Pasternak冻土地基梯形渠道冻胀变形与内力计算

为克服现有Winkler模型未考虑渠基冻土连续性的不足,引入Pasternak剪切层描述独立土弹簧间的相互作用,进而提出Pasternak冻土地基上梯形渠道冻胀力学分析方法。对基土均匀冻胀且无顶盖板约束的梯形渠道导出接触面法向应力、衬砌板冻胀位移及截面内力分布的解析式。以甘肃省某梯形渠道为例,应用本文模型和Winkler模型计算各衬砌板冻胀位移分布及接触面法向应力分布,并结合观测值进行了对比。结果表明：本文模型计算结果与观测值符合良好,且相比Winkler模型计算结果更接近观测值,能更加准确地反映衬砌冻胀位移分布规律,表明模型合理性。该模型能较好地体现法向冻胀力随衬砌冻胀变形的释放与衰减;法向冻胀力作用于坡板中下部且呈非线性、差异分布;中上部有脱开、翘起趋势而受法向冻结力作用;底板则只受法向冻胀力作用。研究结果可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。     

接触面法-切向应力非线性分布的梯形渠道冻胀力学模型

针对开放系统下的寒区梯形渠道,考虑衬砌各点地下水补给条件的横向差异提出非线性分布法向冻胀力的计算方法,通过引入冻土与衬砌接触界面切向相互作用的Winkler假设导出非线性分布切向冻结力的计算方法,进而构建接触面法-切向应力非线性分布的梯形渠道冻胀力学模型。以塔里木灌区某梯形渠道为例,分析了不同地下水埋深w对各截面弯矩的影响规律。结果表明：地下水埋深越浅,则衬砌板截面弯矩分布的不均匀性越强,最大弯矩的量值迅速呈非线性增大,坡板危险截面位置约在距坡脚30%~42%坡板长处,底板危险截面在渠底中部附近,与调查结果相符。同时分析了顶盖板约束下不同接触面切向刚度(k_p)对各截面切向位移及切向冻结力分布的影响规律。结果表明：切向位移及切向冻结力均自坡顶向坡脚处逐渐增大,在坡顶处为零,在坡脚处达到最大值。k_p较小时,截面切向位移及切向冻结力趋于线性分布;随着k_p的增大,两者逐渐偏离线性分布,且k_p越大两者非线性分布越明显。研究结果可为寒区梯形衬砌渠道抗冻设计提供参考。     

考虑冻土与结构相互作用的梯形渠道冻胀破坏弹性地基梁模型

假定渠基冻土为服从Winkler假设的弹性地基,提出一种针对开放系统混凝土梯形渠道的衬砌冻胀力分布计算方法。基于弹性地基梁理论引入与冻胀变形成比例的附加项来反映衬砌冻胀变形引起的冻胀力释放和削减,导出考虑冻土与衬砌结构耦合作用的冻土地基梁挠曲线微分方程。基于此,对现浇混凝土梯形渠道底板和坡板分别建立冻胀模型,并结合边界条件对方程求解获得渠道底板和坡板挠度和内力的解析表达式,进而建立了基于衬砌冻胀位移计算的渠道衬砌冻胀破坏判断准则。以新疆塔里木灌区某梯形渠道为原型,对衬砌各点冻胀位移进行了计算,并与材料力学方法的计算结果及原型观测值进行了对比分析。结果表明,本文方法由于考虑了衬砌冻胀变形引起的冻胀力释放和削减,冻胀位移计算结果均较材料力学方法小,且与观测值更加符合。研究结果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。     

考虑冻结力分布特征的两拼式渠道冻胀力学模型

确定混凝土衬砌渠道土与板间冻结力分布形式,建立冻胀力学模型,是定量研究渠道冻胀破坏的关键环节。通过对渠道冻胀机理、破坏特征和抗拉冻结强度影响因素的分析,结合宁夏引黄灌区混凝土衬砌渠道原位监测试验数据特点,将渠基土与衬砌板间的法向冻结力假设为由渠道顶部至渠底呈三角形分布的荷载,同时对任意截面切向冻结力进行分段求解,建立了两拼式U形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型。结果表明:建立的两拼式U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型不仅能计算出弧板内力、最大弯矩作用点,而且可以计算出渠道所受最大法向冻胀力和最大法向冻结力;对比原位监测值以及已有力学模型计算值发现,根据假设的法向、切向冻结力分布所建立的力学模型计算弧板内力值更小,法向冻胀力、最大弯矩对应截面与原位监测数据更吻合。     

寒旱区梯形渠道衬砌冻胀破坏数值模拟

针对刚性衬砌渠道冻胀破坏问题,选取宁夏盐环定扬黄灌区衬砌渠道为研究对象,在考虑相变及水分迁移模型基础上,考虑高地下水位对冻胀的影响,建立考虑水分迁移及地下水影响的数学物理模型,并采用Comsol Mutiphysics有限元软件对梯形渠道混凝土衬砌进行冻胀数值模拟,分别从温度场、位移场和应力场对刚性衬砌渠道冻胀破坏等方面进行了研究分析。结果表明:阴坡、阳坡冻胀量较大,渠底较小,渠底中部、渠坡1/3坡板长度处冻胀量分别达到最大值。渠底中部的法向冻胀力较小,两边逐渐增大,阴坡、阳坡的法向冻胀力分布均匀;渠底的切向冻结力成线性分布。阴坡、阳坡靠近坡脚处切向冻结力较大,左、右两端坡顶处切向冻结力较小,渠底衬砌板和两侧衬砌板属于压弯组合变形构件。     

考虑混凝土衬砌板与冻土接触非线性的渠道冻胀数值模拟

旱寒灌区渠基土中水分在温度梯度作用下向冻结锋面迁移聚集并冻结膨胀,使其上混凝土衬砌板冻胀破坏,以往的线弹性分析方法在数值模拟中将冻土与混凝土衬砌板视为一体,无法反映两者之间的滑移。本文采用符合冻土与混凝土接触面冻结特性的非线性本构模型来合理反映两者的相对滑动及脱离,考虑混凝土的弹塑性及其与冻土的接触非线性,建立能反映混凝土板从弹性到塑性屈服失效过程的渠道冻胀破坏数值模型,并对冻胀过程进行分析。结果表明,未考虑接触非线性的切向冻结力会超过混凝土与冻土最大冻结强度,不符实际;而考虑接触非线性的数值模型更能反映衬砌渠道冻胀破坏过程,更能合理解释渠道冻胀破坏位置在渠底中间和阴阳坡靠近渠底1/3板长处,切向冻结力、法向冻胀力最大值较未考虑接触非线性的要小约50%且分布更均匀。     

大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究

旱寒区渠道工程上预先在衬砌板易产生裂缝处顺其自然设置纵缝,以防止冻胀破坏。为探明这种纵缝设置的防冻胀机理及其最佳布设形式,基于冻土水-热-力三场耦合理论,考虑纵缝填充的接触本构及衬砌-冻土相互作用,建立了旱寒区常用的大型窄深式弧底梯形渠道冻胀仿真分析模型,以衬砌板上下表面沿周长正应力分布均匀度为一级指标,以其截面正应力满足强度要求为二级指标,对纵缝设置位置、宽度、个数及其组合削减渠道冻胀效果进行了研究。结果表明:弧底衬砌板属于薄拱结构,渠坡板为梁结构,纵缝为可移动弹性铰;纵缝位置及宽度的变化不断调整拱-梁结构的刚度及弹性铰的约束刚度,以适应基土冻胀变形,使衬砌板表面应力均匀化,从而削减冻胀;但纵缝过宽会过度削弱弧底拱效应,使弧底中心和坡板上表面及坡脚下表面拉应力过大,易导致冻胀破坏;单独设缝时坡脚位置设缝防冻胀效果最好,而组合设缝削减冻胀效果更优,尤其是坡脚与坡板组合设缝。以新疆某供水渠道为例,采用坡脚与坡板1/4、3/4处组合设缝,缝宽取1 cm,可满足两级指标,削减冻胀效果最优,可为旱寒区大型渠道防冻胀合理布设纵缝(适缝)提供科学依据。     

梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

近年来复合土工膜与混凝土板相结合的复合衬砌防渗渠道得到了广泛应用。复合土工膜是一种薄型、连续、柔软的防渗材料,其防渗特性已有大量研究成果,但对复提合衬砌渠道的力学特性还缺乏研究。针对梯形断面渠道,建立了复合土工膜混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型,提出了衬砌板内力表达式及厚度验算公式。分析梯形复合衬砌渠道冻胀破坏的影响因素,结果表明,加入复合土工膜后削减了冻土对衬砌板的切向约束力,能起到防冻胀破坏的作用。     

光滑接触条件下非圆形有压隧洞应力及位移解析解

考虑支护滞后的力学过程,并在衬砌与围岩为光滑接触的条件下,利用平面弹性复变函数法推导出非圆形隧洞在原始地应力和内水压力作用下的应力及位移解析解。根据衬砌内边界的应力边界条件及围岩与衬砌接触面上的应力和法向位移连续条件,获得了求解围岩和衬砌解析函数的基本方程。利用幂级数方法求解基本方程,再由此计算围岩和衬砌中的应力和位移,并且利用数值方法验证了所得结果。以直墙半圆拱形隧洞为例,分析了不同位移释放系数、侧压力系数和内水压力条件下的围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向应力及围岩与衬砌接触面上的法向应力分布规律。研究成果可为求解深埋隧洞围岩与衬砌的应力及位移解析解提供参考。     

梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型探讨

通过对梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏特征的分析及总结前人的相关研究成果,提出合理的简化和假设,并在此基础上建立了一种梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型。通过该模型可计算渠道坡板和底板的各控制内力及应力,并估计可能发生胀裂的位置,提出了对渠坡衬砌板所受法向冻结力的计算方法。     

寒区弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的尺寸效应研究

为探明地下水埋深、冻深及渠深对冻土地基上弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的影响规律,依据毛细理论将渠道冻胀分为封闭系统、半开放系统和开放系统;基于冻土水热力三场耦合理论,利用多场耦合软件COMSOL Multiphysics模拟研究了30组不同尺寸衬砌渠道的冻胀位移场和应力场。结果表明:规范建议的衬砌厚度内,渠道规模越大越窄深、冻深越大、地下水埋深越浅,则衬砌渠道冻胀破坏越严重。封闭系统,中小型衬砌渠道为渠底中心下表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂;半开放系统,中小型渠道为渠底中心上表面拉裂,大型渠道为渠底中心上表面和坡脚下表面拉裂;开放系统,小型渠道为渠底中心上表面拉裂,中型渠道为坡脚上表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂。该研究揭示了渠道衬砌冻胀破坏的尺寸效应,对弧底梯形衬砌渠道抗冻胀设计及衬砌结构合理设缝具有指导意义和定量化参考。     

考虑预制混凝土“设缝”作用的梯形渠道冻胀机制影响研究

寒区衬砌渠道输水能力下降主要是由常年冻融作用下衬砌结构发生冻胀破坏所致,针对渠道衬砌结构冻胀破坏问题提出渠坡板纵向设缝的抗冻措施与数值分析方法。本文通过将渠道衬砌板与冻土视为整体处理的方法构建混凝土衬砌渠道热力耦合冻胀模型,以甘肃省景泰灌区某混凝土衬砌渠道为研究对象,考虑不同设缝措施与纵缝填充的接触本构对3种工况进行抗冻影响因素分析。结果表明：渠底深部基本不受渠道整体几何边界的影响,但渠道边界尺寸和基土热流分布均对基土上部温度场变化具有显著影响。渠道阴坡、渠底和阳坡最大冻深分别为86.3、67.5、58.2 cm。通过合理设缝措施可使渠道阴坡法向冻胀力降低40.7%、底板冻胀量减小63.5%、切向冻胀力降低43.8%,使渠道断面冻胀分布趋于均匀,且模型分析与实测结果相符,表明本文构建模型的合理性。研究结果可为长距离输水渠道数值计算提供理论依据。     

考虑接触行为的U型渠道冻胀数值模拟

U型衬砌渠道具有良好的整体性和冻胀适应性,但在冬季仍极易因土体冻胀而导致破坏。考虑渠基冻土与衬砌接触面冻结的非线性特性和冻土、混凝土材料的塑性特征,建立能分析渠道基土与衬砌间挤压、脱开及滑移等接触力学行为的渠道冻胀破坏热力耦合数值模型。以宝鸡峡灌区塬下北干渠为原型渠道,按照模型是否考虑接触分别进行冻胀数值模拟,并对模拟结果进行对比分析。结果表明:考虑接触的模型模拟结果与原型实测值更相符,更能合理地解释U型渠道冻胀在渠底与阴坡衔接处冻胀量最小;考虑接触的混凝土塑性应变最大值是不考虑接触时的3.76倍;考虑接触的法向冻胀力和切向冻结力更均匀,最大值均减少1.5~3.0倍,应力集中现象减弱,更能反映混凝土衬砌板与渠基土之间的滑移变形与破坏准则的相互作用。研究结果为U型衬砌渠道冻胀破坏规律提供了分析方法。     

寒区河湖与灌排渠道模袋混凝土护岸冻胀破坏机理

我国北方寒区河湖与灌排渠道护岸冻胀破坏普遍严重.卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸因施工方便获得广泛应用.但目前针对这种复合衬砌结构的冻胀破坏机理尚不明确,难于规范化设计.本文基于冻土水热力三场耦合理论,考虑衬砌与基土的界面相互作用建立了河渠护岸衬砌冻胀数值分析模型.以宁夏西干渠工程为例,对卵砾石护底的模袋混凝土、卵砾石护底...     

大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型探讨

通过对U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏机理的分析,提出了U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型,并解出了渠坡直线段和圆弧段控制内力及最大拉应力,结合混凝土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.     

基于双K断裂准则的U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

为探讨U形渠道衬砌的冻胀断裂力学模型,采用有限元软件简化模拟混凝土衬砌板初始裂缝扩展,并结合线弹性断裂力学的双应力强度因子的混凝土双K断裂破坏准则,建立了冻胀力与冻结力共同作用下的U形渠道混凝土衬砌板冻胀断裂力学模型。根据混凝土双K断裂准则与冻胀条件下的混凝土衬砌力学模型,计算了U形渠道各部位混凝土衬砌板在初始裂缝扩展情况下,混凝土衬砌板冻胀断裂破坏的临界厚度。通过实例计算,验证了此双K断裂准则下的混凝土渠道衬砌冻胀力学模型具有一定的实际应用价值,为以后的U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计提供了合理的理论参考。     

基于温度-应力耦合的冻土地区渠道衬砌防冻胀效果及适应性评价

中国北方冻土地区的灌区渠道多采用衬砌或者保温措施进行防渗抗冻胀,从而减少输水损失。依据近年来北方冻土地区常用的渠道衬砌形式,从取材和施工的难易程度等角度,对北方高寒地区新疆阿勒泰灌区农十师渠道3种抗冻胀措施的效果进行了研究,分别建立了混凝土、HAS固化剂固化粉煤灰和聚苯乙烯泡沫板(EPS)3种衬砌材料的本构模型。通过ABAQUS温度-应力耦合模拟,分析了3种抗冻胀措施的效果。分析结果表明:3种抗冻胀措施均能有效减少渠道冻胀变形,而HAS固化剂固化粉煤灰和铺设聚苯乙烯泡沫板削减冻胀变形效果更为显著;其中铺设聚苯板措施效果最佳,不仅使混凝土衬砌最大法向冻胀量削减了54%,法向冻胀力削减了74%,切向冻结力削减83%,而且使应力和位移分布更均匀,避免了应力集中现象的发生。3种防冻胀措施的效果为铺设聚苯板>HAS固化粉煤灰>混凝土衬砌。考虑到HAS固化粉煤灰可实现就地取材,从而得出HAS固化剂固化粉煤灰渠道衬砌适用于新疆等寒冷地区的结论。研究成果为寒冷地区渠道抗冻胀设计提供了有效参考。