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。     

浅析苯板在渠道护坡防冻胀中的应用

苯板是一种优良隔热保温材料,它具有吸水性小、不透水、耐腐蚀、抗老化和施工方便等优点,近年来苯板开始运用于渠道抗冻胀、土坝坝坡抗冻胀等水利工程,为水利工程的抗冻胀材料应用增加了新的选择方案。主要就苯板在渠道护坡抗冻胀设计和应用方面的经验进行了探讨。     

明渠衬砌冻胀破坏成因分析及防冻胀措施研究

山东省胶东调水工程所在区域位于暖温带季风气候区,有明显的海洋性气候特征,在冬季引水时,受到低温、冰凌影响对明渠衬砌工程产生冻胀破坏,严重影响引水安全。从渠道的冻胀原因入手,寻求合理的防冻胀措施。     

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。     

渠道衬砌体冻胀破坏机理分析与防治措施研究

导致渠道衬砌体破坏的主要因素是土体中水分及其冻移作用、负温条件、土体物理性质.笔者在研究分析的基础上提出了"削减与抵抗"相结合的防治措施.认为通过冻胀力计算模型,分别计算出渠道横断面上不同电位的冻胀力值,合理地计算选定砼强度、砌体结构形式和尺寸是可行的.     

大洼灌区渠道防渗抗冻胀设计技术分析

大洼灌区位于辽宁盘锦市的南部,地处大辽河最下游右岸,灌区东邻大辽河,南与营口市隔河相望,西临辽河,北与盘锦市兴隆台区相接壤。以大洼灌区为例,采用渠道防渗抗冻胀衬砌技术,从减少渠系输水损失和提高田间水利用效率等方面解决现状问题,提出设计对策及防治措施,对于提高灌溉水利用率,增加水稻产量,减少氮肥施用量,改善稻米品质,保证粮食安全和农业可持续发展具有重大意义。     

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.     

渠道抗冻胀垫层设计方法研究与数值模拟

基土换填是常用的抗冻胀措施。目前非冻胀性土缺乏科学标准的定义,换填厚度基本按照经验公式和工程类比确定,不尽科学合理。在对垫层抗冻胀机制的分析基础之上,根据层状土毛管水土水势理论给出了垫层材料的选择依据,结合热阻等效原理在考虑了衬砌结构允许位移的基础上给出了渠道垫层厚度的计算公式,并根据传统算法与该方法对山东打渔张北干渠弧形坡脚梯形渠道进行抗冻胀垫层设计;同时采用ANSYS有限元软件对渠道铺设垫层前后进行热力耦合数值模拟。研究表明,垫层通过改善水分场、温度场削弱了冻胀发生的因素;该垫层算法比传统算法合理、工程造价较低。数值分析表明,渠道冻胀量、冻胀力明显被削减,其中对阴坡的削减可达90%以上。     

昌马灌区渠道工程冻胀性及防治措施

本文对昌马灌区渠道工程的工程地质问题进行了分析研究,分析了软土渠基的渗漏及冻胀破坏的机制,并提出了具有实际工程意义的治理对策.     

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。     

置换法在抑制土工格栅冻胀破坏中的应用

在季节性冻土地区,由于冻拔作用常使加筋土坡中土工格栅浮出地面,导致加筋作用失效,但国内关于其破坏防治的试验研究较少。通过室外冻胀试验,研究利用非冻胀性材料置换的方法对抑制土工格栅冻拔破坏的效果。对比火山灰置换与未置换的两块土工格栅的冻胀数据结果表明,置换侧的土工格栅的最终残余冻胀量较未置换侧的低50%。因此,置换方法对于抑制土工格栅的冻胀破坏效果明显,具有较强的工程实用价值     

岩石内孔隙/裂隙冻胀力模型及其适用性评价

开展含缺陷空间(孔隙、裂隙)岩体内部冻胀力发生机制及演化规律分析,是岩体冻胀损伤、断裂评价研究的基础。孔隙、裂隙冻胀损伤发生空间尺度存在显著差异,其冻胀损伤机制及冻胀力演化分析也不尽相同,可将孔隙介质冻胀损伤理论归纳为四类：①基于水冰相变体胀的冻胀损伤模型,包括体积膨胀理论、静水压理论等;②基于水热迁移的冻胀损伤理论,包括分凝冰理论、全过程冻胀理论等;③基于孔隙水相变热力学平衡分析的损伤理论,包括毛细管理论、结晶压理论等;④孔隙介质力学理论。裂隙介质冻胀损伤一般认为发生在宏观空间尺度上,着重关注裂隙的冻胀扩展过程。其损伤理论可分为体积膨胀理论（包括水压致裂理论）和分凝冰理论,而裂隙介质冻胀损伤对微观过程（如未冻水迁移、岩/冰界面受力特性等）关注度有待深入。藉此分别讨论上述冻胀损伤理论原理、适用条件及局限性,并对不同缺陷形态（孔隙、裂隙）引起的冻胀力演化机制差异性进行简要分析。     

粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究

针对深季节冻土区的特殊环境,通过室内试验研究了粉砂土在不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数条件下的反复冻胀、融沉特性。研究结果表明：粉砂土的冻结温度为-1.03 °C;其冻胀融沉变形随冻融次数的增加呈现波浪式起伏变化,并最终趋于稳定状态;经历多次冻融后,干密度较大试样整体表现为膨胀,干密度较小试样整体表现为压密;上部荷载在抑制冻胀的同时加大了试样的整体融沉变形,却降低了每次冻融的冻胀率和融沉系数;存在一个最优初始含水率,该含水率条件下,试样经历多次冻融后的高度不发生变化;由于外界水源的补给,冻融后试样内部含水率均大于初始含水率;干密度和顶端荷载的增大均有效地抑制了外界水源的补给;4次冻融循环后,粉砂土的冻胀率、融沉系数均逐渐趋于稳定。     

一种易于产生冻胀的冻结模式

选取青藏铁路沿线粉质黏土,进行了一维土样在连续、分步两种不同冻结模式下的冻胀响应试验和数值模拟研究,得到并分析其温度梯度场及土样冻胀量的演变规律。结果表明,与连续冻结模式相比,分步冻结模式更易产生较大冻胀量,其机制主要在于该冻结模式使得冻结缘内温度梯度较大。     

裂隙岩体不均匀冻胀性研究

隧道冻胀力是引起隧道冻害的主要原因之一,隧道冻胀力主要由围岩不均匀冻胀引起。裂隙的存在会对岩体不均匀冻胀产生进一步影响,因此推导了岩体不均匀冻胀系数k_θ的计算公式,并获得岩体不均匀冻胀系数k_θ的相关规律。(1)岩体不均匀冻胀系数随裂隙与冻结方向的夹角θ的增大而增大。(2)温度梯度增加,岩体的不均匀冻胀系数k_θ增加,岩体的不均匀冻胀性增强。(3)裂隙率对岩体不均匀冻胀的影响需要考虑到裂隙与温度梯度夹角q,当裂隙与温度梯度的夹角q较小时,岩体不均匀冻胀系数k_θ随裂隙率的增加而减小;当裂隙与温度梯度的夹角θ较大时,岩体不均匀冻胀系数k_θ随裂隙率的增加而增大。(4)裂隙对岩体不均匀冻胀的影响程度与岩体的岩性有关,裂隙对孔隙率小的岩体影响较大。根据推导的裂隙岩体不均匀冻胀系数计算公式,计算得到了不同岩性不同级别含裂隙围岩的不均匀冻胀系数范围,从而,在寒区隧道设计中可以更精确地计算隧道围岩作用于衬砌上的冻胀力,对寒区隧道工程的设计具有重要作用,对路基、边坡等寒区工程冻胀力的研究也可起到推动...     

Formation and growth of multiple,distinct ice lenses in frost heave

This paper presents a fully coupled thermo-hydro-mechanical (THM) model which simulates frost heave in fully saturated soils. The model is able to simulate the formation and growth of multiple distinct ice lenses. The basic equations of the system were derived using the continuum theory of mixtures, nonequilibrium thermodynamics, and fracture mechanics, considering skeleton deformation, water flow and heat transport. Central to this model is the coupled transport of mass due to the temperature gradient across the frozen fringe, which acts as the main driving force of the phenomenon. The model is formulated in terms of measurable physical properties and thus no ad hoc parametrization is required. In an ice-lens-free state, the system is solved as a continuum using the finite element method (FEM). It is then locally treated as a discontinuous system upon the formation of ice lens, by enriching the elements carrying the embedded ice lens(es) using the extended finite element method (X-FEM). The accuracy and efficiency of the proposed model has been verified using several laboratory tests on Devon silt samples at different overburden pressures and thermal boundary conditions. Shut-off pressures have been also estimated and compared with the experimental results.     

钢纤维煤矸石混凝土抗冻性能及损伤模型研究

为研究钢纤维煤矸石混凝土的抗冻性能,以冻融循环次数和钢纤维掺量为主要变量,通过快速冻融试验,研究不同掺量的钢纤维煤矸石混凝土的表观形貌、质量损失、相对动弹性模量和抗压强度的变化规律;并依据钢纤维煤矸石混凝土动弹性模量的变化,定义钢纤维煤矸石混凝土的损伤变量,建立冻融环境下钢纤维煤矸石混凝土的损伤模型。研究结果表明：在冻融环境作用下掺入适量的钢纤维能够降低煤矸石混凝土的质量损失和减缓相对动弹性模量的下降,提高煤矸石混凝土的抗冻性能;依据损伤变量提出的损伤模型与试验数据符合较好,可以为冻融环境下钢纤维煤矸石混凝土的耐久性研究提供理论参考。     

土体冻胀与地基梁相互作用的叠加法研究

根据随机介质的思想,土体冻胀引起的地表隆起近似为正态分布。以上海体育场穿越工程为研究背景,由叠加法基本原理,得出多管冻结冻胀叠加法表达式。将非均布的冻胀荷载简化成多段均布荷载,编制matlab程序求解冻土地基上的弹性地基梁方程,得到冻胀与地基梁（结构）相互作用的位移及接触压力,并用实测数据进行了验证。最后对冻胀与基础梁相互作用的影响因素进行计算分析,得出相互作用的冻胀量随地基梁刚度与外荷载增加而减小、随地基弹性接触系数与自由冻胀量增加而增加。