考虑水分迁移及相变对温度场影响的渠道冻胀模型

冬季渠基冻土中水分迁移及相变产生的巨大潜热对温度场影响显著,由此,该文建立了考虑水分迁移与相变潜热的渠基土体冻胀模型。模型将冻土视为低温膨胀性材料,将相变潜热作为材料的等效热容加入热传导方程中;根据Clapeyron方程和达西定律建立饱和冻土冻结锋面处水分迁移表达式,并以迁移水相变潜热作为热传导方程热源项;采用COMSOL对模型算例求解,与不考虑相变和水分迁移的模型比较发现：相变作用对渠道温度场和变形场影响较大,考虑相变后,冻深推进缓慢,且冻深减小,衬砌板变形整体减小,较不考虑相变的模拟结果更接近实际情况,验证了本模型的合理性,为寒区工程冻胀设计提供参考。     

不同地下水位下渠基冻胀规律与保温板适宜厚度确定

为探明河套灌区不同地下水位条件下渠基冻胀的差异,了解地下水位变化对渠基土壤水分迁移和力学性能的影响,该文通过建立不同地下水位冻胀试验平台并结合原型渠道,分析了不同地下水位对铺设不同厚度聚苯板的基土冻胀的影响,阐述了冻胀率和截面弯矩沿渠坡的分布规律,提出了不同地下水位下聚苯板适宜铺设厚度的理论计算公式。试验得出,每降低1 cm地下水位,基土冻胀量减小0.15 cm。当地下水位降低0.5~1.0 m后,削减冻胀率为71%~83.8%。地下水位下降有效阻止或延缓了土壤毛细水的上升,降低了0~30 cm土层的土壤水分,有效阻止了冻结锋面水分的迁移,减小了土体中冰夹层的形成,从而降低了土体的冻胀变形。并且,渠道的冻胀破坏部位随着地下水位的不同而发生变化。该研究可为北方季节性冻土区骨干渠道保温防冻胀技术研究提供科学依据和技术支撑。     

基于昼夜温度变化的混凝土衬砌渠道冻胀有限元分析

为了掌握衬砌渠道冻胀量及冻胀力随昼夜气温变化的发展规律及冻胀破坏极限状态,根据冻土力学及冻土物理学理论,利用有限元软件ANSYS按瞬态温变模式加载温度,对衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟,研究了其温度场和冻胀变形及法向冻胀力与切向冻胀力随时间的变化规律。结果表明：渠道冻融破坏除因渠基土冻胀外,阴阳两坡的温度、冻胀变形、冻胀力既不均匀不对称变化又不同步,也是渠道冻胀破坏的重要原因;阳坡滞后阴坡约15 d冻结,最大冻胀量及最大冻胀力滞后日平均最低气温约4 d,日内最大冻胀量及最大冻胀力滞后日最低气温约1 h;模拟结果与野外观测资料基本吻合,但比稳态数值模拟结果偏大,表明了运用瞬态数值模拟进行渠道抗冻胀设计的正确性和合理性。     

灌淤冻土复合衬砌渠道保温防冻胀效果分析

为解决河套灌区渠道混凝土衬砌冻胀破坏问题，该研究提出由聚氨酯和聚苯乙烯2种材料组成的复合衬砌结构，建立渠道基土水热力耦合数值模型，通过现场试验和数值模拟方法分析不同衬砌结构下基土地温、含水率、冻胀量及等效应力变化。结果表明：与无保温衬砌结构相比，阴坡聚苯乙烯复合衬砌结构和聚氨酯复合衬砌结构下基土最低地温分别提高67.1%和64.7%，最大迁移含水率分别减少8%和9%，最大冻胀量分别减少80%和81%，基土内等效应力明显减小。这2种复合衬砌结构具有保温效果好、冻胀变形小等优点，可作为寒区渠道保温防冻胀衬砌结构的选择。同时数值模型计算结果与试验值基本吻合，说明此数值模型可合理地描述渠道基土冻结过程中地温和冻胀量变化。研究可为寒区渠道防冻胀衬砌结构设计提供理论依据和参考。     

开放系统预制混凝土梯形渠道冻胀破坏力学模型及验证

预制混凝土衬砌渠道在中国北方寒冷地区得到普遍应用,而其在高地下水位条件下的冻胀力学分析尚无简捷、可靠的方法。该文假定渠道基土服从Winkler假设,从而在特定地区相似的土质、气候条件下衬砌板各点的基土冻胀强度仅与相应点的水分补给强度有关,结合冻胀力、基土冻胀率和地下水埋深三者相互间的函数关系,提出了一种计算渠道衬砌冻胀受力分布的方法。将其应用到一类预制板尺寸适中的预制混凝土衬砌梯形渠道中,建立了冻胀破坏力学模型。结合力学分析和工程实践,对预制混凝土衬砌结构可能发生的冻胀破坏形式和原因进行了分类,并确定了相应的冻胀破坏验算控制截面,提出了相应的冻胀破坏判断准则。采用单位荷载法提出了一种对板间接缝处法向冻胀位移进行直接验算的方法。最后,结合工程实例进行了计算,结果表明,模型合理可靠,可为工程设计提供一定的参考和理论依据。     

考虑冻土双向冻胀与衬砌板冻缩的大型渠道冻胀力学模型

由于大型渠道断面大、渠坡长,渠基冻土沿坡长方向的切向冻胀及衬砌板的冻缩变形不可忽略,该文把大型渠道衬砌板的冻胀破坏视为两者共同作用的结果,结合冻土的Winkler弹性地基假设,并考虑冻土冻胀变形的双向冻胀差异,提出一种开放系统梯形渠道衬砌板法向和切向冻胀力的计算方法及内力计算公式。基于弹性地基理论推导了衬砌板的冻缩应力表达式,并由迭加原理提出大型混凝土梯形渠道衬砌板的抗裂验算方法。以甘肃靖会灌区某梯形渠道为原型,分析了衬砌板各截面内力和冻缩应力的分布规律,进而确定了各截面最大拉应力的分布规律及危险截面位置。对综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩及仅考虑法向冻胀的2种情形进行对比分析表明,基于前者的衬砌板最大拉应力为2.134 MPa,而基于后者计算的相应值仅为1.494 MPa,与前者相比偏小、偏不安全。因此,在大型渠道的抗冻胀设计中建议综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩变形的影响。     

考虑基土不均匀冻胀的梯形渠道混凝土衬砌弹性地基梁力学模型

为了探究寒区高地下水位引起渠道基土不均匀冻胀对梯形渠道混凝土衬砌冻胀的影响作用，该研究在前期提出的弹性地基梁模型基础上，将基土不均匀冻胀对边坡衬砌板的作用等效为作用在衬砌板上的荷载，给出在边坡衬砌板在基土发生不均匀冻胀的情况下其冻胀量，冻胀反力，弯矩和剪力的计算方法。以甘肃省高液限土壤，地下水位5 m地区的边坡系数为1的渠道为例，探究不同边坡衬砌板长度和不均匀冻胀基土之间的相互作用。结果表明，边坡衬砌板长度每增加1 m，冻胀反力最大值增大142%，弯矩最大值平均增大223%。同时，弯矩最大值点会从原来的距坡脚1/3左右处向坡脚偏移。因此，在寒区的高水位地区进行渠道设计的过程中，建议尽可能设计为宽浅式横断面，以减少由地下水引起的基土不均匀冻胀对渠道衬砌板的影响。同时，以边坡衬砌板长度为4 m为例，探究了基土均匀冻胀和不均匀冻胀对边坡衬砌板影响的差异，得出基土不均匀冻胀的冻胀反力最大值和弯矩最大值，分别比基土均匀冻胀大264%和170%。因此，在寒区高水位地区进行渠道抗冻胀衬砌设计时，宜按基土非均匀冻胀弹性地基梁模型计算。     

土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系

土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土体温度场变化引起内部液态水相变,打破了原有的能量平衡,试验结束后12~14 cm土样高处含水率最高达到55%,靠近冻融交界面处(10 cm)的未冻区含水率减小至25.8%,水分整体向冷端发生迁移;土体冻胀的快慢及冻胀量大小与水分迁移速率及数量具有线性关系;试验后土体内总含水率的分布与分凝冰透镜体的分布一致,已冻区液态含水率的分布与温度梯度近似成线性关系,未冻区液态含水率的分布与水分的迁移量有关,与温度梯度无关。此外,温度场对水分场的变化具有诱导作用但二者并不同步,当冻结速率减小到一定程度时水分才开始迁移,第10小时后温度场趋于稳定而水分迁移并未停止。研究成果揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系,为冻胀机制的研究以及冻胀模型的建立提供了试验基础。     

冻胀反力系数在渠道衬砌冻胀弹性地基梁模型中的应用

为了探究渠道基土在冻胀过程中的非线性变形特性对渠道衬砌冻胀的影响,基于冻土三轴试验结果,建立考虑围压和温度的邓肯-张本构模型,参考室内三轴试验测定基床系数方法,应用数值模拟法建立冻胀反力系数随被约束冻胀量变化的计算式,并基于有限差分法离散弹性地基梁平衡微分方程。模型考虑衬砌不同点因被约束冻胀量不同引起冻胀反力系数不同的取值问题,克服以往模型中冻胀反力系数取常量的不足。应用解析解验证模型的合理性,探究冻胀反力系数分别为变量与常量时在梯形渠道衬砌冻胀力学响应计算结果上的差异。结果表明,对于边坡和渠底衬砌板,常量冻胀反力系数计算出的最大冻胀反力是变量的1.43倍,计算出的弯矩最大值平均是变量的1.12倍。因此在采用弹性地基梁理论分析渠道衬砌冻胀问题时,若冻胀反力系数采用常量,不考虑冻土的非线性变形,会使得计算结果偏大。研究结果可为大型梯形渠道衬砌抗冻胀设计提供参考。     

梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究

通过对梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理的分析，指出了渠坡衬砌板的计算简图为在法向冻结力、切向冻结力、法向冻胀力及衬砌板约束力作用下的两端简支梁；渠底衬砌板和两衬砌板都属压弯组合变形构件。提出了梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型，并解出了渠坡衬砌板、渠底衬砌板控制内力及最大拉应力计算公式，结合砼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。指出了衬砌板上除重力以外的各种冻结力、冻胀力及相互约束力的大小及方向都是相互依存，最终都可以表达为最大切向冻结力的函数，而最大冻结力则是反映土质、负温及水分状况的综合指标，只要根据经验或实验确定了最大冻结力，力学模型就可求解。工程计算表明该模型是安全合理、简单实用的。     

考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析

地下水的补给与迁移是高地下水位渠道的冻胀破坏的主要影响因素。该文提出了一种考虑地下水位影响的梯形渠道衬砌冻胀力分布计算方法,推导出地下水位影响的渠道基土冻胀强度和冻结深度分布的计算公式,并得到现浇混凝土衬砌的截面最大弯矩和最易破坏截面位置的解析表达式。从整体与局部2个方面定量分析梯形渠道衬砌冻胀力分布的不均匀性,为渠道的抗冻性能评价和断面优化提供了定量指标,结果表明:渠深越浅,坡板倾角越小,冻胀力分布越均匀,越不易发生破坏,揭示了宽浅式梯形渠道抗冻性能良好的原因。以塔里木灌区某梯形渠道为原型,对不同地下水埋深的渠道冻胀特征和受力进行了分析,并与观测资料进行了对比,其中基土冻深的计算值与观测值之间的最大相对误差为3.5%,估算最大弯矩所在截面的位置为距离坡顶63.9%坡板长处,与灌区实地调查结果基本相符,表明了方法的实用性和合理性。最后,对高地下水位梯形渠道的冻害机理进行了分析,该研究可为高地下水位现浇混凝土梯形渠道衬砌的抗冻设计和相关研究提供参考。     

混凝土防渗渠道冬季输水运行中冻胀与抗冻胀力验算

为了明确渠道冬季输水时防渗衬砌层结构的抵抗渠床基土冻胀破坏作用的能力,该文理论分析了大气负温下,介入刚性防渗面层对渠基土冻胀的约束,得到作用于坡板上冻胀力的作用形式为法向冻胀力和指向坡顶的切向冻胀力,对被视为底端简支、板内无接缝、受冻胀作用的构件受力进行理论分析,得到冬季输水渠道边坡板的冻胀问题属于非垂直非全周的冻拔问题的结果,并进一步根据力学基本原理研究了刚性面层(衬砌层)承受荷载力的求解方法。依据桩的抗冻拔验算和拉弯构件的强度验算可实现冬季输水渠道抗冻胀力的计算,建立了适用于防渗渠道刚性衬砌结构设计的方法,为冬季输水梯形混凝土防渗抗冻胀渠道衬砌层厚度的准确确定提供了计算方法。     

基于数值模拟的双层薄膜防渗衬砌渠道抗冻胀机理探讨

在渠道衬砌板下铺设双层塑料薄膜,使混凝土衬砌板与冻土层之间可滑移、不产生冻结约束,从而达到防治渠道衬砌冻胀破坏的目的,即为双层薄膜防渗衬砌渠道。为了探明其抗冻胀机理及削减冻胀效果,应用ADINA软件对双层薄膜防渗衬砌渠道冻胀进行数值模拟,研究衬砌板应力和变形规律。对比普通渠道,双层薄膜防渗衬砌渠道抗冻胀效果非常显著,自身受力状态得到显著改善,且冻胀变形、冻胀力分布更加均匀;其阴坡、渠底、阳坡切向冻结力极值及均方差降低幅度均大于法向冻胀力降低幅度,揭示了该种渠道通过削弱冻结约束来改善衬砌板冻胀受力及使冻胀量分布均匀的抗冻胀机理。对比梯形断面和弧底梯形,可知双层薄膜防渗衬砌渠道适用断面为弧底梯形,在实际工程中应对弧底板和渠坡板之间的伸缩缝加强管理,或采用整体现浇式结构,以防止渠坡板滑动失稳。这些工作为双层薄膜防渗衬砌渠道的深入研究和推广应用提供了参考。     

基于部分保温法的渠道保温板厚度计算与数值模拟

保温板是北方渠道常用的保温材料,其铺设厚度一般通过经验或全部保温法的热工计算确定,工程造价较高。该文以聚苯乙烯泡沫板为例提出了部分保温法,分析了其合理性和适用条件之后,基于热阻等效原理给出了其计算方法,同时选取新疆车排子西干渠进行部分保温法保温板厚度设计,并与全保温法计算量进行比较。结果表明：部分保温法比全保温法降低了19%的工程造价。最后利用ANSYS有限元程序对原渠道和部分保温渠道进行热力耦合数值模拟。数值分析表明：部分保温渠道的最大冻胀量为1.35 cm小于设计允许值2 cm,满足抗冻胀要求,部分保温法是可行的;其冻胀量、冻胀力不但分布更加均匀,且被大幅削减,其中阴坡被削减达80%以上。     

U形混凝土衬砌结构冻胀性能离心模型试验研究

为了控制季冻区渠道混凝土衬砌结构的冻胀破坏程度,基于小型U形渠道混凝土衬砌结构的冻胀破坏特征及抗冻胀性能,通过取消衬砌结构的刚性接缝形成整体式大跨度U形混凝土衬砌结构,并利用冻胀离心模型试验研究该衬砌结构的冻胀效应。试验表明,土温在冻结前期降幅较大,渠坡两侧土体降温快于渠底。整体式大跨度衬砌结构呈偏心受力状态,坡板上部上表面受拉,底板上表面受压。变形性能良好,在持续负温作用下没有发生明显的破坏,冻胀变形从坡板变形开始,随着渠道底部土体温度的下降,引发结构整体变形,底板大幅抬起。结构以向上抬升为主,同时沿法向向衬砌结构中心收缩。底板和坡板的抬升最大分别可达16、4 mm。渠坡向内回缩约5 mm。整体式大跨度U型混凝土衬砌结构抗冻胀性能良好,能在一定程度上减轻衬砌结构的冻胀破坏。     

梯形渠道衬砌冻胀破坏弹性地基板模型

为探讨开放系统中梯形混凝土衬砌渠道的冻胀问题,根据衬砌板与冻土地基的相互关系,采用 Winkler弹性地基板理论建立了考虑冻胀力和冻结力作用的衬砌板冻胀破坏力学模型,使用解析法得到了衬砌板变形和内力解,对不同地下水埋深、衬砌板几何参数的影响规律进行了分析。通过与已有现场观测值和计算值进行对比,验证了弹性地基板理论计算结果的正确性。研究结果表明：坡板在非均匀分布的冻胀力作用下,挠度、弯矩和剪力也表现为非均匀分布,挠度最大值在坡顶距坡脚2/3处,弯矩最大值靠近底板位置,拉应力分布与内力分布规律一致,与已有研究结果吻合。与梁理论相比,板理论计算结果表明衬砌板的挠度和内力沿板宽方向为非均匀分布,挠度和弯矩在自由边界（纵向伸缩缝）处增大,扭矩主要分布在衬砌板的拐角处。切向冻结力对渠道冻胀影响较小,在原渠道工况下,不考虑切向冻结力与考虑最大切向冻结力之间,最大挠度相差0.7 mm。针对不同地下水位的渠道,给出了衬砌板的安全厚度,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。     

基于TCR传热原理的混凝土复合保温衬砌渠道防冻胀效果研究

中国北方寒冷地区广泛采用保温措施进行渠道防冻胀,在苯板保温防冻胀设计中铺设厚度一般根据半理论半经验确定,并没有考虑衬砌板与保温板接触热阻及交错布置对保温性能与削减冻胀的影响。该文依据固体材料接触热阻(thermal contact resistance,TCR)原理与压力相关的传热本构模型,提出了混凝土复合保温衬砌新型式。通过ABAQUS有限元软件采用热力耦合模拟将其与普通型式的苯板保温渠道进行比较。结果表明:与普通保温衬砌渠道相比,外界负温时,复合保温衬砌的保温及消减冻胀力效果显著。理论上复合保温衬砌冻胀量消减40%以上,法向冻胀力减少66%,切向冻结力减小58%。对寒区衬砌渠道保温防冻胀设计提供了相应的理论参考。