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。     

弧底梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究

弧底梯形渠道以其抗冻胀性能及水力特性良好,在北方寒旱地区得到广泛应用,但该种形式衬砌的结构计算仍无力学模型,该衬砌体的设计只能凭经验选取,而无法量化.该文通过对弧底梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理及破坏特征的分析,指出了弧底梯形渠道砼衬砌整体结构的计算简图是在法向冻胀力及切向冻结力和重力共同作用下的薄壳拱形结构,就局部受力来看属压弯组合变形问题.通过恰当假设及简化,提出了该砼衬砌整体结构冻胀破坏的力学模型,求出了其冻胀控制内力及最大拉应力的计算公式,并结合砼板抗裂条件,给出了胀裂部位、衬砌板厚及抗冻胀破坏验算的一系列计算方法.理论分析阐明了弧底梯形砼衬砌结构因法向冻胀力数值小、分布均、恢复力大,因此,整体适应变形及抗冻胀能力强,从而更优于梯形断面.实例计算表明该模型安全合理、简单实用.     

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基土和衬砌板耦合非均匀变形对梯形渠道衬砌内力变化影响规律,该研究在前期提出的弹性地基梁模型基础上,将衬砌板与基土相互作用效应分解为基土不均匀自由冻胀位移、衬砌板受到冻土反作用产生的位移和边坡衬砌板坡脚约束产生的相对转动位移,从而建立了满足两端变形协调的弹性地基梁模型。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1m,冻胀反力最大值增大142%,弯矩最大值平均增大223%,弯矩最大值点会从原来的距坡脚1/3左右处向坡脚偏移。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。     

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。     

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。     

整体式U型混凝土渠道衬砌-冻土接触模型

为探究渠道衬砌与冻土接触面间存在的冻结约束、相对滑动与分离等接触作用对渠道衬砌冻胀破坏的影响,该研究以整体式U型渠道冻胀破坏监测试验为原型,构建了考虑接触和不考虑接触两类渠道冻胀模型,结合现场试验结果评估模型的合理性,并分析衬砌的冻胀变形与受力变化过程。结果表明：相比于不考虑接触模型,考虑接触模型的模拟结果更符合现场试验情况。在边坡处,考虑接触模型的法向应力峰值与试验监测峰值接近,不考虑接触模型的法向应力峰值可达前两者的3.3倍。试验与考虑接触模型的渠底法向应力基本为0,而不考虑接触模型中则存在持续增大的拉应力。现场试验的衬砌-冻土接触面间存在渠底分离与渠坡相对滑动过程,因此需由考虑接触模型模拟分析该过程。在试验与考虑接触模型中,渠底处衬砌与基土由于发生分离而产生空隙,此后悬空衬砌与渠坡基土发生相对滑动,释放了冻胀基土对衬砌的挤压力。考虑接触模型中的相对滑动改变了衬砌应力的发展趋势,由不考虑接触模型的“增力”变为考虑接触模拟的“卸力”。与不考虑接触模型相比,考虑接触模型的衬砌上、下表面正应力峰值分别降低了903%和164%,下表面切向力峰值降低了248%。在渠道冻胀模型中考虑接触作用更加合理,研究可为寒区渠道防冻胀设计与结构优化提供参考。     

季节冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道冻胀机理试验

输水渠道冻胀破坏是寒冷地区渠道破坏的主要表现。为了探明刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理,分析复合衬砌渠道的冻胀变形规律和冻胀过程中的水分变化规律,以及柔性复合土工膜的变形特征,该研究借助季节冻融条件下刚柔混合衬砌梯形渠道的原型观测成果,分析了刚柔混合衬砌渠道的最低地温变化规律、冻深变化规律和冻胀量与冻胀力的变化规律,重点研究了冻融条件下渠基土壤的水分迁移规律,以及复合土工膜的变形特征和强度变化。结果显示:刚柔混合衬砌渠道的冻胀变形最大值位于渠底和阴坡1/3处,最大冻胀量为11.2和13.1 cm,衬砌结构向上隆起。冻结期,渠基土壤0~60 cm深度范围内含水率随深度增加而增大,60~120 cm深度范围内的含水率随深度增大而逐渐减小。水分迁移最大值发生在渠道底部,迁移率为13.2%。经过一个冻融周期的循环,复合土工膜的强度和变形量仍然保持在90%以上,强度和变形损失值较小,可充分发挥复合土工膜防渗抗冻胀和适应变形的特性。该研究为刚柔混合衬砌渠道的设计、推广应用提供了理论依据。     

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。     

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。     

基于双参数弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

为克服已有梯形渠道弹性地基梁模型未考虑土体连续性及需要预先假定切向冻结力分布的不足,该研究在Winkler模型的基础上,用土弹簧的伸缩来描述法向冻胀力与法向冻结力,引入剪切层和接触界面层构建了梯形渠道双参数冻土地基梁模型。通过引入剪切层考虑土弹簧间的相互作用,引入接触界面层把切向冻结力计算纳入模型中一体化求解。以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为例,计算了衬砌板法向冻胀位移,并将计算值与Winkler模型、有限元法计算结果及试验值进行对比分析,最后对衬砌板各点切向位移及切向冻结力分布进行计算。结果表明：本文模型计算值与Winkler模型、有限元法计算结果的总体变化趋势一致,且与试验值更加接近,当剪切系数g=0时双参数模型则退化为Winkler模型,验证了模型合理性;衬砌板各点切向位移及切向冻结力呈非线性分布,且随切向刚度增大,各点切向位移总体呈减小趋势,与实际相符。本研究可为梯形渠道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。     

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。     

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。     

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。     

梯形渠道砼衬砌体冻胀破坏断裂力学模型及应用

在线弹性断裂力学的基础上,运用已有的渠道砼衬砌冻胀结构力学模型,考虑各种冻胀力的作用,通过合理的假设和简化,将砼衬砌板断裂看作是（Ⅰ+Ⅱ）复合型（张拉型+剪切型）裂纹的扩展问题,提出了适用于渠道混凝土衬砌板的冻胀断裂力学破坏准则,建立了渠道阴坡、阳坡和渠底3个不同位置砼衬砌板的冻胀断裂力学模型及砼衬砌板厚度设计方法。运用渠道砼衬砌体冻胀断裂力学模型不仅可以计算出阴坡、阳坡和渠底的砼衬砌板厚度,而且实例应用表明,通过渠道砼衬砌冻胀断裂力学模型指导渠道砼衬砌体设计是一种符合实际工程简单实际有效的方法。     

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。