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北方季节性冻土区渠道保温防冻胀机理与应用研究

郭富强  
【摘要】:多年来,内蒙古河套灌区在渠道衬砌防冻胀方面取得了大量试验研究成果,但在不同厚度聚苯板的保温防冻胀效果方面的试验研究较少,特别是对模袋混凝土衬砌渠道保温效果目前还没有相关研究。为了探明在预制混凝土板及模袋混凝土条件下铺设聚苯板的保温机制及抗冻胀效果,通过建立冻胀试验场并结合原型渠道冻胀试验,对不同保温处理条件下基土地温、冻深、冻胀量和含水率、地下水位等变化规律开展了研究,提出了以下主要创新性成果:1、通过对多年运行渠道中铺设的聚苯板取样检测可知,表观密度下降了7.92%~23.33%;渠坡上部导热系数增大了 19.44%~50%,下部增大了86.11%~105.56%;尺寸稳定性增大了 1~2倍,体积吸水率增大了 10.5~16.5倍。2、通过野外原位试验,对河套灌区衬砌渠道聚苯乙烯板保温防冻胀规律进行了试验研究。得出在预制混凝土板条件下铺设2~12cm厚的聚苯板,总积温增温236.95%~563.84%,削减冻胀率53%~94.7%,削减冻深64.02%~75.98%。单位厚度聚苯板可提高地温0.88℃,削减冻胀量1.75cm,削减冻深9.24cm。3、通过开展不同模袋混凝土处理冻胀试验得出,单位厚度模袋混凝土增温为0.16℃,仅为聚苯板增温值的18.1%,总积温增温仅为3.93%~9.22%。模袋混凝土下铺设4~8cm聚苯板,总积温增温207.6%~272.3%,削减冻胀率为71.43%~96.6%。4、通过建立渠道冻胀力学模型,探讨了渠道产生冻胀的主要原因。分析了渠道发生冻胀破坏的主要部位,并对典型渠道冻胀破坏进行了验算。得出梯形渠道渠坡脚处所受轴力N(x)和剪力Q(x)均最大,渠坡板下部1/3处所受的弯矩值M(x)最大;渠底板坡脚处受到的剪力Q(x)最大,渠底板的1/2处所受弯矩M(x)最大。5、提出了河套地区衬砌渠道聚苯板适宜铺设厚度。东西走向的预制混凝土渠道阴坡、阳坡和渠底适宜铺设的聚苯板厚度分别为1Ocm、6cm和8cm;南北走向的预制混凝土衬砌渠道边坡和渠底适宜铺设的聚苯板厚度为8cm和7cm。并且标定了采用理论方法计算河套地区渠道铺设聚苯板厚度的理论参数。6、通过建立典型渠道数值模型,应用ADINA有限元软件分析了铺设2~12cm聚苯板渠基土温度梯度分布情况和增温效果。铺设聚苯板的增温效果在30cm以上的土层中最为显著。铺设6cm以上聚苯板可提高保温效果50%以上,削减冻胀量90%以上。7、以不同地下水位试验平台和原型渠道为研究对象,分析了地下水位对基土冻胀的影响效应。当地下水位降低0.5~1.0m后,削减冻胀率为71%~83.8%。


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