混凝土衬砌板渠道冻胀非线性数值模拟

《混凝土衬砌板渠道冻胀非线性数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、2015年第l0期水利规划与设计科研管理DOI：10．3969／j．issn．1672—2469．2015．10．28混凝土衬砌板渠道冻胀非线性数值模拟杨勇(新疆额河建管局，新疆乌鲁木齐830000)摘要：中型灌区节水的主要措施是渠道防渗，提高水的利用效率。当冻土受力发生变化时，冻土的本构关系、力学强度、弹性模量发生改变，最后导致混凝土渠道冻胀和融沉。考虑到冻胀会出现较大的位移，混凝土本构模型采用线性模型时误差较大，因此从材料非线性角度出发，建立了混凝土和冻土耦合的渠道冻胀模型，对渠道冻胀问题进行分析。计算表明：采用非线性模型得到的冻胀力比线性模型小，更能反映混凝土应力状态的真实值。关

2、键词：渠道；混凝土；衬砌；冻胀中图分类号：TV91文献标识码：A文章编号：1672—2469(2015)10—0088-03结过程除了孔隙水冻结外，主要是未冻结区域在水引言分流动推动力作用下向冻结锋面移动。处于正在农业灌溉用水占全国总用水量的70％，大部冻结状态的土体与地下水位接近时，冻结强度最大，分农业用水采用渠道输送。研究表明，采用混凝土地下水通过毛细作用给冻结土体不断提供水分。衬砌渠道可以减少输送损失量的60％左右⋯。我我国西北地区的渠道混凝土冻胀破坏普遍存国西北地区较为寒冷，冬季渠道中的水分会在低温在，渠道衬砌一般采用C20号混凝土，整个渠道冻作用下迁移并冻结，产生基土膨胀。胀

3、变形时很可能已经跨越弹性屈服阶段，因此采用冻土和其他土体的区别在于冻土中含有冰介线性弹性模型对混凝土衬砌板进行计算并不合理。质，当冻土受力发生变化时，冻土的本构关系、力当冻土受力发生变化时，冻土的本构关系、力学强学强度、弹性模量发生改变，最后导致混凝土渠道度、弹性模量发生改变，最后导致混凝土渠道冻胀冻胀和融沉。目前，学者们对冻胀的研究已经较为和融沉。深入，冻胀理论也有：抽吸力模型、毛细模型、水冻胀理论有：抽吸力模型、毛细模型、水动力动力模型、分凝势模型等多种，其中经典理论为水模型、分凝势模型等多种，其中经典理论为水动力动力学模型。本文建立了混凝土和冻土耦合的渠学模型。本文提出了一种非线

4、性本构模型，将混凝道冻胀模型，对渠道冻胀问题进行分析。计算表土衬砌与土体接触面的剪切应力和切向位移作为明：采用非线性模型得到的冻胀力比线性模型小，研究对象，采用ABAQUS软件对硬接触模型进行更能反映混凝土应力状态的真实值。修正。混凝土与土体接触面的切应力和冻结应力问的关系为双曲线型。其计算式为：1力学模型的建立r=(2)0十0“参考近年来的研究进展，渠基冻结速度十分缓其中：a为初始剪切刚度；b为最大剪切慢，可视为简单的稳态导热问题。忽略凝固相变释放的潜热和水分迁移对冻结的影响，将渠道冻土问刚度。题视为二维平面应变问题，其热传导方程为：(A)+(A等)=0()其中：为温度；为方向的导热

5、系数；为Y方向的导热系数。细粒土发生冻结时，其冻结速度较小，整个冻作者简介：杨勇(1988年一)，男。助理工程师。·88·L_．，1__●科研管理水利规划与设计2015年第10期其中：k⋯为刚度系数最大值；r为最终剪切图3。应力。将上述两个方程进行联立求解，得出：一Ⅲ孟1+k≥⋯_=-)Jul‘混凝土衬砌与土体的接触面本构模型及强度准图3渠道有限元网格则情况见图1。进行稳态导热计算时，温度场的分布只与导热系数有关，本文计算时混凝土的导热系数取1．65W／(m·℃)。由于冻土的导热系数不断变化，根据渠底和渠中部处的含水量情况，取相应的导热系数分别为1．1w／(m·℃)和0．57W／(m·

6、℃)⋯。冻土处的泊松比取0．33，由于下部土体湿度较大，因此认为渠道底部5m以下的土体导热系数较大，为4．7w／(m·℃)。混凝土采用C20，其抗拉强度和抗压强度分别为1．27MPa和13．4MPa。图1接触面本构模型及强度准则3计算结果分析2有限元模型建立研究表明：渠底和渠道边坡表层的温度变化较为了验证本构模型的正确性，以实验数据作为为剧烈，随着渠基深度的增加，温度梯度逐渐下参考，建立有限元模型对渠道冻胀量分布规律进行降，在下边界附近，温度梯度基本为0。通过计算数值模拟。渠道模型横断面参数见图2。得到的阴坡、渠底、阳坡冻结深度分别为87．4cm、55．1em、71．4cm，与实验测量

7、值基本一致。阴坡30—．291．—．361．—．291．30冻胀量最大，阳坡次之，渠底冻胀量最小。这与以往的分析不同，渠底冻胀量小的原因是相邻衬砌板间相互挤压，制约了渠底冻胀变形。渠道温度场分布见图4。图2渠道模型横断面参数根据测量数据，该渠道阴坡的冻结期为11月27日到2月27日；渠底的冻结期为11月27日到2月26日；阳坡的冻结期为11月27日到2月27日。渠床土质均为粉质壤土，阴坡的冻结深度为。一j6舱’’⋯。‘⋯～Ⅲj⋯坩71cm，冻胀