不同縱縫對混凝土襯砌渠道凍脹影響的模擬研究

高建陽 曹 谷 湯桂梅

(高郵市水利建筑安裝工程總公司，江蘇 高郵 225600)

不同縱縫對混凝土襯砌渠道凍脹影響的模擬研究

高建陽 曹 谷 湯桂梅

(高郵市水利建筑安裝工程總公司，江蘇 高郵 225600)

在我國凍土地區(qū)，混凝土襯砌渠道凍脹破壞損害嚴重影響渠道穩(wěn)定性，造成水資源浪費，縮短渠道的使用壽命，制約工程效益的發(fā)揮。本文對影響渠道凍脹的因素進行了分析，采用有限元軟件 ADINA，對不同設(shè)縫的混凝土襯砌渠道進行凍脹過程的數(shù)值模擬研究，并對應(yīng)力場、變形場進行分析，進而探究襯砌板的凍脹變形及凍脹力分布，為工程實際應(yīng)用提供參考。

混凝土襯砌渠道；縱縫；凍脹破壞；模擬研究

深入開發(fā)渠道系統(tǒng)的節(jié)水功能，做好渠道防滲工作，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要保證和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在我國襯砌渠道凍脹破壞較為廣泛，不僅浪費了寶貴的水資源，而且增加了工程的管理和維修費用，進而影響渠道的正常使用，使項目效益不能充分發(fā)揮。做好渠道襯砌防滲工作，可以大大提高渠系水的利用率，成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的關(guān)鍵，因此，加大對混凝土襯砌渠道凍脹破壞的研究變得尤為重要。

混凝土襯砌渠道凍脹破壞是沿軸線方向的破壞，在不均勻凍脹變形作用下，1/3 坡長及渠底中部易形成凍脹裂縫，因此，在混凝土襯砌施工時預先設(shè)置縱縫是一種有效削減凍脹破壞的工程措施。本文對影響渠道凍脹的因素進行了分析，采用有限元軟件ADINA，對不同設(shè)縱縫情況的混凝土襯砌渠道進行凍脹過程的數(shù)值模擬研究，探究襯砌板凍脹力、凍脹變形的分布規(guī)律，以期達到最大的社會效益和最佳的防凍效果，從而為抗凍脹措施的推廣和實際工程應(yīng)用提供理論指導。

1 有限元模型及參數(shù)選取

1.1 熱傳導方程

凍結(jié)過程中，熱傳導項的影響遠遠大于對流項，穩(wěn)態(tài)熱傳導方程為

(1)

(2)

邊界條件為

(3)

以上式中T——溫度；

A——凍脹區(qū)域；

L——凍結(jié)邊界；

ε——正應(yīng)變；

由本教研組牽頭，在省質(zhì)量工程“以提高綜合職業(yè)能力為導向，構(gòu)建開放式示范性護理實訓中心”項目建設(shè)上，積極探討開放式實訓中心管理模式。護理實訓，尤其基礎(chǔ)護理實訓，更多的是護生課外自主的訓練。為此，我們嘗試以“自我服務(wù)、自我管理”的護生為主體，指導成立了學生專業(yè)團體“護理實訓協(xié)會”，定期由實訓教師進行骨干成員的培訓與考核。在平時的開放式管理模式中，協(xié)會會員參照臨床排班制度，分早、中、晚班制展開工作。開放過程中包括預約、監(jiān)測、管理相關(guān)配套流程，從而使護生在平時課外訓練中，能夠熟悉臨床工作流程，進入自我指導、自我管理、自我發(fā)展的良性循環(huán)。

σ——正應(yīng)力；

μ——泊松比;

λx、λy、λz——凍土沿x、y、z向的導熱系數(shù)。

1.2 參數(shù)選取

凍土凍脹系數(shù)在熱力耦合計算過程中，作為負線脹系數(shù)；基土彈性模量泊松比μ=0.33；渠道凍結(jié)時導熱系數(shù)λf=2.0160W/(m·℃)；材料力學參數(shù)見表1。

表1 材料力學參數(shù)

1.3 方案設(shè)計

為提高襯砌板位移分布的可視化，在襯砌板上分別選取 9 個位置點作為研究對象，通過對位置點進行變形場、應(yīng)力場研究，進而比較分析凍脹變形沿斷面的分布規(guī)律(見圖1)。

圖1 渠道模型試驗監(jiān)測點分布 (單位：m)

2 渠道凍脹影響因素研究

2.1 水分

凍脹強弱與渠基土中水分含量有較大關(guān)系，渠基土起始含水率為 0.75%～0.95%時，溫度降低混凝土襯砌渠道易發(fā)生凍脹。渠基含水率低于凍脹含水率時，不會產(chǎn)生土顆粒的相對位移，土中孔隙可供冰凝體增長，不易發(fā)生凍脹。地下水深埋，毛管水遷移路徑較長，水分難以到達凍結(jié)區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)水分遷移量和凍脹量隨地下水位埋深的增大呈減小趨勢。

2.2 溫度

溫度的高低直接影響土的凍結(jié)速率，若溫度下降較緩慢且持續(xù)時間長，將導致未凍結(jié)區(qū)域的水分向凍結(jié)區(qū)不斷遷移積累，形成較大的凍結(jié)深度，并在土中形成夾層，發(fā)生嚴重凍脹。同時，光照條件、土壤水分分布等外界因素對渠道溫度的變化有較大影響(見表2)。

由表2可以看出，渠道為南北走向時，同一坡面上部和下部相差較小，凍深之差和兩坡的溫度與東西走向渠道相比較小。渠道為東西走向時，由于日照原因，陽坡、陰坡的凍深之差與渠道溫度相差較大，且同一坡面下部和上部之差相對較大。

表2 不同走向的渠道凍脹深度

2.3 渠基土質(zhì)

混凝土襯砌渠道的凍脹破壞程度受運河土凍結(jié)量的影響較大，而凍土體積與土體的抗凍脹性有關(guān)。其中，土的分散性對土凍結(jié)時凍脹強度和水分遷移有較大影響，用土的粒徑和級配來表示(見表3)。

表3 -3℃不同粒徑的土凍結(jié)時冰的析出情況

由表3 可以看出，在含水量、冷卻溫度等相同時，土質(zhì)粒徑尺寸不同時其水分遷移量也不同：由于粉質(zhì)成分黏土毛細管較發(fā)達，凍結(jié)過程中成為凍結(jié)區(qū)和地下水之間的通道，凍結(jié)區(qū)水分不斷增加，凍脹變形強烈，冰晶體的析出較為劇烈。在極細碎的黏土中，顆粒越細，分子的引力越強，凍結(jié)越慢，僅表現(xiàn)出輕微的冰析出和水分遷移。

3 坡板設(shè)縱縫對襯砌板凍脹的影響

3.1 變形場分析

由于渠基土不均勻而產(chǎn)生襯砌板凍脹，槽形渠道改變了受力狀態(tài)、水分及溫度，并且由于各部位溫度和日照狀況不同，凍脹量、凍結(jié)鋒面方向也不同。對坡板設(shè)縱縫時襯砌板變形場凍脹變化進行有限元分析，模型實測與數(shù)值模擬的變形場凍脹量變化如圖2所示。

圖2 模型實測與數(shù)值模擬凍脹量變化

從圖2可以看出，在坡腳處設(shè)縫，凍脹變形分布比較均勻，與未設(shè)縫相比最大凍脹量底板上減小 62%，坡板上減小 53%；在1/3 坡高處設(shè)縫，襯砌板凍脹變形最小，與未設(shè)縫相比最大凍脹量降低 71%，且分布更加均勻。由于渠底板兩端受邊坡約束，凍脹變形中部大兩端小，且多在底板中部彎折斷裂。渠坡板中下部凍脹變形較大，渠堤頂部與上部凍結(jié)在一起發(fā)生同步形變。渠基的高程不同，地下水深埋程度也不同，襯砌板產(chǎn)生不同的凍脹變形。渠底的地下水埋深相對較淺，凍脹變形分布不均勻，渠坡上部凍脹量小于底部，且渠底自由凍脹量較大。

3.2 應(yīng)力場分析

從不同設(shè)縫情況下襯砌板下表面的法向凍脹力分布(見圖3)可以看出，不同設(shè)縫情況下，法向凍脹力在渠底趨于均勻，陽坡相對陰坡數(shù)值較小，且沿坡面呈上小下大的趨勢分布。坡腳處設(shè)縫與不設(shè)縫相比，陰坡最大法向凍脹力降低 41%；1/3 坡高處設(shè)縫，最大法向凍脹力降低約 52%。研究表明，在1/3 坡高處及坡腳設(shè)縫，受力狀態(tài)得到改善，變形得到釋放，法向凍脹力數(shù)值明顯減小。

圖3 不同情況下襯砌板法向凍脹力變化(單位：cm)

4 渠底設(shè)縱縫時對襯砌板凍脹的影響

4.1 變形場分析

工程渠道多縮窄渠口加寬渠底，渠底中心易發(fā)生凍脹破壞，對渠底較寬、坡板較短的渠道，分析在底板中心、坡腳處設(shè)縱縫來抗凍脹效果變得尤為重要。保持過水斷面和渠深不變，邊坡系數(shù)為1，底板坡板長為4.25m、寬為3.75m。渠底設(shè)縫與未設(shè)縫時襯砌板表面的凍脹變形分布如圖4所示。可以看出，渠底設(shè)縫時凍脹量明顯減小，在底板中心及坡腳處設(shè)縱縫與未設(shè)縫相比最大凍脹量底板上減小71%，坡板上減小62%，凍脹變形分布更加均勻，且削減凍脹效果較為明顯。

圖4 設(shè)縫與未設(shè)縫渠底凍脹量的變化

4.2 應(yīng)力場分析

不同設(shè)縫情況襯砌板法向凍脹力分布如圖5所示?？梢钥闯?，與不設(shè)縫相比，采取底板中心及坡腳處設(shè)縱縫的抗凍脹措施，渠底板的法向凍脹力降低了35%，陰坡最大法向凍脹力降低了63%。

圖5 不同情況下襯砌板法向凍脹力(單位：cm)

5 結(jié) 語

本文采用有限元軟件 ADINA對不同設(shè)縱縫情況的混凝土襯砌渠道凍脹過程進行數(shù)值模擬研究，并對變形場、應(yīng)力場進行分析，得到以下結(jié)論。

a.渠底設(shè)縫時凍脹量明顯減小，在底板中心及坡腳處設(shè)縱縫與未設(shè)縫相比最大凍脹量底板上減小71%，坡板上減小62%，凍脹變形分布更加均勻，且削減凍脹效果較為明顯。

b.坡腳處設(shè)縫，最大凍脹量底板上減小62%，坡板上減小53%；在1/3 坡高處設(shè)縫，襯砌板凍脹變形最小，最大凍脹量降低71%，且分布更加均勻。

c.采取底板中心及坡腳處設(shè)縱縫的抗凍脹措施，渠底板的法向凍脹力降低了35% ，陰坡最大法向凍脹力降低了63%。

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Simulation Study of the Frost Heaving Effects of Different Longitudinal Joints on Concrete-lined Channel

GAO Jianyang, CAO Gu, TANG Guimei

(GaoyouCityWaterConstructionandInstallationEngineeringCorporation,Gaoyou225600,China)

In the permafrost area of China, the frost heave damage of the concrete-lined channel can seriously affect the stability of the channel, resulting in waste of water resources, shortening the service life of the channel and restricting the exertion of engineering benefits. The factors affecting frost heaving of channel are analyzed in this paper. The finite element software ADINA was used to simulate the frost heaving process of concrete-lined channels with different joints. And analyzes the stress field and deformation field, and then explores the frost heave deformation and the frost heave force distribution of the lining plate, which can provide reference for engineering application.

concrete-lined channel; longitudinal joint; frost heaving damage; simulation study

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.02.013

TV00

A

1673-8241(2017)02- 0060- 04