚杆结构位移和内力的分布规律进行了对比分析，分析结果表明：考虑冻胀作用后，框架柱最大位移可增大4.5倍，最大弯矩可增大6倍，最大剪力可增大4.2倍，锚杆最大拉力可增大6.8倍。由此可见，考虑冻胀作用会使边坡上框架锚杆支护结构的受力更为不利，在寒区边坡支护工程的初始设计时，应当考虑冻胀力的影响并预留足够的安全度。
　　（3）考虑冻胀作用的影响，利用计算程序对工程算例进行计算，分别对土体冻结深度、立柱抗弯刚度以及锚杆竖向间距对框架锚杆支护结构位移和内力的影响规律进行了分析，分析结果表明：土体冻结深度和锚杆竖向间距对框架锚杆结构位移和内力的影响十分明显，而立柱抗弯刚度的影响则较小。
　　（4）通过模型试验得到了在相同的温度和土质条件下，不同的土体初始含水率对应的冻结完成时刻沿坡面不同高度处的冻胀力、框架柱位移以及锚杆拉力的分布情况。分析结果表明：当温度条件和土质条件一定时，土体的初始含水率越大，冻胀性就越强，冻结完成时刻土体的冻胀力就越大。与此同时，框架柱和锚杆的变形也随着土体初始含水率的增大而增大。
　　（5）通过将本文计算结果与模型试验结果进行对比分析得出：尽管框架柱位移、弯矩、剪力以及锚杆拉力的计算值与试验值存在一定的差异，但分布规律及变化趋势基本一致。表明本文提出的方法具有一定的合理性和可行性，为冻土地区框架锚杆边坡支护结构的分析与设计提供了一种新的思路。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及研究方法

第2章 框架锚杆支护寒区边坡的特性

2.1 冻土冻胀理论

2.2 冻胀力的影响因素

2.3 框架锚杆支护结构的受力机理

2.4 本章小结

第3章 框架锚杆支护结构的冻胀效应计算方法研究

3.1 引言

3.2 框架锚杆边坡支护结构的计算模型

3.3 冻胀力的理论计算公式

3.4 计算模型的有限差分求解

3.5 算例计算与分析

3.6 本章小结

第4章 框架锚杆边坡支护结构模型冻结试验

4.1 引言

4.2 试验设计

4.3 试验方案

4.4 数据处理与对比分析

4.5 误差分析

4.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的成果