豆丁精選渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞力學(xué)模型ppt

1、渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞力學(xué)模型渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞力學(xué)模型及凍脹數(shù)值模擬及凍脹數(shù)值模擬匯匯 報(bào)報(bào) 人：人： 王王 正正 中中渠道凍害防治是北方灌區(qū)建設(shè)中急需解決的重要技術(shù)問(wèn)題渠道凍害防治是北方灌區(qū)建設(shè)中急需解決的重要技術(shù)問(wèn)題 在在“三北三北”廣大灌區(qū)，渠道凍脹破壞問(wèn)題非常普遍，尤其是地下廣大灌區(qū)，渠道凍脹破壞問(wèn)題非常普遍，尤其是地下水較高地區(qū)，致使稀缺的水資源損失嚴(yán)重，直接影響著灌區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)水較高地區(qū)，致使稀缺的水資源損失嚴(yán)重，直接影響著灌區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全。展和糧食安全。研究渠道凍脹破壞力學(xué)模型及渠基凍土本構(gòu)模型，揭示襯研究渠道凍脹破壞力學(xué)模型及渠基凍土本構(gòu)模型，揭示襯砌渠道凍脹破壞機(jī)理，

2、探求防凍脹結(jié)構(gòu)新形式，是防治渠砌渠道凍脹破壞機(jī)理，探求防凍脹結(jié)構(gòu)新形式，是防治渠道凍害的有效措施道凍害的有效措施 通過(guò)對(duì)渠道襯砌凍脹過(guò)程結(jié)構(gòu)內(nèi)力及分布規(guī)律的定量分析，凍土通過(guò)對(duì)渠道襯砌凍脹過(guò)程結(jié)構(gòu)內(nèi)力及分布規(guī)律的定量分析，凍土本構(gòu)及水熱力耦合研究，考慮周期性溫變及日照熱輻射等因素的影響，本構(gòu)及水熱力耦合研究，考慮周期性溫變及日照熱輻射等因素的影響，正確認(rèn)識(shí)渠道凍脹正確認(rèn)識(shí)渠道凍脹破壞破壞規(guī)律規(guī)律，科學(xué)地選擇防凍脹結(jié)構(gòu)措施，進(jìn)行合理，科學(xué)地選擇防凍脹結(jié)構(gòu)措施，進(jìn)行合理的防滲抗凍脹設(shè)計(jì)的防滲抗凍脹設(shè)計(jì)。 1.在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，近年來(lái)多采用在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，近年來(lái)多采用“抵抗抵抗”凍脹的技術(shù)措施，用鋼筋

3、凍脹的技術(shù)措施，用鋼筋混凝土取代素混凝土，并采用砂礫料換填層、加固基礎(chǔ)、增設(shè)排水等措施混凝土取代素混凝土，并采用砂礫料換填層、加固基礎(chǔ)、增設(shè)排水等措施襯砌渠道，如日本現(xiàn)在多采用鋼筋混凝土矩形渠槽加換填材料復(fù)合型式，襯砌渠道，如日本現(xiàn)在多采用鋼筋混凝土矩形渠槽加換填材料復(fù)合型式，美國(guó)、俄羅斯則多采用混凝土或鋼筋混凝土大型平板形式。這些措施防滲美國(guó)、俄羅斯則多采用混凝土或鋼筋混凝土大型平板形式。這些措施防滲抗凍脹效果好，但工程造價(jià)高，不適合我國(guó)國(guó)情?？箖雒浶Ч?，但工程造價(jià)高，不適合我國(guó)國(guó)情。 2.2.針對(duì)渠道凍脹破壞，我國(guó)經(jīng)過(guò)三十多年的研究與及實(shí)踐，制定了針對(duì)渠道凍脹破壞，我國(guó)經(jīng)過(guò)三十多年的研究

4、與及實(shí)踐，制定了渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范和和渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范，并提出，并提出 “允許一定凍脹位移允許一定凍脹位移”的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和“回避、適應(yīng)、削減或消除凍脹回避、適應(yīng)、削減或消除凍脹”的防凍害原則和技術(shù)措施，與國(guó)外相比，不僅解決了不少工程問(wèn)題，而且的防凍害原則和技術(shù)措施，與國(guó)外相比，不僅解決了不少工程問(wèn)題，而且使工程造價(jià)大大降低。使工程造價(jià)大大降低。渠道凍脹研究概況及進(jìn)展渠道凍脹研究概況及進(jìn)展 3.國(guó)內(nèi)外學(xué)者在凍脹機(jī)理、凍土力學(xué)特性與本構(gòu)、凍脹過(guò)程數(shù)值模擬、國(guó)內(nèi)外學(xué)者在凍脹機(jī)理、凍土力學(xué)特性與本構(gòu)、凍脹過(guò)程數(shù)值模擬、防滲抗凍脹新材料

5、新結(jié)構(gòu)等方面開(kāi)展了大量研究和實(shí)踐工作，取得了豐碩防滲抗凍脹新材料新結(jié)構(gòu)等方面開(kāi)展了大量研究和實(shí)踐工作，取得了豐碩成果。成果。 但在北方灌區(qū)渠道凍脹破壞還沒(méi)有徹底解決！但在北方灌區(qū)渠道凍脹破壞還沒(méi)有徹底解決！渠道抗凍脹技術(shù)措施渠道抗凍脹技術(shù)措施改善渠基土的溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)改善渠基土的溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng) （1 1）保溫隔熱措施）保溫隔熱措施 將保溫隔熱材料如爐渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨脹將保溫隔熱材料如爐渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨脹珍珠巖保溫層制品等鋪設(shè)在襯砌體背后，利用其導(dǎo)熱系數(shù)低的性珍珠巖保溫層制品等鋪設(shè)在襯砌體背后，利用其導(dǎo)熱系數(shù)低的性能改變和控制渠基土周圍熱量的輸入輸出及轉(zhuǎn)化過(guò)程，人

6、為影響能改變和控制渠基土周圍熱量的輸入輸出及轉(zhuǎn)化過(guò)程，人為影響凍土結(jié)構(gòu)，使凍土內(nèi)部水熱耦合作用在時(shí)空上重新分布，從而減凍土結(jié)構(gòu)，使凍土內(nèi)部水熱耦合作用在時(shí)空上重新分布，從而減輕或消除渠床的凍深和凍脹。輕或消除渠床的凍深和凍脹。（2 2）渠基土換填及加固處理）渠基土換填及加固處理 渠基土換填技術(shù)是指用風(fēng)積砂、砂礫石等弱凍脹性土，置換渠基土換填技術(shù)是指用風(fēng)積砂、砂礫石等弱凍脹性土，置換渠基原有土壤，降低渠道凍脹量的方法。針對(duì)工程中粗砂換填設(shè)渠基原有土壤，降低渠道凍脹量的方法。針對(duì)工程中粗砂換填設(shè)反濾層不經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題，提出了纖維砂袋換填的新方法，集隔離、反濾層不經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題，提出了纖維砂袋換填的新方法，

7、集隔離、排水和反濾于一體，防凍脹效果較好。排水和反濾于一體，防凍脹效果較好。 渠基土加固處理包括壓實(shí)處理和化學(xué)處理兩種方法。渠基土加固處理包括壓實(shí)處理和化學(xué)處理兩種方法。 （3 3）防滲排水措施）防滲排水措施 選擇合理的斷面及結(jié)構(gòu)形式選擇合理的斷面及結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，混凝土襯砌弧底根據(jù)凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，混凝土襯砌弧底梯形渠、弧形坡腳梯形渠和小梯形渠、弧形坡腳梯形渠和小u形渠是比較好的抗凍脹襯砌斷面形渠是比較好的抗凍脹襯砌斷面形式；此外，采用一些特殊結(jié)構(gòu)形式和新型復(fù)合結(jié)構(gòu)形式也能起形式；此外，采用一些特殊結(jié)構(gòu)形式和新型復(fù)合結(jié)構(gòu)形式也能起到較好的防凍脹

8、作用，如肋形板、楔形板、中厚板、槽形板、空到較好的防凍脹作用，如肋形板、楔形板、中厚板、槽形板、空心板以及復(fù)式梯形斷面心板以及復(fù)式梯形斷面 等等。等等。 新型的防滲防凍材料新型的防滲防凍材料新型土工復(fù)合材料新型土工復(fù)合材料聚丙烯（聚丙烯（pp）纖維混凝土）纖維混凝土 新型固化土防滲材料新型固化土防滲材料 納米改性防滲材料納米改性防滲材料 新型伸縮縫止水材料新型伸縮縫止水材料 膨潤(rùn)土防滲墊（膨潤(rùn)土防滲墊（gcl)復(fù)式梯形斷面復(fù)式梯形斷面渠道防滲防凍脹綜合措施渠道防滲防凍脹綜合措施 pppp纖維混凝土板纖維混凝土板+ +復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu) 土工格室混凝土板土工格室混凝土板

9、+ +復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu) 混凝土聯(lián)鎖板復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)鎖板復(fù)合結(jié)構(gòu) + +復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu) 混凝土板復(fù)合土工膜纖維砂袋混凝土板復(fù)合土工膜纖維砂袋 鎧甲式纖維混凝土復(fù)合渠道防滲卷材襯護(hù)結(jié)構(gòu)鎧甲式纖維混凝土復(fù)合渠道防滲卷材襯護(hù)結(jié)構(gòu) 改性瀝青混凝土夾聚酯網(wǎng)格預(yù)制板改性瀝青混凝土夾聚酯網(wǎng)格預(yù)制板 （能夠適應(yīng)較大的變形（能夠適應(yīng)較大的變形 ） 聚苯顆粒（有機(jī)垃圾）水泥混凝土聚苯顆粒（有機(jī)垃圾）水泥混凝土 、稻殼水泥混凝土、陶?；臁⒌練に嗷炷?、陶?；?凝土凝土 （廢物利用，同時(shí)隔熱保熱效果好）（廢物利用，同時(shí)隔熱保熱效果好） 三維土工植被網(wǎng)護(hù)坡三維

10、土工植被網(wǎng)護(hù)坡 豎向鋪塑防滲技術(shù)豎向鋪塑防滲技術(shù) 渠道凍脹自適應(yīng)斷面渠道凍脹自適應(yīng)斷面（恰當(dāng)位置設(shè)置寬窄縱縫）（恰當(dāng)位置設(shè)置寬窄縱縫） 現(xiàn)澆鋼絲網(wǎng)混凝土與保溫一體化抗凍脹結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆鋼絲網(wǎng)混凝土與保溫一體化抗凍脹結(jié)構(gòu) 一、基礎(chǔ)研究一、基礎(chǔ)研究 基土基土凍脹機(jī)制（略）凍脹機(jī)制（略）渠道凍脹主要影響因素研究渠道凍脹主要影響因素研究（土質(zhì)土質(zhì) 、水分條件、水分條件 、溫度條件、溫度條件 、附加荷載、附加荷載 、襯砌剛度、土密度、襯砌剛度、土密度 、渠道走向、渠道走向）渠道襯砌的抵抗能力渠道襯砌的抵抗能力（材料強(qiáng)度材料強(qiáng)度 、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)形式 ）混凝土襯砌渠道破壞特征混凝土襯砌渠道破壞特征（梯形、弧底梯

11、形、（梯形、弧底梯形、u u形、弧形坡腳梯形、弧形坡腳梯 形混凝土襯砌渠道）形混凝土襯砌渠道） 主要結(jié)論主要結(jié)論：（1 1）渠道襯砌的凍脹破壞是渠道自身和外界環(huán)境共同作用）渠道襯砌的凍脹破壞是渠道自身和外界環(huán)境共同作用的結(jié)果，凍脹破壞是北方渠道襯砌破壞的主要形式。（的結(jié)果，凍脹破壞是北方渠道襯砌破壞的主要形式。（2 2）渠道襯砌的凍）渠道襯砌的凍脹破壞與渠基土質(zhì)、水分、溫度、襯砌體的材料和結(jié)構(gòu)形式及渠道走向脹破壞與渠基土質(zhì)、水分、溫度、襯砌體的材料和結(jié)構(gòu)形式及渠道走向等因素密切相關(guān)。（等因素密切相關(guān)。（3 3）弧底梯形混凝土襯砌渠道凍脹量分布較均勻，抗）弧底梯形混凝土襯砌渠道凍脹量分布較均勻，

12、抗凍脹性能良好。凍脹性能良好。1.2.11.2.1 凍土橫觀各向同性凍土橫觀各向同性模型模型要點(diǎn)：要點(diǎn)：土凍結(jié)過(guò)程中，垂直于溫度梯度方向土凍結(jié)過(guò)程中，垂直于溫度梯度方向形成一層層冰晶體和凍結(jié)鋒面，隨著凍結(jié)溫度形成一層層冰晶體和凍結(jié)鋒面，隨著凍結(jié)溫度的變化，凍結(jié)鋒面也隨之平行推進(jìn)，從而表現(xiàn)的變化，凍結(jié)鋒面也隨之平行推進(jìn)，從而表現(xiàn)出了凍土在凍結(jié)鋒面內(nèi)和溫度梯度方向（兩者出了凍土在凍結(jié)鋒面內(nèi)和溫度梯度方向（兩者正交）力學(xué)特性的顯著差異。以往沿用各向同正交）力學(xué)特性的顯著差異。以往沿用各向同性線彈性本構(gòu)模型來(lái)分析凍土與建筑物相互作性線彈性本構(gòu)模型來(lái)分析凍土與建筑物相互作用的處理是欠合理的，實(shí)驗(yàn)研究表明

13、：其合理用的處理是欠合理的，實(shí)驗(yàn)研究表明：其合理的本構(gòu)模型應(yīng)為橫觀各向同性材料。的本構(gòu)模型應(yīng)為橫觀各向同性材料。圖1-1 凍土組構(gòu)坐標(biāo)示意圖凍土組構(gòu)坐標(biāo)示意圖 橫觀各向同性材料作為正交各向異性材橫觀各向同性材料作為正交各向異性材料的特例，應(yīng)滿足右邊公式。料的特例，應(yīng)滿足右邊公式。 采用蘭州粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了凍土采用蘭州粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了凍土屬于橫觀各向同性材料。對(duì)不同應(yīng)力水平時(shí)，屬于橫觀各向同性材料。對(duì)不同應(yīng)力水平時(shí)，各種力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較分析。各種力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較分析。 %1 . 4yyx%4 . 4yyxeee%9 . 7zxzxzxzxzeee%9 . 6zxzyzx%3 . 7x

14、zyzxz%8 .3xyyxxy，；，yxxyyzxzzyzxyxxzxzxzeeee試驗(yàn)結(jié)果如下：試驗(yàn)結(jié)果如下： 試驗(yàn)結(jié)果分析：試驗(yàn)結(jié)果分析：1.1. 在同一應(yīng)力水平下，凍土在等溫面（各向同性面）內(nèi)的剛在同一應(yīng)力水平下，凍土在等溫面（各向同性面）內(nèi)的剛度、強(qiáng)度大于溫度梯度方向；度、強(qiáng)度大于溫度梯度方向；2.2. 同一應(yīng)力水平下凍結(jié)溫度越大，凍土的剛度、強(qiáng)度越大；同一應(yīng)力水平下凍結(jié)溫度越大，凍土的剛度、強(qiáng)度越大；3.3. 在同一應(yīng)力水平下，凍結(jié)溫度越大，泊松比越小；在同一應(yīng)力水平下，凍結(jié)溫度越大，泊松比越小； 4.4. 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，該種試樣極限強(qiáng)度：對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，該種試樣

15、極限強(qiáng)度： =0.25t+c(mpa)=0.25t+c(mpa) 其中：其中： 各種極限應(yīng)變近似為各種極限應(yīng)變近似為 ； 綜合分析得到凍土無(wú)量綱單軸非線性解析本構(gòu)模型為：綜合分析得到凍土無(wú)量綱單軸非線性解析本構(gòu)模型為：0)(90. 1)(34. 121凍結(jié)鋒面內(nèi)溫度梯度方向mpacmpacc20102 . 1bxxay)(11.2.2 基于基于sevostianovsevostianov夾雜理論的凍土數(shù)值本構(gòu)模型夾雜理論的凍土數(shù)值本構(gòu)模型sevostianov夾雜理論模型夾雜理論模型單個(gè)夾雜體的剛度分布張量單個(gè)夾雜體的剛度分布張量n( (分量形式為分量形式為ijkln）可定義如下：）可定義如下

16、：0ijijklklijklklcn其中其中 0ijklc為基體材料的剛度張量（其逆，即柔度張量為為基體材料的剛度張量（其逆，即柔度張量為 ），）， 0ijklskl為遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)變張量，張量為遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)變張量，張量 依賴于夾雜體的形狀和彈性性質(zhì)。依賴于夾雜體的形狀和彈性性質(zhì)。ijkln假定假定1 1各向同性基體材料中存在橢球形夾雜體，作用在無(wú)窮遠(yuǎn)處的均勻各向同性基體材料中存在橢球形夾雜體，作用在無(wú)窮遠(yuǎn)處的均勻應(yīng)變場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng) ，使得橢球形夾雜體產(chǎn)生的均勻應(yīng)變可表述為：，使得橢球形夾雜體產(chǎn)生的均勻應(yīng)變可表述為：0ij(int)0ijijklkl其中其中1*0ijklijklijmnmnklmnkljpcc因

17、此，因此，n 可表示為可表示為*11*0vvnccp 夾雜于各向同性土中的冰顆粒具有如下性質(zhì)：回轉(zhuǎn)軸方向相互平行；夾雜于各向同性土中的冰顆粒具有如下性質(zhì)：回轉(zhuǎn)軸方向相互平行；冰顆粒材料為各向同性材料。冰顆粒材料為各向同性材料。假定假定2 2橫觀各向同性凍土彈性模型橫觀各向同性凍土彈性模型 綜合可得，對(duì)四階張量的拉伸結(jié)果：綜合可得，對(duì)四階張量的拉伸結(jié)果： 111000110001000000000100000100001000100101 iij拉拉對(duì) 稱對(duì) 稱001000010002000;000000000000000004000100100 mi+imm j+j m拉拉對(duì)稱對(duì)稱102121

18、131112131213133424224224000000dcgdddddddddddddddddddddddddd 0n0拉即即1002dcgd 0cc0拉 、 、 和和 通常是凍土微結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境因素通常是凍土微結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境因素（如溫度、含水量、土質(zhì)、凍結(jié)速率）的函數(shù)。（如溫度、含水量、土質(zhì)、凍結(jié)速率）的函數(shù)。1d2d3d4d 1.2.3 研究成果和認(rèn)識(shí)研究成果和認(rèn)識(shí)二、模型研究二、模型研究 2.1.1 梯形渠道受凍脹力學(xué)模型梯形渠道受凍脹力學(xué)模型圖2-2 渠道坡板計(jì)算簡(jiǎn)圖圖2-1 梯形斷面簡(jiǎn)圖圖2-3 渠道底板計(jì)算簡(jiǎn)圖圖2-4 渠道坡板內(nèi)力圖渠坡板內(nèi)力計(jì)算渠坡板內(nèi)力計(jì)算。狀態(tài)善受力設(shè)

19、縫能夠釋放變形，改處。故而在此處靠近渠底的 間部位，矩的最大值約在渠坡中 可知彎（渠道坡板內(nèi)力圖）， 出內(nèi)力分布圖（4）根據(jù)上式可以畫(huà)（3）剪力：（2）彎矩：（1）軸力：31261)(4661)(212010121013010120lxqlqxqlxblxqxlqxmlxn渠底板內(nèi)力計(jì)算渠底板內(nèi)力計(jì)算。間略微靠近陰坡的地方在渠底中看出，渠道彎矩最大處算關(guān)系式中可以（4）從渠底板內(nèi)力計(jì)（3）剪力：（2）彎矩：（1）軸力：120001300202) (sincos)()cossin(3) (2)(cos) (sin) ()(lxqqxqrnxqxrnlxqqxqxmrrnnxnadadaad計(jì)算簡(jiǎn)

20、圖計(jì)算簡(jiǎn)圖圖2-5 準(zhǔn)梯形法向凍脹力圖2-6 準(zhǔn)梯形切向凍脹力根據(jù)靜力平衡條件，建立平衡方程有：根據(jù)靜力平衡條件，建立平衡方程有：001011101012111201011201001111cossin0222cossin0222(sin)(sin)232cos0624ttlqqqllqqql qlllql qllqllqqll llb 由上式計(jì)算出渠道在凍脹力作用由上式計(jì)算出渠道在凍脹力作用下達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)最大法向、切下達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)最大法向、切向凍脹力，進(jìn)一步求解各內(nèi)力，繪出向凍脹力，進(jìn)一步求解各內(nèi)力，繪出內(nèi)力分布圖。內(nèi)力分布圖。 2.1.2 準(zhǔn)梯形渠道受凍脹力學(xué)模型準(zhǔn)梯形渠道受凍

21、脹力學(xué)模型a 軸軸 力力 b 彎彎 矩矩 c 剪剪 力力圖2-7 坡板垂直段內(nèi)力分布圖a 軸軸 力力b 彎彎 矩矩 c 剪剪 力力圖2-8 坡板傾斜段內(nèi)力分布圖a 軸軸 力力b 彎彎 矩矩c 剪剪 力力圖2-9 底板內(nèi)力分布圖結(jié)論一結(jié)論一：與梯形渠道相比較，由與梯形渠道相比較，由于準(zhǔn)梯形渠道襯砌體整于準(zhǔn)梯形渠道襯砌體整體性強(qiáng)，并且由于垂直體性強(qiáng)，并且由于垂直段的約束，從而使坡板段的約束，從而使坡板與底板之間的內(nèi)力相互與底板之間的內(nèi)力相互影響更為顯著。影響更為顯著。結(jié)論二結(jié)論二：理論分析表明，準(zhǔn)梯形理論分析表明，準(zhǔn)梯形斷面比梯形斷面坡板、斷面比梯形斷面坡板、底板最大彎矩絕對(duì)值小底板最大彎矩絕對(duì)值

22、小得多，這也就是準(zhǔn)梯形得多，這也就是準(zhǔn)梯形抗凍脹力強(qiáng)的原因之一抗凍脹力強(qiáng)的原因之一 。2.1.3 弧底梯形渠道混凝土襯砌凍脹破壞力學(xué)模型弧底梯形渠道混凝土襯砌凍脹破壞力學(xué)模型圖圖2-10 法向凍脹力分布法向凍脹力分布圖圖2-11 切向凍結(jié)力分布切向凍結(jié)力分布主要結(jié)論：主要結(jié)論：弧底梯形與梯形渠道相比底板由直梁變?yōu)榍?，承載力弧底梯形與梯形渠道相比底板由直梁變?yōu)榍?，承載力增大；弧底梯形砼襯砌的法向凍脹力與切向凍結(jié)力產(chǎn)生的彎矩方向相增大；弧底梯形砼襯砌的法向凍脹力與切向凍結(jié)力產(chǎn)生的彎矩方向相反，兩者相互消減，控制彎矩減??；弧底梯形渠道襯砌體整體性強(qiáng)，反，兩者相互消減，控制彎矩減??；弧底梯形渠道襯

23、砌體整體性強(qiáng)，坡板與弧底板之間內(nèi)力相互影響顯著；因此弧底梯形抗凍脹能力強(qiáng)。坡板與弧底板之間內(nèi)力相互影響顯著；因此弧底梯形抗凍脹能力強(qiáng)。 計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算簡(jiǎn)圖 2.1.4 u u形渠道襯砌凍脹力學(xué)模型形渠道襯砌凍脹力學(xué)模型 計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算簡(jiǎn)圖a.法向凍脹力與凍結(jié)力b.切向凍結(jié)力圖2-12 u形渠凍脹受力圖(-)(-)圖4 軸力圖nmaxmmax圖5 彎矩圖qmax (+)(-)圖6 剪力圖圖2-13 襯砌板內(nèi)力圖 內(nèi)力圖內(nèi)力圖a.軸力圖 b.彎矩圖 c.剪力圖 2.1.5 小小u u形渠道水力及抗凍脹最佳斷面分析形渠道水力及抗凍脹最佳斷面分析分析結(jié)果：分析結(jié)果： 根據(jù)根據(jù)u u形渠道水力最佳斷面條件，

24、考形渠道水力最佳斷面條件，考慮慮u u形渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹受力，分析形渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹受力，分析推導(dǎo)并求得在相同襯砌厚度下，襯砌結(jié)推導(dǎo)并求得在相同襯砌厚度下，襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布最均勻的渠道斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)。構(gòu)彎矩分布最均勻的渠道斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)。為：為：=69=69，n n=0.4 =0.4 2lr圖圖2-14 u形渠道形渠道l/r=n 前面依次提出了梯形、準(zhǔn)梯形、弧底梯形和前面依次提出了梯形、準(zhǔn)梯形、弧底梯形和u u形渠道凍脹破壞力學(xué)模型，求形渠道凍脹破壞力學(xué)模型，求出渠道襯砌板的內(nèi)力，結(jié)合抗裂條件給出襯砌板抗凍脹破壞驗(yàn)算等一系列計(jì)算方出渠道襯砌板的內(nèi)力，結(jié)合抗裂條件給出襯砌板抗凍脹破壞驗(yàn)算等一系列

25、計(jì)算方法法; ;指出渠道襯砌上所受的凍結(jié)力、凍脹力及相互約束力的大小及方向是相互依指出渠道襯砌上所受的凍結(jié)力、凍脹力及相互約束力的大小及方向是相互依存的，且都可表示為最大切向凍結(jié)力的函數(shù)，而最大切向凍結(jié)力則是反映土質(zhì)、存的，且都可表示為最大切向凍結(jié)力的函數(shù)，而最大切向凍結(jié)力則是反映土質(zhì)、負(fù)溫及水分狀況的綜合指標(biāo)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定。負(fù)溫及水分狀況的綜合指標(biāo)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定。從理論上揭示了寬淺式、從理論上揭示了寬淺式、弧形斷面襯砌渠道抗凍脹性能好的力學(xué)機(jī)理。弧形斷面襯砌渠道抗凍脹性能好的力學(xué)機(jī)理。需要說(shuō)明的是：需要說(shuō)明的是： （1 1）模型是建立在假定襯砌體結(jié)構(gòu)不發(fā)生局部強(qiáng)度破壞的前提下

26、整體達(dá)到極）模型是建立在假定襯砌體結(jié)構(gòu)不發(fā)生局部強(qiáng)度破壞的前提下整體達(dá)到極限狀態(tài)限狀態(tài). .但對(duì)大型或整體性差的襯砌渠道應(yīng)考慮局部破壞。但對(duì)大型或整體性差的襯砌渠道應(yīng)考慮局部破壞。 （2 2）力學(xué)模型對(duì)襯砌頂部約束影響的考慮不夠準(zhǔn)確，可根據(jù)實(shí)際適當(dāng)調(diào)整。）力學(xué)模型對(duì)襯砌頂部約束影響的考慮不夠準(zhǔn)確，可根據(jù)實(shí)際適當(dāng)調(diào)整。 （3 3）力學(xué)模型僅考慮凍結(jié)時(shí)地下水能供給到渠頂，否則應(yīng)從凍結(jié)時(shí)地下水能）力學(xué)模型僅考慮凍結(jié)時(shí)地下水能供給到渠頂，否則應(yīng)從凍結(jié)時(shí)地下水能供給到處以下為研究對(duì)象建立力學(xué)模型。供給到處以下為研究對(duì)象建立力學(xué)模型。 （4 4）力學(xué)模型沒(méi)有考慮凍土的不同本構(gòu)、晝夜溫變、日照輻射、三場(chǎng)耦合

27、等）力學(xué)模型沒(méi)有考慮凍土的不同本構(gòu)、晝夜溫變、日照輻射、三場(chǎng)耦合等問(wèn)題。問(wèn)題。 2.1.6 渠道襯砌凍脹破壞力學(xué)模型研究主要成果：渠道襯砌凍脹破壞力學(xué)模型研究主要成果：2.2.1 基于橫觀各向同性凍土的基于橫觀各向同性凍土的u形渠道凍脹數(shù)值模擬形渠道凍脹數(shù)值模擬 研究方法和技術(shù)路線研究方法和技術(shù)路線在以上凍土本構(gòu)模型研究的基礎(chǔ)上，考在以上凍土本構(gòu)模型研究的基礎(chǔ)上，考慮凍土和襯砌板的相互作用，視渠基凍慮凍土和襯砌板的相互作用，視渠基凍土和渠道為一個(gè)整體，將凍土分別按各土和渠道為一個(gè)整體，將凍土分別按各向同性材料和橫觀各向同性材料，視基向同性材料和橫觀各向同性材料，視基土凍脹為熱脹的特殊情況，應(yīng)用

28、大型有土凍脹為熱脹的特殊情況，應(yīng)用大型有限元通用軟件限元通用軟件ansysansys，按大體積超靜定，按大體積超靜定結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算方法，對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算方法，對(duì)u u形混凝土形混凝土襯砌渠道凍脹進(jìn)行熱應(yīng)力耦合數(shù)值模擬襯砌渠道凍脹進(jìn)行熱應(yīng)力耦合數(shù)值模擬，計(jì)算渠道的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，計(jì)算渠道的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，分析渠道凍脹受力和變形規(guī)律，并對(duì)，分析渠道凍脹受力和變形規(guī)律，并對(duì)比分析橫觀各向同性和各向同性凍土材比分析橫觀各向同性和各向同性凍土材料模型的計(jì)算結(jié)果。料模型的計(jì)算結(jié)果。建立力學(xué)模型建立力學(xué)模型1 1、各向同性本構(gòu)方程、各向同性本構(gòu)方程 2 2、橫觀各向同性本構(gòu)方程、橫觀各向

29、同性本構(gòu)方程 渠道靜力平衡方程渠道靜力平衡方程：0l幾何方程幾何方程： 本構(gòu)方程：本構(gòu)方程：luteeeeeeeeeeeezxyzxyzyxzxyzxyzyx000)1 (2000000)1 (2000000)1 (2000000100010001 ts1建立有限元模型建立有限元模型圖2-15 塬下北干渠斷面（cm）圖2-16 有限元單元模型 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng) 受到渠道東西走向的影響，陰陽(yáng)兩坡的溫受到渠道東西走向的影響，陰陽(yáng)兩坡的溫度分布有明顯差異，陰坡的溫度梯度大于度分布有明顯差異，陰坡的溫度梯度大于陽(yáng)坡的溫度梯度，各坡凍深分布狀況與溫陽(yáng)坡的溫度梯度，各坡凍深分布狀況與溫度分布規(guī)律基本相同度分布

30、規(guī)律基本相同, ,符合實(shí)測(cè)規(guī)律。符合實(shí)測(cè)規(guī)律。圖2-17 等溫線圖 變形場(chǎng)變形場(chǎng) 將凍土視為各向同性材料數(shù)值模擬結(jié)果是，渠道各部位變形主要將凍土視為各向同性材料數(shù)值模擬結(jié)果是，渠道各部位變形主要取決于溫度，陰坡的凍脹量要大于弧底，這與實(shí)測(cè)弧底變形最大的結(jié)取決于溫度，陰坡的凍脹量要大于弧底，這與實(shí)測(cè)弧底變形最大的結(jié)果不符；且各部位凍脹量比實(shí)測(cè)數(shù)值偏大。果不符；且各部位凍脹量比實(shí)測(cè)數(shù)值偏大。 將凍土視為橫觀各向同性材料進(jìn)行分析，弧底變形最大，陰坡次將凍土視為橫觀各向同性材料進(jìn)行分析，弧底變形最大，陰坡次之，與實(shí)測(cè)規(guī)律一致；且其各部位凍脹量數(shù)值與實(shí)測(cè)成果吻合很好，之，與實(shí)測(cè)規(guī)律一致；且其各部位凍脹量

31、數(shù)值與實(shí)測(cè)成果吻合很好，也比各向同性時(shí)普遍偏小，但弧底大小基本相同。也比各向同性時(shí)普遍偏小，但弧底大小基本相同。圖圖2-18 觀測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)布置圖觀測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)布置圖圖圖2-19 不同本構(gòu)模型渠道變位不同本構(gòu)模型渠道變位模擬值與實(shí)測(cè)值展開(kāi)圖模擬值與實(shí)測(cè)值展開(kāi)圖應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng) a.法向凍脹力法向凍脹力b.切向凍結(jié)力切向凍結(jié)力a.法向凍脹力法向凍脹力b.切向凍結(jié)力切向凍結(jié)力圖2-20 各向同性凍脹力分布圖圖2-21 橫觀各向同性凍脹力分布圖主要結(jié)論：主要結(jié)論： （1 1）利用有限元軟件將凍土與渠道襯砌體作為一個(gè)整體）利用有限元軟件將凍土與渠道襯砌體作為一個(gè)整體進(jìn)行熱、力、變形耦合有限元計(jì)算，結(jié)果基本

32、能反映混凝土進(jìn)行熱、力、變形耦合有限元計(jì)算，結(jié)果基本能反映混凝土襯砌渠道凍脹變形及受力規(guī)律，是簡(jiǎn)捷通用的方法，為渠道襯砌渠道凍脹變形及受力規(guī)律，是簡(jiǎn)捷通用的方法，為渠道抗凍脹設(shè)計(jì)提供了定量計(jì)算方法?？箖雒浽O(shè)計(jì)提供了定量計(jì)算方法。 （2 2）基于各向同性凍土的數(shù)值模擬，襯砌體受力及凍脹基于各向同性凍土的數(shù)值模擬，襯砌體受力及凍脹變形分布規(guī)律與簡(jiǎn)化力學(xué)模型基本一致；但與工程實(shí)測(cè)的受變形分布規(guī)律與簡(jiǎn)化力學(xué)模型基本一致；但與工程實(shí)測(cè)的受力及變形規(guī)律還有差異，數(shù)值均偏大。力及變形規(guī)律還有差異，數(shù)值均偏大。 （3）將凍土視為橫觀各向同性線彈性材料，符合凍土的將凍土視為橫觀各向同性線彈性材料，符合凍土的細(xì)觀

33、力學(xué)組構(gòu)，既能反映凍土凍脹時(shí)的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，細(xì)觀力學(xué)組構(gòu)，既能反映凍土凍脹時(shí)的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，又與實(shí)測(cè)情況吻合較好。又與實(shí)測(cè)情況吻合較好。 在前面在前面渠道凍脹數(shù)值模擬渠道凍脹數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，的基礎(chǔ)上，以某以某u 形渠觀測(cè)段形渠觀測(cè)段為研究對(duì)象，利用有限元方法為研究對(duì)象，利用有限元方法分析了一個(gè)凍融周期內(nèi)渠道的分析了一個(gè)凍融周期內(nèi)渠道的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化，溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化，以期尋以期尋求動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)引起渠道凍脹破求動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)引起渠道凍脹破壞的控制狀態(tài)，壞的控制狀態(tài)，分析和預(yù)測(cè)在分析和預(yù)測(cè)在凍融過(guò)程中基土溫度場(chǎng)、應(yīng)力凍融過(guò)程中基土溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及其位移特別是襯砌板上凍場(chǎng)及其位移特別是

34、襯砌板上凍脹力和凍脹變形的變化規(guī)律，脹力和凍脹變形的變化規(guī)律，為渠道抗凍脹設(shè)計(jì)提供更加科為渠道抗凍脹設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)的理論依據(jù)學(xué)的理論依據(jù)。2.2.2 周期性溫度變化下的混凝土襯砌渠道凍脹的數(shù)值模擬周期性溫度變化下的混凝土襯砌渠道凍脹的數(shù)值模擬圖2-23 有限元模型圖2-22 襯砌大u型渠道斷面 (cm) 邊界條件邊界條件)12242sin(6)286402sin()(000ttatrttf （1）瞬態(tài)邊界條件瞬態(tài)邊界條件 上邊界溫度表示為上邊界溫度表示為： 下邊界深度足夠達(dá)到下邊界深度足夠達(dá)到穩(wěn)定溫度，取值為穩(wěn)定溫度，取值為1010，左右邊界視為絕熱條件，左右邊界視為絕熱條件，位移邊界條件為

35、渠基左右位移邊界條件為渠基左右邊界水平方向位移為邊界水平方向位移為0 0，下，下邊界豎直方向位移為邊界豎直方向位移為0 0。 （2）穩(wěn)態(tài)邊界條件穩(wěn)態(tài)邊界條件 溫度場(chǎng)計(jì)算近似取原溫度場(chǎng)計(jì)算近似取原型各部位月平均表面溫度型各部位月平均表面溫度最大值作為有限元模型各最大值作為有限元模型各部位邊界溫度，邊界約束部位邊界溫度，邊界約束條件同瞬態(tài)分析。條件同瞬態(tài)分析。2-24 監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹量變化曲線2-25法向應(yīng)力變化曲線2-26切向應(yīng)力變化曲線注：時(shí)間為注：時(shí)間為1月月6日至日至4月月6日，共日，共90天天 (1) (1) 對(duì)渠道凍融過(guò)程渠基溫度變化進(jìn)行仿真分析，可知陰坡凍脹對(duì)渠道凍融過(guò)程渠基溫度變化進(jìn)行

36、仿真分析，可知陰坡凍脹期明顯長(zhǎng)于陽(yáng)坡，得到的渠道各邊坡的凍融日與實(shí)測(cè)情況一致，期明顯長(zhǎng)于陽(yáng)坡，得到的渠道各邊坡的凍融日與實(shí)測(cè)情況一致，陽(yáng)坡陽(yáng)坡滯后陰坡約滯后陰坡約1515天凍結(jié)天凍結(jié)，正是這種溫度場(chǎng)的不對(duì)稱、不均勻、不同步現(xiàn)，正是這種溫度場(chǎng)的不對(duì)稱、不均勻、不同步現(xiàn)象引起襯砌不均勻的凍脹與融沉病害。象引起襯砌不均勻的凍脹與融沉病害。 (2) (2) 運(yùn)用有限元方法對(duì)渠道凍融過(guò)程應(yīng)力、變形場(chǎng)進(jìn)行模擬可知：運(yùn)用有限元方法對(duì)渠道凍融過(guò)程應(yīng)力、變形場(chǎng)進(jìn)行模擬可知：凍脹量、凍脹力與冬季日溫度的變化規(guī)律比較一致，但最大凍脹量及凍脹量、凍脹力與冬季日溫度的變化規(guī)律比較一致，但最大凍脹量及最大凍脹力最大凍脹力

37、滯后日平均最低氣溫約滯后日平均最低氣溫約4 4天；天；襯砌底面法向、切向凍脹力襯砌底面法向、切向凍脹力發(fā)展雖然不同，但是與凍脹量一樣都顯現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，其時(shí)間大小分發(fā)展雖然不同，但是與凍脹量一樣都顯現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，其時(shí)間大小分布與相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)測(cè)資料一致，說(shuō)明瞬態(tài)數(shù)值模擬能掌握渠道抗凍脹布與相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)測(cè)資料一致，說(shuō)明瞬態(tài)數(shù)值模擬能掌握渠道抗凍脹設(shè)計(jì)的控制狀態(tài)。設(shè)計(jì)的控制狀態(tài)。因此，運(yùn)用瞬態(tài)結(jié)果進(jìn)行渠道抗凍脹設(shè)計(jì)更能掌握凍脹破壞的極限因此，運(yùn)用瞬態(tài)結(jié)果進(jìn)行渠道抗凍脹設(shè)計(jì)更能掌握凍脹破壞的極限狀態(tài)才是更加合理的。狀態(tài)才是更加合理的。 主要結(jié)論：主要結(jié)論：2.2.3 考慮日照熱輻射及熱傳導(dǎo)的渠道凍脹數(shù)值

38、模擬考慮日照熱輻射及熱傳導(dǎo)的渠道凍脹數(shù)值模擬 混凝土渠系結(jié)構(gòu)通常是暴露在混凝土渠系結(jié)構(gòu)通常是暴露在外面的，表面與空氣或水接觸，冬外面的，表面與空氣或水接觸，冬季晝夜太陽(yáng)輻射對(duì)渠道襯砌凍脹影季晝夜太陽(yáng)輻射對(duì)渠道襯砌凍脹影響較大。響較大。 本節(jié)考慮日照對(duì)襯砌渠道凍脹本節(jié)考慮日照對(duì)襯砌渠道凍脹量及凍脹力的影響，并按瞬態(tài)溫變量及凍脹力的影響，并按瞬態(tài)溫變模式加載溫度模式加載溫度, ,對(duì)襯砌渠道凍脹過(guò)對(duì)襯砌渠道凍脹過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。 本方法克服了渠道凍脹數(shù)值模本方法克服了渠道凍脹數(shù)值模擬分析依賴于實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)的缺陷。擬分析依賴于實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)的缺陷?？紤]日輻射的溫度變化考慮日輻射的溫度變

39、化 綜合分析熱傳導(dǎo)方程、定解條綜合分析熱傳導(dǎo)方程、定解條件、太陽(yáng)輻射熱的規(guī)律等，日照件、太陽(yáng)輻射熱的規(guī)律等，日照引起的溫度升值可以表示如下：引起的溫度升值可以表示如下： 012spass日變化溫度為：2t02t2)cos(ssssssapppptaat當(dāng)當(dāng)計(jì)算實(shí)例計(jì)算實(shí)例某某u形渠觀測(cè)段斷面形式（同圖形渠觀測(cè)段斷面形式（同圖2-22）正弦環(huán)境溫度變化正弦環(huán)境溫度變化：)12242sin(6)286402sin(15.1395.9)(tttf輻射的溫度增值輻射的溫度增值22.11sin24nt2411,int( )2412240ttnnf t 其中其他時(shí)間20.65sin24nt2411,int

40、( )2412240ttnnf t其中其他時(shí)間25.33sin24nt2411,int( )2412240ttnnf t其中其他時(shí)間渠底：陰坡：陽(yáng)坡：注：其中 int()表示取整操作。u形渠道有限元模型（同圖形渠道有限元模型（同圖2-23）b. 不考慮熱輻射的不考慮熱輻射的正弦溫度變化正弦溫度變化a.考慮熱輻射的考慮熱輻射的正弦溫度變化正弦溫度變化圖2-27 溫度、凍脹量和法向凍脹力比較主要結(jié)論：主要結(jié)論： 考慮到太陽(yáng)輻射之后，基土和襯砌板的溫度場(chǎng)、凍脹力、凍考慮到太陽(yáng)輻射之后，基土和襯砌板的溫度場(chǎng)、凍脹力、凍脹量與不考慮差別顯著，陽(yáng)坡差異最大、渠底其次、陰坡最??；脹量與不考慮差別顯著，陽(yáng)坡差

41、異最大、渠底其次、陰坡最??； 不考慮熱輻射的模擬值比考慮之后結(jié)果都偏大；不考慮熱輻射的模擬值比考慮之后結(jié)果都偏大； 考慮熱輻射的渠道凍脹數(shù)值模擬方法，克服了通過(guò)實(shí)測(cè)混凝考慮熱輻射的渠道凍脹數(shù)值模擬方法，克服了通過(guò)實(shí)測(cè)混凝土板各點(diǎn)晝夜溫度來(lái)確定邊界條件的缺陷，使襯砌渠道凍脹預(yù)測(cè)土板各點(diǎn)晝夜溫度來(lái)確定邊界條件的缺陷，使襯砌渠道凍脹預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)模擬分析更加方便科學(xué)。及動(dòng)態(tài)模擬分析更加方便科學(xué)。2.2.4 渠道凍脹敏感性數(shù)值模擬分析渠道凍脹敏感性數(shù)值模擬分析 工程實(shí)踐中已陸續(xù)提出了多種行之有效的防凍脹技術(shù)措施。如工程實(shí)踐中已陸續(xù)提出了多種行之有效的防凍脹技術(shù)措施。如何對(duì)防凍脹技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)選，精確評(píng)價(jià)各

42、種防凍脹措施的應(yīng)用效何對(duì)防凍脹技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)選，精確評(píng)價(jià)各種防凍脹措施的應(yīng)用效果，探尋效果最顯著的防凍脹措施，果，探尋效果最顯著的防凍脹措施， 本節(jié)利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，基于渠道凍脹有限元數(shù)值模擬，本節(jié)利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，基于渠道凍脹有限元數(shù)值模擬，選取渠道凍脹不均勻系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以渠道斷面形式、混凝土選取渠道凍脹不均勻系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以渠道斷面形式、混凝土襯砌板厚度、分縫位置、渠基土凍脹系數(shù)和混凝土襯砌板彈性模量襯砌板厚度、分縫位置、渠基土凍脹系數(shù)和混凝土襯砌板彈性模量e e作為影響因素，對(duì)渠道凍脹進(jìn)行敏感性分析。作為影響因素，對(duì)渠道凍脹進(jìn)行敏感性分析。因素因素水平水平1 12 23

43、 3渠渠 道道斷面形式斷面形式梯形渠道梯形渠道弧底梯形弧底梯形u u形渠道形渠道襯砌板襯砌板厚度（厚度（cm）81012分縫位置分縫位置凍脹系數(shù)凍脹系數(shù)0.51.01.5砼彈性模量砼彈性模量e（e10 pa）2.42.62.8表表2-1 各因素取值各因素取值 分縫位置：襯砌板坡高1/3處設(shè)縫 分縫位置：襯砌板坡腳處設(shè)縫 分縫位置：襯砌板不設(shè)縫圖2-29 分縫位置（以梯形渠道為例）圖2-28 斷面形式（cm）表2-2 極差分析表表2-3 方差分析表圖2-28影響因素趨勢(shì)圖 (1)(1) 通過(guò)極差分析，得出影響渠道凍脹的五個(gè)因素的敏感性由大到小依通過(guò)極差分析，得出影響渠道凍脹的五個(gè)因素的敏感性由大

44、到小依次排列為：次排列為：渠道斷面形式基土凍脹系數(shù)分縫位置混凝土襯砌板厚度渠道斷面形式基土凍脹系數(shù)分縫位置混凝土襯砌板厚度混凝土襯砌板彈性模量混凝土襯砌板彈性模量e，基本符合凍脹過(guò)程中的實(shí)際情況。，基本符合凍脹過(guò)程中的實(shí)際情況。 (2)(2) 由趨勢(shì)圖可得：凍脹不均勻程度隨渠基土凍脹系數(shù)增大而增大；隨由趨勢(shì)圖可得：凍脹不均勻程度隨渠基土凍脹系數(shù)增大而增大；隨混凝土襯砌板厚度增大而減小，即襯砌板越厚凍脹越均勻；隨著彈性模量增混凝土襯砌板厚度增大而減小，即襯砌板越厚凍脹越均勻；隨著彈性模量增大而減小，這說(shuō)明混凝土彈模越高，對(duì)凍脹基土約束越強(qiáng)，則凍脹變位越??；大而減小，這說(shuō)明混凝土彈模越高，對(duì)凍脹基

45、土約束越強(qiáng)，則凍脹變位越小；在在1/3處設(shè)縫時(shí)，凍脹變形分布最均勻；采用處設(shè)縫時(shí)，凍脹變形分布最均勻；采用u形渠道能有效地降低渠道凍脹形渠道能有效地降低渠道凍脹變形。變形。 (3)(3) 根據(jù)各因素的趨勢(shì)分析和方差分析，在實(shí)際工程中，襯砌弧底梯形根據(jù)各因素的趨勢(shì)分析和方差分析，在實(shí)際工程中，襯砌弧底梯形和和u形斷面形式的渠道、換填渠床土質(zhì)、鋪設(shè)聚苯板等保溫材料、進(jìn)行渠基形斷面形式的渠道、換填渠床土質(zhì)、鋪設(shè)聚苯板等保溫材料、進(jìn)行渠基排水等等，采用這些措施來(lái)削弱渠基土凍脹對(duì)渠道的破壞，效果最顯著；襯排水等等，采用這些措施來(lái)削弱渠基土凍脹對(duì)渠道的破壞，效果最顯著；襯砌板設(shè)縫、增厚混凝土襯砌板具有明顯

46、的效果；通過(guò)提高襯砌混凝土強(qiáng)度則砌板設(shè)縫、增厚混凝土襯砌板具有明顯的效果；通過(guò)提高襯砌混凝土強(qiáng)度則效果較差。從而為探索混凝土襯砌渠道最有效的抗凍脹措施及設(shè)計(jì)方法提供效果較差。從而為探索混凝土襯砌渠道最有效的抗凍脹措施及設(shè)計(jì)方法提供了科學(xué)合理的方法和依據(jù)了科學(xué)合理的方法和依據(jù)。主要結(jié)論：主要結(jié)論：三三 、應(yīng)用研究、應(yīng)用研究 工程實(shí)踐中對(duì)高地下水位區(qū)灌溉渠道的襯護(hù)，缺乏簡(jiǎn)捷有效且經(jīng)濟(jì)適工程實(shí)踐中對(duì)高地下水位區(qū)灌溉渠道的襯護(hù)，缺乏簡(jiǎn)捷有效且經(jīng)濟(jì)適用的方法，許多工程仍采用傳統(tǒng)的渠道防滲襯砌，致使大量渠道短期使用用的方法，許多工程仍采用傳統(tǒng)的渠道防滲襯砌，致使大量渠道短期使用后因凍脹邊坡失穩(wěn)，滑塌破壞嚴(yán)

47、重。后因凍脹邊坡失穩(wěn)，滑塌破壞嚴(yán)重。 針對(duì)該情況提出濾透式剛?cè)狁詈弦r護(hù)結(jié)構(gòu)，其基本原理：一是采取針對(duì)該情況提出濾透式剛?cè)狁詈弦r護(hù)結(jié)構(gòu)，其基本原理：一是采取“疏導(dǎo)導(dǎo)滲疏導(dǎo)導(dǎo)滲”為主的技術(shù)路線；二是布設(shè)特殊的框架式襯護(hù)構(gòu)件，起到防為主的技術(shù)路線；二是布設(shè)特殊的框架式襯護(hù)構(gòu)件，起到防滑固坡作用，骨架內(nèi)空隙部分填以塊狀柔性充填材料（塊石或卵石），充滑固坡作用，骨架內(nèi)空隙部分填以塊狀柔性充填材料（塊石或卵石），充填材料間隙可排水導(dǎo)滲填材料間隙可排水導(dǎo)滲, , 整體上形成以襯護(hù)構(gòu)件為骨架，以塊狀充填材料整體上形成以襯護(hù)構(gòu)件為骨架，以塊狀充填材料為實(shí)體，以渠床濾料為保護(hù)層的剛?cè)狁詈弦r護(hù)結(jié)構(gòu)。為實(shí)體，以渠床濾

48、料為保護(hù)層的剛?cè)狁詈弦r護(hù)結(jié)構(gòu)。 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)構(gòu)既能適用于地下水位較高的灌溉輸水渠道，濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)構(gòu)既能適用于地下水位較高的灌溉輸水渠道，又能適用于治理鹽堿地和控制地下水位的排水渠，同時(shí)可將輸排功能合一，又能適用于治理鹽堿地和控制地下水位的排水渠，同時(shí)可將輸排功能合一，已在甘肅省部分灌區(qū)灌排渠道工程中初步應(yīng)用（圖已在甘肅省部分灌區(qū)灌排渠道工程中初步應(yīng)用（圖3-13-1）。）。3.1.1 研究背景研究背景 a 襯砌前b 襯砌后圖3-1 東坪電灌工程渠道圖3-2 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道有限元模型 圖3-3 全斷面襯砌渠道有限元模型 3.1.2 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道凍脹有限元分析濾透

49、式剛?cè)狁詈弦r砌渠道凍脹有限元分析建立有限元模型建立有限元模型圖3-4 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道位移場(chǎng)云圖（單位m） 圖3-5 全斷面襯砌渠道位移場(chǎng)云圖（單位m） 凍脹位移比較凍脹位移比較圖3-6 凍脹量比較圖（單位cm） 從圖中可以看出前者的凍脹量明顯小于后者，其中最大凍從圖中可以看出前者的凍脹量明顯小于后者，其中最大凍脹量陰坡坡板較后者減小脹量陰坡坡板較后者減小30%，底板減小，底板減小34%，陽(yáng)坡坡板減小，陽(yáng)坡坡板減小19%。圖3-7 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道法向應(yīng)力圖(單位mpa) 圖3-8 全斷面襯砌渠道法向應(yīng)力圖(單位mpa) 對(duì)兩種襯砌渠道法向應(yīng)力進(jìn)行比較，圖中濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道法

50、對(duì)兩種襯砌渠道法向應(yīng)力進(jìn)行比較，圖中濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道法向應(yīng)力明顯的小于全斷面襯砌渠道法向應(yīng)力，其中陰坡法向最大應(yīng)力較向應(yīng)力明顯的小于全斷面襯砌渠道法向應(yīng)力，其中陰坡法向最大應(yīng)力較全斷面襯砌渠道減小全斷面襯砌渠道減小34%34%，渠底法向最大應(yīng)力減小，渠底法向最大應(yīng)力減小48%48%，陽(yáng)坡法向最大應(yīng)，陽(yáng)坡法向最大應(yīng)力減小力減小38%38%，并且前者應(yīng)力分布更加均勻。，并且前者應(yīng)力分布更加均勻。 襯砌板法向應(yīng)力比較襯砌板法向應(yīng)力比較圖3-9 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道切向應(yīng)力圖(單位mpa) 圖3-10 全斷面襯砌渠道切向應(yīng)力圖(單位mpa) 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道的切向凍脹力明顯較小，分布更均

51、勻。濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道的切向凍脹力明顯較小，分布更均勻。襯砌板切向應(yīng)力比較襯砌板切向應(yīng)力比較 （1 1）高地下水位地段，應(yīng)改變渠道全斷面整體剛性襯砌的傳統(tǒng)）高地下水位地段，應(yīng)改變渠道全斷面整體剛性襯砌的傳統(tǒng)襯砌方式，采用濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)構(gòu)，既可防滑固坡，又可導(dǎo)襯砌方式，采用濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)構(gòu)，既可防滑固坡，又可導(dǎo)滲排水，渠側(cè)與渠底框架式襯護(hù)構(gòu)件內(nèi)填塊石（卵石）具有良好的滲排水，渠側(cè)與渠底框架式襯護(hù)構(gòu)件內(nèi)填塊石（卵石）具有良好的變形適應(yīng)性。變形適應(yīng)性。 （2 2）渠道凍脹數(shù)值模擬定量分析驗(yàn)證了濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)）渠道凍脹數(shù)值模擬定量分析驗(yàn)證了濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)構(gòu)凍脹量總體明顯降低

52、，法向凍脹力和切向凍脹力均顯著減小，較構(gòu)凍脹量總體明顯降低，法向凍脹力和切向凍脹力均顯著減小，較全斷面襯砌結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢(shì)。全斷面襯砌結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢(shì)。3.1.3 主要結(jié)論主要結(jié)論 下面下面對(duì)設(shè)置不同縱縫結(jié)構(gòu)措施和瀝青混凝土與對(duì)設(shè)置不同縱縫結(jié)構(gòu)措施和瀝青混凝土與聚合物柔性增強(qiáng)涂層兩種防滲抗凍脹措施進(jìn)行渠道聚合物柔性增強(qiáng)涂層兩種防滲抗凍脹措施進(jìn)行渠道抗凍脹數(shù)值模擬分析，評(píng)價(jià)其抗凍脹性能及效果，抗凍脹數(shù)值模擬分析，評(píng)價(jià)其抗凍脹性能及效果，為混凝土襯砌渠道防凍脹設(shè)計(jì)優(yōu)選有效的工程措施。為混凝土襯砌渠道防凍脹設(shè)計(jì)優(yōu)選有效的工程措施。3.2.1 設(shè)置不同縱縫的混凝土襯砌渠道凍脹數(shù)值模擬設(shè)置不同縱縫的混凝土襯

53、砌渠道凍脹數(shù)值模擬渠道有限元模型渠道有限元模型 根據(jù)理論分析及根據(jù)理論分析及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梯形渠道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梯形渠道襯砌板彎矩的最大值襯砌板彎矩的最大值約在靠近渠底的約在靠近渠底的1/31/3處。故而本節(jié)對(duì)不設(shè)處。故而本節(jié)對(duì)不設(shè)縱縫、坡角處及縱縫、坡角處及1/31/3坡高處設(shè)縱縫的混凝坡高處設(shè)縱縫的混凝土襯砌渠道凍脹進(jìn)行土襯砌渠道凍脹進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其結(jié)果數(shù)值模擬，對(duì)其結(jié)果分析比較分析比較。 圖3-11 梯形渠道有限元模型 凍脹位移比較凍脹位移比較圖3-12 渠道監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖 圖3-13 凍脹量比較圖 就渠底板凍脹變形而就渠底板凍脹變形而言，兩端受邊坡的約束、言，兩端受邊坡的約束、凍脹變形呈中部大

54、兩端凍脹變形呈中部大兩端小，因而往往在底板中小，因而往往在底板中部彎折斷裂。部彎折斷裂。 渠坡板上部與渠堤頂渠坡板上部與渠堤頂部?jī)鼋Y(jié)為一體同步變形部?jī)鼋Y(jié)為一體同步變形,下部受底板限制，中下下部受底板限制，中下部?jī)雒涀冃屋^大。部?jī)雒涀冃屋^大。 通過(guò)不同設(shè)縫，最通過(guò)不同設(shè)縫，最大凍脹量坡板減小大凍脹量坡板減小43，底板減小底板減小52，且整體，且整體分布更加均勻。分布更加均勻。2.511.2350.810.74 1.91.0322.21.680.720.730.691.20.471.261.340.890.870.78 1.460.50應(yīng)力比較應(yīng)力比較(a) 不設(shè)縫 (b) 坡腳處設(shè)縫 (c) 1

55、/3坡高處設(shè)縫1.281.31.10.81.041.40.680.90.810.70.80.950.910.530.721.060.780.55(a) 不設(shè)縫 (b) 坡腳處設(shè)縫 (c) 1/3坡高處設(shè)縫圖3-14 法向凍脹力比較 圖3-15 切向凍脹力比較 主要結(jié)論：主要結(jié)論： （1 1）位移場(chǎng)數(shù)值分析表明，在不設(shè)縱縫時(shí)襯砌板的凍脹量）位移場(chǎng)數(shù)值分析表明，在不設(shè)縱縫時(shí)襯砌板的凍脹量分布是坡板在下分布是坡板在下1/31/3附近最大，底板在渠中心最大；附近最大，底板在渠中心最大；不同設(shè)縫時(shí)，不同設(shè)縫時(shí)，襯砌板最大凍脹量總體明顯降低，而且分布更為均勻；特別是在襯砌板最大凍脹量總體明顯降低，而且分布

56、更為均勻；特別是在坡板下部坡板下部1/31/3處設(shè)縫時(shí)，最大凍脹量降低處設(shè)縫時(shí)，最大凍脹量降低52%52%。 （2 2）應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，法向凍脹力呈上小下大規(guī)律分布，）應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，法向凍脹力呈上小下大規(guī)律分布，在渠底則趨于均布；切向凍脹力沿坡面呈上小下大的規(guī)律，在渠在渠底則趨于均布；切向凍脹力沿坡面呈上小下大的規(guī)律，在渠底幾乎趨于零；底幾乎趨于零；通過(guò)設(shè)縫均能明顯降低襯砌板下表面的法向及切通過(guò)設(shè)縫均能明顯降低襯砌板下表面的法向及切向凍脹力；可使法向凍脹力降低向凍脹力；可使法向凍脹力降低35%35%45%45%，切向凍脹力降低，切向凍脹力降低25%25%32%32%。 （3 3）設(shè)置不同

57、縱縫都會(huì)顯著降低最大凍脹量及最大凍脹力，）設(shè)置不同縱縫都會(huì)顯著降低最大凍脹量及最大凍脹力，而且使凍脹量及凍脹力分布趨于均勻化。因此設(shè)縱縫是簡(jiǎn)單有效而且使凍脹量及凍脹力分布趨于均勻化。因此設(shè)縱縫是簡(jiǎn)單有效的渠道防凍脹措施，而且坡板較長(zhǎng)時(shí)在下部的渠道防凍脹措施，而且坡板較長(zhǎng)時(shí)在下部1/31/3處設(shè)縫最為有效，處設(shè)縫最為有效，這在前文敏感性分析中也得到了證明。這在前文敏感性分析中也得到了證明。3.2.2 瀝青混凝土與聚合物柔性增強(qiáng)涂層瀝青混凝土與聚合物柔性增強(qiáng)涂層 襯砌渠道抗凍脹數(shù)值模擬襯砌渠道抗凍脹數(shù)值模擬襯襯 砌砌 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 形形 式式圖3-16 瀝青混凝土渠道防滲圖3-17 聚合物柔性增強(qiáng)涂

58、層建立渠道有限元模型建立渠道有限元模型（同圖3-11）柔性增強(qiáng)涂層的模擬采用四結(jié)點(diǎn)殼單元，即柔性增強(qiáng)涂層的模擬采用四結(jié)點(diǎn)殼單元，即mitc4 shell，在，在adina中已具有其很好的算法和精度中已具有其很好的算法和精度。 瀝青混凝土襯砌瀝青混凝土襯砌和柔性增強(qiáng)涂層材料和柔性增強(qiáng)涂層材料結(jié)構(gòu)由于彈性模量顯結(jié)構(gòu)由于彈性模量顯著降低及熱脹系數(shù)增著降低及熱脹系數(shù)增大，因而凍脹變形明大，因而凍脹變形明顯增大，可顯著降低顯增大，可顯著降低凍脹應(yīng)力。凍脹應(yīng)力。 凍脹位移比較凍脹位移比較圖3-18 凍脹量比較圖 圖3-19 法向凍脹力比較 (a) 普通混凝土 (b) 瀝青混凝土 (b)聚合物柔性增強(qiáng)涂層

59、圖圖3-193-19給出了不同情況給出了不同情況下襯砌板下表面的法向凍脹下襯砌板下表面的法向凍脹力分布圖，由圖可知，法向力分布圖，由圖可知，法向凍脹力沿坡面呈上小下大規(guī)凍脹力沿坡面呈上小下大規(guī)律分布，在渠底趨于均勻，律分布，在渠底趨于均勻，陰坡較陽(yáng)坡數(shù)值更大，情況陰坡較陽(yáng)坡數(shù)值更大，情況2 2、3 3采用柔性材料，變形得到采用柔性材料，變形得到釋放，受力狀態(tài)得到改善，釋放，受力狀態(tài)得到改善，數(shù)值變小，如圖（數(shù)值變小，如圖（b b）和圖（）和圖（c c）。就本例而言，采用瀝青）。就本例而言，采用瀝青混凝土防滲結(jié)構(gòu)可使陰坡最混凝土防滲結(jié)構(gòu)可使陰坡最大法向凍脹力降低大法向凍脹力降低2525，局，局部

60、最大能降到部最大能降到4646，采用聚，采用聚合物材料防護(hù)結(jié)構(gòu)，陰坡最合物材料防護(hù)結(jié)構(gòu)，陰坡最大法向凍脹力降低大法向凍脹力降低3535，局，局部最大能降到部最大能降到4242。法向應(yīng)力比較法向應(yīng)力比較襯砌板上表面拉應(yīng)變與容許拉應(yīng)變之比襯砌板上表面拉應(yīng)變與容許拉應(yīng)變之比 襯砌板的抗凍脹性能從根本襯砌板的抗凍脹性能從根本上可看成是表面拉應(yīng)力與極限拉上可看成是表面拉應(yīng)力與極限拉應(yīng)力或者表面拉應(yīng)變與極限拉應(yīng)應(yīng)力或者表面拉應(yīng)變與極限拉應(yīng)變之間的差距。因此，給出對(duì)不變之間的差距。因此，給出對(duì)不同情況下的極限拉應(yīng)力、極限拉同情況下的極限拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)變與實(shí)際值進(jìn)行比較（見(jiàn)圖應(yīng)變與實(shí)際值進(jìn)行比較（見(jiàn)圖3-2