板缝对U形砼衬砌渠道冻胀响应与衬砌板结构优化

摘要

为探索季冻区防渗衬砌渠道混凝土板缝对冻胀变形的影响，以宁夏引黄灌区小型U形混凝土衬砌渠道为研究对象，在整体式、两拼式和多拼式U形混凝土衬砌渠道上设计并布置了冻胀监测试验系统，就板缝对不同混凝土拼装结构的U形渠道的冻胀响应开展了相关研究。
　　首先通过2015-2016年冻融期冻胀量监测数据，分析了由板缝引起的衬砌板破坏严重的成因。据此，将2016-2017年冻融期内的监测试验方案做了改进，在同一条渠道相近渠段上对U形混凝土衬砌渠道的常规板缝结构和经过加固处理消除板缝影响的无板缝结构布置了原位监测试验，并分析处理了一个完整冻融周期内两种结构的冻胀量、法向冻胀力的监测数据及其衬砌板冻胀变形规律。进而借助冻土Winkler弹性地基梁理论，建立了考虑冻土法向和切向双向冻胀的开放系统下无缝U形混凝土衬砌渠道的力学模型，得到冻胀力和内力计算公式，以监测试验区无缝U形混凝土衬砌渠道为算例，分析计算了该结构的冻胀力及其内力分布规律，并与实际监测数据和已有力学模型作了对比分析。最后提出了以榫接结构连接的装配式U形砼衬砌渠道设计概念，并对其构造要素、受力情况、实用性和防渗性做了简要说明。具体研究结果如下:
　　(1)板缝是U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的薄弱部位，其破坏原因是板缝两侧衬砌板冻胀位移差较大所致，通过原位监测数据分析，发现板缝冻胀破坏较衬砌板更为严重，大部分衬砌板裂缝起始于板缝处并延伸扩展至衬砌板。
　　(2)在土壤温度和土壤含水率相近情况下，消除了板缝影响的无板缝U形混凝土衬砌结构冻胀量均小于传统U形混凝土衬砌结构，且前者的法向冻胀力分布更均匀。
　　(3)利用所建立的考虑双向冻胀开放系统下无缝U形混凝土衬砌渠道的力学模型分析计算得到在U形渠道底部和距离渠底1/3渠深处会发生较大弯矩，且法向冻胀力与监测数据基本一致。表明无缝U形混凝土衬砌结构有良好的抗冻胀性能。
　　(4)针对U形混凝土衬砌渠道最大弯矩处恰好是板缝联接处的实际情况，设计了一种受力条件和防渗性能较好的榫接结构及其构造形式。

目录

声明

摘要

第一章引言

1．1课题的背景及意义

1．1．1研究背景

1．1．2研究意义

1．2国内外衬砌渠道冻胀研究现状及问题

1．2．1衬砌渠道衬砌试验的研究现状

1．2．2衬砌渠道冻胀机理研究现状

1．2．3衬砌渠道力学模型研究现状

1．2．4衬砌渠道数值模拟研究现状

1．2．5衬砌渠道抗冻胀技术和结构研究现状

1．3 U形混凝土衬砌渠道研究方案

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

1．3．3拟解决问题

1．3．4研究方法

1．3．5研究技术路线

1．4本章小结

2．1原型试验区概况

2．1．1试验区地理位置及环境

2．1．2水文气象条件

2．1．3地形、地貌及土壤土质

2．1．4水资源状况

2．2试验段基本数据及工程现状

2．2．1试验区渠道基本情况

2．2．2试验区渠道的水利要素

2．2．3试验区监测段的选择

2．2．4试验区水利工程现状

2．3试验目的及内容

2．3．1试验目的

2．3．2试验内容

2．4试验仪器及布置

2．4．1试验仪器介绍

2．4．2现场布置说明

2．5 2015-2016年度冻融期试验方案

2．5．1冻胀量监测试验方案

2．5．2试验方案改进措施

2．6 2016-2018年度冻融期试验方案

2．6．1 2016-2017年度冻融期试验段板缝结构处理方案

2．6．2冻深的布置

2．6．3土壤温度的布置

2．6．4土壤含水率的布置

2．6．5冻胀量的布置

2．6．6法向冻胀力的布置

2．6．7监测方案改进措施

2．6．8 2017-2018年度冻融期试验方案

2．7本章小结

第三章板缝冻胀变形分析及衬砌板结构对冻胀的响应

3．1板缝冻胀变形分析

3．1．1整体式U形混凝土衬砌渠道冻胀量

3．1．2两拼式U形混凝土衬砌渠道冻胀量

3．1．3多拼式U形混凝土衬砌渠道冻胀量

3．1．4混凝土衬砌优化方案分析

3．2板缝结构对U形混凝土衬砌渠道冻胀响应

3．2．1土壤温度的处理及分析

3．2．2土壤含水率数据处理及分析

3．2．3法向冻胀力数据处理及分析

3．2．3冻胀量数据处理及分析

3．3本章小结

第四章考虑冻土双向冻胀的无缝U形渠道力学模型

4．1无缝U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏特征及原因

4．1．1无缝U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏特征

4．1．2无缝u形混凝土衬砌渠道冻胀破坏原因

4．2无缝U形混凝土衬砌渠力学模型建立思路

4．3考虑冻土双向冻胀的无缝U形渠道力学模型

4．3．1开放系统下U形混凝土衬砌渠道冻胀情况

4．3．2基本假设

4．3．3计算简图

4．3．4衬砌板切向冻结力的计算

4．3．5衬砌板法向冻胀力与切向冻胀力计算

4．2．6衬砌板内力计算

4．4算例分析

4．5力学模型的对比分析

4．5．1冻胀力的对比

4．5．2最大弯矩截面的对比

4．6本章小结

第五章装配式U形混凝土衬砌渠道的榫接结构设计

5．1 U形混凝土衬砌结构现有研究

5．2设计目的

5．3设计理念及要点

5．3．1设计理念

5．3．2衬砌板跨度设计

5．3．3装配式U形混凝土衬砌渠道构造选取

5．3．4榫接接缝的构造要素

5．3．5 U形混凝土衬砌渠道榫接设计图

5．3．6设计要点

5．3．7施工要点

5．4装配式U形混凝土衬砌渠道受力分析

5．4．1直线段受力分析

5．4．2圆弧段受力分析

5．5设计结构实用性和防渗效果分析

5．5．1设计结构实用性分析

5．5．2防渗效果分析

5．5．3适用范围及经济性分析

5．4本章小结

第六章结论与展望

6．1研究结论

6．2研究存在问题及展望

参考文献

致谢

个人简历