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渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞力學(xué)模型 及凍脹數(shù)值模擬,匯 報(bào) 人： 王 正 中,研究的意義,渠道凍害防治是北方灌區(qū)建設(shè)中急需解決的重要技術(shù)問題 在“三北”廣大灌區(qū)，渠道凍脹破壞問題非常普遍，尤其是地下水較高地區(qū)，致使稀缺的水資源損失嚴(yán)重，直接影響著灌區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全。 研究渠道凍脹破壞力學(xué)模型及渠基凍土本構(gòu)模型，揭示襯砌渠道凍脹破壞機(jī)理，探求防凍脹結(jié)構(gòu)新形式，是防治渠道凍害的有效措施 通過對(duì)渠道襯砌凍脹過程結(jié)構(gòu)內(nèi)力及分布規(guī)律的定量分析，凍土本構(gòu)及水熱力耦合研究，考慮周期性溫變及日照熱輻射等因素的影響，正確認(rèn)識(shí)渠道凍脹破壞規(guī)律，科學(xué)地選擇防凍脹結(jié)構(gòu)措施，進(jìn)行合理的防滲抗凍脹設(shè)計(jì)。,國(guó)內(nèi)外渠道凍脹研究現(xiàn)狀,1.在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，近年來多采用“抵抗”凍脹的技術(shù)措施，用鋼筋混凝土取代素混凝土，并采用砂礫料換填層、加固基礎(chǔ)、增設(shè)排水等措施襯砌渠道，如日本現(xiàn)在多采用鋼筋混凝土矩形渠槽加換填材料復(fù)合型式，美國(guó)、俄羅斯則多采用混凝土或鋼筋混凝土大型平板形式。這些措施防滲抗凍脹效果好，但工程造價(jià)高，不適合我國(guó)國(guó)情。 2.針對(duì)渠道凍脹破壞，我國(guó)經(jīng)過三十多年的研究與及實(shí)踐，制定了渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范和渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范，并提出 “允許一定凍脹位移”的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和“回避、適應(yīng)、削減或消除凍脹”的防凍害原則和技術(shù)措施，與國(guó)外相比，不僅解決了不少工程問題，而且使工程造價(jià)大大降低。,渠道凍脹研究概況及進(jìn)展,3.國(guó)內(nèi)外學(xué)者在凍脹機(jī)理、凍土力學(xué)特性與本構(gòu)、凍脹過程數(shù)值模擬、防滲抗凍脹新材料新結(jié)構(gòu)等方面開展了大量研究和實(shí)踐工作，取得了豐碩成果。 但在北方灌區(qū)渠道凍脹破壞還沒有徹底解決！,渠道抗凍脹技術(shù)措施,改善渠基土的溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng),（1）保溫隔熱措施 將保溫隔熱材料如爐渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨脹珍珠巖保溫層制品等鋪設(shè)在襯砌體背后，利用其導(dǎo)熱系數(shù)低的性能改變和控制渠基土周圍熱量的輸入輸出及轉(zhuǎn)化過程，人為影響凍土結(jié)構(gòu)，使凍土內(nèi)部水熱耦合作用在時(shí)空上重新分布，從而減輕或消除渠床的凍深和凍脹。 （2）渠基土換填及加固處理 渠基土換填技術(shù)是指用風(fēng)積砂、砂礫石等弱凍脹性土，置換渠基原有土壤，降低渠道凍脹量的方法。針對(duì)工程中粗砂換填設(shè)反濾層不經(jīng)濟(jì)等問題，提出了纖維砂袋換填的新方法，集隔離、排水和反濾于一體，防凍脹效果較好。 渠基土加固處理包括壓實(shí)處理和化學(xué)處理兩種方法。 （3）防滲排水措施,選擇合理的斷面及結(jié)構(gòu)形式,根據(jù)凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，混凝土襯砌弧底梯形渠、弧形坡腳梯形渠和小U形渠是比較好的抗凍脹襯砌斷面形式；此外，采用一些特殊結(jié)構(gòu)形式和新型復(fù)合結(jié)構(gòu)形式也能起到較好的防凍脹作用，如肋形板、楔形板、中厚板、槽形板、空心板以及復(fù)式梯形斷面 等等。,新型的防滲防凍材料,新型土工復(fù)合材料 聚丙烯（PP）纖維混凝土 新型固化土防滲材料 納米改性防滲材料 新型伸縮縫止水材料 膨潤(rùn)土防滲墊（GCL),復(fù)式梯形斷面,渠道防滲防凍脹綜合措施,PP纖維混凝土板+復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu) 土工格室混凝土板+復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu) 混凝土聯(lián)鎖板復(fù)合結(jié)構(gòu) +復(fù)合土工膜防滲襯護(hù)結(jié)構(gòu) 混凝土板復(fù)合土工膜纖維砂袋 鎧甲式纖維混凝土復(fù)合渠道防滲卷材襯護(hù)結(jié)構(gòu) 改性瀝青混凝土夾聚酯網(wǎng)格預(yù)制板 （能夠適應(yīng)較大的變形 ） 聚苯顆粒（有機(jī)垃圾）水泥混凝土 、稻殼水泥混凝土、陶?；?凝土 （廢物利用，同時(shí)隔熱保熱效果好） 三維土工植被網(wǎng)護(hù)坡 豎向鋪塑防滲技術(shù) 渠道凍脹自適應(yīng)斷面（恰當(dāng)位置設(shè)置寬窄縱縫） 現(xiàn)澆鋼絲網(wǎng)混凝土與保溫一體化抗凍脹結(jié)構(gòu),研究方法及技術(shù)路線,一、基礎(chǔ)研究,基土凍脹機(jī)制（略） 渠道凍脹主要影響因素研究 （土質(zhì) 、水分條件 、溫度條件 、附加荷載 、襯砌剛度、土密度 、渠道走向） 渠道襯砌的抵抗能力（材料強(qiáng)度 、結(jié)構(gòu)形式 ） 混凝土襯砌渠道破壞特征（梯形、弧底梯形、U形、弧形坡腳梯 形混凝土襯砌渠道） 主要結(jié)論：（1）渠道襯砌的凍脹破壞是渠道自身和外界環(huán)境共同作用的結(jié)果，凍脹破壞是北方渠道襯砌破壞的主要形式。（2）渠道襯砌的凍脹破壞與渠基土質(zhì)、水分、溫度、襯砌體的材料和結(jié)構(gòu)形式及渠道走向等因素密切相關(guān)。（3）弧底梯形混凝土襯砌渠道凍脹量分布較均勻，抗凍脹性能良好。,1.1 混凝土襯砌渠道凍脹機(jī)理,1.2.1 凍土橫觀各向同性本構(gòu)模型,要點(diǎn)：土凍結(jié)過程中，垂直于溫度梯度方向形成一層層冰晶體和凍結(jié)鋒面，隨著凍結(jié)溫度的變化，凍結(jié)鋒面也隨之平行推進(jìn)，從而表現(xiàn)出了凍土在凍結(jié)鋒面內(nèi)和溫度梯度方向（兩者正交）力學(xué)特性的顯著差異。以往沿用各向同性線彈性本構(gòu)模型來分析凍土與建筑物相互作用的處理是欠合理的，實(shí)驗(yàn)研究表明：其合理的本構(gòu)模型應(yīng)為橫觀各向同性材料。,圖1-1 凍土組構(gòu)坐標(biāo)示意圖,1.2 凍土本構(gòu)模型研究,橫觀各向同性材料作為正交各向異性材料的特例，應(yīng)滿足右邊公式。 采用蘭州粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了凍土屬于橫觀各向同性材料。對(duì)不同應(yīng)力水平時(shí)，各種力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較分析。,，,，,；,，,，,試驗(yàn)結(jié)果如下：,試驗(yàn)結(jié)果分析：,在同一應(yīng)力水平下，凍土在等溫面（各向同性面）內(nèi)的剛度、強(qiáng)度大于溫度梯度方向； 同一應(yīng)力水平下凍結(jié)溫度越大，凍土的剛度、強(qiáng)度越大； 在同一應(yīng)力水平下，凍結(jié)溫度越大，泊松比越小； 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，該種試樣極限強(qiáng)度： =0.25T+C(MPa) 其中： 各種極限應(yīng)變近似為 ； 綜合分析得到凍土無量綱單軸非線性解析本構(gòu)模型為：,1.2.2 基于Sevostianov夾雜理論的凍土數(shù)值本構(gòu)模型,Sevostianov夾雜理論模型,單個(gè)夾雜體的剛度分布張量,(分量形式為,）可定義如下：,其中,為基體材料的剛度張量（其逆，即柔度張量為 ），,為遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)變張量，張量 依賴于夾雜體的形狀和彈性性質(zhì)。,假定1,各向同性基體材料中存在橢球形夾雜體，作用在無窮遠(yuǎn)處的均勻 應(yīng)變場(chǎng) ，使得橢球形夾雜體產(chǎn)生的均勻應(yīng)變可表述為：,其中,因此，N 可表示為,夾雜于各向同性土中的冰顆粒具有如下性質(zhì)：回轉(zhuǎn)軸方向相互平行；冰顆粒材料為各向同性材料。,假定2,橫觀各向同性凍土彈性模型,綜合可得，對(duì)四階張量的拉伸結(jié)果：,即,、 、 和 通常是凍土微結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境因素 （如溫度、含水量、土質(zhì)、凍結(jié)速率）的函數(shù)。,通過對(duì)凍土細(xì)觀組構(gòu)分析及宏觀力學(xué)試驗(yàn)，證明凍土材料在常見的凍結(jié)溫度及水分狀況下，屬于橫觀各向同性材料；指出了橫觀各向同性凍土各材料力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，給出了橫觀各向同性凍土的近似函數(shù)本構(gòu)模型。 基于細(xì)觀力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué)夾雜理論，提出凍土的數(shù)值本構(gòu)模型，此模型很好得描述了冰顆粒夾雜與基體土的相互作用對(duì)凍土宏觀力學(xué)性能的影響，為精確的數(shù)值模擬提供了理論依據(jù)。,1.2.3 研究成果和認(rèn)識(shí),二、模型研究,2.1.1 梯形渠道受凍脹力學(xué)模型,圖2-2 渠道坡板計(jì)算簡(jiǎn)圖,2.1 渠道襯砌凍脹破壞力學(xué)模型研究,圖2-1 梯形斷面簡(jiǎn)圖,圖2-3 渠道底板計(jì)算簡(jiǎn)圖,圖2-4 渠道坡板內(nèi)力圖,渠坡板內(nèi)力計(jì)算,渠底板內(nèi)力計(jì)算,計(jì)算簡(jiǎn)圖,圖2-5 準(zhǔn)梯形法向凍脹力,圖2-6 準(zhǔn)梯形切向凍脹力,根據(jù)靜力平衡條件，建立平衡方程有：,由上式計(jì)算出渠道在凍脹力作用下達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)最大法向、切向凍脹力，進(jìn)一步求解各內(nèi)力，繪出內(nèi)力分布圖。,2.1.2 準(zhǔn)梯形渠道受凍脹力學(xué)模型,a 軸 力,b 彎 矩,c 剪 力,圖2-7 坡板垂直段內(nèi)力分布圖,a 軸 力,b 彎 矩,c 剪 力,圖2-8 坡板傾斜段內(nèi)力分布圖,a 軸 力,b 彎 矩,c 剪 力,圖2-9 底板內(nèi)力分布圖,結(jié)論一： 與梯形渠道相比較，由于準(zhǔn)梯形渠道襯砌體整體性強(qiáng)，并且由于垂直段的約束，從而使坡板與底板之間的內(nèi)力相互影響更為顯著。 結(jié)論二： 理論分析表明，準(zhǔn)梯形斷面比梯形斷面坡板、底板最大彎矩絕對(duì)值小得多，這也就是準(zhǔn)梯形抗凍脹力強(qiáng)的原因之一 。,2.1.3 弧底梯形渠道混凝土襯砌凍脹破壞力學(xué)模型,圖2-10 法向凍脹力分布,圖2-11 切向凍結(jié)力分布,主要結(jié)論：弧底梯形與梯形渠道相比底板由直梁變?yōu)榍?，承載力增大；弧底梯形砼襯砌的法向凍脹力與切向凍結(jié)力產(chǎn)生的彎矩方向相反，兩者相互消減，控制彎矩減小；弧底梯形渠道襯砌體整體性強(qiáng)，坡板與弧底板之間內(nèi)力相互影響顯著；因此弧底梯形抗凍脹能力強(qiáng)。,計(jì)算簡(jiǎn)圖,2.1.4 U形渠道襯砌凍脹力學(xué)模型 計(jì)算簡(jiǎn)圖,a.法向凍脹力與凍結(jié)力,b.切向凍結(jié)力,圖2-12 U形渠凍脹受力圖,圖2-13 襯砌板內(nèi)力圖,內(nèi)力圖,a.軸力圖,b.彎矩圖,c.剪力圖,2.1.5 小U形渠道水力及抗凍脹最佳斷面分析,分析結(jié)果： 根據(jù)U形渠道水力最佳斷面條件，考慮U形渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹受力，分析推導(dǎo)并求得在相同襯砌厚度下，襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布最均勻的渠道斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)。為：=69，n=0.4,圖2-14 U形渠道,L/R=n,前面依次提出了梯形、準(zhǔn)梯形、弧底梯形和U形渠道凍脹破壞力學(xué)模型，求出渠道襯砌板的內(nèi)力，結(jié)合抗裂條件給出襯砌板抗凍脹破壞驗(yàn)算等一系列計(jì)算方法;指出渠道襯砌上所受的凍結(jié)力、凍脹力及相互約束力的大小及方向是相互依存的，且都可表示為最大切向凍結(jié)力的函數(shù)，而最大切向凍結(jié)力則是反映土質(zhì)、負(fù)溫及水分狀況的綜合指標(biāo)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定。從理論上揭示了寬淺式、弧形斷面襯砌渠道抗凍脹性能好的力學(xué)機(jī)理。需要說明的是： （1）模型是建立在假定襯砌體結(jié)構(gòu)不發(fā)生局部強(qiáng)度破壞的前提下整體達(dá)到極限狀態(tài).但對(duì)大型或整體性差的襯砌渠道應(yīng)考慮局部破壞。 （2）力學(xué)模型對(duì)襯砌頂部約束影響的考慮不夠準(zhǔn)確，可根據(jù)實(shí)際適當(dāng)調(diào)整。 （3）力學(xué)模型僅考慮凍結(jié)時(shí)地下水能供給到渠頂，否則應(yīng)從凍結(jié)時(shí)地下水能供給到處以下為研究對(duì)象建立力學(xué)模型。 （4）力學(xué)模型沒有考慮凍土的不同本構(gòu)、晝夜溫變、日照輻射、三場(chǎng)耦合等問題。,2.1.6 渠道襯砌凍脹破壞力學(xué)模型研究主要成果：,2.2 混凝土襯砌渠道凍脹數(shù)值模擬,2.2.1 基于橫觀各向同性凍土的U形渠道凍脹數(shù)值模擬,研究方法和技術(shù)路線 在以上凍土本構(gòu)模型研究的基礎(chǔ)上，考慮凍土和襯砌板的相互作用，視渠基凍土和渠道為一個(gè)整體，將凍土分別按各向同性材料和橫觀各向同性材料，視基土凍脹為熱脹的特殊情況，應(yīng)用大型有限元通用軟件ANSYS，按大體積超靜定結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算方法，對(duì)U形混凝土襯砌渠道凍脹進(jìn)行熱應(yīng)力耦合數(shù)值模擬，計(jì)算渠道的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，分析渠道凍脹受力和變形規(guī)律，并對(duì)比分析橫觀各向同性和各向同性凍土材料模型的計(jì)算結(jié)果。,建立力學(xué)模型,1、各向同性本構(gòu)方程,2、橫觀各向同性本構(gòu)方程,渠道靜力平衡方程：,幾何方程：,本構(gòu)方程：,建立有限元模型,圖2-15 塬下北干渠斷面（cm）,圖2-16 有限元單元模型,溫度場(chǎng),受到渠道東西走向的影響，陰陽(yáng)兩坡的溫度分布有明顯差異，陰坡的溫度梯度大于陽(yáng)坡的溫度梯度，各坡凍深分布狀況與溫度分布規(guī)律基本相同,符合實(shí)測(cè)規(guī)律。,圖2-17 等溫線圖,變形場(chǎng),將凍土視為各向同性材料數(shù)值模擬結(jié)果是，渠道各部位變形主要取決于溫度，陰坡的凍脹量要大于弧底，這與實(shí)測(cè)弧底變形最大的結(jié)果不符；且各部位凍脹量比實(shí)測(cè)數(shù)值偏大。 將凍土視為橫觀各向同性材料進(jìn)行分析，弧底變形最大，陰坡次之，與實(shí)測(cè)規(guī)律一致；且其各部位凍脹量數(shù)值與實(shí)測(cè)成果吻合很好，也比各向同性時(shí)普遍偏小，但弧底大小基本相同。,圖2-18 觀測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)布置圖,圖2-19 不同本構(gòu)模型渠道變位 模擬值與實(shí)測(cè)值展開圖,應(yīng)力場(chǎng),a.法向凍脹力,b.切向凍結(jié)力,a.法向凍脹力,b.切向凍結(jié)力,圖2-20 各向同性凍脹力分布圖,圖2-21 橫觀各向同性凍脹力分布圖,主要結(jié)論：,（1）利用有限元軟件將凍土與渠道襯砌體作為一個(gè)整體進(jìn)行熱、力、變形耦合有限元計(jì)算，結(jié)果基本能反映混凝土襯砌渠道凍脹變形及受力規(guī)律，是簡(jiǎn)捷通用的方法，為渠道抗凍脹設(shè)計(jì)提供了定量計(jì)算方法。 （2）基于各向同性凍土的數(shù)值模擬，襯砌體受力及凍脹變形分布規(guī)律與簡(jiǎn)化力學(xué)模型基本一致；但與工程實(shí)測(cè)的受力及變形規(guī)律還有差異，數(shù)值均偏大。 （3）將凍土視為橫觀各向同性線彈性材料，符合凍土的細(xì)觀力學(xué)組構(gòu)，既能反映凍土凍脹時(shí)的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，又與實(shí)測(cè)情況吻合較好。,在前面渠道凍脹數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，以某U 形渠觀測(cè)段為研究對(duì)象，利用有限元方法分析了一個(gè)凍融周期內(nèi)渠道的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化，以期尋求動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)引起渠道凍脹破壞的控制狀態(tài)，分析和預(yù)測(cè)在凍融過程中基土溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及其位移特別是襯砌板上凍脹力和凍脹變形的變化規(guī)律，為渠道抗凍脹設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。,2.2.2 周期性溫度變化下的混凝土襯砌渠道凍脹的數(shù)值模擬,圖2-23 有限元模型,圖2-22 襯砌大U型渠道斷面 (cm),邊界條件,（1）瞬態(tài)邊界條件 上邊界溫度表示為： 下邊界深度足夠達(dá)到穩(wěn)定溫度，取值為10，左右邊界視為絕熱條件，位移邊界條件為渠基左右邊界水平方向位移為0，下邊界豎直方向位移為0。 （2）穩(wěn)態(tài)邊界條件 溫度場(chǎng)計(jì)算近似取原型各部位月平均表面溫度最大值作為有限元模型各部位邊界溫度，邊界約束條件同瞬態(tài)分析。,2-24 監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹量變化曲線,2-25法向應(yīng)力變化曲線,2-26切向應(yīng)力變化曲線,注：時(shí)間為1月6日至4月6日，共90天,(1) 對(duì)渠道凍融過程渠基溫度變化進(jìn)行仿真分析，可知陰坡凍脹期明顯長(zhǎng)于陽(yáng)坡，得到的渠道各邊坡的凍融日與實(shí)測(cè)情況一致，陽(yáng)坡滯后陰坡約15天凍結(jié)，正是這種溫度場(chǎng)的不對(duì)稱、不均勻、不同步現(xiàn)象引起襯砌不均勻的凍脹與融沉病害。 (2) 運(yùn)用有限元方法對(duì)渠道凍融過程應(yīng)力、變形場(chǎng)進(jìn)行模擬可知：凍脹量、凍脹力與冬季日溫度的變化規(guī)律比較一致，但最大凍脹量及最大凍脹力滯后日平均最低氣溫約4天；襯砌底面法向、切向凍脹力發(fā)展雖然不同，但是與凍脹量一樣都顯現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，其時(shí)間大小分布與相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)測(cè)資料一致，說明瞬態(tài)數(shù)值模擬能掌握渠道抗凍脹設(shè)計(jì)的控制狀態(tài)。 因此，運(yùn)用瞬態(tài)結(jié)果進(jìn)行渠道抗凍脹設(shè)計(jì)更能掌握凍脹破壞的極限狀態(tài)才是更加合理的。,主要結(jié)論：,2.2.3 考慮日照熱輻射及熱傳導(dǎo)的渠道凍脹數(shù)值模擬,混凝土渠系結(jié)構(gòu)通常是暴露在外面的，表面與空氣或水接觸，冬季晝夜太陽(yáng)輻射對(duì)渠道襯砌凍脹影響較大。 本節(jié)考慮日照對(duì)襯砌渠道凍脹量及凍脹力的影響，并按瞬態(tài)溫變模式加載溫度,對(duì)襯砌渠道凍脹過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。 本方法克服了渠道凍脹數(shù)值模擬分析依賴于實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)的缺陷。,考慮日輻射的溫度變化,綜合分析熱傳導(dǎo)方程、定解條件、太陽(yáng)輻射熱的規(guī)律等，日照引起的溫度升值可以表示如下：,日變化溫度為：,計(jì)算實(shí)例,某U形渠觀測(cè)段斷面形式（同圖2-22）,正弦環(huán)境溫度變化：,輻射的溫度增值,渠底：,陰坡：,陽(yáng)坡：,注：其中 int()表示取整操作。,U形渠道有限元模型（同圖2-23）,b. 不考慮熱輻射的正弦溫度變化,a.考慮熱輻射的正弦溫度變化,圖2-27 溫度、凍脹量和法向凍脹力比較,主要結(jié)論：,考慮到太陽(yáng)輻射之后，基土和襯砌板的溫度場(chǎng)、凍脹力、凍脹量與不考慮差別顯著，陽(yáng)坡差異最大、渠底其次、陰坡最小； 不考慮熱輻射的模擬值比考慮之后結(jié)果都偏大； 考慮熱輻射的渠道凍脹數(shù)值模擬方法，克服了通過實(shí)測(cè)混凝土板各點(diǎn)晝夜溫度來確定邊界條件的缺陷，使襯砌渠道凍脹預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)模擬分析更加方便科學(xué)。,2.2.4 渠道凍脹敏感性數(shù)值模擬分析,工程實(shí)踐中已陸續(xù)提出了多種行之有效的防凍脹技術(shù)措施。如何對(duì)防凍脹技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)選，精確評(píng)價(jià)各種防凍脹措施的應(yīng)用效果，探尋效果最顯著的防凍脹措施， 本節(jié)利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，基于渠道凍脹有限元數(shù)值模擬，選取渠道凍脹不均勻系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以渠道斷面形式、混凝土襯砌板厚度、分縫位置、渠基土凍脹系數(shù)和混凝土襯砌板彈性模量E作為影響因素，對(duì)渠道凍脹進(jìn)行敏感性分析。,表2-1 各因素取值,圖2-29 分縫位置（以梯形渠道為例）,圖2-28 斷面形式（cm）,表2-2 極差分析表,表2-3 方差分析表,圖2-28影響因素趨勢(shì)圖,(1) 通過極差分析，得出影響渠道凍脹的五個(gè)因素的敏感性由大到小依次排列為：渠道斷面形式基土凍脹系數(shù)分縫位置混凝土襯砌板厚度混凝土襯砌板彈性模量E，基本符合凍脹過程中的實(shí)際情況。 (2) 由趨勢(shì)圖可得：凍脹不均勻程度隨渠基土凍脹系數(shù)增大而增大；隨混凝土襯砌板厚度增大而減小，即襯砌板越厚凍脹越均勻；隨著彈性模量增大而減小，這說明混凝土彈模越高，對(duì)凍脹基土約束越強(qiáng)，則凍脹變位越??；在1/3處設(shè)縫時(shí)，凍脹變形分布最均勻；采用U形渠道能有效地降低渠道凍脹變形。 (3) 根據(jù)各因素的趨勢(shì)分析和方差分析，在實(shí)際工程中，襯砌弧底梯形和U形斷面形式的渠道、換填渠床土質(zhì)、鋪設(shè)聚苯板等保溫材料、進(jìn)行渠基排水等等，采用這些措施來削弱渠基土凍脹對(duì)渠道的破壞，效果最顯著；襯砌板設(shè)縫、增厚混凝土襯砌板具有明顯的效果；通過提高襯砌混凝土強(qiáng)度則效果較差。從而為探索混凝土襯砌渠道最有效的抗凍脹措施及設(shè)計(jì)方法提供了科學(xué)合理的方法和依據(jù)。,主要結(jié)論：,三 、應(yīng)用研究,3.1 高地下水位濾透式剛?cè)狁詈弦r砌形式,工程實(shí)踐中對(duì)高地下水位區(qū)灌溉渠道的襯護(hù)，缺乏簡(jiǎn)捷有效且經(jīng)濟(jì)適用的方法，許多工程仍采用傳統(tǒng)的渠道防滲襯砌，致使大量渠道短期使用后因凍脹邊坡失穩(wěn)，滑塌破壞嚴(yán)重。 針對(duì)該情況提出濾透式剛?cè)狁詈弦r護(hù)結(jié)構(gòu)，其基本原理：一是采取“疏導(dǎo)導(dǎo)滲”為主的技術(shù)路線；二是布設(shè)特殊的框架式襯護(hù)構(gòu)件，起到防滑固坡作用，骨架內(nèi)空隙部分填以塊狀柔性充填材料（塊石或卵石），充填材料間隙可排水導(dǎo)滲, 整體上形成以襯護(hù)構(gòu)件為骨架，以塊狀充填材料為實(shí)體，以渠床濾料為保護(hù)層的剛?cè)狁詈弦r護(hù)結(jié)構(gòu)。 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)構(gòu)既能適用于地下水位較高的灌溉輸水渠道，又能適用于治理鹽堿地和控制地下水位的排水渠，同時(shí)可將輸排功能合一，已在甘肅省部分灌區(qū)灌排渠道工程中初步應(yīng)用（圖3-1）。,3.1.1 研究背景,a 襯砌前,b 襯砌后,圖3-1 東坪電灌工程渠道,圖3-2 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌 渠道有限元模型,圖3-3 全斷面襯砌渠 道有限元模型,3.1.2 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道凍脹有限元分析,建立有限元模型,圖3-4 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌 渠道位移場(chǎng)云圖（單位m）,圖3-5 全斷面襯砌渠道 位移場(chǎng)云圖（單位m）,凍脹位移比較,圖3-6 凍脹量比較圖（單位cm）,從圖中可以看出前者的凍脹量明顯小于后者，其中最大凍脹量陰坡坡板較后者減小30%，底板減小34%，陽(yáng)坡坡板減小19%。,圖3-7 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道 法向應(yīng)力圖(單位MPa),圖3-8 全斷面襯砌渠道 法向應(yīng)力圖(單位MPa),對(duì)兩種襯砌渠道法向應(yīng)力進(jìn)行比較，圖中濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道法向應(yīng)力明顯的小于全斷面襯砌渠道法向應(yīng)力，其中陰坡法向最大應(yīng)力較全斷面襯砌渠道減小34%，渠底法向最大應(yīng)力減小48%，陽(yáng)坡法向最大應(yīng)力減小38%，并且前者應(yīng)力分布更加均勻。,襯砌板法向應(yīng)力比較,圖3-9 濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道 切向應(yīng)力圖(單位MPa),圖3-10 全斷面襯砌渠道 切向應(yīng)力圖(單位MPa),濾透式剛?cè)狁詈弦r砌渠道的切向凍脹力明顯較小，分布更均勻。,襯砌板切向應(yīng)力比較,（1）高地下水位地段，應(yīng)改變渠道全斷面整體剛性襯砌的傳統(tǒng)襯砌方式，采用濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)構(gòu)，既可防滑固坡，又可導(dǎo)滲排水，渠側(cè)與渠底框架式襯護(hù)構(gòu)件內(nèi)填塊石（卵石）具有良好的變形適應(yīng)性。 （2）渠道凍脹數(shù)值模擬定量分析驗(yàn)證了濾透式剛?cè)狁詈弦r砌結(jié)構(gòu)凍脹量總體明顯降低，法向凍脹力和切向凍脹力均顯著減小，較全斷面襯砌結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢(shì)。,3.1.3 主要結(jié)論,下面對(duì)設(shè)置不同縱縫結(jié)構(gòu)措施和瀝青混凝土與聚合物柔性增強(qiáng)涂層兩種防滲抗凍脹措施進(jìn)行渠道抗凍脹數(shù)值模擬分析，評(píng)價(jià)其抗凍脹性能及效果，為混凝土襯砌渠道防凍脹設(shè)計(jì)優(yōu)選有效的工程措施。,3.2 不同設(shè)縫與新材料襯砌渠道抗凍脹模擬,3.2.1 設(shè)置不同縱縫的混凝土襯砌渠道凍脹數(shù)值模擬,渠道有限元模型,根據(jù)理論分析及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梯形渠道襯砌板彎矩的最大值約在靠近渠底的1/3處。故而本節(jié)對(duì)不設(shè)縱縫、坡角處及1/3坡高處設(shè)縱縫的混凝土襯砌渠道凍脹進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其結(jié)果分析比較。,圖3-11 梯形渠道有限元模型,凍脹位移比較,圖3-12 渠道監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖,圖3-13 凍脹量比較圖,就渠底板凍脹變形而言，兩端受邊坡的約束、凍脹變形呈中部大兩端小，因而往往在底板中部彎折斷裂。 渠坡板上部與渠堤頂部?jī)鼋Y(jié)為一體同步變形,下部受底板限制，中下部?jī)雒涀冃屋^大。 通過不同設(shè)縫，最大凍脹量坡板減小43，底板減小52，且整體分布更加均勻。,應(yīng)力比較,(a) 不設(shè)縫,(b) 坡腳處設(shè)縫,(c) 1/3坡高處設(shè)縫,(a) 不設(shè)縫,(b) 坡腳處設(shè)縫,(c) 1/3坡高處設(shè)縫,圖3-14 法向凍脹力比較,圖3-15 切向凍脹力比較,主要結(jié)論：,（1）位移場(chǎng)數(shù)值分析表明，在不設(shè)縱縫時(shí)襯砌板的凍脹量分布是坡板在下1/3附近最大，底板在渠中心最大；不同設(shè)縫時(shí)，襯砌板最大凍脹量總體明顯降低，而且分布更為均勻；特別是在坡板下部1/3處設(shè)縫時(shí)，最大凍脹量降低52%。 （2）應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，法向凍脹力呈上小下大規(guī)律分布，在渠底則趨于均布；切向凍脹力沿坡面呈上小下大的規(guī)律，在渠底幾乎趨于零；通過設(shè)縫均能明顯降低襯砌板下表面的法向及切向凍脹力；可使法向凍脹力降低35%45%，切向凍脹力降低25%32%。 （3）設(shè)置不同縱縫都會(huì)顯著降低最大凍脹量及最大凍脹力，而且使凍脹量及凍脹力分布趨于均勻化。因此設(shè)縱縫是簡(jiǎn)單有效的渠道防凍脹措施，而且坡板較長(zhǎng)時(shí)在下部1/3處設(shè)縫最為有效，這在前文敏感性分析中也得到了證明。,3.2.2 瀝青混凝土與聚合物柔性增強(qiáng)涂層 襯砌渠道抗凍脹數(shù)值模擬,襯 砌 結(jié) 構(gòu) 形 式,圖3-16 瀝青混凝土渠道防滲,圖3-17 聚合物柔性增強(qiáng)涂層,建立渠道有限元模型（同圖3-11）,柔性增強(qiáng)涂層的模擬采用四結(jié)點(diǎn)殼單元，即MITC4 shell，在