考虑太阳辐射的寒区衬砌渠道水-热-力耦合冻胀模型与应用

寒区渠道走向导致的太阳光遮蔽产生了阴阳坡效应,引起了渠道水、热、变形的非对称分布.为探明其对渠道冻胀破坏的影响规律,本文提出了渠道阴影计算方法,采用HOTTEL晴空辐射模型,基于辐射度算法建立了考虑太阳辐射时空变化的渠道热辐射边界方程,并结合冻土水-热-力耦合理论构建了"环境-冻土-工程"相互作用的耦合冻胀模型.基于寒...     

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。     

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。     

石拉渊引河灌区渠道不同衬砌形式下冻胀特征研究

为研究石拉渊灌区渠道衬砌结构与冻胀特征关系,基于热力耦合仿真计算方法 ,探讨衬砌形式以及衬砌结构设计对渠道冻胀特征影响。结果表明,不同衬砌形式下冻胀位移变化具有相似性,渠坡底部衬砌方案中冻胀位移峰值分布以及变化特征最为有利于抗冻胀设计。综合认为衬砌方案应为渠坡底部透水,透固体宽度1 m～3 m。研究结果可为研究渠道衬砌设计比较以及参数优化提供参考。     

渠道冻胀模拟试验及衬砌结构受力分析

本文介绍了渠道冻胀模型的设计、制作和试验方法 ;提出了模型试验结果能较好地反映原型渠道的冻结、冻胀特征和规律、模型与原型的冻深、冻胀量呈线性相关 :Hp=1 .51 Hm-51 .2 1、hp=2 .0 2 hm- 3.59,冻胀强度与冻前含水量的关系式同《冻规》中的计算式吻合一致 ,采用渠道冻胀模型试验研究方法 ,认识解决渠道冻胀有关问题是可行的 ;并根据冻胀量在渠道断面上的分布情况 ,对衬砌形式进行受力分析得出 :小 U形渠、弧底梯形渠和弧形坡脚梯形渠的衬砌形式较优 ,梯形渠或大 U形渠的衬砌形式容易产生冻胀破坏     

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。     

混凝土衬砌渠道冻胀破坏有限元模拟分析

在我国西北地区,混凝土衬砌渠道直接修建在冻土上,冻土的膨胀及沉降与渠道破坏有着密切的关系。混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型受衬砌型式、材料、温度、水分、土质等多方面因素影响。基于前人的研究现状,从理论上分析了土体组分、密度、水分对渠道衬砌冻胀的影响。利用ANSYS有限元软件,建立混凝土渠道数学模型,分析温度场分布、总位移场分布、主应力分布,希望为今后混凝土衬砌防冻胀研究提供帮助。     

基于有限元的混凝土衬砌渠道冻胀性能研究

冻害分析及防治研究是混凝土衬砌渠道设计和运行管理研究的一个重要课题,尤其是在地下水位较高的冬季,受外部日照热辐射以及周期性低高温交叉变化的反复作用下,渠道混凝土衬砌面发生冻胀破坏现象尤为严重。本文在分析了影响混凝土衬砌渠道冻胀特性的土质条件、水分条件等因素后,结合有限元技术,对一大U形混凝土衬砌渠道进行建模仿真,通过数值模拟仿真结果与实际特性相比较,验证了有限元技术在渠道冻胀研究方面的可行性和准确性。     

南水北调中线工程总干渠(河北段)混凝土衬砌防冻胀设计技术

南水北调中线工程总干渠(河北段)混凝土衬砌防冻胀技术研究,发现了适合于浅层季节冻土区的冻结冻胀规律,建立了以工程地点水文地质条件和邻近气象台站气温资料为计算依据的冻深、冻胀量计算经验公式及三种保温层厚度计算方法,依据不同渠道混凝土衬砌结构的防冻胀效果,提出以允许不均匀变位系数和允许法向位移量作为渠道衬砌抗冻胀稳定性的要求条件以及典型衬砌结构的允许不均匀变位系数.在汇总试验研究成果的基础上,通过对中线工程总干渠沿线气候、水文地质、走向、环境等因素的综合分析,并结合已有的两个抗冻规范,提出适合于总干渠(河北段)混凝土衬砌防冻胀设计技术.     

寒区渠道衬砌监测技术应用研究

为削减渠道衬砌下的土体由于冻融引起的冻胀破坏问题,需要研究土体冻胀过程中温度场、冻胀量、应力场的变化过程及数值分布,这就需要一套系统完善的监测技术,对渠道下土体的冻胀过程与结构内力进行定量分析,为寒冷地区渠道提供安全有效的衬砌结构。     

渠道冻胀模拟试验及衬砌结构受力分析

本文介绍了渠道冻胀模型的设计、制作和试验方法，提出了模型试验结果能较好地反映原型渠道的冻结、冻胀特征和规律、模型东深、冻胀量呈线性相关，Ｈｐ＝１．５１Ｈｍ－５１．２５、ｐ＝２．０２ｈｍ－３．５９，冻胀强度与冻前含量的关系式同《冻规》中的计算式吻合一致，采用渠道冻胀模型试验研究方法，认识解决渠道冻胀有关问题是可行的，并冻胀量在渠道断面上的分布情况，对衬砌形式进行受力分析得出：小Ｕ形渠、弧底梯形渠和弧     

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。     

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。     

基于不同厚度苯板结构设计对渠道衬砌的保温试验

辽宁地区的灌区每年冬天渠道都会面临渠基土冻胀问题,而冻胀程度直接决定了渠道衬砌工程的使用年限。本文通过对灌区中苯板保温渠道衬砌结构和对比结构的试验观测,获得了有关灌区渠道衬砌地温、冻深及冻胀量变化情况的相关数据,经过对比分析,得到采用不同厚度的苯板材料衬砌下对渠基土地温、冻深及冻胀量的影响,并通过试验获得了灌区渠道适宜的苯板衬砌厚度,为灌区渠道衬砌工程设计提供了参考依据。     

坡角对U型渠道衬砌冻胀变形的影响

我国北方寒冷地区普遍存在渠道衬砌冻胀破坏现象,对工程的正常运行影响严重。在阅读国内外相关文献的基础上,从渠基土冻胀机理以及受力角度出发,建立了渠道冻胀有限元模型,应用ABAQUS热力耦合单元进行模拟,研究坡角对U型渠道衬砌法向冻胀量、法向冻胀力的影响,并在此基础上分析坡角对U型渠道的结构经济性影响。研究表明:以渠道法向冻胀量最小为目标,对于不区分阴阳坡的渠道来说,适宜的衬砌厚度为6cm,衬砌倾角为18°~22°,此时,混凝土衬砌渠道受力较为均匀,工程造价也相对较小。研究成果对采取抗冻措施,提高工程效益具有一定的现实意义。     

NE45°混凝土衬砌渠道抗冻胀设计特点

结合塔里木河流域工程实例，研究北方寒区工程地下水埋深与混凝土衬砌渠道设计冻深的关系，进行衬砌结构抗冻胀稳定计算，确定相应的抗冻胀措施。计算结果表明，渠道设计冻深随地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而增加，但当相对距离大于2?m后设计冻深增长缓慢；设计冻深与工程区标准冻深值成正比；基础冻胀量随工程区地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而递减；NE45°混凝土衬砌渠道阴坡冻胀量最大。     

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。     

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。     

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。