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渠道冻胀力学模型及有限元分析

郭利霞  
【摘要】: 合理利用水资源是世界各国政府和科学家共同高度关注的问题。在解决水资源的对策中,除兴建必要的蓄水、引水工程、扩大水源外,更重要的是节约用水,提高水的利用率,防止水污染等。渠道防渗是节约用水、实现节水型社会的重要内容。但是,由于对衬砌体抗冻胀问题认识不透,设计上的不合理性及施工质量差等原因,渠道衬砌冻胀破坏屡见不鲜,可以说,渠道衬砌冻害遍及所有季节冻土区,解决这一问题的关键就是要搞清楚刚性衬砌体在受冻胀时的受力情况,作为渠道设计的依据。 1)根据渠道冻胀的基本规律、破坏特征提出梯形和准梯形渠道冻胀的力学模型,该模型只有一个待定参数—最大冻结力,只要根据经验或试验确定了该参数,力学模型就可以求解,为其他力学模型的建立提供了一条思路; 2)将冻土和衬砌体视为一整体结构,按横观各向同性冻土介质应用有限元方法对衬砌渠道温度场和应力场及变形场进行分析研究,模拟结果与野外观测资料基本吻合,表明渠道冻胀的二维有限元数值模拟能够为季节冻土区渠道工程设计及力学计算提供参考和科学依据; 3)对比研究数值模拟与简化力学模型结果,其冻胀变形,冻胀力的分布规律基本一致,也验证了简化力学模型的正确性; 4)梯形断面形式的法向冻胀力呈上小下大规律分布,在渠底则趋于均布,而切向冻胀力沿坡面呈上小下大的规律,在渠底几乎趋于零;准梯形渠道断面分布规律与梯形相似; 5)准梯形断面主要变形是衬砌体整体随着基土向上抬升,变位比较均匀,而梯形断面渠道冻胀变形不均匀系数显然是比较大的,特别是梯形渠道渠底部分;准梯形断面渠道的整体受力比较小,其中最大拉应力在阳坡的衬砌表面,最大值为15.3 MPa ,而梯形渠道最大拉应力则达到61.5 Mpa,由此可见,准梯形渠道断面的冻胀变形、冻胀力及拉应力都比相同尺寸,相同参数情况下梯形断面的数值小,抗冻胀能力优越于梯形渠道。


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