混凝土渠道冻胀破坏机制与抗冻技术研究进展

在我国寒冷地区混凝土渠道破坏主要表现为冻胀破坏,如何防治混凝土渠道冻胀破坏成为一个非常现实的工程问题.随着混凝土渠道抗冻技术的发展,对这一问题的研究愈加深入.从土体冻胀机制、水分冻移机制及混凝土衬砌体冻胀破坏机制等方面较深入地分析了混凝土渠道冻胀破坏的机制,总结了我国近年来混凝土渠道冻胀力学模型和抗冻技术的前沿研究成果,并对目前研究工作中存在的不足进行了一定的评价,讨论了今后应进一步开展研究的若干问题,为我国寒区混凝土渠道的加固改造建设提供一定的参考价值.     

基于有限元的混凝土衬砌渠道冻胀性能研究

提高渠道衬砌工程质量水平,需要对混凝土衬砌渠道冻胀特性及影响因素进行研究。按照大U形混凝土衬砌渠道断面,利用FEA有限元数学近似分析法,对渠道冻胀特性进行瞬态数值模拟。模拟结果表明：各监测点在冻胀过程中相对外部冻胀量、法向冻胀力、以及切向冻胀力均存在一定的滞后现象,与工程实际中大 U形混凝土衬砌渠道冻胀实际特性相符。 FEA有限元数学近似分析法能够准确模拟渠道冻胀特性,为工程研究提供了一种新的计算机模拟仿真思路。     

不同地下水埋深和不同土壤条件下的冻结和冻胀试验研究

不同土壤的冻胀特性,在国内外已有较多的研究报告。然而,对相同的气候条件下,不同地下水埋深和不同土壤条件的野外冻结和冻胀的试验研究,还是不够的。随着在季节冻土带有地下水补给地区的工程的进展,板式构筑物的冻胀破坏显得十分严重。譬如,输水渠道的混凝土衬砌,往往事倍功半,冻胀破坏后的维修,不仅浪费了大量的人力物力,还往往影响渠道的正常输水;公路混凝土或沥青铺面、农村社队的混凝土板式场、厂建筑等,也多见冻胀破坏的现象存在。因此,研究不同地下水埋深和不同土壤条件下的冻结和冻胀问题,具有重要的现实意义。     

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明：模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。     

甘肃金塔县混凝土衬砌渠道防冻胀措施

金塔县位于河西走廊中段的北部边缘,属季节性冻土地区,多年平均气温8.0℃,1月份平均气温-13.8℃,平均冻结深度1.15m,最大冻结深度1.41m。六十年代初期,我县最初开展混凝土渠道衬砌试验,由于对基士的性质、水、冰冻、气候等因素的影响认识不足,建成的渠道未经通水,进入冬季就遭受冻胀破坏。为了研究冻胀过程规律,消除冻胀变形,1964年开始,利用当地材料在东干渠进行试验。经多年的试验和实践认识到,水、土、温度为渠道防渗衬砌冻胀破坏的三个因素,同时发现,冻胀一般多发生在渠侧坡二分之一到三分之一之间,在渠线经过耕地时冻胀强烈。现将本县混凝土衬砌渠道采用的一些抗冻措施介绍于后。     

渠道防冻害垫层纯净度的初步研究

渠道冻害判据包括冻深断面、换填料与原地基土之冻胀特性以及合理垫层断面形式。本文较系统地研究了具有不同“污染”程度的粗粒土在饱冰补水条件下的冻胀特性。试验结果表明,冻胀率与小于0.02mm颗粒含量之间有较好的统计关系,可作为设计施工时控制粗粒填料质量的依据。     

寒冷地区输水渠道冻胀破坏链式分析及减灾研究

寒冷地区输水渠道在运行过程中,由于持续负温的影响,地温逐步下降,引起渠基土体水分分布发生变化导致土体冻胀,致使输水渠道结构破坏,这种作用影响所表现出来的链式效应是冻胀破坏作用的重要特征。为了探明寒冷地区输水渠道冻胀破坏机理,分析渠道的冻胀破坏因素,引入链式破坏理论进行分析。从系统理论出发,分析冻胀破坏系统的链式关系结构,建立冻胀破坏链式效应关系模型。以寒冷地区渠道衬砌结构冻胀破坏为例,分析经过一个冻融周期,渠基土体颗粒、土体成分组成、气温、地温变化规律和土壤水分迁移规律对渠道衬砌结构冻胀破坏的影响。分析渠道衬砌结构冻胀破坏链式机理,是在外部环境气温、水分等条件输入下,地温分布受土体性质及土体水分的影响,土体水分迁移受地温和土体性质的作用,土体产生冻胀是对地温和水分分布作用的响应,以此为依据提出寒区渠道冻胀破坏断链减灾方法。     

格宾在季节冻土区高地下水位渠道护坡工程中的冻胀适应性研究

季节冻土区因基土冻融破坏而造成的渠道护坡工程的位移、破坏屡见不鲜,大型高地下水位渠道渠基土含水率高、冻胀性强、冰推力大,对护砌结构综合指标要求更高。室内模型试验与示范工程表明,格宾网垫护坡结构可有效地降低渠道边坡土体的冻前含水率,具有较强的基土冻胀、融沉适应性,而且又有较强的生态效果。将为进一步完善格宾结构的抗冻理论与工程实践提供参考。     

渠道基土冻结时温度场和应力场的数值模拟

本文用有限差分法计算了渠道基土冻胀过程中二维不稳定温度场的分布规律。模拟计算了渠道基土由于冻胀作用而对砌体产生的冻胀力。计算结果表明,在渠底和渠坡下部衬砌体所受冻胀应力最大,冻胀应力随深度呈衰减趋势。在两侧边界部位,由于受边界约束作用,冻胀应力随深度呈衰减—增大—衰减的震荡趋势,若使衬砌体完全不发生位移,即使在弱冻胀条件下,表面约束应力也达0.5×10~5N/m~2,可见用刚性衬砌约束冻胀变形是不行的,必须采取综合措施进行防治。     

新疆渠道衬砌工程抗冻胀模式的选择及实施探讨

由于地理环境的影响,导致新疆地区渠道衬砌工程一直遭受到冻胀的危害。实际施工过程中,一方面需要投入大量的资金用于渠道衬砌工程的维护上,另一方面又因为冻胀的干扰需要不断进行维护。这种局面之下导致新疆的水利工程效益大大下降,已经严重影响了新疆灌区的发展。因此,解决冻胀问题就成为了当下的重点内容。以新疆地区为例在,分析了影响新疆渠道衬砌工程冻成的因素与冻胀的具体破坏机理,结合新疆的实际情况选择最合适的抗冻胀模式,总结其具体应用效果,旨在为新疆的渠道衬砌工程建设提供更加具有意义的理论参考。     

新疆阿克苏地区水工建筑物抗冻害技术调查

阿克苏位于新疆南部的天山南麓,塔里木盆地北缘,东西长约500km,南北宽约350km,总面积11×10~4km~2。本区气候为典型大陆性干旱气候,空气干燥,降雨量少,蒸发量大,冬季严寒,冻结深度大,夏季则相当炎热。历史最大冻结深度、解冻时间及最低气温列于表1。 处于河流上中游段的乌什、柯坪、拜城、温宿等县和生产建设兵团几个农恳团场,由于当地砂石料或块石储量丰富,运距较近,当用混凝土和圬土构筑渠系水工建筑物时,一般能按设计要求,采用较大的尺寸和较厚的砂砾垫层。据调查,对于冬季停水的建筑物,由于地基透水性强,故冻胀破坏一般不严重。但对于冬季输水的渠系建筑物,由于混凝土分缝未作止水处理,砂砾地基中充满水分,因此渠道混凝土衬砌常因里外不均匀冻胀而破裂。例如,渭干河新沙干渠总闸以下2.5km的渠道混凝土衬砌板,特别是     

粘性土水分状况对冻胀的影响

本文应用长春地区两处观测场所得的部分野外观测资料,对粘性土水分状态对冻胀的影响作初步分析。 一、观测场布置及成果分析 观测场地分别在长春地区的榆树县向阳水库及长春市郊区西新水库库岸缓坡上。造成四种不同地下水位的观测点,试坑平面尺寸为2×2m。各点观测项目包括冻深、地温、冻胀、地下水位,冻深以冻胀后的地面起算,其土质性质如表1。从1979年至1984年先后在向阳水库的泄洪渠和榆树县的松前灌区一干渠,以及向阳与西新观测场进行了观测,现将结果分析如下。     

分层冻胀量的观测方法研究

当前使用的分层冻胀量观测方法有单体冻胀尺法、叠合冻胀尺法和磁环法, 分析了这3种方法各自的优缺点, 从冻胀的机理出发, 在正冻土中的水分迁移和成冰规律的基础上, 提出了表面冻胀量和冻深对比法. 依据内蒙古永济冻土试验场、内蒙古巴林左旗二龙灌区冻害试验场和大庆地区等3个季节冻土区的分层冻胀量观测结果, 分析了该方法在季节冻土区不同地下水位和不同土质条件下的适用性; 同时, 还据青海江仓的资料, 对在多年冻土地区的应用性进行了评估. 结果表明, 对比法只可以用于近似确定季节冻土区的分层冻胀量, 要确定多年冻土区的分层冻胀量, 该方法是失效的.     

大庆地区建筑物基础浅埋设计与施工技术

大庆地区土壤每年的冻结深度为1.7—2.3m。一年中有7个月的时间存在着冻土,属于深季节性冻土地区。多年观测表明,大庆土壤存在着从冻缩到特强冻胀的不同冻胀性。由于地基土的不均匀冻胀与融化下沉,造成了油田上建筑物的破坏,严重的影响着油田的工程质量。为了解决油田建设中与冻害有关的工程问题,我们一边开展季节性冻土地基的研究,一边开展房屋基础浅埋以及防冻害技术的研究,并把所得成果直接应用于工程设计与施工,收到了良好的效果。     

渠道刚性衬砌层(板)冻胀受力试验与防冻胀破坏研究

对渠道受冻胀时其刚性衬砌层(板)受冻胀力的情况进行了室内模型测试试验, 结果表明: 其边坡衬砌层(板)所受的冻胀力是平行于该衬砌层(板)的切向冻胀力, 该力大小及正负与渠床土含水量沿渠道横断面高度的分布直接相关. 另外, 渠道边坡衬砌层(板)和其下冻土层之间冻结约束的存在与否是边坡衬砌层(板)会不会受冻胀力的必要条件, 若此约束存在, 则可能受冻胀力, 若此约束不存在(被解除), 则其不可能受冻胀力. 从对试验结果的分析中, 还找到了造成渠道刚性衬砌层(板)冻胀破坏的最终原因, 并据此提出了一些针对性很强的防治渠道冻胀破坏的方法.     

寒区级配碎石冻胀正交试验研究

级配碎石作为季节性冻土地区高铁路基基床表层填料,其防冻胀问题尤为关键。为研究在不同条件下级配碎石的冻胀特性,选取不同的含水率、细颗粒含量、冷端温度和压实度进行了室内封闭系统冻胀正交试验。结果表明,在不同因素、不同水平的组合时,级配碎石有不同程度的冻胀。当级配碎石含水率为5%时,试样的冻胀率较小;当含水率超过7%时,大部分试样冻胀率超过1%。对冻胀过程中试样温度场、冻结深度、冻胀变形过程和冻后试样含水率分布进行了分析,发现冻后试样冷端位置的含水率高于初始含水率,暖端位置的含水率低于初始含水率。当以冻胀率作为参考序列,其他试验条件作为比较序列时,灰色关联度分析结果表明,影响级配碎石冻胀率的主要是含水率,其次为细颗粒含量、压实度及冷端温度,其关联度相差不大。并得出了最有利于冻胀发展的组合。为满足寒区高速铁路变形量的要求,提出以控制级配碎石含水率小于5%为指标。     

关于“衬砌工程冻害新思维”问题的商榷

中国农业大学低温工程试验研究室刘镜仁同志,在《渠道（沟）衬砌工程冻害治理的新思维及试验研究》一文中,提出了一些与《渠系工程抗冻胀设计规范》ＳＬ２３－９１相左的观点文章有针对性地论述了渠道衬砌中的冻害研究范畴、渠床的冻胀融沉和衬砌体的破坏、允许冻胀位移值与允许残余变形量等问题．并介绍了《渠系工程抗冻胀设计规范》编制中的一些情况     

新疆渠道衬砌工程抗冻胀的探讨

在我国的高寒地区,冻胀因素不利于衬砌渠道,在渠道工程建设过程中,解决抗冻胀问题也是当前急需解决的一大难题。重点研究了在我国新疆高寒地区,如何解决抗冻胀问题过程中的基土置换垫层、隔热保温、透水衬砌、优化结构等几个方面,希望能对我国西部高寒地区的灌区加固改造工作有所帮助。     

新疆渠道衬砌工程抗冻胀的思考

在我国的高寒地区,冻胀因素不利于衬砌渠道,在渠道工程建设过程中,解决抗冻胀问题也是当前急需解决的一大难题。本文重点研究了在我国新疆高寒地区,如何解决抗冻胀问题过程中的基土置换垫层、隔热保温、透水衬砌、优化结构等几个方面,希望能对我国西部高寒地区的灌区加固改造工作有所帮助。     

新疆孔雀河灌区渠道衬砌工程抗冻胀模式及应用浅析

冻胀是造成衬砌渠道破坏的主要因素,同时抗冻胀问题处理也是渠道工程建设中的重点和难点。探讨渠道冻胀破坏机理,通过应用和试验,分析适宜新疆孔雀河灌区渠道抗冻胀的基土置换垫层、隔热保温、优化结构等几种模型的优缺点,认为采用聚苯乙烯保温板抗冻胀措施宜全面推广。