高地下水位弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀断裂破坏力学模型及应用

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1、第４３卷第１期西北农林科技大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．１２０１５年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｄ．）Ｊａｎ．２０１５网络出版时间：２０１４－１２－１２０９：３０ＤＯＩ：１０．１３２０７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｗａｆｕ．２０１５．０１．０２４网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１．１３９０．Ｓ．２０１４１２１２．０９３０．０２４．ｈｔｍｌ高地下水位弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀断裂破坏力学模型及应用石娇１，王正中１，２，张丰丽１，肖旻１，李爽１，杨晓松１（１

2、西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００；２中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州７３００００）［摘要］【目的】在线弹性断裂力学的基础上，对高地下水位弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀断裂破坏力学模型进行研究，为弧底梯形衬砌渠道的设计提供依据。【方法】将高地下水位弧底梯形渠道混凝土衬砌简化为简支梁结构并建立其冻胀力学模型，在考虑材料本身缺陷的基础上结合断裂力学理论，提出了高地下水位弧底梯形渠道冻胀断裂破坏力学模型。运用断裂力学及结构力学等相关理论，考虑法向冻结力的作用，通过适当的简化计算弧底梯形渠道衬砌的相关内力，并提出适用

3、于弧底梯形渠道衬砌的断裂力学破坏准则，利用计算实例对所建立的渠道冻胀断裂破坏力学模型进行验证。【结果】渠道衬砌板的冻胀断裂符合Ⅰ－Ⅱ复合型裂纹的特点，通过建立的弧底梯形渠道混凝土冻胀断裂力学模型，可以计算出渠道阴坡、阳坡、渠底的衬砌板厚度。计算实例证明，所建立的高地下水位弧底梯形渠道冻胀断裂破坏力学模型正确可行、简单实用。【结论】弧底梯形混凝土衬砌渠道优于梯形渠道，是一种冻胀力及冻胀变形较小的结构形式。［关键词］弧底梯形渠道；高地下水位；混凝土衬砌；冻胀破坏；断裂力学模型［中图分类号］ＴＶ５５４＋．１４０．１［文献标志码］Ａ［文章编号］１６７１－９３８７（２０

4、１５）０１－０２１３－０７Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｒｏｓｔ－ｈｅａｖｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｃｏｎｃｒｅｔｅｌｉｎｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｗｉｔｈａｒｃ－ｂｏｔｔｏｍｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌａｔｈｉｇｈｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌ１，ＷＡＮＧＺｈｅｎｇ－ｚｈｏｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＦｅｎｇ－ｌｉ１，ＸＩＡＯＭｉｎ１，ＳＨＩＪｉａｏ１，ＹＡＮＧＸｉａｏ－ｓｏｎｇ１ＬＩＳｈｕａｎｇ（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏ

5、ｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ７１２１００，Ｃｈｉｎａ；２ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＦｒｏｚｅｎＳｏｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＡＳ，Ｌａｎｚｈｏｕ，Ｇａｎｓｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：【Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ】Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌｉｎｅｒｅｌａｓｔｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｅｘｐｌｏｒｅｄｔｈｅｆｒｏｓｔｈｅａｖｅｆｒａｃｔｕｒｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆａｒｃｂｏｔｔｏｍｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌｃｏｎｃｒｅｔｅｌｉｎｉｎｇｃｈａｎｎ

6、ｅｌａｔｔｈｅｈｉｇｈｕｎｄｅｒ－ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌ，ａｉｍｅｄｐｒｏｖｉｄｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｒｃｂｏｔｔｏｍｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌｃｈａｎｎｅｌｌｉｎｉｎｇ．【Ｍｅｔｈｏｄ】Ｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｌｉｎｉｎｇｏｆｈｉｇｈｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌａｒｃｂｏｔｔｏｍｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌｃｈａｎｎｅｌｗａｓｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｆｏｒｔｈｅｓｉｍｐｌｙｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｅａｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｆｒｏｓｔ－ｈｅａｖｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｄｅ

7、ｆｅｃｔｏｆｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｔｈｅｏｒｙｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌａｒｃｂｏｔ－ｔｏｍｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌｃｈａｎｎｅｌｆｒｏｓｔ－ｈｅａｖｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅ［收稿日期］２０１３－０９－０３［基金项目］国家自然科学基金项目（５１２７９１６８）；国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＤ１０Ｂ０２）；冻土工程国家重点实验室项目（ＳＫＬＦＳＥ－２０１１０５）

8、；陕西水利科技专项（ＳＸＳＬ２０１１－