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。     

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。     

基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型

冻胀破坏是寒区渠道衬砌破坏的主要方式,建立合理的冻胀力学模型是渠道衬砌抗冻胀设计的基础。该文基于Winkler假定,将渠道基土的冻胀效应等效为一组相互独立且垂直或平行于衬砌板的弹簧。冻胀量通过弹簧的伸长量体现,冻胀力通过弹簧被压缩产生的反力体现。结合梯形渠道冻胀时衬砌板的受力特点,应用SL23-2006《渠系工程抗冻胀设计规范》冻胀量的计算成果,建立基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型,其合理性通过与甘肃省靖会总干渠梯形渠道的前人试验和数值模拟结果进行比较验证。结果表明,该文模型计算的冻胀量和冻胀反力的分布规律与前人的试验和数值模拟基本吻合;计算的冻胀量和试验结果整体相对平均误差为4.72%,计算结果合理。该文模型与现行规范推荐的冻胀量计算成果有机衔接,可为寒区渠道抗冻胀设计提供参考。     

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。     

基于弹性薄层接触模型研究衬砌渠道双膜防冻胀布设

渠道衬砌下双膜防渗层可解除渠基土冻结力,释放衬砌结构位移以适应不均匀冻胀,但会影响衬砌结构的刚度与稳定性。为研究最佳双膜防渗层布设形式及其适应性,考虑双膜防渗层接触本构及衬砌结构与渠基土的相互作用,依据基土水热力三场耦合理论建立了寒区衬砌渠道的冻胀模型,通过数值模拟仿真分析了不同断面及不同双膜防渗层布设形式的弧底梯形渠道衬砌的冻胀受力与变位。结果表明:宽浅断面渠道采用双膜衬砌结构时,膜间摩擦力过小造成刚度和稳定性严重降低以及衬砌拉应力增加。适当的膜间摩擦力可以解除部分冻结约束,调整局部不均匀冻胀,而且发挥弧底反拱作用不产生拉应力。采用PE膜与无纺布作为层间接触的双膜衬砌结构,冻胀位移方差减小25%,同时整体位移增加不超过0.2 cm,削减冻胀应力50%以上。在不显著降低结构整体稳定性前提下,其整体刚度和结构强度提高程度最大,故同时适用于窄深渠道和宽浅渠道。研究为寒区衬砌渠道中双膜防渗层的合理布设提供科学依据。     

刚性衬砌渠道不同纵缝削减冻胀效果的数值模拟

为了探明刚性衬砌渠道设置不同纵缝削减冻胀的机理及量化影响规律,提出削减冻胀的有效工程措施,该文利用有限元软件ADINA对坡脚处、1/3坡高处、宽底板的中心处分别设纵缝和不设纵缝的刚性衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟,分析了温度场、变形场及应力场,特别研究了衬砌板的冻胀变形及其法向和切向冻胀力分布规律。通过对比分析表明：合理设置纵缝不仅能降低最大冻胀量61%,最大法向冻胀力45%,最大切向冻胀力32%,而且可使冻胀分布更加均匀,显著削减刚性衬砌渠道的冻胀破坏;削减冻胀的显著性依次是1/3坡高处设纵缝、坡脚处设纵缝、不设纵缝;但针对坡板较短、底板较宽情况在坡脚及底板中心处都设纵缝效果最好,降低最大冻胀量67%,最大法向冻胀力59%,最大切向冻胀力45%;数值模拟结果与工程实践基本一致。研究结果表明渠道冻胀的有限元数值模拟能够为季节冻土区渠道工程设计及力学计算提供参考和科学依据。     

联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析

为克服现有冬季输水梯形渠道冻胀力学模型未充分考虑冻结区与水下非冻结区差异,以及未考虑土体连续性的不足,该研究根据冻土与非冻土剪切刚度的不同,冻结区采用Pasternak双参数弹性地基梁模型,而非冻结区采用Winkler模型,综合Pasternak模型考虑土体连续性及Winkler模型易于求解、所需参数少的优点,提出联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析方法。以新疆玛纳斯河流域某冬季输水梯形渠道为例,计算渠坡衬砌板法向变形,并将本文模型、Winkler模型、Pasternak模型计算结果与观测值进行了对比分析,最后计算了衬砌板截面弯矩及上表面应力分布。结果表明：衬砌板法向变形可分为冻胀段、沉降段及冻胀-沉降过渡段三个部分,三种模型计算结果均能较好地反映衬砌板法向位移基本变化趋势,且本文模型计算结果与实测值更加接近,表明了模型合理性。衬砌板易开裂位置位于冻土区距离水位线10.0%～23.3%坡板长处,与工程实际相符。本研究可为寒区冬季输水梯形渠道抗冻胀设计提供科学参考与理论依据。     

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。     

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。     

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。     

三板拼接式小型U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型

研究土体冻胀对渠道混凝土衬砌结构的影响,对于保障季节性冻土地区渠道输水效率具有重要意义。以三板拼接式小型U形渠道混凝土衬砌结构为对象,研究其在冻胀作用下的受力状态。依据叠加原理将冻胀视为重力、切向冻结力、法向冻结力及法向冻胀力的共同作用,利用结构整体及局部的平衡关系,根据渠道的结构型式、破坏特征及原型观测结果,建立了衬砌结构的冻胀破坏力学模型,给出了便于设计应用的计算公式。对野外观测中的某渠道各部位内力计算结果表明,三板拼接式小型U形渠道混凝土衬砌结构以压弯为主,与实际破坏特征相吻合。刚性接缝处承受较大的轴力和剪力,是结构受力的薄弱位置。为减轻冻胀破坏程度,进一步建议衬砌板直线段倾角α在[22,26]度间取值,坡板弧段圆心角θ略大于U形渠底圆心半角,法向冻结力的合力作用点为从渠顶沿直线段向下2/3处。研究结果可以为季冻区三拼式小型U形混凝土衬砌渠道的设计提供参考依据。     

冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏统一力学模型

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。