大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及数值模拟
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摘要
随着我国经济社会的进一步发展,水资源紧缺的矛盾日益突出,建立节水型社会,发展节水灌溉势在必行。在我国北方广大季节性冻土地区,修建了大量渠道防渗工程,其中大U形混凝土衬砌渠道以水力条件好、占地面积少、抗冻胀性能好的特点而被广泛采用。在冬季,由于渠基土的冻胀作用,这些渠道防渗工程都不同程度地遭受到冻胀破坏,发生鼓胀、裂缝、滑塌等现象,有的甚至失去了防渗意义,从而造成灌区维修管理费用的增加,甚至重复投资进行改建,严重影响了水利工程效益的发挥,制约着渠道防渗工程的发展。其主要原因是未能充分认识渠基土的冻胀规律,多数渠道防渗工程设计时,没法准确考虑负温作用下渠基土特有的物理力学性质,渠基冻土与渠道衬砌体之间的相互作用以及渠道冬季工作的特点。因此,要使渠道防渗体长期发挥防渗效益,亟待解决冻胀破坏问题。
本文在阅读和分析大量文献资料的基础上,详细总结和阐述了与课题相关的理论,如国内外渠道防渗防冻胀技术发展的现状,渠道冻胀防治技术与措施,各种形式混凝土衬砌渠道冻胀机理及破坏特征等;然后主要针对大U形混凝土衬砌渠道,着重分析其冻胀机理和冻胀破坏特点,通过恰当的假设,建立起大U混凝土衬砌渠道非对称冻胀破坏的力学模型,只需选取最大冻结力一个参变量,即可求解渠道衬砌板上的冻胀力,并结合混凝土板抗裂条件,给出内力、胀裂部位、冻胀抗裂板厚及抗冻胀破坏验算等一系列计算方法,工程实例计算表明该模型是安全合理、简单实用的;最后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS,将渠基冻土视为各向同性和横观各向同性的线弹性材料,把冻土和衬砌体作为一个整体,通过对大U形混凝土衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟分析,得出其温度场、变形场和应力场分布,获得大U形混凝土衬砌渠道冻胀受力及变形基本规律,与前人实测结果比较基本吻合,并与力学模型对比规律基本一致。由此表明:本文提出的大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏简化力学模型及数值分析方法是合理可行的,为大U形混凝土衬砌渠道防渗防冻设计和施工提供了合理科学的分析方法。
With the developing of economy of our country society , gradually, short-supplied contradiction of water resource lays stress on , building water-saving type social development and water-efficient irrigation are imperative. In our country, seasonal frozen area , people built large amount of canal defending against a project oozing , among them, U shape concrete lining adopts broadly because its condition is easy to take up field area ,it can stop resisting to be frostbitten swelling and so on. In winter, canal base is swelling, these canals are destroyed, some one even lose defend against significance ooze , thereby, bring about irrigation area keeping the administration cost increasing in repair , investment repeat .Whose main cause is failing to know the law of canal freezing, when designing canal, it have no way to accurate think that the negative temperature , the effect between the lining and canal. So, it is agent to solve this problem.
This paper has been listed on the basis of reading and analysing large amount of document data , has summed up the theory being related to the problem detailedly, such as the current situation ,concrete lining builds canal jelly swelling mechanism and various lining build form new prevention and cure technology , and so on. And then for canal of U-shape, has been emphasized on the mechanism of freezing and characteristic of destroying ,with the proper hypothesis, this paper builds up mechanism models of concrete lining canal of U- shape. In need of choosing a maximal congealment force as the variable parameter, the freezing force can be solved, so do as the part of crack, depth of lining.At the same time,with the application of FEM software ANSYS ,the paper simulates the frost heaving process of U-shape canal, and has a deeply study on its temperature field, the stress and the deformation field. The theoretical analysis results agree well with the local test and the former, that’s to say, the FEM numerical simulation of heaved canal would provide theoretical base for canal engineering design and mechanics calculation in seasonal frozen soil area.
本文在阅读和分析大量文献资料的基础上,详细总结和阐述了与课题相关的理论,如国内外渠道防渗防冻胀技术发展的现状,渠道冻胀防治技术与措施,各种形式混凝土衬砌渠道冻胀机理及破坏特征等;然后主要针对大U形混凝土衬砌渠道,着重分析其冻胀机理和冻胀破坏特点,通过恰当的假设,建立起大U混凝土衬砌渠道非对称冻胀破坏的力学模型,只需选取最大冻结力一个参变量,即可求解渠道衬砌板上的冻胀力,并结合混凝土板抗裂条件,给出内力、胀裂部位、冻胀抗裂板厚及抗冻胀破坏验算等一系列计算方法,工程实例计算表明该模型是安全合理、简单实用的;最后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS,将渠基冻土视为各向同性和横观各向同性的线弹性材料,把冻土和衬砌体作为一个整体,通过对大U形混凝土衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟分析,得出其温度场、变形场和应力场分布,获得大U形混凝土衬砌渠道冻胀受力及变形基本规律,与前人实测结果比较基本吻合,并与力学模型对比规律基本一致。由此表明:本文提出的大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏简化力学模型及数值分析方法是合理可行的,为大U形混凝土衬砌渠道防渗防冻设计和施工提供了合理科学的分析方法。
With the developing of economy of our country society , gradually, short-supplied contradiction of water resource lays stress on , building water-saving type social development and water-efficient irrigation are imperative. In our country, seasonal frozen area , people built large amount of canal defending against a project oozing , among them, U shape concrete lining adopts broadly because its condition is easy to take up field area ,it can stop resisting to be frostbitten swelling and so on. In winter, canal base is swelling, these canals are destroyed, some one even lose defend against significance ooze , thereby, bring about irrigation area keeping the administration cost increasing in repair , investment repeat .Whose main cause is failing to know the law of canal freezing, when designing canal, it have no way to accurate think that the negative temperature , the effect between the lining and canal. So, it is agent to solve this problem.
This paper has been listed on the basis of reading and analysing large amount of document data , has summed up the theory being related to the problem detailedly, such as the current situation ,concrete lining builds canal jelly swelling mechanism and various lining build form new prevention and cure technology , and so on. And then for canal of U-shape, has been emphasized on the mechanism of freezing and characteristic of destroying ,with the proper hypothesis, this paper builds up mechanism models of concrete lining canal of U- shape. In need of choosing a maximal congealment force as the variable parameter, the freezing force can be solved, so do as the part of crack, depth of lining.At the same time,with the application of FEM software ANSYS ,the paper simulates the frost heaving process of U-shape canal, and has a deeply study on its temperature field, the stress and the deformation field. The theoretical analysis results agree well with the local test and the former, that’s to say, the FEM numerical simulation of heaved canal would provide theoretical base for canal engineering design and mechanics calculation in seasonal frozen soil area.
引文
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