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。     

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。     

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。     

考虑冰盖生消和冰-结构-冻土协同作用的渠道弹性地基梁模型

冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因,而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发,考虑在冰-结构-冻土协同作用下,基于弹性地基梁Winkler理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程,分别建立了3个阶段衬砌结构的冰冻破坏力学模型,并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算,结果表明:结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为10.62、13.89和5.05 cm,对应3个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为3.63、 4.11和2.05 MPa,且破坏位置均在冻结区坡板的中下部,与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此,建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间,延长第3阶段稳定封冻期时间,同时应合理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。     

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。     

寒区河湖与灌排渠道模袋混凝土护岸冻胀破坏机理

我国北方寒区河湖与灌排渠道护岸冻胀破坏普遍严重。卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸因施工方便获得广泛应用。但目前针对这种复合衬砌结构的冻胀破坏机理尚不明确,难于规范化设计。本文基于冻土水热力三场耦合理论,考虑衬砌与基土的界面相互作用建立了河渠护岸衬砌冻胀数值分析模型。以宁夏西干渠工程为例,对卵砾石护底的模袋混凝土、卵砾石护底的普通混凝土以及全断面混凝土三种典型衬砌形式的弧脚梯形渠道进行冻胀破坏分析和对比研究。结果表明,卵砾石护底的排水作用可使边坡基土冻前体积含水率和冻后体积含冰率分别减少约27.8%和30%;模袋及卵砾石护底削减了冻结约束和底板约束,使坡板拉应力减少20%～70%,冻胀量削减约30%,不均匀冻胀量减少约50%;模袋混凝土护岸冻胀破坏表现出混凝土开裂、模袋达到比例极限、模袋达到极限强度的三个阶段,在混凝土开裂后模袋仍具备较强的承拉能力使护岸衬砌仍能承受冻胀发展并防止滑塌失稳破坏,当以模袋拉应力达到比例极限为失效准则时,抗冻胀能力提高约47.1%,负温抵抗能力提高约30%。此项研究可为我国北方寒区浅埋地下水河渠护岸采用卵砾石护底模袋混凝土衬砌提供设计手段与合理依据。     

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。     

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。     

高寒区输水渠道渠基蓄热增温防冻胀技术原型试验

冬季输水渠道衬砌板在基土冻胀和冰压力双重作用下,在行水位及其上部易发生开裂、折断等破坏,目前还未有利用太阳能或风能等绿色能源进行渠基主动、低碳增温的防冻胀技术。为此,研发了由抛物面聚光槽、集热管、太阳追踪器、散热通道、碎石槽蓄热体与散热空气循环风机组成的渠基风光能蓄热增温系统,其散热通道采用紧贴渠坡衬砌布置和碎石槽底部布置两种形式。通过北疆某渠道工程的现场安装与温度监测,分析了该技术的增温效果与适用性。结果表明:渠基风光能蓄热增温系统可有效提升土温,削减冻深,具有良好的工程防冻胀应用效果,可为寒区渠道冬季输水以及渠道升级改造提供技术支撑。