Pasternak冻土地基梯形渠道冻胀变形与内力计算

为克服现有Winkler模型未考虑渠基冻土连续性的不足,引入Pasternak剪切层描述独立土弹簧间的相互作用,进而提出Pasternak冻土地基上梯形渠道冻胀力学分析方法。对基土均匀冻胀且无顶盖板约束的梯形渠道导出接触面法向应力、衬砌板冻胀位移及截面内力分布的解析式。以甘肃省某梯形渠道为例,应用本文模型和Winkler模型计算各衬砌板冻胀位移分布及接触面法向应力分布,并结合观测值进行了对比。结果表明：本文模型计算结果与观测值符合良好,且相比Winkler模型计算结果更接近观测值,能更加准确地反映衬砌冻胀位移分布规律,表明模型合理性。该模型能较好地体现法向冻胀力随衬砌冻胀变形的释放与衰减;法向冻胀力作用于坡板中下部且呈非线性、差异分布;中上部有脱开、翘起趋势而受法向冻结力作用;底板则只受法向冻胀力作用。研究结果可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。     

弧底梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型及其求解

针对弧底梯形断面渠道,考虑复合土工膜和渠基土壤的摩擦力,通过分析复合衬砌渠道的冻胀破坏机理,指出弧底梯形复合衬砌渠道坡板可简化为在冻胀力、冻结力、摩擦力共同作用下的悬臂梁,整个衬砌体属于压弯组合变形结构。通过适当的假设和简化,建立了弧底梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型,分别求出渠道坡板和弧形底板内力表达式,并对衬砌板的厚度进行验算。对比混凝土渠道,加入复合土工膜后,衬砌体产生允许范围内的冻胀位移量,使渠基土壤对衬砌体的有效冻胀力和有效冻结力减小,改善了衬砌体本身的受力状态,起到防冻胀破坏的作用,揭示了复合衬砌渠道防冻胀破坏的机理;对比梯形渠道,认为弧底梯形渠道坡板与底板整体结构性更强,反拱作用明显,更有利于渠道的防冻胀破坏。     

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。     

汾河灌区现浇混凝土渠道衬砌冻胀试验研究

冻胀破坏是渠道工程建设和管理的重要制约因素,对弧形坡角梯形现浇混凝土渠道冻胀过程进行原型观测试验,通过统计试验场气温、渠基土含水率和渠道观测点位移量,分析渠床冻深、刚性衬砌层变形及受力变化原因,初步探究了渠道衬砌层冻胀破坏变形的产生机理并提出了相应的建议。     

季节性冻土区玻璃钢防渗渠道抗冻胀性能初探

为了研究玻璃钢防渗技术在北方季节性冻土区的有效性,采用有限元分析软件ADINA对玻璃钢材料防渗渠道的温度场、变形场及应力场进行仿真分析,同时研究了衬砌板的冻胀变形及冻胀力分布规律.结果表明:与普通混凝土衬砌相比,玻璃钢衬砌材料不仅能使衬砌板的冻胀变位值及冻胀力更加均匀,而且通过释放变形,可使其法向冻胀力减小51%~74%,切向冻胀力减小34%～46%,玻璃钢材料优于混凝土.     

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。     

大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究

旱寒区渠道工程上预先在衬砌板易产生裂缝处顺其自然设置纵缝,以防止冻胀破坏。为探明这种纵缝设置的防冻胀机理及其最佳布设形式,基于冻土水-热-力三场耦合理论,考虑纵缝填充的接触本构及衬砌-冻土相互作用,建立了旱寒区常用的大型窄深式弧底梯形渠道冻胀仿真分析模型,以衬砌板上下表面沿周长正应力分布均匀度为一级指标,以其截面正应力满足强度要求为二级指标,对纵缝设置位置、宽度、个数及其组合削减渠道冻胀效果进行了研究。结果表明:弧底衬砌板属于薄拱结构,渠坡板为梁结构,纵缝为可移动弹性铰;纵缝位置及宽度的变化不断调整拱-梁结构的刚度及弹性铰的约束刚度,以适应基土冻胀变形,使衬砌板表面应力均匀化,从而削减冻胀;但纵缝过宽会过度削弱弧底拱效应,使弧底中心和坡板上表面及坡脚下表面拉应力过大,易导致冻胀破坏;单独设缝时坡脚位置设缝防冻胀效果最好,而组合设缝削减冻胀效果更优,尤其是坡脚与坡板组合设缝。以新疆某供水渠道为例,采用坡脚与坡板1/4、3/4处组合设缝,缝宽取1 cm,可满足两级指标,削减冻胀效果最优,可为旱寒区大型渠道防冻胀合理布设纵缝(适缝)提供科学依据。     

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。     

梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型探讨

通过对梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏特征的分析及总结前人的相关研究成果,提出合理的简化和假设,并在此基础上建立了一种梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型。通过该模型可计算渠道坡板和底板的各控制内力及应力,并估计可能发生胀裂的位置,提出了对渠坡衬砌板所受法向冻结力的计算方法。     

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。     

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。     

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。     

衬砌渠道冻融过程温度场数值模拟

为了掌握在冻融过程中衬砌渠道温度场的分布及变化规律,以已有实验资料为基础,根据冻土物理学及热力学理论,利用通用有限元软件对温度变化过程进行数值模拟,对不同渠道衬砌形式在一个冻融循环周期中温度场变化进行分析研究,结果表明,有限元数值模拟可以为渠道冻融过程温度变化提供科学依据。     

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.     

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。     

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。     

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。