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。     

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。     

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。     

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。     

混凝土预制板衬砌梯形断面渠道的冻胀破坏受力分析

为了探讨寒区混凝土预制板衬砌渠道的受力问题,该文经过大量的野外实地调查研究,总结了寒区混凝土预制板衬砌梯形渠道通常发生的冻害形式,同时分析了该衬砌结构发生冻胀破坏的机理。在此基础上,通过合理假设并运用力学基本理论提出了衬砌结构受冻胀破坏的力学模型,推导出渠坡衬砌板、渠底衬砌板最大内力计算公式,只要根据有关规范或试验确定了最大冻结力,混凝土预制板的内力即可求解;在理论推导的基础上,结合工程实践给出了判断衬砌结构发生冻胀破坏的3个准则。该研究可为今后的工程设计提供一定的理论依据。     

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。     

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。     

模袋混凝土衬砌梯形渠道冻胀适应性研究

为探明开放系统条件下梯形渠道渠基土冻胀对混凝土衬砌结构破坏规律,该文在水热力三场耦合理论的基础上,考虑毛细作用及薄膜水迁移理论,采用动态变化的上下温度边界,利用多场耦合软件COMSOL模拟了渠基土67 d的冻胀过程,得出渠基土冻胀量。在此基础上,考虑模袋对冻土与混凝土间接触行为的影响,利用有限元软件ABAQUS模拟冻土与普通混凝土、冻土与模袋混凝土间接触力学行为,最终得出衬砌不同位置处应力场及位移场。结果表明:在距离渠底约1/3坡长处、渠底中心处冻胀量较大,渠顶处冻胀量最小;普通混凝土所能适应的最大不均匀冻胀量为2.98 cm;模袋混凝土的使用改变了冻土与混凝土间的接触行为,应力最大值约为普通混凝土的1/250,季节性冻土地区采用模袋混凝土可显著提高对不均匀冻胀量的适应性。该模拟结果与工程实际结果吻合度较好,研究结果可为开放系统下季节性冻土区梯形渠道的工程设计提供参考和依据。     

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。     

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。     

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。