U形渠道衬砌防冻机理与数值模拟研究

发布时间：2018-02-11 08:03

  本文关键词： 渠道 U形衬砌 冻胀机理 数值模拟　出处：《宁夏大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：对于季节性冻胀地区,渠道冻害是影响渠道防渗衬砌工程运行的主要问题。渠道衬砌工程的冻胀机理及相关参数对于衬砌结构抗冻胀性能的影响规律是渠道衬砌工程中急需解决的重要技术问题之一。针对宁夏地区典型U形渠道衬砌特点,本文依据冻土物理学、有限元理论、弹塑性力学、结构力学等相关学科的基础理论,采用试验及数值模拟方法,对U形渠道衬砌冻胀机理及影响U形衬砌抗冻胀性能的相关参数进行了分析研究。提出了典型土质下U形渠道衬砌冻胀敏感性预测模型,修正并验证了 U形渠道衬砌数值模型并分析了不同参数对U形混凝土衬砌抗冻性能的影响规律。主要研究结论及成果包括:(1)建立了一种U形混凝土衬砌渠道冻胀特性的连续观测试验方法,建立了混凝土衬砌渠道渠基不同位置冻胀量观测系统,渠基不同位置土壤水分观测系统,确定了影响衬砌不同位置冻胀力观测系统的平面布置和横断面布置特征,研发了混凝土衬砌渠道冻胀特性的观连续观测设备和方法。(2)探讨了渠基季节性冻融土壤基本物理特性、土壤热流、水分迁移方程及水热耦合基本方程影响因素,探明了 U形渠道渠基土壤冻结温度及未冻水分的变化规律、渠基土壤不同部位在不同深度范围内的温度及未冻水变化规律及分布特征。建立了典型土质条件下土壤未冻水含量与温度之间的关系模型。(3)揭示了 U形渠道在典型土质条件下,渠基不同深度范围内的温度、水分与冻胀率的相关度及变化规律,以及U形混凝土衬砌所受冻胀力与渠基土壤冻胀率的相关度及变化规律。建立了典型土质条件下渠基土壤冻胀敏感性及渠道衬砌所受冻胀力预测模型。(4)通过混凝土材性试验,对宁夏常用混凝土衬砌进行了数值模型基本参数的修正,并应用大型有限元分析软件ADINA建立U形混凝土衬砌弥散型裂缝分析模型。验证了弥散型裂缝数值分析的可行性,提出了分析U形衬砌在冻胀力作用下的数值模拟非线性分析方法。(5)结合我国现行渠道衬砌设计的相关规范并利用弥散型裂缝模型,揭示了 U形混凝土衬砌的材料强度等级、U形衬砌结构倾角以及衬砌厚度等不同参数的混凝土衬砌在冻胀力作用下的力学响应规律及参数对衬砌抗冻胀性能影响规律,提出了通过衬砌抗冻胀系数判断U形衬砌抗冻胀性能的方法。
[Abstract]:For seasonal frost heaving areas, The frost damage of channel is the main problem that affects the operation of canal anti-seepage lining engineering. The frost heave mechanism of channel lining engineering and the influence law of relevant parameters on the frost heaving performance of lining structure are the important problems that need to be solved urgently in canal lining engineering. One of the technical problems. According to the characteristics of typical U-shaped channel lining in Ningxia, Based on the basic theories of frozen soil physics, finite element theory, elastic-plastic mechanics, structural mechanics and so on, this paper adopts experimental and numerical simulation methods. The frost heaving mechanism of U-shaped channel lining and the related parameters affecting the frost heaving resistance of U-shaped lining are analyzed and studied. A prediction model for frost heave sensitivity of U-shaped canal lining under typical soil quality is proposed. The numerical model of U-shaped channel lining is revised and verified, and the influence of different parameters on the frost resistance of U-shaped concrete lining is analyzed. The main research conclusions and results include: (1) A kind of U-shaped concrete lining channel frost is established. Test method for continuous observation of dilatancy, The observation system of frost heaving quantity at different positions of canal foundation of concrete lining and the observation system of soil moisture in different positions of canal foundation are established. The plane arrangement and cross section arrangement characteristics of the observation system affecting the frost heave force in different positions of lining are determined. The observational equipment and method of continuous observation of frost heaving characteristics of concrete lining canals are developed. The basic physical properties, soil heat flux, water transfer equation and coupled basic equation of water and heat are discussed. The changes of soil freezing temperature and unfrozen moisture in U-shaped canal foundation were investigated. The variation and distribution characteristics of temperature and unfrozen water in different parts of canal soil in different depth range were studied. The model of relationship between soil unfrozen water content and temperature under typical soil quality was established. Under typical soil conditions, Correlation and variation of temperature, moisture and frost heaving rate in different depth range of canal foundation, And the correlation between frost heaving force of U-shaped concrete lining and soil frost heaving rate of canal foundation and its variation law. A model for predicting frost heave sensitivity of canal foundation soil and frost heave force of canal lining under typical soil quality is established. The basic parameters of numerical model of common concrete lining in Ningxia were revised, and the model of U shape concrete lining dispersion crack was established by using large scale finite element analysis software ADINA. The feasibility of numerical analysis of dispersive crack was verified. A numerical simulation nonlinear analysis method of U-shaped lining under frost heaving force is put forward. Combining with the relevant codes of channel lining design in China and using the dispersive crack model, this paper presents a new method of numerical simulation for U-shaped lining under frost heaving force. This paper reveals the mechanical response law of U-shaped concrete lining under frost heaving force and the influence of parameters on the frost heaving performance of U-shaped concrete lining with different parameters such as inclination angle of U-shaped concrete lining structure and thickness of U-shaped concrete lining under the action of frost heaving force, and the influence of the parameters on the frost heaving performance of the lining. A method for judging the frost heaving property of U-shaped lining is put forward through the frost-resistant coefficient of lining.
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV698.26

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本文编号：1502570