考虑混凝土衬砌板与冻土接触非线性的渠道冻胀数值模拟

旱寒灌区渠基土中水分在温度梯度作用下向冻结锋面迁移聚集并冻结膨胀,使其上混凝土衬砌板冻胀破坏,以往的线弹性分析方法在数值模拟中将冻土与混凝土衬砌板视为一体,无法反映两者之间的滑移。本文采用符合冻土与混凝土接触面冻结特性的非线性本构模型来合理反映两者的相对滑动及脱离,考虑混凝土的弹塑性及其与冻土的接触非线性,建立能反映混凝土板从弹性到塑性屈服失效过程的渠道冻胀破坏数值模型,并对冻胀过程进行分析。结果表明,未考虑接触非线性的切向冻结力会超过混凝土与冻土最大冻结强度,不符实际;而考虑接触非线性的数值模型更能反映衬砌渠道冻胀破坏过程,更能合理解释渠道冻胀破坏位置在渠底中间和阴阳坡靠近渠底1/3板长处,切向冻结力、法向冻胀力最大值较未考虑接触非线性的要小约50%且分布更均匀。     

考虑冻结力分布特征的两拼式渠道冻胀力学模型

确定混凝土衬砌渠道土与板间冻结力分布形式,建立冻胀力学模型,是定量研究渠道冻胀破坏的关键环节。通过对渠道冻胀机理、破坏特征和抗拉冻结强度影响因素的分析,结合宁夏引黄灌区混凝土衬砌渠道原位监测试验数据特点,将渠基土与衬砌板间的法向冻结力假设为由渠道顶部至渠底呈三角形分布的荷载,同时对任意截面切向冻结力进行分段求解,建立了两拼式U形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型。结果表明:建立的两拼式U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型不仅能计算出弧板内力、最大弯矩作用点,而且可以计算出渠道所受最大法向冻胀力和最大法向冻结力;对比原位监测值以及已有力学模型计算值发现,根据假设的法向、切向冻结力分布所建立的力学模型计算弧板内力值更小,法向冻胀力、最大弯矩对应截面与原位监测数据更吻合。     

大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏数值模拟

视冻土为横观各向同性线弹性材料,将渠基冻土和渠道作为一个整体,应用大型有限元通用软件ANSYS,按有限元法大体积超静定结构温度应力计算方法,对大U形混凝土村砌渠道冻胀进行热应力间接耦合数值模拟,计算渠道的温度场、变形场和应力场,分析渠道冻胀受力和变形规律.结果能较好地反映大U形混凝土衬砌渠道的冻胀机理和冻胀温度场、应力场及变形场的基本规律,方法通用且过程简捷,可用于大U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计中.     

整体式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型

通过对整体式小型U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏特征及原因分析,将结构简化为在法向冻胀力、法向冻结力、切向冻结力和重力共同作用下的超静定两铰拱,应用结构力学原理求解出衬砌板的冻胀力及内力图,结合混凝土板抗裂条件,给出了最大拉应力、衬砌板厚和抗冻胀破坏验算的公式,并对整体式与两拼式U形衬砌板冻胀效应进行了比对。结果表明,整体式U形混凝土衬砌渠道由于具有冻胀变形均匀、法向冻胀力小、抗冻胀能力强等特点,优于传统的两拼式U形渠道断面。     

寒旱区梯形渠道衬砌冻胀破坏数值模拟

针对刚性衬砌渠道冻胀破坏问题,选取宁夏盐环定扬黄灌区衬砌渠道为研究对象,在考虑相变及水分迁移模型基础上,考虑高地下水位对冻胀的影响,建立考虑水分迁移及地下水影响的数学物理模型,并采用Comsol Mutiphysics有限元软件对梯形渠道混凝土衬砌进行冻胀数值模拟,分别从温度场、位移场和应力场对刚性衬砌渠道冻胀破坏等方面进行了研究分析。结果表明:阴坡、阳坡冻胀量较大,渠底较小,渠底中部、渠坡1/3坡板长度处冻胀量分别达到最大值。渠底中部的法向冻胀力较小,两边逐渐增大,阴坡、阳坡的法向冻胀力分布均匀;渠底的切向冻结力成线性分布。阴坡、阳坡靠近坡脚处切向冻结力较大,左、右两端坡顶处切向冻结力较小,渠底衬砌板和两侧衬砌板属于压弯组合变形构件。     

考虑冻土与结构相互作用的梯形渠道冻胀破坏弹性地基梁模型

假定渠基冻土为服从Winkler假设的弹性地基,提出一种针对开放系统混凝土梯形渠道的衬砌冻胀力分布计算方法。基于弹性地基梁理论引入与冻胀变形成比例的附加项来反映衬砌冻胀变形引起的冻胀力释放和削减,导出考虑冻土与衬砌结构耦合作用的冻土地基梁挠曲线微分方程。基于此,对现浇混凝土梯形渠道底板和坡板分别建立冻胀模型,并结合边界条件对方程求解获得渠道底板和坡板挠度和内力的解析表达式,进而建立了基于衬砌冻胀位移计算的渠道衬砌冻胀破坏判断准则。以新疆塔里木灌区某梯形渠道为原型,对衬砌各点冻胀位移进行了计算,并与材料力学方法的计算结果及原型观测值进行了对比分析。结果表明,本文方法由于考虑了衬砌冻胀变形引起的冻胀力释放和削减,冻胀位移计算结果均较材料力学方法小,且与观测值更加符合。研究结果可为现浇混凝土梯形渠道的抗冻胀设计提供参考和理论依据。     

基于双K断裂准则的U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

为探讨U形渠道衬砌的冻胀断裂力学模型,采用有限元软件简化模拟混凝土衬砌板初始裂缝扩展,并结合线弹性断裂力学的双应力强度因子的混凝土双K断裂破坏准则,建立了冻胀力与冻结力共同作用下的U形渠道混凝土衬砌板冻胀断裂力学模型。根据混凝土双K断裂准则与冻胀条件下的混凝土衬砌力学模型,计算了U形渠道各部位混凝土衬砌板在初始裂缝扩展情况下,混凝土衬砌板冻胀断裂破坏的临界厚度。通过实例计算,验证了此双K断裂准则下的混凝土渠道衬砌冻胀力学模型具有一定的实际应用价值,为以后的U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计提供了合理的理论参考。     

U形渠道冻胀监测试验研究

从我国北方季节性冻土灌区整体式U型渠道混凝土衬砌结构饱受冻胀破坏实际出发,进行整体式U型混凝土渠道衬砌结构冻胀观测试验。结果表明:试验区域渠基土低温期和冻胀量峰值期为11月中旬～次年1月底,渠基土地温最小值和冻胀量最大值均出现在这一期间,而且渠基土地温与冻胀量之间存在密切联系,随着地温降低,渠基土冻胀量升高,渠基土地温降低对阴坡弧段渠基土冻胀量影响最大,对阳坡弧段影响次之,对阳坡直段影响最小。研究结果可为渠道防渗抗冻措施的运用提供理论依据。     

考虑预制混凝土“设缝”作用的梯形渠道冻胀机制影响研究

寒区衬砌渠道输水能力下降主要是由常年冻融作用下衬砌结构发生冻胀破坏所致,针对渠道衬砌结构冻胀破坏问题提出渠坡板纵向设缝的抗冻措施与数值分析方法。本文通过将渠道衬砌板与冻土视为整体处理的方法构建混凝土衬砌渠道热力耦合冻胀模型,以甘肃省景泰灌区某混凝土衬砌渠道为研究对象,考虑不同设缝措施与纵缝填充的接触本构对3种工况进行抗冻影响因素分析。结果表明：渠底深部基本不受渠道整体几何边界的影响,但渠道边界尺寸和基土热流分布均对基土上部温度场变化具有显著影响。渠道阴坡、渠底和阳坡最大冻深分别为86.3、67.5、58.2 cm。通过合理设缝措施可使渠道阴坡法向冻胀力降低40.7%、底板冻胀量减小63.5%、切向冻胀力降低43.8%,使渠道断面冻胀分布趋于均匀,且模型分析与实测结果相符,表明本文构建模型的合理性。研究结果可为长距离输水渠道数值计算提供理论依据。     

东港地区衬砌渠道冻胀有限元数值模拟研究

严寒地区的混凝土衬砌渠道渠基土冻胀作用常引起混凝土开裂,甚至产生隆起破坏,造成渠道渗漏,使灌区灌溉用水浪费严重。结合辽宁东港地区不同形式衬砌渠道结构的原位观测试验,应用ANSYS有限元软件,对苯板和非苯板衬砌渠道试验段进行了温度、应力和应变数值模拟分析。结果表明:将冻土视为横观各向同性线弹性材料,符合冻土的力学本构特性,既能反映冻土冻胀时的变形和应力分布规律,又与实测情况吻合良好。苯板衬砌渠道的设计,可解决东港水稻灌区地下水位高、现有混凝土渠道衬砌抗冻胀性能差、混凝土易裂、破损率高等问题。     

寒区预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型

基于Winkler弹性地基梁理论及有限杆单元的思想,以单块预制板为研究对象构建其挠曲线微分方程并求解;在此基础上,考虑冻土-结构接触界面及预制板间填缝处的协调变形与相互作用,引入端部边界条件及板间连续性条件,同时砂浆填缝处弯矩为零,将多块预制板联系起来,构建预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型。再由切向静力平衡条件导出切向控制方程并求解,最终获得衬砌板各截面法向冻胀位移与切向位移的解析表达式。以新疆北部某梯形渠道为例,对衬砌各截面法向冻胀位移、切向位移、接触面法向应力、切向冻结力及上表面应力进行计算。结果表明：本文模型计算的法向冻胀位移与观测值符合良好,与弹性支承法、杆系有限元法计算结果相比更接近观测值。上表面应力估算的易开裂范围与实地调查结果基本相符,表明了模型的合理性。由于存在不连续断面即砂浆填缝,衬砌板法向冻胀位移、接触面法向应力、截面弯矩和上表面应力均存在一定的起伏,出现正负交替现象。顶推力作用下坡板各截面均存在切向位移,且自坡脚向坡顶非线性减小,在坡顶达到最小值。     

大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型探讨

通过对U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏机理的分析,提出了U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型,并解出了渠坡直线段和圆弧段控制内力及最大拉应力,结合混凝土板抗裂条件给出了冻胀力、胀裂部位、冻胀抗裂衬砌板厚度及抗冻胀破坏验算的一系列计算方法.     

盐环定扬水干渠冻胀原型试验观测与防治措施

针对陕甘宁盐环定扬黄工程三道井干渠破坏严重问题,布设6个冻胀观测断面,通过气温、地温、冻深、冻胀量、基土含水率等主要指标观测,分析了各影响因素的变化过程和变化规律,提出渠道坡脚和渠底是冻胀变形最为严重的部位,应重点进行防护;基土含水率是冻胀破坏的决定性因素,减轻渠道冻害关键在于降低基土含水率。根据试验结果,提出三道井干渠在更新改造时采用聚苯乙烯板的保温防冻胀措施,在冻胀破坏最为严重的坡脚部位采用20 cm厚现浇混凝土弧形坡脚+5 cm厚聚苯乙烯板,全断面采用0.3 mm厚复合土工膜防渗以减少渗漏引起的基土含水率升高等措施,并付诸实施,效果显著。     

基于温度-应力耦合的冻土地区渠道衬砌防冻胀效果及适应性评价

中国北方冻土地区的灌区渠道多采用衬砌或者保温措施进行防渗抗冻胀,从而减少输水损失。依据近年来北方冻土地区常用的渠道衬砌形式,从取材和施工的难易程度等角度,对北方高寒地区新疆阿勒泰灌区农十师渠道3种抗冻胀措施的效果进行了研究,分别建立了混凝土、HAS固化剂固化粉煤灰和聚苯乙烯泡沫板(EPS)3种衬砌材料的本构模型。通过ABAQUS温度-应力耦合模拟,分析了3种抗冻胀措施的效果。分析结果表明:3种抗冻胀措施均能有效减少渠道冻胀变形,而HAS固化剂固化粉煤灰和铺设聚苯乙烯泡沫板削减冻胀变形效果更为显著;其中铺设聚苯板措施效果最佳,不仅使混凝土衬砌最大法向冻胀量削减了54%,法向冻胀力削减了74%,切向冻结力削减83%,而且使应力和位移分布更均匀,避免了应力集中现象的发生。3种防冻胀措施的效果为铺设聚苯板>HAS固化粉煤灰>混凝土衬砌。考虑到HAS固化粉煤灰可实现就地取材,从而得出HAS固化剂固化粉煤灰渠道衬砌适用于新疆等寒冷地区的结论。研究成果为寒冷地区渠道抗冻胀设计提供了有效参考。     

渠道防渗衬砌工程的冻害及防治措施简介

本文介绍了渠道衬砌工程常见的冻害现象并介绍了常规的防治措施。     

寒区弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的尺寸效应研究

为探明地下水埋深、冻深及渠深对冻土地基上弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的影响规律,依据毛细理论将渠道冻胀分为封闭系统、半开放系统和开放系统;基于冻土水热力三场耦合理论,利用多场耦合软件COMSOL Multiphysics模拟研究了30组不同尺寸衬砌渠道的冻胀位移场和应力场。结果表明:规范建议的衬砌厚度内,渠道规模越大越窄深、冻深越大、地下水埋深越浅,则衬砌渠道冻胀破坏越严重。封闭系统,中小型衬砌渠道为渠底中心下表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂;半开放系统,中小型渠道为渠底中心上表面拉裂,大型渠道为渠底中心上表面和坡脚下表面拉裂;开放系统,小型渠道为渠底中心上表面拉裂,中型渠道为坡脚上表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂。该研究揭示了渠道衬砌冻胀破坏的尺寸效应,对弧底梯形衬砌渠道抗冻胀设计及衬砌结构合理设缝具有指导意义和定量化参考。