基于ABAQUS軟件的矩形渠道凍脹數(shù)值模擬

李 斌

(阜康市九運(yùn)街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)(畜牧業(yè))發(fā)展服務(wù)中心，新疆 阜康 831501)

0 引 言

在北方季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季第四紀(jì)表土的凍結(jié)深度大，渠系工程普遍存在開裂、隆起、坍塌等現(xiàn)象，凍脹破壞問題嚴(yán)重，降低了渠化工程的利用率，縮短了渠道襯砌的正常使用壽命，后期渠化工程的修復(fù)將增加相當(dāng)大建設(shè)成本[1]。渠道襯砌體下的土體凍脹是引起渠道襯砌凍脹破壞的主因，由于第四紀(jì)表層土體發(fā)生凍脹效應(yīng)，將導(dǎo)致渠道襯砌體受到強(qiáng)烈的擠壓破壞作用。一般而言，渠道襯砌體下部位的第四紀(jì)表土層內(nèi)的水分含量越高，則土體的凍脹量越大[1]。當(dāng)渠基土所處位置的水位較高，甚至地下水位高于渠道底部時，渠道襯砌體的凍脹破壞問題最為嚴(yán)重。

1 工程概況

矩型渠具有易安裝、施工周期短、工作期限長、灌溉用水效率高、抗凍性強(qiáng)、工程成本低等優(yōu)點(diǎn)，可顯著節(jié)約建設(shè)成本。在節(jié)水灌溉方面能提高、保證灌區(qū)糧食產(chǎn)量與安全，可帶來巨大的社會效益。常用的薄壁U型渠混凝土強(qiáng)度范圍在C15～C20，抗凍脹性低于F150，在寒區(qū)使用強(qiáng)度偏低，U型渠的混凝土強(qiáng)度指標(biāo)與抗凍脹性指標(biāo)很難在寒冬低溫條件下正常運(yùn)行。為保證矩型渠低溫條件下正常運(yùn)行，新疆阜康某地區(qū)薄壁U型渠的混凝土強(qiáng)度設(shè)計為C50，抗凍性設(shè)計為F300。圖1為矩型砼渠斷面圖，表1為矩型砼渠參數(shù)表。

圖1 矩型砼渠斷面圖

表1 矩型砼渠參數(shù)表

2 常用的防凍脹措施

針對渠道襯砌體的防凍脹工程措施，一種思路是從源頭上消除土體凍脹的成因，即對渠基土進(jìn)行換填及加固處理；另一種思路是提高渠道襯砌適應(yīng)變形和抗凍脹力的能力[3]。

2.1 渠基土的換填及加固處理

置換渠基土是把凍深范圍內(nèi)的土體全部置換為非凍脹性土體。一般弱凍脹性材料的換填厚度根據(jù)水位深度、土壤類型確定。弱凍脹性材料一般為土砂礫石、風(fēng)積砂，置換后的非凍脹性土體可以降低原土體的凍脹量。渠基土加固處理分為壓實(shí)處理和化學(xué)處理兩大類，壓實(shí)處理的原理是降低土壤孔隙率，增加密度，減弱水分滲透性；化學(xué)處理的原理是降低土體中水的結(jié)冰點(diǎn)或者增強(qiáng)土體的憎水性，具體方式是把氯化鈣、三磷酸鈉、氯化鈉等化工材料置埋入原土體層內(nèi)[4]。

2.2 保溫隔熱措施

保溫隔熱措施是在渠道襯砌體底部及地表面鋪設(shè)具有導(dǎo)熱系數(shù)低、強(qiáng)度大、耐久性好、吸水率低等優(yōu)點(diǎn)的保溫材料。常用的保溫隔熱材料有泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨脹珍珠巖和爐渣。其中，EPS顆粒輕質(zhì)土墊層(聚苯乙烯泡沫)具備導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率低和運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠起到很好的保溫防凍脹作用，在季凍區(qū)應(yīng)用較為廣泛。

EPS是一種化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的高分子合成材料，是發(fā)泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene)的簡稱，采用聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑加熱軟化，產(chǎn)生氣體的發(fā)泡樹脂[5]。EPS材料具有輕質(zhì)、低密度，同時兼具耐壓縮性、耐水性的優(yōu)勢，同時EPS墊層施工簡單、快速、無需大型施工機(jī)械。

3 建立數(shù)值模型

3.1 ABAQUS軟件介紹

ABAQUS是SIMULIA公司開發(fā)的有限元軟件，是一種將偏微分方程(組)離散化的數(shù)值求解方法。ABAQUS功能強(qiáng)大，其內(nèi)置金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等各類材料模型庫，既可以模擬復(fù)雜的非線性應(yīng)力、位移問題，又可以模擬熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、流體滲透 、應(yīng)力耦合分析[6]。本文采用ABAQUS有限元軟件求解出溫度場，之后再求解位移場。本文數(shù)值模擬溫度曲線的控制隨時間而變化屬于瞬態(tài)溫度場，分別對4種不同摻量EPS顆粒輕質(zhì)土墊層的凍結(jié)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2 有限元模型

模型EPS(發(fā)泡聚苯乙烯)顆粒輕質(zhì)土墊層厚度為1.5 m，渠道兩側(cè)土取0.92 m，鋼筋居中布置，其中分布筋與受力筋的規(guī)格型號分別為8φ4@ 260和9φ4@175。當(dāng)進(jìn)行溫度場模擬時，三維鋼筋部件設(shè)置surface屬性，鋼筋與矩形渠進(jìn)行(tie)連接，進(jìn)行位移場分析時，采用Rebar layer設(shè)置配筋層[7]，之后采用Embedded region命令將鋼筋嵌入混凝土矩形渠中。三維鋼筋網(wǎng)的有限元模型及模型整體有限元模型見圖2、圖3。

圖2 三維鋼筋網(wǎng)的有限元模型

圖3 矩形渠模型整體有限元模型

3.3 單元網(wǎng)格的劃分

合理的單元網(wǎng)格劃分不僅能提高模型的模擬精度，而且能縮短模擬時間[7]。由于矩形渠底拐角處彎矩較大，故在此處網(wǎng)格劃分時對渠底拐角處網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.01 m，渠底板與渠兩側(cè)填土網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為0.027和0.06 m。模型沿Z方向的網(wǎng)格尺寸為0.1 m，分布筋為了盡量保持和模型網(wǎng)格一致，網(wǎng)格尺寸也為0.1 m；受力筋網(wǎng)格劃分方法與矩形渠一致，同樣底板拐角處加密網(wǎng)格，尺寸為0.18 m。見表2。

表2 模型各材料的熱學(xué)參數(shù)

續(xù)表2

4 模擬結(jié)果分析

分別對無墊層、2% EPS墊層、3% EPS墊層和4% EPS墊層4種情況下的最大凍深溫度場、最大融深溫度場、位移場進(jìn)行模擬，比較不同摻量EPS顆粒輕質(zhì)土情況下的凍脹量變化。

4.1 溫度場模擬分析

為了研究凍融循環(huán)過程中土體的凍結(jié)融化規(guī)律，對模型凍融過程中的最大凍深和最大融深溫度場進(jìn)行模擬。見圖4-圖7。

圖4 原始墊層土模型溫度場

圖5 2% EPS顆粒輕質(zhì)土墊層模型溫度場

圖6 3% EPS顆粒輕質(zhì)土墊層模型溫度場

圖7 4% EPS顆粒輕質(zhì)土墊層模型溫度場

由圖4-圖7可知，最大凍深溫度場模型從上到下溫度呈升高態(tài)勢；最大融深溫度場模型從上到下溫度先下降而后升高，且在墊土層內(nèi)出現(xiàn)了低溫夾層。通過分析可知，渠基土的凍結(jié)融化過程屬于單向凍結(jié)、雙向融化。對比原始狀態(tài)土層，摻入EPS顆粒的輕質(zhì)土墊層的土體凍深要顯著下降，表明EPS顆粒輕質(zhì)土墊層產(chǎn)生了較為顯著的保溫效應(yīng)。通過對比2% EPS墊層、3% EPS墊層和4% EPS墊層的模擬云圖可知，隨著EPS顆粒輕質(zhì)土摻量提高，土體的凍結(jié)深度變小，表明提高EPS顆粒輕質(zhì)土摻量比例，可以顯著降低土體的凍深，最終提高渠基土層的保溫效果。

4.2 凍結(jié)融化深度分析

為了更好分析凍結(jié)融化規(guī)律，根據(jù)溫度場云圖中的凍深和融深數(shù)據(jù)，繪制不同時段的凍深和融深值曲線圖，見圖8。

圖8 凍結(jié)融化曲線

由圖8凍結(jié)融化曲線圖可知，t=270 h時，對應(yīng)有最大凍深值，隨后土體進(jìn)入融化狀態(tài)，凍結(jié)深度呈現(xiàn)減小趨勢，融化深度慢慢增大。t=330 h時，凍結(jié)深度等于融化深度，標(biāo)志著土體呈現(xiàn)出完全融化狀態(tài)。原始土墊層、2%EPS墊層、3%EPS墊層、4%EPS墊層最大凍深分別為108、98、78和66 cm，整體呈現(xiàn)出減小的態(tài)勢，表明EPS顆粒輕質(zhì)土比例越高，土體凍深越小，保溫效果越好。

4.3 位移場分析

采用順序熱應(yīng)力耦合理論計算模型的位移場，不同時刻模型的不同墊層凍脹融沉量對比見圖9。

由圖9可知，在整個凍融過程中，不同比例摻入量的EPS顆粒輕質(zhì)土墊層，土體的凍脹量表現(xiàn)出相同發(fā)展態(tài)勢。t=20 h時，土體開始凍結(jié)，3種比例摻入量的EPS顆粒輕質(zhì)土墊層都出現(xiàn)了凍脹量。原始土墊層、2%EPS墊層、3%EPS墊層、4%EPS墊層最大凍脹量分別為27.2、13.5、10.5和6.5 mm，殘余變形量分別為7.9、7.5、7.1和3.5 mm。不論是最大凍脹量還是殘余變形量，都隨著摻入EPS顆粒量比例的增大呈現(xiàn)下降趨勢。t=270～280 hd的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)了最大凍脹量，隨著時間延長，土體進(jìn)而開始融化，直至完全融化。見表3。

圖9 凍脹量變化曲線

表3 不同摻量EPS顆粒輕質(zhì)土模型的凍脹融沉量

5 結(jié) 論

1) 模型最大凍深溫度從上到下溫度呈升高態(tài)勢；最大融深溫度場模型從上到下溫度先下降而后升高。渠基土的凍結(jié)融化過程屬于單向凍結(jié)、雙向融化。對比原始狀態(tài)土層，摻入EPS顆粒的輕質(zhì)土墊層的土體凍深要顯著下降。隨著EPS顆粒輕質(zhì)土摻量提高，顯著降低了土體的凍深，提高了渠基土層的保溫效果。

2) 原始土墊層、2%EPS墊層、3%EPS墊層、4%EPS墊層最大凍深分別為108、98、78和66 cm，整體呈現(xiàn)出減小的態(tài)勢。EPS顆粒輕質(zhì)土比例越高，土體凍深越小，保溫效果越好。

3) 原始土墊層、2%EPS墊層、3%EPS墊層、4%EPS墊層最大凍脹量分別為27.2、13.5、10.5和6.5 mm，殘余變形量分別為7.9、7.5、7.1和3.5 mm。不論是最大凍脹量還是殘余變形量，都隨著摻入EPS顆粒量比例的增大呈現(xiàn)下降趨勢。