梯形砼衬砌渠道温度应力应变的有限元分析

为给梯形渠道的优化设计提供依据,将冻土视为横观各向同性线弹性材料,把冻土和混凝土衬砌作为一个整体,采用有限元软件ANSYS10.0分析了新疆兵团农八师西岸梯形渠道冻胀的温度场、应力场和变形场.以上分析的结果与实测的数据相吻合,二者的误差满足精度要求,表明采用有限元计算方法分析梯形渠道的温度应力、应变是可靠的.     

聚合物涂层与沥青混凝土衬砌渠道冻胀模拟

为了研究青混凝土与柔性增强涂层材料两种防渗抗冻胀技术的有效性,采用有限元分析软件ADINA,对其进行温度场、变形场及应力场仿真分析,研究了衬砌板的冻胀变形及其法向冻胀力和切向冻胀力分布规律,并分析衬砌板的应力及破坏规律;通过与普通混凝土衬砌对比分析,指出采用沥青混凝土、柔性增强涂层材料等柔性防渗抗冻胀材料不仅能使衬砌板的冻胀量及冻胀力更加均匀,而且通过释放变形,可使其法向及切向冻胀力减小25%～46%,可有效控制衬砌渠道冻胀破坏.     

整体式U形渠道不同断面结构抗冻胀性研究

针对倾角与渠道衬砌抗冻胀性定量关系存在不足的问题，以河套灌区D80整体式U形渠道为例，结合力学模型和数值模拟，分析不同条件下适用于当地冻胀环境的整体式U形渠道断面结构.结果表明:倾角越小渠道越窄深，渠顶水平冻胀量越大，渠底应力越大；反之，倾角越大渠道越宽浅，渠底竖向冻胀量越大.渠基土冻胀性、渠道混凝土衬砌强度和厚度对渠道抗冻胀性影响较大.对于亚黏土基土，选择0.07m厚衬砌，10°倾角为宜；对于粉土基土，选择0.08m厚衬砌，13°倾角为宜.     

季节性冻土区冬季输水渠道新式防冻胀结构的数值模拟

目前季节性冻土区冬季停水渠道的保温防冻胀措施已经有很多,并且已经基本成熟,在工程中的应用效果也很好,但冬季输水渠道一般直接套用冬季停水渠道的防冻胀措施,因此,迫切需要找出一种针对冬季输水渠道的防冻胀措施。本文采用有限元软件,利用热阻等效原理对冬季输水渠道的温度场、应力场、位移场进行数值分析,最终提出一种适用于冬季输水渠道的新式保温防冻胀措施。该措施主要是在渠坡顶部和水面以上边坡板后铺设聚苯乙烯保温板,水面以下不铺设保温材料。模拟结果表明:新式保温结构等温线较无保温措施的情况分布更加均匀,并且可以极大的降低和改善渠道水面、空气、衬砌板交界处及其附近的应力分布情况;厚度为0、8、10、12、13、14、15cm的聚苯乙烯保温板被铺设后,渠道混凝土衬砌板最大位移依次分别为6.25、3.7、3.25、2.75、2.5、2.46、2.35 cm,从中取出最优的保温板厚度为13 cm,此时冻胀量由6.25 cm降至2.5cm,符合规范要求。本文提出的季节性冻土区冬季输水渠道新式防冻胀措施不仅可以节约工程成本,而且还能减少渠道的次数维修和延长其使用年限。     

考虑渠内水影响的冬季输水渠道冻胀的数值模拟

针对季冻区冬季输水混凝土梯形衬砌渠道在运行中的冻胀问题,本文进行水热力耦合模型数值模拟,分析渠道供水期渠内水对渠道冻胀量的影响。在利用水热力耦合模型,同时结合水热力相互作用方程和有限元分析方法对供水期的梯形混凝土衬砌渠道的3个基本物理场实施计算,并与停水期混凝土梯形衬砌渠道的三场实施对比,最后结合实测数据进行误差解析。结果表明:冬季输水混凝土梯形衬砌渠道的3个基本物理场与停水期明显不同,但根据模拟所得数据可建立冬季输水混凝土梯形衬砌渠道冻胀预测曲线,并经分析比对后发现预测构造曲线与原型观测曲线基本重合;季冻区冬季输水混凝土梯形衬砌渠道供水期与停水期的渠道最大冻胀量相差约65 mm,表现出显著差异。上述结果表明,渠内水是渠道冻融循环中热源补给的重要来源之一,是冻胀量产生差异的重要原因,因此在渠道冻胀研究中极有必要考虑渠内水的影响。     

路基冻结过程中温度场对变形场的影响

为了研究冻土路基温度场及变形场的动态变化规律，基于伴有相变的路基非稳态温度场控制方程和冻土路基变形场二维数值计算模型，对冬季冻土路基温度场和变形场进行了计算分析，得出路基深层土中的温度变化滞后于表层土和气温；对于冻胀冰锋线分布较广的路基，其破坏易在坡脚处产生；冻胀冰锋线分布范围较小的路基，破坏大致发生在竖向位移较大的路基中部。结果表明，冻胀冰锋线的范围是影响路基变形场的重要因素。     

热流固耦合作用冻土路基变形规律研究

为揭示季节性冻土路基温度场、应力场和夏季降雨与冰晶融化所产生的渗流场,三场耦合引起的冻土路基变形与破坏.根据热流固三场耦合理论,提出了考虑相变的温度场、渗流场和变形场耦合的数学力学模型,体现了冻土路基中固体骨架、水、冰三相介质的水、热、力耦合作用;在数值模拟分析中,将路基仅受温度载荷与温度和车辆荷载共同作用进行了比较,得出冻土路基的变化规律,其研究结果对冻土路基的施工和维护有一定指导意义.     

土冻结过程中的水热力三场耦合数值分析

冻土在冻结、融化的过程中，未冻区和正冻区发生的物理过程均涉及温度场、水分场、应力场三场的耦合作用问题。尤其在土体的冻胀变形和分凝冰的形成过程中，冻胀应力对冻土地区结构物具有不容忽视的影响。为此，提出了“三场”耦合分析的一般数学格式，采用有限元思想导出相应的时空离散化方程，并给出了非线性数值求解的迭代计算步骤。另外，还给出具体的数值算例，以验证方法的可靠性、有效性和计算精度。     

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。     

基于横观各向同性的沥青路面加铺层力学分析

考虑到沥青混凝土呈现一定的横观各向同性特性,采用有限元数值分析方法,建立沥青加铺层路面三维有限元模型;将沥青加铺层及旧沥青面层视为横观各向同性体,并考虑了加铺层温度场特性和沥青混合料模量随温度变化的特性以及层间接触状态,研究了不同温度条件下沥青加铺层路面的力学行为,分析了沥青混合料的横观各向同性对加铺层路面的变形和应变等的影响.研究结果表明,沥青混凝土的横观各向同性及模量梯度特性和层间结合条件对加铺层受力状况都有较大影响.