冬季冻区混凝土输水渠道冻胀特性的数值模拟

根据新疆玛纳斯河流域红山嘴四级电站引水渠道的气温观测资料以及衬砌渠道冻胀破坏特征,利用对流传热公式并采用有限元软件按稳态热分析计算温度场,对冬季输水混凝土衬砌渠道冻胀过程进行了数值模拟,研究了渠道在冬季输水状态下的土体冻胀变形规律。计算结果表明:冬季输水渠道渠坡板的法向冻胀力峰值要比冬季停水渠道渠坡板法向冻胀力峰值高,且距离水位面1/3~1/2以上的渠坡板处易发生冻胀破坏,而现有渠道设计中过水断面的形式和结构设计均未考虑冬季输水状态下渠道法向冻胀力与切向冻胀力与停水渠道受力之间的差异,以及破坏位置的上移,这是不符合实际的。     

基于横观各向同性冻土的U形渠道冻胀数值模拟

将冻土分别视为各向同性和横观各向同性线弹性材料,把渠基冻土和渠道衬砌作为一个整体结构,视基土冻胀为热胀冷缩的特殊情况,应用大型有限元通用软件ANSYS,对U形混凝土衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟,计算渠道冻胀的温度场、应力场和变形场,研究衬砌板冻胀力和变形规律,并对结果进行对比分析.结果表明,数值模拟方法能较好地反映U形混凝土衬砌渠道的冻胀机理和冻胀温度场、应力场及变形场的基本规律,横观各向同性比各向同性更能反映冻土的本构模型,与实测成果吻合更好,可用于U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计.     

寒区隧道衬砌结构冻胀破坏规律研究

冻胀力是造成寒区隧道冻害时常发生的主要原因。通过对寒区隧道衬砌结构冻胀力产生机理进行研究,认为冻胀力是围岩整体冻胀和局部冻胀共同作用的结果,并采用弹性力学计算方法推导了冻胀力的计算公式。利用有限元分析软件TRAS研究了青沙山隧道衬砌结构冻胀破坏规律及防治措施,研究发现:拱顶和拱脚处衬砌结构安全系数较低,容易发生冻胀破坏;增加衬砌厚度来预防冻胀力效果不明显,建议采用钢筋混凝土结构。     

叶尔羌河灌区混凝土防渗渠冻胀破坏的观测研究

针对新疆南疆地区叶尔羌河灌区水系建筑中的混凝土衬砌板渠道冻胀破坏严重这一现象,通过工程实践,从渠道防渗的冻害机理、冻胀破坏及防治措施三方面进行了分析、探讨。     

U形和弧形底梯形渠道衬砌冻胀力的统一解

依据渠道防渗工程技术规范(GB/T 50600—2010)中的规定和说明可知,整体U形渠道衬砌和弧形底梯形渠道衬砌结构的力学计算简图相似,综合考虑渠道衬砌板厚、坡板长、半径和坡板倾角对渠道冻胀内力的影响,基于线弹性力学理论建立了整体U形和弧形底梯形砼渠道衬砌冻胀内力的统一计算模型。利用计算模型的解析解分析了不同因素对整体U形和弧形底梯形渠道衬砌的最大拉应力、最大拉应力位置、法向冻结力和法向冻胀力的影响规律及其敏感性。模型计算结果表明,整体U形砼渠道衬砌最大拉应力的主要影响因素为坡板长和板厚,而弧形底梯形砼渠道最大拉应力的主要影响因素为坡板倾角和坡板长。针对渠道衬砌冻胀破坏的主要原因是冻胀最大拉应力超过了渠道衬砌材料的容许拉应力这一问题,借助该模型给出了确定整体U形和弧形底梯形渠道衬砌最佳厚度的规则和方法。建议进行渠道衬砌设计时,在满足断面流量和经济的前提条件下,整体式U形渠道衬砌可采用"短坡厚板"的设计思想,弧形底梯形渠道衬砌则采用"缓坡短板"的设计思想。     

温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化

为提高寒区大型梯形渠道结构输水及抗冻胀破坏能力,采用分层序列法构建渠道断面水力与抗冻胀双目标优化方法。为准确反映温、水、土等外环境与衬砌结构耦合作用所导致的渠道冻胀变形过程,基于冻土水-热-力耦合冻胀理论建立了衬砌渠道冻胀分析模型。以水力最优为第1层次优化,以所得形体几何参数作为抗冻胀优化的解集空间;在第2层次的抗冻胀优化过程中提出了衬砌结构整体刚度指标,并以整体刚度指标最小作为优化目标,以衬砌允许最大法向位移和拉应力作为约束条件;通过COMSOL软件二次开发对冻胀模型控制方程进行有限元求解。工程算例表明:优化结果体现了对渠道行水和衬砌抗冻胀的改进;与原设计相比,优化后渠道结构整体刚度系数减小30%～48%,提高了对冻胀变形的适应能力。该方法可为类似工程设计提供参考。     

渠道防渗：输水防渗漏工程新途径

在我国，渠道防渗方法可分两类：一类是改变原渠床土壤渗透性能，又可分为物理机械法和化学法。前者是通过减少土壤空隙达到减少渗漏的目的，可用压实、淤淀、抹光等；后者是掺入化学材料以增强渠床土壤的不透水性。一类是设置防渗层，即进行渠道衬砌，可用混凝土和钢筋混凝土、塑料薄膜、砌石、砌砖、沥青、三合土、水泥土和粘土等各种不同材料衬砌渠床。采用防渗措施后，渠道渗漏损失可以减少50％～90％。混凝土衬砌是一种较普遍的渠道防渗形式，防渗防冲效果好、耐久，但投资较大。塑料薄膜防渗国外在20世纪40年代已开始应用，我国60年代以来发展很快，防渗效果好，造价亦较低，一般应用于流速小的渠道。三合土、水泥土等防渗材料可就地取材，造价较低，适于无冻害地区使用。70年代以来，对沥青玻璃纤维等防渗新材料以及机械化施工等方面的研究、推广应用，正逐步得到发展。在有冻害地区进行渠道衬砌，需采取防冻措施。防治渠道冻胀破坏可采用改善土壤性质和减少土壤水分，减轻基本冻胀强度，使衬砌结构适应基土的冻胀变形等方法。 渠道防渗不仅能节约灌溉用水，而且能降低地下水位，防止土壤次生盐碱化；防止渠道冲淤和坍塌，加快流速提高输水能力，减小渠道断面和建筑物尺寸；节省占地，减少工程费用和维修管理费用等。     

砼U形渠道在新疆高寒地区抗冻胀研究

砼Ｕ形渠道是寒区环境工程抗冻胀的结构措施之一,这种结构在新疆使用多年,就其应用效果和抗冻性能进行调查和试验研究分析,其具有冻胀力分布均匀,裂缝少,错位及变形小等优势,在流量不大的支渠和斗农渠防渗中,是一种好的抗冻胀型结构。     

外水压力作用下伸缩缝防渗体系数值模拟研究

基于内聚力模型,建立了复合型防渗体系的有限元计算模型,探讨了在外水压力作用下防渗体系的剥离破坏过程。研究表明,表面涂层厚度、嵌缝深度与防渗体系抵抗变形能力成正比;随着嵌缝深度的增加,防渗体系抵抗水压变形能力的增强幅度越小,涂层厚度对抵抗水压变形能力的增强幅度影响更小;防渗体系的破坏起始点有两处,当嵌缝材料厚度较小时,破坏起始点在聚脲表面涂层与混凝土的接合处;当嵌缝材料厚度较大时,破坏起始点在嵌缝材料与混凝土黏接层下部。通过定量分析,为抵抗1 MPa的水压,推荐内嵌材料深度至少1.5 cm、表面封闭层厚度至少2 mm。     

U形渠道地基用盐渍土冻融试验

针对宁夏平罗县沙湖灌区盐渍土地基U形渠道衬砌盐腐蚀严重和冻胀开裂的现象,开展破坏机理研究。设计模拟渠道地基用盐渍土的冻融试验,研究9次冻融循环条件下盐渍土的盐分迁移和冻胀力分布规律,结合冻胀力计算模型明晰U形渠道衬砌的破坏成因。研究结果表明:相同含水质量分数的盐渍土,深度在10 cm以内时,盐分迁移速率较快,随着深度增加,盐分迁移速率由大减小,并沿着深度增加盐分迁移量呈非线性减小;不同含水质量分数盐渍土在其表层均有盐分迁移后大量富集现象;相同含水质量分数的盐渍土,其冻胀力随着深度增加而增加,当深度在25 cm以内时,其冻胀力增长较为平缓,深度大于25 cm时,冻胀力随着冻结深度增加呈显著增加;盐渍土温度达到-10.0℃以下,土体中的水已全部冻结,随着温度继续降低,冰体和土颗粒的蠕变变形导致冻胀力衰减,且随着冻融次数增加,冻胀力衰减越显著;在1个冻融循环过程中,冻胀力波动温度区间随着含水质量分数增加而减小,且区间起始温度有增加趋势;在1个冻融循环过程中产生了冻胀力波动现象且在冻胀力波动温度区间内发生了4次,该规律能很好地解释在春天融化过程中渠道衬砌板更易产生开裂的现象;盐渍土表层盐分大量富集导致渠道衬砌板顶部腐蚀最严重。     

土工袋防渠道冻胀水-热-力耦合数值模拟

根据水-热-力耦合计算模型,编制相应的有限元计算程序,并结合寒冷地区渠道工程进行数值计算,分析渠道建成后2 a内渠坡的温度场、水分场及位移的分布规律。计算结果表明:渠坡在冻融过程中表现出显著的冻胀、融沉变形特性,且冻胀和融沉变形不可逆;土工袋处理渠道对冻土渠坡具有较好的防冻胀效果,土工袋具有较小的导热性,可以有效减小渠坡内部土体温度受大气温度的影响,从而减小渠坡发生冻胀融沉变化的可能性;土工袋可以抑制毛细水和薄膜水的上升,可减小土工袋层及下部土体中的水分迁移,从而保持渠道内较为稳定的含水量,减小渠坡表层的冻胀量;土工袋具有一定的强度且在自身袋子张力作用下能够抑制部分冻胀变形,从而减小渠道衬砌体由冻胀引起的破坏。同时,渠道表层用土工袋处理后,渠坡内部温度可以较快达到稳定状态,运行2 a后可在地基2 m以下位置形成较为稳定的常年冻结层。     

人工湖岸挡土墙“冻害”与防治措施研究

论述了水平冻胀应力对挡土墙的“冻胀”作用,分析挡土墙冻胀水平位移的形态及成因,研究制定的“冻害”防治措施的实施和效果评估。     

黏性土桩锚基坑冻胀模型试验及其响应分析

黏性土地区基坑的冻胀效应对于工程施工和支护方案设计影响至关重要.结合东北某基坑工程,现场取样,利用室内模型相似试验,得出了黏性土地区桩锚基坑冻胀的力学变形规律,以及冻土压力与位移的函数关系,在此基础上引入支护结构协调变形方程,应用有限差分原理,考虑桩土相互作用,得出冻胀桩锚基坑支护体系的计算结果.基坑冻胀实例表明,桩锚体系考虑冻胀力影响的基坑施加冻胀作用的计算方法,更接近工程监测实际情况,可以在类似工程中推广应用.     

单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.     

含泥量对砂砾土冻胀特性的影响

 为得到含泥量对砂砾土冻胀特性的影响规律,为实际工程防冻胀设计提供理论依据,利用改进的冻胀实验装置进行室内实验,研究了不同含泥量、相同饱和度条件下及相同含泥量、不同含水率条件下砂砾土的冻胀特性。研究结果表明,在封闭条件下,饱和度一定时,冻胀率随含泥量增大而增大,说明过高的含泥量能够产生较大的冻胀,因此控制含泥量是防止砂砾土冻胀的有效措施;含泥量一定时,冻胀率随含水率增大而增大,说明砂砾土的冻胀率受含泥量和含水率共同影响,因此要同时注意防排水和控制含泥量。传统研究通常认为,砂砾土由于粒径较大冻胀不明显,但本实验结果表明,具有一定量的含泥量和含水率的砂砾土也能产生比较明显的冻胀,对工程建设有较大影响,因此在工程实际中不能忽视砂砾土的冻胀。     

冻融循环下含裂隙类岩石冻胀力的力学模型及实验研究

以水泥砂浆类岩石材料为研究对象,结合弹性力学、断裂力学和流体力学相关理论,推导出体积膨胀机制作用下多孔岩石冻胀力计算的理论模型,得出冻胀力和体积模量之间呈正相关的增长方式;对经过冻融循环的含裂隙试件进行单轴压缩实验,分析冻胀力对不同角度裂隙试件的影响,发现冻胀力对0°试件的峰值强度影响最明显,随着裂隙倾角的增加,冻胀力对裂隙试件的峰值强度的影响逐渐减弱。该研究为岩体裂隙中冻胀力的求解提供了一个确切的模型,并通过实验验证了冻胀力模型的可行性,为以后研究裂隙中冻胀力的大小提供了理论依据。     

不同压力条件下艾丁湖地区天然盐渍土盐-冻胀研究

为研究艾丁湖地区天然盐渍土在不同压力和含水率下的盐-冻胀规律,选取艾丁湖地区低液限粉土为研究对象,运用室内小尺寸实验装置进行试验。结果表明:在不同压力下,盐-冻胀规律基本相似;压力对盐渍土的盐-冻胀影响很大,随着上覆压力的逐渐增大,盐-冻胀量逐渐减小。盐-冻胀率在一定范围内随含水率的增大而增大,当含水率为最优含水率时,盐-冻胀率达到最大值。     

季冻区隧道冻胀力影响因素交互性及敏感性正交试验分析

为探究影响季冻区隧道衬砌冻胀力各个因素的交互性及敏感性,依托承担冬奥会人员转运工作的延崇高速主线翠云山隧道,通过建立ANSYS数值模型,对冻胀率、冻融圈厚度、衬砌弹模等冻胀力影响因素进行了正交试验。研究结果表明：(1)考虑各个因素对冻胀力的影响时可只考虑其主效应。(2)融圈厚度、冻胀率、衬砌弹模、冻结围岩弹模以及未冻结围岩弹模均对冻胀力的影响较为显著;各因素敏感性排序为：冻结围岩弹模＞冻胀率＞未冻结围岩弹模＞冻融圈厚度＞衬砌弹模。(3)相比于原始参数,实验最优参数各部位冻胀力均有所减小且降幅均超过30%,最小降幅发生在拱顶为34.20%,并据此提出了控制冻胀力的措施,为河北地区季冻区隧道建设提供指导。??     

衬砌渠道冻胀原理及抗冻胀计算

阐述了衬砌渠道冻胀的基本原理及基本特征，介绍了衬砌渠道抗冻胀计算方法及防冻胀措施的选择。     

路基冻胀地区CRTSⅠ型板式无砟轨道结构变形与离缝特征分析

为揭示严寒地区高速铁路路基冻胀变形对无砟轨道平顺性的影响,建立CRTS Ⅰ型板式无砟轨道-路基空间耦合有限元模型,分析了不同路基冻胀条件下轨道结构的变形特征,探讨了层间离缝的发展演变过程,以及层间粘结强度和底座板刚度对离缝发展的影响规律.结果表明:路基冻胀位置对轨道结构变形影响较大,冻胀变形基本能反映到轨面,当冻胀作用在轨道板中间位置时,底座板与基床表层之间的离缝值最大;最大离缝值随冻胀量增加呈线性增长,随冻胀波长的增大而减小;离缝在轨道结构横向位置是从中间向两边逐渐扩展的;随着底座板与基床表层之间粘结强度的增大,层间离缝值和离缝长度逐渐减小;离缝值随着底座板刚度的减小而减小,当底座板刚度减小为原来的60%时,离缝值减小了近20%.