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。     

基于渠道混凝土衬砌结构破坏特征分析

薄壳拱形结构的典型结构形式为小型U形两拼式渠道混凝土衬砌结构,文章在详细分析了常见的几种渠道衬砌结构冻胀破坏特征以及机理的基础上确定了两拼式U型渠道在不同方向的力学简图,并结合简图特点构建了力学模型给出了相应的求解方法公式。然后通过探讨混凝土板力学原理和抗裂形式特点给出了冻胀破坏部位、板厚确定方法。研究表明:两拼式U型渠道衬砌结构相对于三拼式U形渠道具有抗冻裂能力强、适应整体变形性能好、恢复力大、分布均匀以及法向冻胀力小等特征,具有更好的适用性与可靠性。     

板缝结构对U形衬砌渠道冻胀响应的原位监测

为探索季冻区防渗衬砌渠道混凝土板缝对冻胀变形的影响,选取宁夏引黄灌区青铜峡市沙湖村高标准农田建设项目区混凝土衬砌渠道作为试验点,在同一条渠道相近渠段上对传统多拼式U形混凝土衬砌渠道的板缝结构和经过加固处理消除板缝影响的无板缝结构进行原位监测试验,并分析处理一个完整冻融周期内两种结构的冻胀量、法向冻胀力的监测数据。结果表明:在土壤温度和土壤含水率相近情况下,消除板缝影响的无板缝U形混凝土衬砌结构冻胀量均小于传统多拼式U形混凝土衬砌结构的,且前者的法向冻胀力分布更均匀。     

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.     

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。     

大U形混凝土渠道冻胀试验

本文提出了大U形混凝土渠道的冻结、冻胀特征及其预测方法。并指出,当冻结前土基含水量不大于15.07％时,土基不冻胀;不大于17.28％时,法向冻胀力为零。从对法向冻胀力的产生、发展和影响因素的研究中,得出了大U形渠道的法向冻胀力设计使用值和计算图式,另对不同衬砌形式的抗冻害效果进行了比较。     

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。     

弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

针对宁夏引黄灌区混凝土衬砌结构冻胀破坏严重现状,以渠基土为典型湿陷性黄土的弧底梯形砼衬砌渠道为研究对象,建立考虑法向冻结力分布的弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型,计算最大法向冻结力、最大法向冻胀力和衬砌板内力的表达式,并对衬砌板厚度进行验算。结果表明,渠坡板法向冻结力从渠顶至坡脚位置呈线性增大分布,坡板以受剪应力为主,在自重和法向冻结力共同作用下容易产生冻胀裂缝。渠底板受两端坡板约束,以受轴向压力为主,法向冻结力呈均匀分布。     

旱寒地区U形玻璃钢和混凝土渠道抗冻胀性能的研究

为对比分析不同材料U形渠道对其抗冻胀效果的影响,采用有限元分析软件ADINA以衬砌板为研究对象进行仿真模拟分析。结果表明,玻璃钢渠道阴、阳坡最大冻胀变形比混凝土大27.44%、27.34%,但冻胀变形变化率减小了4.49%~16.19%,冻胀变形均匀;玻璃钢渠道有很强的适应变形能力,使衬砌板的等效应力、法向冻胀力分别减小了43.86%、39.96%,很大程度上减小了渠道的冻胀破坏,值得实践并推广。     

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。     

考虑接触行为的U型渠道冻胀数值模拟

U型衬砌渠道具有良好的整体性和冻胀适应性,但在冬季仍极易因土体冻胀而导致破坏。考虑渠基冻土与衬砌接触面冻结的非线性特性和冻土、混凝土材料的塑性特征,建立能分析渠道基土与衬砌间挤压、脱开及滑移等接触力学行为的渠道冻胀破坏热力耦合数值模型。以宝鸡峡灌区塬下北干渠为原型渠道,按照模型是否考虑接触分别进行冻胀数值模拟,并对模拟结果进行对比分析。结果表明:考虑接触的模型模拟结果与原型实测值更相符,更能合理地解释U型渠道冻胀在渠底与阴坡衔接处冻胀量最小;考虑接触的混凝土塑性应变最大值是不考虑接触时的3.76倍;考虑接触的法向冻胀力和切向冻结力更均匀,最大值均减少1.5~3.0倍,应力集中现象减弱,更能反映混凝土衬砌板与渠基土之间的滑移变形与破坏准则的相互作用。研究结果为U型衬砌渠道冻胀破坏规律提供了分析方法。     

冬季输水梯形渠道冻胀时水力因素对刚性衬砌层内力影响研究

对于冬季输水渠道,在其基土冻胀作用时边坡混凝土板力学模型得到实践工程检验的基础之上,又以实际工程渠道为参数,理论分析了在特定冻胀力作用类型及计算方法的条件下,其渠道坡角、水深和边坡混凝土板厚度的变化对边坡混凝土板内力的影响规律。结果表明:冬季输水渠道边坡板在冬季渠基土冻胀的过程中有沿坡面整体上移的趋势;在渠基土边坡整体稳定的前提条件下,增大渠道坡角、减小渠底宽、提高渠内水位可大大减少渠道冻胀作用时边坡板的内力,降低渠道冻胀破坏的机率;通过增加边坡板的厚度来提高渠道抗冻胀破坏能力是不可取的。该成果为季节冻土区冬季无冰盖输水渠道的抗冻胀破坏设计指出了设计新思路。根据设计流量,设计并调整渠道水力参数,尽可能使渠内水深提高,不仅降低渠道冻胀破坏的机率,还可以减少渠道用地面积和土方工程量。     

透水衬砌在高地下水位渠道改建中的应用

高台县七坝干渠地处严寒地区 ,原渠道为土渠 ,渠道沿线地质条件较差 ,渗漏严重 ,地下水位较高 ,如采取普通的刚性衬砌形式 ,冻胀破坏十分严重。结合渠线地质条件 ,采用混凝土异形砖结合干砌石的透水衬砌形式进行渠道改建 ,达到了防止冻胀、规整渠道、减少渗漏的目的。     

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。     

膨润土防渗毯渠道衬砌防冻胀试验研究

为了解决宁夏灌区渠道衬砌冻胀破坏严重的技术难题,研究了适应冻胀的柔性新材料——膨润土防渗毯衬砌结构在渠道衬砌上的应用,并选取典型渠道铺设防渗毯开展了防冻胀试验研究。对气温、地温、冻深、冻胀量、土壤水分等冻胀指标的观测结果表明:防渗毯没有抵御冻胀的能力,但适应冻胀的能力较强,同时具有自修复功能和自愈合能力,施工简单,不受环境限制。此外,还对采取素土加防渗毯结构应具备的条件和措施进行了探讨。     

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。     

寒冷地区灌区渠道衬砌防冻胀工程技术

寒冷地区大中型灌区渠道衬砌冻胀破坏问题非常普遍,尤其是地下水位较高地区,对渠道自身和灌区运行危害很大.通过对渠道冻胀机理分析,根据多年工程经验,从渠道断面形式、基土层保温、防水和换填等方面,提出了适应和削减冻胀的一系列经济实用的工程技术措施.     

聚氨酯保温板在哈达山输水干渠中的应用研究

哈达山水利枢纽工程干渠采用聚氨酯保温板作为渠道衬砌的防冻材料。由于该干渠地处严寒地区,渠床多为强冻胀土,渠道沿线地下水位高,冻胀问题非常突出。为了确保输水干渠衬砌设计的科学、可行,以及输水干渠的长期安全运行,对此进行了渠道衬砌防冻胀试验。通过对不同厚度的保温板减少冻胀破坏的效果进行研究,可以有效地减少冻胀作用对渠道刚性衬砌材料的破坏,确保衬砌的稳定,保证渠道运行安全。说明采用聚氨酯保温板防冻方法技术可靠,经济合理,可以在水利工程中进一步推广应用。