渠道衬砌结构冻胀破坏力学模型及冻胀数值模拟.pptx

国内外渠道冻胀研究现状国内外渠道冻胀研究现状 1.在国外发达国家，近年来多采用在国外发达国家，近年来多采用“抵抗抵抗”冻胀的技术措施，用钢筋冻胀的技术措施，用钢筋混凝土取代素混凝土，并采用砂砾料换填层、加固基础、增设排水等措施混凝土取代素混凝土，并采用砂砾料换填层、加固基础、增设排水等措施衬砌渠道，如日本现在多采用钢筋混凝土矩形渠槽加换填材料复合型式，衬砌渠道，如日本现在多采用钢筋混凝土矩形渠槽加换填材料复合型式，美国、美国、俄罗斯则多采用混凝土或钢筋混凝土大型平板形式。这些措施防渗俄罗斯则多采用混凝土或钢筋混凝土大型平板形式。这些措施防渗抗冻胀效果好，但工程造价高，不适合我国国情。抗冻胀效果好，但工程造价高，不适合我国国情。2.2.针对渠道冻胀破坏，针对渠道冻胀破坏，我国经过三十多年的研究与及实践，制定了我国经过三十多年的研究与及实践，制定了渠道防渗工程技术规范渠道防渗工程技术规范和和渠系工程抗冻胀设计规范渠系工程抗冻胀设计规范，并提出，并提出 “允许一定冻胀位移允许一定冻胀位移”的工程设计标准和的工程设计标准和“回避、适应、削减或消除冻胀回避、适应、削减或消除冻胀”的防冻害原则和技术措施，与国外相比，不仅解决了不少工程问题，而且的防冻害原则和技术措施，与国外相比，不仅解决了不少工程问题，而且使工程造价大大降低。使工程造价大大降低。渠道冻胀研究概况及进展 3.国内外学者在冻胀机理、冻土力学特性与本构、冻胀过程数值模国内外学者在冻胀机理、冻土力学特性与本构、冻胀过程数值模拟、防渗抗冻胀新材料新结构等方面开展了大量研究和实践工作，取得了拟、防渗抗冻胀新材料新结构等方面开展了大量研究和实践工作，取得了丰硕成果。丰硕成果。但在北方灌区渠道冻胀破坏还没有彻底解决！但在北方灌区渠道冻胀破坏还没有彻底解决！第1页/共61页渠道抗冻胀技术措施改善渠基土的温度场与湿度场改善渠基土的温度场与湿度场（1 1）保温隔热措施）保温隔热措施 将保温隔热材料如炉渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨胀珍将保温隔热材料如炉渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨胀珍珠岩保温层制品等铺设在衬砌体背后，利用其导热系数低的性能改珠岩保温层制品等铺设在衬砌体背后，利用其导热系数低的性能改变和控制渠基土周围热量的输入输出及转化过程，人为影响冻土结变和控制渠基土周围热量的输入输出及转化过程，人为影响冻土结构，使冻土内部水热耦合作用在时空上重新分布，从而减轻或消除构，使冻土内部水热耦合作用在时空上重新分布，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。渠床的冻深和冻胀。（2 2）渠基土换填及加固处理）渠基土换填及加固处理 渠基土换填技术是指用风积砂、砂砾石等弱冻胀性土，置换渠渠基土换填技术是指用风积砂、砂砾石等弱冻胀性土，置换渠基原有土壤，降低渠道冻胀量的方法。针对工程中粗砂换填设反滤基原有土壤，降低渠道冻胀量的方法。针对工程中粗砂换填设反滤层不经济等问题，提出了纤维砂袋换填的新方法，集隔离、排水和层不经济等问题，提出了纤维砂袋换填的新方法，集隔离、排水和反滤于一体，防冻胀效果较好。反滤于一体，防冻胀效果较好。渠基土加固处理包括压实处理和化学处理两种方法。渠基土加固处理包括压实处理和化学处理两种方法。（3 3）防渗排水措施）防渗排水措施 第2页/共61页选择合理的断面及结构形式选择合理的断面及结构形式 根据冻土工程国家重点实验室的研究结果，混凝土衬砌弧底根据冻土工程国家重点实验室的研究结果，混凝土衬砌弧底梯形渠、弧形坡脚梯形渠和小梯形渠、弧形坡脚梯形渠和小U形渠是比较好的抗冻胀衬砌断面形渠是比较好的抗冻胀衬砌断面形式；此外，采用一些特殊结构形式和新型复合结构形式也能起形式；此外，采用一些特殊结构形式和新型复合结构形式也能起到较好的防冻胀作用，如肋形板、楔形板、中厚板、槽形板、空到较好的防冻胀作用，如肋形板、楔形板、中厚板、槽形板、空心板以及复式梯形断面心板以及复式梯形断面 等等。等等。新型的防渗防冻材料新型的防渗防冻材料新型土工复合材料新型土工复合材料聚丙烯（聚丙烯（PP）纤维混凝土）纤维混凝土 新型固化土防渗材料新型固化土防渗材料 纳米改性防渗材料纳米改性防渗材料 新型伸缩缝止水材料新型伸缩缝止水材料 膨润土防渗垫（膨润土防渗垫（GCL)复式梯形断面复式梯形断面第3页/共61页渠道防渗防冻胀综合措施渠道防渗防冻胀综合措施 PPPP纤维混凝土板纤维混凝土板+复合土工膜防渗衬护结构复合土工膜防渗衬护结构 土工格室混凝土板土工格室混凝土板+复合土工膜防渗衬护结构复合土工膜防渗衬护结构 混凝土联锁板复合结构混凝土联锁板复合结构 +复合土工膜防渗衬护结构复合土工膜防渗衬护结构 混凝土板复合土工膜纤维砂袋混凝土板复合土工膜纤维砂袋 铠甲式纤维混凝土复合渠道防渗卷材衬护结构铠甲式纤维混凝土复合渠道防渗卷材衬护结构 改性沥青混凝土夹聚酯网格预制板改性沥青混凝土夹聚酯网格预制板 （能够适应较大的变形）聚苯颗粒（有机垃圾）水泥混凝土聚苯颗粒（有机垃圾）水泥混凝土 、稻壳水泥混凝土、陶粒混、稻壳水泥混凝土、陶粒混 凝土凝土 （废物利用，同时隔热保热效果好）三维土工植被网护坡三维土工植被网护坡 竖向铺塑防渗技术竖向铺塑防渗技术 渠道冻胀自适应断面渠道冻胀自适应断面（恰当位置设置宽窄纵缝）现浇钢丝网混凝土与保温一体化抗冻胀结构现浇钢丝网混凝土与保温一体化抗冻胀结构 第4页/共61页研究方法及技术路线研究方法及技术路线第5页/共61页一、基础研究第6页/共61页 基土冻胀机制（略）渠道冻胀主要影响因素研究（土质土质 、水分条件、水分条件 、温度条件、温度条件 、附加荷载、附加荷载 、衬砌刚度、土密度衬砌刚度、土密度 、渠道走向、渠道走向）渠道衬砌的抵抗能力（材料强度材料强度 、结构形式、结构形式）混凝土衬砌渠道破坏特征（梯形、弧底梯形、（梯形、弧底梯形、U U形、弧形坡脚梯形、弧形坡脚梯 形混凝土衬砌渠道）形混凝土衬砌渠道）主要结论：（1 1）渠渠道道衬衬砌砌的的冻冻胀胀破破坏坏是是渠渠道道自自身身和和外外界界环环境境共共同同作作用用的的结结果果，冻冻胀胀破破坏坏是是北北方方渠渠道道衬衬砌砌破破坏坏的的主主要要形形式式。（2 2）渠渠道道衬衬砌砌的的冻冻胀胀破破坏坏与与渠渠基基土土质质、水水分分、温温度度、衬衬砌砌体体的的材材料料和和结结构构形形式式及及渠渠道道走走向向等等因因素素密密切切相相关关。（3 3）弧弧底底梯梯形形混混凝凝土土衬衬砌砌渠渠道道冻冻胀胀量量分分布布较较均均匀匀，抗抗冻冻胀性能良好。胀性能良好。1.1 混凝土衬砌渠道冻胀机理混凝土衬砌渠道冻胀机理第7页/共61页冻土横观各向同性冻土横观各向同性本构本构本构本构模型模型要点：土冻结过程中，垂直于温度梯度方向形土冻结过程中，垂直于温度梯度方向形成一层层冰晶体和冻结锋面，随着冻结温度的成一层层冰晶体和冻结锋面，随着冻结温度的变化，冻结锋面也随之平行推进，从而表现出变化，冻结锋面也随之平行推进，从而表现出了冻土在冻结锋面内和温度梯度方向（两者正了冻土在冻结锋面内和温度梯度方向（两者正交）力学特性的显著差异。以往沿用各向同性交）力学特性的显著差异。以往沿用各向同性线弹性本构模型来分析冻土与建筑物相互作用线弹性本构模型来分析冻土与建筑物相互作用的处理是欠合理的，实验研究表明：其合理的的处理是欠合理的，实验研究表明：其合理的本构模型应为横观各向同性材料。本构模型应为横观各向同性材料。图1-1 冻土组构坐标示意图冻土组构坐标示意图1.2 冻土本构模型研究冻土本构模型研究第8页/共61页 横观各向同性材料作为正交各向异性材横观各向同性材料作为正交各向异性材料的特例，应满足右边公式。料的特例，应满足右边公式。采用兰州粉质黏土进行试验验证了冻土采用兰州粉质黏土进行试验验证了冻土属于横观各向同性材料。对不同应力水平时，属于横观各向同性材料。对不同应力水平时，各种力学参数进行比较分析。各种力学参数进行比较分析。，；，试验结果如下：第9页/共61页试验结果分析：1.1.在同一应力水平下，冻土在等温面（各向同性面）在同一应力水平下，冻土在等温面（各向同性面）内的刚度、强度大于温度梯内的刚度、强度大于温度梯度方向；度方向；2.2.同一应力水平下冻结温度越大，同一应力水平下冻结温度越大，冻土的刚度、强度越大；冻土的刚度、强度越大；3.3.在同一应力水平下，冻结温度越大，泊松比越小在同一应力水平下，冻结温度越大，泊松比越小；4.4.对试验结果进行回归分析，该种试样极限强度：对试验结果进行回归分析，该种试样极限强度：=0.25T+C(MPa)=0.25T+C(MPa)其中：其中：各种极限应变近似为各种极限应变近似为 ；综合分析得到冻土无量纲单轴非线性解析本构模型为：综合分析得到冻土无量纲单轴非线性解析本构模型为：第10页/共61页基于SevostianovSevostianov夹杂理论的冻土数值本构模型Sevostianov夹杂理论模型单个夹杂体的刚度分布张量单个夹杂体的刚度分布张量(分量形式为分量形式为）可定义如下：）可定义如下：其中其中 为基体材料的刚度张量（其逆，即柔度张量为为基体材料的刚度张量（其逆，即柔度张量为 ），），为远场应变张量，张量为远场应变张量，张量 依赖于夹杂体的形状和弹性性质。依赖于夹杂体的形状和弹性性质。假定假定1 1各向同性基体材料中存在椭球形夹杂体，作用在无穷远处的均匀各向同性基体材料中存在椭球形夹杂体，作用在无穷远处的均匀应变场应变场 ，使得椭球形夹杂体产生的均匀应变可表述为：，使得椭球形夹杂体产生的均匀应变可表述为：其中其中因此，因此，N 可表示为可表示为第11页/共61页 夹杂于各向同性土中的冰颗粒具有如下性质：回转轴方向相互平行；夹杂于各向同性土中的冰颗粒具有如下性质：回转轴方向相互平行；冰颗粒材料为各向同性材料。冰颗粒材料为各向同性材料。假定假定2 2横观各向同性冻土弹性模型横观各向同性冻土弹性模型 综合可得，对四阶张量的拉伸结果：综合可得，对四阶张量的拉伸结果：即即 、和和 通常是冻土微结构及外部环境因素通常是冻土微结构及外部环境因素（如温度（如温度、含水量、土质、冻结速率）的函数。、含水量、土质、冻结速率）的函数。第12页/共61页 通过对冻土细观组构分析及宏观力学试验，证明冻土材料在常见通过对冻土细观组构分析及宏观力学试验，证明冻土材料在常见通过对冻土细观组构分析及宏观力学试验，证明冻土材料在常见通过对冻土细观组构分析及宏观力学试验，证明冻土材料在常见的冻结温度及水分状况下，属于横观各向同性材料；指出了横观各向的冻结温度及水分状况下，属于横观各向同性材料；指出了横观各向的冻结温度及水分状况下，属于横观各向同性材料；指出了横观各向的冻结温度及水分状况下，属于横观各向同性材料；指出了横观各向同性冻土各材料力学参数的变化规律，给出了横观各向同性冻土的近同性冻土各材料力学参数的变化规律，给出了横观各向同性冻土的近同性冻土各材料力学参数的变化规律，给出了横观各向同性冻土的近同性冻土各材料力学参数的变化规律，给出了横观各向同性冻土的近似函数本构模型。似函数本构模型。似函数本构模型。似函数本构模型。基于细观力学和复合材料力学夹杂理论，基于细观力学和复合材料力学夹杂理论，基于细观力学和复合材料力学夹杂理论，基于细观力学和复合材料力学夹杂理论，提出冻土的数值本构模提出冻土的数值本构模提出冻土的数值本构模提出冻土的数值本构模型型型型，此模型很好得描述了冰颗粒夹杂与基体土的相互作用对冻土宏观此模型很好得描述了冰颗粒夹杂与基体土的相互作用对冻土宏观此模型很好得描述了冰颗粒夹杂与基体土的相互作用对冻土宏观此模型很好得描述了冰颗粒夹杂与基体土的相互作用对冻土宏观力学性能的影响，为精确的数值模拟提供了理论依据。力学性能的影响，为精确的数值模拟提供了理论依据。力学性能的影响，为精确的数值模拟提供了理论依据。力学性能的影响，为精确的数值模拟提供了理论依据。研究成果和认识第13页/共61页二、模型研究第14页/共61页 梯形渠道受冻胀力学模型图2-2 渠道坡板计算简图2.1 渠道衬砌冻胀破坏力学模型研究渠道衬砌冻胀破坏力学模型研究图2-1 梯形断面简图图2-3 渠道底板计算简图图2-4 渠道坡板内力图第15页/共61页渠坡板内力计算渠底板内力计算第16页/共61页计算简图计算简图图2-5 准梯形法向冻胀力图2-6 准梯形切向冻胀力根据静力平衡条件，建立平衡方程有：根据静力平衡条件，建立平衡方程有：由上式计算出渠道在冻胀力作用由上式计算出渠道在冻胀力作用下达到极限平衡状态时最大法向、切下达到极限平衡状态时最大法向、切向冻胀力，进一步求解各内力，绘出向冻胀力，进一步求解各内力，绘出内力分布图。内力分布图。准梯形渠道受冻胀力学模型第17页/共61页a 轴轴 力力 b 弯弯 矩矩 c 剪剪 力力图2-7 坡板垂直段内力分布图a 轴轴 力力b 弯弯 矩矩 c 剪剪 力力图2-8 坡板倾斜段内力分布图a 轴轴 力力b 弯弯 矩矩c 剪剪 力力图2-9 底板内力分布图结论一结论一：与梯形渠道相比较，由与梯形渠道相比较，由于准梯形渠道衬砌体整于准梯形渠道衬砌体整体性强，体性强，并且由于垂直并且由于垂直段的约束，从而使坡板段的约束，从而使坡板与底板之间的内力相互与底板之间的内力相互影响更为显著。影响更为显著。结论二结论二：理论分析表明，理论分析表明，准梯形准梯形断面比梯形断面坡板、断面比梯形断面坡板、底板最大弯矩绝对值小底板最大弯矩绝对值小得多，这也就是准梯形得多，这也就是准梯形抗冻胀力强的原因之一抗冻胀力强的原因之一。第18页/共61页弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏力学模型图图2-10 法向冻胀力分布法向冻胀力分布图图2-11 切向冻结力分布切向冻结力分布主要结论：弧弧底底梯梯形形与与梯梯形形渠渠道道相相比比底底板板由由直直梁梁变变为为曲曲拱拱，承承载载力力增增大大；弧弧底底梯梯形形砼砼衬衬砌砌的的法法向向冻冻胀胀力力与与切切向向冻冻结结力力产产生生的的弯弯矩矩方方向向相相反反，两两者者相相互互消消减减，控控制制弯弯矩矩减减小小；弧弧底底梯梯形形渠渠道道衬衬砌砌体体整整体体性性强强，坡坡板板与弧底板之间内力相互影响显著；因此弧底梯形抗冻胀能力强。与弧底板之间内力相互影响显著；因此弧底梯形抗冻胀能力强。计算简图计算简图第19页/共61页 U U形渠道衬砌冻胀力学模型 计算简图计算简图a.法向冻胀力与冻结力b.切向冻结力图2-12 U形渠冻胀受力图图2-13 衬砌板内力图 内力图内力图a.轴力图 b.弯矩图 c.剪力图 第20页/共61页 小U U形渠道水力及抗冻胀最佳断面分析分析结果：根据根据U U形渠道水力最佳断面条件，考形渠道水力最佳断面条件，考虑虑U U形渠道衬砌结构的冻胀受力，分析形渠道衬砌结构的冻胀受力，分析推导并求得在相同衬砌厚度下，推导并求得在相同衬砌厚度下，衬砌结衬砌结构弯矩分布最均匀的渠道断面结构参数。构弯矩分布最均匀的渠道断面结构参数。为：为：=69=69，n n=0.4=0.4 图图2-14 U形渠道形渠道L/R=n 第21页/共61页 前面依次提出了梯形、准梯形、弧底梯形和前面依次提出了梯形、准梯形、弧底梯形和U U形渠道冻胀破坏力学模型，求形渠道冻胀破坏力学模型，求出渠道衬砌板的内力，结合抗裂条件给出衬砌板抗冻胀破坏验算等一系列计算方出渠道衬砌板的内力，结合抗裂条件给出衬砌板抗冻胀破坏验算等一系列计算方法法;指出渠道衬砌上所受的冻结力、冻胀力及相互约束力的大小及方向是相互依指出渠道衬砌上所受的冻结力、冻胀力及相互约束力的大小及方向是相互依存的，且都可表示为最大切向冻结力的函数，而最大切向冻结力则是反映土质、存的，且都可表示为最大切向冻结力的函数，而最大切向冻结力则是反映土质、负温及水分状况的综合指标，可根据实验或经验确定。负温及水分状况的综合指标，可根据实验或经验确定。从理论上揭示了宽浅式、从理论上揭示了宽浅式、弧形断面衬砌渠道抗冻胀性能好的力学机理。弧形断面衬砌渠道抗冻胀性能好的力学机理。需要说明的是：需要说明的是：（1 1）模型是建立在假定衬砌体结构不发生局部强度破坏的前提下整体达到极模型是建立在假定衬砌体结构不发生局部强度破坏的前提下整体达到极限状态限状态.但对大型或整体性差的衬砌渠道应考虑局部破坏。但对大型或整体性差的衬砌渠道应考虑局部破坏。（2 2）力学模型对衬砌顶部约束影响的考虑不够准确，可根据实际适当调整。力学模型对衬砌顶部约束影响的考虑不够准确，可根据实际适当调整。（3 3）力学模型仅考虑冻结时地下水能供给到渠顶，否则应从冻结时地下水能）力学模型仅考虑冻结时地下水能供给到渠顶，否则应从冻结时地下水能供给到处以下为研究对象建立力学模型。供给到处以下为研究对象建立力学模型。（4 4）力学模型力学模型没有考虑冻土的不同本构、昼夜温变、日照辐射、三场耦合等没有考虑冻土的不同本构、昼夜温变、日照辐射、三场耦合等问题。问题。渠道衬砌冻胀破坏力学模型研究主要成果：第22页/共61页2.2 混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟 基于横观各向同性冻土的U形渠道冻胀数值模拟 研究方法和技术路线研究方法和技术路线在以上冻土本构模型研究的基础上，考在以上冻土本构模型研究的基础上，考虑冻土和衬砌板的相互作用，视渠基冻虑冻土和衬砌板的相互作用，视渠基冻土和渠道为一个整体，将冻土分别按各土和渠道为一个整体，将冻土分别按各向同性材料和横观各向同性材料，视基向同性材料和横观各向同性材料，视基土冻胀为热胀的特殊情况，应用大型有土冻胀为热胀的特殊情况，应用大型有限元通用软件限元通用软件ANSYSANSYS，按大体积超静定，按大体积超静定结构温度应力计算方法，对结构温度应力计算方法，对U U形混凝土形混凝土衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟，衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟，计算渠道的温度场、应力场和变形场，计算渠道的温度场、应力场和变形场，分析渠道冻胀受力和变形规律，并对比分析渠道冻胀受力和变形规律，并对比分析横观各向同性和各向同性冻土材料分析横观各向同性和各向同性冻土材料模型的计算结果。模型的计算结果。建立力学模型建立力学模型1 1、各向同性本构方程、各向同性本构方程 2 2、横观各向同性本构方程、横观各向同性本构方程 渠道静力平衡方程渠道静力平衡方程：几何方程几何方程：本构方程：本构方程：第23页/共61页建立有限元模型图2-15 塬下北干渠断面（cm）图2-16 有限元单元模型 温度场 受到渠道东西走向的影响，阴阳两坡的温受到渠道东西走向的影响，阴阳两坡的温度分布有明显差异，阴坡的温度梯度大于度分布有明显差异，阴坡的温度梯度大于阳坡的温度梯度，各坡冻深分布状况与温阳坡的温度梯度，各坡冻深分布状况与温度分布规律基本相同度分布规律基本相同,符合实测规律。符合实测规律。图2-17 等温线图 第24页/共61页变形场 将冻土视为各向同性材料数值模拟结果是，渠道各部位变形主要将冻土视为各向同性材料数值模拟结果是，渠道各部位变形主要取决于温度，阴坡的冻胀量要大于弧底，这与实测弧底变形最大的结取决于温度，阴坡的冻胀量要大于弧底，这与实测弧底变形最大的结果不符；且各部位冻胀量比实测数值偏大。果不符；且各部位冻胀量比实测数值偏大。将冻土视为横观各向同性材料进行分析，弧底变形最大，阴坡次将冻土视为横观各向同性材料进行分析，弧底变形最大，阴坡次之，之，与实测规律一致；且其各部位冻胀量数值与实测成果吻合很好，与实测规律一致；且其各部位冻胀量数值与实测成果吻合很好，也比各向同性时普遍偏小，但弧底大小基本相同。也比各向同性时普遍偏小，但弧底大小基本相同。图2-18 观测断面和测点布置图图2-19 不同本构模型渠道变位模拟值与实测值展开图第25页/共61页应力场 a.法向冻胀力法向冻胀力b.切向冻结力切向冻结力a.法向冻胀力法向冻胀力b.切向冻结力切向冻结力图2-20 各向同性冻胀力分布图图2-21 横观各向同性冻胀力分布图第26页/共61页主要结论：（1 1）利用有限元软件将冻土与渠道衬砌体作为一个整体进）利用有限元软件将冻土与渠道衬砌体作为一个整体进行热、力、变形耦合有限元计算，结果基本能反映混凝土衬行热、力、变形耦合有限元计算，结果基本能反映混凝土衬砌渠道冻胀变形及受力规律，是简捷通用的方法，为渠道抗砌渠道冻胀变形及受力规律，是简捷通用的方法，为渠道抗冻胀设计提供了定量计算方法。冻胀设计提供了定量计算方法。（2 2）基于各向同性冻土的数值模拟，衬砌体受力及冻胀变基于各向同性冻土的数值模拟，衬砌体受力及冻胀变形分布规律与简化力学模型基本一致；但与工程实测的受力形分布规律与简化力学模型基本一致；但与工程实测的受力及变形规律还有差异，数值均偏大。及变形规律还有差异，数值均偏大。（3）将冻土视为横观各向同性线弹性材料，符合冻土的将冻土视为横观各向同性线弹性材料，符合冻土的细观力学组构，既能反映冻土冻胀时的变形和应力分布规律，细观力学组构，既能反映冻土冻胀时的变形和应力分布规律，又与实测情况吻合较好。又与实测情况吻合较好。第27页/共61页 在前面在前面渠道冻胀数值模拟渠道冻胀数值模拟的基础上，的基础上，以某以某U 形渠观测段形渠观测段为研究对象，利用有限元方法为研究对象，利用有限元方法分析了一个冻融周期内渠道的分析了一个冻融周期内渠道的温度场、应力场变化，温度场、应力场变化，以期寻以期寻求动态温度场引起渠道冻胀破求动态温度场引起渠道冻胀破坏的控制状态，坏的控制状态，分析和预测在分析和预测在冻融过程中基土温度场、应力冻融过程中基土温度场、应力场及其位移特别是衬砌板上冻场及其位移特别是衬砌板上冻胀力和冻胀变形的变化规律，胀力和冻胀变形的变化规律，为渠道抗冻胀设计提供更加科为渠道抗冻胀设计提供更加科学的理论依据学的理论依据。周期性温度变化下的混凝土衬砌渠道冻胀的数值模拟图2-23 有限元模型图2-22 衬砌大U型渠道断面(cm)第28页/共61页边界条件 （1）瞬态边界条件瞬态边界条件 上边界温度表示为上边界温度表示为：下边界深度足够达到稳下边界深度足够达到稳定温度，取值为定温度，取值为1010，左右，左右边界视为绝热条件，位移边边界视为绝热条件，位移边界条件为渠基左右边界水平界条件为渠基左右边界水平方向位移为方向位移为0 0，下边界竖直，下边界竖直方向位移为方向位移为0 0。（2）稳态边界条件稳态边界条件 温度场计算近似取原型温度场计算近似取原型各部位月平均表面温度最大各部位月平均表面温度最大值作为有限元模型各部位边值作为有限元模型各部位边界温度，边界约束条件同瞬界温度，边界约束条件同瞬态分析。态分析。2-24 监测点冻胀量变化曲线2-25法向应力变化曲线2-26切向应力变化曲线注：时间为1月6日至4月6日，共90天第29页/共61页(1)(1)对渠道冻融过程渠基温度变化进行仿真分析，可知阴坡冻胀对渠道冻融过程渠基温度变化进行仿真分析，可知阴坡冻胀期明显长于阳坡，得到的渠道各边坡的冻融日与实测情况一致，期明显长于阳坡，得到的渠道各边坡的冻融日与实测情况一致，阳坡阳坡滞后阴坡约滞后阴坡约1515天冻结天冻结，正是这种温度场的不对称、不均匀、不同步现，正是这种温度场的不对称、不均匀、不同步现象引起衬砌不均匀的冻胀与融沉病害。象引起衬砌不均匀的冻胀与融沉病害。(2)(2)运用有限元方法对渠道冻融过程应力、变形场进行模拟可知：运用有限元方法对渠道冻融过程应力、变形场进行模拟可知：冻胀量、冻胀力与冬季日温度的变化规律比较一致，但最大冻胀量及冻胀量、冻胀力与冬季日温度的变化规律比较一致，但最大冻胀量及最大冻胀力最大冻胀力滞后日平均最低气温约滞后日平均最低气温约4 4天；天；衬砌底面法向、切向冻胀力衬砌底面法向、切向冻胀力发展虽然不同，但是与冻胀量一样都显现出滞后现象，其时间大小分发展虽然不同，但是与冻胀量一样都显现出滞后现象，其时间大小分布与相关文献及实测资料一致，说明瞬态数值模拟能掌握渠道抗冻胀布与相关文献及实测资料一致，说明瞬态数值模拟能掌握渠道抗冻胀设计的控制状态。设计的控制状态。因此，运用瞬态结果进行渠道抗冻胀设计更能掌握冻胀破坏的极限因此，运用瞬态结果进行渠道抗冻胀设计更能掌握冻胀破坏的极限状态才是更加合理的。状态才是更加合理的。主要结论：第30页/共61页 考虑日照热辐射及热传导的渠道冻胀数值模拟 混凝土渠系结构通常是暴露在混凝土渠系结构通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，外面的，表面与空气或水接触，冬冬季昼夜太阳辐射对渠道衬砌冻胀影季昼夜太阳辐射对渠道衬砌冻胀影响较大。响较大。本节考虑日照对衬砌渠道冻胀本节考虑日照对衬砌渠道冻胀量及冻胀力的影响，并按瞬态温变量及冻胀力的影响，并按瞬态温变模式加载温度模式加载温度,对衬砌渠道冻胀过对衬砌渠道冻胀过程进行动态数值模拟程进行动态数值模拟。本方法克服了渠道冻胀数值模本方法克服了渠道冻胀数值模拟分析依赖于实测温度场的缺陷。拟分析依赖于实测温度场的缺陷。考虑日辐射的温度变化 综综合合分分析析热热传传导导方方程程、定定解解条条件件、太太阳阳辐辐射射热热的的规规律律等等，日日照引起的温度升值可以表示如下：照引起的温度升值可以表示如下：日变化温度为：第31页/共61页计算实例某某U形渠观测段断面形式（同图形渠观测段断面形式（同图2-22）正弦环境温度变化正弦环境温度变化：辐射的温度增值辐射的温度增值渠底：阴坡：阳坡：注：其中 int()表示取整操作。U形渠道有限元模型（同图形渠道有限元模型（同图2-23）第32页/共61页b.不考虑热辐射的正弦温度变化正弦温度变化a.考虑热辐射的正弦温度变化正弦温度变化图2-27 温度、冻胀量和法向冻胀力比较第33页/共61页主要结论：考虑到太阳辐射之后，基土和衬砌板考虑到太阳辐射之后，基土和衬砌板的温度场、冻胀力、冻的温度场、冻胀力、冻胀量与胀量与不考虑不考虑差别显著，阳坡差异最大、渠底其次、阴坡最小；差别显著，阳坡差异最大、渠底其次、阴坡最小；不考虑热辐射不考虑热辐射的模拟值比的模拟值比考虑之后考虑之后结果都偏大；结果都偏大；考虑热辐射的渠道冻胀数值模拟方法，克服了通过实测混凝考虑热辐射的渠道冻胀数值模拟方法，克服了通过实测混凝土板各点昼夜温度来确定边界条件的缺陷，使衬砌渠道冻胀预测土板各点昼夜温度来确定边界条件的缺陷，使衬砌渠道冻胀预测及动态模拟分析更加方便科学。及动态模拟分析更加方便科学。第34页/共61页渠道冻胀敏感性数值模拟分析 工程实践中已陆续提出了多种行之有效的防冻胀技术措施。如工程实践中已陆续提出了多种行之有效的防冻胀技术措施。如何对防冻胀技术措施进行优选，何对防冻胀技术措施进行优选，精确评价各种防冻胀措施的应用效精确评价各种防冻胀措施的应用效果，探寻效果最显著的防冻胀措施，果，探寻效果最显著的防冻胀措施，本节利用正交实验设计理论，基于渠道冻胀有限元数值模拟，本节利用正交实验设计理论，基于渠道冻胀有限元数值模拟，选取渠道冻胀不均匀系数作为评价指标，以渠道断面形式、混凝土选取渠道冻胀不均匀系数作为评价指标，以渠道断面形式、混凝土衬砌板厚度、分缝位置、渠基土冻胀系数和混凝土衬砌板弹性模量衬砌板厚度、分缝位置、渠基土冻胀系数和混凝土衬砌板弹性模量E E作为影响因素，对渠道冻胀进行敏感性分析作为影响因素，对渠道冻胀进行敏感性分析。因素因素水平水平渠渠 道道断面形式断面形式衬砌板衬砌板厚度（厚度（cm）分缝位置分缝位置冻胀系数冻胀系数砼弹性模量砼弹性模量E（E10 Pa）1 1梯形渠道梯形渠道80.52.42 2弧底梯形弧底梯形101.02.63 3U U形渠道形渠道121.52.8表2-1 各因素取值第35页/共61页图2-29 分缝位置（以梯形渠道为例）图2-28 断面形式（cm）第36页/共61页表2-2 极差分析表表2-3 方差分析表第37页/共61页图2-28影响因素趋势图 第38页/共61页 (1)(1)通过极差分析，得出影响渠道冻胀的五个因素的敏感性由大到小依通过极差分析，得出影响渠道冻胀的五个因素的敏感性由大到小依次排列为：次排列为：渠道断面形式基土冻胀系数分缝位置混凝土衬砌板厚度渠道断面形式基土冻胀系数分缝位置混凝土衬砌板厚度混凝土衬砌板弹性模量混凝土衬砌板弹性模量E，基本符合冻胀过程中的实际情况。，基本符合冻胀过程中的实际情况。(2)(2)由趋势图可得：冻胀不均匀程度随渠基土冻胀系数增大而增大；随由趋势图可得：冻胀不均匀程度随渠基土冻胀系数增大而增大；随混凝土衬砌板厚度增大而减小，即衬砌板越厚冻胀越均匀；随着弹性模量增混凝土衬砌板厚度增大而减小，即衬砌板越厚冻胀越均匀；随着弹性模量增大而减小，这说明混凝土弹模越高，对冻胀基土约束越强，则冻胀变位越小；大而减小，这说明混凝土弹模越高，对冻胀基土约束越强，则冻胀变位越小；在在1/3处设缝时，冻胀变形分布最均匀；采用处设缝时，冻胀变形分布最均匀；采用U形渠道能有效地降低渠道冻胀形渠道能有效地降低渠道冻胀变形。变形。(3)(3)根据各因素的趋势分析和方差分析，在实际工程中，衬砌弧底梯形根据各因素的趋势分析和方差分析，在实际工程中，衬砌弧底梯形和和U形断面形式的渠道、换填渠床土质、铺设聚苯板等保温材料、进行渠基形断面形式的渠道、换填渠床土质、铺设聚苯板等保温材料、进行渠基排水等等，采用这些措施来削弱渠基土冻胀对渠道的破坏，排水等等，采用这些措施来削弱渠基土冻胀对渠道的破坏，效果最显著；衬效果最显著；衬砌板设缝、增厚混凝土衬砌板具有明显的效果；通过提高衬砌混凝土强度则砌板设缝、增厚混凝土衬砌板具有明显的效果；通过提高衬砌混凝土强度则效果较差。从而为探索混凝土衬砌渠道最有效的抗冻胀措施及设计方法提供效果较差。从而为探索混凝土衬砌渠道最有效的抗冻胀措施及设计方法提供了科学合理的方法和依据了科学合理的方法和依据。主要结论：第39页/共61页三、应用研究第40页/共61页3.1 高地下水位滤透式刚柔耦合衬砌形式高地下水位滤透式刚柔耦合衬砌形式 工程实践中对高地下水位区灌溉渠道的衬护，缺乏简捷有效且经济适用工程实践中对高地下水位区灌溉渠道的衬护，缺乏简捷有效且经济适用的方法，许多工程仍采用传统的渠道防渗衬砌，的方法，许多工程仍采用传统的渠道防渗衬砌，致使大量渠道短期使用后因致使大量渠道短期使用后因冻胀边坡失稳，滑塌破坏严重。冻胀边坡失稳，滑塌破坏严重。针对该情况提出滤透式刚柔耦合衬护结构，其基本原理：一是采取针对该情况提出滤透式刚柔耦合衬护结构，其基本原理：一是采取“疏疏导导渗导导渗”为主的技术路线；二是布设特殊的框架式衬护构件，起到防滑固坡为主的技术路线；二是布设特殊的框架式衬护构件，起到防滑固坡作用，骨架内空隙部分填以块状柔性充填材料（块石或卵石），充填材料间作用，骨架内空隙部分填以块状柔性充填材料（块石或卵石），充填材料间隙可排水导渗隙可排水导渗,整体上形成以衬护构件为骨架，以块状充填材料为实体，以整体上形成以衬护构件为骨架，以块状充填材料为实体，以渠床滤料为保护层的刚柔耦合衬护结构。渠床滤料为保护层的刚柔耦合衬护结构。滤透式刚柔耦合衬砌结构既能适用于地下水位较高的灌溉输水渠道，又滤透式刚柔耦合衬砌结构既能适用于地下水位较高的灌溉输水渠道，又能适用于治理盐碱地和控制地下水位的排水渠，同时可将输排功能合一，已能适用于治理盐碱地和控制地下水位的排水渠，同时可将输排功能合一，已在甘肃省部分灌区灌排渠道工程中初步应用（图在甘肃省部分灌区灌排渠道工程中初步应用（图3-13-1）。）。研究背景 第41页/共61页a 衬砌前b 衬砌后图3-1 东坪电灌工程渠道第42页/共61页图3-2 滤透式刚柔耦合衬砌渠道有限元模型 图3-3 全断面衬砌渠道有限元模型 滤透式刚柔耦合衬砌渠道冻胀有限元分析建立有限元模型第43页/共61页图3-4 滤透式刚柔耦合衬砌渠道位移场云图（单位m）图3-5 全断面衬砌渠道位移场云图（单位m）冻胀位移比较第44页/共61页图3-6 冻胀量比较图（单位cm）从从图图中中可可以以看看出出前前者者的的冻冻胀胀量量明明显显小小于于后后者者，其其中中最最大大冻冻胀胀量量阴阴坡坡坡坡板板较较后后者者减减小小30%，底底板板减减小小34%，阳阳坡坡坡坡板板减减小小19%。第45页/共61页图3-7 滤透式刚柔耦合衬砌渠道法向应力图(单位MPa)图3-8 全断面衬砌渠道法向应力图(单位MPa)对两种衬砌渠道法向应力进行比较，图中滤透式刚柔耦合衬砌渠道法对两种衬砌渠道法向应力进行比较，图中滤透式刚柔耦合衬砌渠道法向应力明显的小于全断面衬砌渠道法向应力，其中阴坡法向最大应力较全向应力明显的小于全断面衬砌渠道法向应力，其中阴坡法向最大应力较全断面衬砌渠道减小断面衬砌渠道减小34%34%，渠底法向最大应力减小，渠底法向最大应力减小48%48%，阳坡法向最大应力减，阳坡法向最大应力减小小38%38%，并且前者应力分布更加均匀。，并且前者应力分布更加均匀。衬砌板法向应力比较第46页/共61页图3-9 滤透式刚柔耦合衬砌渠道切向应力图(单位MPa)图3-10 全断面衬砌渠道切向应力图(单位MPa)滤透式刚柔耦合衬砌渠道的切向冻胀力明显较小，滤透式刚柔耦合衬砌渠道的切向冻胀力明显较小，分布更均匀。分布更均匀。衬砌板切向应力比较第47页/共61页 （1 1）高地下水位地段，）高地下水位地段，应改变渠道全断面整体刚性衬砌的传统应改变渠道全断面整体刚性衬砌的传统衬砌方式，采用滤透式刚柔耦合衬砌结构，既可防滑固坡，又可导衬砌方式，采用滤透式刚柔耦合衬砌结构，既可防滑固坡，又可导渗排水，渠侧与渠底框架式衬护构件内填块石（卵石）具有良好的渗排水，渠侧与渠底框架式衬护构件内填块石（卵石）具有良好的变形适应性。变形适应性。（2 2）渠道冻胀数值模拟定量分析验证了滤透式刚柔耦合衬砌结）渠道冻胀数值模拟定量分析验证了滤透式刚柔耦合衬砌结构冻胀量总体明显降低，法向冻胀力和切向冻胀力均显著减小，较构冻胀量总体明显降低，法向冻胀力和切向冻胀力均显著减小，较全断面衬砌结构有明显优势。全断面衬砌结构有明显优势。主要结论 第48页/共61页 下面下面对设置不同纵缝结构措施和沥青混凝土与对设置不同纵缝结构措施和沥青混凝土与聚合物柔性增强涂层两种防渗抗冻胀措施进行渠道聚合物柔性增强涂层两种防渗抗冻胀措施进行渠道抗冻胀数值模拟分析，评价其抗冻胀性能及效果，抗冻胀数值模拟分析，评价其抗冻胀性能及效果，为混凝土衬砌渠道防冻胀设计优选有效的工程措施。为混凝土衬砌渠道防冻胀设计优选有效的工程措施。3.2 不同设缝与新材料衬砌渠道抗冻胀模拟不同设缝与新材料衬砌渠道抗冻胀模拟第49页/共61页设置不同纵缝的混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟渠道有限元模型 根据理论分析及实践经根据理论分析及实践经验，梯形渠道衬砌板弯矩的验，梯形渠道衬砌板弯矩的最大值约在靠近渠底的最大值约在靠近渠底的1/31/3处。故而本节对不设纵缝、处。故而本节对不设纵缝、坡角处及坡角处及1/31/3坡高处设纵缝坡高处设纵缝的混凝土衬砌渠道冻胀进行的混凝土衬砌渠道冻胀进行数值模拟，对其结果分析比数值模拟，对其结果分析比较较。图3-11 梯形渠道有限元模型 第50页/共61页冻胀位移比较图3-12 渠道监测点分布图 图3-13 冻胀量比较图 就渠底板冻胀变形就渠底板冻胀变形而言，两端受边坡的约而言，两端受边坡的约束、冻胀变形呈中部大束、冻胀变形呈中部大两端小，因而往往在底两端小，因而往往在底板中部弯折断裂。板中部弯折断裂。渠坡板上部与渠堤渠坡板上部与渠堤顶部冻结为一体同步变顶部冻结为一体同步变形形,下部受底板限制，中下部受底板限制，中下部冻胀变形较大。下部冻胀变形较大。通过不同设缝，通过不同设缝，最最大冻胀量坡板减小大冻胀量坡板减小43，底板减小底板减小52，且整体，且整体分布更加均匀。分布更加均匀。第51页/共61页应力比较(a)不设缝(b)坡脚处设缝(c)1/3坡高处设缝(a)不设缝(b)坡脚处设缝(c)1/3坡高处设缝图3-14 法向冻胀力比较 图3-15 切向冻胀力比较 第52页/共61页主要结论：（1 1）位移场数值分析表明，在不设纵缝时衬砌板的冻胀量）位移场数值分析