考虑水分相变的渠道冻胀数值模拟研究

发布时间：2017-11-15 02:19

  本文关键词：考虑水分相变的渠道冻胀数值模拟研究

  更多相关文章： 水分相变 衬砌渠道 冻胀 古德曼接触 数值模拟

【摘要】：随着经济发展,水资源供需矛盾日益突出,发展节水农业势在必行。为提高灌溉水的利用率,我国修建了大量的混凝土衬砌渠道。但在我国广大的季节性冻土区,由于冬季气温低,渠基土的冻胀变形导致很多衬砌都出现裂缝,甚至整体遭到破坏。因此,开展渠道冻胀机理以及衬砌破坏过程的研究,对渠道衬砌持续发挥效益具有十分重要的意义。论文从渠基土质,温度条件,水分条件和受力条件四个方面对渠道衬砌冻胀破坏进行分析总结,研究了渠道冻害防治措施。基于有限元理论,运用ABAQUS软件对渠基土温度场进行数值模拟,对梯形渠道进行了考虑古德曼接触的渠道冻胀热应力分析,得出如下主要结论:(1)基于中国自然资源数据库(1950~1980)的数据,确定了温度和太阳辐射边界条件。这种基于平均情况进行的模拟,较好地反映自然环境因素对渠基土温度场的影响。经数值计算,得出了不同月份的典型渠道渠基土温度场分布图和0温线位置图。结果表明,在渠基土边界,由于太阳辐射的不同造成阴阳坡温度分布产生差异;在渠基土内部,考虑了水分相变时冻结锋面有一定的滞后作用,模拟计算的冻深能够更好地与典型地区的多年平均冻深相吻合。(2)在渠基土和混凝土衬砌板的接触部位设置古德曼接触单元,建立有限元模型,较好模拟了渠混凝土衬砌板与渠基土的相对滑移与相互挤压,经与不考虑接触的冻胀模型计算结果对比,发现渠道法向冻胀力最大值下降了30%,切向冻结力最大值下降了40%,原因是设置接触的模型在受力变形过程中因产生滑移而释放能量,减小了因变形而产生的应力。(3)切向冻结力在距离坡脚约1/3的渠坡处为零,向两边逐渐增大,成为坡板的薄弱处,在法向冻胀力的作用下,导致此处最易受到冻胀破坏,验证了渠道衬砌往往在1/3的渠坡处出现裂缝的实测结果。(4)渠道底板中部的法向冻胀量最大,而切向冻结力基本为零,必然会产生悬空而使此处成为最薄弱处,很好的解释了渠道底板中部最易受到破坏的现象。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV698.26

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本文编号：1187974