渠道衬砌结构冻胀破坏力学模型2

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1、渠道衬砌结构冻胀破坏力学模型及冻胀数值模拟汇报人：王正中研究的意义◆渠道冻害防治是北方灌区建设中急需解决的重要技术问题在“三北”广大灌区，渠道冻胀破坏问题非常普遍，尤其是地下水较高地区，致使稀缺的水资源损失严重，直接影响着灌区的农业发展和粮食安全。◆研究渠道冻胀破坏力学模型及渠基冻土本构模型，揭示衬砌渠道冻胀破坏机理，探求防冻胀结构新形式，是防治渠道冻害的有效措施通过对渠道衬砌冻胀过程结构内力及分布规律的定量分析，冻土本构及水热力耦合研究，考虑周期性温变及日照热辐射等因素的影响，正确认识渠道冻胀破坏规律，科学地选择防冻胀结构

2、措施，进行合理的防渗抗冻胀设计。国内外渠道冻胀研究现状1.在国外发达国家，近年来多采用“抵抗”冻胀的技术措施，用钢筋混凝土取代素混凝土，并采用砂砾料换填层、加固基础、增设排水等措施衬砌渠道，如日本现在多采用钢筋混凝土矩形渠槽加换填材料复合型式，美国、俄罗斯则多采用混凝土或钢筋混凝土大型平板形式。这些措施防渗抗冻胀效果好，但工程造价高，不适合我国国情。2.针对渠道冻胀破坏，我国经过三十多年的研究与及实践，制定了《渠道防渗工程技术规范》和《渠系工程抗冻胀设计规范》，并提出“允许一定冻胀位移”的工程设计标准和“回避、适应、削减或消除

3、冻胀”的防冻害原则和技术措施，与国外相比，不仅解决了不少工程问题，而且使工程造价大大降低。◆渠道冻胀研究概况及进展3.国内外学者在冻胀机理、冻土力学特性与本构、冻胀过程数值模拟、防渗抗冻胀新材料新结构等方面开展了大量研究和实践工作，取得了丰硕成果。但在北方灌区渠道冻胀破坏还没有彻底解决！◆渠道抗冻胀技术措施改善渠基土的温度场与湿度场（1）保温隔热措施将保温隔热材料如炉渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨胀珍珠岩保温层制品等铺设在衬砌体背后，利用其导热系数低的性能改变和控制渠基土周围热量的输入输出及转化过程，人为影响冻土结构，使冻土

4、内部水热耦合作用在时空上重新分布，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。（2）渠基土换填及加固处理渠基土换填技术是指用风积砂、砂砾石等弱冻胀性土，置换渠基原有土壤，降低渠道冻胀量的方法。针对工程中粗砂换填设反滤层不经济等问题，提出了纤维砂袋换填的新方法，集隔离、排水和反滤于一体，防冻胀效果较好。渠基土加固处理包括压实处理和化学处理两种方法。（3）防渗排水措施选择合理的断面及结构形式根据冻土工程国家重点实验室的研究结果，混凝土衬砌弧底梯形渠、弧形坡脚梯形渠和小U形渠是比较好的抗冻胀衬砌断面形式；此外，采用一些特殊结构形式和新型复合结构

5、形式也能起到较好的防冻胀作用，如肋形板、楔形板、中厚板、槽形板、空心板以及复式梯形断面等等。新型的防渗防冻材料新型土工复合材料聚丙烯（PP）纤维混凝土新型固化土防渗材料纳米改性防渗材料新型伸缩缝止水材料膨润土防渗垫（GCL)复式梯形断面渠道防渗防冻胀综合措施PP纤维混凝土板+复合土工膜防渗衬护结构土工格室混凝土板+复合土工膜防渗衬护结构混凝土联锁板复合结构+复合土工膜防渗衬护结构混凝土板＋复合土工膜＋纤维砂袋铠甲式纤维混凝土复合渠道防渗卷材衬护结构改性沥青混凝土夹聚酯网格预制板（能够适应较大的变形）聚苯颗粒（有机垃圾）水泥混凝

6、土、稻壳水泥混凝土、陶粒混凝土（废物利用，同时隔热保热效果好）三维土工植被网护坡竖向铺塑防渗技术渠道冻胀自适应断面（恰当位置设置宽窄纵缝）现浇钢丝网混凝土与保温一体化抗冻胀结构研究方法及技术路线一、基础研究◆基土冻胀机制（略）◆渠道冻胀主要影响因素研究（土质、水分条件、温度条件、附加荷载、衬砌刚度、土密度、渠道走向）◆渠道衬砌的抵抗能力（材料强度、结构形式）◆混凝土衬砌渠道破坏特征（梯形、弧底梯形、U形、弧形坡脚梯形混凝土衬砌渠道）主要结论：（1）渠道衬砌的冻胀破坏是渠道自身和外界环境共同作用的结果，冻胀破坏是北方渠道衬砌破坏

7、的主要形式。（2）渠道衬砌的冻胀破坏与渠基土质、水分、温度、衬砌体的材料和结构形式及渠道走向等因素密切相关。（3）弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀量分布较均匀，抗冻胀性能良好。1.1混凝土衬砌渠道冻胀机理1.2.1冻土横观各向同性本构模型要点：土冻结过程中，垂直于温度梯度方向形成一层层冰晶体和冻结锋面，随着冻结温度的变化，冻结锋面也随之平行推进，从而表现出了冻土在冻结锋面内和温度梯度方向（两者正交）力学特性的显著差异。以往沿用各向同性线弹性本构模型来分析冻土与建筑物相互作用的处理是欠合理的，实验研究表明：其合理的本构模型应为横观各向

8、同性材料。图1-1冻土组构坐标示意图1.2冻土本构模型研究横观各向同性材料作为正交各向异性材料的特例，应满足右边公式。采用兰州粉质黏土进行试验验证了冻土属于横观各向同性材料。对不同应力水平时，各种力学参数进行比较分析。，，；，，试验结果如下：试验结果分析：在同一应力水平下，冻