渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究

为研究渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面抗剪强度及其随主要影响因素的变化规律,采用直剪仪开展了不同含水率、冻结温度、法向应力及冻结时间条件下渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究。结果表明:剪切的初始阶段,接触面存在局部剪应力释放现象,释放量大小受土体含水率、法向应力、冻结时间因素影响,但不受冻结温度的影响;在本试验参数范围内,接触面峰值抗剪强度随着土体含水率、法向应力、冻结时间的增加而增大,随冻结温度的降低而增大;接触面的抗剪强度实质上是冻土中的冰晶与混凝土衬砌接触面之间的胶结力,以及土体与混凝土衬砌接触面之间的黏聚力与摩擦力;峰值抗剪强度大小主要受胶结力影响;黏聚力和摩擦力主要受法向应力、冻结时间的影响。     

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。     

盐渍土和混凝土的衬砌冻结强度直剪试验分析

盐渍土和冻土属于特殊土,为岩土工程相关领域研究的重要内容,针对盐渍化冻土和结构间的相互作用研究较少。为了加强对季冻区与盐碱地渠系破坏问题研究,展开了氯盐和硫酸盐渍土处于不同含盐量以及法向应力状态下和混凝土衬砌冻结接触面相关的直剪试验分析。结果显示冻结接触面产生剪切破坏的具体性状和含盐类型以及含盐量相关,在氯化钠含量逐渐增加情况下,破坏性状由原本脆性破坏向塑性破坏转变,当氯化钠含量达到为2%时属于破坏性状发生改变的转折点,在硫酸钠含量逐渐增加情况下,接触面脆性不会破坏性状;实际上初始冻结强度主要受接触面中冰晶发生胶结作用影响,含盐量如果增大,冻结强度则会降低,同时含盐类型不同对冻结强度产生的影响也会有所不同,氯化钠和硫酸钠相比,在初始冻结强度中的降低作用比较显著,在氯化钠实际含量趋于2%,且硫酸钠实际含量高于4%,接触面会失去初始冻结强度。在含盐量不断增大过程中,内摩擦角从原本不变到逐渐减小,病情黏聚力从开始降低向趋于稳定发展。     

冻融循环条件下土质类型对衬砌与土体接触面力学特征的影响

在北方寒区的输水渠道工程建设中,衬砌混凝土和基土接触面的剪切破坏对衬砌结构安全存在显著影响.文章研究通过室内模拟实验的方式,研究了不同土质类型下渠道混凝土衬砌和基土接触面的力学变化特征,对在寒区输水渠道工程建设具有一定的指导意义,特别是利用砂土换填粉质粘土可以获得更好的地基防冻胀效果.     

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。     

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。     

柔性防水卷材在寒区防渗渠道中的应用研究

目前,渠道衬砌铺设的柔性膜料厚度较小,在温度低于0℃后易变硬、变脆、延伸率差,不能有效地阻隔混凝土板和渠床土之间冻结,因此不能解除渠床冻土层对混凝土衬砌板的冻结约束,起不到防止渠道冻胀破坏的作用。建议在混凝土衬砌板下铺一层改性沥青防水卷材,该卷材厚度不小于3 mm,低温柔性好、弹性延伸率大,在露天环境中的耐用年限为25年。在渠道混凝土板下铺设该卷材后,可使渠道几乎没有渗漏损失,该卷材在-25℃以上的温度条件下不冻结,可有效地解除渠床冻结土层和混凝土板之间的冻结约束,使寒冷地区的衬砌渠道真正起到防渗作用。     

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。     

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。     

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。     

接触面法-切向应力非线性分布的梯形渠道冻胀力学模型

针对开放系统下的寒区梯形渠道,考虑衬砌各点地下水补给条件的横向差异提出非线性分布法向冻胀力的计算方法,通过引入冻土与衬砌接触界面切向相互作用的Winkler假设导出非线性分布切向冻结力的计算方法,进而构建接触面法-切向应力非线性分布的梯形渠道冻胀力学模型。以塔里木灌区某梯形渠道为例,分析了不同地下水埋深w对各截面弯矩的影响规律。结果表明：地下水埋深越浅,则衬砌板截面弯矩分布的不均匀性越强,最大弯矩的量值迅速呈非线性增大,坡板危险截面位置约在距坡脚30%~42%坡板长处,底板危险截面在渠底中部附近,与调查结果相符。同时分析了顶盖板约束下不同接触面切向刚度(k_p)对各截面切向位移及切向冻结力分布的影响规律。结果表明：切向位移及切向冻结力均自坡顶向坡脚处逐渐增大,在坡顶处为零,在坡脚处达到最大值。k_p较小时,截面切向位移及切向冻结力趋于线性分布;随着k_p的增大,两者逐渐偏离线性分布,且k_p越大两者非线性分布越明显。研究结果可为寒区梯形衬砌渠道抗冻设计提供参考。     

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。     

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     

渠道刚性衬砌防冻胀结构选择

渠道刚性衬砌冻胀破坏与基土冻胀的不均匀性、衬砌受到的约束及其抵抗或适应基土冻胀变形的能力等因素有关.选择防冻胀衬砌结构,应从降低基土冻胀的不均匀性、减少衬砌结构的约束条件、提高衬砌结构的强度和适应变位能力等方面考虑.通过对衬砌结构发生冻胀破坏的原因分析,针对渠道不同的水文地质条件和运用情况,提出相应的防冻胀衬砌结构.     

渠道衬砌冻胀破坏性裂缝处理技术

赵口引黄灌区二期工程项目区遭遇三十年一遇极端寒潮,局部已完工渠道衬砌在温度骤降及连续低温作用下,混凝土衬砌板受基土冻胀力及温度应力而产生的拉应力超过混凝土原设计抗拉强度,最终在此拉力的作用下形成冻胀裂缝.根据裂缝成因,通过采取对渠道衬砌原横、纵伸缩缝间距相应调整,且对衬砌板坡脚增设诱导缝从而对冻胀破坏性裂缝进行预防.同时根据已产生冻胀破坏性裂缝的缝宽进行分级,并采用相应技术进行处理.最终,在采用聚氨酯、聚脲材料对冻胀破坏性裂缝进行缺陷处理后,虽对渠道工程局部外观有一定影响,但对混凝土衬砌面板的强度、抗冻性、抗渗性等耐久性能基本无影响;对渠道的糙率基本无影响,不影响渠道输水能力.     

轻骨料混凝土在寒区渠道衬砌中的应用

为研究浮石轻骨料混凝土作为渠道衬砌材料的可行性,采用天然浮石、砂、水泥、水以及工业废料粉煤灰制作浮石轻骨料混凝土渠道衬砌板,与无衬砌渠道及普通混凝土衬砌渠道进行渠床基土温度的比较;同时,利用图像处理软件对比分析普通混凝土截面与浮石轻骨料混凝土截面的形貌特征。结果表明:浮石轻骨料混凝土衬砌可以有效减缓基土与外界的热交换速度,使基土在整个冻结期温度变化缓慢,基土冻结延迟或不发生冻结;在引气剂用量相同的情况下,浮石轻骨料混凝土可见封闭孔的数量在整个截面所占面积比例远大于普通骨料混凝土。     

隧道工程混凝土水化热与冻结壁相互影响研究——以甘肃引洮供水一期工程为例

通过数值模拟与现场实测对比,探寻冻结法隧洞施工中衬砌混凝土水化热温升与冻结壁温度场相互影响的规律。研究结果表明,在初期支护的钢拱架外部木背板及喷混凝土形成的保温层作用下,二次衬砌混凝土浇筑后水化热对冻结壁的影响深度仅有30~100 mm,只有表层冻土温度短时间内升至零度以上,而后迅速降到零度以下;虽然二次衬砌混凝土受到外部冻结壁低温影响,但混凝土内部温度仍能升至28℃以上,混凝土外表面温度在浇筑20 d后降至零度以下,表明混凝土强度增长基本不受影响。数值模拟与现场实测结果基本吻合,相关成果对类似工程研究及设计和施工有一定参考价值。     

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。