U型混凝土渠道衬砌板及横缝冻胀破坏数值模拟研究

摘要

本文针对北方广大季节性冻土灌区的装配式U型混凝土渠道衬砌受冻胀破坏的问题，立足宁夏银北灌区五段混凝土衬砌渠道和宁夏大学文萃校区装配式U型混凝土渠衬砌渠道冻胀观测试验区，采用调查研究、现场观测和计算机数值模拟方法，对U型混凝土渠道衬砌板及横缝冻胀破坏数值模拟进行了较为系统的研究，为装配式U型混凝土渠道防渗抗冻技术推广提供了理论依据。本文主要研究成果如下:
　　(1)通过混凝土衬砌渠道田间冻胀试验观测分析得出:2015年12月下旬至次年1月下旬为渠基土低温期与冻胀量高值区间，温度最小值与冻胀量峰值往往出现在这一区间。渠基土温度与冻胀力、冻胀量关系密切，随着温度的降低，冻胀力、冻胀量均有升高的趋势。阳坡直线段处、阳坡弧线段处、阴坡直线段处、阳坡弧线段处四处受冻胀影响程度明显不同，其中阴坡弧段渠基土冻胀量最大。
　　(2)通过银北灌区U型混凝土衬砌渠道实地测量分析，确定了渠道衬砌有限元模型几何参数:衬砌板的宽度为40cm、倾角为22度、厚度为6cm，横缝的宽度设定在3-18cm的取值范围，混凝土强度为C15-C30。通过裂缝观测分析得出:冻胀裂缝出现位置一般在弧线段与直线段的交界处，宽度在2mm左右，且横缝比衬砌板的冻胀破坏情况严重，阴坡衬砌板比阳坡衬砌板的破坏情况严重。
　　(3)通过U型混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟分析得出:横缝混凝土强度增加，有利于渠道抵抗冻胀，尤其在两段直线段表现的较为明显，而在横缝的两段弧线段的差异性并不大。通过不同混凝土强度最大冻胀位移减小量的比较，选用强度级别为C25的混凝土作为横缝材性比较适宜;在横缝宽度不断增加的过程中，横缝冻胀位移在不断减少，当横缝宽度为15cm时，阴坡最大冻胀位移减小量最大，可以作为渠道设计时横缝宽度的参考值。U型混凝土渠道的冻胀破坏主要出现在直线段与弧线段衔接处，阴坡冻胀破坏情况比阳坡更为严重横缝比衬砌板更容易受到冻胀破坏的影响，数值模拟裂缝特征与实际冻胀裂缝观测结果基本相吻合。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 渠道防渗抗冻胀技术的发展现状

1．2．1 渠道防渗技术发展现状

1．2．2 渠道抗冻胀技术发展现状

1．2．3 渠道冻胀数值模拟发展现状

1．3 目前存在的问题

1．4 研究意义

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 拟解决的关键问题

1．5 技术路线

第二章 U型混凝土衬砌渠道冻胀数据采集试验

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验区概况

2．2．2 试验设计

2．2．3 试验材料与实施

2．2．4 试验仪器参数

2．2．5 试验观测项目与方法

2．3 结果与分析

2．3．1 U型混凝土衬砌渠道渠基土温度分析

2．3．2 U型混凝土衬砌渠道冻胀量分析

2．3．3 U型混凝土衬砌渠道渠基土温度对冻胀量的影响

2．3．4 U型混凝土衬砌渠道渠基土温度与冻胀力的关系

2．4 本章小结

第三章 银北灌区U型混凝土衬砌渠道参数观测分析

3．1 引言

3．2 试验材料与方法

3．2．1 灌区概况

3．2．2 测定项目、仪器及方法

3．2．3 数据分析及处理方法

3．2．4 回弹值计算

3．2．5 超声测试及声速值计算

3．2．6 混凝土强度推定

3．3 结果与分析

3．3．1 U型混凝土渠道衬砌板几何参数分析

3．3．2 U型混凝土渠道横缝宽度统计

3．3．3 衬砌板及横缝混凝土强度推定及统计

3．3．4 衬砌板及横缝裂缝分布特征

3．4 本章小结

第四章 不同宽度与强度横缝的混凝土渠道冻胀数值模拟

4．1 引言

4．2 基本假设

4．3 混凝土材料本构关系

4．4 有限元模型建立

4．4．1 几何模型的建立

4．4．2 边界条件和荷载的定义

4．4．3 混凝土材料的设定

4．4．4 单元组设定与网格划分

4．4．5 时间函数与时间步设定

4．4．6 求解设置

4．5 有限元模型库的建立

4．6 渠道及横缝冻胀数值模拟结果分析

4．6．1 不同强度横缝渠道横向冻胀变位数值模拟分析

4．6．2 不同宽度横缝渠道横向冻胀变位数值模拟分析

4．6．3 冻胀破坏裂缝的模拟结果

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

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