梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型探讨

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1、水利科研东北水利水电2010年第10期[文章编号]1002—0624(2010)10—0058—04梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型探讨肖昊，贺兴宏，李寿宁(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔市843300)[摘要]通过对梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏特征的分析及总结前人的相关研究成果。提出合理的简化和假设，并在此基础上建立了一种梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型。通过该模型可计算渠道坡板和底板的各控制内力及应力，并估计可能发生胀裂的位置，提出了对渠坡衬砌板所受法向冻结力的计算方法。[关键词]衬砌渠道；冻胀破坏；力学模型[中图

2、分类号]TV313[文献标识码]A水是人类赖以生存和发展的基础，是农业的之，若土体的冻胀受到渠道混凝土衬砌板的约束，命脉，尤其是在旱地农业区，水资源更是有着极其则该板将受到冻结土体施加的冻胀力作用。除此之重要的意义。加之在大强度的人类经济、社会活动外，渠道衬砌板与渠床基土问的水也将发生冻结，下，农业用水危机愈发严峻，节水灌溉已经成为我两接触表面会发生粘合现象。从宏观的角度看，此国农业发展迫切需要解决的重大问题。渠道防渗时可以认为衬砌体与冻土之间有一种力存在，正是技术作为一种行之有效地节水技术正日益受到重这种力使两者牢固粘结，此即所谓的

3、冻结力。视。然而修建在我国广大季节性冻土区的大量防冻胀力是渠床基土主动施加在渠道混凝土衬渗渠道，都存在由于土体冻胀而引发的失效甚至砌板上的，且由于渠床基土的含水量是底部大、上破坏的问题。事实上，在寒区工程实践中，刚性衬部小，加之渠坡不同位置距地下水埋深的足巨离也砌渠道的冻害十分普遍，其形式也是多种多样。不尽相同，以致渠道混凝土衬砌板所受冻胀力也如：由于渠基土体受到冻胀、融沉作用而引发的失是底部大、上部小。而冻结力是当渠道衬砌板与渠稳破坏，由冰胀推力引起的挤压破坏以及冻胀力床基土有相互分离或滑动趋势时，渠床基土对渠作用导致的结构破坏等。

4、其中由于渠床基土的不道衬砌施加的被动约束。冻结力分为法向冻结力均匀冻胀引起的衬砌板开裂、鼓胀和滑塌是渠道和切向冻结力两种，冻胀力的方向～般只是法向。混凝土衬砌破坏的最主要形式，防止此类冻害的1．2破坏的特征发生也是渠道防冻研究的重点川。而解决问题的关渠道混凝土衬砌底板及边坡板都是在冻胀键就是要搞清楚渠道刚性衬砌层受冻胀时的受力力、冻结力、重力及底板与坡板相互约束力作用下特征，建立力学模型，并对其进行求解，从而为防发生破坏的，其机理非常复杂。就渠道底板而言，渗渠道的抗冻胀设计提供科学合理的依据。冻胀力的作用使其有上抬的趋势，又两端受坡板

5、的约束，冻胀变形呈中部大两端小，故底板通常是1冻胀破坏的特征中部弯折断裂。渠道坡板上部所受法向冻胀力较1．1冻胀力与冻结力小，并与渠堤顶部牢固冻结在一起，主要受冻结力由于寒区冬季气温的持续降低，渠床土体中的约束，而下部所受法向冻胀力较大，主要受底板的水分发生迁移和冻结，引发土体的冻胀。若此时的约束，此时坡板上部及下部均受到约束且法向土体的冻胀不受到任何约束，则不出现冻胀力；反【基金项目】：塔里木大学校长基金自然科学项目(TDZKSS09008)·58·2010年第10期东北水利水电水利科研冻胀力呈上小下大的分布，故导致坡板中下部冻受法

6、向冻结合力的作用点在渠堤顶端，由渠道坡胀变形较大，且通常会引起坡板隆起架空或在弯板的受力平衡可求得该合力的大小；第二种方法矩最大处发生断裂。其中隆起架空是造成渠道坡(简称方法2)为：不预先确定渠坡所受法向冻结合板在春暖融沉时发生滑塌的主要原因之一。如果力的作用点位置，根据渠道该横断面整体的平衡渠堤顶部由于基土含水量过小而无法提供足够的条件进行计算求得其大小，然后由渠道坡板的平法向冻结约束，则坡板上部将向里翘起；如果渠床衡条件求得其作用点的位置。基土无法对渠道坡板提供足够的切向冻结约束，2．2计算简图则此时边坡板将沿斜坡整体上移，但这种

7、上移仅混凝土衬砌梯形渠道的一个断面如图1所仅是板的位置发生了变化，在春暖解冻后会自动示。设渠道底板长为L，厚为b，坡板长为￡，厚复位，板不会发生破坏，渠道安然如旧[Sl。为b，坡角为。以下分别给出渠坡板与渠底板的计算简图。2冻胀破坏的力学模型2．1基本假设和约定基于前述渠道混凝土衬砌冻胀破坏时的受力特征，结合前人相关研究成果，对典型衬砌形式及水分状况下的混凝土衬砌梯形渠道，提出具体假设和约定如下：图1混凝土衬砌梯形渠遁断面图1)讨论的渠道沿中线完全对称，不区分阴坡2．2．1渠坡板的计算简图和阳坡，故渠底不存在切向冻结力。如图2所示，沿

8、坡板线性分布的法向冻胀力2)渠床基土冻结前已固结完毕，不考虑未冻最大值为g一，切向冻结力最大值为．r一。由于底板土的压缩效应。冻土及混凝土衬砌均为线弹性材上抬而产生的沿板面方向的顶推力为Nx，A点的料，可应用迭加原理。力