冰温度膨胀力室内模拟及影响因素试验研究

东北地区冬季气候寒冷,河渠、水库等水工建筑物在冬季由于结冰形成的冰盖会产生作用于水工建筑物上的静冰荷载。随着温度升高,冰盖板产生冰温度膨胀力,会对野外水工建筑物造成破坏。由于野外观测周期长,且多种条件限制野外实地观测,因此,为了研究冰盖的冰温度膨胀力及其相关影响因素,在低温环境模拟实验池内进行了冰温度膨胀力室内模拟试验,并对冰温、冰厚等相关影响因素进行了分析。结果表明:冰温度膨胀力产生于气温升高阶段,且随着温度的升高,冰温度膨胀力呈增大趋势。冰温度膨胀力发展到峰值时,对应冰温为?1.9 ℃,环境温度接近0 ℃,与野外实际观测结果相符。室内试验的最大冰温度膨胀力为118.7 kPa,试验的最大冰厚为10.65 cm,冰温度膨胀力的最大峰值出现在冰盖板的3.5 cm处,表明冰温度膨胀力的作用点在最大冰厚的1/3处,且冰温度膨胀力沿冰厚呈先增大后减小的分布。     

南水北调中线工程渡槽结构冰盖温度膨胀力研究

南水北调中线工程在冰期输水过程中将会出现冰盖温度膨胀力,尤其可能影响渡槽结构的安全。但是冰的力学特性非常复杂,影响因素很多,同时渡槽结构纵向尺度与冰盖厚度相差悬殊,因此采取如下研究思路:首先在室内对小尺度冰试件进行多条件的膨胀力测试,而后建立小尺度试件的有限元仿真数学模型,并根据试验测试结果对数学模型进行调试验证,最后利用校核后的数学模型对渡槽结构的冰盖膨胀力进行分析计算。研究发现:冰温度膨胀力极值随冰厚的增长呈现出近似于线性增长的变化趋势;冰盖厚度不同,温度膨胀力也呈现出不同的变化特征:冰盖厚度越大,温度膨胀力增长速度越快,膨胀力极值越大,到达极值后,膨胀力下降速度越慢;渡槽内,将冰的温度膨胀力作为线载荷考虑时,可达102.21kN/m,这一量级的水平载荷作用,将对渡槽结构的安全性造成威胁。南水北调中线工程冰期输水过程中应采取措施,避免渡槽结构内形成稳定冰盖。     

南阳膨胀土膨胀力特性试验

膨胀土浸水产生膨胀变形,当膨胀变形受到约束时,必然产生较大的膨胀力。已有研究成果表明膨胀力的大小与土体的初始含水量以及干密度密切相关。为进一步了解膨胀土的膨胀力发展规律,根据不同初始含水量和干密度共配制了40个试样,采用恒体积试验法研究了南阳膨胀土的膨胀力特性。试验结果表明了膨胀力的对数与初始含水量以及干密度之间满足线性关系,进而得到了它们之间的关系式,同时依据已有膨胀率与上覆荷载的关系,建立了上覆荷载作用下的膨胀力计算公式。最后,通过预测值和试验结果的对比验证了该关系式能够较好地预测南阳膨胀土的膨胀力,为膨胀土地区的结构稳定分析提供了参考。     

考虑摩擦约束时面板温度应力的有限元分析

本文介绍了用有限元法模拟接触摩擦的方法，并计算分析了堆石体的摩擦约束对面板温度应力的影响。研究分析表明，摩擦约束引起的平均拉应力最大值出现在靠近趾板的中下部，当摩擦角小于坝坡角时，面板内不会产生贯穿的拉应力，摩擦角大于坝坡角时，拉应力分布的数值存在上限，达到上限值之后，板内平均拉应力不再随温度变化而增大。提高坝坡平整度，减小堆石体对面板的约束是避免贯穿裂缝的有效措施。     

寒区冰膨胀力的有限元分析

本文对冰盖进行数值模拟分析,并结合《水工建筑物抗冰冻设计规范》(GB/T 50662—2011)和部分研究成果中总结的经验公式,进行论证数值分析的可行性和准确性。由数值分析结果得知:1 m厚的冰盖在初始温度-20℃、动态温度场每2 h升高10℃、直立墙约束的条件下,边角处分布最大压应力值为0.27167 MPa;并对不同厚度下的应力分布也进行了数值分析,分析结果与规范和经验公式差异较小。事实证明数值分析可作为水工结构劣化分析的有效手段。     

膨胀力影响因素分析研究

在南水北调中线工程沙河南—黄河南渠段勘察过程中,对膨胀性黏土岩进行了大量的膨胀性试验。试验结果显示:膨胀力在空间分布上的随机性较大,局部相同地层相邻地点的膨胀力差异很大、同一地点不同深度的膨胀力差异亦较大。通过主成分回归分析及主要因素检验,在膨胀岩物理指标中,液限是影响膨胀力的最主要因素,含水量与干密度是主要因素,黏粒含量与胶粒含量是次要因素。     

南水北调中线工程膨胀岩一维膨胀力试验研究

用平衡加压法在三联中低压固结仪上进行控制竖向变形的膨胀力试验,并通过改变试样初始含水量、干密度,研究了膨胀力随初始含水量、干密度的变化规律。试验结果表明,膨胀应变略微增加,膨胀力大幅降低;膨胀力与干密度、初始含水量及膨胀应变成指数关系。基于这些试验成果,采用多元回归分析,求得膨胀力的拟合式。     

卢氏膨胀岩膨胀力特性试验研究

通过对卢氏膨胀岩试样开展物理成分、微观结构和膨胀率等试验,研究了岩样泡水后膨胀力的特性及其变化的微观机理。通过X射线衍射试验发现卢氏膨胀岩的矿物成分中黏土含量约占49.1%,其中伊利石、蒙脱石的相对含量近90%,使其表现为较强的亲水性。基于加压膨胀法,设计了4种不同的初始含水率和4种不同干密度,共16组96个试样的膨胀力测试方案,探究了初始含水率和干密度对卢氏膨胀岩膨胀力的影响规律。通过多因素耦合分析方法,采用幂函数拟合初始含水率,指数函数拟合干密度,并给出了双因素膨胀力的拟合公式。通过电镜试验研究了初始含水率对膨胀力影响的微观机理,结果表明:当初始含水率较低时,黏土颗粒遇水膨胀后出现微小裂隙,导致膨胀力急剧增加;随着初始含水率增加,黏土颗粒的粒径由大变小,粗颗粒崩解,细粒含量增加,出现泥化现象,膨胀力缓慢减小。     

考虑温度历程效应的氧化镁微膨胀混凝土仿真分析模型

MgO混凝土的试验成果揭示: 温度对MgO混凝土膨胀特性有重大影响. 混凝土在实际浇筑和养护过程中, 将经历复杂的温度变化过程, 为实现对MgO混凝土结构的仿真分析, 提出 了考虑温度历程效应的MgO微膨胀混凝土仿真分析模型, 并通过简单算例进行了验证说明. 初步分析结果还说明: (1) 常温情况下, 入仓温度对MgO混凝土有效膨胀量的影响不大; (2) MgO引起的膨胀会有效降低内部混凝土的拉应力, 但可能会增大混凝土表面早期的拉应力.     

河流冰塞的形成与壅水计算

我国北方河流,冬季普遍存在着冰情现象,依据成因不同,将河流冰盖分为热力冰盖和动力冰盖2种.河流冰情分为3种类型,第一种形成热力冰盖,第二种形成动力冰盖,即冰塞,第三种流冰花但不封河.冰塞可分为头部段、稳定段和尾部段3部分,其中冰塞稳定段的水流状态近似于管流,基于管流理论,依据黄河万家寨水库实测冰塞资料时形成冰塞稳定段的各种水力要素进行相关分析,推导出水库冰塞的计算方法.从验证计算和合理性检验两方面看,该方法的计算结果比较合理,可用于计算水库冰塞.     

天然淡水冰温度对冰热扩散系数影响的研究

对于天然淡水冰而言,冰温是决定其性质的关键因素。基于对黑龙江红旗泡水库淡水冰现场实测冰温、辐射等数据的分析,利用冰温数据探讨天然淡水冰热扩散系数受冰温度的影响情况。借鉴文献中淡水冰热传导系数、比热和密度等的研究成果,通过建立最优控制模型的方法,从数学角度上说明了水库天然淡水冰温度对热扩散系数的影响：在相对高冰温区域热扩散系数变化显著,随冰温升高明显降低,并趋于水的热扩散系数值;在相对低冰温区域热扩散系数变化缓慢,随冰温降低逐渐趋于稳定。所证明的高温区域热扩散系数的剧烈变化趋势的存在性为天然淡水冰热扩散系数与淡水热扩散系数之间的过渡赋予了较为合理的物理解释。最后,对辨识的天然水库淡水冰热扩散系数的变化做了简单讨论。     

水库冰盖厚度及弧门自开启原因的研究

研究了负温度日数和水库冰盖厚度的关系；计及冰下水的温差密度流，数值模拟了闸区的结冰过程；对原型观测的冰压力结果进行了定性分析，说明了闸前的冰应力与库区冰应力的不同的日变化机制；对冰作用下的弧门小开度自开启原因作了说明并对开启量作了近似估计.     

非饱和膨胀土主动土压力的库仑解析解

分析非饱和膨胀土的强度特性,考虑非饱和膨胀土含水量与强度的关系及相关影响因素,基于平面滑裂面假设,运用库仑理论,推得了计算非饱和膨胀土主动土压力的解析解公式,并用实际算例对公式进行检验。算例分析表明,随着含水量的增加,主动土压力增大,其变化幅度逐渐减小;若不考虑含水量的影响,结果偏于保守;应用本文建立的解析解公式,可直接得出膨胀土的主动土压力及填土滑裂面与水平面的夹角。     

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融是急需研究的问题,对于冬季降雪频繁地区开河预报、冰凌洪水风险分析具有重要的实用价值。基于雪盖和冰盖的热力条件是准稳态假设,建立了冰盖热力增厚和消融速率与雪厚、冰厚、大气传递给雪面的净热通量和水体传递给冰底面净热通量的函数关系,包括：太阳辐射、反射和透射,雪面和大气的长波辐射,雪面蒸发-对流,河床地温等因素。提出了雪面温度和冰盖垂向温度分布的理论公式及冰盖热力增厚和消融发展过程的数值计算模型。最后,以黑龙江漠河段实测的冰情为例,验证了所提冰盖热力增厚和消融数学模型的实用性,并分析了一些重要参数随时间的变化特点。     

基于Winkler模型的冰层承载能力分析

为保障冰上旅游活动的安全,基于Winkler模型分析了冰层承载能力。首先对冰层承载力的来源进行了假定,依据冰层受力特点将冰层假定为弹性地基上的薄板,运用Winkler平衡方程对不同荷载作用形式下冰层承载能力进行求解,分别计算各种工况下板底的最大挠度和弯拉应力。在此基础上引入冰温度-弯拉强度关系和安全系数,绘制不同工况条件下冰层承载能力图并与加拿大经验公式进行对比分析。最后根据计算结果,在冰层发育的不同时期进行承载力试验,分别验证了人群、雪地摩托以及轻型卡车荷载作用下冰层的安全厚度。     

直接接触式冰蓄冷系统双相变过程理论研究

基于一个考虑其晃动后结冰汽泡的物理模型分析了在连续相中结冰汽泡的生长及传热问题，推导了直接接触式冰蓄冷系统蓄冷罐内的容积换热系数，由此得到了一些重要的结论。     

膨胀土挡墙侧向膨胀压力研究

通过大型模型试验,研究了深层浸水条件下膨胀土挡墙侧向膨胀压力的变化规律.结果表明,随着浸水时间的增加,挡墙侧向膨胀压力逐渐增长到最大值,尔后,若挡墙为不能移动时,压力稳定在最大值附近,但若挡墙是可移动的,则压力逐渐减小至稳定值.挡墙可动与不能移动的最大侧向膨胀压力之比约为0.45,挡墙可动时的最大侧向膨胀压力与稳定侧向膨胀压力之比约为1.3～1.5.综合考虑了膨胀力与含水率、含水率变化与深度、膨胀率与上覆压力、膨胀力与膨胀率的关系,提出了侧向膨胀压力计算方法,分析了侧向膨胀压力的垂向分布模式和影响因素,计算结果与模型试验结果较吻合,此外,还推导了侧向膨胀压力的合力及其作用点位置.     

黄河宁蒙河段冰期洪水波运动过程中的变形分析

河道中冰盖的存在会影响到洪水波的演进变形。以黄河宁蒙河段为研究对象,将马斯京根法尝试应用于冰期洪水计算,分析了马斯京根法参数与糙率的关系,比较了冰盖冻结增厚和融化减薄过程对洪水波变形的影响差异。研究结果表明,将马斯京根法应用于冰期洪水计算是可行的;断面的糙率越大,洪水波传播时间越久,变形越大;冰盖冻结增厚过程中,洪水波的变形存在先增加再减少而后又增加的现象;冰盖融化减薄过程中,洪水波随冰厚的减薄而变形增大。相同冰厚下,两种过程的变形程度存在交点。交点之前的冰厚范围,冰盖融化减薄时的洪水波变形更大;交点之后的冰厚范围,冰盖冻结增厚时的洪水波变形更大。     

基于布拉格光纤光栅的静冰压力传感研究

针对现有电传感器在高寒地区测量静冰压力存在的问题,提出了一种基于布拉格光纤光栅的静冰压力传感测量系统,可实现对静冰压力的定点在线测量。通过测得冰层内部静冰压力和温度同时变化过程中的光纤光栅布拉格波长,经过温度补偿消除了静冰压力测量过程中温度的影响,利用压力与布拉格光栅中心波长的关系得到静冰压力的测量值。同时,利用混沌光源良好的互相关性,通过相关峰的位置,实现了对静冰压力的定点测量。本实验对-10℃~-5℃温度范围内,实验室条件下的模拟静冰压力进行了测量,对系统进行了温度补偿,温度补偿曲线线性拟合度为99.56%,有效地消除了交叉敏感,可满足实际工程应用中静冰压力的测量要求。