裝配式U型混凝土渠道抗凍有限元模型及數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文針對寧夏引黃灌區(qū)斗農(nóng)渠凍害問題，以青銅峽市大壩鎮(zhèn)蔣南村裝配式U型混凝土渠道和寧夏大學(xué)北校區(qū)裝配式U型混凝土渠道野外凍脹觀測場為基地，在自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)定時(shí)采集渠道不同部位的凍脹量、凍脹力和溫度的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地對裝配式U型混凝土渠道凍脹破壞的有限元模型及其數(shù)值模擬進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，為灌區(qū)節(jié)水技術(shù)改造提供了理論依據(jù)。其研究結(jié)果如下:
　　(1)通過野外模擬渠道凍脹觀測試驗(yàn)得出，12月下旬至1月中旬，渠道基土凍脹量較大。觀測期間

2、，陽坡直段，陽坡弧段，陰坡直段，陰坡弧段渠道基土的最大凍脹量分別為1.95mm，1.35mm，2.39mm，1.48mm，且陰、陽坡同一觀測部位，陽坡凍脹率先達(dá)到峰值。一天當(dāng)中，渠道基土溫度的變化對陰、陽不同部位所受凍脹力影響不一，渠坡直段既受壓應(yīng)力又受拉應(yīng)力的交替作用，圓弧段主要承受較大的拉應(yīng)力;觀測期內(nèi)，陽坡弧段的最大拉應(yīng)力為14.2 KPa，最大壓應(yīng)力為0.3 KPa;陽坡直段的最大拉應(yīng)力為9KPa，最大壓應(yīng)力為7KPa;陰坡弧段

3、的最大拉應(yīng)力為40.8 KPa，最大壓應(yīng)力為5.4 KPa;陰坡直段的最大拉應(yīng)力為7.2 KPa，最大壓應(yīng)力為9.3 KPa。
　　(2)通過不同結(jié)構(gòu)U型混凝土渠道數(shù)值模擬計(jì)算得出，襯砌凍脹變位隨U襯砌板傾角0～34度或厚度4～10cm的增大在減小，峰值出現(xiàn)在陰、陽坡直線段與圓弧段銜接處，且陰坡最大，陽坡次之，渠底最小。厚度在4～10cm范圍內(nèi)的同一傾角的U型襯砌板，圓弧段的凍脹交位幅度較小，幾乎不隨厚度的變化而變化;應(yīng)力峰值出現(xiàn)

4、在陰、陽坡直線段與圓弧段銜接處以及渠底，且陰坡峰值＞陽坡峰值＞渠底峰值;在0度～8度范圍內(nèi)襯砌的凍脹不均勻性的變化梯度較大，傾角的增大對襯砌凍脹不均勻性影響顯著，當(dāng)傾角在22～34度范圍內(nèi)時(shí)，對抵抗凍脹效果影響不明顯，當(dāng)傾角為8度～22度，傾角的增大對凍脹不均勻性影響適中，實(shí)際工程中以選擇15度～22度為宜。
　　(3)通過U型混凝土渠道熱力耦合計(jì)算得出，未凍土層，隨土層深度的增大，溫度越趨近于一條平行的直線，幾乎不受邊界溫度的影

5、響;模擬測得陰坡坡項(xiàng)、陰坡直段與圓弧段銜接處、渠底、陽坡直段與圓弧段銜接處、陽坡渠頂最大法向凍深分別為25.5cm，19.8 cm，13.1 cm，12.2cm，13.8 cm，與實(shí)測凍深接近，最大實(shí)際誤差為6.4％;陰坡整體凍脹量大于陽坡，陰坡渠道基土凍脹量最大值為15.64mm，陽坡凍脹量最大值為7.0mm，圓弧段凍脹量相對較小(1.99mm～3.58mm);弧段法向凍脹力表現(xiàn)形式為外拉內(nèi)壓，襯砌外側(cè)法向凍脹力最大值為13.7MPa